新型驻电极空气过滤器容尘性能实验研究

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1、新型驻电极空气过滤器容尘性能实验研究熊文浪;林忠平 【摘要】新型驻电极空气过滤器的容尘性能实验结果显示,其初始阻力在1.0 m/s 和2.5 m/s迎面风速下分别为14 Pa和60 Pa,且阻力容尘后基本不变初始PM2.5 过滤效率分别为99.8%和97.6%.容尘过程中效率衰减缓慢，使用一段时间后 PM2.5过滤效率仍在90%以上和50%以上，清洗后效率有较大提升.无明显臭氧产 生，针尖放电高压稳定，功率较小仅为15W.【期刊名称】建筑热能通风空调 【年(卷)，期】2018(037)001 【总页数】4页(P40-43) 【关键词】驻电极空气过滤器;容尘性能;效率衰减 【作者】熊文浪;林忠平

2、【作者单位】同济大学机械与能源工程学院;同济大学机械与能源工程学院【正文语种】中文0引言现有大量医学研究报告指出，人体长期暴露在颗粒物浓度较高的环境中容易引发心 血管、呼吸系统甚至癌症等疾病，且细颗粒物对于健康的威胁更大1。对于室内 和室外颗粒物浓度水平的长期监测结果显示，室内空气PM2.5浓度和大气PM2.5 呈强相关性2,室内的颗粒物污染源主要是大气环境，这一点已得到大多数学者 的认同3-5。雾霾的频发不仅给室外环境造成影响，也会引发社会对于室内空气 质量的担忧，从而迫使公众寻求纤维过滤、静电除尘、负离子作用甚至生物过滤系 统6等净化空气的手段来保证基本的健康需求。自从将静电除尘技术应用到

3、控制室内颗粒物领域从而得到静电式集尘过滤器（ESP），新技术、新构造就不断的涌现7，静电类过滤器（ESP）集尘效率不断 提高，对细颗粒物的收集效果更好，其相对于传统纤维过滤器更是具有阻力小、风 机能耗小的优势，因此广泛应用于室内空气净化设备中。单区结构的静电式集尘过 滤器（ESP）在收尘过程中会因为粉尘层表面电荷的累积产生反电晕效果8-9， 这不利于对颗粒物的收集，而将对粒子电离和收集分为两个阶段，形成双区结构 10-11，让粒子先带上一定量的电荷，再通过电场被收集，这样就能很好的解决 反电晕的问题。1新型驻电极空气过滤器新型驻电极空气过滤器是一种依靠电场与荷电粒子间的静电力完成对粒子捕集的空

4、 气净化设备。从本质上来说，它属于引言中提到的双区结构静电式集尘过滤器。如 图1所示，它包括两个部分：针尖放电装置和集尘极板。根据其功能要求以及尺 寸的不同可以选择装配于空调系统新风段或回风段内，或者室内空气净化器等装置 内。图1新型驻电极空气过滤器工作原理针尖放电装置包括不锈钢针和铝制孔板。不锈钢电晕针接入-12kV左右的负高电 压，铝制孔板接地，电势为零，含尘气流中的粒子通过带有圆孔的矩形阵列孔板后 带上一定量的电荷，进入到集尘模块在静电场中被捕集。集尘模块的高压电源正负极通过导线接入碳纤维导电薄膜，本研究中的实验对象的 正极接地；薄膜外包裹导电率极低的电介质材料形成密闭空间，颗粒物也无法

5、与电 极直接接触，防止电极间因高电压产生打火现象。通过极大的缩小两集尘板间距并 加以高电压，营造出集尘区微孔通道内的极强电场，和普通集尘板相比，可更加有 效的捕获荷电粒子，提高该类设备的收尘效率。应用此集尘模块的双区静电过滤器 在实验室测试中表现良好，大于等于0.3 pm粒径粒子的集尘效率为76.1%12。2容尘实验方法2.1实验台搭建驻电极空气过滤器的性能测试实验台依据欧洲标准EN779 : 2012一般通风过滤 器过滤性能测定13搭建，主要由变频风机，喷嘴流量计，压差计，高压 测试系统，功率测试系统，气溶胶采样系统，气体采样系统及风管管道等组成，实 验台的示意图则如图2所示。图2空气过滤器

6、性能实验台示意图2.2实验仪器在连续运行容尘阶段测试过程中用到的仪器有：1）高压探棒FLUKE 80K-15和万用表的组合，探棒接入万用表千伏直流高压量程， 通过直接接触法测量针尖放电电压，仪器不准确度1%。2 ）臭氧检测仪model 106 L，基于紫外分光光度法测量臭氧浓度，仪器不准确度 2%。3）电质量分析仪HIOKI 3197，配合功率仪测量装置开启时的电参数，仪器不准 确度1%。4 ）压力传感器KIMO CP100，测量受试过滤器前后的压差，得到不同风量下的阻 力，仪器不准确度1 Pa。5） Palas promo 2000气溶胶粒径谱仪，基于光散射原理测量大气尘上下游粒子 浓度，配

7、合使用welas 2300探头测量范围为0.17 10 pm粒径的粒子浓度。2.3实验方法本文主要目的在于通过实验探究新型驻电极空气过滤器实际连续运行条件下容尘（大气尘）阶段的容尘阶段效率、阻力、臭氧发生浓度、容尘量、针尖放电高压等 性能评价指标的变化，具体的实验方法如下：1）测定受试样品的规格参数，包括尺寸、重量等。2 ）在容尘初始阶段，进行风量-阻力测试，确定1.0 3.0 m/s五组风速所对应不 同风量下的阻力性能。3）通过采样管连接粒子计数器，测试初始状态不同迎面风速下的各粒径段粒子的 上下游浓度，按照EN779 :2012中规定的方法计算分组效率和分级效率，并以此 参照标准ISO 1

8、6890-1 : 2016中推荐的方法计算PM2.5计重效率14。4 ）设备运行功耗的测量。5）根据GB/T14295-2008空气过滤器，在试验风量下，使用臭氧检测仪交替 测量上、下游臭氧浓度，并计算得到浓度差即为臭氧发生浓度。6）调整高压探棒和万用表至千伏档位，测量针尖放电高压。7 ）连续运行60天进行容尘，每天运行时间设置为8小时，定时开启定时关闭， 每隔一天测量并计算得到1.0 m/s和2.5 m/s迎面风速下的过滤效率，期间重复4、 5、6步骤。8）每一阶段容尘后称量装置的重量，计算得到容尘量。9 ）取出驻电极集尘模块进行清洗，在1.0 m/s和2.5 m/s迎面风速下再次测量清 洗

9、后的过滤效率，对比清洗前后的效率变化情况。3实验结果与讨论3.1初始阻力与效率图3为新型驻电极过滤器的初始阻力与迎面风速的关系，在1.0 m/s和2.5 m/s迎面风速下初阻力较小，分别为14 Pa和60 Pa，对比同效率等级的纤维过滤器 在2.5 m/s迎面风速下整个容尘阶段的平均阻力232 Pa。如果单独看同风速下的 集尘板阻力要更小，在1.0 m/s迎面风速下不到10 Pa ,在2.5 m/s迎面风速下不 到30 Pa，这说明改善放电模块的结构还能够进一步降低整体的阻力。图3初始状态风速-阻力容尘零阶段测试的装置的初始性能显示：根据ISO 16890-1 : 2016计算出的初始 PM2

10、.5过滤效率在1.0 m/s和2.5 m/s迎面风速下分别为99.8%和97.6%，更进 一步的观察初始条件下的分级效率和分组效率发现，不同风速下的初始分组效率和 分级效率均较高（图4），在90%以上。风速小于2 m/s效率则均在99%以上。 图4初始状态分级效率 3.2容尘阶段效率图5说明容尘阶段内1.0 m/s和2.5 m/s迎面风速下效率的表现差异较大，小风 速下效率衰减更为缓慢，过滤效果更为可靠，在40个容尘天数前效率基本保持在 90%以上，随着容尘的进行效率减少并在70%左右震荡，而大风速下测得的效率 呈现出更加明显的下降趋势。对于0.39 pm粒径档而言，效率从最初几个容尘天 数的

11、90%以上逐步衰减，但是PM2.5计重效率相对于其他计数效率更高，测得的 各组数据PM2.5效率比0.39 pm粒径档效率高1.7% -27.1%，这种差异是由入 口处的含尘气流中粒子的粒径分布不同造成的，可以看出，在50个容尘天数之前 2.5 m/s风速下PM2.5计重效率始终保持在50%以上。图5容尘阶段效率3.3臭氧发生浓度臭氧浓度监测的结果显示（图6）,其浓度的增量最大仅为16.1 ppb，小于国家 级标准限值浓度80 ppb，且未呈现出与迎面风速明显的相关性，出现的负增量 可能与测试过程中上游入口处浓度变化迅速有关。图6臭氧发生浓度监测3.4针尖放电高压各放电针尖处的高压值在差异较小

12、，偏差系数（不均匀度）较小仅为0.036%，可 以认为某点处的针尖放电高压值具有整体的代表性。容尘过程针尖高压在-11.84 kV 至-11.90 kV保持稳定（图7），并没有出现高压值衰弱的情况，排除了粒子 荷电能力对影响效率衰减的干扰。图7针尖放电高压3.5电参数直流高压供电模块的功率稳定在15 W左右，这包括对集尘模块和针尖放电模块两 部分的供电。3.6清洗效果通过加入超声波模块清洗，洗涤剂浸泡晾干后发现，清洗后集尘模块能够恢复到较 为清洁的状态，其中容尘初态至容尘终态增重44.3 g，清洗后减重28.4 g，残余 尘重15.9 g，可以看出清洗的较为彻底。但仍然有改进的空间，尤其是微孔

13、深层 的集尘。清洗后效率较容尘末阶段也有较大提升，1.0 m/s下PM2.5效率93.6%， 2.5 m/s下PM2.5效率69.1%，但无法恢复到初始效率。可以知道，频繁清洗效 率衰减更为缓慢。4结束语本文通过连续容尘实验探究新型驻电极空气过滤器的容尘性能，得出若干主要结论。 1）新型驻电极空气过滤器捕集粒子能力强，初始阻力在1.0 m/s迎面风速下低至 14 Pa，2.5 m/s迎面风速下为60 Pa，且阻力容尘后基本不变。初始PM2.5过滤 效率分别为99.8%和97.6% , 1.0 3.0 m/s风速下的分组效率和分级效率均在90% 以上。2 ）在容尘过程中过滤器的效率衰减缓慢，1.

14、0 m/s迎面风速下PM2.5计重效率连 续运行容尘40天效率仍在90%以上，在50个容尘天数之前2.5 m/s风速下 PM2.5计重效率始终保持在50%以上，清洗后效率较容尘终态有较大提升，1.0 m/s下PM2.5计重效率93.6% , 2.5m/s下PM2.5效率69.1%，频繁清洗效率衰 减更为缓慢。3）容尘过程中，臭氧发生浓度在安全限值内，增量最大仅为16.1 ppb，容尘过 程针尖高压在-11.84 kV 至-11.90 kV保持稳定，电功率稳定在15 W左右。参考文献【相关文献】1 Zanobetti A,Franklin M,Koutrakis P,et al.Fine par

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16、,87:283-291.3 Chen C,Zhao B.Review of relationship between indoor an d outdoor particles:I/O ratio,infiltration factor and penetration factorJ.Atmospheric Environment,2011,45(2):275-288.4 Kuo H W,Shen H Y.Indoor and outdoor PM 2.5,and PM 10,concentrations in the air during a dust stormJ.Building&Environment,2010,45(