新型駐電極空氣過濾器容塵性能實驗研究

熊文浪 林忠平

同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

現(xiàn)有大量醫(yī)學研究報告指出，人體長期暴露在顆粒物濃度較高的環(huán)境中容易引發(fā)心血管、呼吸系統(tǒng)甚至癌癥等疾病，且細顆粒物對于健康的威脅更大[1]。對于室內(nèi)和室外顆粒物濃度水平的長期監(jiān)測結(jié)果顯示，室內(nèi)空氣PM2.5濃度和大氣PM2.5呈強相關(guān)性[2]，室內(nèi)的顆粒物污染源主要是大氣環(huán)境，這一點已得到大多數(shù)學者的認同[3-5]。霧霾的頻發(fā)不僅給室外環(huán)境造成影響，也會引發(fā)社會對于室內(nèi)空氣質(zhì)量的擔憂，從而迫使公眾尋求纖維過濾、靜電除塵、負離子作用甚至生物過濾系統(tǒng)[6]等凈化空氣的手段來保證基本的健康需求。

自從將靜電除塵技術(shù)應用到控制室內(nèi)顆粒物領(lǐng)域從而得到靜電式集塵過濾器（ESP），新技術(shù)、新構(gòu)造就不斷的涌現(xiàn)[7]，靜電類過濾器（ESP）集塵效率不斷提高，對細顆粒物的收集效果更好，其相對于傳統(tǒng)纖維過濾器更是具有阻力小、風機能耗小的優(yōu)勢，因此廣泛應用于室內(nèi)空氣凈化設(shè)備中。單區(qū)結(jié)構(gòu)的靜電式集塵過濾器（ESP）在收塵過程中會因為粉塵層表面電荷的累積產(chǎn)生反電暈效果[8-9]，這不利于對顆粒物的收集，而將對粒子電離和收集分為兩個階段，形成雙區(qū)結(jié)構(gòu)[10-11]，讓粒子先帶上一定量的電荷，再通過電場被收集，這樣就能很好的解決反電暈的問題。

1 新型駐電極空氣過濾器

新型駐電極空氣過濾器是一種依靠電場與荷電粒子間的靜電力完成對粒子捕集的空氣凈化設(shè)備。從本質(zhì)上來說，它屬于引言中提到的雙區(qū)結(jié)構(gòu)靜電式集塵過濾器。如圖1所示，它包括兩個部分：針尖放電裝置和集塵極板。根據(jù)其功能要求以及尺寸的不同可以選擇裝配于空調(diào)系統(tǒng)新風段或回風段內(nèi)，或者室內(nèi)空氣凈化器等裝置內(nèi)。

圖1 新型駐電極空氣過濾器工作原理

針尖放電裝置包括不銹鋼針和鋁制孔板。不銹鋼電暈針接入-12kV左右的負高電壓，鋁制孔板接地，電勢為零，含塵氣流中的粒子通過帶有圓孔的矩形陣列孔板后帶上一定量的電荷，進入到集塵模塊在靜電場中被捕集。

集塵模塊的高壓電源正負極通過導線接入碳纖維導電薄膜，本研究中的實驗對象的正極接地；薄膜外包裹導電率極低的電介質(zhì)材料形成密閉空間，顆粒物也無法與電極直接接觸，防止電極間因高電壓產(chǎn)生打火現(xiàn)象。通過極大的縮小兩集塵板間距并加以高電壓，營造出集塵區(qū)微孔通道內(nèi)的極強電場，和普通集塵板相比，可更加有效的捕獲荷電粒子，提高該類設(shè)備的收塵效率。應用此集塵模塊的雙區(qū)靜電過濾器在實驗室測試中表現(xiàn)良好，大于等于0.3 μm粒徑粒子的集塵效率為76.1%[12]。

2 容塵實驗方法

2.1 實驗臺搭建

駐電極空氣過濾器的性能測試實驗臺依據(jù)歐洲標準EN779：2012《一般通風過濾器——過濾性能測定》[13]搭建，主要由變頻風機，噴嘴流量計，壓差計，高壓測試系統(tǒng)，功率測試系統(tǒng)，氣溶膠采樣系統(tǒng)，氣體采樣系統(tǒng)及風管管道等組成，實驗臺的示意圖則如圖2所示。

圖2 空氣過濾器性能實驗臺示意圖

2.2 實驗儀器

在連續(xù)運行容塵階段測試過程中用到的儀器有：

1）高壓探棒FLUKE 80K-15和萬用表的組合，探棒接入萬用表千伏直流高壓量程，通過直接接觸法測量針尖放電電壓，儀器不準確度±1%。

2）臭氧檢測儀model 106 L，基于紫外分光光度法測量臭氧濃度，儀器不準確度±2%。

3）電質(zhì)量分析儀HIOKI 3197，配合功率儀測量裝置開啟時的電參數(shù)，儀器不準確度±1%。

4）壓力傳感器KIMO CP100，測量受試過濾器前后的壓差，得到不同風量下的阻力，儀器不準確度±1 Pa。

5）Palas promo 2000氣溶膠粒徑譜儀，基于光散射原理測量大氣塵上下游粒子濃度，配合使用welas 2300探頭測量范圍為0.17～10 μm粒徑的粒子濃度。

2.3 實驗方法

本文主要目的在于通過實驗探究新型駐電極空氣過濾器實際連續(xù)運行條件下容塵（大氣塵）階段的容塵階段效率、阻力、臭氧發(fā)生濃度、容塵量、針尖放電高壓等性能評價指標的變化，具體的實驗方法如下：

1）測定受試樣品的規(guī)格參數(shù)，包括尺寸、重量等。

2）在容塵初始階段，進行風量-阻力測試，確定1.0～3.0 m/s五組風速所對應不同風量下的阻力性能。

3）通過采樣管連接粒子計數(shù)器，測試初始狀態(tài)不同迎面風速下的各粒徑段粒子的上下游濃度，按照EN779：2012中規(guī)定的方法計算分組效率和分級效率，并以此參照標準ISO 16890-1：2016中推薦的方法計算PM2.5計重效率[14]。

4）設(shè)備運行功耗的測量。

5）根據(jù) GB/T14295-2008《空氣過濾器》，在試驗風量下，使用臭氧檢測儀交替測量上、下游臭氧濃度，并計算得到濃度差即為臭氧發(fā)生濃度。

6）調(diào)整高壓探棒和萬用表至千伏檔位，測量針尖放電高壓。

7）連續(xù)運行60天進行容塵，每天運行時間設(shè)置為8小時，定時開啟定時關(guān)閉，每隔一天測量并計算得到1.0 m/s和2.5 m/s迎面風速下的過濾效率，期間重復4、5、6 步驟。

8）每一階段容塵后稱量裝置的重量，計算得到容塵量。

9）取出駐電極集塵模塊進行清洗，在1.0 m/s和2.5 m/s迎面風速下再次測量清洗后的過濾效率，對比清洗前后的效率變化情況。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 初始阻力與效率

圖3為新型駐電極過濾器的初始阻力與迎面風速的關(guān)系，在1.0 m/s和2.5 m/s迎面風速下初阻力較小，分別為14 Pa和60 Pa，對比同效率等級的纖維過濾器在2.5 m/s迎面風速下整個容塵階段的平均阻力232 Pa。如果單獨看同風速下的集塵板阻力要更小，在1.0 m/s迎面風速下不到10 Pa，在2.5 m/s迎面風速下不到30 Pa，這說明改善放電模塊的結(jié)構(gòu)還能夠進一步降低整體的阻力。

圖3 初始狀態(tài)風速-阻力

容塵零階段測試的裝置的初始性能顯示：根據(jù)ISO 16890-1：2016計算出的初始PM2.5過濾效率在1.0 m/s和2.5 m/s迎面風速下分別為99.8%和97.6%，更進一步的觀察初始條件下的分級效率和分組效率發(fā)現(xiàn)，不同風速下的初始分組效率和分級效率均較高（圖4），在90%以上。風速小于2 m/s效率則均在99%以上。

圖4 初始狀態(tài)分級效率

3.2 容塵階段效率

圖5說明容塵階段內(nèi)1.0 m/s和2.5 m/s迎面風速下效率的表現(xiàn)差異較大，小風速下效率衰減更為緩慢，過濾效果更為可靠，在40個容塵天數(shù)前效率基本保持在90%以上，隨著容塵的進行效率減少并在70%左右震蕩，而大風速下測得的效率呈現(xiàn)出更加明顯的下降趨勢。對于0.39 μm粒徑檔而言，效率從最初幾個容塵天數(shù)的90%以上逐步衰減，但是PM2.5計重效率相對于其他計數(shù)效率更高，測得的各組數(shù)據(jù)PM2.5效率比0.39 μm粒徑檔效率高1.7%～27.1%，這種差異是由入口處的含塵氣流中粒子的粒徑分布不同造成的，可以看出，在50個容塵天數(shù)之前2.5 m/s風速下PM2.5計重效率始終保持在50%以上。

圖5 容塵階段效率

3.3 臭氧發(fā)生濃度

臭氧濃度監(jiān)測的結(jié)果顯示（圖6），其濃度的增量最大僅為16.1 ppb，小于國家一級標準限值濃度80 ppb，且未呈現(xiàn)出與迎面風速明顯的相關(guān)性，出現(xiàn)的負增量可能與測試過程中上游入口處濃度變化迅速有關(guān)。

圖6 臭氧發(fā)生濃度監(jiān)測

3.4 針尖放電高壓

各放電針尖處的高壓值在差異較小，偏差系數(shù)（不均勻度）較小僅為0.036%，可以認為某點處的針尖放電高壓值具有整體的代表性。容塵過程針尖高壓在-11.84 kV至-11.90 kV保持穩(wěn)定（圖7），并沒有出現(xiàn)高壓值衰弱的情況，排除了粒子荷電能力對影響效率衰減的干擾。

圖7 針尖放電高壓

3.5 電參數(shù)

直流高壓供電模塊的功率穩(wěn)定在15 W左右，這包括對集塵模塊和針尖放電模塊兩部分的供電。

3.6 清洗效果

通過加入超聲波模塊清洗，洗滌劑浸泡晾干后發(fā)現(xiàn)，清洗后集塵模塊能夠恢復到較為清潔的狀態(tài)，其中容塵初態(tài)至容塵終態(tài)增重44.3 g，清洗后減重28.4 g，殘余塵重15.9 g，可以看出清洗的較為徹底。但仍然有改進的空間，尤其是微孔深層的集塵。清洗后效率較容塵末階段也有較大提升，1.0 m/s下PM2.5效率93.6%，2.5 m/s下PM2.5效率69.1%，但無法恢復到初始效率。可以知道，頻繁清洗效率衰減更為緩慢。

4 結(jié)束語

本文通過連續(xù)容塵實驗探究新型駐電極空氣過濾器的容塵性能，得出若干主要結(jié)論。

1）新型駐電極空氣過濾器捕集粒子能力強，初始阻力在1.0 m/s迎面風速下低至14 Pa，2.5 m/s迎面風速下為60 Pa，且阻力容塵后基本不變。初始PM2.5過濾效率分別為99.8%和97.6%，1.0～3.0 m/s風速下的分組效率和分級效率均在90%以上。

2）在容塵過程中過濾器的效率衰減緩慢，1.0 m/s迎面風速下PM2.5計重效率連續(xù)運行容塵40天效率仍在90%以上，在50個容塵天數(shù)之前2.5 m/s風速下PM2.5計重效率始終保持在50%以上，清洗后效率較容塵終態(tài)有較大提升，1.0 m/s下PM2.5計重效率93.6%，2.5m/s下PM2.5效率69.1%，頻繁清洗效率衰減更為緩慢。

3）容塵過程中，臭氧發(fā)生濃度在安全限值內(nèi)，增量最大僅為16.1 ppb，容塵過程針尖高壓在-11.84 kV至-11.90 kV保持穩(wěn)定，電功率穩(wěn)定在15 W左右。