蒸发冷却填料的空气净化性能研究进展与前景分析

汪天尖，辛军哲

(广州大学土木工程学院，广东广州510006)

1 引言

图1 常见的有机填料种类

随着社会工业的不断发展,空气污染日益严重,为了降低雾霾、粉尘对人体健康的危害,空调系统对空气的净化作用显得尤为重要。传统的空气过滤器通过惯性碰撞、接触阻留、筛滤、重力沉降、扩散、静电等一系列的作用机理来净化过滤空气中的粉尘颗粒以及细菌、病毒[1]，但是伴随着过滤器的运行，其捕集到的尘粒及其附着在尘粒上的细菌、病毒都会聚集在过滤层上，累计到一定数量时就可能产生扬尘形象，形成二次污染，致使过滤效率下降，危害人们的健康。区别于传统空气过滤器，填料型洗涤式除尘器通过在填料层淋水或其它溶液，在过滤材料通道及其表面形成液滴和液膜，空气中的尘粒、气溶胶通过与液滴、液膜相接触而被捕获[2-3]，然后被淋下来的水或其他溶液带走，从而可以有效的将液态或固态粉尘粒子从气流中除去。作为一种自净式过滤器，蒸发冷却填料过滤克服了传统空气过滤器的一些弊病，具有明显的优势和推广价值，因此对其性能和应用进行深入的研究具有重要意义。

2 蒸发冷却填料的分类

填料作为蒸发冷却空调系统的核心，常见的种类有：有机填料、无机填料、天然植物纤维填料、金属填料、无纺布填料、PVC填料、多孔陶瓷填料等。如图1所示：

上述填料按其弹性特性可分为硬性、半软性、软性等；按填料中水被淋洒成的冷却表面形式，可分为点滴式、薄膜式、点滴薄膜式三种类型(其中，点滴式淋水填料主要以水滴散热为主，薄膜式淋水填料以表面水膜散热为主)；按填料的填充方式又可分为自由填充和规则填充两类；按材质又可分为有机材质和无机材质两种，其中有机材质主要有天然植物纤维(俗称木丝)和纸基填料(纸帘)，无机材质主要有玻璃纤维、金属填料(铝帘和钢帘)及泡沫陶瓷填料。

目前在工程中应用最广的填料是纸帘和铝帘。纸基填料和金属填料都是由波纹状的纸板或金属板以十字斜交叉形式组装而成，均为二维通孔结构，属于硬性、整装(波纹板)型、薄膜式淋水填料。结构上特殊的波纹角度，可以控制水与空气的流动方向，从而使得水流与空气之间有较大的接触面积以及较小的流动阻力。

3 蒸发冷却填料的空气净化性能

3.1 填料的空气净化机理

在直接蒸发冷却空调系统中，填料的除尘净化过程是伴随着水与空气的热质交换过程发生的。其除尘机理就是当含尘气体流经填料通道，并与填料表面的水膜接触的时候，由于填料板上设置的凹槽，改变了气流原来的流动方向，空气中的固体颗粒或粉尘由于惯性作用，撞在了介质表面从而被捕获。进一步除尘作用发生在固体颗粒及粉尘撞击的潮湿表面，通过液膜的表面张力，将粉尘和颗粒吸引住，并被冲洗到集水池中。同时在粒径小于1μm的情况下，微细粉尘在气体分子撞击下，像气体分子一样作布朗运动而发生扩散，并与水接触而从气流中分离。

图2 填料过滤器的工作示意图

3.2 填料除尘的净化效率

由于填料过滤器的除尘机理主要在惯性碰撞、拦截以及扩散这三种作用下完成的，因此过滤器总的除尘效率也是在三种除尘机理的综合作用下得到的。

(1)惯性作用的除尘效率：

惯性碰撞的除尘效率主要是斯托克斯数的函数，可以表示为：

ηI=f(St)

其中：v0—空气相对于液膜运动速度，m/s；

dp—尘粒直径，m；

ρc—粉尘颗粒的密度，kg/m3

μ—气体粘度，kg/m·s；

db—液膜的厚度，m。

(2)拦截作用的除尘效率：

在层流条件下，填料除尘器的拦截效率可以按照下式计算[4]：

其中：ν—空气的运动粘度，m2/s。

(3)扩散作用的除尘效率：

扩散效率是流场和Pelet的函数，可表示为：

ηD=f(Pe)

式中D为布朗扩散系数。

以上各种捕集机理往往不单独孤立存在，常常是多种机理联合作用，假设上述各种除尘机理相互独立，则填料总的除尘捕集效率ηS可近似表达为:

ηS=1-(1-ηI)(1-ηR)(1-ηD)

3.3 各因素对净化效率的影响

(1)粒径dp：粒径dp对过滤效率的影响分两种情况，风速V一定的条件下：

dp<1μm，粉尘的过滤主要受布朗运动影响，随着粒径的增大，扩散机理减弱，过滤效率减小；

dp>1μm，粉尘颗粒主要受惯性碰撞作用，随着粒径的增大，惯性作用增强，过滤效率增大。

(2)迎面风速V：风速对过滤效率的影响随着粒径的大小不同而不同，对于dp<1μm的粉尘随着风速V的增大，粉尘与水接触时间变短，过滤效率减小；dp>1μm，随着风速V的增大，加剧了空气与水流的混合搅动，惯性作用和截留作用增强，过滤效率增大。

(3)淋水密度：不同大小的粉尘颗粒的去除效率均随淋水密度的增加而增大，由于液体在填料表面的布膜具有一定的不连续性，随着淋水密度的增加，干斑面积将减少，除尘效率相应的得到提高。

(4)滤料厚度H：在填料比表面积一定的情况下，对于某一粒径范围内的微粒，随着滤料厚度H的增加，过滤效率η逐步提高。

3.4 净化作用对水质的影响

在蒸发冷却空调系统运行的过程中，对水质的影响有两方面，一方面当水蒸发时，被空气吸收的成分是纯净的水，而一些灰尘及有害化学物质就随未蒸发的水留在了湿帘或集水池中；另一方面由于填料的除尘净化性能，空气中的粉尘及颗粒被填料表面的液膜吸收，并随水流进入集液池，致使循环水中熔融矿物质、粉尘颗粒的浓度逐渐增加，造成灰尘或其他颗粒物的积聚，从而降低了蒸发冷却效率和除尘效率以及填料的使用寿命[5]。

为了防止供水中含带的固体物质的积聚，水质中二氧化硅和碳酸钙的含量一定要严格控制，二氧化硅的浓度不得超过150mg/L(150ppm)。对于流入集水槽后的水需要集中处理，以避免进一步污染循环水。控制集水池中的固体沉积物有利于延长湿帘的使用寿命并保持最佳蒸发效率和除尘效率。

4 国内外研究现状

4.1 国内填料过滤器的研究进展

张欢等人[6]研究出一款填料型洗涤式空气过滤器,能够同时完成对尘粒的过滤、脱离过程。填料采用铝制孔板波纹填料，通过对过滤器进行测试实验及数据分析，可以得出在迎面风速V为2.5 m/s、淋水质量流量为1.88 kg/(m2·s)时，对于粒径大小为lμm，3μm，5μm和10μm的尘粒及气溶胶的过滤效率分别为31.4%，93.3%，96.4 %和96.5%。张欢等还对影响除尘效率的因素进行了讨论分析，并总结了填料型洗涤式过滤器在实际应用中的优越性能。

金明[7]在张欢实验的基础上，对填料过滤器的除尘原理和除尘效率的计算进行了进一步的研究。并通过对选出的填料进行过滤和除菌的对比实验，得出金属填料型洗涤器在对空气粉尘达到较高过滤效率的同时，还具有较好的除菌效果。湿式填料过滤器的除菌效率与对3～l0μm粉尘的除尘效率变化基本一致。对粒径5μm及10μm尘粒的除尘效率与除菌效率均在90%以上，同时可以证明空气中的微生物粒子主要集中在5～10 μm的范围，为空气中除尘杀菌的研究提供了有力的依据。

王一飞等[8-9]在金属填料过滤研究的基础上，分别以大气尘和油雾尘粒为试验对象进行过滤器性能试验，得出洗涤式金属填料过滤器对大气尘和油雾尘粒过滤效率的大小关系。试验结果表明：在迎面风速为1～2.5 m/s的范围内，过滤器对于油雾粒径dp为1μm 的尘粒过滤效率为25%～40%，对于粒径dp为3μm的尘粒过滤效率为85%左右,对于粒径dp为5μm的尘粒过滤效率为90%左右。其除去油雾尘粒的效率略大于大气尘粒的效率，同时通过在喷淋溶液中添加表面活性剂，可以降低喷淋液的表面张力，增加液滴对粉尘的捕集效率，从而提高对大气粉尘的吸收能力。对于粒径为1μm的尘粒，其过滤效率可以得到提高75%～100%，在改进喷淋液提高除菌除尘效率方面，取得重大进展。

李莉,马德刚等[10-11]在空调用洗涤式过滤器已有研究的基础上，依据金属填料的阻力相对较小的特性，探讨其作为中央空调系统过滤器应用的可能性。结果表明：填料型洗涤式空气过滤器的过滤效率达到传统中效过滤器的水平，而空气阻力只有30～130Pa，低于传统初效过滤器的平均值，因此可以作为传统过滤器的良好替代品并具有高效无污染的优势。

填料的除尘净化性能在喷水室空气处理方面的应用，同样取得了实质性进展。张伟峰[12]提出了喷水室与直接蒸发冷却相结合的填料式喷水室全新风空调机组，并对机组内空气与水接触时的净化机理进行了理论分析，在搭建的实验台中研究了填料式喷水室中填料段对PM10可吸入颗粒物的去除率情况。实验结果表明，迎面风速V在1.2～1.58 m/s的范围内，喷水量一定时，填料段对PM10的去除率η随着迎面风速V增加而增加，去除率最高可达57.6%。

杨洋等[13]基于Paschold 和Wen-Whai Li等人在蒸发冷却系统对PM的有效过滤理论，进行了超声波喷嘴雾化机理及除尘性能方面的工作研究。通过在超声波喷水室的结构设计中加入了填料段，使进入旋流器前新风均匀的分布在整个喷水面上，使新风在下一级喷淋段中可以充分与水雾接触，同时利用超声波喷嘴的撞击雾化改善粉尘表面的亲水性，增大粉尘与液滴的碰撞接触系数，提高了对有害颗粒物PM2.5的去除效率。

4.2 国外填料过滤的主要研究进展

Helmut Paschold等[3]通过在两个普通蒸发冷却器模型中进行实验对比，对室内外可吸入颗粒物进行了测定，以确定蒸发冷却空调机组的运行对环境空气的影响。结果表明采用蒸发冷却器后室内PM10可吸入颗粒物可减少50%，对PM2.5可吸入颗粒物的去除效率为10%～40%。

Wen-Whai Li等[14]在此基础上，采用两种材质的填料，分别对美国德克萨斯州西部的地区10所居室内空气中的可吸入颗粒物进行了测定，并记录了装有蒸发冷却器的居室内外的PM2.5和PM10可吸入颗粒物的10min平均浓度。测定结果表明，不论是刚性填料还是木丝填料，两种蒸发冷却器对PM2.5和PM10可吸入颗粒物的去除率相似。

5 展望

5.1 填料材质选择

目前，应用于空调领域的填料主要是纸基填料和金属填料。纸基填料的孔隙度小，空气过滤净化能力强，但其为二维通孔结构，比表面积小，过流阻力大，有效使用寿命较短。金属填料虽然克服了纸基填料的运行功率大、湿挺度和耐腐蚀性低的缺点，但其本身也具有重量大、造价高的弊病。因此，采用兼具过流阻力小、比表面积大和生产成本低、使用寿命长等特点的填料可以全面提高蒸发冷却系统的空气净化能力，是今后蒸发冷却空调机组填料的主要发展方向。

5.2 喷淋液改进

在湿式净化方面，研究的主要着力点是提高填料表面的液膜形成能力，强化填料表面液膜经过空气的热质交换和对粉尘颗粒的拦截过滤作用。在喷淋液中加入一定量的具有保湿、渗透、浸润等多种功能的表面活性剂，一方面，可以减小液滴表面张力和接触角，改善液滴对尘粒的湿润效果，使水膜的布置更加均匀；另一方面，可以进一步增大水膜面积，从而提高除尘效率。

5.3 性能参数的研究

目前对于蒸发冷却填料器的除尘性能的研究多为理论上的定性分析，并取得了非常大的进展。但是对于填料器的运行参数、结构参数以及使用范围的定量研究较少，不能有效指导于实际应用，致使蒸发冷却填料过滤器的使用范围受到限制。因此，对蒸发冷却填料的除尘性能研究需要将理论和实际应用系统性的结合起来，并在填料过滤器的性能参数方面上做定量研究，这是今后研究的主要方向之一。

[1] 谭天佑.工业通风除尘技术[M].北京:中国建筑出版社，1984

[2] 张欢,由世俊,马德刚.空调机组用填料型洗涤式空气过滤器的实验研究[J].流体机械，2004，(04)：48-50

[3] 马德刚，张欢,叶天震，等.湿式填料在中央空调除尘的效果观察[J].中国公共卫生，2004，(3)：369-370

[4] Paschold H，Li Werr Whai,Hugo M，et al.Laboratory study of the impact of evaporative coolers on indoor PM concentrations[J].Atmospheric Environment，2003，37:1075-1086

[5] J.D.Palmer，P.E.，C.E.M.Evaporative Cooling Design Guidelines Manual.[R].United States Department of Energy and New Mexico Energy Mineralsand Natural Resources DepartmentEnergy Conservation and Management Division.2012(12)

[6] 张欢,李博佳,由世俊.金属填料型直接蒸发冷却装置在空气处理机组中的应用研究[J].暖通空调2009，(9)：30-33

[7] 金明.金属填料过滤器的试验研究[D].天津:天津大学，2004，12

[8] 王一飞.洗涤式金属填料空气过滤器应用于化纤油剂去除的试验研究[D].天津:天津大学，2006，1

[9] 王一飞,张欢,由世俊.洗涤式金属填料空气过滤器应用于化纤油剂过滤的可行性探讨[J].煤气与热力，2006，(2)：78-80

[10] 马德刚，张欢，叶天震，等.湿式金属填料除尘器的实验[J].天津大学学报,2004，(12)：1119-1122

[11] 李莉.金属填料过滤器特性的试验研究[J].节能，2007，(7)：17-19

[12] 张伟峰.填料式喷水室净化处理室外新风中PM10及加湿性能的研究[D].西安:西安工程科技学院，2006

[13] 杨洋，黄翔，颜苏芊.流体动力式喷水室净化可吸入颗料物的研究[J].西安工程大学学报,2008，(1)：96-99

[14] Li Werr Whai，Pasc;hold H,Hugo M，et al. Correlations between short-term indoor and outdoor PM concentrations at residences with evaporative coolers[J]. Atmospheric；Environment，2003,37:2691-2703