蒸发冷却填料过滤性能的实验研究

申永波,黄 翔,严锦程,贾 曼

(西安工程大学 城市规划与市政工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

工业革命以来随着生产力的大幅提高,给生态环境却带来了化石燃料燃烧、汽车尾气排放、生活垃圾焚烧等诸多污染．导致空气品质逐渐降低．近年来我国工业、交通以及建筑业的快速发展,空气污染也日益严峻．冬季雾霾频发,我国北方还伴随有沙尘暴天气,严重影响了人们的正常生活[1]．此外，减小空气中的微生物关键在于去除空气中的粉尘及其附着微生物形成的浮游生物粒子,尤其是当量直径为5～10 μm的粒子[2]．传统的空调设备中的滤网多采用纤维过滤网,使用时被阻挡的尘粒会堆积在一起,病菌也会随之附着在滤网上．蒸发冷却填料弥补了传统过滤网的不足,湿式填料在处理空气的同时能够吸附空气中粉尘,去除空气中的有害气体．对空气中粒径小于10 μm的悬浮颗粒物有较高的过滤效果,因此对其深入研究具有重要意义[3]．

国外学者Paschold在蒸发冷却器测试室中对室内外可吸入颗粒物浓度进行测定,通过在两个蒸发冷却器模型所做的实验中,发现采用蒸发冷却器后室内PM 10的去除效率为50%,PM 2.5为10%～40%,这些结果与采用除尘系统的结果一致[4]．文献[5]发现无论采用木丝填料还是刚性填料的蒸发冷却器,都能有效地置换室内的空气,并且除尘效率相似,可将室内空气中的PM 10可吸入颗粒物减少40%,而PM 2.5的浓度减少约35%．国内学者多以蒸发冷却装置作为主要制冷装置单独应用或与其他除湿装置等联合应用[6]．孙贺江提出了一种完全区别于传统空气过滤概念的过滤-脱离理念,并通过实验得出填料型洗涤式空气过滤器过滤效果相当于粗效过滤器水平,而阻力却低于传统粗效过滤器[7]．张伟峰研究了填料式喷水式中填料段对PM 10的去除效率,结果表明,喷水量一定时,随着风速的增加填料段的过滤效果递减,最高可达57.6%[8]．此外,在空气处理机组中使用湿式金属填料,对于当量直径在3 μm以上颗粒的去除效率较高,并且可以与消毒液灭菌相结合,完全消除粉尘的二次污染,也可起到阻止传染性细菌病毒通过空气调节系统进行传播的作用．其过滤效率和阻力受淋水密度的影响不大,且在喷淋水中加入表面活性剂可以提其过滤效率[9-10]．

单元式蒸发冷却设备包括蒸发式冷气机、移动式蒸发冷气机、窗机等．相对大型蒸发冷却空调机组应用更加广泛,工厂、住宅、商铺随处可见．国内外学者对蒸发冷却填料在单元式蒸发冷却设备中的除尘效率的研究较少,本文借助气溶胶粒径谱仪(Promo2000),分析蒸发冷却填料的过滤性能.

1 蒸发冷却技术

蒸发冷却是一项利用水蒸发吸热制冷的技术．当水被蒸发进入待冷却的空气中时简称“直接”蒸发冷却,发生直接蒸发冷却时,在水的表面发生质的交换,水和非饱和空气-水混合物处于游离状态时,基于相应的温度和蒸汽压力的差异发生接触,使热量和水转移．常见的冷却器类型是淋水式直接蒸发冷却器(段)．它由一个立方体盒子、湿式过滤器(填料)、循环水系统和风机组成．经常安装双速风机,以便根据个人舒适度控制通风量输出[11]．

在蒸发冷却器(段)中水与空气间的热湿交换过程是空气将潜热传递给水,使空气的温度下降．由于水的蒸发,空气中水蒸气含量不断增加,进入空气的水蒸气带回汽化潜热．当这两种热量相等时,水温达到空气的湿球温度．只要空气未饱和,利用循环水喷淋空气或蒸发冷却填料可达到降温效果．蒸发冷却填料作为蒸发冷却的核心部件,目前常用的直接蒸发冷却器(段)填料有: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、多孔陶瓷材料等．而蒸发冷却器中颗粒物的去除机理有惯性碰撞、扩散、接触阻留和沉降．当蒸发冷却填料处于干燥状态时,相当于滤网过滤器的作用,阻碍空气中的颗粒物的通过．当在填料层淋水或其它溶液时,在降低空气温度的同时,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,被淋下来的水或其他溶液带走,从而可以有效地将液态或固态粉尘粒子从气流中除去[12-13]．作为一种自净式过滤器,蒸发冷却填料作为过滤器使用时克服了传统空气过滤器的弊病,具有明显的优势,因此将蒸发冷却与空气净化技术相结合,可提高室内空气品质,达到空气净化的效果．

2 实验与数据处理

2.1 实验目的

蒸发冷却填料作为过滤器使用时,过滤器的过滤效果和阻力主要取决于迎面风速、淋水密度、比表面积以及填料的吸湿性等[14]．本次实验主要测试植物纤维填料干燥和完全润湿时对室内空气的除尘效率,与国外学者所提出的效率进行对比,以验证蒸发冷却填料的过滤效果．

2.2 测试装置及仪器仪表

气溶胶粒径谱仪如图1所示,实验于2017年7月初在密闭实验室进行,设备为德国制造的气溶胶粒径谱仪(Promo2000)、植物纤维填料、密封箱等．将蒸发冷却填料镶入密封箱,在箱体后部预留有小孔．

气溶胶粒径谱仪(Promo2000)用于颗粒物尺寸分析和浓度测定的光散射粒径谱仪,安装welas○R传感器,welas○R传感器配备可测量不同粒径大小颗粒物的传感器,通过光纤电缆可以方便地集成入Promo○R 2000中．传感器能够可靠地测量浓度范围1～106 P/cm3,颗粒粒径范围为0.2～105 μm的颗粒物．填料选用植物纤维填料(有机填料)厚度为0.1 m,迎风面积为0.12×0.25 m2．

图 1 气溶胶粒径谱仪(Promo2000) 图 2 湿润的植物纤维填料Fig.1 Aerosol particle size spectrometer(Promo2000) Fig.2 Wetted plant fiber fillers

2.3 实验过程

利用气溶胶粒径谱仪(Promo2000)对不同处理过程的空气进行取样分析,计算出每一时刻空气中各种可吸入颗粒物的浓度变化情况．通过数据分析,得出经干式植物纤维填料以及湿润后的植物纤维填料过滤后的空气中可吸入颗粒物浓度变化曲线．

(1) 利用气溶胶粒径谱仪(Promo2000)测试实验室室内空气,每次测试时长为60 s．

(2) 将干式植物纤维填料镶入自制密封箱,将气溶胶粒径谱仪(Promo2000)的软管插入密封箱预留的小孔,开始测试,测试时长与处理过程(1)相同．

(3) 将干式植物纤维填料从密封箱取出,水从填料流道自上而下流过,使其润湿,将润湿后的填料重新镶入密封箱,把气溶胶粒径谱仪(Promo2000)的软管插入密封箱预留的小孔,开始测试,测试时长与处理过程(2)相同．

2.4 数据记录与处理

分别对室内空气，经干式植物纤维填料过滤后的空气以及完全润湿的植物纤维填料过滤后的空气利用气溶胶粒径谱仪(Promo2000)取样,得不同时刻所测空气中可吸入颗粒物浓度(μg/m3)．

为了准确地分析不同处理过程中室内可吸入颗粒物浓度变化过程,对实验过程中的数据每60 s取其平均值,并记录数据．不同时刻室内可吸入颗粒物浓度见表1．

表 1 不同时刻室内可吸入颗粒物浓度

图 3 不同处理过程下空气中可吸入颗粒物浓度Fig.3 Concentration of respirable particulate matter in air under different treatments

从表1可以看出，湿式填料的过滤效率高于干式填料,以PM 10的过滤效果为例．使用干式填料过滤，室内空气中颗粒物浓度从158.57 μg/m3降至34.89 μg/m3而在湿工况处理下,室内空气中颗粒物浓度从158.57 μg/m3降至19.92 μg/m3．因为在填料的过滤机理中,接触阻留、扩散效应和沉淀均与湿膜有关，尤其是扩散效应,其在干工况和湿工况下的作用效果差异悬殊,并且扩散效应主要作用于小粒径粉尘．当过滤材料通道及其表面形成液滴和液膜,空气中的尘粒、气溶胶才能通过与液滴、液膜相接触而被捕获,然后被淋下来的水或其他溶液带走,从而可以有效地将液态或固态粉尘粒子从气流中除去．虽然此过程伴随着热质交换作用,但颗粒物的去除机理中,惯性碰撞、扩散效应、接触阻留和沉降均与热质交换作用无关,因此填料的过滤效率与热质交换作用不会相互影响．

根据实验数据将不同种处理过程下空气中可吸入颗粒物浓度的变化情况进行比较,不同处理过程下空气中可吸入颗粒物浓度如图3所示．

通常采用过滤效率衡量填料作为过滤器使用时,对某一粒径范围尘粒的过滤效果,计算公式如下:

式中:y1为处理前空气中含尘浓度,mg/m3;y2为处理后空气中含尘浓度,mg/m3;η为除尘效率,%．

室内空气取样时测得PM 2.5、PM 10、TSP分别为67.25 μg/m3,165.09 μg/m3,192.74 μg/m3．当使用干式填料对空气过滤后再对其取样分析,得到空气中PM 2.5、PM 10、TSP分别为24.37 μg/m3,34.24 μg/m3,35.02 μg/m3,通过计算得出，干式填料的除尘效率分别为65%,77%,80%．而湿式填料相对未经过滤的空气中的PM 2.5、PM 10、TSP的除尘效率分别为84%,91%,92%．无论干式填料还是湿式填料,颗粒物粒径越大过滤效率也越高．因为随着粉尘颗粒粒径的增大,惯性碰撞、拦截阻留和重力沉降等过滤效率都随之增大[15]．

本次实验中填料对空气的过滤效果远大于国外学者Paschold提出的使用蒸发冷却器后的室内PM 10可吸入颗粒物浓度减少50%,PM 2.5可吸入颗粒物浓度去除效率10%～40%．

因为风速是影响蒸发冷却填料过滤性能的关键因素,气溶胶粒径谱仪与密封箱连接后,等同于吸气口迅速扩大,且填料的迎面风速仅为0.3 m/s．此次实验中选取比表面积较大的填料,结构更加紧凑,使惯性碰撞更加剧烈,因此对空气中可吸入颗粒物有较高过滤效果．

图 4 室内各测点布置图Fig.4 Indoor layout of the test points

3 蒸发冷却填料过滤性能测试

本次测试在某实验室进行,该实验室长6.5 m、宽6 m,面积39 m2,测试时间为2017年1月中旬,主要测试蒸发冷却对PM 2.5、PM 10以及TSP的除尘效率．测试设备有蒸发式冷风扇及手携式(粉尘)测量仪．将蒸发式冷风扇放置于室内,门窗关闭,避免新风进入．待室内空气中可吸入颗粒物浓度稳定后开始测试．室内测点布置示意图如图4所示(图中数字为测点编号),从图4可以看出，室内测点1，2在蒸发式冷气机进风口及出风口处；测点2，3，4距离为1.5 m；测点5，6选择受出风口气流影响较小的位置,位于靠近墙体侧,各测点位于距地面高0.75 m处,即为办公桌同一高度处,对室内各测点的测试数据求平均值．

在蒸发式冷风扇未开启时对室内外可吸入颗粒物浓度进行测试,室外PM 2.5、PM 10、TSP浓度分别为258.9 μg/m3,518.5 μg/m3,591.2 μg/m3．此时室内PM 2.5、PM 10、TSP浓度分别为208.4 μg/m3,277.1 μg/m3,283.9 μg/m3．开启蒸发式冷风扇,实验时间140 min,每10 min测量1次．

对数据进行数据处理,得到在蒸发式冷风扇的作用下室内PM 2.5、PM 10、以及TSP浓度变化曲线,如图5所示.从图5可以看出,在冬季雾霾天,在蒸发式冷风扇的作用下,室内可吸人颗粒物PM 2.5、PM 10以及TSP浓度呈衰减趋势.室内空气中PM 2.5，PM 10，TSP减少量分别为21.2%,32.9%,31.6%;在蒸发式冷风扇的作用下室内空气中的PM 2.5、PM 10以及TSP可吸入颗粒物浓度均有明显减少．带有蒸发冷却填料的蒸发冷却设备对可吸入颗粒物同样具有过滤功效．除尘效率低于实验测试结果是因为除尘效率受风速的影响,当气流速度增大，惯性碰撞效率也随之增加,扩散效率和重力沉降效率却随速度的增加而减小,并且拦截阻留效率几乎与速度无关．应用测试阶段填料迎面风速为3.6 m/s,大于实验测试阶段对人体可吸入颗粒物而言,当风速变大时惯性碰撞增长低于扩散效率与沉降效率的减小量．

4 结 论

(1) 除了大型蒸发冷却空调机组外,单元式直接蒸发冷却设备对空气同样具有除尘净化的功效．湿式植物纤维填料在接触阻留和沉降的过滤机理作用下,过滤性能优于干式植物纤维填料．

(2) 在空气污染较为严重的地区使用直接蒸发冷却设备时,可以适当调低风速,以提高蒸发冷却填料对空气中可吸入颗粒物的除尘效率,提高室内空气品质．

(3) 扩散效应主要作用于小粒径粉尘．在过滤材料通道及其表面形成液滴和液膜,可有效地将液态或固态粉尘粒子从气流中除去．在颗粒物的去除机理中,惯性碰撞、扩散效应、接触阻留和沉降均与热质交换作用无关,填料的过滤效率与热质交换作用不会相互影响．

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