工厂空气净化装置的设计与研究

林钟卫，王琴，罗准，朱邦杰，葛江宇，郑雄胜

（1.浙江海洋大学 船舶与机电工程学院，浙江 舟山316022；2.舟山市知创科技开发有限公司，浙江 舟山316000）

0 引言

由于纺织厂、炼钢厂、化工厂等车间环境恶劣，空气中粉尘、油雾等杂质太多，影响车间工人的身体健康[1]，而现有技术的集尘设备在工作过程中，会将部分机械能转化为了热能，使得排出的气体具有较高的温度，影响人体的舒适性。尤其是应用于工厂的大型集尘设备，经净化后的大量温度较高的气体被排入至厂房内，使厂房内温度升高，导致工人感到燥热；另外，温度的升高还会影响机械设备的使用寿命、增加故障率。

此外，如果室内空气过于干燥或湿度过大，会引起室内人员的不适。本文在传统空气净化器的基础上，设计一新款纺织厂用空气净化装置，在保证净化加湿空气的同时还能减少热量散失。

1 研究现状

由于环境问题关乎人们的健康，尤其在室内封闭环境下，空气中的污染物聚集，容易引发呼吸道疾病，相关学者对此做了研究，提出了自己的设计方案。熊英莹等[2]设计提出一种节能型空气净化装置（如图1），该装置将流体力学与热力学能量守恒转换相结合，舍弃传统的扇叶结构而采用先进的负压式变截面结构，同时在净化工艺方面也是采用先进的活性炭吸附及负离子技术与紫外灯杀菌技术，整个装置设计合理、节能环保、空气净化率高。

图1 净化原理示意图

王应军等[3]提出一种基于单片机控制的空气净化装置（如图2），该装置利用单片机智能控制，通过进出风机实现室内外气体的交换，利用过滤网、负离子装置等对空气进行净化除杂，该装置功率消耗小、维护成本低、适合家庭使用。

图2 空气净化装置主板控制图

虽然相关学者针对各自面对的实际问题提出了自己的方案，但是由于在工厂车间等场所，我们不仅仅要考虑技术水平，还要考虑实际使用的成本及设备维护资金和使用周期，确保在有限资金范围内实现效益的最大化。

本文在此基础上结合纺织工厂车间实际，设计符合实际应用的空气净化装置。

2 空气净化装置结构设计

本文设计一种纺织工厂空气净化装置，以解决空气净化，改善空气湿度和环境的温度的问题，该装置主要由可移动底盘、空气净化箱、湿度控制装置等组成（如图3），整个装置的尺寸可以根据纺织厂空间的大小进行设计选择。本文设计尺寸长为1.5 m，宽为1 m，高为2 m，额定功率为10 kW，对微粒尺寸为0.3 μm 以上的颗粒过滤效率可以达到99.97%以上，基本满足纺织厂要求。

该装置采用可移动的底盘，使得净化装置能按照设定路线在车间内进行循环行走，使得净化装置不是固定在一个地方，保证车间内每个区域的空气都能得到净化，保证每个区域的空气质量。

空气净化箱[4]安装在底座上，包括净化机构和冷却机构，在净化机构后端的出气管内设置冷却机构，可以调节排出空气温度，避免排出空气温度过高，影响操作工人的舒适性，并改善车间设备运行的环境温度。

湿度控制装置由安装在净化箱上端的加湿机构和除湿机构组成。采用湿度控制装置，可以实时监测空气的湿度情况，为操作工人提供舒适健康的工作环境[5]。

图3 空气净化装置整体示意图

2.1 净化机构

净化机构由进气管、净化箱组成，两者之间通过进气管连接，净化箱上端安装有净化盒，在净化盒内沿进气方向依次设置初步过滤网、除气态污染物网、静电除尘网和甲醛吸附网。除气态污染物网和甲醛吸附网均采用蜂窝状活性炭滤网，蜂窝状活性炭滤网具有较多的孔结构[6]，与传统活性炭滤网相比，具有更优良的气体动力学性能、体积密度小、比面积大、吸附效率高、风阻系数小等优点，可有效地去除空气中的甲醛、苯、二甲苯、臭氧等有害气体。除气态污染物网和甲醛吸附网均采用椰壳活性炭制成，椰壳活性炭是一种不规则的破碎炭，具有强度高、饱和后可多次再生的特性，高吸附能力、低阻力等优点，用其制成活性炭除气态污染物滤网和甲醛吸附网，可达到高效去除气态污染物和臭氧的有益效果。在甲醛吸附网后端还设有高效HEPA 网[7]（即高效率空气微粒子过滤网），可以去除空气中直径为0.3 μm 以上的微粒，通过在除臭氧滤网的下游设置高效HEPA 网，起到了进一步净化空气的有益效果。在净化盒上端开设有一与空气进气管连接的进气口，净化盒下端开有一出气口，在进气管的管口还设有用于防蚊虫的防虫网[8]，防虫网外表面涂覆有驱虫药层，用于防止蚊子或飞蛾等昆虫从空气进气管内飞入净化盒内；净化机构内的滤网根据使用频率的多少进行更换，一般建议2～3 个月进行全套更换，在更换时拆除滤网并进行除尘等操作，清洗完成后烘干备用。

图4 空气净化机构6 的详细示意图

2.2 冷却机构

冷却机构包括出气管、冷却液管和散热翅片。出气管位于净化机构的下方，呈弯折状，收纳于空气净化箱内，且出气管的空气出口端从空气净化箱底部伸出，延伸至空气净化箱的上端固定；冷却液管的进口处设有冷却液流量阀，冷却液流量阀根据出气管出口处温度自动调节冷却液管内的冷却液流量；散热翅片增大了冷却液管与气体之间的接触面积[9]。被净化后的空气进入出气管后与冷却液进行热交换，气体温度被降低，并且使得气体中的饱和水蒸气的含量降低，也就是说，相同体积内的气体能够包含的水蒸汽更少。

由于在热交换过程中导致一部分水蒸汽凝结析出，在出气管内积留下来的冷凝水可以通过出气管上的出水阀排出。因此，流经空气净化箱的气体被排出至厂房等环境中时，不但实现了净化，而且具有相对较低的温度和相对较小的湿度，能够提高厂房内操作工人的舒适性，同时不会影响厂房内机械设备的使用寿命。另外，由于经空气净化箱排出的气体本身温度较低，因而能够减少大功率空调系统的使用，甚至无需使用大功率空调系统，从而减少电量的消耗。

冷却液管具有进液口和出液口，温度较低的冷却液从进液口流入冷却液管内，与气体热交换后温度升高，并从出液口流出冷却液管，流出的冷却液通过自然冷却或其他冷却方式降低温度，降低温度后的冷却液重新进入进液口流入冷却液管实现冷却循环，以持续对流经冷却液管的气体进行降温。

冷却液管的进液口、出液口穿过气管，并在出气管外部通过循环管互相连通，形成冷却液管的循环系统。冷却液中循环流通的冷却液可以是温度较低的冷却水，也可以是制冷液，冷却液可以由工业废水提供，控制工业废水的温度在20 ℃左右，或更低的温度，通过热交换以降低从净化装置排出的气体的温度，因而能够在较大程度上节约资源，提高经济效益。

冷却液的进口处设有冷却液流量阀[10]，冷却液流量阀根据出气管出口处温度自动调节冷却液管内的冷却液流量。由温度传感器感应排出气体温度，判断需要增大冷却液流量阀开度以增大冷却液的流量，或者减小冷却液流量阀开度以降低冷却液流量，从而维持空气净化箱中排出的空气温度，进一步提高人体的舒适性。

2.3 湿度控制装置

湿度控制装置主要指的是湿度检测，湿度检测计检测空气的湿度[11]，反馈给中央控制器，判断需要加湿或者除湿，并且空气加湿机构内的水箱中设有水位传感器。

3 空气净化装置工作原理

首先通过触摸操作屏对净化装置进行设置，包括设定净化装置的行走路线、设定返回电量、排出空气温度、空气湿度值等。设置好所有参数后，净化装置开始按照设定路线工作，空气净化机构开始工作，安装于空气进气管内的第一抽气泵和出气管内的第二抽气泵开始工作，对空气进行净化处理，冷却机构对空气进行冷却处理；温度传感器检测出气管排出空气的温度，如果温度过高，那么由中央控制器控制冷却液流量阀增大开度，增加冷却液流量；如果温度低于设定时，那么由中央控制器控制冷却液流量阀减小开度，减少冷却液流量。由湿度检测计检测空气的湿度，空气湿度过高时，开启空气除湿机构，对空气进行除湿处理；当空气过于干燥时，开启空气加湿机构，对空气进行加湿处理。在电量检测单元检测到电量到达设定的最低值时，净化装置返回原始地点进行充电；当空气加湿机构内水箱的水位传感器感应到水量不足时，净化装置由中央控制器移动到加水地点进行加水。

4 结语

相比较于现有技术，本文提出的方案具有以下优点：采用多层网结构组成的空气净化机构，能有效滤除空气中存在的粉尘、油雾、甲醛等有害杂质，保证人体健康；在空气净化机构后端的出气管内设置冷却机构，可以调节排出的空气温度，避免排出的空气温度过高，影响操作工人的舒适性，以及改善车间设备运行的环境温度；采用湿度控制装置，可以实时监测空气中的湿度情况，为操作工人提供更舒适健康的工作环境；此外，采用可移动的底盘通过中央控制器控制，使得净化装置能按照设定路线在车间内进行循环行走，使纺织车间内每个区域的空气净化更加充分，保证每个区域的空气质量[12]。