基于CFD技术的空气自动化净化器滤芯的优化设计

2021-04-04黄劲松骆桂芳宋瑞仙

制造业自动化 2021年3期

黄劲松，骆桂芳，宋瑞仙，唐朋

（湖北工业大学，武汉 430070）

0 引言

伴随着自然环境污染的加剧，大气污染问题也越来越受到人们的关注，尤其在我国，部分城市由于季风的影响，冬季空气污染非常严重。今天的社会，有别于现在的室外空气污染，80%的人都待在室内，室内空气污染来源很多，空气污染的程度远远超过室外空气污染。甲醛是装修房屋的主要污染物，广泛应用于各类胶粘剂、人造板、油漆、涂料等行业。人长期吸入含有这些污染物的气体，就会引起各种慢性呼吸道和神经系统疾病。因此，越来越多的企业开始重视研究、开发和生产能彻底净化室内空气、改善人们生活环境的空气净化器产品。除尘一般采用静电吸附的方法来实现。这种空气净化器运行时，污染物会留在滤网内，滤网内堆积的污染物就会成为细菌滋生的温床，对室内空气造成二次污染。针对这一问题，提出了基于 CFD技术的空气自动过滤器优化设计方案。

1 空气自动化净化器滤芯结构设计

选用三种净化模块叠加，用户可根据实际使用情况选择所需的净化模块数量。过滤器用卡接，在接头处装上密封圈，确保密封良好。图1展示了整个过滤器内部结构。

1.1 清洁模块

图1 滤芯整体内部结构

空气自动化净化器滤芯清洁模块示意图如图2所示，其主要包括壳体及设置在壳体内部的清洁组件。

过滤器沿两个滤芯导槽滑落到滤芯固定板上，导槽引导滤芯，固定板支持滤芯，滤芯固定板截面尺寸不超过或等于滤芯截面尺寸，而且滤芯固定板也可以是多孔板，便于粉尘的清除。过滤器前、后两侧为需要清洗的主要部位，过滤器上粘有大量灰尘。前部设置有刷板和紫灯，能清除滤芯表面粗灰尘，实现内部杀菌。安装静电发生器后，只需将毛刷下的灰尘和滤芯内的部分灰尘吸进吸尘器袋中即可。机壳后壁还可设置滑导槽，只要滤芯固定板与电机正常连接即可保证。

图2 清洁模块结构示意图

1.2 净化模块

超声雾化雾化滤芯位于滤芯底部的中心位置，可产生大量的水雾，其直径只有微米，根据空气污染等级和空气净化等级确定滤芯的数量。滤清器外壁上的水雾滤清器是固定螺丝的滤清器，而水雾滤清器是漏斗式的，它不仅有利于收集水流，而且可以增加滤棉的面积，提高过滤效率。

滤芯进水由泵通过管道进入滤芯，漏斗形滤芯底部暂存部分水，部分水通过无纺布直接进入二级滤芯。类似地，水也可以通过第二过滤模块被送到第三过滤模块。过滤器底部的超声波雾化器将水雾化为微米级的水雾，空气中含有可吸入颗粒物和水溶性污染物。过滤器底部的空气入口进入第三级过滤器，经过三级、二级、一级净化模块，将污染空气与水雾充分混合，再经层层过滤。水雾的出现，大大增加了水和空气的接触面积，提高了空气净化的效率。

1.3 电路模块

电路的示意图，如图3所示。

图3 电路图

该计时器串接 UV灯，电源与开关并联，在启动前先设定好时间。打开开关，定时器到设定的时间，蜂鸣器开始工作，指示清洗结束，滤芯取出。

2 空气自动化净化器滤芯工作原理设计

2.1 CFD模拟分析模型构建

在有限元法中，CFD是流体有限元的总称。先建立气流实体模型，再通过网格划分、输入边界条件等方法进行分析。因此分析模型的建立非常关键，网格划分质量的优劣也直接影响分析的结果。

2.1.1 网格划分

采用模块化设计软件Pro/E，建立了初滤器的三维几何模型，其主体是进水口、孔洞和出水口。空气入口部分由于空气中的尘埃、杂质和空气滤清器内壁的冲击而积聚起来。因为 FEA分析使用了过滤器的气流通道，所以所建立的模型是一个实体模型，其形状是过滤器壳体内部形状。

如图4所示，得到ICEM-CFD在过滤壳体管道中的网格。滤波器结构复杂，采用整体分片。输入网格最大尺寸，以平面为单位，进行整体分割，得到网格结果。

图4 网格划分结果

2.1.2 数学模型

假定空气流是粘性流体，空气流是雷诺数，尽可能考虑滤网的实际流量。通过计算，流动雷诺数大于其上的临界雷诺数，属于湍流范畴。对于紊流现象的模拟，采用了高雷诺数湍流模型，三维不可压粘性紊流模型。该控制方程如下：

除动量方程和连续性方程外，还可以用达西定律来描述多孔介质中的流体。也就是说：

式(1)中，ξi表示方向；P表示渗流量；Ki表示I多孔介质的穿透率；vi表示流量速度。空气过滤器的过滤能力取决于出口速度和出口压力。根据分析要求，设定出料真空，设定壁流场。粘滞系数和惯性系数可由以下公式求得：

式(2)中，C1表示惯性系数；C2表示粘性系数；μ表示有效涡粘系数。

流体经滤芯产生的压力可用下式表达：

2.2 速度场模拟

为了缩短模拟时间，以九通道折叠式空气过滤器为例，对所用玻璃板进行了尺寸匹配，模拟了三通道内的速度场。流体（空气）流量为25m3/h，相对湿度为50%，温度为25℃，气体过滤器中的流体处于一种紊流状态。图5显示了折叠式空气清洁器三段的速度场。

图5 3个截面速度场

流速为25m3/h的流体（空气）和50%的相对湿度和25℃的温度。气滤器内的流体处于紊流状态。通过对三层折叠式空气清洁器速度场的研究，发现在各个玻璃片表面都有相似的传质和氧化反应过程，并且在此过程中可采用光催化剂。从剖面B和C的速度场可以看出，三角形通道中各侧速度较大，顶部速度较小，从而削弱了光催化剂对甲醛的传质和氧化作用，因此对流道剖面进行优化也是提高空气净化器性能的有效途径之一。

2.3 工作流程

滤芯工作流程如图6所示。

图6 滤芯工作流程

按图6所示，由上至下，将滤芯插入两个引导槽之间，并使之向下继续接触到滤芯固定板顶部；打开开关，启动电源，马达，静电发生器和紫外线灯工作，马达控制滤芯固定板和滤芯上移；刷板上的刷毛在被静电发生器吸收后向下倾斜。此时滤芯与毛刷反向接触，在滤芯一侧实现粗尘清除。静电发生器将毛刷内的尘土和滤芯内的部分尘土吸入除尘袋内，同时用紫外线灯对滤芯进行消毒；通过过滤网，大部分尘土为细灰，与毛刷配合使用，可达到过滤网深度洁净。滤网通过滤网固定板的滑移限后，通过曲柄滑块机构开始滑移，并滑至限位。滤清器与固定板顶部接触后，清洗周期结束。重复以上步骤，直至清洁干净，关闭电源，取出滤网。

3 实验

为了验证基于CFD技术的空气自动化净化器滤芯的优化设计合理性，进行实验验证分析。

3.1 实验环境

以某小区刚装修完的室内环境为实验环境进行实验分析，该室内环境及产生的气体如图7所示。

图7中，苯的来源主要来自合成纤维颜料和涂料，有害因素是抑制造血功能，导致贫血和白血病，并引起剧烈的癌变；氨的来源主要是水泥、防火板材和大理石，其危害是引起哮喘和降低人体抵抗力；挥发物主要来自装饰材料、家具等，对人体造成伤害，严重时会损害肝脏和血液系统；甲醛来源于刨花板、密度板、胶合板和墙纸，其危害主要是引发鼻咽癌、喉头癌等严重疾病。