静电式空气净化装置的结构设计及性能研究

王清树，夏以诚，崔雯婧，宋雪晴，郁安吉，冯 婧

（苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009）

静电式空气净化装置利用电晕放电原理，电离空气产生正、负离子，脏空气中的粉尘被荷电，在集尘极中受电场力作用发生偏离去除，达到除尘净化空气的目的。但是目前净化装置多采用单区系统，粉尘的荷电和捕集分离在同一电场内进行，电晕电极和集尘电极布置在同一电场区内，当风量加大时净化效率降低明显，若为提高净化率增加电离强度，超过临界值，会导致臭氧浓度超标。

目前国内外针对静电式空气净化装置的研究，理论方面主要集中在效率计算模型和荷电计算模型上。效率计算模型主要包括层流模型和紊流模型。其中紊流模型先后经历了多依奇理论[1]、库泊尔曼理论[2]、莱昂纳德理论[3]、静电传输与紊流掺混理论[4-7]和数值仿真理论[8]。荷电计算模型主要用于颗粒物驱进速度的确定，包括电场强度、电晕电压、电晕电流、荷电量等参数的计算[9]。实验方面，静电净化技术集中研究了结构参数和运行参数对设备性能的影响，其中结构参数包括放电极结构、放电极尺寸、板长、板间距等[10-11]，运行参数包括电离电压、集尘电压、迎面风速、污染物性质等[12-15]。

该研究在目前静电式空气净化装置的基础上，依据静电传输与紊流掺混理论建立静电式空气净化装置的理论计算模型计算理论净化效率。在此基础上，围绕净化效率与电离电压、面风速、臭氧浓度等方面的特性开展研究，控制影响净化效率的因素，并针对性改进。通过搭建实验平台，测试改进的静电式空气净化装置在变风量、变电压下的净化效率曲线，同时对比臭氧浓度，探索解决静电式空气净化装置效率不稳定和臭氧浓度超过舒适浓度的问题，对促进静电式空气净化装置发展、改善现代生活质量具有重要的经济意义和社会效益[16-17]。

1 静电式空气净化装置作用机理分析

1.1 静电式空气净化装置结构

静电式净化装置采用高压静电净化技术，其性能取决于电离段、集尘段及高压电源的性能参数和结构特性。

1.1.1 电离段 电离段的作用是给气溶胶颗粒荷电，可分为电晕放电和气体荷电两个阶段。①电晕放电。高压电源产生高压直流正电压或负电压，通过电晕线在尖端电极附近聚集大量电荷，局部电场强度超过气体的电离场强，使气体产生激励并电离，出现电晕放电。电子或离子在电场力和布朗运动作用下，做远离尖端电极的运动，形成带正电或负电的气体，在靠近尖端电极表面聚集起相反电性离子或电子。电场继续加强时，离子或电子被吸进电极，出现脉冲电晕电流，带正电或负电的气体则扩散到电离段空间，此后又重复开始下一个电离及带电粒子运动过程。②荷电机理。通过电晕放电，产生了大量的带正电或负电的气体，脏空气流过电离段时，气溶胶微粒与电离产生的带正电或负电的气体碰撞，从而带上相应的电荷。

1.1.2 集尘段 集尘段是正、负交替排列的电极板，电场方向与极板表面垂直，荷电气溶胶颗粒通过集尘段时，在电场力作用下，会向相反电性的极板偏转运动，从而被极板捕集。单区结构电离段和集尘段处于同一段，集尘板是装置的外壳体，电晕线相当于另一电极板，荷电与集尘是在同一个段中完成，风量变化，气溶胶浓度增加，都可能导致效率不稳定，需要增加电源电压的输出。

1.1.3 高压电源 当输入额定电压后，高压电源能够转换输出直流高压正电压或负电压，作用在电离段的电晕线上，实现电晕放电和气溶胶荷电过程。高压电源电压值的高低除影响效率的同时，还会导致臭氧浓度的变化。

1.2 静电式空气净化装置工作原理

1.2.1 工作原理图 改进后的静电式空气净化装置，采用了双区结构，将电离段和集尘段分开设置，根据需要调整电离段和集尘段的电压值，有利于保持净化效率的稳定。改进后的静电式空气净化装置原理图如图1所示。

图1 改进后的静电式空气净化装置原理图

1.2.2 理论效率模型 改进后的静电式空气净化装置效率模型，采用静电传输与紊流掺混理论。在库泊尔曼理论的基础上，由张国权等[4-7]提出的该理论认为：在空气净化装置的静电场中，横向受到微粒的扩散影响，紊流掺混不一定减小驱进速度；在纵向上，紊流掺混效应是由气流的不均匀分布引起的。静电收集的一般理论模型是静电力、重力、紊流掺混和电风的结合，多依奇公式仅仅是一种简化的特殊形式。静电传输和紊流混合理论涵盖了风速不均匀导致的颗粒紊流扩散效果，区分了垂直和横向紊流掺混效果，并获得了如下掺混模型表达式

解得效率表达式为

式中F为与横向和纵向紊流掺混系数Ex、Ey有关的参数。

静电传输与紊流掺混理论克服了库泊尔曼理论中气流速度均一假设的问题，更接近实际，而且还成功解释了非多依奇现象。

1.3 臭氧形成机理

臭氧的形成过程非常复杂，既包括电子离解氧气分子为氧原子，氧原子与氧气分子结合形成臭氧分子；还包括伴随副反应，离解氧原子与臭氧分子结合形成氧气分子，电子离解臭氧分子为氧原子和氧气分子，电子与氧原子结合形成负氧离子等典型过程。因此，电子能量需要控制，2～8.4 eV的电子会加速臭氧分子的分解，大于8.4 eV的电子才促进臭氧生产。

正极性电晕放电形成正离子的迁移率远小于电子的迁移率，正极性电晕尖端附近电场减弱，需要较高的电压才能发生电晕，因此负极性电晕比正极性电晕起始电压要低，形成臭氧的放电一般都采用负极性电晕。

2 静电式空气净化装置结构设计

2.1 离子箱

通过将电离段和集尘段分开，改进为双区净化装置。改进后的离子箱设置图如图2所示。

图2 改进后的离子箱设置图

2.2 电离丝

通过理论分析和多次测试数据分析，针对性的改进措施为：采用螺旋化处理，分析不同螺旋化结构对空气电离荷电的影响；合理设置电离丝的排布方式，将电离丝从单根变为多根，测试结果表明，4排是较为合理的方案，方案改进后的电离丝设置图如图3所示。

图3 方案改进后电离丝设置图

2.3 高压电源

高压电源选择（6.5±0.4）kV高压直流正电压设计，采用环氧树脂完全封装，确保其安全可靠性。选用定制生产的高压电源，具有良好的稳定性及电磁兼容性能。

2.4 臭氧控制

降低电离段的电压值，从源头上减少臭氧的产生。双区4排合理分布，可在降低电离电压的同时增加对气溶胶颗粒的荷电效果。采用正极性电晕，减少臭氧的产生。

3 实验测试

以目前单区结构的静电式空气净化装置为A组、改进后的净化装置为B组进行对比实验，实验测试原理图如图4所示。

图4 实验测试原理图

对比实验分以下三组进行：

（1）在处理气体的面风速不变工况下，研究电离段电压降低幅度与净化效率的变化规律；

（2）在电离段电压保持不变工况下，分析处理气体面风速与净化效率的变化规律；

（3）在高效率净化工况下，出风口臭氧浓度随面风速与电离段电压的变化规律。

调整稳压阀后的压缩空气压力略高于气溶胶颗粒发尘器所需压力，再通过稳压阀使进入发尘器的空气压力维持稳定。当压缩空气进入发尘器后，流经喷嘴将发尘器内的液体雾化，然后喷到实验管路内，与实验空气相混合，形成均匀的气溶胶颗粒物。

被测过滤器安装在装置内，分别由激光粒子计数器，测试上下游的粒子数，将测得值进行比较，得出被测过滤器的计数效率。

实验测试台搭建实物图如图5所示。

图5 实验测试台搭建实物图

4 实验数据及分析

采用张妍等人[18]的研究成果，并参照日本工业标准JIC9615提出的去除率作为指标，对净化效率进行评价。去除率η定义为空气净化器连续运行一段时间后，室内空气中某污染物被去除的相对量。式中η为去除率，c0为初始浓度，ct为t时刻的浓度。

4.1 电离段电压降低幅度与净化效率

在处理气体的面风速不变工况下，电离段电压降低幅度与净化效率变化的实验数据见表1。

表1 电离段电压降低幅度与净化效率变化的实验数据

依据表1数据，绘制电离段电压降低幅度与净化效率变化的对照图，如图6所示。

图6 电离段电压降低幅度与净化效率变化的对照图

由图6结果可知：两组设计下在电离段电压接近7.0 kV左右时，净化效率均保持相对高水平。但当电压在6.2～7.0 kV范围内，对应两种直径微粒，设计组B组的净化效率均较原始组A组明显提高，且B组对两种微粒的净化效率始终高于84%，而A组在电离段电压6.3 kV及以下时对微粒的净化效率急剧降低，不能达到净化要求。

4.2 面风速与净化效率

在电离段电压保持不变工况下，处理气体的面风速与净化效率变化的实验数据见表2。

表2 处理气体的面风速与净化效率变化的实验数据

依据表2数据，绘制变面风速情况下净化效率的对照图，如图7所示。

由图7结果可知：面风速在2.5～6.5 m·s-1范围内，两组设计的净化效率均随面风速增大而降低。但同等粒径、相同面风速下，设计组B组的净化效率均较原始组A组提高3%～20%，且净化效率的提高程度在高面风速时尤为明显。面风速达到6 m·s-1时，B组对2 mm微粒的净化效率高于90%，对0.5 mm微粒的净化效率高于84%。

图7 变面风速情况下净化效率的对照图

4.3 出风口臭氧浓度与面风速、电离段电压

在高效率净化气溶胶颗粒工况（净化效率≥85%）下，绘制出风口臭氧浓度与面风速、电离段电压的变化图，如图8所示。

图8 出风口臭氧浓度与面风速、电离段电压的变化图

由图8结果可知：同等条件下，相对低面风速时臭氧浓度明显较低。面风速在2.0 m·s-1、2.5 m·s-1情况下，两组设计的臭氧浓度均随电离段电压增大而有所升高，但同等电离段电压下，设计组B组的臭氧浓度均低于原始组A组，且臭氧浓度的降低程度在较低电压时尤为明显。电离段电压在6.8 kV以下、面风速为2.5 m·s-1时，B组的臭氧浓度不超过0.024 mg·m-3，而A组的臭氧浓度均在0.024 mg·m-3以上。可见改进设计后在保持高净化效率的前提下，实现了更低的臭氧水平，实验结果符合计算预期。

5 结语

分析了静电式空气净化装置的净化效率与电离段电压、面风速、臭氧等因素的关系，改进了静电式空气净化装置单区结构，通过理论模型建立与试验测试，得到以下结论：（1）改进后双区4排的结构设计，能满足高净化效率与低臭氧排放的要求，解决了原单区净化装置性能不足的问题。（2）用双区螺旋结构，使电离段电压在6.2～7.0 kV范围内、面风速在2.5～6.0 m·s-1范围内时，静电式空气净化装置对2.0 mm直径微粒的净化效率保持在90%以上；在净化效率≥85%要求下，电离段电压在6.2～6.8 kV范围内、面风速在2.5 m·s-1左右时，处理气溶胶颗粒所产生的臭氧浓度低于0.02 mg·m-3。（3）致使臭氧低排放的主要因素是电离段的电压和结构设置。该研究通过控制低电压梯度、采用正极性电晕与合理排布电离丝实现了这一点。