納米水離子發(fā)生裝置參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究
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張凌 李振海 廖國瑾 王鋒珂 張寶琪
同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源院
摘要：納米水離子是羥基被水分子包裹的納米級水離子，具有殺菌、消臭、除塵等作用。本文對原有裝置進(jìn)行了改進(jìn)并小型化，實(shí)驗(yàn)研究了電壓、兩極間距對細(xì)顆粒物凈化效果的影響，并與傳統(tǒng)負(fù)離子的細(xì)顆粒物凈化能力進(jìn)行對比分析。結(jié)論表明改進(jìn)后的小型化裝置升高電壓，減少兩極間距均能提高顆粒物凈化效果；水離子的凈化效果亦優(yōu)于普通空氣負(fù)離子。
關(guān)鍵詞：室內(nèi)空氣品質(zhì)水離子細(xì)顆粒物負(fù)離子
被譽(yù)為空氣維生素的負(fù)離子對人體健康有益，通過離子效應(yīng)對人體起到鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛、利尿、增進(jìn)食欲、降低血壓等功效。負(fù)離子凈化技術(shù)是通過強(qiáng)電場產(chǎn)生空氣負(fù)離子，通過吸附和沉降凈化顆粒污染物的同時(shí)，針對部分微生物還能起到殺菌滅活的作用。
靜電霧化技術(shù)是通過施加高壓靜電，電流體作用力克服液體表面張力，使其破碎成更小的霧滴，通過一定的物理過程電荷傳遞給霧滴完成荷電，形成群體荷電霧滴的技術(shù)。靜電霧化技術(shù)在除塵、噴涂、農(nóng)藥噴灑等領(lǐng)域有積極作用。
納米水離子是電離出來的小粒徑水負(fù)離子，同時(shí)采用了霧化電極冷卻結(jié)露然后電離的方式使負(fù)離子、自由基被水分子包圍保護(hù)。納米水離子具有強(qiáng)氧化性的羥基，能起到有效的滅菌、消臭的作用。蔣劉卿利用實(shí)驗(yàn)證明了水離子對固態(tài)顆粒物有良好的凈化效果，優(yōu)于傳統(tǒng)負(fù)離子技術(shù)，作用電壓的增高會(huì)提升凈化效果。
本文對原有實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)并小型化，并實(shí)驗(yàn)探討了電壓、極間距、接壓方法對凈化效果的影響。
1 實(shí)驗(yàn)概要
1.1實(shí)驗(yàn)裝置
1.1.1水離子發(fā)生裝置的改造
水離子發(fā)生裝置利用半導(dǎo)體裝置制冷，使放電尖端降溫至室內(nèi)露點(diǎn)溫度以下，尖端上凝結(jié)水分。在高壓正極板的感應(yīng)作用下，放電尖端處會(huì)集中大量電子，從而使結(jié)露水分產(chǎn)生靜電霧化反應(yīng)，微粒子水不停分裂，形成納米級的水離子。
原裝置針尖鏈接直流負(fù)高壓，保護(hù)半導(dǎo)體裝置的絕緣導(dǎo)熱硅膠影響了針尖的制冷量，并且?guī)щ娎淠哂袧撛诘陌踩[患，改造后的發(fā)生裝置放電尖端不再連接直流負(fù)高壓而選擇接地，從而減小了放電尖端與半導(dǎo)體之間導(dǎo)熱硅膠厚度，有效降低了放電尖端的溫度，提升了放電尖端的凝水效果；另一方面排除了冷凝水對高壓電路的影響，提高了納米水離子發(fā)生裝置的安全性和穩(wěn)定性。
改造后的水離子發(fā)生裝置如圖1所示，其中包括放電尖端、正極板、半導(dǎo)體制冷裝置、風(fēng)機(jī)等。放電尖端由1 mm直徑的金屬絲制作，長度為10 mm，正極板孔徑為12 mm，正負(fù)極間距可調(diào)節(jié)范圍為2～10 mm。
1.1.2實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用1m3標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙；
顆粒物發(fā)生裝置采用FSQ-YW-O01固態(tài)顆粒物發(fā)生器，發(fā)生速率5 LPM；
顆粒物測試裝置采用TSI-8532可吸人顆粒分析儀，測量范圍0.001～150 mg/m3，測量誤差±0.1%；
臭氧測試裝置采用JSA9-03臭氧檢測儀，測量范圍0～10 p pm，測量誤差+2%。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)使用高效凈化器將實(shí)驗(yàn)艙的細(xì)顆粒物濃度降低至0.005 mg/m3以下，實(shí)驗(yàn)溫度控制在22～240C之間，相對濕度70%~75%。利用香煙顆粒物發(fā)生器將細(xì)顆粒物初始濃度控制在5.4～5.6 mg/m3。在放電尖端朝下狀態(tài)下開啟水離子發(fā)生裝置，測試時(shí)間為20 min，間隔一分鐘記錄一次細(xì)顆粒物濃度數(shù)據(jù)。
本納米水離子發(fā)生裝置在關(guān)閉半導(dǎo)體制冷裝置的情況下，即為普通的空氣負(fù)離子發(fā)生裝置。
1.3實(shí)驗(yàn)工況
考慮各種參數(shù)對顆粒物凈化效果的影響，本文測試了幾種工況條件下的顆粒物凈化效果，具體如表1所示。
1.4評價(jià)指標(biāo)
細(xì)顆粒物凈化效果采用凈化率和衰減常數(shù)表征。
式(1)為凈化率的計(jì)算公式：
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1電壓對顆粒物凈化效果影響
在兩極垂直間距3 mm的條件下，分別在電壓為2000 V，3000 V，4000 V，5000 V和6000 V進(jìn)行20 min測試，結(jié)果如圖2所示：隨著電壓的提升，凈化率和衰減常數(shù)均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢；在2000V條件下，凈化效果不明顯，凈化率接近自然對照組；當(dāng)電壓升至6000V，凈化率達(dá)43.53%，遠(yuǎn)大于自然對照組。
212兩極垂直間距對顆粒物凈化效果影響
在電壓6000 V條件下，分別在間距為2 mm，3 mm，4 mm，6mm，8 mm和10 mm進(jìn)行測試，結(jié)果如圖3所示：隨著兩極間距的增加，凈化率和衰減常數(shù)均呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，間距2 mm和間距3 mm以及間距8 mm和10 mm的這兩組實(shí)驗(yàn)的凈化率和衰減常數(shù)非常接近；在兩極間距2 mm條件下，凈化率達(dá)45.53%遠(yuǎn)大于自然對照組。
2.3水離子與普通空氣負(fù)離子凈化效果對比分析
在兩極垂直間距3 mm的條件下，分別在電壓為2000 V，3000 V，4000 V，5000 V和6000 V進(jìn)行測試，結(jié)果如圖4所示：隨著電壓的增加，水離子和負(fù)離子的凈化率和衰減常數(shù)均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢；水離子較普通空氣負(fù)離子，凈化率平均提高17.4%，衰減常數(shù)平均提高17.14%；在電壓2000 V和3000 V的條件下，普通空氣負(fù)離子的凈化效果不明顯，凈化率均接近自然對照組。
3 臭氧發(fā)生對電壓的限制
電壓的提升有利于提高顆粒物凈化效果，同時(shí)也會(huì)增加臭氧發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)GB4706.45-2008室內(nèi)臭氧濃度應(yīng)不超過0.05 p pm。本文在兩極垂直間距為5mm、極板孔徑6mm的條件下，分別在電壓為6000 V、6500 V和7000 V測試水離子發(fā)生裝置的臭氧濃度，抽樣取樣點(diǎn)在距針尖50 mm位置。結(jié)果如表2所示：當(dāng)電壓為6000 V時(shí)，臭氧平均濃度為
0.034 p pm，低于0.05 p pm，因此在該條件下建議電壓值不超過6000 V。裝置在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)針尖的不規(guī)則明顯影響放電效果，推測對臭氧的發(fā)生量會(huì)產(chǎn)生影響，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須注意。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論
本文對原有水離子發(fā)生裝置進(jìn)行了改造并小型化，放電尖端不再接高壓負(fù)電而改為接地，提高了裝置的安全性和穩(wěn)定性；減少了導(dǎo)熱硅膠的厚度，提高了尖端的凝水量。使用改造后的裝置在尖端朝下的條件下對電壓、極間距的參數(shù)變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果：
1)隨著電壓的提升，水離子的細(xì)顆粒物凈化效果 有顯著提高；
2)隨著兩極間距的增加，水離子的細(xì)顆粒物凈化 效果有顯著的降低；
3)水離子較普通空氣負(fù)離子，在細(xì)顆粒物凈化效 果上有明顯優(yōu)勢；
4)水離子裝置的電壓亦必須受到臭氧濃度的限 制。
