科技创新 ２０１２年８月（中）Ｉ科技创新与应用 新型空气净化装置的研制 吴灵辉 宋建平 吴小龙 李勇 李林玉 （中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙４１００８３） 摘要：针对室内空气污染严重以及市场上存在的空气净化器普遍耗能较高、除微颗粒效果不明显的现状，研制一款基于绿色环 保和节能减排理念的新型空气净化装置。装置使用太阳能供电系统，零耗电，同时利用热泳效应和层层过滤系统，很好地除去微 颗粒和其它有害物质，为家庭生活带来洁净的空气。 关键词：净化；ＰＭ２．５；节能；热泳效应 引言 在重力场的作用下大颗粒物有明显的沉降，而对于微颗粒物由于 随着生活方式的现代化，更多的工作和文娱体育活动都可在室内 其粒径小、质量轻，其在空间中由于重力和浮力的作用会悬浮在空气 进行，据调查人们每天平均大约有８０％以上的时间是在室内度过的。采 中。本装置致力于解决这一难题，主要依靠热泳效应和负离子来实现对 用空气净化装置净化是整治室内空气污染的有效手段之一。室内可人 微颗粒物的沉降。 肺颗粒物与较粗的大气颗粒物相比，粒径小，富含大量的有毒、有害物 ２．．２１微粒热泳沉降规律分析 质，且在室内的停留时间长，因而对人体健康危害更大。 描述热泳效应对于粒子作用效果最重要的两个参数是热泳系数 研制针对可人肺颗粒物等微颗粒物的节能环保的空气净化装置， 和沉积效率 ｌＪｃ２Ｃ＝ｘＣ ＋ｃ 对保护人体健康和节约能源有重要的意义。装置主要采用热泳效应这 一 ， Ｋ 一—１＋３—ＣＫ． —Ｉ＋２Ｋ－￣＋—２Ｃ原理，热泳即是在一定的温度梯度下，粒子在热泳力的推动下朝相对 ．，，￣Ｋ．（３－１） 一低温—侧移动，并沉积于低温面的现象。利用此原理的新型空气净化装 其中：Ｋ 为努森数，Ｋ，，－２ｋ／ｄ，ｄ为微粒的直径； 为空气分子自由程， 置在一定程度上解决了目前市场上空气净化器不能很好除去细小颗粒 入＝ｖ／ｏ．４９９、／ ｉ丽 ，ｖ为运动粘性系数，Ｒ为气体常数，Ｔ为绝对温度；Ｋ 物的弊病，同时采用太阳能供电系统，能耗降低源。 是热导比率，Ｋ＝Ｋ ，Ｋ 和Ｋ 分别为细颗粒和气体的热导率；ｃ Ｆ１．１４６； １工作原理及流程 Ｃ １．１４７；Ｃ ．２０；Ｃ＝１．０Ｌ卜ｋ Ｃ ２ｅｘ ＝／Ｉ（ｎ））＇Ｃｉ＝１．２，Ｃ ．４１，Ｃ ．８８。 装置结构如图１所示。工作过程：太阳光照射下，太阳能电池板将 热泳沉积效率 的定义：流体进口起始沉积为零，流经一定距离 太阳能转换为电能储存于蓄电池中，在阴雨天气下如需使用可直接通 粒子沉积的百分个数。 过充电接口充电，蓄电池为装置中各电器设备供电。运行时，空气加热 叩Ｌ一０・５４９ … （３－２） …器加热净化室上部的空气，形成上下温差产生热泳现象，空气中小颗粒 ｎ，， 其中： ＝ ／ｆ 一Ｔ ， 为空气人口温度，Ｔ 为冷端温度。 物向净化室下部运动，通过初效过滤网初效过滤空气中的大颗粒粉尘， 然后继续向下运动经过活性炭／光触媒合成滤网除去空气中的甲醛、苯 由公式３－１可知热泳系数Ｋｌｈ是努森数Ｋ 和热导比率Ｋ的函数。 等有害气体，在涪ｌ生炭恍触媒合成滤网下方装有紫外灯用于杀灭空气 当温度不变时，Ｋ 是微粒粒径ｄ的函数。公式３－２结合一定的人口温度 中的细菌，接着空气中的细小颗粒物被负离子发生器产生的负离子吸 和壁温（Ｔｏ－－４９８Ｋ，Ｔ￣２９３Ｋ］，可以得出热泳沉降率随微粒粒径的变化关 附后自由下落，落在颗粒捕集器中，最后被净化的空气经离心风机排到 系。由图２可以明显看出热泳沉降率对于小颗粒物更为明显。对于粒径 研．境中。 小于２．５１，ｚｍ的沉降效率基本上保持在２０％以上，进而可以说明本装置 对于微颗粒物有很好地吸收作用。 Ｌ， ｌ ： ：：： ＝～——— 苎竺 图２热泳沉降率随微粒粒径的变化 图３净化室流场分布 ２．２．２净化室流场和温度场分析 离心风机和加热器使净化室中空气存在速度和温度梯度，为了解 空气净化器在正常工作时净化室内流场和温度场的分布，利用Ｆ１ｕｅｎｔ 图１装置结构图 软件对其中的流场和温度场进行了模拟如图３、图４。 ２可行性分析 ２．１太阳能供电系统分析 根据新型空气净化装置的工作要求以及所需提供的电量，一般需 黑薰 要选用２０Ｗ以上的太阳能电池板以及１２ＡＨ以上的蓄电池。太阳能电 池板正常工作要求在一定的温度下，太阳能电池板的输出功率会随工 作温度升高而降低，几乎呈线陛递减关系，使用寿命也随之降低。 加肋片能有效加快太阳能电池板散热，降低太阳能电池板表面温 度。为研究加肋片对电池板的影响，利用ＦＬＵＮＴ软件对电池板的特陛 进行模拟。以某地为例，室外温度为３５＇１２，太阳光辐照强度为ＩＯ００Ｗ／ …， 嚣 对州 ｍ２，按照１６％的光能转化为电能计算，剩余８４％的光能转化为热量，电 图４净化室温度场分布 图５粒子随时间自然衰减浓度曲线图 池板的发热功率为８４０Ｗ，电池板组件采用２０Ｗ（４３０ｍｍＸ４３０ｍｍ）封装 离心风扇的使用是为了空气流动的需要，但风扇对于颗粒物有一 组件进行测试。表１可以看出，选用优化设计加肋片的冷却方式效果明 定的再悬浮作用，从而风速对于热泳沉积效率有一定的影响。研究表明 显，可以大幅度提高电池板的输出功率，延长其使用寿命。 排气流速越低，热泳沉降率越高，但流速过低会影响换气效率 因此对 ２．２热泳效应除颗粒分析 于风扇功率的选择非常重要。结合图３中可以看出本装置的流速不高， 表１加肋片和不加肋片时电池板表面温度和输出功率 具有很好的热泳沉降率，同时不影响换气。 ２３负离子净化效果分析 冷却方式 模拟电池板背部温度／ｏｃ 实测电池板背部温度代 电池板输出功率／ｗ 在高压直流电压等作用下，针尖端开始放电，将周围空气电离，负 加肋片 １１０．１ １１５．Ｏ ４５．５３ 离子被电场排斥释放出来。负离子净化是以产生的负离子作为作用因 不加叻片 １５０．０ ｌ４Ｉｉ ２ ｌ１．四 子，主动出击去捕捉空气中的有害物质，从而在重力作用下使之自由下 一５３～ 科技创新与皿用Ｉ ２０１２年８月（中） 科技创新 浅谈煤矿通风机安装使用的安全管理 朱峰 王建军 （恒源股份有限公司五沟煤矿通防事业部，安徽淮北２３５０００） 摘要：煤矿通风机在矿井开采中发挥着越来越大的作用，运行效率高，运行范围比较广泛。本文先论述煤矿通风机的工作原理 和优越性，分析现在煤矿通风机安装使用管理实际状况以及存在的问题，参考相应的煤矿开采规范，不断进行分析总结存在的问 题，最后提出相应的解决对策。下面就煤矿通风机安装及使用过程中的安全管理问题进行探讨。 关键词：煤矿；通风机；安装；使用 １煤矿通风机的工作原理及优越性 煤矿通风机在运行时，电动驱动轮在通风机进行高速运转，外 面空气被驱动轮吸入。通风机内部驱动轮对空气进行动力作用，这 时的气压和转动速度不断加快，而空气中的某些异物从机壳向出口 排出。煤矿通风机主要是由驱动轮和机壳两大部分组成，而驱动轮 则与外面的电动机相联系。一般的煤矿通风机选择双侧吸入空气， 在驱动轮高速转动的时候，进入矿井之内。驱动轮是煤矿通风机的 ３．１要解决通风机中电动机散热功能，实际工作环境中电动机 不能由通风机的风流进行散热，但电动机必须要和爆炸性的气体瓦 斯隔离开，面对这样的复杂情况，很多专家认为要采用一种隔离轮 结构，在这种结构中，电动机被一种特殊的密闭轮所密封，使得电动 机可以通过隔离轮之外的气流进行冷却，这样可以防止因电气火花 点燃瓦斯而引发瓦斯煤尘爆炸事故，也很好的处理了电动机散热功 能。 主要组成部分，双侧吸人空气，通风机的风力会非常大。 ３．２煤矿通风机安装过程中可能会忽视电动机的防爆问题 驱动轮经静平衡或动平衡校正才能保证煤矿通风机平稳地转 要对通风机的工作环境认真勘察，要选用防爆电机，通风机中 动。按空气出口方向的不同，驱动轮分为前向、径向和后向三种型 驱动轮内的气体是处于正压状态的，而电动机始终处于新鲜空气下 式。驱动轮顶部向叶轮旋转方向倾斜；径向驱动轮的顶部是向径向 进行工作的，这样不会发生安全隐患的。选用防爆电机可以防止煤 的。 矿引发爆炸，避免矿难的发生。 煤矿通风机运行效率比较好，高效范围很大。高速煤矿通风机 ３＿３完善设备的操作安全 般是由两台驱动轮组成，这样可以进行不同的组合，使用状态也 煤矿企业的开采离不开机电设备，所以为了实现煤矿企业开采 可以不同。在煤矿通风机中，可以利用驱动轮的转子进行调节轮子 量的指标，企业对机电设备的安全管理工作必须提到重要日程安排 转动速度，也可以通过调节轴流使得通风机拥有良好的反向送风功 上来。所以作为企业的领导者，需要为开采人员提供良好的操作环 能，风量也可以达到７０％～８０％的风力。通过这样的逆向送风功能， 境，为企业提供安全的运行设备，提高人员的积极性，加强技术人员 既不用增加用电量，也不用增加施工量，工艺比较简单，大大缩短了 在机电设备操作过程中的管理环节，使机电设备正常、安全、高效的 工作时间。其他矿井风机无法跟这个相比，辅助设备少，控制环节 运行。 少，安全可靠性好，可节约６０％的土建工程费。 ・ ３．４要创新安全监察方式 ２煤矿通风机安装使用管理过程中存在的问题 采取自查和互查相结合，选派专家参加检查，发挥专家特长，做 ２．１通风机散热不好 到“既看病、又开方”。建立分类分级安全监管监察机制，围绕通风机 在煤矿企业的正常运转过程中，通风机的正常运行在很大程度 安装和使用过程中的安全运行作为安全监管重点，重点检查现场安 上对安全起到了保障的作用，但在通风机使用过程中，无法避免的 全管理、风险预控、隐患排查治理，把标准和标准化落实到位。开展 会发生各路故障，特别是通风机的散热问题，因为煤矿内部斯浓度 专题、专项研究式检查，针对不同的设备、各设备的运行特点，实行 高，又无法通过自身的通风机来进行散热，因此造成煤矿电动机无 差别化、课题化检查，提高检查的针对性和实效性。要学习借鉴国外 法很好的进行散热。 先进管理经验，加强员工自主安全管理。要强化安全考核，形成全过 ２．２煤矿通风机安装过程中可能会忽视电动机的防爆问题，这 程、动态化、重预防的工作考核激励机制，通过考核促进安全责任落 是因为电动机放在通风机的外面，相当于把电动机暴露在煤炭矿井 实到位。增强安全监管的有效性，需要建设高素质的安监队伍，做到 下恶劣的环境，一旦煤炭矿井内倒塌或者岩石松动，会损害电动机。 作风优良、业务精湛、监察有力。 而当前，很多煤矿通风机在安装过程中，没有对这种问题引起高度 ４结论 重视，不注重对电动机的保护。 我国的煤矿行业从早期的手工劳作到现在的高科技技术的应 在煤矿生产运行过程中，通风机的安装使用起着重要的作用， 用，其技术水平已经达到了一定的程度，我国煤矿行业的机械技术 机械技术的高适应性、大型化、大功率 不正确的安装不仅会影响机器的使用寿命，对人的生命财产安全也 也在此阶段不断的得以发展，会产生较大的威胁。安装不到位，通风机中会产生一股逆向的推力， 化、自动化等优点为其服务的行业带来了巨大的动力，成为现代化 煤矿机械技术发展的重要部分。在现代煤矿企业中，通风机的安全 这些通风机运作中形成轴向力形成摩擦力，这会严重磨损煤矿通风 机的重要设施。 运行已成为煤矿行业中的一个重要部分，其技术的应用与推广对煤 矿企业起到了极大的推动作用。 ２．３对于通风机在安装过程中，因其在运行时会产生较大的振 参考文献 动，所以在安装过程中会对螺丝的紧度进行严格检测，这样就能增 加通风机的牢固性，以免因螺丝松动发生烧毁机器的情况发生，一 『１］王健．矿用通风机安装过程存在的问题原因分析研究，２０１１，１． 旦螺丝松动，会发生相当大的噪音，这样会影响对其它不正常设备 ｆ２１吴红霞．煤矿通风机安装中几点特殊问题的处理，２０１０，１２． 噪音的判断，从而引发严重的事故发生。 『３］ｍ健霞．我国煤矿通风机出现的种种故障问题以及处理对策【Ｊ】．中 国煤矿设备学，２０１０，１０． ３加强煤矿通风机安装使用过程中安全管理 一落沉积。在负离子作用下，粒子随时间自然衰减，经研究其衰减图如图 ５。从图中可以看出负离子对空气中颗粒物的净化效果比较好，利用负 离子能够很好的实现本装置的高效除颗粒，实现生态家庭，从治理角度 解决污染，实现社会的可持续发展。 ４结语 目前我国对于可吸＾颗粒物消减的技术研究处于起步阶段，尚有 大量未解决难点，开发高效低耗，可以家庭化的可吸入颗粒消减技术迫 在眉睫。装置利用太阳能电池板供电，节约能源，低碳环保；同时装置利 用热泳效应对颗粒物的沉降作用和空气净化系统的净化作用，不仅能 净化吸收空气中的甲醛等有机物，还能有效吸收ＰＭ２．５等粒径较小的 颗粒物，因此能较好地满足普通家庭对于洁净空气的需求，装置已申请 国家发明专利。装置结构简单和价格低廉，应用范围广，改进和优化前 —．景巨大，因此相关成果毫无疑问将带来巨大的社会效益和经济效益。 参考文献 ［１］付娟，宁智，姜大海等．热泳力作用下柴油机微粒在冷却通道中沉降规 律研究叨＿内燃机学￣ｔ．２ｏｏ７，２５－４ｏ． 【２１杨世铭，陶文铨．传热学［Ｍ］．第四版高等教育出版社，２０ｏ６． ［３］周涛，杨瑞昌，赵磊．层流环形通道热泳脱除可吸入颗粒物的研究叨．环 境工程’２００５２３（１）：３３－３５． ［４］成霞．不同送风形式下负离子净化器净化效果的研究时．上海；东华大 学，２０１１． 作者简介：昊灵辉（１９９１－），男，浙江金华人，大学在读，学习专业：热 能工程。 ５４—．
