蒸發(fā)冷卻填料的空氣凈化性能研究進(jìn)展與前景分析

汪天尖，辛軍哲

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州510006)

1 引言

圖1 常見的有機(jī)填料種類

隨著社會工業(yè)的不斷發(fā)展,空氣污染日益嚴(yán)重,為了降低霧霾、粉塵對人體健康的危害,空調(diào)系統(tǒng)對空氣的凈化作用顯得尤為重要。傳統(tǒng)的空氣過濾器通過慣性碰撞、接觸阻留、篩濾、重力沉降、擴(kuò)散、靜電等一系列的作用機(jī)理來凈化過濾空氣中的粉塵顆粒以及細(xì)菌、病毒[1]，但是伴隨著過濾器的運行，其捕集到的塵粒及其附著在塵粒上的細(xì)菌、病毒都會聚集在過濾層上，累計到一定數(shù)量時就可能產(chǎn)生揚塵形象，形成二次污染，致使過濾效率下降，危害人們的健康。區(qū)別于傳統(tǒng)空氣過濾器，填料型洗滌式除塵器通過在填料層淋水或其它溶液，在過濾材料通道及其表面形成液滴和液膜，空氣中的塵粒、氣溶膠通過與液滴、液膜相接觸而被捕獲[2-3]，然后被淋下來的水或其他溶液帶走，從而可以有效的將液態(tài)或固態(tài)粉塵粒子從氣流中除去。作為一種自凈式過濾器，蒸發(fā)冷卻填料過濾克服了傳統(tǒng)空氣過濾器的一些弊病，具有明顯的優(yōu)勢和推廣價值，因此對其性能和應(yīng)用進(jìn)行深入的研究具有重要意義。

2 蒸發(fā)冷卻填料的分類

填料作為蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的核心，常見的種類有：有機(jī)填料、無機(jī)填料、天然植物纖維填料、金屬填料、無紡布填料、PVC填料、多孔陶瓷填料等。如圖1所示：

上述填料按其彈性特性可分為硬性、半軟性、軟性等；按填料中水被淋灑成的冷卻表面形式，可分為點滴式、薄膜式、點滴薄膜式三種類型(其中，點滴式淋水填料主要以水滴散熱為主，薄膜式淋水填料以表面水膜散熱為主)；按填料的填充方式又可分為自由填充和規(guī)則填充兩類；按材質(zhì)又可分為有機(jī)材質(zhì)和無機(jī)材質(zhì)兩種，其中有機(jī)材質(zhì)主要有天然植物纖維(俗稱木絲)和紙基填料(紙簾)，無機(jī)材質(zhì)主要有玻璃纖維、金屬填料(鋁簾和鋼簾)及泡沫陶瓷填料。

目前在工程中應(yīng)用最廣的填料是紙簾和鋁簾。紙基填料和金屬填料都是由波紋狀的紙板或金屬板以十字斜交叉形式組裝而成，均為二維通孔結(jié)構(gòu)，屬于硬性、整裝(波紋板)型、薄膜式淋水填料。結(jié)構(gòu)上特殊的波紋角度，可以控制水與空氣的流動方向，從而使得水流與空氣之間有較大的接觸面積以及較小的流動阻力。

3 蒸發(fā)冷卻填料的空氣凈化性能

3.1 填料的空氣凈化機(jī)理

在直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)中，填料的除塵凈化過程是伴隨著水與空氣的熱質(zhì)交換過程發(fā)生的。其除塵機(jī)理就是當(dāng)含塵氣體流經(jīng)填料通道，并與填料表面的水膜接觸的時候，由于填料板上設(shè)置的凹槽，改變了氣流原來的流動方向，空氣中的固體顆?；蚍蹓m由于慣性作用，撞在了介質(zhì)表面從而被捕獲。進(jìn)一步除塵作用發(fā)生在固體顆粒及粉塵撞擊的潮濕表面，通過液膜的表面張力，將粉塵和顆粒吸引住，并被沖洗到集水池中。同時在粒徑小于1μm的情況下，微細(xì)粉塵在氣體分子撞擊下，像氣體分子一樣作布朗運動而發(fā)生擴(kuò)散，并與水接觸而從氣流中分離。

圖2 填料過濾器的工作示意圖

3.2 填料除塵的凈化效率

由于填料過濾器的除塵機(jī)理主要在慣性碰撞、攔截以及擴(kuò)散這三種作用下完成的，因此過濾器總的除塵效率也是在三種除塵機(jī)理的綜合作用下得到的。

(1)慣性作用的除塵效率：

慣性碰撞的除塵效率主要是斯托克斯數(shù)的函數(shù)，可以表示為：

ηI=f(St)

其中：v0—空氣相對于液膜運動速度，m/s；

dp—塵粒直徑，m；

ρc—粉塵顆粒的密度，kg/m3

μ—氣體粘度，kg/m·s；

db—液膜的厚度，m。

(2)攔截作用的除塵效率：

在層流條件下，填料除塵器的攔截效率可以按照下式計算[4]：

其中：ν—空氣的運動粘度，m2/s。

(3)擴(kuò)散作用的除塵效率：

擴(kuò)散效率是流場和Pelet的函數(shù)，可表示為：

ηD=f(Pe)

式中D為布朗擴(kuò)散系數(shù)。

以上各種捕集機(jī)理往往不單獨孤立存在，常常是多種機(jī)理聯(lián)合作用，假設(shè)上述各種除塵機(jī)理相互獨立，則填料總的除塵捕集效率ηS可近似表達(dá)為:

ηS=1-(1-ηI)(1-ηR)(1-ηD)

3.3 各因素對凈化效率的影響

(1)粒徑dp：粒徑dp對過濾效率的影響分兩種情況，風(fēng)速V一定的條件下：

dp<1μm，粉塵的過濾主要受布朗運動影響，隨著粒徑的增大，擴(kuò)散機(jī)理減弱，過濾效率減??；

dp>1μm，粉塵顆粒主要受慣性碰撞作用，隨著粒徑的增大，慣性作用增強(qiáng)，過濾效率增大。

(2)迎面風(fēng)速V：風(fēng)速對過濾效率的影響隨著粒徑的大小不同而不同，對于dp<1μm的粉塵隨著風(fēng)速V的增大，粉塵與水接觸時間變短，過濾效率減??；dp>1μm，隨著風(fēng)速V的增大，加劇了空氣與水流的混合攪動，慣性作用和截留作用增強(qiáng)，過濾效率增大。

(3)淋水密度：不同大小的粉塵顆粒的去除效率均隨淋水密度的增加而增大，由于液體在填料表面的布膜具有一定的不連續(xù)性，隨著淋水密度的增加，干斑面積將減少，除塵效率相應(yīng)的得到提高。

(4)濾料厚度H：在填料比表面積一定的情況下，對于某一粒徑范圍內(nèi)的微粒，隨著濾料厚度H的增加，過濾效率η逐步提高。

3.4 凈化作用對水質(zhì)的影響

在蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運行的過程中，對水質(zhì)的影響有兩方面，一方面當(dāng)水蒸發(fā)時，被空氣吸收的成分是純凈的水，而一些灰塵及有害化學(xué)物質(zhì)就隨未蒸發(fā)的水留在了濕簾或集水池中；另一方面由于填料的除塵凈化性能，空氣中的粉塵及顆粒被填料表面的液膜吸收，并隨水流進(jìn)入集液池，致使循環(huán)水中熔融礦物質(zhì)、粉塵顆粒的濃度逐漸增加，造成灰塵或其他顆粒物的積聚，從而降低了蒸發(fā)冷卻效率和除塵效率以及填料的使用壽命[5]。

為了防止供水中含帶的固體物質(zhì)的積聚，水質(zhì)中二氧化硅和碳酸鈣的含量一定要嚴(yán)格控制，二氧化硅的濃度不得超過150mg/L(150ppm)。對于流入集水槽后的水需要集中處理，以避免進(jìn)一步污染循環(huán)水?？刂萍刂械墓腆w沉積物有利于延長濕簾的使用壽命并保持最佳蒸發(fā)效率和除塵效率。

4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

4.1 國內(nèi)填料過濾器的研究進(jìn)展

張歡等人[6]研究出一款填料型洗滌式空氣過濾器,能夠同時完成對塵粒的過濾、脫離過程。填料采用鋁制孔板波紋填料，通過對過濾器進(jìn)行測試實驗及數(shù)據(jù)分析，可以得出在迎面風(fēng)速V為2.5 m/s、淋水質(zhì)量流量為1.88 kg/(m2·s)時，對于粒徑大小為lμm，3μm，5μm和10μm的塵粒及氣溶膠的過濾效率分別為31.4%，93.3%，96.4 %和96.5%。張歡等還對影響除塵效率的因素進(jìn)行了討論分析，并總結(jié)了填料型洗滌式過濾器在實際應(yīng)用中的優(yōu)越性能。

金明[7]在張歡實驗的基礎(chǔ)上，對填料過濾器的除塵原理和除塵效率的計算進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。并通過對選出的填料進(jìn)行過濾和除菌的對比實驗，得出金屬填料型洗滌器在對空氣粉塵達(dá)到較高過濾效率的同時，還具有較好的除菌效果。濕式填料過濾器的除菌效率與對3～l0μm粉塵的除塵效率變化基本一致。對粒徑5μm及10μm塵粒的除塵效率與除菌效率均在90%以上，同時可以證明空氣中的微生物粒子主要集中在5～10 μm的范圍，為空氣中除塵殺菌的研究提供了有力的依據(jù)。

王一飛等[8-9]在金屬填料過濾研究的基礎(chǔ)上，分別以大氣塵和油霧塵粒為試驗對象進(jìn)行過濾器性能試驗，得出洗滌式金屬填料過濾器對大氣塵和油霧塵粒過濾效率的大小關(guān)系。試驗結(jié)果表明：在迎面風(fēng)速為1～2.5 m/s的范圍內(nèi)，過濾器對于油霧粒徑dp為1μm 的塵粒過濾效率為25%～40%，對于粒徑dp為3μm的塵粒過濾效率為85%左右,對于粒徑dp為5μm的塵粒過濾效率為90%左右。其除去油霧塵粒的效率略大于大氣塵粒的效率，同時通過在噴淋溶液中添加表面活性劑，可以降低噴淋液的表面張力，增加液滴對粉塵的捕集效率，從而提高對大氣粉塵的吸收能力。對于粒徑為1μm的塵粒，其過濾效率可以得到提高75%～100%，在改進(jìn)噴淋液提高除菌除塵效率方面，取得重大進(jìn)展。

李莉,馬德剛等[10-11]在空調(diào)用洗滌式過濾器已有研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)金屬填料的阻力相對較小的特性，探討其作為中央空調(diào)系統(tǒng)過濾器應(yīng)用的可能性。結(jié)果表明：填料型洗滌式空氣過濾器的過濾效率達(dá)到傳統(tǒng)中效過濾器的水平，而空氣阻力只有30～130Pa，低于傳統(tǒng)初效過濾器的平均值，因此可以作為傳統(tǒng)過濾器的良好替代品并具有高效無污染的優(yōu)勢。

填料的除塵凈化性能在噴水室空氣處理方面的應(yīng)用，同樣取得了實質(zhì)性進(jìn)展。張偉峰[12]提出了噴水室與直接蒸發(fā)冷卻相結(jié)合的填料式噴水室全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組，并對機(jī)組內(nèi)空氣與水接觸時的凈化機(jī)理進(jìn)行了理論分析，在搭建的實驗臺中研究了填料式噴水室中填料段對PM10可吸入顆粒物的去除率情況。實驗結(jié)果表明，迎面風(fēng)速V在1.2～1.58 m/s的范圍內(nèi)，噴水量一定時，填料段對PM10的去除率η隨著迎面風(fēng)速V增加而增加，去除率最高可達(dá)57.6%。

楊洋等[13]基于Paschold 和Wen-Whai Li等人在蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)對PM的有效過濾理論，進(jìn)行了超聲波噴嘴霧化機(jī)理及除塵性能方面的工作研究。通過在超聲波噴水室的結(jié)構(gòu)設(shè)計中加入了填料段，使進(jìn)入旋流器前新風(fēng)均勻的分布在整個噴水面上，使新風(fēng)在下一級噴淋段中可以充分與水霧接觸，同時利用超聲波噴嘴的撞擊霧化改善粉塵表面的親水性，增大粉塵與液滴的碰撞接觸系數(shù)，提高了對有害顆粒物PM2.5的去除效率。

4.2 國外填料過濾的主要研究進(jìn)展

Helmut Paschold等[3]通過在兩個普通蒸發(fā)冷卻器模型中進(jìn)行實驗對比，對室內(nèi)外可吸入顆粒物進(jìn)行了測定，以確定蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的運行對環(huán)境空氣的影響。結(jié)果表明采用蒸發(fā)冷卻器后室內(nèi)PM10可吸入顆粒物可減少50%，對PM2.5可吸入顆粒物的去除效率為10%～40%。

Wen-Whai Li等[14]在此基礎(chǔ)上，采用兩種材質(zhì)的填料，分別對美國德克薩斯州西部的地區(qū)10所居室內(nèi)空氣中的可吸入顆粒物進(jìn)行了測定，并記錄了裝有蒸發(fā)冷卻器的居室內(nèi)外的PM2.5和PM10可吸入顆粒物的10min平均濃度。測定結(jié)果表明，不論是剛性填料還是木絲填料，兩種蒸發(fā)冷卻器對PM2.5和PM10可吸入顆粒物的去除率相似。

5 展望

5.1 填料材質(zhì)選擇

目前，應(yīng)用于空調(diào)領(lǐng)域的填料主要是紙基填料和金屬填料。紙基填料的孔隙度小，空氣過濾凈化能力強(qiáng)，但其為二維通孔結(jié)構(gòu)，比表面積小，過流阻力大，有效使用壽命較短。金屬填料雖然克服了紙基填料的運行功率大、濕挺度和耐腐蝕性低的缺點，但其本身也具有重量大、造價高的弊病。因此，采用兼具過流阻力小、比表面積大和生產(chǎn)成本低、使用壽命長等特點的填料可以全面提高蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的空氣凈化能力，是今后蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組填料的主要發(fā)展方向。

5.2 噴淋液改進(jìn)

在濕式凈化方面，研究的主要著力點是提高填料表面的液膜形成能力，強(qiáng)化填料表面液膜經(jīng)過空氣的熱質(zhì)交換和對粉塵顆粒的攔截過濾作用。在噴淋液中加入一定量的具有保濕、滲透、浸潤等多種功能的表面活性劑，一方面，可以減小液滴表面張力和接觸角，改善液滴對塵粒的濕潤效果，使水膜的布置更加均勻；另一方面，可以進(jìn)一步增大水膜面積，從而提高除塵效率。

5.3 性能參數(shù)的研究

目前對于蒸發(fā)冷卻填料器的除塵性能的研究多為理論上的定性分析，并取得了非常大的進(jìn)展。但是對于填料器的運行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及使用范圍的定量研究較少，不能有效指導(dǎo)于實際應(yīng)用，致使蒸發(fā)冷卻填料過濾器的使用范圍受到限制。因此，對蒸發(fā)冷卻填料的除塵性能研究需要將理論和實際應(yīng)用系統(tǒng)性的結(jié)合起來，并在填料過濾器的性能參數(shù)方面上做定量研究，這是今后研究的主要方向之一。

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