濕式填料過(guò)濾除塵器的性能

簡(jiǎn)介： 2003年春夏的SARS令我們空調(diào)界的許多學(xué)者和工程技術(shù)人員進(jìn)行了深刻的反思。對(duì)于人員高度集中場(chǎng)所，防止中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)傳播疾病成為人們特別關(guān)注的問(wèn)題之一。主要的對(duì)策有兩種：一種是稀釋的方法，即增加新風(fēng)量甚至采用全新風(fēng)是預(yù)防和控制病毒通過(guò)中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)傳播的方法。但在炎熱的夏季，一般的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)由于運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境保護(hù)要求而無(wú)法承擔(dān)過(guò)大的新風(fēng)負(fù)荷。另一種是在新風(fēng)量幾乎不變而對(duì)回風(fēng)進(jìn)行過(guò)濾和消毒的方法。細(xì)菌和病毒在空氣中依附在灰塵或氣溶膠上才能生存，因此，在呼吸性傳染病高發(fā)時(shí)期，全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)需要采取過(guò)濾、消毒措施以切斷細(xì)菌病毒的傳播途經(jīng)。
關(guān)鍵字：中央空調(diào) 傳染病過(guò)濾器蒸發(fā)冷卻填料

1.背景

空氣是人類(lèi)生存必需的極重要因素，也是傳播疾病的媒介，為了防止疾病傳播，提高人類(lèi)的健康水平，凈化空氣極為重要。如何有效預(yù)防和控制傳染病病毒通過(guò)辦公樓、候機(jī)樓、火車(chē)站、商場(chǎng)、寫(xiě)字樓、賓館等人員集中場(chǎng)所的中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)傳播是人們特別關(guān)注的問(wèn)題之一。增加新風(fēng)量甚至采用全新風(fēng)是預(yù)防和控制病毒通過(guò)中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)傳播的最有效方法，但在炎熱的夏季，一般的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)不能承擔(dān)較大的新風(fēng)負(fù)荷，因此必須對(duì)回風(fēng)進(jìn)行消毒和凈化。

對(duì)于浮游在空氣中的微生物，如細(xì)菌、立克次氏體和病毒等，在空氣中難于單獨(dú)生存，而是以群體方式存在，大多附著在空氣中的粉塵上，形成浮游的生物粒子。細(xì)菌單個(gè)大小約為1～100μm，病毒單個(gè)大小約為0.008～0.3μm，立克次氏體單個(gè)大小介于細(xì)菌和病毒之間。他們?nèi)后w生存并附著在粉塵上，形成大小一般為5～10μm^【2】的顆粒?？諝庵械奈⑸锟倲?shù)受粉塵大小和數(shù)量的影響，粉塵顆粒大、數(shù)量多，則微生物數(shù)量多；粉塵顆粒小、數(shù)量少，則微生物數(shù)量少^【4】。因此，去除空氣中的微生物關(guān)鍵是去除空氣中的粉塵及其附著微生物形成的浮游生物粒子，尤其是5～10μm的粒子。

傳統(tǒng)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)采用的除塵裝置一般為空氣過(guò)濾器，其濾層的捕集機(jī)理有：慣性碰撞、接觸阻留、篩濾、重力沉降、擴(kuò)散、靜電等^【2】，空氣過(guò)濾器濾層可能是靠其中一種機(jī)理工作，也可能是靠其中幾種機(jī)理的綜合作用工作，但它們的共同特點(diǎn)是捕集到的塵粒及其附著的細(xì)菌病毒都聚集在濾層上，當(dāng)累計(jì)到一定數(shù)量時(shí)就可能產(chǎn)生揚(yáng)塵形象，這就使空氣的二次污染成為可能，也是人們擔(dān)心中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)傳播病毒的重要原因。常規(guī)的殺菌、消毒辦法有紫外燈、消毒劑等，利用它們對(duì)空氣過(guò)濾器濾層進(jìn)行滅菌消毒處理，其有效性尚不詳盡，而對(duì)于“非典型肺炎”冠狀病毒這樣的微生物則更缺少足夠的證據(jù)。既使較多的細(xì)菌和病毒被殺死，但仍然有部分微生物殘留在濾層上，對(duì)空氣仍然具有二次污染的潛在威脅。因此，呼吸性傳染病使傳統(tǒng)空氣過(guò)濾器受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也對(duì)中央空調(diào)中的空氣過(guò)濾器提出了新的課題。

本研究以除塵為主要目標(biāo)，在總結(jié)各種除塵器的基礎(chǔ)上，提出利用濕式除塵方式來(lái)完成中央空調(diào)系統(tǒng)的空氣凈化功能。濕式除塵器具有過(guò)濾－清灰同時(shí)進(jìn)行的特點(diǎn)，并且可以與消毒液滅菌相結(jié)合。

2．濕式填料過(guò)濾除塵器的結(jié)構(gòu)與原理

濕式填料除塵器主要由填料和淋水系統(tǒng)組成。填料可以采用亂堆式或規(guī)整式，其特點(diǎn)是單位體積的表面積大，為氣液接觸提供較大的面積。淋水系統(tǒng)包括淋水器、集水槽、循環(huán)水泵、調(diào)解閥門(mén)、補(bǔ)水管和排污管組成。水通過(guò)水泵被送到淋水器中，從填料上方均勻淋激而下，利用水的潤(rùn)濕性和氣流的振動(dòng)作用在填料表面形成均勻的水膜。

填料型洗滌式空氣過(guò)濾器的機(jī)理可歸結(jié)為：

慣性作用：當(dāng)塵粒或氣溶膠隨氣流運(yùn)動(dòng)逼近填料時(shí)，塵?；驓馊苣z受慣性力作用來(lái)不及隨氣流轉(zhuǎn)彎而仍向前直行撞進(jìn)填料表面的液膜中，而后被向下流動(dòng)的液體帶入接水盤(pán)；

洗滌作用：由于液體的噴淋，會(huì)在填料的空隙間形成液滴或水霧，成為捕塵體。

以上兩種機(jī)理中，捕塵體都是液體，而液體的流動(dòng)可以將塵粒、氣溶膠帶走，從而實(shí)現(xiàn)將塵粒、氣溶膠與填料脫離。細(xì)菌和病毒都是附著在塵?；驓馊苣z上的，隨著塵?；驓馊苣z一起被捕集和脫離，如果噴淋的液體為有效殺毒劑，則細(xì)菌和病毒可被殺死，從而使?jié)袷教盍线^(guò)濾除塵器能夠?qū)m粒同時(shí)完成過(guò)濾、脫離、滅菌消毒三個(gè)過(guò)程。

填料的材料可選用不銹，這就避免了傳統(tǒng)過(guò)濾材料易積塵、不易清洗的弊病，捕集的塵?；驓馊苣z及其附著的細(xì)菌病毒很容易被噴淋的液體帶走。

傳統(tǒng)空氣過(guò)濾器捕集到的塵粒及其附著的細(xì)菌病毒都聚集在濾層上，而濕式填料過(guò)濾除塵器捕集的塵粒或氣溶膠及其附著的細(xì)菌病毒可隨時(shí)脫離填料被噴淋的液體帶走，克服了傳統(tǒng)空氣過(guò)濾器的一些弊病：對(duì)空氣造成污染的可能性大大降低；除塵效率隨著空氣過(guò)濾器使用時(shí)間增加而下降的可能性大大降低；空氣阻力隨著空氣過(guò)濾器使用時(shí)間增加而上升的可能性大大降低。利用填料進(jìn)行濕式除塵，除塵器的壓力損失較小，水泵無(wú)需提供很高的水壓力，可節(jié)省水泵能耗。另外，使用填料進(jìn)行濕式除塵，還可以與氣態(tài)污染物的去除及惡臭氣體的生物法去除相結(jié)合。^【3】

3．性能的實(shí)驗(yàn)研究與分析

3.1．實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

濕式填料過(guò)濾除塵器的除塵效率實(shí)驗(yàn)是在過(guò)濾器性能測(cè)試風(fēng)道中進(jìn)行的，空氣中的粉塵計(jì)數(shù)濃度采用激光粒子計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量，以計(jì)算計(jì)數(shù)效率。文中所指的除塵效率為大于等于某一粒徑的總除塵效率：

粒徑d的粉塵總除塵效率；

進(jìn)口空氣中粒徑d的粉塵計(jì)數(shù)濃度；

出口空氣中粒徑d的粉塵計(jì)數(shù)濃度。

實(shí)驗(yàn)是在室內(nèi)進(jìn)行，塵源為室內(nèi)大氣塵，過(guò)濾處理后的空氣被排到室外。采用的填料為規(guī)整式金屬波紋刺孔填料，填料表面經(jīng)過(guò)防腐處理。

3.2．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本研究所用填料比表面積為500m²/m³，其厚度均為100mm，為增加除塵效率，填料共選用兩塊并沿氣流方向前后放置，其總厚度為200mm。實(shí)驗(yàn)中的迎面風(fēng)速為風(fēng)量與填料迎風(fēng)面積的比值，單位為m/s；淋水密度為淋水量與淋水?dāng)嗝婷娣e的比值，單位為kg/m²s。除塵效率測(cè)試為篩上累計(jì)計(jì)數(shù)效率，采用激光粒子計(jì)數(shù)器進(jìn)行前后端粉塵計(jì)數(shù)濃度測(cè)試。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在迎面風(fēng)速為1.5～2.8m/s，淋水密度為0.94-2.36kg/m²s的變化范圍內(nèi)，本濕式除塵器對(duì)1μm粉塵除塵效率可以達(dá)到25～40％， 3μm顆粒的除塵效率為78～95％， 5μm顆粒的除塵效率為75%～98%，壓力損失范圍在30～130Pa。

圖2－4分別給出了不同粒徑顆粒在不同迎面風(fēng)速情況下的除塵效率與淋水密度的關(guān)系。從圖中可以看出，對(duì)于1μm顆粒的除塵效率隨迎面風(fēng)速的增加而減少，對(duì)于3μm和5μm的除塵效率隨迎面風(fēng)速的增加而增加。這是因?yàn)閷?duì)于1μm顆粒的除塵機(jī)理中擴(kuò)散作用占有重要地位，而擴(kuò)散作用隨風(fēng)速的增大而減弱，使小粒徑粉塵的去除效率降低；對(duì)于3μm和5μm以上顆粒的除塵機(jī)理主要依靠的是慣性碰撞和接觸阻留作用，隨風(fēng)速的增加而增強(qiáng)，進(jìn)而使大粒徑粉塵的去除效率增強(qiáng)。

圖2 不同淋水密度時(shí)1μm顆粒除塵效率與迎面風(fēng)速的關(guān)系

圖3 不同淋水密度時(shí)3μm顆粒除塵效率與迎面風(fēng)速的關(guān)系

圖4 不同淋水密度時(shí)5μm顆粒除塵效率與迎面風(fēng)速的關(guān)系

4．其他功能

采用濕式填料過(guò)濾除塵器不僅可以有效去除空氣中的粉塵及氣態(tài)污染物，還可以實(shí)現(xiàn)下列功能：

1. 中央空調(diào)系統(tǒng)中的空氣消毒凈化：病毒等微生物主要依附在空氣中的粉塵上進(jìn)行傳播，在中央空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)行有效的除塵凈化并消毒，可以切斷病毒傳播途徑。傳統(tǒng)中央空調(diào)過(guò)濾器一般采用的是纖維過(guò)濾方式，多采用初效過(guò)濾器，很少采用中效以上過(guò)濾器。文獻(xiàn)1中提到，初效過(guò)濾器要求對(duì)5μm顆粒的除塵效率為20％～80％，終阻力為100～150Pa；中效過(guò)濾器要求對(duì)1μm顆粒的除塵效率為20％～70％，終阻力200～250Pa。采用本研究中的濕式填料除塵器完全可以替代傳統(tǒng)中央空調(diào)過(guò)濾器，一般中央空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)風(fēng)速為2.5m/s，采用淋水密度為1.89kg/m²s時(shí)，對(duì)1μm顆粒除塵效率達(dá)到31％，3μm的除塵效率為93％，5μm的除塵效率為96%,而阻力為100Pa，已經(jīng)達(dá)到中效過(guò)濾器水平，而阻力相當(dāng)于初效過(guò)濾器。另外，濕式除塵器的循環(huán)液體中加入消毒液，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)濾、清灰、消毒等多項(xiàng)功能，并且布膜均勻、帶水少。因此，在中央空調(diào)系統(tǒng)中采用濕式填料除塵器可以有效解決過(guò)濾除塵和消毒凈化等問(wèn)題。

2. 蒸發(fā)冷卻：實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)試進(jìn)出口干濕球溫度，發(fā)現(xiàn)采用該設(shè)備可以使空氣溫度降低5～8℃。在空調(diào)或通風(fēng)中使用時(shí)，利用濕式填料過(guò)濾除塵器可以對(duì)空氣進(jìn)行蒸發(fā)冷卻處理，可以縮短制冷機(jī)開(kāi)啟時(shí)間，節(jié)省能量消耗。在傳染病高發(fā)階段，在循環(huán)水中加入低揮發(fā)、無(wú)害的消毒液，仍然可以保證該設(shè)備的安全使用，并對(duì)空氣進(jìn)行凈化、消毒。

3. 冬季加濕：采用濕式填料過(guò)濾除塵器可以對(duì)空氣進(jìn)行加濕處理，進(jìn)而提高工作或生活區(qū)域的舒適性。

5．結(jié)論

1．濕式填料過(guò)濾除塵器是一種高效率低阻力的空氣凈化裝置，大氣塵計(jì)數(shù)效率達(dá)到中效過(guò)濾器的水平，而空氣阻力低于傳統(tǒng)初效過(guò)濾器的平均值。

2．空氣經(jīng)過(guò)濕式填料過(guò)濾除塵器的過(guò)程既是過(guò)濾凈化過(guò)程，同時(shí)也是加濕冷卻過(guò)程。因?yàn)橐后w的循環(huán)噴淋，液體的溫度近似等于空氣的濕球溫度，而空氣狀態(tài)變化過(guò)程近似等焓過(guò)程。經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾后的空氣在夏季與表冷器進(jìn)行熱濕交換時(shí)，由于全熱交換的動(dòng)力是焓差，所以并不會(huì)增加表冷器的負(fù)荷。冬季使用濕式填料過(guò)濾除塵器，可以使室內(nèi)空氣含濕量增加，提高舒適性，但加熱器的負(fù)荷略為增加，不過(guò)按夏季工況選擇的換熱器用作冬季加熱時(shí)有足夠的裕量。

3．濕式填料過(guò)濾除塵器可以實(shí)現(xiàn)過(guò)濾、清灰、消毒相結(jié)合，對(duì)改善空氣品質(zhì)、節(jié)約能耗和預(yù)防傳染病毒通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行傳播具有很好的作用，具備健康、舒適、節(jié)能的特點(diǎn)。