双向空气净化换气装置结构设计

赵丁凡,李 晶,周 旺

(西安工程大学 机电工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

随着生活质量的日益提高,人们对室内空气质量状况越来越关注。人的一生超过90%的时间在室内度过,但许多对人体有害的物质在室内不断累积并造成污染,污染程度甚至高于室外[1]。同时,室外空气污染日益严重,将室外空气直接引入室内不仅不能降低室内污染物浓度,而且可能会加剧恶化室内空气品质[2]。因此,新风系统[3]的发展应用逐渐成为公众关注的焦点。文献[4]对室内空气净化器进行分析,得出空气净化器中有多种不同的技术和介质,能够吸附、分解或转化各种空气污染物,对室内空气的内部循环优化,向用户提供清洁和安全的空气,但成本功耗较高;文献[5]为将室内立体空间循环净化,采用四周+底部进风,顶部吹风的设计,在其底部安装万向轮,在顶部安装拉手,确保移动性,但加装蓄电池增大了设计研发成本,且只是优化室内原有空气,不存在与外界交换气体。

根据国家《室内空气质量标准》GB/T18883—2002,每人在约4.6 m3空间下保证新风量在30 m3/h以上,才能确保室内CO2的体积浓度不超过0.1%,这也与新风量指标至少每人30 m3/h吻合[6-8]。为此,空气净化换气装置的设计符合当前趋势,其市场潜力是不可预估的。本文针对现代建筑室内空气污染,室内空气净化器功耗成本较高且不存在与外界交换气体等问题,采用Pro/E三维结构建模、Abaqus有限元分析和Fluent流体仿真技术,设计开发一款经济适用、可双向净化且可以加热空气的换气装置。

1 总体设计

基于Pro/E三维结构建模技术[9],设计双向空气净化换气装置,包括外形部分、传动部分和过滤部分。该装置的三维实体模型如图1所示。

1-外盖;2-电加热丝;3-副外壳;4-电动机;5-风扇;6-中心轴;7-风扇盖;8-挡风板;9-主外壳;10-过滤网;11-内盖图 1 装置的三维实体模型Fig.1 3D solid model of the device

双向空气净化换气装置中,外形部分由外盖1、副外壳3、主外壳9、内盖11组成,均由耐高温的碳纤维复合材料[10]制成。其框架为正方形,内部可安装电动机、风扇叶等,外部安装有电加热丝、过滤网。传动部分由电动机4、风扇5、中心轴6、风扇盖7组成,小型电动机通过中心轴控制风扇运转,2个风车轮状的挡风板安装到主外壳内部的圆形支架上,其中心与电动机在同一轴线上。过滤部分包含HEPA高效过滤网、活性炭结构,且HEPA高效过滤网位置固定,而活性炭结构可绕中心旋转,在电动机带动风扇产生风力时室外的空气通过上述两部分达到对空气的净化作用。HEPA高效过滤网能够过滤自然空气中含有的大量微粒污染物,通过它可以去除至少97%的空中微粒(直径0.3μm)[11-13]。该装置的活性炭结构采用优质活性炭经特殊处理,主要是利用活性炭作为吸附剂来吸附转移空气中的有机大分子物质[14-15],在过滤、阻隔、吸附方面的性能极其优异,适用于口罩、空气净化器等与空气净化有关的产品领域[16]。

2 运行机理

该装置需要220 V的小型电动机,并设置有位置1、位置2、位置3。位置1为关闭阶段,2个塑料挡风板差位分布,完全遮住主外壳空腔,将室内室外空气隔离;位置2为进气阶段,塑料挡风板处在HEPA过滤网间隙区域,此时只有HEPA过滤网区域可供气体进入;位置3为排气阶段,塑料挡风板处在HEPA过滤网区域,此时只有HEPA过滤网间隙区域可供排出气体。当风扇向室内进风时,电动机正转带动风扇顺时针旋转,此时挡风板处于位置2,室外气体只有通过HEPA过滤网进入室内达到净化空气的作用,如需热空气,则给电热丝通电。当风扇向室外排风时,电动机反转带动风扇逆时针旋转,此时挡风板处于位置3,室内的气体也只能从HEPA过滤网的间隙区域排出,排气过程则不需给电热丝通电。位于外盖内部的电加热丝设置有手动通电开关,通电即加热空气。

3 有限元分析及材料优选

3.1 模态分析及算法

模态分析是有限元动力学分析中的基础内容,工程上进行模态分析的目的是在产品设计之前可以预先避免可能引起的共振[17]。为了保证装置运行时性能稳定,对本设计进行模态分析[18-19]。

机械系统作自由振动并忽略阻尼时其方程为

(1)

|[K]-ω2[M]|=0

(2)

已知固有圆周频率ω,可知固有频率f=ω/2π,外界激励频率接近f时机械系统将产生共振现象,所以机械装置运行时要避开频率f的激励。

导入Pro/E模型之后,建立装置的有限元模型,对其进行模态分析,利用Abaqus/Standard隐式求解器下的Lanczos算法。该算法选择一个初始向量,经过m次反迭代、正交化和归一化处理,形成m个Lanczos向量;而正交因数形成一个三对角矩阵,通过求解这个三对角阵的特征解,可求得原广义特征值问题的前若干阶特征值,即若干阶模态频率。

选取一个适当的初始迭代向量q1,使得(q1)TMq1=1,M为质量矩阵,设k为迭代次数,对k=1,2,3，…,m进行以下向量反迭代

q-k+1=Sqk

(3)

式中:S=K-1M,K为刚度矩阵。将反迭代后的向量正交化,其中正交系数为:αk=q-k+1-αkqk-βkqk-1和βk=(q-k+1)TMqk-1,k=1,2,3，…,m。对q-k+1归一化处理,形成第k+1个Lanczos向量

(4)

(5)

求解三对角阵特征值,即求得若干阶模态频率的近似解。因此,经Lanczos算法得到装置的一阶模态频率f1=63.3 Hz,参考风扇最大转速2 000 r/min下的振动频率(约为34 Hz),不会发生共振激励现象,满足设计要求。

3.2 装置材料优选

考虑装置的一阶模态频率f1远大于风扇最大转速下的振动频率以及设计制造成本,可对其进行材料优选。经大量仿真实验发现，对装置模态起主要作用的是碳纤维复合材料,通过研究和对比不同材料参数属性,发现弹性模量对装置一阶固有频率作用显著,具体趋势如图2所示。

图 2 弹性模量对模态的影响Fig.2 The effect of elastic modulus on the modal

从图2可见,在材料优选进程中,弹性模量对装置的模态影响效果明显,随着弹性模量的减小,装置的一阶固有频率也随之减少。当弹性模量取值到70 GPa时,装置的模态是36.58 Hz,依然大于风扇最高转速下的振动频率。可将外形部分的碳纤维复合材料换成铝合金材料(E铝=72 GPa),其一阶频率为37.1 Hz,较原来下降41.39%,满足不共振条件。材料优选后有利于装置设计制造成本的减少,也有益于降低装置的噪声和振动。

4 空气流体分析

利用流体仿真软件Fluent对装置材料优选前后的风扇装置进行分析[20],采用市面上常见的主卧房间模型:长×宽×高(3.6 m×4.8 m×2.8 m),得到房间内的流线图,如图3，4所示。

图 3 优选前房间流线图

图 4 优选后房间流线图

图4可以清晰地反映优选后房间内空气的流动情况和流动趋势,对比图3发现,较优选前并无明显差异,表明优选后装置一阶频率的大幅下降不会对室内空气流动产生显著影响。

新风换气次数是验证换气装置的基本参量,其公式如下:

n=Q/V

(6)

式中:n为换气次数;Q为通风量;V为房间容积。

根据标况下空气密度1.29 kg/m3,房间容积48.384 m3和式(6),得到流体分析结果,见表1。

表 1 流体分析结果

由表1可知,装置材料优选后的流体参数较优选前均有小幅度下降,参照国家规定的居住建筑设计最小换气次数[21],根据所采用的房间模型(人均居住面积小于10 m2),不难发现其换气次数远高于国家标准GB50736—2012所要求的0.70 次/h,能够满足一般室内房间的需求,可以证明本研究对装置的设计是合理可行的。

5 结 语

本文基于Pro/E三维结构建模技术,设计开发了一款新型双向空气净化换气装置,该装置能实现进风和排风交替进行,也能对冷空气进行加热。(1)通过Lanczos算法,求得装置的一阶模态频率f1为63.3 Hz,验证该装置不会产生共振;又考虑到f1大于风扇最大转速下的振动频率以及设计制造成本,可对装置材料优选,研究发现弹性模量对装置一阶固有频率影响显著,将外形部分的碳纤维复合材料换成铝合金材料一阶频率较原来下降41.39%,依然满足不共振条件。(2)经Fluent对优选前后的装置流体分析,结果表明优选后装置的一阶频率大幅下降不会对室内空气流动产生显著影响;流体参数较优选前均有小幅度下降,特别是每小时换气次数由4.66 次/h降为4.38 次/h,但同样符合《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》。

本文的整个设计与优选过程,为室内空气净化设备的研发与完善提供了参考,对解决现代建筑室内空气污染问题具有实际应用价值。但材料优化进程只单方面考虑弹性模量参数,存在一定的局限性,今后将着重对此进行深入研究。