濕式填料過濾除塵器的性能

簡介： 2003年春夏的SARS令我們空調(diào)界的許多學者和工程技術(shù)人員進行了深刻的反思。對于人員高度集中場所，防止中央空調(diào)通風系統(tǒng)傳播疾病成為人們特別關(guān)注的問題之一。主要的對策有兩種：一種是稀釋的方法，即增加新風量甚至采用全新風是預防和控制病毒通過中央空調(diào)通風系統(tǒng)傳播的方法。但在炎熱的夏季，一般的空調(diào)通風系統(tǒng)由于運行的經(jīng)濟性和環(huán)境保護要求而無法承擔過大的新風負荷。另一種是在新風量幾乎不變而對回風進行過濾和消毒的方法。細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)時期，全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)需要采取過濾、消毒措施以切斷細菌病毒的傳播途經(jīng)。
關(guān)鍵字：中央空調(diào) 傳染病過濾器蒸發(fā)冷卻填料

1.背景

空氣是人類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，提高人類的健康水平，凈化空氣極為重要。如何有效預防和控制傳染病病毒通過辦公樓、候機樓、火車站、商場、寫字樓、賓館等人員集中場所的中央空調(diào)通風系統(tǒng)傳播是人們特別關(guān)注的問題之一。增加新風量甚至采用全新風是預防和控制病毒通過中央空調(diào)通風系統(tǒng)傳播的最有效方法，但在炎熱的夏季，一般的空調(diào)通風系統(tǒng)不能承擔較大的新風負荷，因此必須對回風進行消毒和凈化。

對于浮游在空氣中的微生物，如細菌、立克次氏體和病毒等，在空氣中難于單獨生存，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。細菌單個大小約為1～100μm，病毒單個大小約為0.008～0.3μm，立克次氏體單個大小介于細菌和病毒之間。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)通風系統(tǒng)采用的除塵裝置一般為空氣過濾器，其濾層的捕集機理有：慣性碰撞、接觸阻留、篩濾、重力沉降、擴散、靜電等^【2】，空氣過濾器濾層可能是靠其中一種機理工作，也可能是靠其中幾種機理的綜合作用工作，但它們的共同特點是捕集到的塵粒及其附著的細菌病毒都聚集在濾層上，當累計到一定數(shù)量時就可能產(chǎn)生揚塵形象，這就使空氣的二次污染成為可能，也是人們擔心中央空調(diào)通風系統(tǒng)會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，利用它們對空氣過濾器濾層進行滅菌消毒處理，其有效性尚不詳盡，而對于“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)。既使較多的細菌和病毒被殺死，但仍然有部分微生物殘留在濾層上，對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)空氣過濾器受到嚴峻挑戰(zhàn)，也對中央空調(diào)中的空氣過濾器提出了新的課題。

本研究以除塵為主要目標，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。濕式除塵器具有過濾－清灰同時進行的特點，并且可以與消毒液滅菌相結(jié)合。

2．濕式填料過濾除塵器的結(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、補水管和排污管組成。水通過水泵被送到淋水器中，從填料上方均勻淋激而下，利用水的潤濕性和氣流的振動作用在填料表面形成均勻的水膜。

填料型洗滌式空氣過濾器的機理可歸結(jié)為：

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

洗滌作用：由于液體的噴淋，會在填料的空隙間形成液滴或水霧，成為捕塵體。

以上兩種機理中，捕塵體都是液體，而液體的流動可以將塵粒、氣溶膠帶走，從而實現(xiàn)將塵粒、氣溶膠與填料脫離。細菌和病毒都是附著在塵粒或氣溶膠上的，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，則細菌和病毒可被殺死，從而使?jié)袷教盍线^濾除塵器能夠?qū)m粒同時完成過濾、脫離、滅菌消毒三個過程。

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

傳統(tǒng)空氣過濾器捕集到的塵粒及其附著的細菌病毒都聚集在濾層上，而濕式填料過濾除塵器捕集的塵?；驓馊苣z及其附著的細菌病毒可隨時脫離填料被噴淋的液體帶走，克服了傳統(tǒng)空氣過濾器的一些弊病：對空氣造成污染的可能性大大降低；除塵效率隨著空氣過濾器使用時間增加而下降的可能性大大降低；空氣阻力隨著空氣過濾器使用時間增加而上升的可能性大大降低。利用填料進行濕式除塵，除塵器的壓力損失較小，水泵無需提供很高的水壓力，可節(jié)省水泵能耗。另外，使用填料進行濕式除塵，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．性能的實驗研究與分析

3.1．實驗說明

濕式填料過濾除塵器的除塵效率實驗是在過濾器性能測試風道中進行的，空氣中的粉塵計數(shù)濃度采用激光粒子計數(shù)器進行測量，以計算計數(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；

進口空氣中粒徑d的粉塵計數(shù)濃度；

出口空氣中粒徑d的粉塵計數(shù)濃度。

實驗是在室內(nèi)進行，塵源為室內(nèi)大氣塵，過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)過防腐處理。

3.2．實驗結(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。實驗中的迎面風速為風量與填料迎風面積的比值，單位為m/s；淋水密度為淋水量與淋水斷面面積的比值，單位為kg/m²s。除塵效率測試為篩上累計計數(shù)效率，采用激光粒子計數(shù)器進行前后端粉塵計數(shù)濃度測試。

經(jīng)實驗測試，在迎面風速為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1μm粉塵除塵效率可以達到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，對于1μm顆粒的除塵效率隨迎面風速的增加而減少，對于3μm和5μm的除塵效率隨迎面風速的增加而增加。這是因為對于1μm顆粒的除塵機理中擴散作用占有重要地位，而擴散作用隨風速的增大而減弱，使小粒徑粉塵的去除效率降低；對于3μm和5μm以上顆粒的除塵機理主要依靠的是慣性碰撞和接觸阻留作用，隨風速的增加而增強，進而使大粒徑粉塵的去除效率增強。

圖2 不同淋水密度時1μm顆粒除塵效率與迎面風速的關(guān)系

圖3 不同淋水密度時3μm顆粒除塵效率與迎面風速的關(guān)系

圖4 不同淋水密度時5μm顆粒除塵效率與迎面風速的關(guān)系

4．其他功能

采用濕式填料過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行傳播，在中央空調(diào)系統(tǒng)中進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)過濾器一般采用的是纖維過濾方式，多采用初效過濾器，很少采用中效以上過濾器。文獻1中提到，初效過濾器要求對5μm顆粒的除塵效率為20％～80％，終阻力為100～150Pa；中效過濾器要求對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)過濾器，一般中央空調(diào)機組的設(shè)計風速為2.5m/s，采用淋水密度為1.89kg/m²s時，對1μm顆粒除塵效率達到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)達到中效過濾器水平，而阻力相當于初效過濾器。另外，濕式除塵器的循環(huán)液體中加入消毒液，可以實現(xiàn)過濾、清灰、消毒等多項功能，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濾除塵和消毒凈化等問題。

2. 蒸發(fā)冷卻：實驗中通過測試進出口干濕球溫度，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)或通風中使用時，利用濕式填料過濾除塵器可以對空氣進行蒸發(fā)冷卻處理，可以縮短制冷機開啟時間，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)、無害的消毒液，仍然可以保證該設(shè)備的安全使用，并對空氣進行凈化、消毒。

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

5．結(jié)論

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

2．空氣經(jīng)過濕式填料過濾除塵器的過程既是過濾凈化過程，同時也是加濕冷卻過程。因為液體的循環(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)變化過程近似等焓過程。經(jīng)過過濾器過濾后的空氣在夏季與表冷器進行熱濕交換時，由于全熱交換的動力是焓差，所以并不會增加表冷器的負荷。冬季使用濕式填料過濾除塵器，可以使室內(nèi)空氣含濕量增加，提高舒適性，但加熱器的負荷略為增加，不過按夏季工況選擇的換熱器用作冬季加熱時有足夠的裕量。

3．濕式填料過濾除塵器可以實現(xiàn)過濾、清灰、消毒相結(jié)合，對改善空氣品質(zhì)、節(jié)約能耗和預防傳染病毒通過通風系統(tǒng)進行傳播具有很好的作用，具備健康、舒適、節(jié)能的特點。