孙如军，李泽，崔锟，张骞

（德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023）

近年来，随着国内外工业生产和社会经济的快速发展，环境污染问题日益显现，其中空气污染问题尤为突出．现在空气污染已由传统的煤烟型向综合型污染转变，我国在空气净化领域的研究已经进入一个新的发展阶段[1]．在这一阶段我国的空气净化设备不仅要实现产品的完全自主知识产权，更要打造自己的商业品牌，提高在国际市场的竞争力．本文设计了一种基于新风理论的空气净化设备，这款设备不仅可以用作家用空气清洁，同时还可以用于工业生产中高尘车间的空气净化．通过实际验证这款设备无论是在净化效果，还是生产造价上都优于同类型产品．

空气净化的概念最早起源于国外，由约翰和查尔斯·迪恩美国消防员于1832年发明的一款新型防烟雾口罩开始兴起，后者在其基础上进行了改进，其口罩的过滤效果进一步加强．继美国之后英国、德国、日本等发达国家也对空气净化器展开了深入的研究，形成了很多国际知名的空气净化器品牌，如日本的松下、夏普，英国的斯帝沃等．这些空气净化器由于其过滤核心的造价不菲，导致空气净化器的市场价格昂贵，社会普及率较低，没有形成较为成熟的商业转换 ．我国对空气净化器的研究从上世纪60年代开始，根据中国知网的文献数据统计显示，2005—2019年关于空气净化器研究的论文数量为2485篇，其中空气净化设备创新的1235篇，净化效果分析的856篇，市场分析与优化设计394篇．但是这中间的成果转化率却不足15%，大多的研究停留在理论层面，距实际应用还有一段距离，这就说明我国在该领域还处于培养发展阶段．

1 主要空气污染物

现在根据空气污染物的存在特性，可以将污染物分为气态悬浮污染物与颗粒悬浮污染物2类，这2类污染物在人们的日常生产生活中分布范围广，危害大．

1.1 气态悬浮污染物

气态悬浮污染物通常大量存在于室内，特别是在新房装修之后，由于新家具与装修材料在质量上不符合标准，加之其室内如果通风效果不佳就会导致大量有害气体的增加．这其中除生活中熟知的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等还有具有刺鼻气味的苯类物质、甲醛以及挥发性TVOC类物质和放射性污染．这些污染物主要来源于地基土壤、生活中的化学制品，如化妆用品和装修建材等[3]．根据国家标准规定整理出污染物标准量表（见表1）．

表1 污染物标准量表 mg/m3

相关研究表明，气态悬浮污染物对人体有着诸多的不利影响，如二氧化碳浓度超过（1000～2000）×10-6时人体就会感到头痛、呼吸困难，再严重就会造成大脑死亡．甲醛特别是对于儿童来说极易引起白血病、哮喘等疾病，而放射性污染则会加大患癌几率，长期接触会导致人体生理的病变．

1.2 颗粒悬浮污染物

颗粒悬浮污染物是从微观的层面进行的定义，是指单个颗粒的直径在毫米或者是微米级，并且通过呼吸可以进入人体肺部器官的污染物．通常用particulate matter的缩写PM来表示悬浮颗粒物的等级，如PM10和PM2.5等雾霾天气的形成大多源于此．这类污染物主要来源于地面扬尘、工业排放物和二手烟等．在颗粒的表面常常会附着相当数量的细菌和病毒，因为体积小、质量轻，所以流动性强，经常引起呼吸道过敏和肺癌等疾病[4]．

2 设备的总体设计原理

对多功能空气净化装置的优化设计依然采用模块化程序设计，将对设备的空气水洗模块、电解分离模块、小负离子发生模块、臭氧灭菌模块、温度调节模块以及单片机程序控制模块等六大组成部分进行优化设计．设备的工作流程见图1．空气水洗与电解分离是整套设备的核心部分，51单片机的程序控制贯穿设备的整个运行周期，将设备的各个组成功能单元统一地结合在一起实现机器的智能化和精细化操作．设备的总体结构示意图见图2.

本设备内部设有空气质量传感器，通过它对设备周围环境的空气质量进行数据的实时采集，随后传输到单片机，为单片机后续控制其它工作部件提供指令依据．设备工作时外设的相关空气质量检测探头开始对周围的空气进行收集，并且将收集到的相关数据通过数字的形式发送给空气质量传感器进行分析．单片机设有控制程序，将传感器分析得到的结果在LED1602液晶显示屏上显示，例如：湿度、温度、PM值、二氧化碳浓度、一氧化碳浓度等．当检测值高于报警值时在单片机的控制下引风机工作，将空气带入设备，经过电离分解、空气水洗、小负离子发生、臭氧灭菌、温控调节最后排出略带加湿的新鲜空气[5]．

图1 工作流程

图2 设备结构示意图

2.1 51单片机控制模块

51单片机控制系统是该设备的运行核心，本文选用STC12C5A60S2单片机和QS-01空气质量传感器作为试验机控制系统的核心组件，这款单片机运算速度是传统8051的6～7倍，可以完全满足设备的运行需要．当设备接通电源后51单片机随即进入待定工作状态，这时单片机要经过大约5 s的延时启动过程．这是由于QS-01空气质量传感器在进入正常工作之前需要经过一定时间的启动预热，在这段时间内将空气质量传感器中的数据进行自我还原，清除先前的检测数据．一方面，可以保证空气净化设备在开始工作后得到实时准确的空气质量参数；另一方面，可以更为直观地观察到空气质量的改变．在传感器进入稳定运行阶段后，会将第1次稳定检测到的空气质量参数传送到ADC0809模数转换芯片，进行空气质量传感器信号的编译与处理，编译后的信息会在单片机预设的逻辑运算程序中进行计算．根据计算的结果，在已经设计好的净化方案参数库中进行选择，并且将方案数据通过8位的并行接口传送到LCD1062进行可视化操作．在液晶显示器上根据现场的实际情况结合工作的要求选择合适的净化方案，同时设备的运行参数也会在屏幕上进行显示，例如：风速、电流量、运行时间、水箱位置等[6]．设备运行一段时间后，当空气质量达到相关的标准值时，设备将会自动进入到待机状态防止不必要的资源浪费．控制系统框架见图3，LCD电路见图4，控制系统流程见图5．

图3 控制系统总体结构

图4 LCD电路

图5 控制系统流程图

2.2 水洗模块

空气水洗是本设备运行的关键部分，主要的净化功能在这里体现，空气水洗结构见图6．在空气水洗模块，利用尼龙材质的过滤网布在设备内部进行错位排列，为保证净化的效果每层过滤网之间的距离控制在100 mm左右，这样的设计不仅可以增加气流在设备内的过滤时间，而且提高了气流在设备内部穿过过滤网的次数．当空气进入设备内部之后，加水器开始工作，过滤网周边设置的喷水口对过滤网进行喷洒，使过滤网上形成一层均匀的水膜．在引风机的作用下，空气在水膜中反复穿过．利用水自身的吸附性与黏性，当通过过滤水膜时留下空气中较大的悬浮颗粒物，经过水洗后空气中的颗粒污染物与气体污染物得到基本过滤，同时空气还达到了加湿的目的．根据国家标准高效过滤滤料性能指标实验中透过率与阻力的相关规定，检测设备的透过率和阻力．实验表明，产品的透过率≤0.1%（即效率≥99.9%），对粒径≥0.1 μm微粒的计数透过率达到≤0.001%（即效率≥99.999%），完全符合高效过滤器的标准[7]．

2.3 电离分解模块

当设备工作后在单片机的控制下引风机工作，空气引入空气净化的第一环节．根据气体一般是中性的特点，在气体获得能量时，就会分离成电子、正离子、负离子，使气体变成导电体，而使气体变成导电体的过程就是电离气体．

电离气体的方法有很多种，如按电离发生的原因来看，气体放电可分为被激放电和自激放电2种．通过电离器的外部放电作用，进入净化器的空气中一部分原子或分子在充分获得了电离器产生的足够大的电场能量后，电子就能在能量的激励下离开气体原子或分子，进而产生电子和正离子．因为正离子和电子在电场中的运动是朝着相对的方向，同时在弱电场中电子能量一般较小，当电子与中性分子或原子相碰撞时，因为分子之间的吸引力电子与中性分子等极易结合形成负离子，这时气体导电机构主要是由正、负离子组成，而不是自由电子．在正常情况下，气体是良好的绝缘体，但是在成为导电体之后，极容易与其它物质结合生成稳定的物质．例如：氧离子与氧离子容易生成O2，对周围环境也有极大的改善．设备在空气循环系统中增加适当的存量空间，延迟离子和中子在空间内的存留时间，使离子和中子在滞留期间找到合适的配对对象．通过控制风机转速和电离电压的调整，精确控制气体流量与CO和CO2的风量比例，提升空间的环境质量．空气电离分解结构见图7．

图6 空气水洗结构

图7 空气电离分解结构

本设计采用电离器进行气体电离，在设定击穿电压时通过帕邢定律（在均匀电场，气压在0.098 MPa，温度为25 ℃，两极间距离大于0.1 cm的前提下），空气被击穿的电压与极间距离保持关系

其中：Uj为空气击穿电压（kV）；B为电极间距离（cm）．计算得到正常情况下0.1 cm极间距的空气击穿电压近似为30 kV．

为了提高电离器的适用范围，对原有电离器的电路加入电压调节组件，让原本不可变的输出电压变为在规定范围内可调电压[8]．

2.4 小负离子发生模块

本模块采用JP-A2241型小负离子发生器，这款发生器可以很好地去除空气中的烟尘、甲醛以及细菌．通过负离子发生器上的碳刷将电子呈散状发射，电子在空气中与悬浮颗粒物结合形成达到降尘的目的．小负离子发生模块结构见图 8．为了达到小负离子的精准产生，在小负离子发生模块增加检测控制系统，当空气中的负离子量达到满足需求的标准量时，系统自动控制负离子发生器停止运行，以减少不必要的损耗．

图8 小负离子发生单元结构

2.5 臭氧灭菌单元

通常臭氧在常温常压下是一种淡蓝色并且带有鱼腥臭味的气体，它是大气中的一种微量气体．因其有着很好的杀菌、消毒、除味的效果，这种气体目前已经广泛应用于饮用水和工业污水的处理等领域．因此，设计这个环节对空气进行最后的消毒灭菌．臭氧灭菌单元结构见图 9．但是臭氧同时是一种温室气体，当它的浓度不断增加的同时，不仅会对生物造成危害，而且严重时还会引发光化学烟雾．为解决安全使用与添加量之间的矛盾，依据臭氧投放量的公式

其中：DO3为实际选用臭氧发生器的产量，g/h；cO3为臭氧质量浓度，g/m3；QN为发生器产生的标准气量，m3/h[9]．

图9 臭氧灭菌单元结构

经过测算，要想满足设备的正常运行需求，臭氧的产生量必须要控制在0.2 g/h左右，其误差不允许超过0.1 g/h，臭氧质量浓度保持在为4.46×10-9mg/m3．为实现设计要求，对在不改变发生器基本功能、电压和电场的前提下，通过调节发生器的使用电流强度来增加或减少臭氧的产生，从而达到控制臭氧量的目的[10]．

2.6 温度调节模块

设备完成净化过程后，空气已经得到有效的过滤达到新鲜空气的标准．但是为了适应现代生产生活的需求，在空气完成净化后进入最后的温度调节模块，利用空调制冷与制热的基本原理，通过氟利昂的液态与气态的转变实现对空气的吸热与放热．通过压缩机的压缩转换，将气态的制冷剂转换为高温高压的气态制冷剂，通过铜管输送到冷凝器（室外机）散热后成为常温高压的液态制冷剂，所以室外机吹出来的是热风，反之则为冷风[11]．温度调节单元样机实物见图10．

图10 温度调节单元样机实物

3 结语

以新风理论为基础，研制了一款新型的复合式空气净化设备．本款设备将空气净化技术进行整合，以水膜过滤为主要技术手段，实现在工业与家用2方面的转换，使用较低分贝的引风机进行吸引噪声小，且造价低，适合大面积的推广．