可消毒靜壓箱板電極結構優化的數值模擬研究

喬 彬,孫麗穎,金星河,黃夢琪,李程珂

(哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

2019年底,新型冠狀病毒肺炎爆發并在全球蔓延。嚴重影響了人民的生命安全和正常社會活動。研究表明,新冠病毒的主要傳播途徑是經呼吸道飛沫傳播,由于病毒在空氣中傳播擴散性很好,在人數較多、通風不佳的空間內易發生聚集性感染[1]。因此,保持室內常態化消毒通風十分重要。然而空調開啟時經常關閉門窗以達良好控溫效果,這會導致空氣流動性變差,不利于病毒細菌的消殺[2]。因此,研發出一種可以應用于空調通風的消毒裝置對病毒防控具有重要意義。

靜壓箱在空調通風系統中起著減少動壓,增加靜壓,穩定氣流和減少氣流振動的作用,是空調通風系統的必要配件,能夠提高通風系統的綜合性能[3]。國內外學者對于各式靜壓箱研究有很多:嚴輝等人采用實驗和CFD方法,分析了貼附式靜壓箱出口速度和內流場分布并確定內部結構對流場的影響[5];錢雨鯤等人分析了靜壓箱在不同輸入下的出口溫度場情況[6];Halibart,J等人研究了靜壓箱內部空氣流動不對稱時的解決優化方案[7]。但顯然,國內外學者的研究都聚焦于靜壓箱的結構和內外流場特性,并沒有探究其兼顧消殺工作的可能性。

現在市面上的空氣凈化設備有很多,常見的凈化方式有吸附,光催化,等離子過濾等[8]。新冠病毒在不同材質組成的表面可保持感染性長達2 h至9 d,再加上新冠病毒的熱敏感性,暴露在紫外線下或處于56 ℃的高溫環境下30 min可達到滅活效果[10]。蘭貴天等人根據新冠病毒的生理特性,設計出了基于熱耦合電暈放電技術的空氣消毒裝置,通過采用陣列線-板電極結構實現電暈放電,并采用極板內嵌發熱絲實現集中加熱,能夠有效提高病菌殺滅效果[11]。

因此,本文針對靜壓箱和基于熱耦合電暈技術的空氣消毒裝置進行結構優化設計,提出一款可以進行病菌消殺的靜壓箱,在對氣流進行分流的同時殺菌消毒,進而取得較好的空氣凈化效果。

1 模型簡介

1.1 可消毒靜壓箱模型

本文取風量為300～500 m3/h的靜壓箱為研究對象,為減少靜壓箱占用的吊頂空間高度,其尺寸長×寬×高設計為370 mm×370 mm×180 mm,由不銹鋼板構成。其物理模型如圖1所示。靜壓箱1是一個帶有進風口、出風口的箱體結構,可用于連接進入房間的水平送風支管與頂送送風口。進風口5的尺寸為160 mm×140 mm(寬×高),出風口6的尺寸為200 mm×200 mm。

圖1 可消毒靜壓箱模型:(a)軸測圖(b)俯視圖(c)側視圖

1.2 空氣消毒裝置模型

靜壓箱中設置文獻6中提出的空氣消毒裝置,主要由陣列線-板電極組成,如圖1中所示。

陣列板電極主要起收集和集中加熱消殺處理的作用,采用厚度為2 mm的鋁片制成,根據處理氣量、集塵效率等參數計算出陣列板電極總面積為0.109 m2。其模型如圖1中所示。

陣列線電極主要通過電暈放電產生等離子體和臭氧,對病毒進行初次消殺,采用直徑為2 mm的鎢絲材料制成,鎢絲材料耐高溫腐蝕,可以長時間的穩定電暈,殺菌效果穩定,線電極結構根據板電極的不同而不同,線電極的數量比板電極少一,長度與板電極的板寬相同,其模型如圖1中所示。

送風過程中,氣流從進風口吹向消毒裝置,并從出風口吹出,從而達到殺菌消毒的作用。

2 板電極結構優化的數值模擬

2.1 板電極結構對比研究方案

本文主要針對空氣消毒裝置主要由陣列線電極和陣列板電極組成,陣列的線電極和板電極之間的間距均為10 mm,線板電極之間的間距設置為25 mm,并交錯排布。

陣列板電極由于陣列方式和板面尺寸不同會形成不同的結構形式,本文根據研究的靜壓箱尺寸,選取板電極不同板數、板型、尺寸進行對比研究,進而提出板電極結構優化設計方案,使其在靜壓箱中發揮良好凈化效果的同時又不會影響靜壓箱的穩壓性能。

(1)陣列板電極板數、板型

在保證板電極總面積不變的情況下,選取圖2所示的四塊板、五塊板、六塊板和七塊板四種板數進行對比研究,板面為正方形,每種板數均分析平板、1/4圓形彎板兩種板型,如圖3所示。

圖2 陣列板電極的板數對比方案(以平板為例)

圖3 陣列板電極的板型對比方案(以六塊板電極為例)

改變陣列板電極的板數、板型共形成8種對比工況如表1所示。

表1 板電極陣列方式對比工況

(2)陣列板電極的板面尺寸

陣列板電極的板面尺寸以正方形板面寬度為基準,依次改變板面寬度為正方形板的71%、83%、100%、120%、140%,共有五種板面形狀,板寬由小到大排列如圖4所示。

圖4 陣列板電極的板面尺寸對比方案(以六塊彎板電極為例)

選擇板數、板型的最優工況并改變其板面尺寸可形成4種對比工況,如表2所示。

表2 板電極尺寸對比工況

2.2 邊界條件

本文利用CFD方法對靜壓箱內部流場進行數值模擬,研究靜壓箱內的壓力、速度等參數分布,對比不同工況下可消毒靜壓箱的穩壓和消毒效果,進而探究靜壓箱中板電極結構的最佳設計參數。

在各工況的模擬中,將靜壓箱的進風口設置為速度入口,送風風速為5 m/s,送風溫度為16 ℃。靜壓箱出風口設置為壓力出口,出口邊界為環境壓力。靜壓箱內壁面條件設置為絕熱壁面。

2.3 評價指標

為對比板電極結構對靜壓箱穩壓和消毒效果的影響,本文采用下列性能評價指標對不同工況進行對比分析。

2.3.1 速度不均勻系數

在靜壓箱中設置陣列板電極會對送風氣流有一定的阻擋,板電極對氣流分布的影響可用出風口“速度不均勻系數”指標來評價。靜壓箱在通風系統中起穩定氣流的作用,室內送風的速度不均勻系數εv越小,說明送風口的氣流分布越均勻。

速度不均勻系數計算方法如下

(1)

式中εv——速度不均勻系數;

σv——靜壓箱出風口處各測點的速度均方根偏差;

2.3.2 靜壓箱壓降

靜壓箱壓降ηt指靜壓箱進風口和出風口的靜壓差,其值越小說明靜壓箱的穩壓效果越好。計算公式如下

(2)

式中ηt——靜壓箱壓降/Pa;

pi——進風口的靜壓/Pa;

2.3.3 板電極接觸率

在靜壓箱中未滅活的病毒將在板電極處進行富集,利用極板發熱進行消殺,從而取得很好的空氣凈化效果?？梢哉J為極板表面壓力越大,空氣粒子在板面停留的時間越長,則板電極的表面利用率越高,此時消毒效果更好,因此本文采用板電極接觸率來評價陣列板電極的消毒效果。

將板電極表面等分成若干個面進行研究,板電極接觸率δ表征各個分割面上的靜壓值與極板表面靜壓最大值的差異程度。δ值越大,表示板電極的使用率越高。δ值的計算方法如下[13]

(3)

式中δ——板電極接觸率;

pmax——板電極最大靜壓值/Pa;

pi——板電極各面靜壓/Pa;

n——板電極分割面數。

2.3.4 綜合評價指標

綜合評價指標是指靜壓箱的板電極接觸率與送風口速度不均勻系數和靜壓箱壓降乘積的比值,其值越大說明此時靜壓箱能同時滿足通風和凈化的效果越好,計算公式如下

(5)

3 模擬結果和分析

3.1 板電極板數、板型的對比分析

采用不同板電極板數、板型時的靜壓箱評價指標模擬結果如圖5所示。

圖5 各工況評價指標

從圖5中可以看出,在板數相同的條件下,彎板的板電極接觸率普遍比平板要高,對比圖6(a)(b)可以看出,裝有彎板消毒裝置靜壓箱的穩壓效果要強于平板靜壓箱的穩壓效果,靜壓箱壓降遠小于平板的壓降。此外,二者的速度不均勻系數和板電極接觸率相差不大,因此,板型為彎板各工況的綜合評價指標要高于同等板數下平板的綜合評價指標。當板數變化時,板數為六的工況6綜合評價指標最優,在板電極接觸率高達88%時,靜壓箱壓降僅為4.27 Pa,該工況的消毒和穩壓通風效果優于其他工況。

圖6 (a)工況5氣流跡線與靜壓分布;(b)工況6氣流跡線與靜壓分布

3.2 陣列板板電極面尺寸的對比分析

根據上節中的結論,選取最優工況6的板面板數和板型,按照表2設計陣列板板電極面尺寸,進行仿真得到各工況的評價指標如圖7所示。

圖7 各工況評價指標

從圖7中可以看出,各工況評價指標的變化要遠小于圖5所列各工況評價指標的變化,說明板面尺寸變化對于裝置的影響要小于板數、板型變化時的影響。從圖5、圖7中可以看出,在對比研究的12種工況中,工況11的綜合評價指標最高,雖然其速度不均勻系數略高,但有最小的靜壓箱壓降和最大的板電極接觸率,說明其在穩壓和消毒的綜合效果優于其他各工況。

圖8分別為工況11的速度跡線圖,靜壓跡線圖,板電極溫度圖和縱向對稱面的靜壓等高圖?？梢钥闯?最優工況下靜壓箱的穩壓和通風的作用并沒有收到太大的影響,而電極板表面的溫度大多維持在60 ℃左右,完全滿足新冠病毒的消殺溫度要求。因此,該工況下的靜壓箱完全可以實現通風和消毒的雙重功能。

圖8 工況11:(a)速度跡線圖;(b)靜壓跡線圖;(c)板電極表面溫度圖;(d)縱剖面靜壓等高圖

4 結論

本文以靜壓箱和基于熱耦合電暈放電技術的空氣消毒裝置為基礎,提出了一種應用于空調通風系統中的可消毒靜壓箱,為通風系統中空氣的消毒凈化提供了新的思路。在此基礎上,模擬了不同結構及尺寸板電極對靜壓箱穩壓和消毒的影響,研究結果表明:

(1)板電極數量也會對靜壓箱綜合評價指標產生影響,對于風量為300～500 m3/h的正方形靜壓箱,針對四塊板、五塊板、六塊板和七塊板四種板數進行對比研究,板電極數為六塊時的消毒和穩壓通風效果優于其他塊數。

(2)陣列板電極的極板數量、形狀和尺寸均會對可消毒靜壓箱的穩壓消毒效果產生影響。極板剖面形狀為1/4圓形彎板的綜合評價指標高于平板,說明陣列彎板電極在靜壓箱中穩壓消毒效果優于平板。

(3)對于風量為300～500 m3/h的正方形靜壓箱,板電極數為六塊時,發現當消毒裝置的板電極由寬為114 mm,厚為2 mm,間距為10 mm的1/4圓形陣列金屬板組成時,靜壓箱綜合評價指標為0.870,最能兼顧消毒和通風的要求。