空调空气净化装置的设计与分析

空调空气净化装置的设计与分析

韩敏

珠海格力电器股份有限公司     广东 珠海519000

摘要：为满足人们对室内空气质量的高要求，设计了一种安装在家用空调的空气净化装置，能实现除尘、杀菌、除甲醛等空气净化的功能。该净化器适用于空调，具有效率高、安全可靠且成本较低的特点。同时，本文对净化装置电压，极间距及集尘电极厚度进行验证分析，结果表明，选择4500±300V电压，33mm的极间距以及19mm的集尘电极厚度能有效满足空气净化要求，最终实现了除PM2.5，除甲醛、除菌效率分别为：97.1%、83.18%、84.47%，满足设计要求。对该装置进行可靠性、整机影响等测试，结果满足相关标准要求。

关键词：室内空气净化 静电除尘

DESIGN AND ANALYSIS OF AIR PURIFICATION DEVICES IN AIR CONDITIONING

Han Ming

Gree Electric Appliances, Inc.of Zhuhai Zhuhai Guangdong 519000

AbstractIn ：order to meet the high demand for indoor air quality, an air purification device installed in household air conditioners is designed to achieve the functions of air purification such as dust removal, sterilization and formaldehyde removal. The purifier is suitable for air conditioners and has the characteristics of high efficiency, safety and reliability and low cost. Meanwhile, this paper analyzes the voltage, set spacing and electrode thickness of the purification device, and the results show that the selected voltage of 4500±300V, 33mm pole spacing and 19mm dust collecting electrode thickness can effectively meet the air purification requirements, and finally achieve the efficiency of PM2.5 removal, formaldehyde removal and bacteria removal: 97.1%, 83.18% and 84.47% respectively, which meet the design requirements. The device was tested for reliability, the impact of the AC,, etc. The results meet the requirements of relevant standards.

Keywords：Indoor air purification  Electrostatic precipitating

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0  前言

随着我国经济的迅速发展，人们对室内空气质量的要求逐渐提升，调查表明：空气品质不佳容易引起各种不适症状［1］，空调自带的过滤网不能满足用户对空气品质的需求，带空气净化装置的空调逐渐受到人们关注。当前各空调厂家其净化功能均较为单一，不能去除多种污染物，同时有净化效率较低，成本较高等问题。本文介绍笔者设计的新型高效去污空调空气净化装置，包括方案选择，结构设计及试验验证部分，该装置具备去除PM2.5、甲醛，及兼顾杀菌作用，具有广泛的应用场景。

1空气净化方案

1.1现行空气净化技术分析

室内空气中最大的污染物是可吸入颗粒物，但除此之外仍有多种污染物对人们具有直接伤害，如甲醛、苯，以及细菌、病毒等，整理主流空气净化技术如下

表格1室内空气净化技术汇总

1.2.方案选择

家用空调器上使用的空气净装置，需尽量满足安全、可靠、维护性好、运行费用低的要求。高压静电集尘模块，具有无需更换滤料、风阻低、具有杀菌功能等优点

，相比HEPA过滤、活性炭吸附需要更换耗材的方式简单。氧化催化式分解甲醛技术具有使用方便、节能环保等优点，相比光触媒等方式成本要低。本文的空气净化装置将两者结合，采用高压静电方案来实现除尘、杀菌，采用氧化催化技术实现除甲醛，实现空气净化。

2净化装置设计

2.1工作原理

静电除尘的基本原理是荷电粒子在电场中依据同性相斥、异性相吸原理吸附在集尘极上。一般采用双区式结构，在电离段将粒子荷电，然后在集尘段将粒子捕集。实现除尘；

图1正电晕放电原理图

除菌的基本原理是采用针尖电晕放电，使尖端附近的空气电离产生高能负离子O2-、OH-，负离子在细菌表面聚集，影响破坏细菌表面，实现杀菌

氧化催化式除甲醛技术主要的原理是利用室内空气中的热量激活甲醛氧化反应，将甲醛氧化成水和二氧化碳，实现除甲醛。

2 结构设计

根据空调的特点和用户需求，结合便于生产、安全可靠和低成本的需求。本文设计的净化装置主要由安装框，除尘组件，除甲醛模块，高压发生器和相关装配结构组成。

1集尘电极;2固定架；3放电针；4安装框；5除甲醛模块；6高压发生器；7盖板；8导电条

图2空气净化结构示意图

该净化器布局合理、装配效率高且便于维护。主要特点有设计成自由拆卸装配的除尘组件结构，便于定期清洗；结构上的高密度防护网结构，壳体与带电部件的材料选满足3750V电气强度和绝缘电阻大于100MΩ，避免用户碰到造成触电和机械伤害。

图3除尘组件结构

3净化装置参数选择

3.1 电压的选择

粉尘吸附的性能与电压密切相关。荷电后的尘粒在电场内由于受到静电力的作用将向集尘极运动，荷电尘粒在电场内受到静电力:

(1)

式中：——集尘极周围电场强度；

q——为尘粒的荷电量；

已荷电的粉尘在圆孔电极内部受到电场作用，并向集尘电极运动，其往集尘电极吸附运动的趋近速度为：

（2）

简化计算

式中： U——电除尘器工作电压，V；

B——电晕极至集尘极的间距，m；

——集尘极周围电场强度，V/m；

从公式可以看出，静电除尘的工作电压U愈高，电场强度E愈大，尘粒的驱使进度ω也愈大，即粉尘能够快速的被吸附在集尘面板中。因此，在不发生击穿的前提下，应尽量提高输出电压。

对不同电压下其净化效率进行验证，选定常用的D=33mm极间距，同时测试不同电压下其净化效率，测试结果如下。

表格2不同电压下效率表

图4不同电压下净化效果图

实际试验验证也是电压约高，净化效率提升。但由于电晕放电会产生一定浓度的臭氧，臭氧的强氧化性对人体健康有危害，电压过高会影响臭氧的产生情况，因此，本次设计需要对臭氧浓度进行控制，通过调节极间工作电压，验证电压对净化装置臭氧浓度释放量。

图5不同电压下臭氧浓度变化曲线

空调对臭氧标准要求为距离出风口5cm不能大于0.1mg/m³，由图可知，当电压大于5000V时，臭氧超过标准限定值，为保证设计有一定余量，因而极间电压选取需小于5000V，本文按4500±300V选取。

3.2极间距的选择

为验证不同极间距对净化效率影响，采用4种不同极间距的除尘组件结构用于验证，测试结果如下：

表格3不同极间距下效率表

图6不同极间距下净化效果图

由测试数据可知，静电除尘其净化效率并非极间距越小其净化效率越高，由于结构设计限制，极间距越小放电针组数越多，导致结构复杂且风阻较大，影响通过净化装置的风量，从而间接影响其净化效率，本文选定D=33mm极间距。

3.3 集尘电极厚度的选择

为验证不同集尘电极厚度对净化效率影响，不同极间距的除尘组件结构用于验证，分别设计了3种不同厚度的集尘极，验证结果如下：

表格4不同集尘电极厚度效率表

图7不同集尘电极厚度下净化效果图

通过上述测试验证可知，集尘电极越厚其净化效率越高，在设计空间有限的情况下，可选择设计更为厚的集尘电极以提高装置的集尘面积，本文采用19mm厚度的集尘电极。。

4实验部分

通过对上述研究点进行逐一研究及对比测试，最终确定采用圆孔24针，极间距D=33mm方案结构进行设计，电压选定为4500±300V。通过最终结构制作手板进行相关试验验证。

图8最终方案实物图

4.1 净化效果验证

（1）除尘效率验证结果

本文净化装置1小时除PM2.5净化率效率测试数据和结果如下，PM2.5浓度从7.48mg/m³下降到0.22 mg/m³，1小时净化率达到97.1%。满足预定设计目标。

图9最终方案净化效果图

（2）除菌效率验证结果

本文净化装置1小时杀菌效率为84.47%,满足预定设计目标。

（3）除甲醛效率验证结果

本文净化装置1小时去除甲醛效率为83.18%,满足预定设计目标。

4.2 可靠性验证

除常规的绝缘电阻、振动试验、高温试验、低温试验、高低温冲击、湿热试验、灼热丝试验、球压试验、盐雾试验等。还进行了非标可靠性试验，模拟不同使用环境下情况，相关可靠性验证都合格，详见下表:

表格5非标可靠性试验

1高粉尘工作测试；2高湿潮态工作测试；3高纤维粘附测试；4表面沾水试验；5浸水试验；6模拟沾粉测试

图10非标可靠性试验图

4.5 整机影响验证

本文开发的净化装置应用于空调产品中时，因为装配在空调进风口位置，故对整机性能具有较大影响，所以需要验证整机性能影响，本文在某机型上进行验证，情况如下：

表格6整机影响测试

根据相应的家用变频空调器性能试验要求和方法，各项对整机的影响都小于5%，满足预定设计目标。

5 结论

(1)本文设计了一种安装在家用空调的空气净化装置，能实现除尘、杀菌、除甲醛等空气净化的功能，具有效率高、安全可靠且成本较低的特点。

(2)对净化装置电压，集间距及电极厚度进行试验验证及分析，选定4500±300V电压，33mm的极间距以及19mm的集尘电极厚度。

(3)在选定方案下对整机进行性能，可靠性及整机影响验证。空气净化性能上实现除甲醛、除菌效率分别为：97.1%，83.18%、84.47%。可靠性试验和整机影响验证均满足要求。

参考文献:

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