基于烟囱效应的光热力耦合空气净化装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种空气净化领域的技术，具体是一种基于烟囱效应的光热力耦合空气净化装置及方法。

背景技术

现有利用空气净化过滤器对吸入空气进行过滤净化，但几乎都需要大量的电力驱动，采用聚光光伏电池的净化技术则由于季节差异，在光照时间较短时难以保证工作效率。

经过对现有技术检索发现，中国专利文献号CN105817082A公开日20160803，公开一种气体颗粒物无动力净化设备及气体颗粒物回收方法。该气体颗粒物无动力净化设备包括通风器和无动力净化装置；无动力净化装置包括吸附塔体和设置在吸附塔体内部的吸附滤芯；通风器与吸附塔体连接；吸附滤芯包括旋转轴和螺旋叶片；螺旋叶片与吸附塔体之间形成螺旋气道；旋转轴与吸附塔体连接，且旋转轴能够相对于吸附塔体自转；螺旋叶片采用过滤材料或者吸附材料。该气体颗粒物回收方法基于气体颗粒物无动力净化设备。但该技术中旋转的吸附滤芯无法吸附表面积小，吸能效率低。通过并未设计颗粒物处理装置，吸附的气体颗粒物已造成二次污染。

发明内容

本发明针对现有技术存在的二次污染的问题，提出一种基于烟囱效应的光热力耦合空气净化装置及方法，综合利用温差产生压差引发的自然对流、细条状出风口引发的伯努利原理，能够低能耗、快捷高效地净化空气且净化的空气符合人类生活安全标准，可实现紧凑化的新型空气净化结构、具有该结构的空气净化器和上述空气净化构造中使用的光催化剂组件。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于烟囱效应的光热力耦合空气净化装置，包括：定向光热供给单元以及依次设置于其上的空气净化单元和过滤吸附装置，其中：过滤吸附装置的两侧分别设有紫外光催化室，随后通过出气口将净化后的空气排入大气。

所述的定向光热供给单元包括：底座和设置于其表面的肋片。

所述的空气净化单元为两片或四片相同形状的亚克力板，该亚克力板交错间隙设置或依次榫卯嵌连并构成烟囱结构。

所述的过滤吸附装置包括：设置于空气净化单元顶部的至少一层滤网。

本发明涉及一种基于上述装置的光热力耦合空气净化方法，包括以下步骤：

步骤1)针对肋片结构的良好散热性能，通过带有肋片结构的散热板对空气净化管道入口出施加定向热激励指令。

所述的定向热激励指令是指：太阳热辐射作为激励热源，透过菲涅尔透镜聚焦在散热肋片中心，并通过散热肋片将热激励指令定向传输到空气净化管道中。

步骤2)依据定向热激励指令，对被动空气净化策略下的空气管道进行加热，在加热影响的区域内，管道内空气温度上升，与外界产生压强差，针对热激励的影响包括：

i)在光热供给单元在定向热激励指令作用下受到热量，该区域的空气温度升高，导致空气分子动能增加，从而增加空气分子的热运动速度和能量，使得空气分子之间更频繁地发生碰撞和扩散，从而使整个区域内的空气呈现较大的动力学运动，实现空气的热力转换；

ii)通过在空气净化管道的入口处使用带有肋片结构的散热板进行定向热激励指令，通过空气净化单元维持空气的定向运动，具体为：在入口出施加定向热激励指令，通过控制加热板的温度，使得入口区域的空气温度明显高于其他区域，从而产生温度梯度，该温度梯度引发自然对流现象，使得空气在管道中产生向上的定向运动。

步骤3)温度在空气加热管道内的局部不均匀性使得非均匀的温度场中，自然对流随着加热时间的推移变得越来越强烈，其中自然对流的产生源自于非均匀温度场中温度梯度的变化以及流固耦合界面的影响。

步骤4)流场均匀性的破环导致流体的密度发生变化，使底层空气密度变低，产生自下而上的定向运动，其中污浊空气的运动原理是由于热力耦合后流体自然对流对周围流体的推动作用，这也是实现空气净化系统中被动净化策略的基础。

通过实验观察到吸入的污染空气在收到不均匀热源加热时会产生向上的流动，对于不同热通量的热源产生不同的流量大小，这种流动性能充分验证本发明提出的净化策略可以实验空气净化系统的净化能力控制。

步骤5)环境吸入的污浊空气从交错布置空气净化单元的缝隙处吸入，被用以补充向上流动的空气，交错放置的空气净化管道空气净化单元侧面开设有多根条状缝隙，依据伯努原理进一步强化换气，一旦空气开始向上运动，补充空气便会从外界环境被不断吸入到空气净化通道中。根据伯努利原理，开有细槽的缝隙更易形成压强差，从大加大进气量，提升净化产量。

步骤6)污浊空气在空气流通管道中导流后，空气中的污染物会被有次序地先后净化，空气净化管道的出口以此连接过滤吸附装置，先是通过过滤吸附装置处理空气中体积较大的大型颗粒，使其在处理空间中浓度降至理想水平；

步骤7)过滤吸附装置的出口处连接紫外光催化室，最后处理细小至分子结构的空气污染物，通过光催化反应净化小型分子。

技术效果

本发明通过光热供给单元产生的热能，用肋片传热的方式将热能定向传输到空气净化管道中，热量带来温度的差异导致压差，将外部的污浊气体吸入空气净化管道中，在管道内部形成自然对流，以此实现对污染空气的被动吸收系统。交错放置的空气净化管道空气净化单元侧面开设有多根条状缝隙，依据伯努原理进一步强化换气。

与现有技术相比，本发明基于光热力耦合实现空气净化，利用太阳能作为能量激励源，能源利用率高，科学合理地解决空气净化系统供能问题。由于是被动净化策略，不需要外部能量输入或主动激励，自发地产生自然对流，系统工作稳定可靠，解决自动化空气净化的关键问题。空气净化管道的出口处逐级净化的方式先过滤大型颗粒，然后进行光催化反应净化小型分子，增加对不同尺度的空气污染颗粒的净化效率与能力。

本发明通过基于热力耦合的空气净化策略，进一步地减少空气净化系统供能原件的能量消耗问题，改进空气净化系统的进化策略，增加对于不同尺度的空气污染颗粒的净化效率与净化能力，基于温差的供热板增加空气净化系统与工作环境之间的信息交互量，同时，被动工作的工作原理取消空气净化器的开关问题，在不额外需要外界能耗的情况下加快对于空气净化系统的控制效率，并拓宽空气净化系统的工作时间。

附图说明

图1为本发明(a)结构示意图，(b)方法流程图；

图2为供能单元，即图1中定向光热供给单元1的结构示意图；

图3为空气净化管道，即图1中空气净化单元2的结构示意图；

图4为过滤室，即图1中过滤吸附床3和紫外光催化系统，即图1中紫外光催化室4的结构示意图；

图5为本发明数值验证(a)流入速度分布，(b)压强分布；

图中：定向光热供给单元1、空气净化单元2、过滤吸附装置3、紫外光催化室4。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种基于烟囱效应的光热力耦合空气净化装置，包括：定向光热供给单元1以及依次设置于其上的空气净化单元2和过滤吸附装置3，其中：过滤吸附装置3的两侧分别设有紫外光催化室4，随后通过出气口将净化后的空气排入大气。

如图2所示，所述的定向光热供给单元1包括：底座102和设置于其表面的肋片101，其中：用于传递热能实现定向热激励指令的加热的肋片101位于底座102的表面。

所述的肋片上的黑色涂层帮助吸收太阳热辐射，使其成为定向热激励指令的热源。肋片通过对流换热的方式将热能传递到空气净化管道中。

所述的底座102的底面设有绝缘涂层，以进一步强化定向热激励的效率。

所述的底座102的厚度与肋片101的高度一致，底座与肋片的结合设计稳固，并实现充分储能。

如图3所示，所述的空气净化单元2包括四片相同形状的亚克力板201，该亚克力板201依次榫卯嵌连并构成烟囱结构。

所述的亚克力板201的厚度为0.6cm，并侧面开设有0.6cm宽，5cm长的凹槽，通过两块亚克力板对应凹槽进行铆合，从而实现亚克力板的有效连接。

如图4所示，所述的过滤吸附装置3包括：设置于空气净化单元2顶部的多层滤网301。

所述的多层滤网301包括串联的MERV 7、MERV 10和MERV 14三种级别的滤网，实现有效过滤微米级颗粒，亚微米级颗粒以及纳米级颗粒。

所述的紫外光催化室4中设有锐钛矿型二氧化钛作为催化剂，该催化剂附着在孔板401上，在空气流经孔板时，孔板两侧设有两个紫外线LED灯，LED紫外灯4由灯条和固定在所述的灯条左右两侧的灯。

所述的灯条分别设置在孔板两侧，净化后的空气从紫外光催化室的出口排入大气。

经过具体实际实验，通过菲涅尔透镜聚焦太阳光，将其照射在地板上的散热肋片上。散热肋片位于空气净化管道的底部中心，并通过四个支撑点和底板固定在一起。实验的目标是利用太阳能启动基于烟囱效应的空气净化过程，从而源源不断地将空气鼓入过滤吸附室，完成空气的净化。

实验开始前进行环境配置，首先将空气净化管道和过滤吸附室放置在室内，并固定好。接着，将散热肋片放置在空气净化管道底部中心，并调整好菲涅尔透镜的位置和角度，使其能够接收到尽可能多的太阳光线，并将光线聚焦在散热肋片上。然后，启动实验装置，让太阳光线照射到菲涅尔透镜上，透过透镜的聚焦，将光线集中在散热肋片上。随着太阳光的照射，散热肋片会受热并将热能传递给空气净化管道。由于受热的空气产生上升的气流，

形成烟囱效应，空气被鼓入过滤吸附室，从而完成净化过程。

在实验过程中，记录温度数据，包括散热肋片、空气净化管道和过滤吸附室内部的温度变化。此外，还需要测量空气在空气净化管道中的流速数据，以评估烟囱效应的强弱，以评估空气净化效果。最后，记录太阳辐射数据，以计算太阳能的利用效率。实验数据在表1、表2中记录。

数值模拟通过提供对空气净化系统流动特性的解析，进一步分析其净化性能和原理。在这项研究中，对于管道内流体的特动特征模拟被用来估计空气流速和计算特征雷诺数，表明该空气净化系统工作时，空气在空气净化通道中的层流状态。结合能量方程来更准确地模拟系统，从而可以更准确地预测系统在不同输入能量场下的有效分析，并通过商业的计算流体力学软件ANSYS Fluent求解模拟。该研究对净化空气的流动模式等物理场进行详细分析，以解释特殊的空气净化策略并阐明其净化特性。数值模拟的结果在图5中展示，图5(a)展示空气净化管道流入气流的分布，观察到空气在管道缝隙附近形成两个涡流，涡流的产生使得管道内部出现一个低压的气体空穴，有利于外部空气流入管道内部；图5(b)则通过压力场的进一步分析表明，从外到内产生正压力梯度，增强了空气净化的有效性。

如表1所示，为光热供给单元在太阳光不同强度的持续照射下，散热片表面在十分钟之内产生的温度提升。可以发现，随着太阳光照射强度的增大，空气净化系统的热能供给模块中散热片的温升越高。

表1为图2中以太阳光为热激励源的吸热能力分析图；

表2为图3中热激励下空气净化管道出风口处产生的可净化空气流量。

在不同的热力驱动条件下，本发明提出的空气净化系统可以被动地调节空气净化量。在该空气净化器中，净化的空气净化量为出口处排入大气的空气流量，由于吸附过滤床与紫外光催化室为两封闭系统，空气净化器的流量与空气净化通道的出口流量一致，通过测试该出口流量可以判断空气净化能力。表2所示，为在不同太阳光照射下，空气净化系统的流量与太阳光照射强度呈正相关关系。同时实现高空气流通量的能力，这一效果在以往无外接输入能量的净化策略中，是绝无仅有的。本发明空气净化系统净化效率1.1米每秒，这一净化能力甚至比以前许多比许多电动驱动的空气净化系统都要好。同时，通过进一步强化供热模块的热能传输能力以及加热效率等方式，该空气净化策略可进一步增大空气净化效率，目前达到的空气净化能力还远不是极限。

本发明通过引入菲涅尔透镜来聚焦太阳光线，相比传统的依赖电力或燃料的空气净化系统，本发明利用太阳能作为主要能源源，无需消耗其他非可再生资源，从而大幅降低能源消耗成本，并在太阳光充足的条件下，实现持续稳定的运行。

其次，采用基于烟囱效应的空气净化过程，通过散热肋片的加热，形成自然对流，将空气源源不断鼓入过滤吸附室完成净化，无需使用机械风扇等设备，降低能源消耗和设备成本。此外，精确聚焦太阳光线的技术使得太阳能的利用效率得到提高，使装置运行所需的太阳能量更少，从而增强能源利用效率。值得强调的是，这种太阳能驱动的装置在运行过程中没有排放有害气体和污染物，与传统依赖燃烧能源的净化系统相比，大大降低环境污染和碳排放，更加环保和可持续。

综上所述，本发明通过采用菲涅尔透镜聚焦太阳光、基于烟囱效应的空气净化过程以及提高太阳能利用效率等新技术，实现能源消耗成本的降低、运行稳定性的提高，同时更加环保和可持续。这些性能指标的提升使得该装置在空气净化领域具有广阔的应用前景，尤其在追求节能环保的发展趋势下，该技术具有重要的意义和价值。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。