一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的方法及装置的制造方法
一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种降低空气悬浮颗粒物的方法及装置，尤其是对室内空气中的悬浮 颗粒物（如PM2. 5)，具体涉及利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的技术。
【背景技术】
[0002] 悬浮颗粒物PM (如PM2. 5, PM10)已经成为污染大气的主要原因，直接危害室内空 气品质，亟需发明新的室内悬浮颗粒物高效清除技术。利用滤网过滤室内空气中的悬浮颗 粒是当前空气洁净系统主要使用的悬浮颗粒物清除方法之一。在滤网的长期使用过程中， 滤网会积累从空气中过滤出的悬浮颗粒物，需要对滤网进行定期更换或清洁，如若所处环 境长期潮湿会使滤网滋生细菌进而带来新的室内空气污染问题，危害人们健康。水幕喷淋 空气可以使悬浮颗粒物和喷淋水滴表面接触并融合在悬浮水滴中，进而起到降低空气中悬 浮颗粒物的作用。悬浮水滴越小，单位消耗水量形成的悬浮水滴的总表面积越大，能够融合 吸收空气中悬浮颗粒物的含量就越多。由于水幕喷淋产生的悬浮小水滴数量和大小有限， 悬浮小水滴的尺寸不会太小，单位消耗水量形成的悬浮水滴的总表面积不会很大。如果要 增强悬浮颗粒物的清除效果则需要增加喷淋水量或者喷淋强度。前者会消耗过多的水量， 后者会消耗过多的机械功。另外，由于喷射的聚散性，使喷入空气中的水滴与空气的接触是 否均匀无法保证，不同位置的悬浮颗粒物清除效果差异明显，阻碍最佳清除效率的实现。由 于喷淋产生的小水滴会形成新的悬浮颗粒物，如果喷淋水源中的矿物含量过多，含有高浓 度矿物含量的悬浮水滴会导致加剧悬浮颗粒污染空气的新问题。滤网对悬浮颗粒物的过滤 以及水滴对悬浮颗粒物的融合都属于悬浮颗粒物的被动清除。
[0003] 一般而言，大气环境在降雨（如大雨暴雨等）后，空气中悬浮颗粒的数量会急剧减 少。在高空大气中，由于高湿度空气和冷空气相遇，空气中的水蒸气分子自发的以微小悬浮 颗粒物为凝结核自发的液化为小水滴。随着水蒸气液化的进一步进行，小水滴逐渐变为大 水滴，或者高空水滴之间的相互接触融合逐渐形成大水滴。形成的足够质量的大水滴在重 力的作用下，沉降在地面。一方面大气中的悬浮颗粒物以凝结核的形式随水滴降落在地面， 实现从空气中清除；另一方面，水滴在降落地面的过程中与空气中的悬浮颗粒物接触，接触 颗粒物和水滴融合，随水滴降落在地面，起到清除大气中悬浮颗粒物的作用。根据降雨后空 气中的悬浮颗粒物浓度明显降低并形成"优"的空气质量的特点，这种以"大气降雨"为模 式特征的空气悬浮颗粒物清除方法在清除空气中悬浮颗粒方面具有很大的优越性。
[0004] 当含有悬浮颗粒物的空气在具有温度梯度的驻波声场环境中运动时，悬浮颗粒物 受到布朗运动力、惯性力、重力、声力和温度梯度的综合作用。布朗运动、惯性、和重力对悬 浮颗粒的作用始终存在，不易调节控制；而声和温度梯度可以通过调节外部施加情况对悬 浮颗粒形成具有可控的定向驱动力，进而平衡悬浮颗粒受到的难以控制的其它作用力。在 合适的可控作用力和不可控的反作用力平衡后，悬浮颗粒可以在空气中定向运动。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用加湿冷凝结水 降低空气悬浮颗粒物的方法及装置，首先向污染空气中加水蒸气分子，再通过离散间隔的 工程降温，冷凝促进水蒸气分子液化结水以捕捉悬浮颗粒物，最后经声波和温度梯度的外 部作用促使小水滴长大并沉降，进而实现降低空气悬浮颗粒物。
[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] 一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的方法，污染空气R4中包括均匀混 合的水蒸气分子R1、悬浮颗粒物R2和洁净空气R3,对污染空气R4进行离散间隔的工程降 温，激发污染空气R4中的水蒸气分子R1以悬浮颗粒物R2为凝结核凝结为含有悬浮颗粒物 R2的水滴R5,水滴R5分为小水滴R51和大水滴R52,在外力R6作用下小水滴R51长大为大 水滴R52,在外力R6作用下大水滴R52从污染空气R4中分离出，形成洁净空气R3 ;外力R6 包括布朗运动力R61、惯性力R62、重力R63、声力R64和温度梯度R65的共同作用。
[0008] 一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的装置，包括引气机、升温加湿组件、 强声驻波促进凝结除水组件、升温加热组件、气管组件和保温材料；
[0009] 所述升温加湿组件包括升温加湿室、第一空气加热器、恒温液态水和水加热器，恒 温液态水置于升温加湿室内；第一空气加热器包括通过第一能量通道串联成回路的第一能 量供应源和第一表面加热器，其中第一表面加热器位于升温加湿室内，且位于恒温液态水 液面上方；水加热器包括通过第二能量通道串联成回路的第二能量供应源和第二表面加热 器，第二表面加热器位于升温加湿室内，且位于恒温液态水液面下方；
[0010] 所述强声驻波促进凝结除水组件包括强声驻波发生组件、冷却组件、保温层、透声 阻气隔水薄膜、蓄水池和水管；所述强声驻波发生组件包括声波导管、反射挡板、打孔隔板、 空腔、信号发生器和扬声器，信号发生器通过导线与扬声器相连；声波导管的右端设置有 打孔隔板，在声波导管的左端设置有反射挡板，透声阻气隔水薄膜设置在声波导管的波腹 或波节位置，通过透声阻气隔水薄膜将声波导管分成右声波导管和左声波导管两部分；打 孔隔板上设置有通孔，空腔的右端罩住通孔，扬声器的喇叭口罩住空腔的右端，打孔隔板、 空腔和扬声器组成与外界仅仅通过通孔连接的半封闭空间结构，该半封闭空间结构属于 Helmholtz共振器结构；所述冷却组件包括高热传导率填料、螺旋表冷盘管和冷源，螺旋表 冷盘管和冷源通过供冷通道串联成回路，螺旋表冷盘管螺旋间隔地围绕在左声波导管外壁 上，高热传导率填料覆盖在左声波导管外壁上、填充螺旋表冷盘管未覆盖的区域；所述高热 传导率填料的热阻满足围绕在左声波导管上的未覆盖螺旋盘管的水平截面区域内相邻螺 旋盘管之间的水平方向具有温度梯度；所述保温层包覆声波导管和空腔的整个外侧表面； 所述左声波导管的底部通过水管与蓄水池连通；所述声波导管水平放置；
[0011] 所述升温加热组件包括升温室和第三空气加热器，第三空气加热器包括通过第三 能量通道串联成回路的第三能量供应源和第三表面加热器，其中第三表面加热器位于升温 室内；
[0012] 所述气管组件包括连通引气机与室内的YS气管、连通升温加湿室与引气机的SY 气管、连通左声波导管与升温加湿室的ZS气管、连通升温室与左声波导管的SZ气管和连通 室内与升温室的SS气管；
[0013] 所述保温材料覆盖在气管组件、引气机、升温加湿室和升温室的外部；
[0014] 升温加湿室与SY气管连通的SS进气口高于恒温液态水的液面，升温加湿室与ZS 气管连通的SZ出气口高于恒温液态水的液面，液面的高度小于1/2倍升温加湿室的高度， 第一表面加热器底端的高度大于2倍液面的高度，第二表面加热器顶端的高度小于1/2倍 液面的高度，第一表面加热器的温度高于第二表面加热器的温度；声波导管的长度大于或 等于1/2驻波的波长，左声波导管与ZS气管相连的端口为ZZ进气口，ZZ进气口与透声阻 气隔水薄膜的距离小于1/2驻波的波长，左声波导管与SZ气管相连的端口为ZS出气口，ZS 出气口与反射挡板的距离小于1/2驻波的波长，透声阻气隔水薄膜与打孔隔板的距离大于 1/8驻波的波长且小于3/2驻波的波长，左声波导管的底部高于蓄水池的顶端。
[0015] 具体的，所述强声驻波发生组件中，所述导线、信号发生器和扬声器组成闭合回 路；所述声波导管、通孔和空腔均为圆柱形，所述通孔位于打孔隔板的中心，所述声波导管 的直径大于通孔的直径，所述声波导管的直径小于1/4驻波的波长，所述通孔的直径小于 空腔的直径；所述反射挡板、声波导管、打孔隔板、空腔和扬声器的中心在同一水平轴线上 依次串联组成封闭的声学共振腔体，在反射挡板、声波导管和打孔隔板形成的空间内产生 强声驻波；所述通孔、打孔隔板、空腔和扬声器组成的半封闭空间结构的共振频率&表达式 是：
[0017] 式中，c为声速，4为通孔的直径，1 "为通孔的长度，d t为空腔的直径，1 ,为空腔的 长度；
[0018] 所述通孔和空腔的长度和直径均小于驻波的波长；所述声波导管的某一阶共振频 率与共振频率f〇、信号发生器的输出信号频率、扬声器输出的声波的频率相等。
[0019] 有益效果：本发明提供的利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的方法及装置， 利用在离散间隔的冷却降温时，污染空气中混入的水蒸气分子以悬浮颗粒物为凝结核凝结 为小水滴，在外力作用下，悬浮颗粒物随着小水滴变为大水滴并 沉降，实现悬浮颗粒物从污 染空气中脱除，起到减少甚至完全清除空气中悬浮颗粒物的作用；本发明相对于现有技术， 具有如下优点：
[0020] 1、依靠气态水分子液化清除空气中悬浮颗粒的过程不需要滤网，整个装置可以用 如不锈钢、玻璃或有机玻璃制作，环境清洁，不存在使用滤网带来的问题；
[0021] 2、利用声驻波和温度梯度对悬浮颗粒物的可控定向迀移作用平衡悬浮颗粒物同 时受到的无规则的布朗运动、惯性和重力作用实现对空气中悬浮颗粒物的清除；
[0022] 3、离散间隔的工程降温在声波导管轴向产生的温度梯度使凝结强度沿轴线方向 形成起伏变化的离散分布，一方面避免高水烟气在靠近进口位置剧烈凝结产生的过多水滴 而形成的"近似隔声幕墙"对声驻波场的影响，另一方面在声波导管轴线方向进行近似均匀 的凝结过程使声波导管轴向整个空间内的声驻波近似同等程度的参与到凝结水滴的过程 中，提尚声驻波场的利用率；
[0023] 4、由于空气中的悬浮颗粒物、水蒸气分子均匀的分布在污染空气中，水蒸气分子 液化后形成的液滴数量多，总表面积大，初始液滴尺寸可以足够小，分布均匀，悬浮颗粒物 清除的效率非常高；
[0024] 5、由于声场的强化作用，小液滴向大液滴的转化更快，液滴形成更快，悬浮颗粒物 伴随液滴的沉降更快；
[0025] 6、采用表面蒸发对空气加湿，避免液态水直接被撕裂产生的小水滴进入空气进而 导致水中的矿物质进入空气形成新的悬浮颗粒污染源；
[0026] 7、利用Helmholtz共振器的对共振频率声波的声压放大作用，实现弱声波向强声 波的转变，实现利用小功率换能器也能产生高强度驻波的效果。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的方法流程示意图；
[0028] 图2是本发明的一种实施装置示意图；
[0029] 图3是本发明的一种实施装置的工艺过程示意图；
[0030] 图4是本发明的一种实施装置的简化工艺过程示意图；
[0031] 图5是本发明的一种实施装置的强声驻波发生组件示意图；
[0032] 图6是本发明的一种实施装置的声波导管示意图；
[0033] 图7是本发明的一种实施装置的冷却组件示意图；
[0034] 图8是本发明的一种实施装置的气管组件连接示意图；
[0035] 图9是本发明对污染空气进行去除悬浮颗粒物的空气处理过程的一个案例；
[0036] 图10是本发明对污染空气进行去除悬浮颗粒物的空气处理过程的一个修改案 例；
[0037] 图中：R1-水蒸气分子，R2-悬浮颗粒物，R3-洁净空气，R4-污染空气，R5-水滴， R51-小水滴，R52-大水滴，R6-外力，R61-布朗运动力，R62-惯性力，R63-重力，R64-声力， R65-温度梯度，R7-离散间隔的工程降温，R8-离散间隔的工程降温R7作用下水蒸气分子 R1以悬浮颗粒物R2为凝结核的凝结，R9-外力R6作用下小水滴R51向大水滴R52转变的 长大，R10-外力R6作用下大水滴R52和洁净空气R3的分离；
[0038] 1-引气机，2-升温加湿组件，21-升温加湿室，22-第一空气加热器，221-第一能量 供应源，222-第一能量通道，223-第一表面加热器，23-恒温液态水，24-水加热器，241-第 二能量供应源，242-第二能量通道，243-第二表面加热器，3-强声驻波促进凝结除水组件， 31-强声驻波发生组件，311-声波导管，3111-左声波导管，3112-右声波导管，312-反射挡 板，313-打孔隔板，314-通孔，315-空腔，316-导线，317-信号发生器，318-扬声器，32-冷 却组件，321-高热传导率填料，322-螺旋表冷盘管，323-冷源，324-供冷通道，33-保温层， 34-透声阻气隔水薄膜，35-蓄水池，36-水管，4-升温加热组件，41-升温室，42-第二空气 加热器，421-第三能量供应源，422-第三能量通道，423-第三表面加热器，5-室内，6-气管 组件，61-YS气管，62-SY气管，63-ZS气管，64-SZ气管，65-SS气管，71-SS进气口，72-SZ出 气口，73-ZZ进气口，74-ZS出气口，8-半封闭空间结构；
[0039] T1-低水污染空气，T2-高水污染空气，T3-低温洁净空气，T4-加热升温，T5-蒸发 加湿，T6-离散间隔的冷却降温，T7-驻波对小水滴的加速形成和变大作用，T8-外部热源对 低温洁净空气T3的加热升温；
[0040] S1-从室内5引入低水污染空气Tl，S2-低水污染空气T1经加热升温T4和蒸发 加湿T5后成为高水污染空气T2, S3-高水污染空气T2在强驻波环境中经离散间隔的冷却 降温T6后成为低温洁净空气T3, S4-低温洁净空气T3经加热升温T4、当温度与室内空气 温度相当后送回室内5。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0042] 如图1所示为一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的方法，污染空气R4中 包括均匀混合的水蒸气分子R1、悬浮颗粒物R2和洁净空气R3,对污染空气R4进行离散间 隔的工程降温，激发污染空气R4中的水蒸气分子R1以悬浮颗粒物R2为凝结核凝结为含有 悬浮颗粒物R2的水滴R5,水滴R5分为小水滴R51和大水滴R52,在外力R6作用下小水滴 R51长大为大水滴R52,在外力R6作用下大水滴R52从污染空气R4中分离出，形成洁净空 气R3 ;外力R6包括布朗运动力R61、惯性力R62、重力R63、声力R64和温度梯度R65的共同 作用。
[0043] 如图2所示为一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的装置，包括引气机1、 升温加湿组件2、强声驻波促进凝结除水组件3、升温加热组件4、气管组件6和保温材料。
[0044] 所述升温加湿组件2包括升温加湿室21、第一空气加热器22、恒温液态水23和水 加热器24,恒温液态水23置于升温加湿室21内；第一空气加热器22包括通过第一能量通 道222串联成回路的第一能量供应源221和第一表面加热器223,其中第一表面加热器223 位于升温加湿室21内，且位于恒温液态水23液面231上方；水加热器24包括通过第二能 量通道242串联成回路的第二能量供应源241和第二表面加热器243,第二表面加热器243 位于升温加湿室21内，且位于恒温液态水23液面231下方。
[0045] 如图5、图6和图7所示，所述强声驻波促进凝结除水组件3包括强声驻波发生组 件31、冷却组件32、保温层33、透声阻气隔水薄膜34、蓄水池35和水管36 ;所述强声驻波 发生组件31包括声波导管311、反射挡板312、打孔隔板313、空腔315、信号发生器317和 扬声器318,信号发生器317通过导线316与扬声器318相连；声波导管311的右端设置有 打孔隔板313,在声波导管311的左端设置有反射挡板312,透声阻气隔水薄膜34设置在声 波导管311的波腹或波节位置，通过透声阻气隔水薄膜34将声波导管311分成右声波导管 3112和左声波导管3111两部分；打孔隔板313上设置有通孔314,空腔315的右端罩住通 孔314,扬声器318的喇叭口罩住空腔315的右端，打孔隔板313、空腔315和扬声器318组 成与外界仅仅通过通孔314连接的半封闭空间结构8,该半封闭空间结构8属于Helmholtz 共振器结构；所述冷却组件32包括高热传导率填料321、螺旋表冷盘管322和冷源323,螺 旋表冷盘管322和冷源323通过供冷通道324串联成回路，螺旋表冷盘管322螺旋间隔地 围绕在左声波导管3111外壁上，高热传导率填料321覆盖在左声波导管3111外壁上、填 充螺旋表冷盘管322未覆盖的区域；所述高热传导率填料321的热阻满足围绕在左声波导 管3111上的未覆盖螺旋盘管322的水平截面区域内的相邻螺旋盘管之间的水平方向具有 温度梯度；所述保温层33包覆声波导管311和空腔315的整个外侧表面；所述左声波导管 3111的底部通过水管36与蓄水池35连通；所述声波导管311水平放置。
[0046] 所述升温加热组件4包括升温室41和第三空气加热器42,第三空气加热器42包 括通过第三能量通道422串联成回路的第三能量供应源421和第三表面加热器423，其中第 三表面加热器423位于升温室41内。
[0047] 如图8所示，所述气管组件6包括连通引气机1与室内5的YS气管61、连通升温 加湿室21与引气机1的SY气管62、连通左声波导管3111与升温加湿室21的ZS气管63、 连通升温室4 1与左声波导管3111的SZ气管64和连通室内5与升温室41的SS气管65。
[0048] 所述保温材料覆盖在气管组件6、引气机1、升温加湿室21和升温室41的外部。
[0049] 升温加湿室21与SY气管62连通的SS进气口 71高于恒温液态水23的液面231， 升温加湿室21与ZS气管63连通的SZ出气口 72高于恒温液态水23的液面231，液面231 的高度小于1/2倍升温加湿室21的高度，第一表面加热器223底端的高度大于2倍液面231 的高度，第二表面加热器243顶端的高度小于1/2倍液面231的高度，第一表面加热器223 的温度高于第二表面加热器243的温度；声波导管311的长度大于或等于1/2驻波的波长， 左声波导管3111与ZS气管63相连的端口为ZZ进气口 73, ZZ进气口 73与透声阻气隔水 薄膜34的距离小于1/2驻波的波长，左声波导管3111与SZ气管64相连的端口为ZS出气 口 74, ZS出气口 74与反射挡板312的距离小于1/2驻波的波长，透声阻气隔水薄膜34与 打孔隔板313的距离大于1/8驻波的波长且小于3/2驻波的波长，左声波导管3111的底部 高于蓄水池35的顶端。
[0050] 所述第一能量供应源221、第二能量供应源241、第三能量供应源421可以用电加 热实现。
[0051] 所述强声驻波发生组件31中，所述导线316、信号发生器317和扬声器318组成 闭合回路；所述声波导管311、通孔314和空腔315均为圆柱形，所述通孔314位于打孔隔 板313的中心，所述声波导管311的直径大于通孔314的直径，所述声波导管311的直径小 于1/4驻波的波长，所述通孔314的直径小于空腔315的直径；所述反射挡板312、声波导 管311、打孔隔板313、空腔315和扬声器318的中心在同一水平轴线上依次串联组成封闭 的声学共振腔体，在反射挡板317、声波导管311和打孔隔板313形成的空间内产生强声驻 波；所述通孔314、打孔隔板313、空腔315和扬声器318组成的半封闭空间结构8的共振频 率fo表达式是：
[0053] 式中，c为声速，dn为通孔314的直径，1 n为通孔314的长度，dt为空腔315的直 径，lt为空腔315的长度；
[0054] 所述通孔314和空腔315的长度和直径均小于驻波的波长；所述声波导管311的 某一阶共振频率与共振频率f〇、信号发生器317的输出信号频率、扬声器318输出的声波的 频率相等。
[0055] 强声驻波产生的过程及原理是：扬声器318产生的小振幅声波驱动半封闭空间结 构8中的空气同步膨胀/收缩振动，使通孔314内的空气柱产生强烈往复运动，向声波导管 3111辐射大振幅声波，在反射挡板312和打孔隔板313之间的声波导管311内产生强声驻 波。
[0056] 如图3所示，为利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的工艺过程，其中：T1表示 被悬浮颗粒物R2污染后具有较高悬浮颗粒物浓度和低水蒸气分子含量的低水污染空气， T2表示高水蒸气分子含量、高温和高悬浮颗粒物浓度的高水污染空气，T3表示低水蒸气分 子含量、低温和低悬浮颗粒物浓度的低温洁净空气，T4表示对低水污染空气T1进行加热升 温，T5表示通过加热液态水使液态水表面蒸发实现对低水污染空气T1的蒸发加湿，T6表示 外部冷源对高水污染空气T4的离散间隔的冷却降温，T7表示驻波对小水滴的加速形成和 变大作用，T8表示外部热源对低温洁净空气17的加热升温。
[0057] 如图4所示，为利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的简易工艺过程，其中：S1 表示从室内5引入低水污染空气T1 ;S2表示低水污染空气T1经加热升温T4和蒸发加湿T5 后成为高水污染空气T2 ;S3表示高水污染空气T2在强驻波环境中经离散间隔的冷却降温 T6后成为低温洁净空气T3,在低温条件下高水污染空气T2中的水蒸气分子以悬浮颗粒物 为凝结核凝结为小水滴，通过驻波对小水滴的加速形成和变大作用T7形成大水滴，沉降在 左声波导管3111的内表面上，流入蓄水池35内；S4表示低温洁净空气T3经加热升温T4， 当温度与室内空气温度相当后送回室内5。其中，加热升温T2的方式是干式间接接触加热， 蒸发加湿T3的方式是低于沸腾温度的高温水的液面蒸发。
[0058] 基于以上描述，本发明利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的实施过程及原理 为：对于悬浮颗粒物R2均匀分布在洁净空气R3中的被悬浮颗粒物污染的低水污染空气 T1，经S1过程引入具有较高悬浮颗粒物浓度的低水污染空气T1，经S2过程加热升温T4和 以液态水液面蒸发的蒸发加湿T5向低水污染空气T1中加入大量水蒸气分子R1，形成高水 蒸气分子含量、高温、高悬浮颗粒物浓度的高水污染空气T2,经S3过程中的离散间隔的冷 却降温T6,在声波导管轴向产生离散分布的温度梯度，形成沿轴线方向起伏变化的凝结强 度，一方面，高水污染空气T2中均匀分布的水蒸气分子以均匀分布在高水污染空气T2的悬 浮颗粒物为凝结核自发凝结为均匀分布在高水污染空气T2中的悬浮的小水滴R51，组成总 表面积很大的大量悬浮小水滴，充分接触融合未被水蒸气凝结的悬浮颗粒物，增加悬浮小 水滴中的悬浮颗粒物，减少高水污染空气T2中的悬浮颗粒物，同时随着凝结的连续进行悬 浮小水滴逐渐变大，悬浮小水滴之间相互接触融合为悬浮的大水滴，足够质量的悬浮大水 滴R52在重力的作用下进行朝向声波导管壁面沉降的定向运动，并且在沉降过程中接触并 融合未被水蒸气分子凝结的悬浮颗粒物和其它悬浮水滴，另一方面，在强驻波声场的作用 下，驻波场内空气的声压空间分布的大小差异带来温度大小差异，加速水蒸气分子以悬浮 颗粒物为凝结核的自发凝结过程，声辐射力对空气中的气体分子、悬浮颗粒物、悬浮水滴产 生定向迀移作用，水蒸气分子和悬浮颗粒物的接触机会增加，水蒸气分子围绕悬浮颗粒物 的凝结速率增加，大小悬浮水滴之间的接触融合机会增多，悬浮水滴和未被水蒸气凝结的 悬浮颗粒物之间的接触融合机会增多，水滴变大和沉降在声波导管壁面的速度加快，同时， 温度梯度的存在能使空气中的气体分子、悬浮颗粒物、悬浮水滴受到从高温到低温或从低 温到高温的定向驱动力并产生相应的迀移和清除作用，进一步全方位的加速清除引入污染 空气中的悬浮颗粒物。
[0059] 如图9所示为上述过程的空气处理的一个案例，对于常压条件下表测温度为16°C 相对湿度为45%的室内污染空气（对应空气状态点为：室内点）在升温加湿室21内进行升 温加湿（对应空气处理过程为：先由室内点指向等湿点，再由等湿点指向加湿点的过程）， 达到表测温度40°C相对湿度为85%(对应空气状态点为：加湿点）后，进入产生的最大声 压为80Pa的左声波导管3111内进行等效冷却温度为4°C(对应空气状态点为：除湿点）的 急剧降温（对应空气处理过程为：由加湿点指向除湿点的过程），水蒸气分子液化形成和长 大的大水滴伴随悬浮颗粒沉降在声波导管内壁面后经水管36进入蓄水池35,形成的低温 洁净空气T3在升温室41内加热到16°C(对应空气处理过程为：由除湿点指向室内点的过 程）后送回室内。
[0060] 如图10所示为上述过程的空气处理的一个案例的修改案例，对于常压条件下表 测温度为16°c相对湿度为45%的室内污染空气（对应空气状态点为：室内点）在升温加湿 室21 (第一表面加热器223的温度为40°C，第二表面加热器243的温度为35°C )内进行升 温加湿（对应空气处理过程为：先由室内点指向等湿点，再由等湿点指向加湿点的过程）， 达到表测温度40°C相对湿度为85% (对应空气状态点为：加湿点）后，进入产生的最大声 压为80Pa的左声波导管3111内进行等效冷却温度为10°C (对应空气状态点为：除湿点） 的急剧降温（对应空气处理过程为：由加湿点指向除湿点的过程），水蒸气分子液化形成 和长大的大水滴伴随悬浮颗粒沉降在声波导管内壁面后经水管36进入蓄水池35,形成的 l〇°C低温洁净空气T3经等焓减湿过程（对应空气处理过程为：由除湿点指向室内点的过 程）温度达到16°C后送回室内；所述等焓减湿过程代替了在升温室41中的加热过程。
[0061] 为了减少能量损失，提高能量利用率，上述所述第一能量供应源221、第二能量供 应源241或第三能量供应源421的一部分能量来源可用冷源323的一部分能量代替，即利 用现有的回热处理技术。
[0062] 为了减少能量损失，提高能量利用率，上述所述第一能量供应源221、第二能量供 应源241、第三能量供应源421和冷源323可以用制冷机组或热泵机组产生的冷热源代替， 也可以用工业或生活中的"废热"和"废冷"代替。
[0063] 为了在S2过程中产生尽 可能多的水蒸气分子，可以对升温加湿室21实施减压系 统，降低液态水的沸点温度，减小液态水表面的水分子进入空气的阻力，使更多的水蒸气分 子从液态水进入空气。
[0064] 为了在S3过程中产生尽可能多的水滴，可以对声波导管实施增压系统，使更多的 水蒸气分子凝结为水滴。
[0065] 上述所述利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的技术同样适用于针对工业及 燃烧排放废气的悬浮颗粒物清除。比如，首先对燃烧产生的烟气进行增加水蒸气分子的处 理过程，再经离散间隔的冷却降温促进结水系统和液态水收集系统后，起到构成以"大气降 雨"为模式特征的高效清除烟气中悬浮颗粒物的方法。
[0066] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的方法，其特征在于：污染空气R4中包 括均匀混合的水蒸气分子R1、悬浮颗粒物R2和洁净空气R3,对污染空气R4进行离散间隔 的工程降温，激发污染空气R4中的水蒸气分子R1以悬浮颗粒物R2为凝结核凝结为含有悬 浮颗粒物R2的水滴R5,水滴R5分为小水滴R51和大水滴R52,在外力R6作用下小水滴R51 长大为大水滴R52,在外力R6作用下大水滴R52从污染空气R4中分离出，形成洁净空气R3 ; 外力R6包括布朗运动力R61、惯性力R62、重力R63、声力R64和温度梯度R65的共同作用。2. -种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的装置，其特征在于：包括引气机（1)、 升温加湿组件（2)、强声驻波促进凝结除水组件（3)、升温加热组件（4)、气管组件（6)和保 温材料； 所述升温加湿组件（2)包括升温加湿室（21)、第一空气加热器（22)、恒温液态水（23) 和水加热器（24)，恒温液态水（23)置于升温加湿室（21)内；第一空气加热器（22)包括通 过第一能量通道（222)串联成回路的第一能量供应源（221)和第一表面加热器（223)，其 中第一表面加热器（223)位于升温加湿室（21)内，且位于恒温液态水（23)液面（231)上 方；水加热器（24)包括通过第二能量通道（242)串联成回路的第二能量供应源（241)和第 二表面加热器（243)，第二表面加热器（243)位于升温加湿室（21)内，且位于恒温液态水 (23)液面（231)下方； 所述强声驻波促进凝结除水组件（3)包括强声驻波发生组件（31)、冷却组件（32)、保 温层（33)、透声阻气隔水薄膜（34)、蓄水池（35)和水管（36);所述强声驻波发生组件（31) 包括声波导管（311)、反射挡板（312)、打孔隔板（313)、空腔（315)、信号发生器（317)和扬 声器（318)，信号发生器（317)通过导线（316)与扬声器（318)相连；声波导管（311)的右 端设置有打孔隔板（313)，在声波导管（311)的左端设置有反射挡板（312)，透声阻气隔水 薄膜（34)设置在声波导管（311)的波腹或波节位置，通过透声阻气隔水薄膜（34)将声波 导管（311)分成右声波导管（3112)和左声波导管（3111)两部分；打孔隔板（313)上设置 有通孔（314)，空腔（315)的右端罩住通孔（314)，扬声器（318)的喇叭口罩住空腔（315) 的右端，打孔隔板（313)、空腔（315)和扬声器（318)组成与外界仅仅通过通孔（314)连接 的半封闭空间结构（8)，该半封闭空间结构（8)属于Helmholtz共振器结构；所述冷却组件 (32)包括高热传导率填料（321)、螺旋表冷盘管（322)和冷源（323)，螺旋表冷盘管（322) 和冷源（323)通过供冷通道（324)串联成回路，螺旋表冷盘管（322)螺旋间隔地围绕在左 声波导管（3111)外壁上，高热传导率填料（321)覆盖在左声波导管（3111)外壁上、填充螺 旋表冷盘管（322)未覆盖的区域；所述高热传导率填料（321)的热阻满足围绕在左声波导 管（3111)上的未覆盖螺旋盘管的水平截面区域内的相邻螺旋盘管之间的水平方向具有温 度梯度；所述保温层（33)包覆声波导管（311)和空腔（315)的整个外侧表面；所述左声波 导管（3111)的底部通过水管（36)与蓄水池（35)连通；所述声波导管（311)水平放置； 所述升温加热组件（4)包括升温室（41)和第三空气加热器（42)，第三空气加热器 (42)包括通过第三能量通道（422)串联成回路的第三能量供应源（421)和第三表面加热器 (423)，其中第三表面加热器（423)位于升温室（41)内； 所述气管组件（6)包括连通引气机（1)与室内（5)的YS气管（61)、连通升温加湿室 (21)与引气机（1)的SY气管（62)、连通左声波导管（3111)与升温加湿室（21)的ZS气 管（63)、连通升温室（41)与左声波导管（3111)的SZ气管（64)和连通室内（5)与升温室 (41)的SS气管（65); 所述保温材料覆盖在气管组件（6)、引气机（1)、升温加湿室（21)和升温室（41)的外 部； 升温加湿室（21)与SY气管（62)连通的SS进气口（71)高于恒温液态水（23)的液面 (231)，升温加湿室（21)与ZS气管（63)连通的SZ出气口（72)高于恒温液态水（23)的液 面（231)，液面（231)的高度小于1/2倍升温加湿室（21)的高度，第一表面加热器（223)底 端的高度大于2倍液面（231)的高度，第二表面加热器（243)顶端的高度小于1/2倍液面 (231)的高度，第一表面加热器（223)的温度高于第二表面加热器（243)的温度；声波导管 (311)的长度大于或等于1/2驻波的波长，左声波导管（3111)与ZS气管（63)相连的端口 为ZZ进气口（73)，ZZ进气口（73)与透声阻气隔水薄膜（34)的距离小于1/2驻波的波长， 左声波导管（3111)与SZ气管（64)相连的端口为ZS出气口（74)，ZS出气口（74)与反射 挡板（312)的距离小于1/2驻波的波长，透声阻气隔水薄膜（34)与打孔隔板（313)的距离 大于1/8驻波的波长且小于3/2驻波的波长，左声波导管（3111)的底部高于蓄水池（35) 的顶端。3.根据权利要求2所述的利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的装置，其特征在 于：所述强声驻波发生组件（31)中，所述导线（316)、信号发生器（317)和扬声器（318)组 成闭合回路；所述声波导管（311)、通孔（314)和空腔（315)均为圆柱形，所述通孔（314)位 于打孔隔板（313)的中心，所述声波导管（311)的直径大于通孔（314)的直径，所述声波导 管（311)的直径小于1/4驻波的波长，所述通孔（314)的直径小于空腔（315)的直径；所述 反射挡板（312)、声波导管（311)、打孔隔板（313)、空腔（315)和扬声器（318)的中心在同 一水平轴线上依次串联组成封闭的声学共振腔体，在反射挡板（317)、声波导管（311)和打 孔隔板（313)形成的空间内产生强声驻波；所述通孔（314)、打孔隔板（313)、空腔（315)和 扬声器（318)组成的半封闭空间结构⑶的共振频率&表达式是：式中，c为声速，dn为通孔（314)的直径，ln为通孔（314)的长度，dt为空腔（315)的 直径，lt为空腔（315)的长度； 所述通孔（314)和空腔（315)的长度和直径均小于驻波的波长；所述声波导管（311) 的某一阶共振频率与共振频率f〇、信号发生器（317)的输出信号频率、扬声器（318)输出的 声波的频率相等。
【专利摘要】本发明公开了一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的方法及装置，污染空气中包括均匀混合的水蒸气分子、悬浮颗粒物和洁净空气，对污染空气进行离散间隔的工程降温，激发污染空气中的水蒸气分子以悬浮颗粒物为凝结核凝结为含有悬浮颗粒物的水滴，水滴分为小水滴和大水滴，在外力作用下小水滴长大为大水滴，在外力作用下大水滴从污染空气中分离出，形成洁净空气。由于空气中的悬浮颗粒物、水蒸气分子均匀的分布在污染空气中，水蒸气分子液化后形成的液滴数量多，总表面积大，初始液滴尺寸可以足够小，分布均匀，悬浮颗粒物清除的效率非常高。
【IPC分类】B01D51/10, B01D51/08, B01D45/04, B01D45/02
【公开号】CN104906913
【申请号】CN201510183767
【发明人】黄亚继, 乔正辉, 董卫, 程梅
【申请人】东南大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年4月17日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种降低空气悬浮颗粒物的方法及装置，尤其是对室内空气中的悬浮 颗粒物（如PM2. 5)，具体涉及利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的技术。
【背景技术】
[0002] 悬浮颗粒物PM (如PM2. 5, PM10)已经成为污染大气的主要原因，直接危害室内空 气品质，亟需发明新的室内悬浮颗粒物高效清除技术。利用滤网过滤室内空气中的悬浮颗 粒是当前空气洁净系统主要使用的悬浮颗粒物清除方法之一。在滤网的长期使用过程中， 滤网会积累从空气中过滤出的悬浮颗粒物，需要对滤网进行定期更换或清洁，如若所处环 境长期潮湿会使滤网滋生细菌进而带来新的室内空气污染问题，危害人们健康。水幕喷淋 空气可以使悬浮颗粒物和喷淋水滴表面接触并融合在悬浮水滴中，进而起到降低空气中悬 浮颗粒物的作用。悬浮水滴越小，单位消耗水量形成的悬浮水滴的总表面积越大，能够融合 吸收空气中悬浮颗粒物的含量就越多。由于水幕喷淋产生的悬浮小水滴数量和大小有限， 悬浮小水滴的尺寸不会太小，单位消耗水量形成的悬浮水滴的总表面积不会很大。如果要 增强悬浮颗粒物的清除效果则需要增加喷淋水量或者喷淋强度。前者会消耗过多的水量， 后者会消耗过多的机械功。另外，由于喷射的聚散性，使喷入空气中的水滴与空气的接触是 否均匀无法保证，不同位置的悬浮颗粒物清除效果差异明显，阻碍最佳清除效率的实现。由 于喷淋产生的小水滴会形成新的悬浮颗粒物，如果喷淋水源中的矿物含量过多，含有高浓 度矿物含量的悬浮水滴会导致加剧悬浮颗粒污染空气的新问题。滤网对悬浮颗粒物的过滤 以及水滴对悬浮颗粒物的融合都属于悬浮颗粒物的被动清除。
[0003] 一般而言，大气环境在降雨（如大雨暴雨等）后，空气中悬浮颗粒的数量会急剧减 少。在高空大气中，由于高湿度空气和冷空气相遇，空气中的水蒸气分子自发的以微小悬浮 颗粒物为凝结核自发的液化为小水滴。随着水蒸气液化的进一步进行，小水滴逐渐变为大 水滴，或者高空水滴之间的相互接触融合逐渐形成大水滴。形成的足够质量的大水滴在重 力的作用下，沉降在地面。一方面大气中的悬浮颗粒物以凝结核的形式随水滴降落在地面， 实现从空气中清除；另一方面，水滴在降落地面的过程中与空气中的悬浮颗粒物接触，接触 颗粒物和水滴融合，随水滴降落在地面，起到清除大气中悬浮颗粒物的作用。根据降雨后空 气中的悬浮颗粒物浓度明显降低并形成"优"的空气质量的特点，这种以"大气降雨"为模 式特征的空气悬浮颗粒物清除方法在清除空气中悬浮颗粒方面具有很大的优越性。
[0004] 当含有悬浮颗粒物的空气在具有温度梯度的驻波声场环境中运动时，悬浮颗粒物 受到布朗运动力、惯性力、重力、声力和温度梯度的综合作用。布朗运动、惯性、和重力对悬 浮颗粒的作用始终存在，不易调节控制；而声和温度梯度可以通过调节外部施加情况对悬 浮颗粒形成具有可控的定向驱动力，进而平衡悬浮颗粒受到的难以控制的其它作用力。在 合适的可控作用力和不可控的反作用力平衡后，悬浮颗粒可以在空气中定向运动。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用加湿冷凝结水 降低空气悬浮颗粒物的方法及装置，首先向污染空气中加水蒸气分子，再通过离散间隔的 工程降温，冷凝促进水蒸气分子液化结水以捕捉悬浮颗粒物，最后经声波和温度梯度的外 部作用促使小水滴长大并沉降，进而实现降低空气悬浮颗粒物。
[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] 一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的方法，污染空气R4中包括均匀混 合的水蒸气分子R1、悬浮颗粒物R2和洁净空气R3,对污染空气R4进行离散间隔的工程降 温，激发污染空气R4中的水蒸气分子R1以悬浮颗粒物R2为凝结核凝结为含有悬浮颗粒物 R2的水滴R5,水滴R5分为小水滴R51和大水滴R52,在外力R6作用下小水滴R51长大为大 水滴R52,在外力R6作用下大水滴R52从污染空气R4中分离出，形成洁净空气R3 ;外力R6 包括布朗运动力R61、惯性力R62、重力R63、声力R64和温度梯度R65的共同作用。
[0008] 一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的装置，包括引气机、升温加湿组件、 强声驻波促进凝结除水组件、升温加热组件、气管组件和保温材料；
[0009] 所述升温加湿组件包括升温加湿室、第一空气加热器、恒温液态水和水加热器，恒 温液态水置于升温加湿室内；第一空气加热器包括通过第一能量通道串联成回路的第一能 量供应源和第一表面加热器，其中第一表面加热器位于升温加湿室内，且位于恒温液态水 液面上方；水加热器包括通过第二能量通道串联成回路的第二能量供应源和第二表面加热 器，第二表面加热器位于升温加湿室内，且位于恒温液态水液面下方；
[0010] 所述强声驻波促进凝结除水组件包括强声驻波发生组件、冷却组件、保温层、透声 阻气隔水薄膜、蓄水池和水管；所述强声驻波发生组件包括声波导管、反射挡板、打孔隔板、 空腔、信号发生器和扬声器，信号发生器通过导线与扬声器相连；声波导管的右端设置有 打孔隔板，在声波导管的左端设置有反射挡板，透声阻气隔水薄膜设置在声波导管的波腹 或波节位置，通过透声阻气隔水薄膜将声波导管分成右声波导管和左声波导管两部分；打 孔隔板上设置有通孔，空腔的右端罩住通孔，扬声器的喇叭口罩住空腔的右端，打孔隔板、 空腔和扬声器组成与外界仅仅通过通孔连接的半封闭空间结构，该半封闭空间结构属于 Helmholtz共振器结构；所述冷却组件包括高热传导率填料、螺旋表冷盘管和冷源，螺旋表 冷盘管和冷源通过供冷通道串联成回路，螺旋表冷盘管螺旋间隔地围绕在左声波导管外壁 上，高热传导率填料覆盖在左声波导管外壁上、填充螺旋表冷盘管未覆盖的区域；所述高热 传导率填料的热阻满足围绕在左声波导管上的未覆盖螺旋盘管的水平截面区域内相邻螺 旋盘管之间的水平方向具有温度梯度；所述保温层包覆声波导管和空腔的整个外侧表面； 所述左声波导管的底部通过水管与蓄水池连通；所述声波导管水平放置；
[0011] 所述升温加热组件包括升温室和第三空气加热器，第三空气加热器包括通过第三 能量通道串联成回路的第三能量供应源和第三表面加热器，其中第三表面加热器位于升温 室内；
[0012] 所述气管组件包括连通引气机与室内的YS气管、连通升温加湿室与引气机的SY 气管、连通左声波导管与升温加湿室的ZS气管、连通升温室与左声波导管的SZ气管和连通 室内与升温室的SS气管；
[0013] 所述保温材料覆盖在气管组件、引气机、升温加湿室和升温室的外部；
[0014] 升温加湿室与SY气管连通的SS进气口高于恒温液态水的液面，升温加湿室与ZS 气管连通的SZ出气口高于恒温液态水的液面，液面的高度小于1/2倍升温加湿室的高度， 第一表面加热器底端的高度大于2倍液面的高度，第二表面加热器顶端的高度小于1/2倍 液面的高度，第一表面加热器的温度高于第二表面加热器的温度；声波导管的长度大于或 等于1/2驻波的波长，左声波导管与ZS气管相连的端口为ZZ进气口，ZZ进气口与透声阻 气隔水薄膜的距离小于1/2驻波的波长，左声波导管与SZ气管相连的端口为ZS出气口，ZS 出气口与反射挡板的距离小于1/2驻波的波长，透声阻气隔水薄膜与打孔隔板的距离大于 1/8驻波的波长且小于3/2驻波的波长，左声波导管的底部高于蓄水池的顶端。
[0015] 具体的，所述强声驻波发生组件中，所述导线、信号发生器和扬声器组成闭合回 路；所述声波导管、通孔和空腔均为圆柱形，所述通孔位于打孔隔板的中心，所述声波导管 的直径大于通孔的直径，所述声波导管的直径小于1/4驻波的波长，所述通孔的直径小于 空腔的直径；所述反射挡板、声波导管、打孔隔板、空腔和扬声器的中心在同一水平轴线上 依次串联组成封闭的声学共振腔体，在反射挡板、声波导管和打孔隔板形成的空间内产生 强声驻波；所述通孔、打孔隔板、空腔和扬声器组成的半封闭空间结构的共振频率&表达式 是：
[0017] 式中，c为声速，4为通孔的直径，1 "为通孔的长度，d t为空腔的直径，1 ,为空腔的 长度；
[0018] 所述通孔和空腔的长度和直径均小于驻波的波长；所述声波导管的某一阶共振频 率与共振频率f〇、信号发生器的输出信号频率、扬声器输出的声波的频率相等。
[0019] 有益效果：本发明提供的利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的方法及装置， 利用在离散间隔的冷却降温时，污染空气中混入的水蒸气分子以悬浮颗粒物为凝结核凝结 为小水滴，在外力作用下，悬浮颗粒物随着小水滴变为大水滴并 沉降，实现悬浮颗粒物从污 染空气中脱除，起到减少甚至完全清除空气中悬浮颗粒物的作用；本发明相对于现有技术， 具有如下优点：
[0020] 1、依靠气态水分子液化清除空气中悬浮颗粒的过程不需要滤网，整个装置可以用 如不锈钢、玻璃或有机玻璃制作，环境清洁，不存在使用滤网带来的问题；
[0021] 2、利用声驻波和温度梯度对悬浮颗粒物的可控定向迀移作用平衡悬浮颗粒物同 时受到的无规则的布朗运动、惯性和重力作用实现对空气中悬浮颗粒物的清除；
[0022] 3、离散间隔的工程降温在声波导管轴向产生的温度梯度使凝结强度沿轴线方向 形成起伏变化的离散分布，一方面避免高水烟气在靠近进口位置剧烈凝结产生的过多水滴 而形成的"近似隔声幕墙"对声驻波场的影响，另一方面在声波导管轴线方向进行近似均匀 的凝结过程使声波导管轴向整个空间内的声驻波近似同等程度的参与到凝结水滴的过程 中，提尚声驻波场的利用率；
[0023] 4、由于空气中的悬浮颗粒物、水蒸气分子均匀的分布在污染空气中，水蒸气分子 液化后形成的液滴数量多，总表面积大，初始液滴尺寸可以足够小，分布均匀，悬浮颗粒物 清除的效率非常高；
[0024] 5、由于声场的强化作用，小液滴向大液滴的转化更快，液滴形成更快，悬浮颗粒物 伴随液滴的沉降更快；
[0025] 6、采用表面蒸发对空气加湿，避免液态水直接被撕裂产生的小水滴进入空气进而 导致水中的矿物质进入空气形成新的悬浮颗粒污染源；
[0026] 7、利用Helmholtz共振器的对共振频率声波的声压放大作用，实现弱声波向强声 波的转变，实现利用小功率换能器也能产生高强度驻波的效果。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的方法流程示意图；
[0028] 图2是本发明的一种实施装置示意图；
[0029] 图3是本发明的一种实施装置的工艺过程示意图；
[0030] 图4是本发明的一种实施装置的简化工艺过程示意图；
[0031] 图5是本发明的一种实施装置的强声驻波发生组件示意图；
[0032] 图6是本发明的一种实施装置的声波导管示意图；
[0033] 图7是本发明的一种实施装置的冷却组件示意图；
[0034] 图8是本发明的一种实施装置的气管组件连接示意图；
[0035] 图9是本发明对污染空气进行去除悬浮颗粒物的空气处理过程的一个案例；
[0036] 图10是本发明对污染空气进行去除悬浮颗粒物的空气处理过程的一个修改案 例；
[0037] 图中：R1-水蒸气分子，R2-悬浮颗粒物，R3-洁净空气，R4-污染空气，R5-水滴， R51-小水滴，R52-大水滴，R6-外力，R61-布朗运动力，R62-惯性力，R63-重力，R64-声力， R65-温度梯度，R7-离散间隔的工程降温，R8-离散间隔的工程降温R7作用下水蒸气分子 R1以悬浮颗粒物R2为凝结核的凝结，R9-外力R6作用下小水滴R51向大水滴R52转变的 长大，R10-外力R6作用下大水滴R52和洁净空气R3的分离；
[0038] 1-引气机，2-升温加湿组件，21-升温加湿室，22-第一空气加热器，221-第一能量 供应源，222-第一能量通道，223-第一表面加热器，23-恒温液态水，24-水加热器，241-第 二能量供应源，242-第二能量通道，243-第二表面加热器，3-强声驻波促进凝结除水组件， 31-强声驻波发生组件，311-声波导管，3111-左声波导管，3112-右声波导管，312-反射挡 板，313-打孔隔板，314-通孔，315-空腔，316-导线，317-信号发生器，318-扬声器，32-冷 却组件，321-高热传导率填料，322-螺旋表冷盘管，323-冷源，324-供冷通道，33-保温层， 34-透声阻气隔水薄膜，35-蓄水池，36-水管，4-升温加热组件，41-升温室，42-第二空气 加热器，421-第三能量供应源，422-第三能量通道，423-第三表面加热器，5-室内，6-气管 组件，61-YS气管，62-SY气管，63-ZS气管，64-SZ气管，65-SS气管，71-SS进气口，72-SZ出 气口，73-ZZ进气口，74-ZS出气口，8-半封闭空间结构；
[0039] T1-低水污染空气，T2-高水污染空气，T3-低温洁净空气，T4-加热升温，T5-蒸发 加湿，T6-离散间隔的冷却降温，T7-驻波对小水滴的加速形成和变大作用，T8-外部热源对 低温洁净空气T3的加热升温；
[0040] S1-从室内5引入低水污染空气Tl，S2-低水污染空气T1经加热升温T4和蒸发 加湿T5后成为高水污染空气T2, S3-高水污染空气T2在强驻波环境中经离散间隔的冷却 降温T6后成为低温洁净空气T3, S4-低温洁净空气T3经加热升温T4、当温度与室内空气 温度相当后送回室内5。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0042] 如图1所示为一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的方法，污染空气R4中 包括均匀混合的水蒸气分子R1、悬浮颗粒物R2和洁净空气R3,对污染空气R4进行离散间 隔的工程降温，激发污染空气R4中的水蒸气分子R1以悬浮颗粒物R2为凝结核凝结为含有 悬浮颗粒物R2的水滴R5,水滴R5分为小水滴R51和大水滴R52,在外力R6作用下小水滴 R51长大为大水滴R52,在外力R6作用下大水滴R52从污染空气R4中分离出，形成洁净空 气R3 ;外力R6包括布朗运动力R61、惯性力R62、重力R63、声力R64和温度梯度R65的共同 作用。
[0043] 如图2所示为一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的装置，包括引气机1、 升温加湿组件2、强声驻波促进凝结除水组件3、升温加热组件4、气管组件6和保温材料。
[0044] 所述升温加湿组件2包括升温加湿室21、第一空气加热器22、恒温液态水23和水 加热器24,恒温液态水23置于升温加湿室21内；第一空气加热器22包括通过第一能量通 道222串联成回路的第一能量供应源221和第一表面加热器223,其中第一表面加热器223 位于升温加湿室21内，且位于恒温液态水23液面231上方；水加热器24包括通过第二能 量通道242串联成回路的第二能量供应源241和第二表面加热器243,第二表面加热器243 位于升温加湿室21内，且位于恒温液态水23液面231下方。
[0045] 如图5、图6和图7所示，所述强声驻波促进凝结除水组件3包括强声驻波发生组 件31、冷却组件32、保温层33、透声阻气隔水薄膜34、蓄水池35和水管36 ;所述强声驻波 发生组件31包括声波导管311、反射挡板312、打孔隔板313、空腔315、信号发生器317和 扬声器318,信号发生器317通过导线316与扬声器318相连；声波导管311的右端设置有 打孔隔板313,在声波导管311的左端设置有反射挡板312,透声阻气隔水薄膜34设置在声 波导管311的波腹或波节位置，通过透声阻气隔水薄膜34将声波导管311分成右声波导管 3112和左声波导管3111两部分；打孔隔板313上设置有通孔314,空腔315的右端罩住通 孔314,扬声器318的喇叭口罩住空腔315的右端，打孔隔板313、空腔315和扬声器318组 成与外界仅仅通过通孔314连接的半封闭空间结构8,该半封闭空间结构8属于Helmholtz 共振器结构；所述冷却组件32包括高热传导率填料321、螺旋表冷盘管322和冷源323,螺 旋表冷盘管322和冷源323通过供冷通道324串联成回路，螺旋表冷盘管322螺旋间隔地 围绕在左声波导管3111外壁上，高热传导率填料321覆盖在左声波导管3111外壁上、填 充螺旋表冷盘管322未覆盖的区域；所述高热传导率填料321的热阻满足围绕在左声波导 管3111上的未覆盖螺旋盘管322的水平截面区域内的相邻螺旋盘管之间的水平方向具有 温度梯度；所述保温层33包覆声波导管311和空腔315的整个外侧表面；所述左声波导管 3111的底部通过水管36与蓄水池35连通；所述声波导管311水平放置。
[0046] 所述升温加热组件4包括升温室41和第三空气加热器42,第三空气加热器42包 括通过第三能量通道422串联成回路的第三能量供应源421和第三表面加热器423，其中第 三表面加热器423位于升温室41内。
[0047] 如图8所示，所述气管组件6包括连通引气机1与室内5的YS气管61、连通升温 加湿室21与引气机1的SY气管62、连通左声波导管3111与升温加湿室21的ZS气管63、 连通升温室4 1与左声波导管3111的SZ气管64和连通室内5与升温室41的SS气管65。
[0048] 所述保温材料覆盖在气管组件6、引气机1、升温加湿室21和升温室41的外部。
[0049] 升温加湿室21与SY气管62连通的SS进气口 71高于恒温液态水23的液面231， 升温加湿室21与ZS气管63连通的SZ出气口 72高于恒温液态水23的液面231，液面231 的高度小于1/2倍升温加湿室21的高度，第一表面加热器223底端的高度大于2倍液面231 的高度，第二表面加热器243顶端的高度小于1/2倍液面231的高度，第一表面加热器223 的温度高于第二表面加热器243的温度；声波导管311的长度大于或等于1/2驻波的波长， 左声波导管3111与ZS气管63相连的端口为ZZ进气口 73, ZZ进气口 73与透声阻气隔水 薄膜34的距离小于1/2驻波的波长，左声波导管3111与SZ气管64相连的端口为ZS出气 口 74, ZS出气口 74与反射挡板312的距离小于1/2驻波的波长，透声阻气隔水薄膜34与 打孔隔板313的距离大于1/8驻波的波长且小于3/2驻波的波长，左声波导管3111的底部 高于蓄水池35的顶端。
[0050] 所述第一能量供应源221、第二能量供应源241、第三能量供应源421可以用电加 热实现。
[0051] 所述强声驻波发生组件31中，所述导线316、信号发生器317和扬声器318组成 闭合回路；所述声波导管311、通孔314和空腔315均为圆柱形，所述通孔314位于打孔隔 板313的中心，所述声波导管311的直径大于通孔314的直径，所述声波导管311的直径小 于1/4驻波的波长，所述通孔314的直径小于空腔315的直径；所述反射挡板312、声波导 管311、打孔隔板313、空腔315和扬声器318的中心在同一水平轴线上依次串联组成封闭 的声学共振腔体，在反射挡板317、声波导管311和打孔隔板313形成的空间内产生强声驻 波；所述通孔314、打孔隔板313、空腔315和扬声器318组成的半封闭空间结构8的共振频 率fo表达式是：
[0053] 式中，c为声速，dn为通孔314的直径，1 n为通孔314的长度，dt为空腔315的直 径，lt为空腔315的长度；
[0054] 所述通孔314和空腔315的长度和直径均小于驻波的波长；所述声波导管311的 某一阶共振频率与共振频率f〇、信号发生器317的输出信号频率、扬声器318输出的声波的 频率相等。
[0055] 强声驻波产生的过程及原理是：扬声器318产生的小振幅声波驱动半封闭空间结 构8中的空气同步膨胀/收缩振动，使通孔314内的空气柱产生强烈往复运动，向声波导管 3111辐射大振幅声波，在反射挡板312和打孔隔板313之间的声波导管311内产生强声驻 波。
[0056] 如图3所示，为利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的工艺过程，其中：T1表示 被悬浮颗粒物R2污染后具有较高悬浮颗粒物浓度和低水蒸气分子含量的低水污染空气， T2表示高水蒸气分子含量、高温和高悬浮颗粒物浓度的高水污染空气，T3表示低水蒸气分 子含量、低温和低悬浮颗粒物浓度的低温洁净空气，T4表示对低水污染空气T1进行加热升 温，T5表示通过加热液态水使液态水表面蒸发实现对低水污染空气T1的蒸发加湿，T6表示 外部冷源对高水污染空气T4的离散间隔的冷却降温，T7表示驻波对小水滴的加速形成和 变大作用，T8表示外部热源对低温洁净空气17的加热升温。
[0057] 如图4所示，为利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的简易工艺过程，其中：S1 表示从室内5引入低水污染空气T1 ;S2表示低水污染空气T1经加热升温T4和蒸发加湿T5 后成为高水污染空气T2 ;S3表示高水污染空气T2在强驻波环境中经离散间隔的冷却降温 T6后成为低温洁净空气T3,在低温条件下高水污染空气T2中的水蒸气分子以悬浮颗粒物 为凝结核凝结为小水滴，通过驻波对小水滴的加速形成和变大作用T7形成大水滴，沉降在 左声波导管3111的内表面上，流入蓄水池35内；S4表示低温洁净空气T3经加热升温T4， 当温度与室内空气温度相当后送回室内5。其中，加热升温T2的方式是干式间接接触加热， 蒸发加湿T3的方式是低于沸腾温度的高温水的液面蒸发。
[0058] 基于以上描述，本发明利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的实施过程及原理 为：对于悬浮颗粒物R2均匀分布在洁净空气R3中的被悬浮颗粒物污染的低水污染空气 T1，经S1过程引入具有较高悬浮颗粒物浓度的低水污染空气T1，经S2过程加热升温T4和 以液态水液面蒸发的蒸发加湿T5向低水污染空气T1中加入大量水蒸气分子R1，形成高水 蒸气分子含量、高温、高悬浮颗粒物浓度的高水污染空气T2,经S3过程中的离散间隔的冷 却降温T6,在声波导管轴向产生离散分布的温度梯度，形成沿轴线方向起伏变化的凝结强 度，一方面，高水污染空气T2中均匀分布的水蒸气分子以均匀分布在高水污染空气T2的悬 浮颗粒物为凝结核自发凝结为均匀分布在高水污染空气T2中的悬浮的小水滴R51，组成总 表面积很大的大量悬浮小水滴，充分接触融合未被水蒸气凝结的悬浮颗粒物，增加悬浮小 水滴中的悬浮颗粒物，减少高水污染空气T2中的悬浮颗粒物，同时随着凝结的连续进行悬 浮小水滴逐渐变大，悬浮小水滴之间相互接触融合为悬浮的大水滴，足够质量的悬浮大水 滴R52在重力的作用下进行朝向声波导管壁面沉降的定向运动，并且在沉降过程中接触并 融合未被水蒸气分子凝结的悬浮颗粒物和其它悬浮水滴，另一方面，在强驻波声场的作用 下，驻波场内空气的声压空间分布的大小差异带来温度大小差异，加速水蒸气分子以悬浮 颗粒物为凝结核的自发凝结过程，声辐射力对空气中的气体分子、悬浮颗粒物、悬浮水滴产 生定向迀移作用，水蒸气分子和悬浮颗粒物的接触机会增加，水蒸气分子围绕悬浮颗粒物 的凝结速率增加，大小悬浮水滴之间的接触融合机会增多，悬浮水滴和未被水蒸气凝结的 悬浮颗粒物之间的接触融合机会增多，水滴变大和沉降在声波导管壁面的速度加快，同时， 温度梯度的存在能使空气中的气体分子、悬浮颗粒物、悬浮水滴受到从高温到低温或从低 温到高温的定向驱动力并产生相应的迀移和清除作用，进一步全方位的加速清除引入污染 空气中的悬浮颗粒物。
[0059] 如图9所示为上述过程的空气处理的一个案例，对于常压条件下表测温度为16°C 相对湿度为45%的室内污染空气（对应空气状态点为：室内点）在升温加湿室21内进行升 温加湿（对应空气处理过程为：先由室内点指向等湿点，再由等湿点指向加湿点的过程）， 达到表测温度40°C相对湿度为85%(对应空气状态点为：加湿点）后，进入产生的最大声 压为80Pa的左声波导管3111内进行等效冷却温度为4°C(对应空气状态点为：除湿点）的 急剧降温（对应空气处理过程为：由加湿点指向除湿点的过程），水蒸气分子液化形成和长 大的大水滴伴随悬浮颗粒沉降在声波导管内壁面后经水管36进入蓄水池35,形成的低温 洁净空气T3在升温室41内加热到16°C(对应空气处理过程为：由除湿点指向室内点的过 程）后送回室内。
[0060] 如图10所示为上述过程的空气处理的一个案例的修改案例，对于常压条件下表 测温度为16°c相对湿度为45%的室内污染空气（对应空气状态点为：室内点）在升温加湿 室21 (第一表面加热器223的温度为40°C，第二表面加热器243的温度为35°C )内进行升 温加湿（对应空气处理过程为：先由室内点指向等湿点，再由等湿点指向加湿点的过程）， 达到表测温度40°C相对湿度为85% (对应空气状态点为：加湿点）后，进入产生的最大声 压为80Pa的左声波导管3111内进行等效冷却温度为10°C (对应空气状态点为：除湿点） 的急剧降温（对应空气处理过程为：由加湿点指向除湿点的过程），水蒸气分子液化形成 和长大的大水滴伴随悬浮颗粒沉降在声波导管内壁面后经水管36进入蓄水池35,形成的 l〇°C低温洁净空气T3经等焓减湿过程（对应空气处理过程为：由除湿点指向室内点的过 程）温度达到16°C后送回室内；所述等焓减湿过程代替了在升温室41中的加热过程。
[0061] 为了减少能量损失，提高能量利用率，上述所述第一能量供应源221、第二能量供 应源241或第三能量供应源421的一部分能量来源可用冷源323的一部分能量代替，即利 用现有的回热处理技术。
[0062] 为了减少能量损失，提高能量利用率，上述所述第一能量供应源221、第二能量供 应源241、第三能量供应源421和冷源323可以用制冷机组或热泵机组产生的冷热源代替， 也可以用工业或生活中的"废热"和"废冷"代替。
[0063] 为了在S2过程中产生尽 可能多的水蒸气分子，可以对升温加湿室21实施减压系 统，降低液态水的沸点温度，减小液态水表面的水分子进入空气的阻力，使更多的水蒸气分 子从液态水进入空气。
[0064] 为了在S3过程中产生尽可能多的水滴，可以对声波导管实施增压系统，使更多的 水蒸气分子凝结为水滴。
[0065] 上述所述利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的技术同样适用于针对工业及 燃烧排放废气的悬浮颗粒物清除。比如，首先对燃烧产生的烟气进行增加水蒸气分子的处 理过程，再经离散间隔的冷却降温促进结水系统和液态水收集系统后，起到构成以"大气降 雨"为模式特征的高效清除烟气中悬浮颗粒物的方法。
[0066] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的方法，其特征在于：污染空气R4中包 括均匀混合的水蒸气分子R1、悬浮颗粒物R2和洁净空气R3,对污染空气R4进行离散间隔 的工程降温，激发污染空气R4中的水蒸气分子R1以悬浮颗粒物R2为凝结核凝结为含有悬 浮颗粒物R2的水滴R5,水滴R5分为小水滴R51和大水滴R52,在外力R6作用下小水滴R51 长大为大水滴R52,在外力R6作用下大水滴R52从污染空气R4中分离出，形成洁净空气R3 ; 外力R6包括布朗运动力R61、惯性力R62、重力R63、声力R64和温度梯度R65的共同作用。2. -种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的装置，其特征在于：包括引气机（1)、 升温加湿组件（2)、强声驻波促进凝结除水组件（3)、升温加热组件（4)、气管组件（6)和保 温材料； 所述升温加湿组件（2)包括升温加湿室（21)、第一空气加热器（22)、恒温液态水（23) 和水加热器（24)，恒温液态水（23)置于升温加湿室（21)内；第一空气加热器（22)包括通 过第一能量通道（222)串联成回路的第一能量供应源（221)和第一表面加热器（223)，其 中第一表面加热器（223)位于升温加湿室（21)内，且位于恒温液态水（23)液面（231)上 方；水加热器（24)包括通过第二能量通道（242)串联成回路的第二能量供应源（241)和第 二表面加热器（243)，第二表面加热器（243)位于升温加湿室（21)内，且位于恒温液态水 (23)液面（231)下方； 所述强声驻波促进凝结除水组件（3)包括强声驻波发生组件（31)、冷却组件（32)、保 温层（33)、透声阻气隔水薄膜（34)、蓄水池（35)和水管（36);所述强声驻波发生组件（31) 包括声波导管（311)、反射挡板（312)、打孔隔板（313)、空腔（315)、信号发生器（317)和扬 声器（318)，信号发生器（317)通过导线（316)与扬声器（318)相连；声波导管（311)的右 端设置有打孔隔板（313)，在声波导管（311)的左端设置有反射挡板（312)，透声阻气隔水 薄膜（34)设置在声波导管（311)的波腹或波节位置，通过透声阻气隔水薄膜（34)将声波 导管（311)分成右声波导管（3112)和左声波导管（3111)两部分；打孔隔板（313)上设置 有通孔（314)，空腔（315)的右端罩住通孔（314)，扬声器（318)的喇叭口罩住空腔（315) 的右端，打孔隔板（313)、空腔（315)和扬声器（318)组成与外界仅仅通过通孔（314)连接 的半封闭空间结构（8)，该半封闭空间结构（8)属于Helmholtz共振器结构；所述冷却组件 (32)包括高热传导率填料（321)、螺旋表冷盘管（322)和冷源（323)，螺旋表冷盘管（322) 和冷源（323)通过供冷通道（324)串联成回路，螺旋表冷盘管（322)螺旋间隔地围绕在左 声波导管（3111)外壁上，高热传导率填料（321)覆盖在左声波导管（3111)外壁上、填充螺 旋表冷盘管（322)未覆盖的区域；所述高热传导率填料（321)的热阻满足围绕在左声波导 管（3111)上的未覆盖螺旋盘管的水平截面区域内的相邻螺旋盘管之间的水平方向具有温 度梯度；所述保温层（33)包覆声波导管（311)和空腔（315)的整个外侧表面；所述左声波 导管（3111)的底部通过水管（36)与蓄水池（35)连通；所述声波导管（311)水平放置； 所述升温加热组件（4)包括升温室（41)和第三空气加热器（42)，第三空气加热器 (42)包括通过第三能量通道（422)串联成回路的第三能量供应源（421)和第三表面加热器 (423)，其中第三表面加热器（423)位于升温室（41)内； 所述气管组件（6)包括连通引气机（1)与室内（5)的YS气管（61)、连通升温加湿室 (21)与引气机（1)的SY气管（62)、连通左声波导管（3111)与升温加湿室（21)的ZS气 管（63)、连通升温室（41)与左声波导管（3111)的SZ气管（64)和连通室内（5)与升温室 (41)的SS气管（65); 所述保温材料覆盖在气管组件（6)、引气机（1)、升温加湿室（21)和升温室（41)的外 部； 升温加湿室（21)与SY气管（62)连通的SS进气口（71)高于恒温液态水（23)的液面 (231)，升温加湿室（21)与ZS气管（63)连通的SZ出气口（72)高于恒温液态水（23)的液 面（231)，液面（231)的高度小于1/2倍升温加湿室（21)的高度，第一表面加热器（223)底 端的高度大于2倍液面（231)的高度，第二表面加热器（243)顶端的高度小于1/2倍液面 (231)的高度，第一表面加热器（223)的温度高于第二表面加热器（243)的温度；声波导管 (311)的长度大于或等于1/2驻波的波长，左声波导管（3111)与ZS气管（63)相连的端口 为ZZ进气口（73)，ZZ进气口（73)与透声阻气隔水薄膜（34)的距离小于1/2驻波的波长， 左声波导管（3111)与SZ气管（64)相连的端口为ZS出气口（74)，ZS出气口（74)与反射 挡板（312)的距离小于1/2驻波的波长，透声阻气隔水薄膜（34)与打孔隔板（313)的距离 大于1/8驻波的波长且小于3/2驻波的波长，左声波导管（3111)的底部高于蓄水池（35) 的顶端。3.根据权利要求2所述的利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的装置，其特征在 于：所述强声驻波发生组件（31)中，所述导线（316)、信号发生器（317)和扬声器（318)组 成闭合回路；所述声波导管（311)、通孔（314)和空腔（315)均为圆柱形，所述通孔（314)位 于打孔隔板（313)的中心，所述声波导管（311)的直径大于通孔（314)的直径，所述声波导 管（311)的直径小于1/4驻波的波长，所述通孔（314)的直径小于空腔（315)的直径；所述 反射挡板（312)、声波导管（311)、打孔隔板（313)、空腔（315)和扬声器（318)的中心在同 一水平轴线上依次串联组成封闭的声学共振腔体，在反射挡板（317)、声波导管（311)和打 孔隔板（313)形成的空间内产生强声驻波；所述通孔（314)、打孔隔板（313)、空腔（315)和 扬声器（318)组成的半封闭空间结构⑶的共振频率&表达式是：式中，c为声速，dn为通孔（314)的直径，ln为通孔（314)的长度，dt为空腔（315)的 直径，lt为空腔（315)的长度； 所述通孔（314)和空腔（315)的长度和直径均小于驻波的波长；所述声波导管（311) 的某一阶共振频率与共振频率f〇、信号发生器（317)的输出信号频率、扬声器（318)输出的 声波的频率相等。
【专利摘要】本发明公开了一种利用加湿冷凝结水降低空气悬浮颗粒物的方法及装置，污染空气中包括均匀混合的水蒸气分子、悬浮颗粒物和洁净空气，对污染空气进行离散间隔的工程降温，激发污染空气中的水蒸气分子以悬浮颗粒物为凝结核凝结为含有悬浮颗粒物的水滴，水滴分为小水滴和大水滴，在外力作用下小水滴长大为大水滴，在外力作用下大水滴从污染空气中分离出，形成洁净空气。由于空气中的悬浮颗粒物、水蒸气分子均匀的分布在污染空气中，水蒸气分子液化后形成的液滴数量多，总表面积大，初始液滴尺寸可以足够小，分布均匀，悬浮颗粒物清除的效率非常高。
【IPC分类】B01D51/10, B01D51/08, B01D45/04, B01D45/02
【公开号】CN104906913
【申请号】CN201510183767
【发明人】黄亚继, 乔正辉, 董卫, 程梅
【申请人】东南大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年4月17日
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