技术领域

本发明涉及一种气体净化系统，尤其是涉及一种智能化的气体净化系统及其控制方法，属于静电除尘领域。

背景技术

静电除尘净化系统是工业和生活中常用的一种空气净化系统，早在1772年科学家贝卡利亚对于大量烟雾气体中的放电和电风现象进行了成功的实验，在1906年科特雷尔验证了静电力对含尘气体的净化过滤作用并将此处理的工艺手段应用于工业，在1907年首台静电除尘器建造完成，并在工业现场处理烟尘取得成功，到今天静电除尘技术已经广泛应用于几乎所有工业领域，静电除尘的原理是利用高压直流电场使空气中的气体分子电离，产生大量电子和离子，在电场力的作用下向两极移动，在移动过程中碰到气流中的粉尘颗粒和细菌使其荷电，荷电颗粒在电场力作用下向自身电荷相反的极板做运动，在电场作用下，达到收集气流中粉尘颗粒的效果。

静电除尘的基础理论之一是气溶胶理论，即由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点，其大小为0.001～100μm，分散介质为气体。传统的静电除尘理论将污染物颗粒整体默认为中性物质，以方便计算除尘效果和设置相关结构和电压参数，但实质上在污染物颗粒组成的气溶胶中并不是所有颗粒都是呈中性，甚至整体气溶胶也不呈电中性，其中存在着大量已经带有正电荷或者负电荷的污染物颗粒，例如吴超，李明著的《微颗粒黏附与清除》一书中第2.3.4节中就记载了，实际上几乎所有天然粉尘或工业粉尘都带有电荷，从表2-6也可以看出其检测的粉尘颗粒中有不少都带有不同比例的正负电荷，影响气溶胶颗粒自身带电的因素较多，其和污染物颗粒的大小，材质，相互摩擦撞击、温湿度等因素均有关系。传统的静电除尘装置并没有过多关注到气溶胶颗粒本身带有电荷的问题，而是将其当成中性颗粒进行荷电后收集，这种不加鉴别的除尘方式在遇到一些本身带有电荷的气溶胶时往往会降低了除尘效率或者增加了静电除尘装置的功耗。

发明内容

针对背景技术中提到的问题，本发明是提出了一种可判断气溶胶颗粒本身是否带有电荷并进行相应分区收集的智能气体净化系统，包括一个静电除尘装置，该装置具有壳体，其特征在于：该装置包括进气通道、颗粒偏转区、颗粒收集区和出气通道；气流依次经过进气通道、颗粒偏转区、颗粒收集区和出气通道；进气通道内设置有均流板，用于将进入的气流均化为层流，进气通道后部的通道为喇叭型开口，与颗粒偏转区的壳体连接。

进一步，进气通道后部为颗粒偏转区，颗粒偏转区平行于气流方向的两侧壳体的内壁上平行设置有偏转负电极和偏转正电极，偏转负电极用于吸引以及偏转气流中带正电的颗粒，偏转正电极吸引以及偏转气流中带负电的颗粒。

进一步，颗粒偏转区的后部为颗粒收集区，颗粒收集区由在垂直于气流方向平行排列的正电颗粒收集区、中性颗粒收集区和负电颗粒收集区组成；正电颗粒收集区与偏转负电极位于壳体的同一侧，负电颗粒收集区与偏转正电极位于壳体的另一侧，中性颗粒收集区位于正电颗粒收集区和负电颗粒收集区之间并正对进气通道，三个收集区之间相互隔离。

进一步，颗粒收集区的前部设置有前部颗粒浓度传感器组，其包括：正电颗粒浓度传感器、中性颗粒浓度传感器和负电颗粒浓度传感器；颗粒收集区的后部设置有后部颗粒浓度传感器组，其包括：后部颗粒浓度传感器一、后部颗粒浓度传感器二和后部颗粒浓度传感器三；正电颗粒收集区的气流入口处对应设置有正电颗粒浓度传感器，正电颗粒收集区的气流出口处对应设置有后部颗粒浓度传感器一；中性颗粒收集区的气流入口处对应设置有中性颗粒浓度传感器，中性颗粒收集区的气流出口处对应设置有后部颗粒浓度传感器二；负电颗粒收集区的气流入口处对应设置有负电颗粒浓度传感器，负电颗粒收集区的气流出口处对应设置有后部颗粒浓度传感器三。

进一步，进气通道的后部设置有一对转动导流板，转动导流板可采用电动铰链实现转动，具有层流引导和扩散两种模式，在层流引导模式时，两个转动导流板平行于气流方向，扩散模式时两个转动导流板紧贴各自安装位置的壳体内壁；进气通道的后部还设置有主颗粒浓度传感器，用于检测进入进气通道气体中的颗粒物浓度。

进一步，正电颗粒收集区的前部设置有放电一组，放电一组后设置有收集一组；中性颗粒收集区的前部设置有放电二组，放电二组后设置有收集二组；负电颗粒收集区的前部设置有放电三组，放电三组后设置有收集三组；每个放电组均由多列电晕线组成；每个收集组均由位于各自收集区侧壁的侧收集板和折流收集板组成；每个放电组和每个收集组分别连接不同极性的高压电；折流收集板在气流方向上呈顺时针旋转90°的“八”字以及逆时针旋转90°的“人”字组成。

进一步，还包括控制器、可控高压电源和电源继电器组，控制器电连接并控制可控高压电源和电源继电器组，控制器连接主颗粒浓度传感器、前部颗粒浓度传感器组和后部颗粒浓度传感器组；控制器控制转动导流板；可控高压电源通过电源继电器组向偏转负电极、偏转正电极和颗粒收集区的各个放电组以及收集组中的电极供电，可控高压电源具有多个独立的电压输出通道。

进一步，采用的浓度传感器为红外线、激光或者是CCD类型的颗粒物浓度传感器。

一种用于上述智能气体净化系统的控制方法，包括如下控制模式：颗粒物偏转收集模式：当正电颗粒浓度传感器和/或负电颗粒浓度传感器检测到的浓度值≥M倍的中性颗粒浓度传感器检测到浓度值，M＞1时，即可判断颗粒偏转区中存在大量的带正电和/或带负电的颗粒，控制转动导流板变形为层流引导模式，同时控制颗粒收集区进入分极性收集模式；

普通收集模式：即当正电颗粒浓度传感器和/或负电颗粒浓度传感器检测到的浓度值≤N倍的中性颗粒浓度传感器检测到浓度值，N＜1；或者当正电颗粒浓度传感器和/或负电颗粒浓度传感器检测到的浓度值＜M倍的中性颗粒浓度传感器检测到浓度值，M＞1时，即可判断颗粒偏转区中不存在大量的带正电和/或带负电的颗粒，偏转负电极和偏转正电极断电，收集区的放电组全部接高压电源7负极，全部收集组接高压电源7正极，转动导流板处于喇叭形的扩散模式。

进一步，还包括颗粒物浓度反馈调节模式：位于颗粒收集区后部的后部颗粒浓度传感器组检测经过静电集尘后排出气流中的颗粒物浓度，当后部颗粒浓度传感器组检测到的浓度大于预设值时，控制增加放电组中电晕线的通电数量和或控制增加放电组和收集组之间的电压；当后部颗粒浓度传感器组检测到的浓度小于预设值时，控制减少放电组中电晕线的通电数量和或控制降低放电组和收集组之间的电压。

其有益效果为：

1、可以检测判断气溶胶颗粒本身是否带有电荷，以及带有正、负和中性电荷的颗粒的大致比例，并选择合适的收集方式。

2、对于本身带有大量正负电荷的气溶胶颗粒可以实现分区并有针对性的荷电和收集，提高了气溶胶颗粒的荷电效率，从而提高了除尘效率降低了静电除尘装置的功耗。

3、采用传感器智能化动态反馈控制方式，实现对放电电极的放电数量和放电电压的精确反馈控制，在保证空气体净化效率的同时有效的控制静电除尘装置的功耗，提高了能源的利用率。

4、采用了新型结构的折流收集板，使得带电颗粒在其中更容易形成涡流，更充分与收集板接触，提高了颗粒物的收集效率。

附图说明

图1为智能气体净化系统控制原理图；

图2为一种智能气体净化系统主体结构示意图；

图3为智能气体净化系统控制逻辑图；

图4为智能气体净化系统B区浓度反馈调节逻辑图；

图5为智能气体净化系统A区工作过程示意图；

图6为另一种智能气体净化系统主体结构示意图；

图7为第三种智能气体净化系统主体结构示意图；

附图标记说明：

A、颗粒偏转区；A-1、偏转负电极；A-2、偏转正电极；A-3、偏转磁场；B、颗粒收集区；B-1、正电颗粒收集区；B-2、中性颗粒收集区；B-3、负电颗粒收集区；B-1-1、放电一组；B-2-1、放电二组；B-3-1、放电三组；B-1-2、收集一组；B-2-2、收集二组；B-3-2、收集三组；

1、壳体；1-1、进气通道；1-2、出气通道；2、均流板；3、转动导流板；4、主颗粒浓度传感器；5、前部颗粒浓度传感器组；5-1、正电颗粒浓度传感器；5-2、中性颗粒浓度传感器；5-3、负电颗粒浓度传感器；6、后部颗粒浓度传感器组；6-1、后部颗粒浓度传感器一；6-2、后部颗粒浓度传感器二；6-3、后部颗粒浓度传感器三；7、可控高压电源；8、电源继电器组；9、电晕线；10、折流收集板；11、侧收集板；12、控制器。

具体实施方式

实施例一

如附图1、2所示的一种智能气体净化系统，包括一个静电除尘装置，该装置具有一个壳体1，该装置包括进气通道1-1、颗粒偏转区A、颗粒收集区B和出气通道1-2；气流依次经过进气通道1-1、颗粒偏转区A、颗粒收集区B和出气通道1-2；进气通道1-1内设置有均流板2，用于将进入的气流均化为层流，进气通道1-1后部的通道为喇叭型开口，与颗粒偏转区A的壳体连接；进气通道1-1后部设置有一对转动导流板3，转动导流板3可采用电动铰链实现转动，具有层流引导和扩散两种模式，层流引导模式时，两个转动导流板3平行于气流方向，扩散模式时两个转动导流板3紧贴各自安装位置的壳体内壁；进气通道1-1的后部还设置有主颗粒浓度传感器4，用于检测进入气体中的颗粒物浓度，其可以为红外线、激光或者是CCD类型的颗粒物浓度传感器。

进气通道1-1后部为颗粒偏转区A，颗粒偏转区A平行于气流方向的两侧壳体1内壁上平行设置有偏转负电极A-1和偏转正电极A-2，偏转负电极A-1用于吸引以及偏转气流中带正电的颗粒，偏转正电极A-2吸引以及偏转气流中带负电的颗粒。

颗粒偏转区A的后部为颗粒收集区B，颗粒收集区B由在垂直于气流方向平行排列的正电颗粒收集区B-1、中性颗粒收集区B-2和负电颗粒收集区B-3组成；正电颗粒收集区B-1与偏转负电极A-1位于壳体的同一侧，负电颗粒收集区B-3与偏转正电极A-2位于壳体的另一侧，中性颗粒收集区B-2位于正电颗粒收集区B-1和负电颗粒收集区B-3之间并正对进气通道1-1，三个收集区之间相互隔离。

颗粒收集区B的前部设置有前部颗粒浓度传感器组5，包括：正电颗粒浓度传感器5-1、中性颗粒浓度传感器5-2和负电颗粒浓度传感器5-3；颗粒收集区B的后部设置有后部颗粒浓度传感器组6，包括：后部颗粒浓度传感器一6-1、后部颗粒浓度传感器二6-2和后部颗粒浓度传感器三6-3。正电颗粒收集区B-1的气流入口处对应设置有正电颗粒浓度传感器5-1，正电颗粒收集区B-1的气流出口处对应设置有后部颗粒浓度传感器一6-1；中性颗粒收集区B-2的气流入口处对应设置有中性颗粒浓度传感器5-2，中性颗粒收集区B-2的气流出口处对应设置有后部颗粒浓度传感器二6-2；负电颗粒收集区B-3的气流入口处对应设置有负电颗粒浓度传感器5-3，负电颗粒收集区B-3的气流出口处对应设置有后部颗粒浓度传感器三6-3。

正电颗粒收集区B-1的前部(即靠近气流入口处)设置有放电一组B-1-1，放电一组B-1-1后设置有收集一组B-1-2；中性颗粒收集区B-2的前部设置有放电二组B-2-1，放电二组B-2-1后设置有收集二组B-2-2；负电颗粒收集区B-3的前部设置有放电三组B-3-1，放电三组B-3-1后设置有收集三组B-3-2；每个放电组均由多列电晕线9组成；每个收集组均由位于各自收集区侧壁的侧收集板11和折流收集板10组成；每个放电组和每个收集组分别连接不同极性的高压电；折流收集板10在气流方向上呈顺时针旋转90°的“八”字以及逆时针旋转90°的“人”字组成，使得带电颗粒在其中形成涡流，更充分与收集板接触，以提高收集效率；放电组和收集组之间的电压值为3kV-15kV。

智能气体净化系统还包括控制器12、可控高压电源7和电源继电器组8，控制器12采集主颗粒浓度传感器4、前部颗粒浓度传感器组5和后部颗粒浓度传感器组6的信号，并进行相应的处理和控制；控制器12根据传感器信号控制转动导流板3在扩散模式和层流模式之间切换；可控高压电源7通过电源继电器组8向偏转负电极A-1、偏转正电极A-2和颗粒收集区B的各个放电组以及收集组中的电极供电；控制器12通过控制电源继电器组8的通断切换可以实现控制偏转负电极A-1、偏转正电极A-2的供电和断电，可以实现颗粒收集区B中的每个放电组以及收集组中的各个电极通电数量以及通电的极性的切换(例如可以实现正电颗粒收集区B-1放电一组B-1-1中的电晕线9是否通电，通电的列数以及是通正高压电还是负高压电)；控制器12还可控制可控高压电源7的输出电压值，可控高压电源7具有多个独立的电压输出通道，对于不同的电极可以做到根据控制器12的控制指令单独输送不同数值的电压到相应的电极上，以实现智能控制。

如附图2、3、5所示，该智能气体净化系统的控制方法和工作原理为：控制器12控制静电除尘装置启动，气流通过引风机(图中未示出)进入静电除尘装置内部。首先通过主浓度传感器4获取进气通道1-1出口处的气流中的颗粒物浓度。

进入判断条件一，当颗粒浓度不大于预设值时后续程序不启动，主浓度传感器4继续检测进气通道1-1出口处的气流中颗粒物浓度。当浓度大于预设值(例如pm2.5>75μg/m³)时控制器12控制转动导流板变形为喇叭形的扩散模式，此时气流中的污染物颗粒布满整个颗粒偏转区A，同时进入偏转电极通电步骤，即控制器12控制电源继电器组8和可控高压电源7向偏转负电极A-1和偏转正电极A-2通入高压直流电(两者之间的电压为1kV-10kV)，此时位于颗粒偏转区A后部颗粒收集区B前部的前部颗粒浓度传感器组5开始工作。

进入判断条件二，当颗粒偏转区A中不存在大量的带正电和/或带负电的颗粒，进入正电颗粒收集区B-1和负电颗粒收集区B-3中进入的颗粒较少时，即当浓度传感器5-1和/或5-3的浓度值＜M倍的5-2浓度(M为＞1，根据实际需要可调整的比例值)时，控制器12控制电源继电器组8断开偏转负电极A-1和偏转正电极A-2的供电，同时控制电源继电器组8和可控高压电源7向颗粒收集区B中的放电一组B-1-1、放电二组B-2-1和放电三组B-3-1通入负直流高压电(向电晕线9通负电是因为负电晕线放电更容易产生游离的电子/负离子并和污染物颗粒结合使其带电)，控制收集一组B-1-2、收集二组B-2-2和收集三组B-3-2接入可控高压电源7的正极；控制器12采集前部颗粒浓度传感器组5和后部颗粒浓度传感器组6的数据，并进入B区颗粒物浓度反馈调节模式，经过一段时间后返回上一级的偏转电极通电步骤。

当颗粒偏转区A中存在大量的带正电和/或带负电的颗粒，并在偏转电极的作用下向电极偏转时，即当浓度传感器5-1和/或5-3的浓度值≥M倍的5-2浓度(M＞1，根据实际需要可调整的比例值)时，控制器12控制转动导流板3变形为层流引导模式，即转动导流板变形为层流引导模式，同时颗粒收集区B进入分极性收集模式，即控制器12控制电源继电器组8向正电颗粒收集区B-1中的放电一组B-1-1接入可控高压电源7的正极，控制收集一组B-1-2接入可控高压电源7的负极(这样接电可以实现增加进入正电颗粒收集区B-1中带正电的污染物颗粒的带电量，使其更容易被正电颗粒收集区B-1中的折流收集板10和侧收集板11收集)；控制器12控制电源继电器组8向中性颗粒收集区B-2中的放电二组B-2-1接入可控高压电源7的负极，控制收集二组B-2-2接入可控高压电源7的正极；控制器12控制电源继电器组8向负电颗粒收集区B-3中的放电三组B-3-1接入可控高压电源7的负极，控制收集三组B-3-2接入可控高压电源7的正极(同样是增加带负电的污染物颗粒的带电量)，并进入B区颗粒物浓度反馈调节模式。

经过一段时间后进入判断条件三，当颗粒偏转区A中存在大量的带正电和/或带负电的颗粒，并在偏转电极的作用下向电极偏转时，即当浓度传感器5-1和/或5-3的浓度值＞N倍的5-2浓度(N为＜1，根据实际需要可调整的比例值)时，返回分极性收集模式。当颗粒偏转区A中不存在大量的带正电和/或带负电的颗粒，进入正电颗粒收集区B-1和负电颗粒收集区B-3中进入的颗粒较少时，即当浓度传感器5-1和/或5-3的浓度值≤N倍的5-2浓度(N＜1)时，控制器12控制转动导流板由层流模式变形为喇叭形的扩散模式，并返回判断条件二后的偏转电极断电步骤。

B区颗粒物浓度反馈调节模式，结合附图2、4，以正电颗粒收集区B-1为例，位于其后部颗粒浓度传感器6-1检测经过静电集尘后排出正电颗粒收集区B-1气流中的颗粒物浓度，当后部颗粒浓度传感器6-1检测到的浓度大于预设值(例如pm2.5>45μg/m³)时，说明除尘效率降低，控制器12控制电源继电器组8增加放电一组B-1-1中电晕线9的通电数量(提高荷电效率)和或控制可控高压电源7增加放电一组B-1-1和收集一组B-1-2之间的电压(提高收集效率)；当后部颗粒浓度传感器6-1检测到的浓度小于预设值时，说明除尘系统功效过剩，为了降低功耗节约成本控制器12控制电源继电器组8减少放电一组B-1-1中电晕线9的通电数量和或控制可控高压电源7降低放电一组B-1-1和收集一组B-1-2之间的电压；后部颗粒浓度传感器6-1以一定的时间间隔进行浓度采样，通电数量和通电电压处于动态调整当中。中性颗粒收集区B-2和负电颗粒收集区B-3的颗粒物浓度反馈调节方式和正电颗粒收集区B-1相同，每个颗粒收集区之间独立调整，互不干扰。

需要注意的是，附图3中所示的只是该系统初始启动后的理想状态流程图，并不代表所有的工作状态，例如主浓度传感器4在整个除尘系统工作的过程中一直处于采样状态，当主浓度传感器4检测到的颗粒浓度不大于预设值时，控制器12将控制整个除尘系统进入待机状态，除了引风机(图中未示出)、主浓度传感器4和控制器12其它部件均不工作。再例如在整个除尘系统处于正常工作状态时，B区颗粒物浓度反馈调节模式始终处于运行状态，不受其它(切换待机模式除外)模式切换和部件工作状态改变的影响。

实施例二

参考附图1、6，将实施例一静电除尘装置的颗粒偏转区A中的偏转负电极A-1和偏转正电极A-2去掉，并在颗粒偏转区A加入偏转磁场A-3，偏转磁场A-3的磁感线方向和气流方向垂直，利用带电粒子在垂直于磁场中运动时受到磁场洛伦兹力作用的原理，偏转磁场A-3实现和实施例一中偏转电极A-1和A-2相同的作用，即使得气流中带正电的颗粒偏转进入正电颗粒收集区B-1，使得气流中带负电的颗粒偏转进入负电颗粒收集区B-3。

偏转磁场A-3可采用安装在壳体1上的电磁装置(图中未示出)生成，电磁装置可以为电磁线圈，控制器12控制电源继电器组8和可控高压电源7向电磁装置供入合适的直流电，在颗粒偏转区A形成稳定的偏转磁场A-3，通过控制可控高压电源7的输入电压从而实现控制偏转磁场A-3的强度大小。

该实施例中的控制原理和控制方法和实施例一相同，只是将偏转电极断电和偏转电极通电步骤对应替换为偏转磁场A-3断电和偏转磁场A-3通电步骤。采用偏转磁场的好处是由于洛伦兹力始终垂直于带电颗粒的运动方向，因此对带电颗粒的偏转效果更好，适合用于带电荷量较少的颗粒的偏转。

实施例三

参考附图1、7，将实施例一静电除尘装置的颗粒偏转区A中加入偏转磁场A-3，偏转磁场A-3的磁感线方向和气流方向垂直，利用带电粒子在垂直于磁场中运动时收到磁场洛伦兹力作用的原理，偏转磁场A-3和偏转电极A-1和A-2共同作用，即通过电场力和洛伦兹力共同作用使得气流中带正电的颗粒偏转进入正电颗粒收集区B-1，使得气流中带负电的颗粒偏转进入负电颗粒收集区B-3。采用电场和磁场叠加的好处是可以得到比采用单一电场或磁场更好的偏转效果，和实施例一、二相比可以有效的减少颗粒偏转区A的长度，从而减小整个静电除尘装置的体积。

偏转磁场A-3可采用安装在壳体1上的电磁装置(图中未示出)生成，电磁装置可以为电磁线圈，控制器12控制电源继电器组8和可控高压电源7向电磁装置供入合适的直流电，在颗粒偏转区A形成稳定的偏转磁场A-3，通过控制可控高压电源7的输入电压从而实现控制偏转磁场A-3的强度大小。

该实施例中的控制原理和控制方法和实施例一相同，只是将偏转电极断电步骤替换为偏转电极断电和偏转磁场A-3断电步骤，将偏转电极通电步骤替换为偏转电极通电和偏转磁场A-3通电步骤。

上述仅为发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，容易想到的变化或替换实施方式，都应涵盖在本发明的保护范围内。