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基本信息

項(xiàng)目名稱：
家用太陽能可吸入顆粒物消除器
小類：
能源化工
簡介：
本發(fā)明以太陽能的熱能作為驅(qū)動力，配合空氣對流散熱，實(shí)現(xiàn)以煙囪效應(yīng)抽吸含顆粒物的空氣，進(jìn)而以熱泳效應(yīng)對其中顆粒物進(jìn)行捕集。其組成主要包括太陽能集熱板、顆粒捕集板以及抽吸裙。本發(fā)明適用范圍為0.1至10μm的可吸入顆粒。在保證一定效率的基礎(chǔ)上，只需要極低的成本，并實(shí)現(xiàn)零耗電。
詳細(xì)介紹：
大氣是人類賴以生存的基本環(huán)境要素。但隨著工業(yè)的發(fā)展、城市人口的密集、煤炭和石油燃料的迅猛增長，大氣環(huán)境質(zhì)量日趨惡化，大氣污染已經(jīng)成為影響世界環(huán)境和人類身體健康的主要危害因素之一?，F(xiàn)代人60％ ～80％以上的時(shí)間是在室內(nèi)活動，尤其是嬰幼兒、老弱殘疾者在室內(nèi)的時(shí)間更長。室內(nèi)空氣中的懸浮顆粒物能夠長時(shí)間懸浮在空氣中，因此，室內(nèi)懸浮顆粒物給人們的健康產(chǎn)生了相當(dāng)不利的影響。粒徑小于1 0μm的粒子可通過呼吸進(jìn)入人體的上、下呼吸道，尤其是直徑小于2.5μm的細(xì)顆粒物，可通過上、下呼吸道和支氣管到達(dá)肺部沉積，甚至可通過肺泡進(jìn)入人體血液。加之隨著顆粒物粒徑的減小，細(xì)顆粒上吸附重金屬、酸性氧化物、有機(jī)污染物（如多環(huán)芳烴)等有害物質(zhì)的趨勢增多，并且它還是細(xì)菌、病毒和真菌的主要載體。與源源不斷的污染形成巨大反差的是，由于可吸入顆粒物尺寸十分微小，難以與流場分離，控制和消減手段非常有限。目前國內(nèi)外工業(yè)除塵的幾個(gè)方法如旋風(fēng)除塵、靜電除塵、布袋除塵等，設(shè)備功耗大、難以有效捕捉微納米顆粒且難以家用化。 本發(fā)明以太陽能的熱能作為驅(qū)動力，配合空氣對流散熱，實(shí)現(xiàn)以煙囪效應(yīng)抽吸含顆粒物的空氣，進(jìn)而以熱泳效應(yīng)對其中顆粒物進(jìn)行捕集。其組成主要包括太陽能集熱板、顆粒捕集板以及抽吸裙。本發(fā)明適用范圍為0.1至10μm的可吸入顆粒。在保證一定效率的基礎(chǔ)上，只需要極低的成本，并實(shí)現(xiàn)零耗電。 本發(fā)明技術(shù)關(guān)鍵為集熱板、散熱板和抽吸裙的傳熱學(xué)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。產(chǎn)品預(yù)計(jì)高度1-1.5米，占地面積不超過0.5平方米（或與建筑物融合），包括集熱板、顆粒捕集板及抽吸裙三個(gè)核心組成部分，運(yùn)行無需電力供應(yīng)，在有陽光的時(shí)候可以滿足一戶普通家庭的空氣除塵凈化需求。

作品圖片

  • 家用太陽能可吸入顆粒物消除器

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

大氣是人類賴以生存的基本環(huán)境要素。但隨著現(xiàn)代化進(jìn)程深入，大氣環(huán)境質(zhì)量日趨惡化，大氣污染已經(jīng)成為影響人類身體健康的主要危害因素之一?，F(xiàn)代人60%以上的時(shí)間是在室內(nèi)活動，尤其是嬰幼兒、老弱殘疾者在室內(nèi)的時(shí)間更長。室內(nèi)空氣中的懸浮顆粒物能夠長時(shí)間懸浮在空氣中，因此，室內(nèi)懸浮顆粒物給人們的健康產(chǎn)生了相當(dāng)不利的影響。粒徑小于10μm的粒子可通過呼吸進(jìn)入人體的上、下呼吸道，尤其是直徑小于2.5μm的細(xì)顆粒物，可通過上、下呼吸道和支氣管到達(dá)肺部沉積，甚至可通過肺泡進(jìn)入人體血液。加之隨著顆粒物粒徑的減小，細(xì)顆粒上吸附重金屬、酸性氧化物、有機(jī)污染物、細(xì)菌、病毒和真菌等有害物質(zhì)的趨勢增多。由于可吸入顆粒物尺寸十分微小，難以與流場分離，控制和消減手段非常有限。目前國內(nèi)外工業(yè)除塵的幾個(gè)方法如旋風(fēng)除塵、靜電除塵等，設(shè)備功耗大、難以有效捕捉微納米顆粒且難以家用化。 本發(fā)明以太陽能的熱能作為驅(qū)動力，配合空氣對流散熱，實(shí)現(xiàn)以煙囪效應(yīng)抽吸含顆粒物的空氣，進(jìn)而以熱泳效應(yīng)對其中顆粒物進(jìn)行捕集。其組成主要包括太陽能集熱板、顆粒捕集板以及抽吸裙。本發(fā)明適用范圍為0.1至10μm的可吸入顆粒。在保證一定效率的基礎(chǔ)上，只需要極低的成本，并實(shí)現(xiàn)零耗電。 本發(fā)明技術(shù)關(guān)鍵為集熱板、散熱板和抽吸裙的傳熱學(xué)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。產(chǎn)品預(yù)計(jì)高度1-1.5米，占地面積不超過0.5平方米（或與建筑物融合），包括集熱板、顆粒捕集板及抽吸裙三個(gè)核心組成部分，運(yùn)行無需電力供應(yīng)，在有陽光的時(shí)候可以滿足一戶普通家庭的空氣除塵凈化需求。

科學(xué)性、先進(jìn)性

目前國內(nèi)外，除塵主要有以下幾個(gè)方法： ①旋風(fēng)除塵器。 ②靜電除塵器。 ③布袋除塵器。 ④蒸汽噴淋除塵。 ⑤上述方法兩種或兩種以上的組合。 總的來說，以上方法對超細(xì)顆粒的消除效果不好，同時(shí)耗能比較大。比如旋風(fēng)和布袋除塵器有比較大的壓阻，需要增壓設(shè)備，而靜電除塵器需要消耗電能。與此同時(shí)，許多公司都推出了不同類型的空氣凈化設(shè)備，其市場定位大多在于家用可吸入顆粒物、細(xì)菌以及有害氣體的消除。它們的共同特點(diǎn)是耗能大且成本高昂。 本發(fā)明以太陽能光熱轉(zhuǎn)換作為熱源，輔助利用空氣對流散熱產(chǎn)生溫差，結(jié)構(gòu)極其簡單，制作成本低廉。用熱泳效應(yīng)進(jìn)行可吸入顆粒物的清除，理論上已經(jīng)有扎實(shí)的基礎(chǔ)，雖然長久以來應(yīng)用設(shè)想很多，但是將其與太陽能熱利用相結(jié)合尚屬首例，此為本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)所在。更重要的是，此裝置為零耗能運(yùn)行，充分體現(xiàn)了綠色環(huán)保和節(jié)能減排的精神，在一定程度上能夠解決現(xiàn)在日益嚴(yán)重的可吸入顆粒物污染問題，具有很深的推廣潛力和巨大的商業(yè)價(jià)值。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

2010年5月，北京大學(xué)第十八屆挑戰(zhàn)杯科學(xué)競賽一等獎(jiǎng) 2010年11月，全國學(xué)聯(lián)大學(xué)生科技作品展

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段完成，小范圍中試

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

專利申請

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

本作品使用時(shí)只需置于陽光下，無需其他額外能源供應(yīng)，它零耗能，充分體現(xiàn)了綠色環(huán)保和節(jié)能減排的精神，并且目的是為家庭生活帶來潔凈健康的空氣。IV（高智發(fā)明）的一份市場調(diào)研報(bào)告中提到，2011年室內(nèi)空氣凈化市場預(yù)計(jì)達(dá)到104億美元。目前國際上對于可吸入顆粒物消減的技術(shù)研究均處于起步階段，尚有大量未解決難點(diǎn)。開發(fā)高效低耗，可以規(guī)?；瘧?yīng)用的可吸入顆粒消減技術(shù)迫在眉睫，相關(guān)成果毫無疑問帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。本作品正處于設(shè)計(jì)雛形期，已經(jīng)在試驗(yàn)中取得了不錯(cuò)的效果，鑒于其簡單的結(jié)構(gòu)和低廉的價(jià)格，改進(jìn)和優(yōu)化前景巨大，同時(shí)也可應(yīng)用于工廠中的大型除塵設(shè)備，因此其經(jīng)濟(jì)效益及市場前景非常明朗。

同類課題研究水平概述

大多數(shù)國家都規(guī)定了空氣中PM10的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，美國國家環(huán)保局EPA于1985年將原始顆粒物指示物質(zhì)由總懸浮顆粒物（TSP）項(xiàng)目修改為PM10，我國也于1996年規(guī)定了PM10的二級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為100μg/m3（GB 16297-1996標(biāo)準(zhǔn)）。隨著認(rèn)識的發(fā)展，美國環(huán)保局在1997年再一次修改美國國家大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了PM2.5的最高限制值，以降低這些微細(xì)顆粒物對人體健康和環(huán)境的影響。我國目前仍沿用GB 16297-1996標(biāo)準(zhǔn)。 在此背景下，從環(huán)境保護(hù)角度考慮，政府需要推動新的排放標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)和強(qiáng)制企業(yè)和集體減少顆粒物的排放。因此，如何消除可吸入顆粒物就成為了我們關(guān)注的重點(diǎn)。目前國內(nèi)外，工廠尤其是火電廠除塵主要有以下幾個(gè)方法： ⑥ 旋風(fēng)除塵器：利用大灰塵的慣性和離心力去除大顆粒。 ⑦ 靜電除塵器：利用靜電場吸附顆粒。 ⑧ 布袋除塵器：利用纖維織物過濾顆粒。 ⑨ 蒸汽噴淋除塵：在噴淋塔中造成水霧和增加濕度使其沉降。 ⑩ 上述方法兩種或兩種以上的組合。 以上顆粒物的消除方法有他們各自的缺陷，總的來說，其共同問題在于對超細(xì)顆粒（粒徑小于1μm）的消除效果不好，同時(shí)，耗能比較大。比如旋風(fēng)和布袋除塵器有比較大的壓阻，需要增壓設(shè)備，而靜電除塵器需要消耗電能。 熱泳效應(yīng)是流體中懸浮顆粒在溫度場中的一種運(yùn)動現(xiàn)象，利用熱泳效應(yīng)可以在一定效果上消除可吸入顆粒物。王世超等研究了可吸入顆粒物在不同溫度差下的運(yùn)動特性，得到了顆粒物運(yùn)動與溫度梯度的關(guān)系。周濤等做了大量有關(guān)各型通道消除可吸入顆粒物的技術(shù)研究，得到了各種通道在不同熱工況下消除效果等重要研究成果。Changfu You等研究了靜電消除與熱泳消除相結(jié)合的可吸入顆粒物消除方法，并取得了不錯(cuò)的結(jié)果。 然而上述研究依然僅限于利用外界能量提供熱源的熱泳消除技術(shù)研究。利用太陽能熱效應(yīng)與熱泳相結(jié)合的可吸入顆粒物消除技術(shù)尚未出現(xiàn)。本研究基于已有的研究資料，設(shè)計(jì)并制造了利用太陽能產(chǎn)生熱泳效應(yīng)的可吸入顆粒物消除器，并將其實(shí)用化、家用化，同時(shí)利用CFD計(jì)算模擬了顆粒在溫度場中的運(yùn)動情況，并對對作品進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。最后，作品在熱泳消除模塊的基礎(chǔ)上添加了抽吸裙，輔助增強(qiáng)空氣流場運(yùn)動，使作品更加實(shí)用。
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