基本信息
- 项目名称：
- 家用太阳能可吸入颗粒物消除器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本发明以太阳能的热能作为驱动力，配合空气对流散热，实现以烟囱效应抽吸含颗粒物的空气，进而以热泳效应对其中颗粒物进行捕集。其组成主要包括太阳能集热板、颗粒捕集板以及抽吸裙。本发明适用范围为0.1至10µm的可吸入颗粒。在保证一定效率的基础上，只需要极低的成本，并实现零耗电。
- 详细介绍：
- 大气是人类赖以生存的基本环境要素。但随着工业的发展、城市人口的密集、煤炭和石油燃料的迅猛增长，大气环境质量日趋恶化，大气污染已经成为影响世界环境和人类身体健康的主要危害因素之一。现代人60％ ～80％以上的时间是在室内活动，尤其是婴幼儿、老弱残疾者在室内的时间更长。室内空气中的悬浮颗粒物能够长时间悬浮在空气中，因此，室内悬浮颗粒物给人们的健康产生了相当不利的影响。粒径小于1 0µm的粒子可通过呼吸进入人体的上、下呼吸道，尤其是直径小于2.5µm的细颗粒物，可通过上、下呼吸道和支气管到达肺部沉积，甚至可通过肺泡进入人体血液。加之随着颗粒物粒径的减小，细颗粒上吸附重金属、酸性氧化物、有机污染物（如多环芳烃)等有害物质的趋势增多，并且它还是细菌、病毒和真菌的主要载体。与源源不断的污染形成巨大反差的是，由于可吸入颗粒物尺寸十分微小，难以与流场分离，控制和消减手段非常有限。目前国内外工业除尘的几个方法如旋风除尘、静电除尘、布袋除尘等，设备功耗大、难以有效捕捉微纳米颗粒且难以家用化。 本发明以太阳能的热能作为驱动力，配合空气对流散热，实现以烟囱效应抽吸含颗粒物的空气，进而以热泳效应对其中颗粒物进行捕集。其组成主要包括太阳能集热板、颗粒捕集板以及抽吸裙。本发明适用范围为0.1至10µm的可吸入颗粒。在保证一定效率的基础上，只需要极低的成本，并实现零耗电。 本发明技术关键为集热板、散热板和抽吸裙的传热学设计及优化。产品预计高度1-1.5米，占地面积不超过0.5平方米（或与建筑物融合），包括集热板、颗粒捕集板及抽吸裙三个核心组成部分，运行无需电力供应，在有阳光的时候可以满足一户普通家庭的空气除尘净化需求。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 大气是人类赖以生存的基本环境要素。但随着现代化进程深入，大气环境质量日趋恶化，大气污染已经成为影响人类身体健康的主要危害因素之一。现代人60%以上的时间是在室内活动，尤其是婴幼儿、老弱残疾者在室内的时间更长。室内空气中的悬浮颗粒物能够长时间悬浮在空气中，因此，室内悬浮颗粒物给人们的健康产生了相当不利的影响。粒径小于10µm的粒子可通过呼吸进入人体的上、下呼吸道，尤其是直径小于2.5µm的细颗粒物，可通过上、下呼吸道和支气管到达肺部沉积，甚至可通过肺泡进入人体血液。加之随着颗粒物粒径的减小，细颗粒上吸附重金属、酸性氧化物、有机污染物、细菌、病毒和真菌等有害物质的趋势增多。由于可吸入颗粒物尺寸十分微小，难以与流场分离，控制和消减手段非常有限。目前国内外工业除尘的几个方法如旋风除尘、静电除尘等，设备功耗大、难以有效捕捉微纳米颗粒且难以家用化。 本发明以太阳能的热能作为驱动力，配合空气对流散热，实现以烟囱效应抽吸含颗粒物的空气，进而以热泳效应对其中颗粒物进行捕集。其组成主要包括太阳能集热板、颗粒捕集板以及抽吸裙。本发明适用范围为0.1至10µm的可吸入颗粒。在保证一定效率的基础上，只需要极低的成本，并实现零耗电。 本发明技术关键为集热板、散热板和抽吸裙的传热学设计及优化。产品预计高度1-1.5米，占地面积不超过0.5平方米（或与建筑物融合），包括集热板、颗粒捕集板及抽吸裙三个核心组成部分，运行无需电力供应，在有阳光的时候可以满足一户普通家庭的空气除尘净化需求。
科学性、先进性
- 目前国内外，除尘主要有以下几个方法： ①旋风除尘器。 ②静电除尘器。 ③布袋除尘器。 ④蒸汽喷淋除尘。 ⑤上述方法两种或两种以上的组合。 总的来说，以上方法对超细颗粒的消除效果不好，同时耗能比较大。比如旋风和布袋除尘器有比较大的压阻，需要增压设备，而静电除尘器需要消耗电能。与此同时，许多公司都推出了不同类型的空气净化设备，其市场定位大多在于家用可吸入颗粒物、细菌以及有害气体的消除。它们的共同特点是耗能大且成本高昂。 本发明以太阳能光热转换作为热源，辅助利用空气对流散热产生温差，结构极其简单，制作成本低廉。用热泳效应进行可吸入颗粒物的清除，理论上已经有扎实的基础，虽然长久以来应用设想很多，但是将其与太阳能热利用相结合尚属首例，此为本发明的创新点所在。更重要的是，此装置为零耗能运行，充分体现了绿色环保和节能减排的精神，在一定程度上能够解决现在日益严重的可吸入颗粒物污染问题，具有很深的推广潜力和巨大的商业价值。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年5月，北京大学第十八届挑战杯科学竞赛一等奖 2010年11月，全国学联大学生科技作品展
作品所处阶段
- 实验室阶段完成，小范围中试
技术转让方式
- 专利申请
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品使用时只需置于阳光下，无需其他额外能源供应，它零耗能，充分体现了绿色环保和节能减排的精神，并且目的是为家庭生活带来洁净健康的空气。IV（高智发明）的一份市场调研报告中提到，2011年室内空气净化市场预计达到104亿美元。目前国际上对于可吸入颗粒物消减的技术研究均处于起步阶段，尚有大量未解决难点。开发高效低耗，可以规模化应用的可吸入颗粒消减技术迫在眉睫，相关成果毫无疑问带来巨大的社会效益和经济效益。本作品正处于设计雏形期，已经在试验中取得了不错的效果，鉴于其简单的结构和低廉的价格，改进和优化前景巨大，同时也可应用于工厂中的大型除尘设备，因此其经济效益及市场前景非常明朗。
同类课题研究水平概述
- 大多数国家都规定了空气中PM10的质量标准，美国国家环保局EPA于1985年将原始颗粒物指示物质由总悬浮颗粒物（TSP）项目修改为PM10，我国也于1996年规定了PM10的二级质量标准为100µg/m3（GB 16297-1996标准）。随着认识的发展，美国环保局在1997年再一次修改美国国家大气质量标准，规定了PM2.5的最高限制值，以降低这些微细颗粒物对人体健康和环境的影响。我国目前仍沿用GB 16297-1996标准。 在此背景下，从环境保护角度考虑，政府需要推动新的排放标准，鼓励和强制企业和集体减少颗粒物的排放。因此，如何消除可吸入颗粒物就成为了我们关注的重点。目前国内外，工厂尤其是火电厂除尘主要有以下几个方法： ⑥ 旋风除尘器：利用大灰尘的惯性和离心力去除大颗粒。 ⑦ 静电除尘器：利用静电场吸附颗粒。 ⑧ 布袋除尘器：利用纤维织物过滤颗粒。 ⑨ 蒸汽喷淋除尘：在喷淋塔中造成水雾和增加湿度使其沉降。 ⑩ 上述方法两种或两种以上的组合。 以上颗粒物的消除方法有他们各自的缺陷，总的来说，其共同问题在于对超细颗粒（粒径小于1µm）的消除效果不好，同时，耗能比较大。比如旋风和布袋除尘器有比较大的压阻，需要增压设备，而静电除尘器需要消耗电能。 热泳效应是流体中悬浮颗粒在温度场中的一种运动现象，利用热泳效应可以在一定效果上消除可吸入颗粒物。王世超等研究了可吸入颗粒物在不同温度差下的运动特性，得到了颗粒物运动与温度梯度的关系。周涛等做了大量有关各型通道消除可吸入颗粒物的技术研究，得到了各种通道在不同热工况下消除效果等重要研究成果。Changfu You等研究了静电消除与热泳消除相结合的可吸入颗粒物消除方法，并取得了不错的结果。 然而上述研究依然仅限于利用外界能量提供热源的热泳消除技术研究。利用太阳能热效应与热泳相结合的可吸入颗粒物消除技术尚未出现。本研究基于已有的研究资料，设计并制造了利用太阳能产生热泳效应的可吸入颗粒物消除器，并将其实用化、家用化，同时利用CFD计算模拟了颗粒在温度场中的运动情况，并对对作品进行了优化和改进。最后，作品在热泳消除模块的基础上添加了抽吸裙，辅助增强空气流场运动，使作品更加实用。
