专利名称：具有非层流结构的流体净化器的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及空气或流体光催化/热催化净化器，更具体
地，涉及一种净化系统，其中，施加催化涂层的基板的结构和尺寸被设 计为导致性能增强。
背景技术：
室内空气可包括痕量的污染物，该污染物包括一氧化碳，臭 氧和挥发性有机化合物，该挥发性有机化合物例如曱醛、曱苯、丙醛、 丁烯和乙醛。吸附空气过滤器，例如活性炭，已被采用以从空气中去除 这些污染物。当空气流过该过滤器时，过滤器阻挡污染物通过，允许无 污染物的空气从过滤器流出。采用该过滤器的缺点是，它们简单地阻挡 污染物通过，并不消灭污染物。另外，该过滤器不能有效地阻挡臭氧和 一氧化碳。 二氧化钛已被采用为空气净化器中的光催化剂，以消灭污染 物。当用紫外光照射二氧化钛时，光子被二氧化钛吸收，从价带提升电 子到导带，从而在价带中产生空穴，并在导带中添加电子。提升的电子 与氧气反应，且留在价带中的空穴与水反应，形成反应羟自由基。当污 染物吸附在二氧化钛催化剂上时，羟自由基攻击污染物，并将该污染物 氧化为水、二氧化^_和其他物质。掺杂的或金属氧化处理的二氧化钛能够增加二氧化钛光催化 剂的有效性。但是，在氧化一氧化碳中，二氧化钛和掺杂二氧化钛的效 果不大或无效。 一氧化碳(CO)是一种无色、无味且有毒的气体，它由 烃燃料的不完全燃烧产生。 一氧化碳比其他任何毒物导致更多死亡，而 且在封闭环境中特别危险。在二氧化钛上可加载金，作为一氧化碳至二 氧化石友的室温氧化的有效热催化剂。 二氧化钛的单独光催化在分解臭氧中效果不大。臭氧(03) 是从工作场所常用设备中释放的一种污染物，该设备例如复印机、打印 机、扫描仪等。臭氧能引起恶心和头痛，且长期暴露于臭氧可以破坏鼻 腔粘膜，引起呼吸问题。OSHA已设定了允许暴露限值(PEL)为8小时
50.08ppm的臭氧。臭氧是热力学不稳定分子，且在温度高达25(TC下极慢地分 解。在环境温度下，通过促使臭氧氧化至吸附表面氧原子，氧化锰有效 分解臭氧。这些吸附的氧原子随后与臭氧结合，以形成一种吸附过氧化 物物种，该过氧化物作为氧分子释放。流体净化系统因此已被开发为具有催化涂层，该催化涂层施 加至基板表面，流体从该表面上流过，使得催化剂氧化并分解气态污染 物，该污染物包括挥发性有机化合物、 一氧化碳和臭氧，且该污染物吸 附入光催化剂表面，以形成二氧化碳、水、氧气和其它物质。在基于光 催化剂的空气净化器中，包括半挥发性污染物的气相被光催化剂消灭。 光催化剂本身由适当波长的光子激活。这种净化器的设计将污染物和光 子都带到光催化剂，污染物的氧化可发生在该光催化剂处。为了有效地 实现这一目标，该设计必须考虑到污染物的质量传递和光子的辐射传递。 光催化剂的一个可能的支撑是蜂窝单块；蜂窝壁涂覆有光催化剂的薄层。 该蜂窝结构通常包含大小相等的"胞室"或通道的阵列，且由于该蜂窝 结构顺畅的流动区域和平滑的壁，该蜂窝结构的特征为低压降。阵列也 可包含相邻的胞室，这些胞室具有不同的截面几何形状或直径。这些基 板的典型尺寸使得恰好在蜂窝出口之前，通过蜂窝每个通道的空气流为 层流。这个层流在反应器有效性上设置了传质限值。当关联流动状态为层流时，随后到催化剂的污染物质量传递 被分子扩散限制。对于光催化剂足够活跃的情况，污染物消灭过程的总 的有效性将被分子扩散速率限制，并由此可看作是质量传递限制。因此， 需要在基板长度内消除层流的发生，从而增加这种系统的传质效率。另外，且独立于这种情况，有"入口长度效应"。在蜂窝入 口，传质系数最大，并随流动方向上的距离减小，当速度和污染物场被 充分展开时，传质系数达到最小值。入口长度是从蜂窝入口测量至充分 展开状态的位置(流体流轮廓展开为抛物线轮廓，即层流)的距离。入 口长度(L)的表达式通常根据单蜂窝胞室的直径(D)表示，并在函数 上相关于胞室的雷诺数(ReD)和施密特数(Sc):
L/D=0.05 ReD*Sc。在本案中，我们认为如果雷诺数值小于2000，那么流动状态 为层流。蜂窝概念应用的又一约束是UV光子进入蜂窝胞室内部的穿透深度。该uv穿透深度是几何约束，并独立于流速。因此，蜂窝的使用 在uv穿透深度的应用上可被限制。
发明内容
简言之，根据本发明的一个方面，催化涂层施加的基板胞室
表面结构设计成(例如具有紋饰)破坏层流的发生，并意图创造沿穿过 该表面的流体的流3各的湍流。根据本发明的另一个方面，基板胞室的长度(X)相似于或小 于入口长度(L),使得在其它情况下会发生的层流所强加的传质限值显
著减轻。根据本发明的另一个方面，不同于单个相对长的基板，多个 相对短的基板以偏移串联流关系设置。根据本发明的另一个方面，紋饰特征被引入，以创造湍流并 减少沿基板表面的层流的发生。根据本发明的又一个方面，基板胞室尺寸设计为维持沿它们 长度的足够传质系数。根据本发明的又一个方面，基板尺寸和结构设计为维持在贯 穿它们长度的UV光子处的足够穿透深度。在下文描述的附图中，描绘了一个优选的实施方式；但是， 可以对其进行各种其他变型和替代构造，而不背离本发明的精神和范围。
图1是一种催化空气净化器的蜂窝基板立体图。图2是蜂窝长度在其传质系数上的效果图示。图3是入口效应在虫奪窝胞室动力学反应速率上的图示。图4A和图4B显示了在L<X和X<L的情况下，流体流4仑廓
的代表性例子，该轮廓具有单个和分段的蜂窝阵列。
图5是一种蜂窝结构偏移组合的示意图。
图6是一种蜂窝胞室的端视图，该蜂窝胞室具有附加在其上
的紋饰特征。图7A,图7B和图7C显示了 一种蜂窝阵列的侧视图，该蜂 窝阵列具有分别偏移并邻近该阵列的湍流器结构。
7视图， 这些蜂窝阵列具有空隙和不具有空隙，并在个体段之间具有湍流器结构。
具体实施例方式单块蜂窝胞室阵列在图1中以11示出，它包括多个连接成整 体的多边通道12,该通道沿胞室长度X以平行关系延伸。光催化剂，例 如二氧化钛，涂覆在通道12的内表面上，随后该涂层用紫外(UV)线 照射，以引起化学反应，当空气穿过个体通道12时，该化学反应有助于 去除并消灭空气的污染物。由于各种因素，包括入口长度效应、UV线穿透深度的变化以 及空气流变成实际上的层流的倾向，光催化过程的有效性会沿胞室阵列 11的长度X变化。这些效应的每一个都将在本文纟皮讨论。当空气进入个体胞室12的入口时，传质系数在胞室的入口最 大，并随流动方向上的距离减小，当速度和污染物场被充分展开时，传 质系数达到最小值，并具有大致的抛物线轮廓。上述从蜂窝入口 (X=0) 测量至充分展开状态的距离被称为入口长度(L)。如果个体胞室12的 直径是D,入口长度(L)通常根据个体蜂窝胞室直径D表示，并在函数 上如下地相关于胞室的雷诺数(ReD)和施密特数(Sc):
I7D=0.05 ReD*Sc。当蜂窝胞室的物理长度(X)超过入口长度(L)时，总质量 传递主要由克分展开状态的质量传递系数确定。也就是说，当L小于X 时，充分展开的速度(抛物线)轮廓在蜂窝长度内展开，使得充分展开 状态的传质系数(h0 )在蜂窝内。这种情况对于系统的有效性极度不可取。另 一方面，如果蜂窝胞室的物理长度(X )小于入口长度(L )， 那么流轮廓绝不会在蜂窝内充分展开为抛物线形，在这种情况下，ho在 蜂窝之外并引起h/h。的比率变得极大。传质系数h现在大于蜂窝流通道 内任何位置的h0。那么总质量传递系数主要取决于实际的胞室深度(X )。如图2所示，显示了传质系数(h)与充分展开区域的传质系 数(h0)的比率。事实上，总传质系数是局部传质系数(h)从胞室入口 (X=0)至胞室深度(X)的积分。由于对数关系，这个积分主要由端点 (X)确定。图2是蜂窝长度(X)影响传质系数(h)的图示。这里，纵坐标h/h。简单地将新的质量传递系数(h)与充分建立了流轮廓的质量传 递系数ho联系起来。横坐标(X/D)/(Re申Sc),描述了蜂窝几何形状与流体 流动状态的相互作用。可以看出，曲线降低到靠近横坐标(X/D)/(Re+Sc)等于约0.1 的点的h/ho值。因此，当蜂窝胞室直径与流动状态的结合致使图2的横 坐标小于约0.1的值时，有机会增大传质系数，从而提高净化器的性能。 例如，字母A!模拟一个假设情况，在该情况下，蜂窝的初始长度和流动 状态导致横坐标约0.01的值和纵坐标约1.3的值(即传质系数的比率)。 现在，如果这个蜂窝被分割(即垂直于流场方向割开)为大约等长的两 个不同部件或部分，然后每个部分的物理深度同样也切成半，继而，新 点在图2横坐标上的位置减半，如字母A2指示。如果这两个蜂窝部分重 新组合，但以一半胞室直径偏移，那么所得传质系数比率会增至约1.7， 如字母A2指示，在质量传递效果中的净改善为1.3 (=1.7/1.3)。又例如， 如果该蜂窝被分割为三个不同的部分，且每个部分重新组合，但以一半 胞室直径偏移，那么所得传质系数比率会增至约2.0，如字母A3指示， 在质量传递效果中的净改善为1.5 (=2.0/1.3)。这些例子证明了从分段蜂 窝概念得到的潜在益处。图4A和图4B示意性地显示了当蜂窝结构被分段时，L<X和 X<L情况下的流场关系。在前一种情况下，流场已经充分展开为抛物线 轮廓。在后一种的更期望的情况下，抛物线的流轮廓恰好被建立在蜂窝 通道的长度之外。除了传质系数被基于蜂窝的空气净化器的尺寸特征影响，蜂 窝胞室中UV光子的穿透深度同样取决于胞室的尺寸特征，如图3所示。 在这里，UV通量比率，图3中的纵坐标，代表了光催化剂上动力学氧化 速率的比率，并被显示为长径比蜂窝胞室的X/D的函数。图3中的纵坐标是任何胞室深度(X )处的UV通量与胞室入 口处(作为X=0)的UV通量之比的平方根。光催化过程的氧化动力学 取决于上升至功率的UV通量。总的来说，功率因子取决于特定污染物， 并进一步取决于催化剂组分。在图3中，平方根关系是假设。例如，二 氧化钛光催化剂展示了 一些污染物的平方根关系。在图3中将看出，当蜂窝结构的长径比X/D增加至约4以上 时，UV通量比率接近O。因此，希望维持蜂窝结构的长径比在约4的值以下，且优选地在约2的值以下。由上述讨论将看出，传质系数和UV光子穿透深度都取决于 蜂窝胞室的长径比X/D。在希望胞室长度X小于入口长度L的同时，希 望限制胞室长度X,使得长径比X/D维持在本文上述讨论的参数内。另 一方面，胞室长度X的限制可能不必要地减小胞室的有效表面。因此， 如本文上述讨论的关于图2的性能特征，不同于使用单蜂窝结构，希望 使用多个处于偏移关系的较短结构，使得以极少压降的代价，能够增大 传质系数和光子利用。这种偏移设计在图5中显示，其中，第一蜂窝被 显示在13处，且第二蜂窝14设置在下游位置，并自流动轴线在径向方 向上偏移最大距离D/2。第二蜂窝14的入口端优选地与第一蜂窝13出口 端成邻接关系设置。第三蜂窝(未显示)然后可与第二蜂窝14成相似的 偏移关系设置，但与第一蜂窝13轴向对齐。任何数目的蜂窝结构随后能 够以这种方式被串联使用，以获得蜂窝结构空气净化器的更大有效性。改善污染物质量传递的一种替代方法是通过湍流器、突起或 扰流器16的应用，如图6所示。这些特征可在通道的内部(例如抬升V 形、转向叶片、斜带(trip strips)、漩涡特征、导叶或其他扰流器)，或 者可在通道的外部(例如紧邻于蜂窝阵列的面或从蜂窝阵列的面偏移， 但正交于阵列轴线的筛或网)，以在进入蜂窝阵列的流场中创造湍流。 通过本发明的另一方面，多个基板可被设置为相互紧邻或通过空隙偏移， 该空隙可进一步包含扰流器。扰流器16从蜂窝壁延伸并进入流场，以创 造通过涡旋滑泻的卡门不稳定性。涡旋的滑泻实际上是湍流产生器，该 湍流产生器诱导混合，并带来希望的改善污染物质量传递。为了避免光 催化剂的阴影，突起优选地由UV透明材料制成。它们的位置可在蜂窝 的入口或在胞室壁上的中间位置。作为在蜂窝入口处引入突起的另一种方法，交织网格17或垫 状构造(如筛)可置于靠着蜂窝的入口面，如图7A和图7B所示。如图 7C所示，该筛17可被小距离偏移，该距离足够创造并维持筛17下游的 湍流流场，或者如图7B所示，筛17可位于紧邻蜂窝阵列的入口侧。蜂窝段11和湍流器结构之间的空隙组合也预计更好地适应 流场特征，不限于图8A、图8B和图8C所示的例子。在图8A中，在段 ll之间没有空隙，在图8B中，空隙被设置在段ll之间，在图8C中， 交织网格17被设置在段11之间的空隙中。
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替代地，多个特征可形成在蜂窝通道表面上，或形成在蜂窝 通道表面内。为了创造卡门不稳定性和涡旋滑泻，突起必须在垂直于流 体速度的维度上空气动力学较钝。引起流场混合的一种替代方法是通过 凝涡。例如，突起可被设计为涡轮叶片的形状以诱导旋涡。可采用替代 的特征，例如但不限于，抬升V形、转向叶片、斜带、漩涡特征、导叶 或其他扰流器及其组合。这个在后的概念提供了关联更低压降的附加益 处。
权利要求
1.一种净化系统，该类型的净化系统具有至少一个基板，所述基板具有多个胞室，所述多个胞室具有沿流路延伸的表面，被污染的流体被规定在所述流路上流动，至少一个催化涂层施加至所述多个表面，其中，所述基板胞室的尺寸和结构设计为破坏沿所述流路的层流的发生。
2. 如权利要求1所述的净化系统，其特征在于所述基板胞室的尺寸设计为使得它们的长度等于或小于所述胞室的"入口长度"。
3. 如权利要求1所述的净化系统，其特征在于所述至少一个基板包括一对串联连接的基板。
4. 如权利要求3所述的净化系统，其特征在于所述串联连接的基板具有相互接合的表面。
5. 如权利要求3所述的净化系统，其特征在于所述串联连接的基板从相互接合部轴向分离。
6. 如权利要求3所述的净化系统，其特征在于所述串联连接的基板具有设置在它们之间的筛。
7. 如权利要求3所述的净化系统，其特征在于所述基板对互相径向偏移。
8. 如权利要求1所述的净化系统，其特征在于所述基板包括在所述胞室表面上的多个突起，以引起其上流体流中的 咸流。
9. 如权利要求1所述的净化系统，其特征在于所述基板涂覆有涂层，所述涂层中具有紋饰以便促进从所述涂层上经过的流体流内的湍流。
10. 如权利要求1所述的净化系统，其特征在于多个突起设置在基板的上游端，以便增加从所述基板上经过的流体流的湍流。
11. 如权利要求1所述的净化系统，其特征在于所述基板胞室尺寸设计为使得(X/D)/(Re*Sc)<0.1其中X-所述基板的长度D二所述基板胞室的直径Re二所述基板的雷诺数Sc二所述基板的施密特数。
12. 如权利要求11所述的净化系统，其特征在于(X/D)/(Re*Sc)<0.01。
13. 如权利要求1所述的净化系统，其特征在于所述基板胞室尺寸 设计为使得X/D<4 其中X二所述基板的长度 0=所述基板胞室的直径。
14. 如权利要求13所述的净化系统，其特征在于 X/D<2。
15. —种形成净化系统的方法，该类型的系统具有至少一个基板，所 述基板具有多个胞室，所述多个胞室具有沿流路延伸的表面，所述方法 包括以下步骤形成具有胞室的基板，所述胞室具有表面，所述表面的结构设计为 破坏沿它们长度的流体层流的发生；在所述胞室表面上施加至少一个催化涂层。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于所述基板胞室的长度 等于或小于所述胞室的"入口长度"。
17. 如权利要求15所述的方法，其特征在于所述至少一个基板包 括一对以串联流关系设置的基板。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于所述串联连接的基板 具有相互接合的表面。
19. 如权利要求17所述的方法，其特征在于所述串联连接的基板 从相互接合部轴向分离。
20. 如权利要求17所述的方法，其特征在于所述串联连接的基板 具有设置于它们之间的筛。
21. 如权利要求17所述的方法，其特征在于所述基板对设置成互 相径向偏移。
22. 如权利要求15所述的方法，包括在所述胞室表面形成多个突起的步骤。
23. 如权利要求15所述的方法，包括在所述基板的上游端形成多个突起的步骤。
24. 如权利要求15所述的方法，其特征在于所述基板胞室尺寸设计为使得<formula>formula see original document page 4</formula> 其中X二所述基板的长度 D二所述基板胞室的直径 Re二所述基板的雷诺数 Sc二所述基板的施密特数。
25. 如权利要求24所述的方法，其特征在于 (X/D)/(Re*Sc)<0.01。
26. 如权利要求15所述的方法，其特征在于所述基板胞室尺寸设 计为使得X/D<4 其中X-所述基板的长度 D二所述基板胞室的直径。
27. 如权利要求26所述的方法，其特征在于 X/D<2。
全文摘要
催化空气净化器的基板胞室表面的结构设计成破坏沿穿过这些表面的流体流路的层流的发生。多个基板以串联流但轴向偏移关系连接，以获得改善的性能。还有，个体胞室的尺寸方面选择成维持贯穿其长度的足够传质系数和UV光子穿透深度。
文档编号B01D50/00GK101687135SQ200780053665
公开日2010年3月31日 申请日期2007年7月5日 优先权日2007年7月5日
发明者D·魏, S·O·海, T·H·范德斯普尔特, T·N·奥比, W·R·施米德特 申请人:开利公司