一种空气净化用过滤材料的设计制作方法与流程

本发明涉及暖通空调中的空气净化领域，特别是涉及一种空气净化用过滤材料的设计制作方法。

背景技术：

现有通风空调新风净化用过滤材料，它的重要性能指标为过滤效率和过滤阻力。而过滤材料的性能指标主要取决于过滤材料的滤速和它自身的结构参数，如材料的过滤材料厚度、孔隙率、纤维直径等。目前过滤材料的设计制作方法普遍采用正问题方法：根据现有传统过滤材料结构特性和设计经验选取过滤材料的结构参数，制作过滤材料，然后采用理论计算或试验验证的方法确定得到的性能参数是否满足设计需求。但是这种设计制作方法对设计的经验有很大的依赖性，并且具有极大的不确定性，选取的过滤材料的结构参数不一定能满足性能指标要求。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有过滤材料结构参数设计的至少一个缺陷，提供一种新的空气净化用过滤材料的设计制作方法，其可通过反问题方法进行简易快速数值求解，得到过滤材料的最佳结构参数，相对于传统的正问题穷举、试错方法，节省了时间，提高了设计的效率和准确度。

为此，本发明提出了一种空气净化用过滤材料的设计制作方法，其特征在于，包括：

步骤一：根据设计要求，针对待净化气溶胶对象，确定目标过滤效率η目标值、目标过滤阻力△p目标值、滤速v0和空气的动力粘度μ；所述待净化气溶胶对象的特征包括微粒直径dp和微粒密度ρp；

步骤二：建立过滤效率η和过滤阻力△p与所述空气净化用过滤材料的结构参数间的关系式；所述过滤材料结构参数包括纤维直径df、过滤材料填充率α和过滤材料厚度l；

η＝f1(dp,ρp,v0,μ,df,α,l)；δp＝f2(v0,μ,df,α,l)；

步骤三：根据η≥η目标值、过滤阻力△p≤△p目标值，求解计算得到所述纤维直径df、所述过滤材料填充率α和所述过滤材料厚度l；

步骤四：根据计算得到的所述纤维直径df、所述过滤材料填充率α和所述过滤材料厚度l，利用过滤材料制作工艺，完成所述空气净化用过滤材料的制作。

进一步地，在所述步骤三中：

建立关于所述过滤效率η和所述过滤阻力△p的优化模型，并根据所述空气净化用过滤材料的结构特征建立一系列约束条件，得到数学模型：

求解计算所述数学模型得到所述纤维直径df、所述过滤材料填充率α和所述过滤材料厚度l。

进一步地，通过线性加权和法求解计算所述数学模型，以得到所述纤维直径df、所述过滤材料填充率α和所述过滤材料厚度l。

进一步地，通过所述线性加权和法求解计算所述数学模型的过程为：

将所述优化模型转变为且统一到一目标函数f(x)中，得到：

f(x)＝w1(-f1(x))+w2f2(x)；其中

w1为f1(x)的加权因子，且w2为f2(x)的加权因子，且

进一步地得到：

引入松弛变量vi，得到：

构造拉格朗日函数：

进行求解计算。

进一步地，还包括步骤五：对完成制作的所述空气净化用过滤材料进行性能试验，以确定试验结果是否满足设计要求。

进一步地，在所述步骤二中，所述空气净化用过滤材料为纤维过滤材料，且

η＝f1(dp,ρp,v0,μ,df,α,l)；δp＝f2(v0,μ,df,α,l)

具体为：

η′∑为相互纤维干涉作用下的单根纤维捕集效率，且η′σ＝ησ(1+4.5α)；

η∑为单纤维总捕集效率，且ησ＝ηi,r+ηd,r；

ηi，r为单纤维惯性拦截综合捕集效率，且

ηi,r＝0.16[r+(0.25+0.4r)st-0.0263rst²]，式中：

r为截留参数，且r＝dp/df；st为斯托克斯数，且c为微粒的滑动修正系数，a为滑动修正系数中的比例常数,λ为分子的平均自由行程；ν为空气的运动粘度；re为雷诺数，且

ηd，r为单纤维扩散拦截综合捕集效率，且式中：

sh为夏温多准则，且sc为依米托准则，且sc＝v0/d；d为粒子的扩散系数，且

本发明的空气净化用过滤材料的设计制作方法中，基于过滤性能目标值，通过反问题方法进行简易快速数值求解，得到过滤材料的最佳结构参数，相对于传统的正问题穷举、试错方法，节省了时间，提高了设计的效率和准确度，可快速方便地获得满足要求的空气净化用过滤材料。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一实施例的空气净化用过滤材料的设计制作方法的流程图。

具体实施方式

图1是根据本发明一实施例的空气净化用过滤材料的设计制作方法的流程图。如图1所示，本发明实施例提供了一种空气净化用过滤材料的设计制作方法。该空气净化用过滤材料的设计制作方法可包括以下步骤：

步骤一：根据设计要求，针对待净化气溶胶对象，确定目标过滤效率η目标值、目标过滤阻力△p目标值、滤速v0和空气的动力粘度μ；所述待净化气溶胶对象的特征包括微粒直径dp和微粒密度ρp。

步骤二：建立过滤效率η和过滤阻力△p与空气净化用过滤材料的过滤材料结构参数间的关系式；过滤材料结构参数包括纤维直径df、过滤材料填充率α和过滤材料厚度l；

η＝f1(dp,ρp,v0,μ,df,α,l)；δp＝f2(v0,μ,df,α,l)。

进一步地，例如，当空气净化用过滤材料为纤维过滤材料时，关系式可具体为：

其中

η′∑为相互纤维干涉作用下的单根纤维捕集效率，且η′σ＝ησ(1+4.5α)；

η∑为单纤维总捕集效率，且ησ＝ηi,r+ηd,r；

ηi，r为单纤维惯性拦截综合捕集效率，且

ηi,r＝0.16[r+(0.25+0.4r)st-0.0263rst²]，式中：

r为截留参数，且r＝dp/df；st为斯托克斯数，且c为微粒的滑动修正系数，a为滑动修正系数中的比例常数,λ为分子的平均自由行程；ν为空气的运动粘度；re为雷诺数，且

ηd，r为单纤维扩散拦截综合捕集效率，且式中：

sh为夏温多准则，且sc为依米托准则，且sc＝v0/d；d为粒子的扩散系数，且

步骤三：根据η≥η目标值、过滤阻力△p≤△p目标值，求解计算得到纤维直径df、过滤材料填充率α和过滤材料厚度l。

步骤四：根据计算得到的纤维直径df、过滤材料填充率α和过滤材料厚度l，利用过滤材料制作工艺，完成空气净化用过滤材料的制作。

本发明实施例的空气净化用过滤材料的设计制作方法，基于过滤性能目标值，通过反问题方法进行简易快速数值求解，得到过滤材料的最佳结构参数，相对于传统的正问题穷举、试错方法，节省了时间，提高了设计的效率和准确度，可快速方便地获得满足要求的空气净化用过滤材料。

进一步地，为了验证完成制作的空气净化用过滤材料是否满足要求，该空气净化用过滤材料的设计制作方法还可包括步骤五：对完成制作的空气净化用过滤材料进行性能试验，以确定试验结果是否满足设计要求。通过大量的设计及试验验证，设计制作出的空气净化用过滤材料基本上都满足目标要求。

在本发明的一些优选的实施例中，在步骤三中：

建立关于过滤效率η和过滤阻力△p的优化模型，并根据空气净化用过滤材料的结构特征建立一系列约束条件，得到数学模型：

求解计算数学模型得到纤维直径df、过滤材料填充率α和过滤材料厚度l。

优选地，可通过线性加权和法求解计算数学模型，以得到纤维直径df、过滤材料填充率α和过滤材料厚度l。在本发明的一些替代性实施例中，也可采用其他方法求解计算数学模型。

进一步地，通过线性加权和法求解计算数学模型的过程为：

将优化模型转变为且统一到一目标函数f(x)中，得到：

f(x)＝w1(-f1(x))+w2f2(x)；其中

w1为f1(x)的加权因子，且w2为f2(x)的加权因子，且

进一步地得到：

引入松弛变量vi，得到：

构造拉格朗日函数：

进行求解计算可得到最优值，进而可得到最佳的过滤材料结构参数。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。