專利名稱：具有非層流結(jié)構(gòu)的流體凈化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及空氣或流體光催化/熱催化凈化器，更具體
地，涉及一種凈化系統(tǒng)，其中，施加催化涂層的基板的結(jié)構(gòu)和尺寸被設 計為導致性能增強。
背景技術(shù)：
室內(nèi)空氣可包括痕量的污染物，該污染物包括一氧化碳，臭 氧和揮發(fā)性有機化合物，該揮發(fā)性有機化合物例如曱醛、曱苯、丙醛、 丁烯和乙醛。吸附空氣過濾器，例如活性炭，已被采用以從空氣中去除 這些污染物。當空氣流過該過濾器時，過濾器阻擋污染物通過，允許無 污染物的空氣從過濾器流出。采用該過濾器的缺點是，它們簡單地阻擋 污染物通過，并不消滅污染物。另外，該過濾器不能有效地阻擋臭氧和 一氧化碳。 二氧化鈦已被采用為空氣凈化器中的光催化劑，以消滅污染 物。當用紫外光照射二氧化鈦時，光子被二氧化鈦吸收，從價帶提升電 子到導帶，從而在價帶中產(chǎn)生空穴，并在導帶中添加電子。提升的電子 與氧氣反應，且留在價帶中的空穴與水反應，形成反應羥自由基。當污 染物吸附在二氧化鈦催化劑上時，羥自由基攻擊污染物，并將該污染物 氧化為水、二氧化^_和其他物質(zhì)。摻雜的或金屬氧化處理的二氧化鈦能夠增加二氧化鈦光催化 劑的有效性。但是，在氧化一氧化碳中，二氧化鈦和摻雜二氧化鈦的效 果不大或無效。 一氧化碳(CO)是一種無色、無味且有毒的氣體，它由 烴燃料的不完全燃燒產(chǎn)生。 一氧化碳比其他任何毒物導致更多死亡，而 且在封閉環(huán)境中特別危險。在二氧化鈦上可加載金，作為一氧化碳至二 氧化石友的室溫氧化的有效熱催化劑。 二氧化鈦的單獨光催化在分解臭氧中效果不大。臭氧(03) 是從工作場所常用設備中釋放的一種污染物，該設備例如復印機、打印 機、掃描儀等。臭氧能引起惡心和頭痛，且長期暴露于臭氧可以破壞鼻 腔粘膜，引起呼吸問題。OSHA已設定了允許暴露限值(PEL)為8小時
50.08ppm的臭氧。臭氧是熱力學不穩(wěn)定分子，且在溫度高達25(TC下極慢地分 解。在環(huán)境溫度下，通過促使臭氧氧化至吸附表面氧原子，氧化錳有效 分解臭氧。這些吸附的氧原子隨后與臭氧結(jié)合，以形成一種吸附過氧化 物物種，該過氧化物作為氧分子釋放。流體凈化系統(tǒng)因此已被開發(fā)為具有催化涂層，該催化涂層施 加至基板表面，流體從該表面上流過，使得催化劑氧化并分解氣態(tài)污染 物，該污染物包括揮發(fā)性有機化合物、 一氧化碳和臭氧，且該污染物吸 附入光催化劑表面，以形成二氧化碳、水、氧氣和其它物質(zhì)。在基于光 催化劑的空氣凈化器中，包括半揮發(fā)性污染物的氣相被光催化劑消滅。 光催化劑本身由適當波長的光子激活。這種凈化器的設計將污染物和光 子都帶到光催化劑，污染物的氧化可發(fā)生在該光催化劑處。為了有效地 實現(xiàn)這一目標，該設計必須考慮到污染物的質(zhì)量傳遞和光子的輻射傳遞。 光催化劑的一個可能的支撐是蜂窩單塊；蜂窩壁涂覆有光催化劑的薄層。 該蜂窩結(jié)構(gòu)通常包含大小相等的"胞室"或通道的陣列，且由于該蜂窩 結(jié)構(gòu)順暢的流動區(qū)域和平滑的壁，該蜂窩結(jié)構(gòu)的特征為低壓降。陣列也 可包含相鄰的胞室，這些胞室具有不同的截面幾何形狀或直徑。這些基 板的典型尺寸使得恰好在蜂窩出口之前，通過蜂窩每個通道的空氣流為 層流。這個層流在反應器有效性上設置了傳質(zhì)限值。當關(guān)聯(lián)流動狀態(tài)為層流時，隨后到催化劑的污染物質(zhì)量傳遞 被分子擴散限制。對于光催化劑足夠活躍的情況，污染物消滅過程的總 的有效性將被分子擴散速率限制，并由此可看作是質(zhì)量傳遞限制。因此， 需要在基板長度內(nèi)消除層流的發(fā)生，從而增加這種系統(tǒng)的傳質(zhì)效率。另外，且獨立于這種情況，有"入口長度效應"。在蜂窩入 口，傳質(zhì)系數(shù)最大，并隨流動方向上的距離減小，當速度和污染物場被 充分展開時，傳質(zhì)系數(shù)達到最小值。入口長度是從蜂窩入口測量至充分 展開狀態(tài)的位置(流體流輪廓展開為拋物線輪廓，即層流)的距離。入 口長度(L)的表達式通常根據(jù)單蜂窩胞室的直徑(D)表示，并在函數(shù) 上相關(guān)于胞室的雷諾數(shù)(ReD)和施密特數(shù)(Sc):
L/D=0.05 ReD*Sc。在本案中，我們認為如果雷諾數(shù)值小于2000，那么流動狀態(tài) 為層流。蜂窩概念應用的又一約束是UV光子進入蜂窩胞室內(nèi)部的穿透深度。該uv穿透深度是幾何約束，并獨立于流速。因此，蜂窩的使用 在uv穿透深度的應用上可被限制。

發(fā)明內(nèi)容
簡言之，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，催化涂層施加的基板胞室
表面結(jié)構(gòu)設計成(例如具有紋飾)破壞層流的發(fā)生，并意圖創(chuàng)造沿穿過 該表面的流體的流3各的湍流。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，基板胞室的長度(X)相似于或小 于入口長度(L),使得在其它情況下會發(fā)生的層流所強加的傳質(zhì)限值顯
著減輕。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，不同于單個相對長的基板，多個 相對短的基板以偏移串聯(lián)流關(guān)系設置。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，紋飾特征被引入，以創(chuàng)造湍流并 減少沿基板表面的層流的發(fā)生。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，基板胞室尺寸設計為維持沿它們 長度的足夠傳質(zhì)系數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，基板尺寸和結(jié)構(gòu)設計為維持在貫 穿它們長度的UV光子處的足夠穿透深度。在下文描述的附圖中，描繪了一個優(yōu)選的實施方式；但是， 可以對其進行各種其他變型和替代構(gòu)造，而不背離本發(fā)明的精神和范圍。


圖1是一種催化空氣凈化器的蜂窩基板立體圖。圖2是蜂窩長度在其傳質(zhì)系數(shù)上的效果圖示。圖3是入口效應在蟲奪窩胞室動力學反應速率上的圖示。圖4A和圖4B顯示了在L<X和X<L的情況下，流體流4侖廓
的代表性例子，該輪廓具有單個和分段的蜂窩陣列。
圖5是一種蜂窩結(jié)構(gòu)偏移組合的示意圖。
圖6是一種蜂窩胞室的端視圖，該蜂窩胞室具有附加在其上
的紋飾特征。圖7A,圖7B和圖7C顯示了 一種蜂窩陣列的側(cè)視圖，該蜂 窩陣列具有分別偏移并鄰近該陣列的湍流器結(jié)構(gòu)。
7視圖， 這些蜂窩陣列具有空隙和不具有空隙，并在個體段之間具有湍流器結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式單塊蜂窩胞室陣列在圖1中以11示出，它包括多個連接成整 體的多邊通道12,該通道沿胞室長度X以平行關(guān)系延伸。光催化劑，例 如二氧化鈦，涂覆在通道12的內(nèi)表面上，隨后該涂層用紫外(UV)線 照射，以引起化學反應，當空氣穿過個體通道12時，該化學反應有助于 去除并消滅空氣的污染物。由于各種因素，包括入口長度效應、UV線穿透深度的變化以 及空氣流變成實際上的層流的傾向，光催化過程的有效性會沿胞室陣列 11的長度X變化。這些效應的每一個都將在本文纟皮討論。當空氣進入個體胞室12的入口時，傳質(zhì)系數(shù)在胞室的入口最 大，并隨流動方向上的距離減小，當速度和污染物場被充分展開時，傳 質(zhì)系數(shù)達到最小值，并具有大致的拋物線輪廓。上述從蜂窩入口 (X=0) 測量至充分展開狀態(tài)的距離被稱為入口長度(L)。如果個體胞室12的 直徑是D,入口長度(L)通常根據(jù)個體蜂窩胞室直徑D表示，并在函數(shù) 上如下地相關(guān)于胞室的雷諾數(shù)(ReD)和施密特數(shù)(Sc):
I7D=0.05 ReD*Sc。當蜂窩胞室的物理長度(X)超過入口長度(L)時，總質(zhì)量 傳遞主要由克分展開狀態(tài)的質(zhì)量傳遞系數(shù)確定。也就是說，當L小于X 時，充分展開的速度(拋物線)輪廓在蜂窩長度內(nèi)展開，使得充分展開 狀態(tài)的傳質(zhì)系數(shù)(h0 )在蜂窩內(nèi)。這種情況對于系統(tǒng)的有效性極度不可取。另 一方面，如果蜂窩胞室的物理長度(X )小于入口長度(L )， 那么流輪廓絕不會在蜂窩內(nèi)充分展開為拋物線形，在這種情況下，ho在 蜂窩之外并引起h/h。的比率變得極大。傳質(zhì)系數(shù)h現(xiàn)在大于蜂窩流通道 內(nèi)任何位置的h0。那么總質(zhì)量傳遞系數(shù)主要取決于實際的胞室深度(X )。如圖2所示，顯示了傳質(zhì)系數(shù)(h)與充分展開區(qū)域的傳質(zhì)系 數(shù)(h0)的比率。事實上，總傳質(zhì)系數(shù)是局部傳質(zhì)系數(shù)(h)從胞室入口 (X=0)至胞室深度(X)的積分。由于對數(shù)關(guān)系，這個積分主要由端點 (X)確定。圖2是蜂窩長度(X)影響傳質(zhì)系數(shù)(h)的圖示。這里，縱坐標h/h。簡單地將新的質(zhì)量傳遞系數(shù)(h)與充分建立了流輪廓的質(zhì)量傳 遞系數(shù)ho聯(lián)系起來。橫坐標(X/D)/(Re申Sc),描述了蜂窩幾何形狀與流體 流動狀態(tài)的相互作用?？梢钥闯?，曲線降低到靠近橫坐標(X/D)/(Re+Sc)等于約0.1 的點的h/ho值。因此，當蜂窩胞室直徑與流動狀態(tài)的結(jié)合致使圖2的橫 坐標小于約0.1的值時，有機會增大傳質(zhì)系數(shù)，從而提高凈化器的性能。 例如，字母A!模擬一個假設情況，在該情況下，蜂窩的初始長度和流動 狀態(tài)導致橫坐標約0.01的值和縱坐標約1.3的值(即傳質(zhì)系數(shù)的比率)。 現(xiàn)在，如果這個蜂窩被分割(即垂直于流場方向割開)為大約等長的兩 個不同部件或部分，然后每個部分的物理深度同樣也切成半，繼而，新 點在圖2橫坐標上的位置減半，如字母A2指示。如果這兩個蜂窩部分重 新組合，但以一半胞室直徑偏移，那么所得傳質(zhì)系數(shù)比率會增至約1.7， 如字母A2指示，在質(zhì)量傳遞效果中的凈改善為1.3 (=1.7/1.3)。又例如， 如果該蜂窩被分割為三個不同的部分，且每個部分重新組合，但以一半 胞室直徑偏移，那么所得傳質(zhì)系數(shù)比率會增至約2.0，如字母A3指示， 在質(zhì)量傳遞效果中的凈改善為1.5 (=2.0/1.3)。這些例子證明了從分段蜂 窩概念得到的潛在益處。圖4A和圖4B示意性地顯示了當蜂窩結(jié)構(gòu)被分段時，L<X和 X<L情況下的流場關(guān)系。在前一種情況下，流場已經(jīng)充分展開為拋物線 輪廓。在后一種的更期望的情況下，拋物線的流輪廓恰好被建立在蜂窩 通道的長度之外。除了傳質(zhì)系數(shù)被基于蜂窩的空氣凈化器的尺寸特征影響，蜂 窩胞室中UV光子的穿透深度同樣取決于胞室的尺寸特征，如圖3所示。 在這里，UV通量比率，圖3中的縱坐標，代表了光催化劑上動力學氧化 速率的比率，并被顯示為長徑比蜂窩胞室的X/D的函數(shù)。圖3中的縱坐標是任何胞室深度(X )處的UV通量與胞室入 口處(作為X=0)的UV通量之比的平方根。光催化過程的氧化動力學 取決于上升至功率的UV通量?？偟膩碚f，功率因子取決于特定污染物， 并進一步取決于催化劑組分。在圖3中，平方根關(guān)系是假設。例如，二 氧化鈦光催化劑展示了 一些污染物的平方根關(guān)系。在圖3中將看出，當蜂窩結(jié)構(gòu)的長徑比X/D增加至約4以上 時，UV通量比率接近O。因此，希望維持蜂窩結(jié)構(gòu)的長徑比在約4的值以下，且優(yōu)選地在約2的值以下。由上述討論將看出，傳質(zhì)系數(shù)和UV光子穿透深度都取決于 蜂窩胞室的長徑比X/D。在希望胞室長度X小于入口長度L的同時，希 望限制胞室長度X,使得長徑比X/D維持在本文上述討論的參數(shù)內(nèi)。另 一方面，胞室長度X的限制可能不必要地減小胞室的有效表面。因此， 如本文上述討論的關(guān)于圖2的性能特征，不同于使用單蜂窩結(jié)構(gòu)，希望 使用多個處于偏移關(guān)系的較短結(jié)構(gòu)，使得以極少壓降的代價，能夠增大 傳質(zhì)系數(shù)和光子利用。這種偏移設計在圖5中顯示，其中，第一蜂窩被 顯示在13處，且第二蜂窩14設置在下游位置，并自流動軸線在徑向方 向上偏移最大距離D/2。第二蜂窩14的入口端優(yōu)選地與第一蜂窩13出口 端成鄰接關(guān)系設置。第三蜂窩(未顯示)然后可與第二蜂窩14成相似的 偏移關(guān)系設置，但與第一蜂窩13軸向?qū)R。任何數(shù)目的蜂窩結(jié)構(gòu)隨后能 夠以這種方式被串聯(lián)使用，以獲得蜂窩結(jié)構(gòu)空氣凈化器的更大有效性。改善污染物質(zhì)量傳遞的一種替代方法是通過湍流器、突起或 擾流器16的應用，如圖6所示。這些特征可在通道的內(nèi)部(例如抬升V 形、轉(zhuǎn)向葉片、斜帶(trip strips)、漩渦特征、導葉或其他擾流器)，或 者可在通道的外部(例如緊鄰于蜂窩陣列的面或從蜂窩陣列的面偏移， 但正交于陣列軸線的篩或網(wǎng))，以在進入蜂窩陣列的流場中創(chuàng)造湍流。 通過本發(fā)明的另一方面，多個基板可被設置為相互緊鄰或通過空隙偏移， 該空隙可進一步包含擾流器。擾流器16從蜂窩壁延伸并進入流場，以創(chuàng) 造通過渦旋滑瀉的卡門不穩(wěn)定性。渦旋的滑瀉實際上是湍流產(chǎn)生器，該 湍流產(chǎn)生器誘導混合，并帶來希望的改善污染物質(zhì)量傳遞。為了避免光 催化劑的陰影，突起優(yōu)選地由UV透明材料制成。它們的位置可在蜂窩 的入口或在胞室壁上的中間位置。作為在蜂窩入口處引入突起的另一種方法，交織網(wǎng)格17或墊 狀構(gòu)造(如篩)可置于靠著蜂窩的入口面，如圖7A和圖7B所示。如圖 7C所示，該篩17可被小距離偏移，該距離足夠創(chuàng)造并維持篩17下游的 湍流流場，或者如圖7B所示，篩17可位于緊鄰蜂窩陣列的入口側(cè)。蜂窩段11和湍流器結(jié)構(gòu)之間的空隙組合也預計更好地適應 流場特征，不限于圖8A、圖8B和圖8C所示的例子。在圖8A中，在段 ll之間沒有空隙，在圖8B中，空隙被設置在段ll之間，在圖8C中， 交織網(wǎng)格17被設置在段11之間的空隙中。
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替代地，多個特征可形成在蜂窩通道表面上，或形成在蜂窩 通道表面內(nèi)。為了創(chuàng)造卡門不穩(wěn)定性和渦旋滑瀉，突起必須在垂直于流 體速度的維度上空氣動力學較鈍。引起流場混合的一種替代方法是通過 凝渦。例如，突起可被設計為渦輪葉片的形狀以誘導旋渦?？刹捎锰娲?的特征，例如但不限于，抬升V形、轉(zhuǎn)向葉片、斜帶、漩渦特征、導葉 或其他擾流器及其組合。這個在后的概念提供了關(guān)聯(lián)更低壓降的附加益 處。
權(quán)利要求
1.一種凈化系統(tǒng)，該類型的凈化系統(tǒng)具有至少一個基板，所述基板具有多個胞室，所述多個胞室具有沿流路延伸的表面，被污染的流體被規(guī)定在所述流路上流動，至少一個催化涂層施加至所述多個表面，其中，所述基板胞室的尺寸和結(jié)構(gòu)設計為破壞沿所述流路的層流的發(fā)生。
2. 如權(quán)利要求1所述的凈化系統(tǒng)，其特征在于所述基板胞室的尺寸設計為使得它們的長度等于或小于所述胞室的"入口長度"。
3. 如權(quán)利要求1所述的凈化系統(tǒng)，其特征在于所述至少一個基板包括一對串聯(lián)連接的基板。
4. 如權(quán)利要求3所述的凈化系統(tǒng)，其特征在于所述串聯(lián)連接的基板具有相互接合的表面。
5. 如權(quán)利要求3所述的凈化系統(tǒng)，其特征在于所述串聯(lián)連接的基板從相互接合部軸向分離。
6. 如權(quán)利要求3所述的凈化系統(tǒng)，其特征在于所述串聯(lián)連接的基板具有設置在它們之間的篩。
7. 如權(quán)利要求3所述的凈化系統(tǒng)，其特征在于所述基板對互相徑向偏移。
8. 如權(quán)利要求1所述的凈化系統(tǒng)，其特征在于所述基板包括在所述胞室表面上的多個突起，以引起其上流體流中的 咸流。
9. 如權(quán)利要求1所述的凈化系統(tǒng)，其特征在于所述基板涂覆有涂層，所述涂層中具有紋飾以便促進從所述涂層上經(jīng)過的流體流內(nèi)的湍流。
10. 如權(quán)利要求1所述的凈化系統(tǒng)，其特征在于多個突起設置在基板的上游端，以便增加從所述基板上經(jīng)過的流體流的湍流。
11. 如權(quán)利要求1所述的凈化系統(tǒng)，其特征在于所述基板胞室尺寸設計為使得(X/D)/(Re*Sc)<0.1其中X-所述基板的長度D二所述基板胞室的直徑Re二所述基板的雷諾數(shù)Sc二所述基板的施密特數(shù)。
12. 如權(quán)利要求11所述的凈化系統(tǒng)，其特征在于(X/D)/(Re*Sc)<0.01。
13. 如權(quán)利要求1所述的凈化系統(tǒng)，其特征在于所述基板胞室尺寸 設計為使得X/D<4 其中X二所述基板的長度 0=所述基板胞室的直徑。
14. 如權(quán)利要求13所述的凈化系統(tǒng)，其特征在于 X/D<2。
15. —種形成凈化系統(tǒng)的方法，該類型的系統(tǒng)具有至少一個基板，所 述基板具有多個胞室，所述多個胞室具有沿流路延伸的表面，所述方法 包括以下步驟形成具有胞室的基板，所述胞室具有表面，所述表面的結(jié)構(gòu)設計為 破壞沿它們長度的流體層流的發(fā)生；在所述胞室表面上施加至少一個催化涂層。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述基板胞室的長度 等于或小于所述胞室的"入口長度"。
17. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述至少一個基板包 括一對以串聯(lián)流關(guān)系設置的基板。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所述串聯(lián)連接的基板 具有相互接合的表面。
19. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所述串聯(lián)連接的基板 從相互接合部軸向分離。
20. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所述串聯(lián)連接的基板 具有設置于它們之間的篩。
21. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所述基板對設置成互 相徑向偏移。
22. 如權(quán)利要求15所述的方法，包括在所述胞室表面形成多個突起的步驟。
23. 如權(quán)利要求15所述的方法，包括在所述基板的上游端形成多個突起的步驟。
24. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述基板胞室尺寸設計為使得<formula>formula see original document page 4</formula> 其中X二所述基板的長度 D二所述基板胞室的直徑 Re二所述基板的雷諾數(shù) Sc二所述基板的施密特數(shù)。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于 (X/D)/(Re*Sc)<0.01。
26. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述基板胞室尺寸設 計為使得X/D<4 其中X-所述基板的長度 D二所述基板胞室的直徑。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于 X/D<2。
全文摘要
催化空氣凈化器的基板胞室表面的結(jié)構(gòu)設計成破壞沿穿過這些表面的流體流路的層流的發(fā)生。多個基板以串聯(lián)流但軸向偏移關(guān)系連接，以獲得改善的性能。還有，個體胞室的尺寸方面選擇成維持貫穿其長度的足夠傳質(zhì)系數(shù)和UV光子穿透深度。
文檔編號B01D50/00GK101687135SQ200780053665
公開日2010年3月31日 申請日期2007年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月5日
發(fā)明者D·魏, S·O·海, T·H·范德斯普爾特, T·N·奧比, W·R·施米德特 申請人:開利公司