CN104018922B - 一种空气净化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气净化装置，包括内管、以及套装在所述内管外的外管，所述内管一端为连接内燃机排气管的废气入口，另一端为废气出口，所述外管两端分别为空气入口和空气出口，所述空气入口、空气出口之间的外管内设有能去除空气中有害物质的载体；其中该载体包括催化剂涂层或具有吸附空气有害物质能力的化学物质涂层；该空气净化装置还包括位于内管的传热器以及安装在外管端面的节流器，所述节流器表面设有密度和/或直径可调的通孔。该净化装置利用其排气管废气余热来加热载体，该载体能有效地去除空气有害物质，其结构简单、安装方便、成本较低、节能环保，利于广泛的推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种净化装置，特别涉及一种空气净化装置。
背景技术
随着工业的现代化和人类活动的日益加强，对地球环境造成了许多不良的影响，比如土地的沙漠化，绿地和森林的大量消失，空气的严重污染等。就空气污染而言，由于石油、煤碳等的大量使用，空气中的有害气体和物质，比如，一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、二氧化硫、三氧化硫、颗粒物包括PM10和PM2.5等，比人类工业化以前增加了许多。与此同时，由于以上原因空气中的二氧化碳含量也提高了不少，这引起了人们对地球变暖、海平面升高的极大关注。
上世纪中叶，人们已经逐渐意识到空气污染的日益加强，同时也意识到了空气污染对人类健康的影响，由此许多国家和地区相继制定了一些法规来限制从各种渠道排入空气中的有害物质。其中，由内燃机驱动的汽车和其它机械产品是空气中污染物的最主要来源之一，从而，许多限制汽车废气排放物的标准也相继出台。汽车排出的有害物质包括一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、二氧化硫、三氧化硫、颗粒物等。其中，碳氢化合物、氮氧化物和硫氧化物常可以通过吸附、凝结等过程形成新的颗粒物或附着在已有的颗粒物之上，从而增加颗粒物的数量浓度和质量浓度。为了达到越来越严格的汽车排放标准，除了提高汽车发动机制造、燃烧等技术和燃油品质外，汽车废气催化技术也被用来有效地降低污染物排放，其中稀有贵重金属是汽车废气催化剂的重要组成部分。通常，在催化剂的作用下将废气中的一氧化碳和碳氢化合物氧化生成二氧化碳，化学方程式(a)和(b)描述最常见的用于含有大量过剩氧气的废气中的氧化催化剂的工作原理:
2CO + O2 == 2CO2 (a)
4HC + 5O2 == 4CO2 + 2H2O (b)
对于用于去除氮氧化物的催化剂成份和工作原理则比较复杂，而且要求氧气含量很低并接近于零，且有足量的一氧化碳和/或碳氢化合物存在，化学方程式(c)和(d)描述最常见的在催化剂作用下进行还原反应的工作原理:
NOx + CO —> N2 + CO2 (c)
NOx + HC —> N2 +CO2 + H2O (d)
为了有效地去除有害物质，废气催化剂应具有很高的催化效率，以上化学反应通常在至少150??C以上的温度下进行。
尽管有许多不同的法规和技术被用于控制汽车废气中有害物质的排放，但仍有大量的有害物质被排入空气中。一旦这些有害物质进入空气，它们有着很长的生命周期，如靠地球的自身吸收能力或大气的循环等物理化学过程，需要几个月、几年、乃至更长时间才能把这些有害物质从空气中去除或转变成其它无害物质。可以设想，如果这些有害物质在空气中多存在一天，它就会对环境和人们的身体健康造成威胁。因此有必要发明一种低成本并行之有效的方法把这些有害物质尽早从空气中除去。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的排放到空气中有害物质不能被低成本且行之有效的除去的上述不足，提供一种空气净化装置，该空气净化装置是利用汽车或其他机械的排气管废气余热来加热安装在排气管上的载体，该载体设有催化剂涂层和/或能吸附有害物质的化学物质涂层，从而低成本、有效地去除空气中的污染物。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种空气净化装置，包括内管、以及套装在所述内管外的外管，所述内管一端为连接内燃机排气管的废气入口，另一端为废气出口，所述外管两端分别为空气入口和空气出口，所述空气入口、空气出口之间的外管内设有能去除空气中有害物质的载体。
优选地，所述载体设有催化剂涂层或具有吸附空气有害物质能力的化学物质涂层。
优选地，所述载体截面由通道构成，所述通道表面设有催化剂涂层或具有吸附空气有害物质能力的化学物质涂层。
优选地，所述载体包括有若干小球，所述小球表面设有催化剂涂层或具有吸附空气有害物质能力的化学物质涂层。
优选地，所述载体为用于去除空气中颗粒物的颗粒物过滤器，与空气接触的过滤器表面设有催化剂涂层和/或具有吸附空气有害物质能力的化学物质涂层。
该催化剂涂层能氧化、还原或同时氧化还原大气中的污染物如一氧化碳、碳氢化合物、硫氧化物等，由于碳氢化合物、氮氧化物和硫氧化物常通过吸附、凝结等过程形成新的颗粒物或附着在已有的颗粒物之上，因此降低空气中碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物等的措施也会有效地降低空气中的颗粒物，例如PM10，PM2.5等；而化学物质涂层是能够直接吸附空气中的有害物质，达到净化空气的目的。
优选地，与所述载体对应的所述内管内设有传热器。
载体上的催化剂涂层或具有吸附空气有害物质能力的化学物质涂层的反应需要在一定温度下进行的，当排气管中的废气流过时，其余热不足以达到载体所需温度时，则在内管内设置传热器，传热器吸收废气余热之后将其传递给载体，使其达到相应的工作温度。
优选地，所述载体与所述外管之间设有衬垫。
载体被包裹在衬垫内，可以有效将载体固定在外管内。
优选地，位于所述空气入口的所述外管端部设有节流器，所述节流器成圆台形，且开口较大端朝外，节流器可以限制进入净化装置的空气流量，保证该净化装置能够达到较高的净化效率。
优选地，所述节流器表面设有若干孔，所述孔密度和/或直径可调节，能方便调节并得到所需空气流量。
优选地，位于所述空气出口的所述外管端部设有网状挡泥板，能够挡住泥沙尘土进入该净化装置，保证该净化装置的有效工作。
优选地，所述传热器对应所述内管直径大于所述内管两端的直径，所述外管与所述内管厚度差相等。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明所述一种空气净化装置，安装在内燃机或其他机械排气管上，利用其排气管废气余热来加热载体，该载体设有能催化、还原大气污染物的催化剂或能吸附有害物质的化学物质，能有效地去除空气中的污染物，例如一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、二氧化硫、臭氧等，其结构简单、安装方便、成本较低、节能环保，利于广泛的推广使用。
附图说明：
图1为本发明所述一种空气净化装置的剖面结构示意图。
图2为本发明所述的载体为长方体形状的端面局部示意图。
图3为本发明所述节流器的结构示意图。
图4为本发明所述的一种空气净化装置在汽车排气管上的安装示意图。
图中标记：
1、内管，101、废气入口，102、废气出口，2、外管，201、空气入口，202、空气出口，3、载体，4、节流器，5、衬垫，6、挡泥板，7、传热器，8、通道，9、通孔，10、排气管，11、废气催化器，12、废气消音器。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
如图1-4所示，一种空气净化装置，包括内管1、以及套装在所述内管1外的外管2，所述内管1一端为连接内燃机排气管10的废气入口101，另一端废气出口102，所述外管2两端分别为空气入口201和空气出口202，所述空气入口201、空气出口202之间的外管2内设有能去除空气中有害物质的载体3。其中图1、3中实线箭头代表废气流向，图1中虚线箭头代表空气流向。
该载体3设有催化剂涂层和/或具有吸附空气有害物质能力的化学物质涂层，该催化剂可以去除某种或同时除去几种空气中的污染物，例如，一氧化碳，碳氢化合物，氮氧化物，二氧化硫，臭氧等。由于碳氢化合物、氮氧化物和硫氧化物常通过吸附、凝结等过程形成新的颗粒物或附着在已有的颗粒物之上，因此降低空气中碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物等的措施也会有效地降低空气中的颗粒物，例如PM10，PM2.5等。通常，该催化剂可为已广泛使用的用于汽车和其它运动机械上的废气氧化催化剂和/或还原催化剂。具有吸附空气有害物质能力的化学物质是可以直接吸收空气中的有害物质，这些化学物质包括但不限于可吸收二氧化碳的氢氧化钠，氢氧化钾等，可吸收碳氢化合物的三氧化二铝，可吸收硫氧化物的氧化钙等。
为达到这样的效果，其涂有催化剂或某些具有吸附空气有害物质能力的化学物质的载体3应具有优良导热性能，它可以将吸收的热量均匀地传至载体3的每个部位，使载体3上各部位间的温度差最小化。载体3的材料可以是金属，例如铁或某些合金，也可是非金属，例如陶瓷或碳化硅，这些材料应具有较强的抗冲击性和抗热应变的能力，并且能够在几百摄氏度以上的高温下不镕化和不变形。
如图1、2中所示呈现了当载体3为长方体形时的剖面图和端面入口局部示意图，其载体3内部布满了许多长方体形通道8，该通道8可以增加载体3的内部面积，从而可以增加所涂催化剂或具吸附空气有害物质能力的化学物质的表面积，并最终起到提高本净化装置工作效率的作用。当空气从这些通道8内流过时也，不会引起太大的压力下降。通道8的形状可以是圆柱形、蜂窝形等形状。图2呈现了载体3的通道8为长方体形时的端面局部视图。
同样，除了图1中所示的长方体形对称载体3外，载体3的形状可根据具体情况进行调整，即整个载体3的形状可是圆柱形、椭圆体形，并且可以是对称形、或非对称形，甚至载体3也可由大量的小球组成；当载体3由大量的小球构成时，催化剂或具吸附空气有害物质能力的化学物质可以涂于小球的表面。并且在某些情况下，需要直接去除空气中的颗粒物时，载体3本身也可以为颗粒物过滤器，使其能够在去除空气中有害污染物的同时，直接去除空气中的颗粒物。
需要说明的是，涂于载体3上的催化剂或具吸附空气有害物质能力的化学物质可以被均匀地涂于载体3之上，也可以有目的地不均匀涂层，总之，最终何种形式被采用将取决于所需净化装置的工作效率和制造成本。类似的，涂于载体上的催化剂或具吸附空气有害物质能力的化学物质的种类和功能也可不同，它可以是氧化催化剂，也可是还原催化剂，也可是具吸附空气有害物质能力的化学物质。同样，根据不同的要求，也可将氧化催化剂和还原催化剂和具吸附空气有害物质能力的化学物质进行有效地组合，然后分别地涂于载体3的不同部位，从而使其能够达到同时去除多种有害物质的能力。
如图1所示，载体3外表面设有衬垫5并包裹固定在外管2内，使其不能在外管2内部自由移动，外管2的截面形状可根据载体3的形状而变，即其与载体3接触部分截面形状可是圆形、椭圆形等。该衬垫5应具有一定的收缩性，它应在耐几百摄氏度的高温的同时，也具有很好的保温性能。
该净化装置上的废气入口被连接在内燃机排气管10上，它可以通过焊接或法兰盘等形式与发动机排气管10连接，需要保证连接不能有漏气现象，并且连接处应具有一定的强度，可以抵抗一定程度的振动和热应力。该净化装置在安装时其外管的空气入口201应朝向于汽车或运动机械的行驶方向，即朝向是平行于行驶方向，也可以垂直于行驶方向，或稍微偏离行驶的垂直方向。
另外，该净化装置既可安装于内燃机排气管10的发动机接入口与废气出口之间，也可安装于排气管10的废气出口位置；若内燃气排气管10上设有废气催化器11和汽车废气消音器12，其最佳安装位置是在废气催化器10与汽车消音器12之间的排气管10上，特别的，如果排气管10上设有多个废气催化器11，则最佳安装位置是在最接近汽车废气消音器12的废气催化器11与汽车废气消音器12之间的排气管上，如图4所示；在某些情况下，该净化装置还可能被安装于排气管10的废气出口末端，但本净化装置上的废气出口102不应超出汽车或运动机械的最末端。除此之外，本装置也可与汽车上的其它零部件进行整合，作为这些部件的一部份被安装于汽车之上。这些零部件包括但不限于汽车废气催化装置11、汽车废气过滤器、汽车废气消音器12等。
该净化装置废气入口101和废气出口102之间的内管1还设有传热器7，且与载体3所对应，该传热器7与废气入口101之间可采用焊接或其它方式连接。内燃机废气从该净化装置废气入口进入净化装置后，流经传热器7，它可以有效地吸收内燃机废气的余热，并将热量传至载体3，从而加热载体3，使载体3上催化剂或具有吸附空气有害物质能力的化学物质达到所需的工作温度。该传热器7的设计不受限制，但不应引起内燃机废气流经传热器7时出现过大的压力下降，换而言之，压力下降越小越好。传热器7的材料可是具有优良导热性能的金属或非金属，也可同时由具有优良导热性能的金属和非金属制作而成。传热器7与废气出口102相连，同样其连接方式可采用焊接或其它有效的连接方式，内燃机废气流经传热器再流出净化装置的废气出口102。在某些情况下，载体3和传热器2也可被制成同一个零件。在另外一些情况下，载体3上所涂催化剂或具有吸附空气有害物质能力的化学物质的所需工作温度不是很高，即不需太多的热量来加热载体3，若废气流经内管1时，其余热加热载体3就能使载体3内的催化剂或具有吸附空气有害物质能力的化学物质达到工作温度，则本净化装置可以不需要传热器7，废气可直接从内管1流过。
外管2所在的空气入口201处的一端设有节流器4，其节流器4采用焊接或法兰盘等不同形式连接在外管2上。节流器4的功能是限制进入净化装置的空气流量，从而使净化装置始终拥有最高的工作效率。其中，节流器4的设计也可多种多样，如图3所示为一种简单而有效的节流器4，该节流器4为圆环状，正好可以安装在外管2端部，且节流器4上冲或钻有一些通孔9，该通孔9的形状为可调的圆形、或其它形状。通过调节节流器4上的通孔9密度和/或通孔9直径，改变节流器4开口面积，从而得到所需空气流量。当空气气流从节流器4流过时，会产生一定压差，并且流量越大，所产生的压差越大，当流量达到某一个值时，节流器4就会通过压差调节气体流量阻止过余空气通过。与此同时，此节流器4在限制气体流量的同时，也可以阻挡较大颗粒物体进入净化装置，保护该净化装置。
将节流器4设计成圆台形，且开口较大端朝外，同时外管2管壁相应的随着内管1内径的变化而变化，保证其内管1、外管2之间的厚度差几乎相等，其目的是使空气气流在外管2内的流量相同，其在载体3不同部位也有非常接近的空气流量，从而使载体3的工作效率最大化，如图1所示。
外管2所在空气出口处的端面设有挡泥板6，通过焊接或法兰盘等不同形式进行连接在外管2上，表面可采用不引起过大压差的滤网，主要功能是可以挡住泥沙尘土进入净化装置。
综合上述，本空气净化装置安装于由内燃机驱动的汽车或其它运动装置的排气管10管道上，当汽车或运动装置向前行驶时，产生与其运动方向相反的空气流，当空气经过空气入口201流入净化装置内，流经涂有催化剂或某些具吸附空气有害物质能力的化学物质的载体3，空气中的有害物在载体3内被转换成无害的物质或被载体3上的化学物质所吸收，最后清洁的空气通过净化装置空气出口202流入大气中，实现了空气有害物质的净化。
Claims (11)
1.一种空气净化装置，其特征在于，包括内管(1)、以及套装在所述内管(1)外的外管(2)，所述内管(1)一端为连接内燃机排气管(10)的废气入口(101)，另一端为废气出口(102)，所述外管(2)两端分别为空气入口(201)和空气出口(202)，所述空气入口(201)、空气出口(202)之间的外管(2)内设有能去除空气中有害物质的载体(3)。
2.根据权利要求1所述的一种空气净化装置，其特征在于，所述载体(3)含有催化剂涂层或/和具有吸附空气有害物质能力的化学物质涂层。
3.根据权利要求1所述的一种空气净化装置，其特征在于，所述载体(3)截面由通道(8)构成，所述通道(8)表面设有催化剂涂层和/或具有吸附空气有害物质能力的化学物质涂层。
4.根据权利要求1所述的一种空气净化装置，其特征在于，所述载体(3)包括有若干小球，所述小球表面设有催化剂涂层和/或具有吸附空气有害物质能力的化学物质涂层。
5.根据权利要求1所述的一种空气净化装置，其特征在于，所述载体(3)为用于去除空气中颗粒物的颗粒物过滤器，与空气接触的所述过滤器表面设有催化剂涂层和/或具有吸附空气有害物质能力的化学物质涂层。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种空气净化装置，其特征在于，与所述载体(3)对应的所述内管(1)内设有传热器(7)。
7.根据权利要求6所述的一种空气净化装置，其特征在于，所述载体(3)与所述外管(2)之间设有衬垫(5)。
8.根据权利要求1所述的一种空气净化装置，其特征在于，位于所述空气入口(201)的所述外管(2)端部设有节流器(4)，所述节流器(4)成圆台形，且开口较大端朝外。
9.根据权利要求8所述的一种空气净化装置，其特征在于，所述节流器(4)表面设有若干通孔(9)，所述通孔(9)密度和/或直径可调节。
10.根据权利要求1所述的一种空气净化装置，其特征在于，位于所述空气出口(202)的所述外管(2)端部设有网状挡泥板(6)。
11.根据权利要求6所述的一种空气净化装置，其特征在于，所述传热器(7)对应所述内管(1)直径大于所述内管(1)两端的直径，所述外管(2)与所述内管(1)厚度差相等。
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