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一种新型灸疗烟雾净化设备的开发及其性能分析

2025-02-10 99 上传者：管理员

摘要：艾灸作为一种传统的中医疗养手段，在各大医院、养生馆甚至居民自家都得到应用广泛，然而灸疗燃烧艾柱等产生的浓烈烟雾却是一个难以解决的问题，这类烟雾化学成分极其复杂，含有上百种化合物，其中许多诸如苯酚、氮氧化物、一氧化碳、多环芳烃、焦油等有毒有害物质。那么施灸过程中扩散出来的烟雾处理就显得尤为重要，在保证正常灸疗的前提下，针对扩散出来的烟雾开发出一套集成燃烧加热系统、反应系统、散热系统、进排气系统及控制系统的新型净化设备，通过物理吸附、燃烧化学反应、氧化还原催化反应的手段，将艾烟气体导入设备回型流动燃烧、高温催化处理并达到室内外排放标准，也解决为烟雾处理提供400℃以上高温环境的升温保温问题、高温排气降温到45℃以下的安全防烫问题，让设备同时满足排放环保需求及安全需求。该集成方案机械结构紧凑、设备小巧，可以拓展灵活应用于更广泛的领域，主要是针对有排放扩散有毒、有害气体的环境，都可以起到净化效果。

关键词：
催化反应
性能分析
机械方案布局
艾烟
设备集成
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市场现有各种对灸疗烟雾的处理设备,大部分以新风系统或者强制排气直接引导气体排放室外空气中,小部分装置是应用过滤液吸附､紫外线灯除味[1]或者多层过滤棉活性炭吸附[2]的方式｡燃烧艾条艾柱烟雾中含有部分毒性物质:苯酚属于腐蚀性化合物,有强烈的刺激性,在烟雾中很易被呼吸吸入,因此,具有很大的危害性;邻苯二酚是高毒性物质;N-甲基哌啶､2,5-二甲基苯酚､4-氨基吡啶､2-甲基苯酚､苯乙腈､萘､间苯二酚､糠醛､3-氨基苯酚和苯并呋喃-2-酮等也都是高毒化合物[3]｡随着社会的发展环保法律的健全,直接将该烟雾超标排放到空气中是不符合环保要求的,且风机叶轮旋转工作时因负压会低于环境温度,烟雾经过极容易造成焦油凝结堵塞鼓风机;而滤芯吸附方式对烟气的净化效果不佳､维护成本高,为解决上述问题,提出一种新型灸疗烟雾净化系统的开发方案,并对设备净化效果进行大量实验验证,对设备结构进行集成优化,保证了设备的功能性､低功耗､安全环保性､便携性及可拓展性｡相比传统排烟管道式和滤芯吸附式装置[4],该设备结构集成度高,以高效净化有害气体为目的,解决了该领域困扰用户的难题,由此可见该新型设备具有广阔的应用前景｡

1、设计方案及工作原理

设备对烟气处理分为4个阶段:反应载体预热阶段､气流加热燃烧反应阶段､气体催化反应阶段､反应完气体散热排气阶段｡基于此方案流程,首先需要设计好烟雾导入设备到净化完排出设备过程中气体的流向,以尽可能小的气流动力损失保证气体在设备中的畅通和稳定流速;灸疗烟雾中含有大量焦油,那么给气流导入排出提供动力的风机就不能布置在焦油被处理前端,避免焦油吸附在风机叶片上,造成烟雾处理不完全同时还可能会堵塞风机,最终以设备系统末端布置鼓风机的方案,在管路中形成负压,引导烟雾气体经过设备中的各个处理环节｡考虑到设备对于烟雾负压吸力不能太大,避免将灸疗所需的药理活性物质[5]带走,控制电路板对应开发Pwm调速模块,在设备运行过程中,通过控制鼓风机[6]转速动态调整设备吸力,满足不同阶段气流需求,正常工作时要求设备进气口气流速度为1~2m/s｡艾烟中含有未充分燃烧的碳氢化合物､碳氧化合物及各种烃类苯类有机化合物[7],需要先将这类成分通过燃烧方式转化成二氧化碳､水及难以氧化反应成分,再将该混合气通过高温催化剂载体催化氧化反应,转化成可排放气体,配备的催化剂载体规格,在高温条件下,通过的气流速度低于2.5m/s时,载体催化能力达到上限｡到此有毒有害的烟雾处理阶段完成,接下来需要对高温的反应完气体降温达到安全排放范围排除设备｡

2、新型灸疗净烟设备的结构

如图1—图2所示,开发的设备外观简洁,内部布局紧凑,线路布置做到了强弱电分离｡

图3展示的是设备的4个核心模块:自上向下分别是控制模块､预热反应模块､散热模块､排气模块,其中预热反应模块需要提供220V交流电,用来对模块里的加热芯加热到红热状态,电源和继电器都是220V转24V的,其他用电元器件都是24V状态:鼓风机､散热风扇､熔断器､控制电路板和稳压控制板｡控制电路板通过热电偶传感器反馈的温度电信号判断工作状态,并作出相应的控制｡稳压控制板是给鼓风机调压稳压用,因为设备在不同工作阶段,需求不同大小的气流,比如在设备预热阶段,需要大气流快速升温进入正常工作阶段,随后需要微弱小气流,保证灸疗的药性物质不被风力带走,设备使用结束关机阶段,又需要大气流快速降温,如此可以做到设备工作中气流的动态调整｡保温隔热层里填充的是硅酸铝陶瓷纤维含锆毯,耐火隔热保温,可以承受1300℃高温,在保证设备高温稳定反应､保温节能的需求,极大提升了设备防烫的安全系数;控制模块熔断器是65℃常闭开关,当机箱内温度超过65℃,熔断器就会断开,设备强电断开并且蜂鸣器报警,这是该高温反应设备的又一项安全保护措施;因为散热模块是对超过400℃高温气体的强制快速降温,其散热风扇吹出来的热风温度也会持续达到45℃以上,为保证散热器散热性能的最大化,对该散热风扇加装密封罩,让经散热翅片下来的热流全部由风扇叶片鼓动吹向地面,同时机箱散热风扇分别向机箱外排风,保证机箱内部气流快速循环,这样机箱内部温度可以稳定在55℃以下,机箱表面温度低于45℃｡

图1设备组装视图

如图4剖视示意的气体在进入设备后的整体流向,最终排气吹向设备底部,铝翅片散热器的散热风扇也是将热量带走吹向地面｡鼓风机前端盒内有过滤芯,过滤最终排出气体颗粒物｡

图2设备内部布局视图

图3核心4模块视图

图4气流走向剖面示

图5是对散热模块的简化模型,输入450℃的高温气体,以及低流速､散热风扇的强制散热,模拟仿真得到散热排出端气体温度稳定在43℃左右(图6为散热分析结果),理论分析可以满足设计需求｡

基于设备功能性要求:进风口气流速度在1~2m/s､反应载体部分气流速度小于2.5m/s,对设备气流做流体分析｡基于方案布局首先简化流道模型如图7所示,标注有进气方向和排气方向｡对模型进行条件设置,入口初始平均流速定为2m/s,图8分析结果显示载体段气流速度低于1.6m/s,满足设备需求｡同时还能看出气流在加热段和散热器段产生涡流,这也是气流动力损失的重要因素,给下一步的流道优化设计提供了依据｡

图5散热模块简化模型

图6散热器热流分析

图7设备流道简化模型

图8设备气流速度分析

3、新型灸疗净烟设备的性能测试

3.1测试条件及准备

该实验测试是对艾烟进入设备处理后排放结果的检测,需要在相对密闭无风的常温测试间进行,避免测试数据的失真｡实验器材准备:明火灸疗仪一台､4Cm直径艾柱､点火用打火机､Blatn四合一检测仪(Pm2.5､Pm10､Hcho､Tvoc)､新开发的灸疗烟雾净化设备､记录数据分析数据用计算机一台｡为了能够实时监控设备相关状态,研发阶段同步开发了一套Windows调试程序,通过485串口连接控制电路板,设备上电后可以调试初装设备相关参数,并且记录测试相关数据｡

测试方法:优先对设备通电,并用485转Usb数据线连接计算机,调试好各项预设参数后,开机预热设备并开始记录过程数据,同时开启四合一检测仪放置通风处等待｡①待设备结束预热进入正常工作阶段,将检测仪放置在设备0.2m范围类,连续检测数据30Min并录视频记录下来;②完成初期环境检测后,安装好艾柱并将灸疗仪管路连接到设备进气口,点燃艾柱同时再次开始连续检测数据30Min并录视频;③等艾柱完全燃烧完后,将净化设备关机进入散热阶段,直至完全停止,断开灸疗仪管路与设备的连接,灸疗仪再次安装艾柱并点燃,将检测仪放置在灸疗仪0.2m范围类连续检测数据30Min并录视频｡

测试结束,整理计算机记录的设备状态数据和3次测试数据视频,统计汇总到表格并作分析,如果数据有较大误差,检查实验仪器管路密封如何､实验环境条件是否满足要求,并作出调整重新测试,保证得到准确､可靠的测试数据,给该系列设备开发优化提供充足依据｡

3.2测试结果及分析

先对测试过程中净化设备状态监控的数据进行分析,主要是设备热电偶传感器的反馈结果｡从温度时间曲线结果图9可以看出,开机75Min前,设备预热快速升温到正常工作阶段后,温度一直稳定在350~400℃,为设备催化处理反应做准备;设备开始处理进入的烟雾后,传感器反馈的温度逐渐上升到400~500℃,这样就能满足设备催化处理的温度需求｡这阶段因为烟雾经过了燃烧及催化氧化反应,会释放能量导致温度上升;烟雾处理结束后,反应段温度又会逐渐下降稳定到400℃左右;最后设备关机散热阶段,该温度会快速下降到指定安全温度后完全断电｡整个过程实测与控制理论设计完全一致

图9设备工作状态数据曲线图

然后对四合一检测仪测试结果汇总整理,制作了四个环境参数曲线､烟雾处理后参数曲线以及烟雾未处理的参数曲线,如图10—13测试对比结果｡实测在没有烟雾的环境下Pm2.5､Pm10､Tvoc3个参数(图表中a线条)均在室内空气质量国家标准以下:Pm2.5<50Μg/m3､Pm10<100Μg/m3､Tvoc<0.6Mg/m3[8],Hcho含量在0.16Mg/m3左右,略微高于国家标准的0.08Mg/m3;而烟雾未经处理排放室内,4个参数(图表中b线条)全都爆表:Pm2.5>999Μg/m3､Pm10>999Μg/m3､Hcho>9.999Mg/m3､Tvoc>9.999Mg/m3;将灸疗烟雾导入设备处理后再排放室内,4个参数(图表中c线条)测试结果显示全都低于没有烟雾的环境下参数曲线,而且Hcho含量稳定后在0.001Mg/m3左右､Tvoc含量稳定后在0.05Mg/m3以下,远低于国家标准,相对于烟雾未经处理排放室内,该净化设备的烟雾处理效果显著且能达到室内排放国家标准,结果完全符合设备开发预期｡

图10Pm2.5测试结果

图11Pm10测试结果

图12Hcho测试结果

图13Tvoc测试结果

4、结束语

从原理分析到方案开发再到性能测试,该新型灸疗烟雾净化处理设备可以填补这个领域烟雾处理困难的空缺｡基于设备烟雾处理原理,其可以拓展应用于有烟雾或者气体净化比如电焊锡焊烟雾环境,而且设备集成度高､维护简单成本低､推广容易｡还可以对核心模块进行并联组装形式,衍生大功率大处理量的设备机组,以满足大量烟雾处理需求｡

参考文献:

[1]张原生,郑丽贞.一种艾灸烟雾净化器:202222680725.2[P].2023-04-28.

[2]周长仁,赵宝库,时凯,等.艾灸床用净烟箱:201921340674.0[P].2020-07-14.

[3]刘振学,丁亚男,苏华雷,等.艾灸烟雾成分的Gc-Ms测定及其毒副作用初步探讨究[J].中药材,2016,39(7):1562-1566.

[4]袁晔.新型净烟艾灸器的研发与探索[D].郑州:河南中医学院,2012.

[5]刘美凤,周蕙.艾叶挥发油与燃烧烟雾的化学成分比较[J].华南理工大学学报(自然科学版),2012,40(1):32-33.

[6]蔡画鹢.基于单片机的艾灸烟雾处理机控制系统设计[J].科技创新与应用,2020(5):91-92.

[7]李强,蒋伯诚,马春华,等.关于艾灸烟雾化学成分的实验分析[J].黑龙江中医药,1993(4):44-46.

[8]国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会.室内空气质量标准:Gbt18883—2022[S].

文章来源:丁保浩.一种新型灸疗烟雾净化设备的开发及其性能分析[J].科技创新与应用,2025,15(04):118-122.