專利名稱：一種控制荷電凝并體生長的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本申請屬于環(huán)保除塵領域，尤其涉及一種控制荷電凝并體生長的方法和裝置。
背景技術：
工業(yè)生產過程中，產生大量的人體可吸入(粉塵粒徑小于10微米)對人體健康產生極大危害的粉塵，對人類生命健康問題構成了威脅。可吸入的粉塵中PM (Particulate Matter,大氣中的固體或液體顆粒狀物質)2.5是可入肺顆粒物，其粒徑小，但是富含大量的有毒、有害物質且在大氣中停留的時間長、輸送距離遠，因此對人體健康的危害更大。因此全球都在加大力度致力于可入肺顆粒物PM2.5的排放標準。當前對PM2.5的收集一般采用粉塵凝并增大的方式，其原理是把細小粉塵電凝并成較大的粉塵顆粒(又稱凝并體)，增大的粉塵顆粒再由靜電除塵裝置收集。在進行凝并的過程中，為了得到較大且牢固的凝并體，需要對凝并過程進行分析，進而調整各項影響因素得到符合要求的凝并體?，F(xiàn)有技術中，一般采用二維圖表方式對凝并過程進行分析，但是PM2.5凝并體是一種介于二維和三維之間的非歐幾何體，由于傳統(tǒng)的二維方式的局限性，在分析檢測過程中會無法對PM2.5的凝并體中的一些信息進行分析，最后得到的分析結果會有較大的偏差，進而無法得到最佳(或最大)的凝并體提供給后續(xù)的靜電除塵裝置。

發(fā)明內容
有鑒于此，本申請的目的在于提供一種控制荷電凝并體生長的方法和裝置，通過采用三維建模方式對荷電凝并體進行分析，并依據分析結果對該凝并體的生長進行控制，最終得到較大而且牢固的凝并體。一種控制荷電凝并體生長的方法，包括:從至少兩個角度對荷電凝并體同時進行拍攝，分別得到各個角度所述荷電凝并體的圖像；采用分形維數(shù)函數(shù)對所述荷電凝并體的各個角度圖像進行三維分析，得到所述荷電凝并體的分形維數(shù)；依據所述分形維數(shù)與預設的第一分析規(guī)則，判斷所述荷電凝并體是否滿足體積要求；如果否，依據所述分形維數(shù)和預設的第二分析規(guī)則進行分析，并依據所述分析結果對凝并體所在的電場進行調節(jié)，使所述凝并體繼續(xù)增長；如果是，荷電凝并體的生長過程結束。上述的方法，優(yōu)選的，依據所述分形維數(shù)和預設的第二分析規(guī)則進行分析，并依據所述分析結果對凝并體所在的電場進行調節(jié)包括:依據所述分形維數(shù)計算所述荷電凝并體的黏結力，判斷所述黏結力與電場中的湍流破碎力的大?。划斔鲳そY力小于所述湍流破碎力時，對所述交變電場進行調節(jié)。上述的方法，優(yōu)選的，對所述交變電場進行調節(jié)包括:調節(jié)交變電場的頻率和/或強度。上述的方法，優(yōu)選的，所述電場中的湍流破碎力包括:處于慣性區(qū)的湍流破碎力和處于黏性區(qū)的湍流破碎力。上述的方法，優(yōu)選的，所述采用分形維數(shù)函數(shù)對所述荷電凝并體的各個角度圖像進行三維分析，得到所述荷電凝并體的分形維數(shù)包括:采用分形冪率函數(shù)式進行計算:N=Kf (Rf/df)Df，其中，Rf為回轉半徑，df為主粒子粒徑，Kf為分形系數(shù)，Df為分形維數(shù)；將上式兩邊去對數(shù)，并采用改進的回轉半徑法計算分形維數(shù)，構建分形維數(shù)函數(shù)，建立雙對數(shù)坐標，得到In R(N) =1/D In N+C ;以In R(N)為縱坐標，In N為橫坐標，其斜率是1/D，C表示凝并體初始時的分形性，得到分形維數(shù)；其中，所述C與構成所述凝并體的粒子串相關。上述的方法，優(yōu)選的，還包括:對所述荷電凝并體的各個角度圖像進行合成，得到荷電凝并體的三維動畫成像。一種控制荷電凝并體生長的裝置，包括:攝像設備，用于從至少兩個角度對荷電凝并體同時進行拍攝，分別得到各個角度所述荷電凝并體的圖像；分形維數(shù)計算器，用于采用分形維數(shù)函數(shù)對所述荷電凝并體的各個角度圖像進行三維分析，得到所述荷電凝并體的分形維數(shù)；生長進度分析器，用于依據所述荷電凝并體的分形維數(shù)與預設的第一分析規(guī)則，判斷所述荷電凝并體是否滿足體積要求；電場調節(jié)器，用于依據所述分形維數(shù)和預設的第二分析規(guī)則進行分析，并依據所述分析結果對凝并體所在的電場進行調節(jié)，使所述凝并體繼續(xù)增長。上述的裝置，優(yōu)選的，還包括:動畫成像設備，用于對所述荷電凝并體的各個角度圖像進行合成，得到荷電凝并體的三維動畫成像。本申請?zhí)峁┝艘环N控制荷電凝并體生長的方法，包括:從至少兩個角度對荷電凝并體同時進行拍攝，分別得到各個角度所述荷電凝并體的圖像；采用分形維數(shù)函數(shù)對所述荷電凝并體的各個角度圖像進行三維分析，得到所述荷電凝并體的分形維數(shù)；依據所述分形維數(shù)與預設的第一分析規(guī)則，判斷所述荷電凝并體是否滿足體積要求；如果否，依據所述分形維數(shù)和預設的第二分析規(guī)則進行分析，并依據所述分析結果對凝并體所在的電場進行調節(jié)，使所述凝并體繼續(xù)增長；如果是，荷電凝并體的生長過程結束。通過采用三維方式對荷電凝并體進行分析，并依據分析結果對該凝并體所在電場進行調節(jié)，進而控制該荷電凝并體的生長，最終得到較大而且牢固的滿足體積要求的凝并體。


為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本申請的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是凝并體生長過程的示意圖；圖2是本申請?zhí)峁┑囊环N控制荷電凝并體生長的方法實施例1的流程圖；圖3是本申請?zhí)峁┑囊环N控制荷電凝并體生長的方法實施例1中步驟S104的具體流程圖； 圖4是本申請?zhí)峁┑囊环N控制荷電凝并體生長的方法實施例2的流程圖；圖5是本申請?zhí)峁┑囊环N控制荷電凝并體生長的裝置實施例1的結構示意圖；圖6是本申請?zhí)峁┑囊环N控制荷電凝并體生長的裝置實施例2的結構示意圖；圖7是是本申請?zhí)峁┑囊环N控制荷電凝并體生長的方法和裝置在實際實施中的應用場景。
具體實施例方式為使本申請實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚,下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本申請的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒旧暾堉械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本申請保護的范圍。隨著荷電粉塵的凝并，在交變電場中的顆粒物的粒徑發(fā)生變化，單位體積內的粉塵濃度也因為凝并分形而急劇減少。此時在交變電場中的顆粒物為由各個荷電粉塵碰撞得到的粒子串，各個游離的小凝并體與粒子串通過碰撞，生長得到凝并體。參見圖1所示的凝并體生長過程的示意圖，圖中A表示較小的凝并體，B表示較大的凝并體，C表示凝并體顆粒。較小的凝并體相互碰撞凝并得到較大的凝并體,最終得到體積滿足要求的凝并體顆粒。對小凝并體生長過程進行控制就能夠得到較大而且牢固的凝并體顆粒，該凝并體顆粒在后續(xù)的靜電除塵裝置更加方便清除。PM2.5顆粒凝并體的形成和生長可通過分形維數(shù)來進行描述和分析，按照分形的定義，物質的質量M與其特征長度dp之間的具有如下關系:M oc( I )其中，M為凝并體的質量，dp為顆粒的粒徑，Df為分形維數(shù)。對于凝并體，以其當量直徑dp (與平面投影面積相同圓的直徑)作為特征長度。對于三維歐幾里得體系，Df=3 ;而對于非歐幾何體系，Df〈3。具有Df〈3的性質的物體就是分形體，Df稱為分形維數(shù)。根據質量和密度的關系，在質量一定的情況下，隨著凝并體的體積增大，凝并體的密度逐漸減小，而凝并體密度P與粒徑dp的Kp次方成反比的普遍規(guī)律:P = β ~Κρ( 2 )則式(I)可寫為:M = pVp = apdlp( 3 )
其中，Vp為物體的體積，α為幾何因子,對于球體α=4π/3M = αβ ]；κ oc (f;Kr( 4 )由(I)和(4)可得到，凝并體的分形維數(shù)為:Df=3-KP(5)由(5)可知，只要KP>0，凝并體的分形維數(shù)就小于3 (對于三維體系)，呈現(xiàn)出分形的特征，這是由于凝并體的生長過程是一個隨機碰撞的過程，具有典型的分型特征。參見圖2，示出了本申請?zhí)峁┑囊环N控制荷電凝并體生長的方法實施例1的流程圖，包括:步驟SlOl:從至少兩個角度對荷電凝并體同時進行拍攝，分別得到各個角度所述荷電凝并體的圖像；由于粒子對光的散射原理，對荷電凝并體進行拍攝，該拍攝的圖像體現(xiàn)了該荷電凝并體拍攝面的外形。為得到比較全面的荷電凝并體的外形圖像，可采用多角度拍攝，至少為兩個角度，如前后兩個角度，由于荷電凝并體的運動變化較快，需要采用同時拍攝。步驟S102:采用分形維數(shù)函數(shù)對所述荷電凝并體的各個角度圖像進行三維分析，得到所述荷電凝并體的分形維數(shù)；所述分形維數(shù)表示所述凝并體的形體特征信息和密度特征信息；分形維數(shù)能夠定量的 描述該荷電粒子(粉塵以及較小的凝并體等)的外形輪廓呈現(xiàn)的不光滑程度，做如下假設:荷電粒子是球形的；球形主粒子具有恒定的直徑；主粒子不重合，且呈現(xiàn)點接觸排列；粒子的折射率相同。采用分形冪率函數(shù)式進行計算:N=Kf (Rf/df)Df，其中，Rf為回轉半徑，df為主粒子粒徑，Kf為分形系數(shù)，Df為分形維數(shù)；將上式兩邊去對數(shù)，并采用改進的回轉半徑法計算分形維數(shù)，構建分形維數(shù)函數(shù)，建立雙對數(shù)坐標，得到In R(N) =1/D In N+C ;以In R(N)為縱坐標，In N為橫坐標，其斜率是1/D，C表示凝并體初始時的分形性，得到分形維數(shù)；其中，所述C與構成所述凝并體的粒子串相關。由于C的取值應該和凝并過程初期的粒子串有關，所以不同的粒子串就應該有不同的C值，這樣對于分形維數(shù)的數(shù)學建模就更加的符合實際的情況。分形維數(shù)定量的描述粉塵凝并的難易程度，分形維數(shù)越大，凝并體結構越不規(guī)則，向空間擴展生長的能力越強，粉塵越容易凝并，得到的凝并體體積越大。具體應用中，凝并體的分形維數(shù)Df受到凝并過程中下述7個物理量的影響:電場的尺寸M (包括長度尺寸L、寬度尺寸B、高度尺寸H)，空間電流體流速U，電流體密度P，電流體黏度V，粒子平均粒徑d，原電場的粉塵顆粒量N和能量損失h等。由于凝并裝置在初期已經設置完成，因此電場尺寸也是固定的，該電場的尺寸M為固定值，則凝并體的分形維數(shù)只受到剩余的6個物理量的影響。步驟S103:依據所述荷電凝并體的分形維數(shù)與預設的第一分析規(guī)則，判斷所述荷電凝并體是否滿足體積要求；如果否，轉至步驟S104 ;如果是，轉至步驟S105 ；由于所述分形維數(shù)表示所述凝并體的形體特征信息和密度特征信息，根據該凝并體的形體特征信息，如凝并體的形狀系數(shù)、凝聚系數(shù)以及特征長度等。
PM2.5顆粒凝并體的體積通常有兩種定義:包裹體積(en-cased volume)和固有體積(solid volume)。包裹體積指凝并體整體邊界包含的所有空間，固有體積是指凝并體內所有初始顆粒所占有的空間體積。對于分形體系，PM2.5凝并體的包裹體積可表示為:Ve= a L3(6)分形體系下ΡΜ2.5顆粒凝并體的密度推求:設組成凝并體的初始顆粒的特征長度Lci,形狀系數(shù)為％，密度為P 0,則初始顆粒的質量為:mg= P ο α ciLq(7)設PM2.5顆粒凝并體的形狀系數(shù)為α，凝聚系數(shù)為β，特征長度為L，對于分形體系(而非三維歐幾里德體系)，ΡΜ2.5顆粒凝并體內含有初始顆粒數(shù)N可表示為:N = {βαIcr0 f!:'{1JL0f> = ψα!.3{LIL0)Df( 8 )式中，令Ψ = βα/α。，則ΡΜ2.5凝并體的質量為:m = Nm0= Paw0fi3L03^bLDf( 9 )PM2.5凝并體的密度定義為單位包裹體積內所有PM2.5凝并體的質量，即

P =m/Ve(10)由(6) (9)、(10)可知，分形體系下，PM2.5凝并體的密度為P = ρ0(α0 α)ψΙ}> '(L0ILf^0f(11 )凝并體的強度分析:凝并體的強度反應分形維數(shù)與動力學指標的關系，它決定著形成的凝并體顆粒的最大尺寸。在固定的電場條件下，凝并體能夠達到的最大尺寸由凝并體的黏結力和電流體對凝并體的湍流破碎力這兩個相反的力決定。預先能夠根據現(xiàn)有電場的數(shù)據信息，可計算得到在該電場中能夠得到的凝并體的標準體積和強度。比對當前凝并體的體積與標準的體積，當不滿足要求時，需要凝并體繼續(xù)生長，進入步驟S104，否則，該凝并體生長達到體積要求，可以進入沉降步驟，進入步驟S105。步驟S104:依據所述分形維數(shù)和預設的第二分析規(guī)則進行分析，并依據所述分析結果對凝并體所在的電場進行調節(jié)，使所述凝并體繼續(xù)增長；當當前凝并體的體積不滿足要求預設的標準體積時，需要凝并體繼續(xù)生長，根據該凝并體的生長情況對凝并體所在的電場進行調節(jié)，使該凝并體繼續(xù)生長。參見圖3，示出了本申請?zhí)峁┑囊环N控制荷電凝并體生長的方法實施例1步驟S104的具體流程圖，步驟S104包括:步驟S1041:依據所述分形維數(shù)計算所述荷電凝并體的黏結力，判斷所述黏結力與電場中的湍流破碎力的大小；荷電凝并體的黏結力的計算:黏結力B (g.cm/s2)與PM2.5凝并體的凈截面積An (cm2)成正比:B An(12)
對于直徑為dp (cm)的PM2.5凝并體，設其空隙率為ε，其凈體積Vn表示為:
權利要求
1.一種控制荷電凝并體生長的方法，其特征在于，包括: 從至少兩個角度對荷電凝并體同時進行拍攝，分別得到各個角度所述荷電凝并體的圖像； 采用分形維數(shù)函數(shù)對所述荷電凝并體的各個角度圖像進行三維分析，得到所述荷電凝并體的分形維數(shù)； 依據所述分形維數(shù)與預設的第一分析規(guī)則，判斷所述荷電凝并體是否滿足體積要求； 如果否，依據所述分形維數(shù)和預設的第二分析規(guī)則進行分析，并依據所述分析結果對凝并體所在的電場進行調節(jié)，使所述凝并體繼續(xù)增長； 如果是，荷電凝并體的生長過程結束。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，依據所述分形維數(shù)和預設的第二分析規(guī)則進行分析，并依據所述分析結果對凝并體所在的電場進行調節(jié)包括: 依據所述分形維數(shù)計算所述荷電凝并體的黏結力，判斷所述黏結力與電場中的湍流破碎力的大?。? 當所述黏結力小于所述湍流破碎力時，對所述交變電場進行調節(jié)。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，對所述交變電場進行調節(jié)包括:調節(jié)交變電場的頻率和/或強度。
4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述電場中的湍流破碎力包括:處于慣性區(qū)的湍流破碎力和處于黏性區(qū)的湍流破碎力。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用分形維數(shù)函數(shù)對所述荷電凝并體的各個角度圖像進行三維分析，得到所述荷電凝并體的分形維數(shù)包括: 采用分形冪率函數(shù)式進行計算:N=Kf (Rf/df)Df，其中，Rf為回轉半徑，df為主粒子粒徑，Kf為分形系數(shù)，Df為分形維數(shù)； 將上式兩邊取對數(shù)，并采用改進的回轉半徑法計算分形維數(shù)，構建分形維數(shù)函數(shù)，建立雙對數(shù)坐標，得到In R(N) =1/D In N+C ;以In R(N)為縱坐標，In N為橫坐標，其斜率是I/D，C表示凝并體初始時的分形性，得到分形維數(shù)；其中，所述C的設定值與構成所述凝并體的粒子串相關。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括: 對所述荷電凝并體的各個角度圖像進行合成，得到荷電凝并體的三維動畫成像。
7.—種控制荷電凝并體生長的裝置，其特征在于，包括: 攝像設備，用于從至少兩個角度對荷電凝并體同時進行拍攝，分別得到各個角度所述荷電凝并體的圖像； 分形維數(shù)計算器，用于采用分形維數(shù)函數(shù)對所述荷電凝并體的各個角度圖像進行三維分析，得到所述荷電凝并體的分形維數(shù)； 生長進度分析器，用于依據所述荷電凝并體的分形維數(shù)與預設的第一分析規(guī)則，判斷所述荷電凝并體是否滿足體積要求； 電場調節(jié)器，用于依據所述分形維數(shù)和預設的第二分析規(guī)則進行分析，并依據所述分析結果對凝并體所在的凝并電場進行調節(jié)，使所述凝并體繼續(xù)增長。
8.根據權利要 求7所述的裝置，其特征在于，還包括: 動畫成像設備，用于對所述荷電凝并體的各個角度圖像進行合成，得到荷電凝并體的三維 動畫成像。
全文摘要
本申請?zhí)峁┝艘环N控制荷電凝并體生長的方法，包括從至少兩個角度對荷電凝并體同時進行拍攝，分別得到各個角度荷電凝并體的圖像；采用分形維數(shù)函數(shù)對荷電凝并體的各個角度圖像進行三維分析，得到荷電凝并體的分形維數(shù)；依據分形維數(shù)與預設的第一分析規(guī)則，判斷荷電凝并體是否滿足體積要求；如果否，依據分形維數(shù)和預設的第二分析規(guī)則進行分析，并依據分析結果對凝并體所在的電場進行調節(jié)，使凝并體繼續(xù)增長；如果是，荷電凝并體的生長過程結束。通過采用三維方式對荷電凝并體進行分析，并依據分析結果對該凝并體所在電場進行調節(jié)，進而控制該荷電凝并體的生長，最終得到較大而且牢固的滿足體積要求的凝并體。
文檔編號B03C3/014GK103157554SQ20131008533
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權日2013年3月15日
發(fā)明者莊蒙蒙, 孔春林, 郭炎鵬, 朱繼保, 沈波, 韋陳航, 駱彬翼, 丁澤坤 申請人:杭州天明環(huán)保工程有限公司