امكان سنجي فيلتراسيون آكوستيكي جهت جذب ذرات خروجي از اگزوز موتورهاي ديزل

چکيده

جداسازي ذرات معلق در گازها به ويژه هوا، مورد توجه اغلب صنايع از جمله صنايع خودرو سازي، هسته اي، کارخانجات سيمان و نيز علوم زيست محيطي مي باشد. براي کاهش آلودگي دو روش عمده وجود دارد:

الف) کاهش توليد آلاينده ها

ب) جلوگيري از انتشار آلاينده ها در محيط.

در اين تحقيق جداسازي دوده از گازهاي خروجي اگزوز موتورهاي ديزل مورد بررسي قرار مي گيرد.

دو مبحث بنيادي در اين تحقيق عبارتند از:

الف) بررسي خصوصيات ذرات آلاينده خروجي از اگزوز.

ب) بررسي امكان سنجي استفاده از امواج آكوستيكي براي حذف ذرات معلق در گازهاي خروجي اگزوز موتور هاي ديزل

نتايج حاصله از اين بررسي نشان مي دهد که ذرات آلاينده داراي قطر تقريبي 10-01/0ميکرون با حداکثر تجمع جرمي در محدوده کمتر از 4/0 ميکرون مي باشند.

بدين منظور، مدل سازي عددي در مورد انباشت اکوستيکي براي بدست آوردن پارامترهاي آزمايش و تاثير اين پارامترها در شبيه سازي و نتايج آزمايش انجام شد.

نتايج آزمايشگاهي حاصله نشان مي دهد كه از امواج آكوستيكي براي جداسازي ذرات گازهاي خروجي اگزوز با بازده بالا مي توان استفاده كرد. سيستم فيلتراسيون آكوستيكي براي ذرات بزرگتر از 0.2 ميكرون و براي دبي عبوري کوچکتر از 30 ليتر بر دقيقه، در گستره توان صوتي اعمالي 30 وات، کارآيي دستگاه نشست دهنده بيشتر از 95 درصد مي باشد. براي دبي 50 ليتر بر دقيقه با توان صوتي 30 وات بازده 45% مي باشد كه براي افزايش بازده فيلتراسيون در دبي هاي بالاتر، ميتوان از چند سيستم به صورت موازي استفاده نمود.

فهرست مطالب

عنوان صفحه

1-فصل اول: مقدمه.......................................................................................................... 1

2- فصل دوم: مروري بر ادبيات و اصول و مباني نظري........................................................................ 4

2-1 مقدمه................................................................................................................................................................ 5

2-2 سيستم جدا ساز ذرات معلق در گازها....................................................................................................... 8

2-2-1 صافي هاي کيسه اي............................................................................................................................... 8

2-2-2 ته نشين کننده هاي ثقلي..................................................................................................................... 8

2-2-3 شوينده ها.................................................................................................................................................. 9

2-2-4 سيکلونها..................................................................................................................................................... 9

2-2-5 نشست دهنده الکتروستاتيک................................................................................................................ 9

2-3 زمينه تاريخي.................................................................................................................................................. 10

2-4 مكانيزمهاي انباشت آكوستيك.................................................................................................................. 11

2-4-1 فعل و انفعالات اورتوكينتيك................................................................................................................ 11

2-4-2 فعل و انفعالات هيدروديناميك............................................................................................................. 17

2-4-3 واكنشهاي آشفتگي آكوستيك............................................................................................................. 20

2-4-4 روان سازي آكوستيك............................................................................................................................ 19

2-4-5 توده آكوستيك......................................................................................................................................... 23

2-5 مدلهاي شبيه سازي فعلي............................................................................................................................ 24

2-5-1 مدل وولك................................................................................................................................................. 24

2-5-2 مدل شو...................................................................................................................................................... 25

2-5-3 مدل تيواري............................................................................................................................................. 25

2-6 مدل سانگ....................................................................................................................................................... 25

3-فصل سوم: روشها و تجهيزات......................................................................................................................... 27

3-1 مقدمه................................................................................................................................................................ 28

3-2 روش شبيه سازي انباشت آكوستيك........................................................................................................ 28

3-2-1 فرضيات انجام شده در مدل سازي...................................................................................................... 28

3-2-2 الگورِيتم مدل سازي................................................................................................................................ 29

3-3 سيستم آزمايشگاهي فيلتراسيون آكوستيكي........................................................................................ 30

3-3-1 سيستم آزمايشگاهي اندازه گيري توزيع اندازه ذرات...................................................................... 30

3-3-2 آزمايشات مربوط به دستگاه نشت دهنده آکوستيکي..................................................................... 33

3-3-3 مواد مورد استفاده.................................................................................................................................... 41

3-4 كاليبراسيون وسايل آزمايشگاهي .............................................................................................................. 43

4- فصل چهارم: نتايج و تفسير آنها............................................................................................................. 45

4-1 مقدمه................................................................................................................................................................ 46

4-2 نتايج آزمايشگاهي.......................................................................................................................................... 47

4-2-1 اندازه گيري توزيع اندازه و غلظت کلي ذرات

خروجي از اگزوز موتورهاي ديزلي........................................................................................................................ 46

4-3 آزمايشات مربوط به دستگاه نشست دهنده آکوستيکي...................................................................... 49

4-3-1 آزمايش بدست آوردن فرکانس هاي بحراني..................................................................................... 49

4-3-2 رسم پروفيل فشار آکوستيکي در طول لوله....................................................................................... 52

4-3-3 اعمال امواج آکوستيکي بر روي جريان ايروسل................................................................................ 55

4-3-3-1 اعمال امواج آکوستيکي برروي ذرات درحالت بدون دبي و ساکن......................................... 55

4-3-3-2 اعمال امواج بر روي جريان ايروسل............................................................................................... 62

4-4 بررسي تأثير عوامل موثر در بازده فيلترهاي آکوستيکي

در خروجي موتور هاي ديزل...................................................................................................................... 67

4-4-1 بررسي تأثير دبي عبوري از محفظه..................................................................................................... 65

4-4-2 بررسي اثر توان اعمالي امواج............................................................................................................... 72

4-4-3 بررسي تاثير دما و فشار.......................................................................................................................... 75

4-4-4 تأثيرات فركانس صدا............................................................................................................................. 77

4-4-5 اثر اندازه ذرات.......................................................................................................................................... 77

5- فصل پنجم........................................................................................................................................................ 79

فهرست مراجع........................................................................................................................................................ 83

ضميمه 1................................................................................................................................................................... 85

ضميمه 2................................................................................................................................................................... 88

ضميمه 3................................................................................................................................................................... 95

فهرست نمودارها

شکل 2-1- حجم انباشت آكوستيك........................................................................................................................... 12

شکل 2-2- حجم واقعي انباشت آكوستيكي............................................................................................................. 14

شكل 2-3- مكانيزم هاي آشفتگي................................................................................................................................. 20

شكل 2-4- شكل موج سرعت آكوستيك درشدت بالا.............................................................................................. 22

شكل 3-1- دستگاه برخورد دهنده چند مرحله اي................................................................................................... 31

شكل 3-2- سيستم حذف ذرات بزرگ......................................................................................................................... 32

شكل 3-3- دستگاه شمارنده ذرات................................................................................................................................ 33

شكل 3-4- منبع امواج آکوستيکي............................................................................................................................... 34

شكل 3-5- دستگاه منبع ايجاد سيگنال...................................................................................................................... 35

شكل 3-6- دستگاه Amplifier................................................................................................................................. 36

شکل 3-7- دستگاه فرکانس متر.................................................................................................................................... 36

شكل 3-8- بلندگو و horn............................................................................................................................................ 37

شكل 3-9- صفحه بازتاب كننده امواج و لوله فلزي براي خروج گازها.................................................................. 38

شكل 3-10- فشار سنج ديجيتالي................................................................................................................................. 38

شكل 3-11- دستگاه توليد کننده ايروسل تک توزيعي........................................................................................... 39

شكل 3-12- دستگاه مولد ايروسل چند توزيعي....................................................................................................... 40

شكل 3-13- دبي سنج.................................................................................................................................................... 41

شكل 3-14- توزيع اندازه ذرات خروجي از دستگاه توليد كننده ايروسل........................................................... 43

شكل 4-1- توزيع جرمي ذرات كوچكتر از 10 ميكرون خروجي از اگزوز موتورهاي ديزلي............................ 46

شكل 4-2- درصد جرمي توزيع ذرات كوچكتر از 10 ميكرون خروجي از اگزوز موتورهاي ديزلي.............. 46

شكل 4-3- توزيع فشار آكوستيكي در ^cm10 از بالاي لوله..................................................................................... 49

شكل 4-4- توزيع فشار آكوستيكي در ^cm17 از بالاي لوله..................................................................................... 49

شكل 4-5- توزيع فشار آكوستيكي در ^cm150 از بالاي لوله.................................................................................. 50

شكل 4-6- مقايسه نتايج نظري و آزمايشگاهي براي فركانس 200 (Hz) بر اساس ماكزيمم فشار............ 51

شكل 4-7- مقايسه نتايج نظري و آزمايشگاهي براي فركانس 650 (Hz) بر اساس مينيمم فشار............. 51

شكل 4-8- مقايسه نتايج نظري و آزمايشگاهي براي فركانس 830 (Hz) بر اساس ماكزيمم فشار............ 52

شكل 4-9- setup استفاده شده در حالت بدون جريان......................................................................................... 54

شكل 4-10- تست نشست آكوستيكي براي حالت بدون دبي و فركانسHz 200........................................ 56

شكل 4-11- محل نقاطي كه در آن ايروسل ها به ديواره چسبيده اند................................................................ 57

شكل 4-12- تست نشست آكوستيكي براي حالت بدون دبي و فركانسHz 650 ........................................ 58

شكل 4-13- تست نشست آكوستيكي براي حالت بدون دبي و فركانسHz 830 ........................................ 59

شكل 4-14- setup استفاده شده براي اعمال امواج بر روي جريان (Q=250 L/h.................................... 61

شكل 4-15- تست نشست آكوستيكي براي حالت Q=250 L/hourو فركانسHz 830 ....................... 62

شكل 4-16- setup استفاده شده براي اعمال امواج بر روي جريان (Q=27.8 L/min).......................... 63

شكل 4-17- تست نشست آكوستيكي براي حالت Q=27.8 L/minو فركانسHz 830 ....................... 64

شكل 4-18- setup استفاده شده براي استفاده از ذرات توزيع اندازه مختلف و استفاده از دستگاه شمارنده ذرات 66

شكل 4-19- تاثير دبي جريان بر بازده فيلتراسيون.................................................................................................. 68

شكل 4-20- تاثير زمان اعمال جريان بر اندازه ذرات در مدل سازي عددي.................................................... 69

شكل 4-21- بررسي تاثير زمان اعمال امواج در توزيع اندازه ذرات و مقايسه بين نتايج مدل سازي عددي و نتايج آزمايشگاهي در فركانس 200 Hz در حالت لوله سر بسته............................................................................................................. 70

شكل 4-22- تاثير توان الكتريكي امواج بر بازده فيلتراسيون................................................................................. 72

شكل 4-23- تاثير دما در نرخ انباشت آكوستيكي.................................................................................................... 74

شكل 4-24- تاثير فشار گاز در نرخ انباشت آكوستيكي.......................................................................................... 75

شكل 4-25- تاثير اندازه ذرات در انباشت آكوستيكي............................................................................................. 76

فهرست جداول

جدول 4-1- فرکانس هاي بحراني................................................................................................................................. 48

جدول 4-2- توزيع فشار آكوستيكي در فركانس هاي مختلف................................................................................ 48

جدول 4-3- بررسي اثر دبي در بازده فيلتراسيون..................................................................................................... 67

جدول 4-4- بررسي اثر توان صوتي در بازده فيلتراسيون........................................................................................ 71

ليست علائم

u_p سرعت ذره در ميدان آكوستيك

η فاكتور گاز برد (entrainment factor)

ω فركانس زاويه اي آكوستيك

t زمان

φ تعويق فازي حركت ذره نسبت به تعويق فازي حركت گاز

U_a دامنه سرعت آكوستيك

زمان استراحت ذره

چگالي ذره

µ لزجت سينماتيكي

d و a قطر ذره

_cε بازده برخورد

n_v تعدد عددي ذرات كوچك در حجم انباشت بعد از پر شدن

_fε بازده پرشدگي

تابع فركانس انباشت يا ضريب انباشت

g₁₂ تابع تعامل هيدروديناميكي

p_a فشار محيط محفظه انباشت

P فشار آكوستيكي

k عدد موج

ρ_o چگالي هوا

λ عدد موج

Q دبي جريان ايروسل

V سرعت عبور ذره از ميان محفظه

E بازده فيلتراسيون

N_f تعداد ذرات بعد از فيلتراسيون

N_i تعداد ذرات قبل از فيلتراسيون

γ نسبت گرماي ويژه

R ثابت جهاني گازها

CI اشتعال تراكمي

SI اشتعال جرقه اي