پایان نامه مکان سنجی فیلتراسیون آکوستیکی جهت جذب ذرات خروجی از اگزوز موتورهای دیزل

(مرکز توسعه خودرو و کار)

چکیده

جداسازی ذرات معلق در گازها به ویژه هوا، مورد توجه اغلب صنایع از جمله صنایع خودرو سازی، هسته ای، کارخانجات سیمان و نیز علوم زیست محیطی می باشد. برای کاهش آلودگی دو روش عمده وجود دارد: 

الف) کاهش تولید آلاینده ها 

ب) جلوگیری از انتشار آلاینده ها در محیط.

در این تحقیق جداسازی دوده از گازهای خروجی اگزوز موتورهای دیزل مورد بررسی قرار می گیرد.

 دو مبحث بنیادی در این تحقیق عبارتند از:

الف) بررسی خصوصیات ذرات آلاینده خروجی از اگزوز.

ب) بررسی امکان سنجی استفاده از امواج آکوستیکی برای حذف ذرات معلق در گازهای خروجی اگزوز موتور های دیزل

 نتایج حاصله از این بررسی نشان می دهد که ذرات آلاینده دارای قطر تقریبی  10-01/0میکرون با حداکثر تجمع جرمی در محدوده کمتر از 4/0 میکرون می باشند.

بدین منظور، مدل سازی عددی در مورد انباشت اکوستیکی برای بدست آوردن پارامترهای آزمایش و تاثیر این پارامترها در شبیه سازی و نتایج آزمایش انجام شد.

نتایج آزمایشگاهی حاصله نشان می دهد که از امواج آکوستیکی برای جداسازی ذرات گازهای خروجی اگزوز با بازده بالا می توان استفاده کرد. سیستم فیلتراسیون آکوستیکی برای ذرات بزرگتر از 0.2 میکرون و برای دبی عبوری کوچکتر از 30 لیتر بر دقیقه، در گستره توان صوتی اعمالی  30 وات، کارآیی دستگاه نشست دهنده بیشتر از 95 درصد می باشد. برای دبی 50 لیتر بر دقیقه با توان صوتی 30 وات بازده 45% می باشد که برای افزایش بازده فیلتراسیون در دبی های بالاتر، میتوان از چند سیستم به صورت موازی استفاده نمود. 

فهرست مطالب

عنوان               صفحه

1-فصل اول: مقدمه1

2- فصل دوم: مروری بر ادبیات و اصول و مبانی نظری4

2-1 مقدمه5

2-2 سیستم جدا ساز ذرات معلق در گازها8

2-2-1 صافی های کیسه ای8

2-2-2 ته نشین کننده های ثقلی8

2-2-3 شوینده ها9

2-2-4 سیکلونها9

2-2-5 نشست دهنده الکتروستاتیک9

2-3 زمینه تاریخی10

2-4  مکانیزمهای انباشت آکوستیک11

2-4-1 فعل و انفعالات اورتوکینتیک11

2-4-2 فعل و انفعالات هیدرودینامیک17

2-4-3 واکنشهای آشفتگی آکوستیک20

2-4-4 روان سازی آکوستیک19

2-4-5 توده آکوستیک23

2-5 مدلهای شبیه سازی فعلی24

2-5-1 مدل وولک24

2-5-2 مدل شو25

2-5-3  مدل تیواری25

2-6 مدل سانگ25

3-فصل سوم: روشها و تجهیزات27

3-1 مقدمه28

3-2 روش شبیه سازی انباشت آکوستیک28

3-2-1 فرضیات انجام شده در مدل سازی28

3-2-2 الگورِیتم مدل سازی29

3-3  سیستم آزمایشگاهی فیلتراسیون آکوستیکی30

3-3-1 سیستم آزمایشگاهی اندازه گیری توزیع اندازه ذرات30

3-3-2 آزمایشات مربوط به دستگاه نشت دهنده آکوستیکی33

3-3-3 مواد مورد استفاده41

3-4 کالیبراسیون وسایل آزمایشگاهی 43

4- فصل چهارم: نتایج و تفسیر آنها45

4-1 مقدمه46

4-2 نتایج آزمایشگاهی47

 4-2-1  اندازه گیری توزیع اندازه و غلظت کلی ذرات

 خروجی از اگزوز موتورهای دیزلی46

 4-3 آزمایشات مربوط به دستگاه نشست دهنده آکوستیکی49

4-3-1 آزمایش بدست آوردن فرکانس های بحرانی49

4-3-2 رسم پروفیل فشار آکوستیکی در طول لوله52

4-3-3 اعمال امواج آکوستیکی بر روی جریان ایروسل55

4-3-3-1 اعمال امواج آکوستیکی برروی ذرات درحالت بدون دبی و ساکن55

4-3-3-2 اعمال امواج بر روی جریان ایروسل62

4-4 بررسی تأثیر عوامل موثر در بازده فیلترهای آکوستیکی

         در خروجی موتور های دیزل67

4-4-1 بررسی تأثیر دبی عبوری از محفظه65

4-4-2  بررسی اثر توان اعمالی امواج72

4-4-3 بررسی تاثیر دما و فشار75

4-4-4  تأثیرات فرکانس صدا77

4-4-5 اثر اندازه ذرات77

5- فصل پنجم79

فهرست مراجع83

ضمیمه 185

ضمیمه 288

ضمیمه 395

فهرست نمودارها

شکل 2-1- حجم انباشت آکوستیک12

شکل 2-2- حجم واقعی انباشت آکوستیکی14

شکل 2-3- مکانیزم های آشفتگی20

شکل 2-4- شکل موج سرعت آکوستیک درشدت بالا22

شکل 3-1- دستگاه برخورد دهنده چند مرحله ای31

شکل 3-2- سیستم حذف ذرات بزرگ32

شکل 3-3- دستگاه شمارنده ذرات33

شکل 3-4- منبع امواج آکوستیکی34

شکل 3-5- دستگاه منبع ایجاد سیگنال35

شکل 3-6- دستگاه Amplifier36

شکل 3-7- دستگاه فرکانس متر36

شکل 3-8- بلندگو و horn37

شکل 3-9- صفحه بازتاب کننده امواج و لوله فلزی برای خروج گازها38

شکل 3-10- فشار سنج دیجیتالی38

شکل 3-11- دستگاه تولید کننده ایروسل تک توزیعی39

شکل 3-12- دستگاه مولد ایروسل چند توزیعی40

شکل 3-13- دبی سنج41

شکل 3-14- توزیع اندازه ذرات خروجی از دستگاه تولید کننده ایروسل43

شکل 4-1- توزیع جرمی ذرات کوچکتر از 10 میکرون خروجی از اگزوز موتورهای دیزلی46

شکل 4-2-  درصد جرمی توزیع ذرات کوچکتر از 10 میکرون خروجی از اگزوز موتورهای دیزلی46

شکل 4-3- توزیع فشار آکوستیکی در cm10 از بالای لوله49

شکل 4-4- توزیع فشار آکوستیکی در cm17 از بالای لوله49

شکل 4-5- توزیع فشار آکوستیکی در cm150 از بالای لوله50

شکل 4-6- مقایسه نتایج نظری و آزمایشگاهی برای فرکانس 200 (Hz) بر اساس ماکزیمم فشار51

شکل 4-7- مقایسه نتایج نظری و آزمایشگاهی برای فرکانس 650 (Hz) بر اساس مینیمم فشار51

شکل 4-8- مقایسه نتایج نظری و آزمایشگاهی برای فرکانس 830 (Hz) بر اساس ماکزیمم فشار52

شکل 4-9- setup استفاده شده در حالت بدون جریان54

شکل 4-10-  تست نشست آکوستیکی برای حالت بدون دبی و فرکانسHz 20056

شکل 4-11- محل نقاطی که در آن ایروسل ها به دیواره چسبیده اند57

شکل 4-12- تست نشست آکوستیکی برای حالت بدون دبی و فرکانسHz 650 58

شکل 4-13- تست نشست آکوستیکی برای حالت بدون دبی و فرکانسHz 830 59

شکل 4-14- setup استفاده شده برای اعمال امواج بر روی جریان (Q=250 L/h61

شکل 4-15- تست نشست آکوستیکی برای حالت  Q=250 L/hourو فرکانسHz 830 62

شکل 4-16- setup استفاده شده برای اعمال امواج بر روی جریان (Q=27.8 L/min)63

شکل 4-17- تست نشست آکوستیکی برای حالت  Q=27.8 L/minو فرکانسHz 830 64

شکل 4-18- setup استفاده شده برای استفاده از ذرات توزیع اندازه مختلف و استفاده از دستگاه شمارنده ذرات66

شکل 4-19- تاثیر دبی جریان بر بازده فیلتراسیون68

شکل 4-20- تاثیر زمان اعمال جریان بر  اندازه ذرات در مدل سازی عددی69

شکل 4-21- بررسی تاثیر زمان اعمال امواج در توزیع اندازه ذرات و مقایسه بین نتایج مدل سازی عددی و نتایج آزمایشگاهی در فرکانس 200 Hz در حالت لوله سر بسته70

شکل 4-22- تاثیر توان الکتریکی امواج بر بازده فیلتراسیون72

شکل 4-23- تاثیر دما در نرخ انباشت آکوستیکی74

شکل 4-24- تاثیر فشار گاز در نرخ انباشت آکوستیکی75

شکل 4-25- تاثیر اندازه ذرات در انباشت آکوستیکی76

فهرست جداول

جدول 4-1- فرکانس های بحرانی48

جدول 4-2- توزیع فشار آکوستیکی در فرکانس های مختلف48

جدول 4-3- بررسی اثر دبی در بازده فیلتراسیون67

جدول 4-4- بررسی اثر توان صوتی در بازده فیلتراسیون71

لیست علائم 

upسرعت ذره در میدان آکوستیک

ηفاکتور گاز برد (entrainment factor)

ωفرکانس زاویه ای آکوستیک

tزمان 

φتعویق فازی حرکت ذره نسبت به تعویق فازی حرکت گاز

Uaدامنه سرعت آکوستیک

 زمان استراحت ذره

 چگالی ذره

µلزجت سینماتیکی

d و aقطر ذره

cεبازده برخورد 

nvتعدد عددی ذرات کوچک در حجم انباشت بعد از پر شدن

fεبازده پرشدگی

 تابع فرکانس انباشت یا ضریب انباشت

g12تابع تعامل هیدرودینامیکی

pa فشار محیط محفظه انباشت

Pفشار آکوستیکی

kعدد موج

ρoچگالی هوا

λعدد موج

Qدبی جریان ایروسل

Vسرعت عبور ذره از میان محفظه

Eبازده فیلتراسیون

Nfتعداد ذرات بعد از فیلتراسیون

Niتعداد ذرات قبل از فیلتراسیون

γنسبت گرمای ویژه

Rثابت جهانی گازها

CIاشتعال تراکمی

SIاشتعال جرقه ای