توضیحات

امکان سنجی فیلتراسیون آکوستیکی جهت جذب ذرات خروجی از اگزوز موتورهای دیزل

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  ۱۰-۰۱/۰میکرون با حداکثر تجمع جرمی در محدوده کمتر از ۴/۰ 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 ۰٫۲ میکرون و برای دبی عبوری کوچکتر از ۳۰ لیتر بر دقیقه، در گستره توان صوتی اعمالی  ۳۰ وات، کارآیی دستگاه نشست دهنده بیشتر از ۹۵ درصد می باشد. برای دبی ۵۰ لیتر بر دقیقه با توان صوتی ۳۰ وات بازده ۴۵% می باشد که برای افزایش بازده فیلتراسیون در دبی های بالاتر، میتوان از چند سیستم به صورت موازی استفاده نمود.

 ۱۰۳ صفحه فونت ۱۴ فایل ورد منابع  دارد 

پس از پرداخت آنلاین  میتوانید دانلود کنید

 ا

فهرست مطالب

۱-فصل اول: مقدمه…………………………………………………………………………………………….. ۱

۲- فصل دوم: مروری بر ادبیات و اصول و مبانی نظری……………………………………………………………… ۴

۲-۱ مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ۵

۲-۲ سیستم جدا ساز ذرات معلق در گازها………………………………………………………………………………………… ۸

۲-۲-۱ صافی های کیسه ای………………………………………………………………………………………………………………… ۸

۲-۲-۲ ته نشین کننده های ثقلی……………………………………………………………………………………………………….. ۸

۲-۲-۳ شوینده ها…………………………………………………………………………………………………………………………………. ۹

۲-۲-۴ سیکلونها…………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۹

۲-۲-۵ نشست دهنده الکتروستاتیک………………………………………………………………………………………………….. ۹

۲-۳ زمینه تاریخی…………………………………………………………………………………………………………………………………. ۱۰

۲-۴  مکانیزمهای انباشت آکوستیک……………………………………………………………………………………………………. ۱۱

۲-۴-۱ فعل و انفعالات اورتوکینتیک…………………………………………………………………………………………………… ۱۱

۲-۴-۲ فعل و انفعالات هیدرودینامیک……………………………………………………………………………………………….. ۱۷

۲-۴-۳ واکنشهای آشفتگی آکوستیک………………………………………………………………………………………………… ۲۰

۲-۴-۴ روان سازی آکوستیک………………………………………………………………………………………………………………. ۱۹

۲-۴-۵ توده آکوستیک…………………………………………………………………………………………………………………………. ۲۳

۲-۵ مدلهای شبیه سازی فعلی…………………………………………………………………………………………………………….. ۲۴

۲-۵-۱ مدل وولک…………………………………………………………………………………………………………………………………. ۲۴

۲-۵-۲ مدل شو…………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۲۵

۲-۵-۳  مدل تیواری……………………………………………………………………………………………………………………………… ۲۵

۲-۶ مدل سانگ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ۲۵

۳-فصل سوم: روشها و تجهیزات…………………………………………………………………………………………………………. ۲۷

۳-۱ مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ۲۸

۳-۲ روش شبیه سازی انباشت آکوستیک………………………………………………………………………………………….. ۲۸

۳-۲-۱ فرضیات انجام شده در مدل سازی…………………………………………………………………………………………. ۲۸

۳-۲-۲ الگورِیتم مدل سازی…………………………………………………………………………………………………………………. ۲۹

۳-۳  سیستم آزمایشگاهی فیلتراسیون آکوستیکی……………………………………………………………………………. ۳۰

۳-۳-۱ سیستم آزمایشگاهی اندازه گیری توزیع اندازه ذرات……………………………………………………………. ۳۰

۳-۳-۲ آزمایشات مربوط به دستگاه نشت دهنده آکوستیکی……………………………………………………………. ۳۳

۳-۳-۳ مواد مورد استفاده…………………………………………………………………………………………………………………….. ۴۱

۳-۴ کالیبراسیون وسایل آزمایشگاهی ………………………………………………………………………………………………… ۴۳

۴- فصل چهارم: نتایج و تفسیر آنها………………………………………………………………………………………………. ۴۵

۴-۱ مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ۴۶

۴-۲ نتایج آزمایشگاهی………………………………………………………………………………………………………………………….. ۴۷

 ۴-۲-۱  اندازه گیری توزیع اندازه و غلظت کلی ذرات

 خروجی از اگزوز موتورهای دیزلی………………………………………………………………………………………………………. ۴۶

 ۴-۳ آزمایشات مربوط به دستگاه نشست دهنده آکوستیکی……………………………………………………………. ۴۹

۴-۳-۱ آزمایش بدست آوردن فرکانس های بحرانی…………………………………………………………………………… ۴۹

۴-۳-۲ رسم پروفیل فشار آکوستیکی در طول لوله…………………………………………………………………………… ۵۲

۴-۳-۳ اعمال امواج آکوستیکی بر روی جریان ایروسل…………………………………………………………………….. ۵۵

۴-۳-۳-۱ اعمال امواج آکوستیکی برروی ذرات درحالت بدون دبی و ساکن………………………………….. ۵۵

۴-۳-۳-۲ اعمال امواج بر روی جریان ایروسل……………………………………………………………………………………. ۶۲

۴-۴ بررسی تأثیر عوامل موثر در بازده فیلترهای آکوستیکی

         در خروجی موتور های دیزل……………………………………………………………………………………………………. ۶۷

۴-۴-۱ بررسی تأثیر دبی عبوری از محفظه………………………………………………………………………………………… ۶۵

۴-۴-۲  بررسی اثر توان اعمالی امواج…………………………………………………………………………………………………. ۷۲

۴-۴-۳ بررسی تاثیر دما و فشار……………………………………………………………………………………………………………. ۷۵

۴-۴-۴  تأثیرات فرکانس صدا………………………………………………………………………………………………………………. ۷۷

۴-۴-۵ اثر اندازه ذرات………………………………………………………………………………………………………………………….. ۷۷

۵- فصل پنجم……………………………………………………………………………………………………………………………………… ۷۹

فهرست مراجع……………………………………………………………………………………………………………………………………. ۸۳

ضمیمه ۱………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ۸۵

ضمیمه ۲……………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۸۸

ضمیمه ۳……………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۹۵

فهرست نمودارها

شکل ۲-۱- حجم انباشت آکوستیک…………………………………………………………………………………………………………… ۱۲

شکل ۲-۲- حجم واقعی انباشت آکوستیکی………………………………………………………………………………………………. ۱۴

شکل ۲-۳- مکانیزم های آشفتگی……………………………………………………………………………………………………………….. ۲۰

شکل ۲-۴- شکل موج سرعت آکوستیک درشدت بالا………………………………………………………………………………. ۲۲

شکل ۳-۱- دستگاه برخورد دهنده چند مرحله ای……………………………………………………………………………………. ۳۱

شکل ۳-۲- سیستم حذف ذرات بزرگ……………………………………………………………………………………………………….. ۳۲

شکل ۳-۳- دستگاه شمارنده ذرات………………………………………………………………………………………………………………. ۳۳

شکل ۳-۴- منبع امواج آکوستیکی……………………………………………………………………………………………………………… ۳۴

شکل ۳-۵- دستگاه منبع ایجاد سیگنال……………………………………………………………………………………………………… ۳۵

شکل ۳-۶- دستگاه Amplifier………………………………………………………………………………………………………………… 36

شکل ۳-۷- دستگاه فرکانس متر………………………………………………………………………………………………………………….. ۳۶

شکل ۳-۸- بلندگو و horn…………………………………………………………………………………………………………………………. 37

شکل ۳-۹- صفحه بازتاب کننده امواج و لوله فلزی برای خروج گازها……………………………………………………… ۳۸

شکل ۳-۱۰- فشار سنج دیجیتالی……………………………………………………………………………………………………………….. ۳۸

شکل ۳-۱۱- دستگاه تولید کننده ایروسل تک توزیعی…………………………………………………………………………….. ۳۹

شکل ۳-۱۲- دستگاه مولد ایروسل چند توزیعی………………………………………………………………………………………… ۴۰

شکل ۳-۱۳- دبی سنج…………………………………………………………………………………………………………………………………. ۴۱

شکل ۳-۱۴- توزیع اندازه ذرات خروجی از دستگاه تولید کننده ایروسل……………………………………………….. ۴۳

شکل ۴-۱- توزیع جرمی ذرات کوچکتر از ۱۰ میکرون خروجی از اگزوز موتورهای دیزلی…………………… ۴۶

شکل ۴-۲-  درصد جرمی توزیع ذرات کوچکتر از ۱۰ میکرون خروجی از اگزوز موتورهای دیزلی………. ۴۶

شکل ۴-۳- توزیع فشار آکوستیکی در ^cm10 از بالای لوله………………………………………………………………………… ۴۹

شکل ۴-۴- توزیع فشار آکوستیکی در ^cm17 از بالای لوله………………………………………………………………………… ۴۹

شکل ۴-۵- توزیع فشار آکوستیکی در ^cm150 از بالای لوله……………………………………………………………………… ۵۰

شکل ۴-۶- مقایسه نتایج نظری و آزمایشگاهی برای فرکانس ۲۰۰ (Hz) بر اساس ماکزیمم فشار……… ۵۱

شکل ۴-۷- مقایسه نتایج نظری و آزمایشگاهی برای فرکانس ۶۵۰ (Hz) بر اساس مینیمم فشار……….. ۵۱

شکل ۴-۸- مقایسه نتایج نظری و آزمایشگاهی برای فرکانس ۸۳۰ (Hz) بر اساس ماکزیمم فشار……… ۵۲

شکل ۴-۹- setup استفاده شده در حالت بدون جریان…………………………………………………………………………… ۵۴

شکل ۴-۱۰-  تست نشست آکوستیکی برای حالت بدون دبی و فرکانسHz 200……………………………….. 56

شکل ۴-۱۱- محل نقاطی که در آن ایروسل ها به دیواره چسبیده اند……………………………………………………. ۵۷

شکل ۴-۱۲- تست نشست آکوستیکی برای حالت بدون دبی و فرکانسHz 650 ……………………………….. 58

شکل ۴-۱۳- تست نشست آکوستیکی برای حالت بدون دبی و فرکانسHz 830 ……………………………….. 59

شکل ۴-۱۴- setup استفاده شده برای اعمال امواج بر روی جریان (Q=250 L/h………………………….. 61

شکل ۴-۱۵- تست نشست آکوستیکی برای حالت  Q=250 L/hourو فرکانسHz 830 ………………. 62

شکل ۴-۱۶- setup استفاده شده برای اعمال امواج بر روی جریان (Q=27.8 L/min)…………………. 63

شکل ۴-۱۷- تست نشست آکوستیکی برای حالت  Q=27.8 L/minو فرکانسHz 830 ………………. 64

شکل ۴-۱۸- setup استفاده شده برای استفاده از ذرات توزیع اندازه مختلف و استفاده از دستگاه شمارنده ذرات ۶۶

شکل ۴-۱۹- تاثیر دبی جریان بر بازده فیلتراسیون……………………………………………………………………………………. ۶۸

شکل ۴-۲۰- تاثیر زمان اعمال جریان بر  اندازه ذرات در مدل سازی عددی………………………………………….. ۶۹

شکل ۴-۲۱- بررسی تاثیر زمان اعمال امواج در توزیع اندازه ذرات و مقایسه بین نتایج مدل سازی عددی و نتایج آزمایشگاهی در فرکانس ۲۰۰ Hz در حالت لوله سر بسته…………………………………………………………………………………………………. ۷۰

شکل ۴-۲۲- تاثیر توان الکتریکی امواج بر بازده فیلتراسیون…………………………………………………………………….. ۷۲

شکل ۴-۲۳- تاثیر دما در نرخ انباشت آکوستیکی……………………………………………………………………………………… ۷۴

شکل ۴-۲۴- تاثیر فشار گاز در نرخ انباشت آکوستیکی…………………………………………………………………………….. ۷۵

شکل ۴-۲۵- تاثیر اندازه ذرات در انباشت آکوستیکی……………………………………………………………………………….. ۷۶

فهرست جداول

جدول ۴-۱- فرکانس های بحرانی……………………………………………………………………………………………………………….. ۴۸

جدول ۴-۲- توزیع فشار آکوستیکی در فرکانس های مختلف………………………………………………………………….. ۴۸

جدول ۴-۳- بررسی اثر دبی در بازده فیلتراسیون………………………………………………………………………………………. ۶۷

جدول ۴-۴- بررسی اثر توان صوتی در بازده فیلتراسیون………………………………………………………………………….. ۷۱

لیست علائم

u_p                            سرعت ذره در میدان آکوستیک

η                  فاکتور گاز برد (entrainment factor)

ω                 فرکانس زاویه ای آکوستیک

t                   زمان

φ                  تعویق فازی حرکت ذره نسبت به تعویق فازی حرکت گاز

U_a                دامنه سرعت آکوستیک

               زمان استراحت ذره

                چگالی ذره

µ                  لزجت سینماتیکی

d و a             قطر ذره

_cε                 بازده برخورد

n_v                 تعدد عددی ذرات کوچک در حجم انباشت بعد از پر شدن

_fε                  بازده پرشدگی

                 تابع فرکانس انباشت یا ضریب انباشت

g₁₂                تابع تعامل هیدرودینامیکی

p_a                 فشار محیط محفظه انباشت

P                  فشار آکوستیکی

k                  عدد موج

ρ_o                 چگالی هوا

λ                  عدد موج

Q                 دبی جریان ایروسل

V                 سرعت عبور ذره از میان محفظه

E                  بازده فیلتراسیون

N_f                تعداد ذرات بعد از فیلتراسیون

N_i                 تعداد ذرات قبل از فیلتراسیون

γ                  نسبت گرمای ویژه

R                 ثابت جهانی گازها

CI                اشتعال تراکمی

SI                 اشتعال جرقه ای

زیست موجودات زنده به ویژه انسان در معرض هجوم انواع آلودگیها است که آلودگی هوا یکی از مهمترین آنها است. بسیاری از مراکز صنعتی و تولیدات آنها، از عوامل مهم تولید آلاینده های هوا میباشند و از این میان خودروها سهم عمده این آلودگی را در شهرها به عهده دارند.

به موازات رشد و ترقی جوامع که موجب تخریب طبیعت و در نتیجه آلوده کردن بیشتر آن شده است، سازمانهای حفاظت از محیط زیست با وضع قوانینی، سعی در کاهش آلودگیها دارند. برای کاهش آلودگی هوای ناشی از خودروها، دو روش اساسی وجود دارد:

الف: کاهش تولید آلاینده ها

ب: جلوگیری از انتشار آنها در محیط

کاهش تولید آلاینده ها از طریق بهبود کیفیت سوخت و طراحی بهینه سیستم احتراق و یا دوباره سوزاندن گازهای حاصل از احتراق امکان پذیر است و برای جلوگیری از انتشار آلاینده ها در محیط از سیستم های تصفیه و پالایش گازهای خروجی از اگزوز استفاده می شود. روشهای کاهش تولید آلاینده ها مستلزم صرف هزینه های بسیاری می باشد که امروزه در کشور ما توجیه اقتصادی ندارد، لذا در شرایط کنونی و به عنوان یک راه حل سریع و ارزان، تصفیه گازهای خروجی اگزوز شیوه مناسبتری می باشد. آلایندههای منتشره از موتور خودروها عبارتند از: هیدرو کربن ها (HC)، مونوکسید کربن (CO)، اکسیدهای نیتروژن (NOx) و ذرات معلق.

 در موتورهای دیزلی، مهمترین و بیشترین آلودگی را ذرات خروجی اگزوز تشکیل می دهند و بنابراین موضوع این پروژه پالایش گازهای خروجی اگزوز موتورهای دیزلی از ذرات آلاینده میباشد. این موضوع در مرحله اول مستلزم بررسی خصوصیات ذرات آلاینده و در مرحله دوم نیازمند بررسی سیستمهای جداسازی فازهای جامد- گاز از یکدیگر می باشد.

در این تحقیق ذرات آلاینده به عنوان ایروسلهایی با قطر تقریبی ۱۰-۰۱/۰ میکرون شناخته شدند که حداکثر تجمع جرمی آنها در محدوده کمتر از ۴/۰ میکرون است. ایروسل به معنای هر    ذره ای اعم از جامد یا مایع که در یک محیط گازی یا اتمسفر معلق باشند و سرعت سقوط آنها قابل اغماض باشد، گفته می شود.

       برای جداسازی این ذرات هیچیک از سیستمهای جداسازی گاز- جامد نظیر شوینده ها، فیلترهای الیافی و سیکلونها و فیلترهای الکترواستاتیک  مفید واقع نشدند. زیرا برخی از این سیستمها نظیر فیلتر های الیافی، افت فشار زیادی ایجاد می کنند که برای به کارگیری بر روی گازهای خروجی اگزوز مناسب نمی باشد و همچنین برای این توزیع اندازه ذرات، از کارآیی کافی برخوردار نمی باشند و یا بسیار حجیم و بزرگ می شوند. نهایتاً نشست دهنده آکوستیکی (که امروزه به عنوان مکمل سیستم های فیلتراسیون فعلی استفاده می شوند) انتخاب بهتری به نظر آمد و برای عملکرد آن و امکان سنجی استفاده عملی، مطالعات و آزمایشهای جامع تری آغاز گردید.

برای انجام و شروع آزمایشات لازم بود در وحله اول خواص گازهای خروجی از اگزوز موتورهای دیزلی و مکانیزم  نحوه عملکرد امواج آکوستیکی در انباشت ذرات را بشناسیم. بدین منظور برای شناخت خواص گازهای خروجی از اگزوز موتورهای دیزلی آزمایشاتی انجام شد که نتایج این آزمایشات در فصول آتی آمده است. در مرحله بعد اطلاعات مربوط به تئوری موضوع جمع آوری شد و از بین تئوری های موجود نظریه آقای سانگ انتخاب و بر این مبنا کد عددی برای مدل سازی انباشت آکوستیکی  نوشته شد.

پس این مراحل، شبیه سازی آزمایشگاهی آغاز شد و آزمایشهایی صورت گرفت به این ترتیب که ایروسلهای تولیدی توسط موتورهای دیزلی شبیه سازی شده و عملکرد یک نمونه نشست دهنده آکوستیکی استوانه ای برای حصول کارآیی میانگین حدود ۹۰ درصد در شرایط مختلف بررسی گردید. نتایج آزمایشگاهی نشان میداد که سیستم فیلتراسیون آکوستیکی دارای کارایی بالایی در حذف ذرات معلق در گازها دارد و می توان برای فیلتراسیون گازهای خروجی از موتورهای دیزلی استفاده کرد.

فصول پایان نامه حاضر در برگیرنده مطالبی است که به طور اجمالی جهت گیری و عملکرد ما را در این فعالیت روشن می سازد. فصل دوم در مورد روشهای موجود در فیلتراسیون ذرات معلق در گازها و گازهای خروجی از موتورهای دیزل، بیشینه استفاده از امواج آکوستیکی و تئوری های موجود در زمینه انباشت آکوستیکی می باشد. فصل سوم به بررسی روش مدل سازی عددی، فرضیات مورد استفاده در شبیه سازی و تشریح وسایل و سیستمهای آزمایشگاهی که ساخته یا استفاده شده است می پردازد. در فصل چهارم به شرح نتایج مدل سازی عددی و نتایج آزمایشگاهی می پردازد. فصل پنجم راجع به جمع بندی نتایج آزمایشگاهی ،نتیجه گیری و بحث پیرامون مشکلات عملی و صنعتی شدن طرح می باشد.

فصل دوم

مروری بر ادبیات

و

اصول و مبانی نظری

۲-۱ مقدمه:

گازهای خروجی از موتور خودروها، یکی از عوامل عمده آلودگی هوای جهان می باشد. اخیرا تحقیقات و پیشرفت هایی انجام شده است که کاهش عمده ای در انتشار آلاینده های خروجی از موتور ایجاد کرده است، ولی جمعیت در حال رشد و تعداد بیشتر خودروهای سواری، بمعنای آنست که این مشکل برای مدتی طولانی، در سالهای آینده نیز وجود خواهد داشت.

بدین ترتیب قوانینی در  کشورهای صنعتی وضع شد که میزان مجاز گازهای آلاینده خروجی را محدود می ساخت. این امر، محدودیت عمده ای در توسعه و تکامل موتور خودروها، در طی دهه ۱۹۴۰ و ۱۹۹۰ ایجاد کرد.  اگر چه آلاینده های مضر منتشر شده توسط موتورها، از میزان دهه ۱۹۴۰ بیش از ۹۰% کاهش یافتند، ولی هنوز هم مشکل زیست محیطی بزرگی محسوب میشوند.

چهار آلاینده اصلی که توسط موتورهای احتراق داخلی تولید می شود ، هیدرو کربن ها (HC)، مونوکسید کربن (CO)، اکسیدهای نیتروژن (NOx) و ذرات معلق می باشند. به شیوه دیگر نیز میتوان به دو قسمت آلودگی های گازی (که شامل مونوکسیدهای کربن، هیدرو کربن ها و اکسیدهای نیتروژن و سولفور ) و  ذرات آلاینده معلق درگازهای خروجی از موتور خودروها تقسیم بندی کرد.

کارهایی که در مورد دسته اول آلودگی ها انجام شده است شامل :

–       تصفیه و کاهش ناخالصی های سوخت مثل از بین بردن ناخالصی هایی گوگرد و ….

–       استفاده از کاتالیزورها برای تبدیل گازهای پر خطر به گازهای کم خطر تر مثل تبدیل CO و No به   CO₂ ,N₂ , H₂O

در مورد دسته دوم آلاینده ها یعنی ذرات معلق در گازها، کارهای جامع و تکمیلی انجام نشده است. در مورد خودروهای بنزینی SI تولید ذرات آلاینده به مراتب از خودروهای دیزلی CI کمتر می باشد، بنابراین بحث آتی در مورد خودروهای دیزلی  ادامه میدهیم.

گاز خروجی موتورهای CI ، محتوی ذرات دوده کربن جامد[۱] هستند که در طی احتراق در نواحی سوخت غنی، در داخل سیلندر تولید می شوند. این ذرات به صورت دود در گازهای خروجی دیده   می شوند و آلودگی نامطلوب و بد بویی میباشند. حداکثر چگالی آلاینده های ذرات جامد معلق، هنگامی رخ می دهد که موتور در حالت WOT، تحت بار است. در این شرایط برای تامین حداکثر توان، مقدار حداکثر سوخت پاشش می شود، که این امر به ایجاد مخلوط غنی و اقتصاد ضعیف در مصرف سوخت منجر می شود. این شرایط می تواند در دود زیاد گازهای خروجی کامیون یا لوکوموتیو در حالت بالا رفتن از سربالایی، یا حرکت از حالت توقف دیده شود.