عنوان :

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

تعداد صفحات :۱۱۳

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

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.

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.

واژه های کلیدی: سیستم فیلتراسیون ، امواج آکوستیکی، موتورهای دیزل، دوده

 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 مراجع

[۱] Engineering Fundamental Of Internal Combustion Engine, Willard    W. Pulkrabek.

[۲] Magill, P.L, F.R. holden, C. Ackley, Air pollution Handbook, Mc Graw hill, 1996.

[۳] Ludwig, Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants, Houston, London, Gulf Pub Co, Book Division, 1984.

[۴] Mercer; Aerosol Technology in Hazard Evaluation, American Industrial Hygiene Association, London, Academic Press, 1973.

[۵] H. S Patterson, R. Whytlaw-Gray and W. Cawood, Proc .Roy.Soc. Vol. 124, p502, 1929.

[۶] O. Brandt, H. Freund and E. Hiedemann, “Zur Theorie der akustischen Koagulation”, Kplloid Z, Vol. 77,No. 1,pp103-115, 1936.

[۷] H. W. st. clair, ”Agglomeration of Smoke, Fog, or Dust particles by Sonic Wave”, Ind. Eng. Chen., Vol. 41,pp2434-2438, 1949.

[۸] E. P. Mednikov, ”Acoustic coagulation and Precipitation of Aerosols”, Consultants Bureau, New York, 1965.

[۹] N. L. Shirokova,” Aerosol Coagulation”, Physical Principles of Ultrasonic Tecgnology, Plenum, New York, Vol. 2, PP477-541, 1973.

[۱۰] D. S. Scott, J. Sound and Vib. Vol. 43, P607, 1973.

[۱۱] D. T. shaw, “Acoustic agglomeration of Aerosol”, Recent Developments in Aerosol Science, Wiley Inter-Science, pp279-319, 1978.

[۱۲] M. Volk, ” Sonic Agglomeration of aerosol Particles”, Ph.D Dissertation, The Pennsylvania State University, 1977.

[۱۳] G. Reethof, “Acoustic Agglomeration of Power Plant Fly Ash for Environmental and Hot Gas Clean-up”, J. of Vibration, 1988.

[۱۴] H. C. Miao, ”Aerosol Coagulation in An Acoustic Field”, M. S. Thesis, The Pennsylvania State University, 1981.

[۱۵] R. Tiwary, ”Acoustic Agglomeration of Micron and Submicron Fly-ash Aerosol”, Ph. D Dissertation, The Pennsylvania State University, 1985.

[۱۶] I. Langmuir,J. Meteorol.Vol. 5, p175,1948.

[۱۷] L. song, ”Modeling of acoustic agglomeration of fine aerosol particles”, Ph. D Dissertation, The Pennsylvania State University, 1990.

[۱۸] S. D. Danilov and M. A. Mironov, ”Radiation pressure force acting on a small particle in a sound field”, Sov. Phys. Acoustic. Vol 30(4), 1984.

[۱۹] S.V. Pshenai-Severin, “On the convergence of aerosol particles in a sound field under the action of osceen hydrodynamic force “, Dokl. Akad.,nauk SSSR,p775, 1959.

[۲۰] V. I. Timoshenko, ”Investigation of interaction of aerosol paticles in a sound field”, Sov.Phys. Acous.11 (2), p183, 1965.

[۲۱] C. A. Lane, “Acoustic streaming in the vicinity of a sphere”, J. Acous. Soc. Vol.27, p26,1955.

[۲۲] S. D. Danilov, “Acoustic streaming around a small sphere”, Sov. Phys. Acous. 30(6), Nov, 1984.

[۲۳] C. Sheng, X. Shen, ”Modeling of acoustic agglomeration processes using the direct Monte Carlo methods “, J. Aerosol Science, china, 2005.

[۲۴] S.W. Rienstra & A. Hirschberg, “An introduction to acoustics”, Eindhoven university of technology, 2006.

[۲۵] C.A Bjerknes, Hydrodynamische fernkrafte, leipzing, 1915,

[۲۶] W. Konig, Ann. Phys. Chem., Vol. 42(3), P353, 1891.

فصل اول

مقدمه

 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.

ذرات دوده، توده هایی از کربن جامد کروی هستند. این کره ها دارای قطر هایی از ۱۰ nm تا ۸۰nm می باشند، که اکثر آنها در محدوده اندازه nm 15-30  قراردارند]۱[.

تولید ذرات معلق دوده کربن به میزان زیادی در موتورهای جدید  CI، با فناوری طراحی پیشرفته در سوخت پاش ها و هندسه محفظه احتراق، کاهش یافته است. با افزایش زیاد بازده و سرعت های اختلاط سوخت و هوا ، می توان در هنگام شروع احتراق، از ایجاد نواحی بزرگ با مخلوط سوخت غنی، جلوگیری کرد. دوده کربن در این نواحی تولید می شود، و با کاهش حجم این نواحی، مقدار دوده تولیدی بسیار کمتر می گردد. سرعتهای اختلاط افزوده، با ترکیبی از پاشش غیر مستقیم سوخت، هندسه بهتر محفظه احتراق، طراحی بهتر سوخت پاش و فشارهای بیشتر پاشش و گرم شدن محلهای برخورد افشانده، و سوخت پاش هایی با کار به کمک هوا، حاصل می شوند. پاشش غیر مستقیم به داخل محفظه ثانویه، که چرخش و آشفتگی زیاد جریان را افزایش می دهد، به میزان زیادی فرایند اختلاط هوا و سوخت را سرعت میبخشد. طراحی بهتر نازل و فشارهای بزرگتر پاشش ، قطرات سوخت ریزتری ایجاد می کند که سریعتر تبخیر و مخلوط می شوند. پاشش بر روی سطح داغ، که در سوخت  پاش های با کار به کمک هوا وجود دارد، باعث تسریع در تبخیر می گردد.

در برخی موتورهای جدید خودرو سواری آخرین مدل CI (مرسدس)، تولید ذرات معلق به اندازه ای کاهش یافته است که این بدون تله ذرات معلق ، با استانداردهای سخت گیرانه مطابقت دارد. تله ذرات معلق یکی از سیستمهایی است که برای فیلتراسیون در خودرو استفاده میشود.

سیستم های موتور با اشتعال تراکمی، برای کاهش مقدار ذرات معلق آزاد شده به هوای محیط، به     تله های ذرات معلق در جریان گازهای خروجی، مجهز می باشند. تله ها، سیستم های فیلتر مانندی هستند که اغلب از سرامیک به شکل یکپارچه یا توری مانند، و یا از توری سیمی فلزی ساخته میشوند. تله ها معمولا ۶۰% تا ۹۰% از ذرات معلق موجود در گازهای خروجی را حذف می کنند. هنگامیکه تله ها ذرات دود را می گیرند، کم کم با ذرات معلق پر می شوند. این امر باعث محدود شدن جریان گازهای خروجی می گردد و فشار پس از موتور را می افزاید. افزایش فشار  پس از موتور، باعث گرم تر شدن دمای کار موتور می گردد، و دمای گازهای خروجی و مصرف سوخت را می افزاید. برای کاهش این محدودیت جریان، تله های ذرات معلق، هنگام شروع به اشباع شدن، بازیابی        می شوند. بازیابی، شامل سوزاندن ذرات معلق، با اکسیژن اضافی موجود در گازهای خروجی موتور CI است، که در شرایط مخلوط فقیر کار می کنند.

دوده کربن دردمای حدود ^oC500-650 مشتعل می شود، در حالیکه گازهای خروجی موتور CI ، در شرایط کاکرد عادی ، در دمای ۱۵۰ تا ۳۵۰  می باشند. زمانیکه تله ذرات معلق، با دوده پر می شود و جریان را محدود می سازد، دمای گازهای خروجی افزایش می یابد ولی این دما، هنوز برای مشتعل کردن دوده و بازیابی تله ذرات معلق، کافی نیست. در برخی سیستم ها، مشتعل کننده های شعله ای اتوماتیک استفاده میشود، و زمانی احتراق را در کربن اغاز می کند که افت فشار در  تله ذرات معلق، به مقدار از پیش تعیین شده ای برسد. این مشتعل کننده ها می توانند گرم کن های الکتریکی یا        نازلهای شعله ای باشند که از سوخت دیزل استفاده می کنند. اگر ماده کاتالیزور در تله نصب شود، دمای مورد نیاز برای مشتعل کردن دوده کربن ،به محدوده۳۵۰ تا ۴۵۰ درجه سانتیگراد کاهش     می یابد. برخی از این تله ها می توانند، با افزایش دمای گازهای خروجی در اثر افزایش فشار پس از موتور، به صورت اتوماتیک با خود اشتعالی، بازیابی شوند. سایر سیستم های کاتالیزوری، از مشتعل کننده های شعله ای استفاده می کنند.

روشی دیگر برای کاهش دمای اشتعال دوده کربن و افزایش خود بازیابی در تله ها، استفاده از    افزودنی های کاتالیزوری در سوخت دیزل است. این افزودنی ها عموما حاوی ترکیبات مس یا ترکیبات آهن هستند و حدود ۷  گرم افزودنی در ۱۰۰۰ لیتر از سوخت، عادی می باشد.

برای آنکه دما به اندازه کافی گرم نگه داشته شود تا موجب خود بازیابی سیستم کاتالیزوری گردد،     تله ها می توانند تا حد ممکن نزدیک به موتور و حتی قبل از توربوشارژ نصب شوند.

در برخی موتورهای ثابت بزرگتر (مثلا برای تولید برق) و برخی تجهیزات ساختمانی و کامیونهای بزرگ، زمانیکه تله ذرات معلق نزدیک پر شدن است تعویض می گردد. سپس، تله تعویض شده با سوزاندن کربن در کوره، در بیرون از موتور، بازیابی می شود. این تله بازیابی شده می تواند مجددا استفاده شود.

برای تعین زمان ضروری برای بازیابی تله ذرات بواسطه دوده جمع شده زیادی، روشهای معینی استفاده می شود. رایج ترین روش، اندازه گیری افت فشار جریان گازهای خروجی، از درون تله ذرات معلق می باشد. هنگامیکه افت فشار به مقدار از پیش تعیین شده رسید، بازیابی شروع می گردد. افت فشار، همچنین تابعی از نرخ جریان گازهای خروجی می باشد، و این موضوع باید در کنترلهای بازیابی، برنامه ریزی شود. روش دیگری که برای حس کردن دوده جمع شده استفاده می شود، ارسال امواجی فرکانس رادیویی میان تله، و تعیین درصد جذب آن امواج می باشد. دوده کربن، امواجی رادیویی را جذب می کند، درحالیکه سازه سرامیکی ، امواج جذب نمی کند. از اینرو مقدار  دوده جمع شده میتواند با درصد کاهش سیگنال رادیویی، تعیین گردد. این روش، کسر آلی قابل حل(SOF) را به آسانی آشکار نمی سازد. عملکرد تله های جدید ذرات معلق، بویژه برای خودروهای سواری، چندان رضایت بخش نیستند. زمانی این تله ها به بازیابی مجهز شوند ،گرانقیمت و پیچیده هستند، و عمری طولانی مدت ندارد. تله کاتالیزوری ایده آل میتواند، ساده، اقتصادی و قابل اطمینان باشد، قادر به خود بازیابی خواهد بود، و حداقل افزایش در مصرف سوخت را ، ایجاد خواهد کرد.

حال به صورت خلاصه به بررسی سیستم جدا ساز ذرات معلق در گازها می پردازیم.

 

۲-۲ سیستم جدا ساز ذرات معلق در گازها

۲-۲-۱ صافی های کیسه ای (الیافی)[۲]

در این عملیات سیال حاوی ذرات از یک محیط فیلتر عبور کرده، ذرات در فیلتر گیر می کنند و سیال تمیز خارج می گردد. محیط فیلتر می تواند برجی[۳] از دانه های ریز مانند شن، ماسه و … باشد یا یک لایه پارچه یا کاغذ و یا ضخامتی از الیاف درهم باشد]۲[. نوع بافت پارچه و حالت الیاف روی افت فشار و بازدهی فیلتر موثر می باشند اهمیت این فیلترها در جداسازی ذرات جامد به صورت خشک (پودری) می باشد. عمل فیلتراسیون باید در دمایی بالاتر از نقطه شبنم گاز صورت گیرد. افت فشار فیلترها بسته به نوع محیط فیلتری از ۵/۰ تا ۵/۲ کیلو پاسکال می باشد و سرعتهای فیلتراسیون بین ۳/۰ تا ۳ متر در دقیقه می باشد. این فیلترها به دلیل ایجاد افت فشار در سیستم فیلتراسیون، نیاز به تعویض سریع، کاهش دبی عبوری با گذشت زمان به صورت کارآمد نمی توانند در سیستم فیلتراسیون خروجی موتورهای دیزل مورد استفاده قرار بگیرند، با وجود این در برخی از موارد از این فیلترها استفاده میشود.

۲-۲-۲ ته نشین کننده های ثقلی[۴]

این سیستم ها که احتمالاً ساده ترین و ابتدایی ترین روش جمع آوری ذرات از یک جریان گاز می باشند، متشکل از یک محفظه می باشند که در آنها سرعت جریان گاز حامل ذرات به خاطر تغییر مقطع کاهش یافته و ذرات در اثر نیروی ثقل خودشان ته نشین می شوند]۲[. عملاً در صنعت از آنها برای جداسازی ذرات با قطر بزرگتر از ۴۳ استفاده می شود و برای ذرات کوچکتر حجم محفظه به قدری بزرگ خواهد شد که مقرون به صرفه نخواهد بود و بازده بسیار کم می گردد. سرعت گاز درون محفظه معمولاً باید کمتر از ۲ متر بر ثانیه باشد. افت فشار این سیستم ها کم است و شامل افت فشار ناشی از ورود و خروج گاز به درون محفظه می باشد و معمولا به عنوان یک واحد پیش تمیز کننده برای سیستم های دیگر فیلتراسیون مورد استفاده قرار میگیرد. این سیستم نیز بدلیل عدم کارایی در رنج ذرات خروجی از موتورهای دیزل نمی توانند در سیستم فیلتراسیون خروجی موتورهای دیزل مورد استفاده قرار گیرد.

۲-۲-۳ شوینده ها[۵]

در این سیستمها یک فاز مایع (معمولاً آب) برای جدا کردن ذرات از گاز استفاده می شود]۳[. مایع به صورت قطرات ریز افشانه درون گاز پخش می شود و در نتیجه برخورد با ذرات آنها را خیس کرده و باعث ازدیاد وزن و نهایتاً جداسازی در اثر اینرسی می گردد و یا اینکه ذرات همراه مایع به حرکت درمی آیند و از فاز گاز خارج می گردند. این سیستم توانایی جداسازی تا ۰٫۵میکرون را دارد. این سیستم نیز بدلیل نیاز به فاز مایع قابل استفاده در در سیستم فیلتراسیون خروجی موتورهای دیزل نمی باشد.

۲-۲-۴ سیکلونها[۶]

سیکلونها یکی از ابزارهای جداسازی ذرات موجود در یک جریان گاز یا مایع می باشند که از سیستم بسیار ساده ای برخوردار می باشند]۲[. آنها متشگل از یک استوانه و یک قیف مخروطی شکل در انتها تشکیل شده اند به طوریکه محل ورود و خروج گاز هر دو در بالای آن تعبیه می شود و ذرات جداسازی شده از پایین خارج می گردند. جریان به صورت مماسی وارد شده و یک حالت گردبادی به وجود می آید که در این حالت ذرات تحت اثر نیروی  گریز از مرکز قرار گرفته (به علت جرم حجمی بیشرشان نسبت به مولکولهای گاز اینرسی بیشتری دارند) به خارج گردبادی پرتاب شده از جریان گاز جدا شده و به دیواره سیلون برخورد می کنند و از آنجا که جهت گردباد به سمت پائین می باشد ذرات در اثر نیروی ثقل خود در مجاورت دیواره به طرف پایین سیلکون حرکت می کنند. از آنجا که ساختمان سیلکونها بسیار ساده است و در آنها اجزاء مکانیکی متحرک وجود ندارد و از لحاظ مصرف انرژی و استهلاک بسیار با صرفه می باشند، اما برای ذرات بالاتر از پنج میکرون کارآیی بالا دارند و برای ذرات کوچکتر از آنها بازدهی به شدت کاهش می یابد. این سیستم نیز بدلیل عدم کارایی در رنج ذرات خروجی از موتورهای دیزل نمی توانند در سیستم فیلتراسیون خروجی موتورهای دیزل مورد استفاده قرار بگیرند.

۲-۲-۵ نشست دهنده الکتروستاتیک[۷]

نشست دهنده الکتروستاتیک یک فرایند دو مرحله ای است. در مرحله اول، ذرات در یک میدان تک قطبی بار دار می شوند و در مرحله دوم، یک میدان الکتریکی قوی باعث نشست آن ذرات باردار روی یک سطح جمع آوری مناسب می شود. نشست دهنده الکتروستاتیک دارای کارایی برای ذرات بزرگتراز۵/۲ میکرو متر میباشند]۴[. این سیستم، یکی از روش های نوین در فیلتراسیون می باشد که امروزه برای افزایش راندمان این سیستم ها برای ذرات کوچکتر از ۵ میکرون از یک سیستم مکمل استفاده می کنند. این سیستم مکمل وظیفه افزایش اندازه ذرات را دارد که معمولا از سیستم های انباشت آکوستیکی[۸] استفاده می شود. انباشت آکوستیک تعداد ذرات کوچکتر را کمتر می کند بدین طریق که این ذرات کوچکتر را جمع ‏می کند تا انباشتهای بزرگتری بسازد. ‏

 این سیستم ها قابلیت استفاده در فیلتراسیون موتورهای دیزلی را دارند به شرط آنکه از یک سیستم آکوستیکی قبل از آن استفاده شود.

در این تحقیق سعی در بررسی استفاده از امواج آکوستیکی به طور مستقل برای حذف ذرات معلق در هوا داریم که تا به کنون از امواج آکوستیکی برای افزایش راندمان سیستم های دیگر استفاده میشده است.

بنابراین در ادامه به بررسی کارهای انجام شده در این زمینه و مکانیزم های انباشت آکوستیکی        می پردازیم.

۲-۳ زمینه تاریخی

---