دانلود پایان نامه كارشناسی ارشد رشته مهندسی خودرو

پالایش گازهای خروجی اگزوز موتورهای دیزلی از ذرات آلاینده

 
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 امكان سنجی استفاده از امواج آكوستیكی 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 كه از امواج آكوستیكی برای جداسازی ذرات گازهای خروجی اگزوز با بازده بالا می توان استفاده كرد. سیستم فیلتراسیون آكوستیكی برای ذرات بزرگتر از 0.2 میكرون 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 كه 
برای افزایش بازده فیلتراسیون در دبی های بالاتر، میتوان از چند سیستم به صورت موازی استفاده نمود. 
 
 
 
کلمات کلیدی:

ایروسل

موتورهای دیزل

فیلتراسیون آكوستیكی

خصوصیات ذرات آلاینده

تصفیه گازهای خروجی اگزوز

جداسازی ذرات معلق در گازها

سیستمهای جداسازی فازهای جامد- گاز از یکدیگر

 
 
 
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 10-01/0 میکرون شناخته شدند که حداکثر تجمع جرمی آنها در محدوده کمتر از 4/0 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 (كه امروزه به عنوان مكمل 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.
 
 
 
 
 
فهرست مطالب
1-فصل اول: مقدمه 1
 
2- فصل دوم: مروری بر ادبیات و اصول و مبانی نظری 4
2-1 مقدمه 5
2-2 سیستم جدا ساز ذرات معلق در گازها 8
2-2-1 صافی های کیسه ای 8
2-2-2 ته نشین کننده های ثقلی 8
2-2-3 شوینده ها 9
2-2-4 سیکلونها 9

2-2-5 نشست دهنده الکتروستاتیک 9

2-3 زمینه تاریخی 10

2-4  مكانیزمهای انباشت آكوستیك 11

2-4-1 فعل و انفعالات اورتوكینتیك 11
2-4-2 فعل و انفعالات هیدرودینامیك 17
2-4-3 واكنشهای آشفتگی آكوستیك 20
2-4-4 روان سازی آكوستیك 19
2-4-5 توده آكوستیك 23
2-5 مدلهای شبیه سازی فعلی 24
2-5-1 مدل وولك 24
2-5-2 مدل شو 25
2-5-3  مدل تیواری 25
2-6 مدل سانگ 25
 

3-فصل سوم: روشها و تجهیزات 27

3-1 مقدمه 28

3-2 روش شبیه سازی انباشت آكوستیك 28

3-2-1 فرضیات انجام شده در مدل سازی 28
3-2-2 الگورِیتم مدل سازی 29

3-3  سیستم آزمایشگاهی فیلتراسیون آكوستیكی 30

3-3-1 سیستم آزمایشگاهی اندازه گیری توزیع اندازه ذرات 30

3-3-2 آزمایشات مربوط به دستگاه نشت دهنده آکوستیکی 33
3-3-3 مواد مورد استفاده 41
3-4 كالیبراسیون وسایل آزمایشگاهی 43
 
4- فصل چهارم: نتایج و تفسیر آنها 45
4-1 مقدمه 46
4-2 نتایج آزمایشگاهی 47
 4-2-1  اندازه گیری توزیع اندازه و غلظت کلی ذرات
 خروجی از اگزوز موتورهای دیزلی 46
 4-3 آزمایشات مربوط به دستگاه نشست دهنده آکوستیکی 49
4-3-1 آزمایش بدست آوردن فرکانس های بحرانی 49
4-3-2 رسم پروفیل فشار آکوستیکی در طول لوله 52
4-3-3 اعمال امواج آکوستیکی بر روی جریان ایروسل 55
4-3-3-1 اعمال امواج آکوستیکی برروی ذرات درحالت بدون دبی و ساکن 55
4-3-3-2 اعمال امواج بر روی جریان ایروسل 62
4-4 بررسی تأثیر عوامل موثر در بازده فیلترهای آکوستیکی
         در خروجی موتور های دیزل 67
4-4-1 بررسی تأثیر دبی عبوری از محفظه 65
4-4-2  بررسی اثر توان اعمالی امواج 72
4-4-3 بررسی تاثیر دما و فشار 75
4-4-4  تأثیرات فركانس صدا 77
4-4-5 اثر اندازه ذرات 77
 
5- فصل پنجم 79
ضمیمه 1 85
ضمیمه 2 88
ضمیمه 3 95
فهرست مراجع 112
 
 
فهرست نمودارها
 
شکل 2-1- حجم انباشت آكوستیك 12
شکل 2-2- حجم واقعی انباشت آكوستیكی 14
شكل 2-3- مكانیزم های آشفتگی 20
شكل 2-4- شكل موج سرعت آكوستیك درشدت بالا 22
شكل 3-1- دستگاه برخورد دهنده چند مرحله ای 31
شكل 3-2- سیستم حذف ذرات بزرگ 32
شكل 3-3- دستگاه شمارنده ذرات 33
شكل 3-4- منبع امواج آکوستیکی 34
شكل 3-5- دستگاه منبع ایجاد سیگنال 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 فلزی برای خروج گازها 38
شكل 3-10- فشار سنج دیجیتالی 38
شكل 3-11- دستگاه تولید کننده ایروسل تک توزیعی 39
شكل 3-12- دستگاه مولد ایروسل چند توزیعی 40
شكل 3-13- دبی سنج 41
شكل 3-14- توزیع اندازه ذرات خروجی از دستگاه تولید كننده ایروسل 43
 
شكل 4-1- توزیع جرمی ذرات كوچكتر از 10 میكرون خروجی از اگزوز موتورهای دیزلی 46
شكل 4-2-  درصد جرمی توزیع ذرات كوچكتر از 10 میكرون خروجی از اگزوز موتورهای دیزلی 46
شكل 4-3- توزیع فشار آكوستیكی در cm10 از بالای لوله 49
شكل 4-4- توزیع فشار آكوستیكی در cm17 از بالای لوله 49
شكل 4-5- توزیع فشار آكوستیكی در cm150 از بالای لوله 50
شكل 4-6- مقایسه نتایج نظری و آزمایشگاهی برای فركانس 200 (Hz) بر اساس ماكزیمم فشار 51
شكل 4-7- مقایسه نتایج نظری و آزمایشگاهی برای فركانس 650 (Hz) بر اساس مینیمم فشار 51
شكل 4-8- مقایسه نتایج نظری و آزمایشگاهی برای فركانس 830 (Hz) بر اساس ماكزیمم فشار 52
شكل 4-9- setup استفاده شده در حالت بدون جریان 54
شكل 4-10-  تست نشست آكوستیكی برای حالت بدون دبی و فركانسHz 200 56
شكل 4-11- محل نقاطی كه در آن ایروسل ها به دیواره چسبیده اند 57
شكل 4-12- تست نشست آكوستیكی برای حالت بدون دبی و فركانسHz 650 58
شكل 4-13- تست نشست آكوستیكی برای حالت بدون دبی و فركانسHz 830 59
شكل 4-14- setup استفاده شده برای اعمال امواج بر روی جریان (Q=250 L/h 61
شكل 4-15- تست نشست آكوستیكی برای حالت  Q=250 L/hourو فركانسHz 830 62
شكل 4-16- setup استفاده شده برای اعمال امواج بر روی جریان (Q=27.8 L/min) 63
شكل 4-17- تست نشست آكوستیكی برای حالت  Q=27.8 L/minو فركانسHz 830 64
شكل 4-18- setup استفاده شده برای استفاده از ذرات توزیع اندازه مختلف و استفاده از دستگاه شمارنده ذرات 66
شكل 4-19- تاثیر دبی جریان بر بازده فیلتراسیون 68
شكل 4-20- تاثیر زمان اعمال جریان بر  اندازه ذرات در مدل سازی عددی 69
شكل 4-21- بررسی تاثیر زمان اعمال امواج در توزیع اندازه ذرات و مقایسه بین نتایج مدل سازی عددی و نتایج آزمایشگاهی در فركانس 200 Hz در حالت لوله سر بسته 70
شكل 4-22- تاثیر توان الكتریكی امواج بر بازده فیلتراسیون 72
شكل 4-23- تاثیر دما در نرخ انباشت آكوستیكی 74
شكل 4-24- تاثیر فشار گاز در نرخ انباشت آكوستیكی 75
شكل 4-25- تاثیر اندازه ذرات در انباشت آكوستیكی 76
 
 
 
فهرست جداول
 
جدول 4-1- فرکانس های بحرانی 48
جدول 4-2- توزیع فشار آكوستیكی در فركانس های مختلف 48
جدول 4-3- بررسی اثر دبی در بازده فیلتراسیون 67
جدول 4-4- بررسی اثر توان صوتی در بازده فیلتراسیون 71
 
 
لیست علائم 
up سرعت ذره در میدان آكوستیك
η فاكتور گاز برد (entrainment factor)
ω فركانس زاویه ای آكوستیك
t زمان 
φ تعویق فازی حركت ذره نسبت به تعویق فازی حركت گاز
Ua دامنه سرعت آكوستیك
  زمان استراحت ذره
  چگالی ذره
µ لزجت سینماتیكی
d و a قطر ذره
بازده برخورد 
nv تعدد عددی ذرات كوچك در حجم انباشت بعد از پر شدن
بازده پرشدگی
  تابع فركانس انباشت یا ضریب انباشت
g12 تابع تعامل هیدرودینامیكی
pa فشار محیط محفظه انباشت
P فشار آكوستیكی
k عدد موج
ρo چگالی هوا
λ عدد موج
Q دبی جریان ایروسل
V سرعت عبور ذره از میان محفظه
E بازده فیلتراسیون
Nf تعداد ذرات بعد از فیلتراسیون
Ni تعداد ذرات قبل از فیلتراسیون
γ نسبت گرمای ویژه
R ثابت جهانی گازها
CI اشتعال تراكمی
SI اشتعال جرقه ای