مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

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 ذرات66

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_pسرعت 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

 

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.

فصل اول

مقدمه

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

زيست موجودات زنده به ويژه انسان در معرض هجوم انواع آلودگيها است که آلودگي هوا يکي از مهمترين آنها است. بسياري از مراکز صنعتي و توليدات آنها، از عوامل مهم توليد آلاينده هاي هواميباشند و از اين ميان خودروها سهم عمده اين آلودگي را در شهرها به عهده دارند.

به موازات رشد و ترقي جوامع که موجب تخريب طبيعت و در نتيجه آلوده کردن بيشتر آن شده است، سازمانهاي حفاظت از محيط زيست با وضع قوانيني، سعي در کاهش آلودگيها دارند. براي کاهش آلودگي هواي ناشي از خودروها، دو روش اساسي وجود دارد:

الف: کاهش توليد آلاينده ها

ب: جلوگيري از انتشار آنها در محيط

کاهش توليد آلاينده ها از طريق بهبود کيفيت سوخت و طراحي بهينه سيستم احتراق و يا دوباره سوزاندن گازهاي حاصل از احتراق امکان پذير است و براي جلوگيري از انتشار آلاينده ها در محيط از سيستم هاي تصفيه و پالايش گازهاي خروجي از اگزوز استفاده مي شود. روشهاي کاهش توليد آلاينده ها مستلزم صرف هزينه هاي بسياري مي باشد که امروزه در کشور ما توجيه اقتصادي ندارد، لذا در شرايط کنوني و به عنوان يک راه حل سريع و ارزان، تصفيه گازهاي خروجي اگزوز شيوه مناسبتري مي باشد. آلايندههاي منتشره از موتور خودروها عبارتند از: هيدرو کربن ها (HC)، مونوکسيد کربن (CO)، اکسيدهاي نيتروژن (NOx) و ذرات معلق.

در موتورهاي ديزلي، مهمترين و بيشترين آلودگي را ذرات خروجي اگزوز تشکيل مي دهند و بنابراين موضوع اين پروژه پالايش گازهاي خروجي اگزوز موتورهاي ديزلي از ذرات آلاينده ميباشد. اين موضوع در مرحله اول مستلزم بررسي خصوصيات ذرات آلاينده و در مرحله دوم نيازمند بررسي سيستمهاي جداسازي فازهاي جامد- گاز از يکديگر مي باشد.

در اين تحقيق ذرات آلاينده به عنوان ايروسلهايي با قطر تقريبي 10-01/0 ميکرون شناخته شدند که حداکثر تجمع جرمي آنها در محدوده کمتر از 4/0 ميکرون است. ايروسل به معناي هر ذره اي اعم از جامد يا مايع که در يک محيط گازي يا اتمسفر معلق باشند و سرعت سقوط آنها قابل اغماض باشد، گفته مي شود.

براي جداسازي اين ذرات هيچيک از سيستمهاي جداسازي گاز- جامد نظير شوينده ها، فيلترهاي اليافي و سيکلونها و فيلترهاي الکترواستاتيک مفيد واقع نشدند. زيرا برخي از اين سيستمها نظير فيلتر هاي اليافي، افت فشار زيادي ايجاد مي کنند که براي به کارگيري بر روي گازهاي خروجي اگزوز مناسب نمي باشد و همچنين براي اين توزيع اندازه ذرات، از کارآيي کافي برخوردار نمي باشند و يا بسيار حجيم و بزرگ مي شوند. نهايتاً نشست دهنده آکوستيکي (كه امروزه به عنوان مكمل سيستم هاي فيلتراسيون فعلي استفاده مي شوند) انتخاب بهتري به نظر آمد و براي عملکرد آن و امکان سنجي استفاده عملي، مطالعات و آزمايشهاي جامع تري آغاز گرديد.

براي انجام و شروع آزمايشات لازم بود در وحله اول خواص گازهاي خروجي از اگزوز موتورهاي ديزلي و مکانيزم نحوه عملکرد امواج آکوستيکي در انباشت ذرات را بشناسيم. بدين منظور براي شناخت خواص گازهاي خروجي از اگزوز موتورهاي ديزلي آزمايشاتي انجام شد که نتايج اين آزمايشات در فصول آتي آمده است. در مرحله بعد اطلاعات مربوط به تئوري موضوع جمع آوري شد و از بين تئوري هاي موجود نظريه آقاي سانگ انتخاب و بر اين مبنا کد عددي براي مدل سازي انباشت آکوستيکي نوشته شد.

پس اين مراحل، شبيه سازي آزمايشگاهي آغاز شد و آزمايشهايي صورت گرفت به اين ترتيب که ايروسلهاي توليدي توسط موتورهاي ديزلي شبيه سازي شده و عملکرد يک نمونه نشست دهنده آکوستيکي استوانه اي براي حصول کارآيي ميانگين حدود 90 درصد در شرايط مختلف بررسي گرديد. نتايج آزمايشگاهي نشان ميداد که سيستم فيلتراسيون آکوستيکي داراي کارايي بالايي در حذف ذرات معلق در گازها دارد و مي توان براي فيلتراسيون گازهاي خروجي از موتورهاي ديزلي استفاده کرد.

فصول پايان نامه حاضر در برگيرنده مطالبي است که به طور اجمالي جهت گيري و عملکرد ما را در اين فعاليت روشن مي سازد. فصل دوم در مورد روشهاي موجود در فيلتراسيون ذرات معلق در گازها و گازهاي خروجي از موتورهاي ديزل، بيشينه استفاده از امواج آکوستيکي و تئوري هاي موجود در زمينه انباشت آکوستيکي مي باشد. فصل سوم به بررسي روش مدل سازي عددي، فرضيات مورد استفاده در شبيه سازي و تشريح وسايل و سيستمهاي آزمايشگاهي که ساخته يا استفاده شده است مي پردازد. در فصل چهارم به شرح نتايج مدل سازي عددي و نتايج آزمايشگاهي مي پردازد. فصل پنجم راجع به جمع بندي نتايج آزمايشگاهي ،نتيجه گيري و بحث پيرامون مشکلات عملي و صنعتي شدن طرح مي باشد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم

مروري بر ادبيات

و

اصول و مباني نظري

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-1 مقدمه:

گازهاي خروجي از موتور خودروها، يکي از عوامل عمده آلودگي هواي جهان مي باشد. اخيرا تحقيقات و پيشرفت هايي انجام شده است که کاهش عمده اي در انتشار آلاينده هاي خروجي از موتور ايجاد کرده است، ولي جمعيت در حال رشد و تعداد بيشتر خودروهاي سواري، بمعناي آنست که اين مشکل براي مدتي طولاني، در سالهاي آينده نيز وجود خواهد داشت.

بدين ترتيب قوانيني در کشورهاي صنعتي وضع شد که ميزان مجاز گازهاي آلاينده خروجي را محدود مي ساخت. اين امر، محدوديت عمده اي در توسعه و تکامل موتور خودروها، در طي دهه 1940 و 1990 ايجاد کرد. اگر چه آلاينده هاي مضر منتشر شده توسط موتورها، از ميزان دهه 1940 بيش از 90% کاهش يافتند، ولي هنوز هم مشکل زيست محيطي بزرگي محسوب ميشوند.

چهار آلاينده اصلي که توسط موتورهاي احتراق داخلي توليد مي شود ، هيدرو کربن ها (HC)، مونوکسيد کربن (CO)، اکسيدهاي نيتروژن (NOx) و ذرات معلق مي باشند. به شيوه ديگر نيز ميتوان به دو قسمت آلودگي هاي گازي (که شامل مونوکسيدهاي کربن، هيدرو کربن ها و اکسيدهاي نيتروژن و سولفور ) و ذرات آلاينده معلق درگازهاي خروجي از موتور خودروها تقسيم بندي كرد.

کارهايي که در مورد دسته اول آلودگي ها انجام شده است شامل :

- تصفيه و کاهش ناخالصي هاي سوخت مثل از بين بردن ناخالصي هايي گوگرد و ....

- استفاده از کاتاليزورها براي تبديل گازهاي پر خطر به گازهاي کم خطر تر مثل تبديل CO و No به CO₂ ,N₂ , H₂O

 

در مورد دسته دوم آلاينده ها يعني ذرات معلق در گازها، کارهاي جامع و تکميلي انجام نشده است. در مورد خودروهاي بنزيني SI توليد ذرات آلاينده به مراتب از خودروهاي ديزلي CI کمتر مي باشد، بنابراين بحث آتي در مورد خودروهاي ديزلي ادامه ميدهيم.

گاز خروجي موتورهاي CI ، محتوي ذرات دوده کربن جامد[1] هستند که در طي احتراق در نواحي سوخت غني، در داخل سيلندر توليد مي شوند. اين ذرات به صورت دود در گازهاي خروجي ديده مي شوند و آلودگي نامطلوب و بد بويي ميباشند. حداکثر چگالي آلاينده هاي ذرات جامد معلق، هنگامي رخ مي دهد که موتور در حالت WOT، تحت بار است. در اين شرايط براي تامين حداکثر توان، مقدار حداکثر سوخت پاشش مي شود، که اين امر به ايجاد مخلوط غني و اقتصاد ضعيف در مصرف سوخت منجر مي شود. اين شرايط مي تواند در دود زياد گازهاي خروجي کاميون يا لوکوموتيو در حالت بالا رفتن از سربالايي، يا حرکت از حالت توقف ديده شود.

ذرات دوده، توده هايي از کربن جامد کروي هستند. اين کره ها داراي قطر هايي از 10 nm تا 80nm مي باشند، که اکثر آنها در محدوده اندازه nm 15-30 قراردارند]1[.

توليد ذرات معلق دوده کربن به ميزان زيادي در موتورهاي جديد CI، با فناوري طراحي پيشرفته در سوخت پاش ها و هندسه محفظه احتراق، کاهش يافته است. با افزايش زياد بازده و سرعت هاي اختلاط سوخت و هوا ، مي توان در هنگام شروع احتراق، از ايجاد نواحي بزرگ با مخلوط سوخت غني، جلوگيري کرد. دوده کربن در اين نواحي توليد مي شود، و با کاهش حجم اين نواحي، مقدار دوده توليدي بسيار کمتر مي گردد. سرعتهاي اختلاط افزوده، با ترکيبي از پاشش غير مستقيم سوخت، هندسه بهتر محفظه احتراق، طراحي بهتر سوخت پاش و فشارهاي بيشتر پاشش و گرم شدن محلهاي برخورد افشانده، و سوخت پاش هايي با کار به کمک هوا، حاصل مي شوند. پاشش غير مستقيم به داخل محفظه ثانويه، که چرخش و آشفتگي زياد جريان را افزايش مي دهد، به ميزان زيادي فرايند اختلاط هوا و سوخت را سرعت ميبخشد. طراحي بهتر نازل و فشارهاي بزرگتر پاشش ، قطرات سوخت ريزتري ايجاد مي کند که سريعتر تبخير و مخلوط مي شوند. پاشش بر روي سطح داغ، که در سوخت پاش هاي با کار به کمک هوا وجود دارد، باعث تسريع در تبخير مي گردد.

در برخي موتورهاي جديد خودرو سواري آخرين مدل CI (مرسدس)، توليد ذرات معلق به اندازه اي کاهش يافته است که اين بدون تله ذرات معلق ، با استانداردهاي سخت گيرانه مطابقت دارد. تله ذرات معلق يكي از سيستمهايي است كه براي فيلتراسيون در خودرو استفاده ميشود.

سيستم هاي موتور با اشتعال تراکمي، براي کاهش مقدار ذرات معلق آزاد شده به هواي محيط، به تله هاي ذرات معلق در جريان گازهاي خروجي، مجهز مي باشند. تله ها، سيستم هاي فيلتر مانندي هستند که اغلب از سراميک به شکل يکپارچه يا توري مانند، و يا از توري سيمي فلزي ساخته ميشوند. تله ها معمولا 60% تا 90% از ذرات معلق موجود در گازهاي خروجي را حذف مي کنند. هنگاميکه تله ها ذرات دود را مي گيرند، کم کم با ذرات معلق پر مي شوند. اين امر باعث محدود شدن جريان گازهاي خروجي مي گردد و فشار پس از موتور را مي افزايد. افزايش فشار پس از موتور، باعث گرم تر شدن دماي کار موتور مي گردد، و دماي گازهاي خروجي و مصرف سوخت را مي افزايد. براي کاهش اين محدوديت جريان، تله هاي ذرات معلق، هنگام شروع به اشباع شدن، بازيابي مي شوند. بازيابي، شامل سوزاندن ذرات معلق، با اکسيژن اضافي موجود در گازهاي خروجي موتور CI است، که در شرايط مخلوط فقير کار مي کنند.

دوده کربن دردماي حدود ^oC500-650 مشتعل مي شود، در حاليکه گازهاي خروجي موتور CI ، در شرايط کاکرد عادي ، در دماي 150 تا 350 مي باشند. زمانيکه تله ذرات معلق، با دوده پر مي شود و جريان را محدود مي سازد، دماي گازهاي خروجي افزايش مي يابد ولي اين دما، هنوز براي مشتعل کردن دوده و بازيابي تله ذرات معلق، کافي نيست. در برخي سيستم ها، مشتعل کننده هاي شعله اي اتوماتيک استفاده ميشود، و زماني احتراق را در کربن اغاز مي کند که افت فشار در تله ذرات معلق، به مقدار از پيش تعيين شده اي برسد. اين مشتعل کننده ها مي توانند گرم کن هاي الکتريکي يا نازلهاي شعله اي باشند که از سوخت ديزل استفاده مي کنند. اگر ماده کاتاليزور در تله نصب شود، دماي مورد نياز براي مشتعل کردن دوده کربن ،به محدوده350 تا 450 درجه سانتيگراد کاهش مي يابد. برخي از اين تله ها مي توانند، با افزايش دماي گازهاي خروجي در اثر افزايش فشار پس از موتور، به صورت اتوماتيک با خود اشتعالي، بازيابي شوند. ساير سيستم هاي کاتاليزوري، از مشتعل کننده هاي شعله اي استفاده مي کنند.

روشي ديگر براي کاهش دماي اشتعال دوده کربن و افزايش خود بازيابي در تله ها، استفاده از افزودني هاي کاتاليزوري در سوخت ديزل است. اين افزودني ها عموما حاوي ترکيبات مس يا ترکيبات آهن هستند و حدود 7 گرم افزودني در 1000 ليتر از سوخت، عادي مي باشد.

براي آنکه دما به اندازه کافي گرم نگه داشته شود تا موجب خود بازيابي سيستم کاتاليزوري گردد، تله ها مي توانند تا حد ممکن نزديک به موتور و حتي قبل از توربوشارژ نصب شوند.

در برخي موتورهاي ثابت بزرگتر (مثلا براي توليد برق) و برخي تجهيزات ساختماني و کاميونهاي بزرگ، زمانيکه تله ذرات معلق نزديک پر شدن است تعويض مي گردد. سپس، تله تعويض شده با سوزاندن کربن در کوره، در بيرون از موتور، بازيابي مي شود. اين تله بازيابي شده مي تواند مجددا استفاده شود.

براي تعين زمان ضروري براي بازيابي تله ذرات بواسطه دوده جمع شده زيادي، روشهاي معيني استفاده مي شود. رايج ترين روش، اندازه گيري افت فشار جريان گازهاي خروجي، از درون تله ذرات معلق مي باشد. هنگاميکه افت فشار به مقدار از پيش تعيين شده رسيد، بازيابي شروع مي گردد. افت فشار، همچنين تابعي از نرخ جريان گازهاي خروجي مي باشد، و اين موضوع بايد در کنترلهاي بازيابي، برنامه ريزي شود. روش ديگري که براي حس کردن دوده جمع شده استفاده مي شود، ارسال امواجي فرکانس راديويي ميان تله، و تعيين درصد جذب آن امواج مي باشد. دوده کربن، امواجي راديويي را جذب مي کند، درحاليکه سازه سراميکي ، امواج جذب نمي کند. از اينرو مقدار دوده جمع شده ميتواند با درصد کاهش سيگنال راديويي، تعيين گردد. اين روش، کسر آلي قابل حل(SOF) را به آساني آشکار نمي سازد. عملکرد تله هاي جديد ذرات معلق، بويژه براي خودروهاي سواري، چندان رضايت بخش نيستند. زماني اين تله ها به بازيابي مجهز شوند ،گرانقيمت و پيچيده هستند، و عمري طولاني مدت ندارد. تله کاتاليزوري ايده آل ميتواند، ساده، اقتصادي و قابل اطمينان باشد، قادر به خود بازيابي خواهد بود، و حداقل افزايش در مصرف سوخت را ، ايجاد خواهد کرد.

حال به صورت خلاصه به بررسي سيستم جدا ساز ذرات معلق در گازها مي پردازيم.

 

2-2 سيستم جدا ساز ذرات معلق در گازها

2-2-1 صافي هاي کيسه اي (اليافي)[2]

در اين عمليات سيال حاوي ذرات از يک محيط فيلتر عبور کرده، ذرات در فيلتر گير مي کنند و سيال تميز خارج مي گردد. محيط فيلتر مي تواند برجي[3] از دانه هاي ريز مانند شن، ماسه و ... باشد يا يک لايه پارچه يا کاغذ و يا ضخامتي از الياف درهم باشد]2[. نوع بافت پارچه و حالت الياف روي افت فشار و بازدهي فيلتر موثر مي باشند اهميت اين فيلترها در جداسازي ذرات جامد به صورت خشک (پودري) مي باشد. عمل فيلتراسيون بايد در دمايي بالاتر از نقطه شبنم گاز صورت گيرد. افت فشار فيلترها بسته به نوع محيط فيلتري از 5/0 تا 5/2 کيلو پاسکال مي باشد و سرعتهاي فيلتراسيون بين 3/0 تا 3 متر در دقيقه مي باشد. اين فيلترها به دليل ايجاد افت فشار در سيستم فيلتراسيون، نياز به تعويض سريع، کاهش دبي عبوري با گذشت زمان به صورت كارآمد نمي توانند در سيستم فيلتراسيون خروجي موتورهاي ديزل مورد استفاده قرار بگيرند، با وجود اين در برخي از موارد از اين فيلترها استفاده ميشود.

 

2-2-2 ته نشين کننده هاي ثقلي[4]

اين سيستم ها که احتمالاً ساده ترين و ابتدايي ترين روش جمع آوري ذرات از يک جريان گاز مي باشند، متشکل از يک محفظه مي باشند که در آنها سرعت جريان گاز حامل ذرات به خاطر تغيير مقطع کاهش يافته و ذرات در اثر نيروي ثقل خودشان ته نشين مي شوند]2[. عملاً در صنعت از آنها براي جداسازي ذرات با قطر بزرگتر از 43 استفاده مي شود و براي ذرات کوچکتر حجم محفظه به قدري بزرگ خواهد شد که مقرون به صرفه نخواهد بود و بازده بسيار کم مي گردد.سرعت گاز درون محفظه معمولاً بايد کمتر از 2 متر بر ثانيه باشد. افت فشار اين سيستم ها کم است و شامل افت فشار ناشي از ورود و خروج گاز به درون محفظه مي باشد و معمولا به عنوان يک واحد پيش تميز کننده براي سيستم هاي ديگر فيلتراسيون مورد استفاده قرار ميگيرد. اين سيستم نيز بدليل عدم كارايي در رنج ذرات خروجي از موتورهاي ديزل نمي توانند در سيستم فيلتراسيون خروجي موتورهاي ديزل مورد استفاده قرار گيرد.

2-2-3 شوينده ها[5]

در اين سيستمها يک فاز مايع (معمولاً آب) براي جدا کردن ذرات از گاز استفاده مي شود]3[. مايع به صورت قطرات ريز افشانه درون گاز پخش مي شود و در نتيجه برخورد با ذرات آنها را خيس کرده و باعث ازدياد وزن و نهايتاً جداسازي در اثر اينرسي مي گردد و يا اينکه ذرات همراه مايع به حرکت درمي آيند و از فاز گاز خارج مي گردند. اين سيستم توانايي جداسازي تا 0.5ميکرون را دارد. اين سيستم نيز بدليل نياز به فاز مايع قابل استفاده در در سيستم فيلتراسيون خروجي موتورهاي ديزل نمي باشد.

 

2-2-4 سيکلونها[6]

سيکلونها يکي از ابزارهاي جداسازي ذرات موجود در يک جريان گاز يا مايع مي باشند که از سيستم بسيار ساده اي برخوردار مي باشند]2[. آنها متشگل از يک استوانه و يک قيف مخروطي شکل در انتها تشکيل شده اند به طوريکه محل ورود و خروج گاز هر دو در بالاي آن تعبيه مي شود و ذرات جداسازي شده از پايين خارج مي گردند. جريان به صورت مماسي وارد شده و يک حالت گردبادي به وجود مي آيد که در اين حالت ذرات تحت اثر نيروي گريز از مرکز قرار گرفته (به علت جرم حجمي بيشرشان نسبت به مولکولهاي گاز اينرسي بيشتري دارند) به خارج گردبادي پرتاب شده از جريان گاز جدا شده و به ديواره سيلون برخورد مي کنند و از آنجا که جهت گردباد به سمت پائين مي باشد ذرات در اثر نيروي ثقل خود در مجاورت ديواره به طرف پايين سيلکون حرکت مي کنند. از آنجا که ساختمان سيلکونها بسيار ساده است و در آنها اجزاء مکانيکي متحرک وجود ندارد و از لحاظ مصرف انرژي و استهلاک بسيار با صرفه مي باشند، اما براي ذرات بالاتر از پنج ميکرون کارآيي بالا دارند و براي ذرات کوچکتر از آنها بازدهي به شدت کاهش مي يابد. اين سيستم نيز بدليل عدم كارايي در رنج ذرات خروجي از موتورهاي ديزل نمي توانند در سيستم فيلتراسيون خروجي موتورهاي ديزل مورد استفاده قرار بگيرند.

 

2-2-5 نشست دهنده الکتروستاتيک[7]

نشست دهنده الکتروستاتيک يک فرايند دو مرحله اي است. در مرحله اول، ذرات در يک ميدان تک قطبي بار دار مي شوند و در مرحله دوم، يک ميدان الکتريکي قوي باعث نشست آن ذرات باردار روي يک سطح جمع آوري مناسب مي شود.نشست دهنده الکتروستاتيک داراي کارايي براي ذرات بزرگتراز5/2 ميکرو متر ميباشند]4[. اين سيستم، يكي از روش هاي نوين در فيلتراسيون مي باشد كه امروزه براي افزايش راندمان اين سيستم ها براي ذرات كوچكتر از 5 ميكرون از يك سيستم مكمل استفاده مي كنند. اين سيستم مكمل وظيفه افزايش اندازه ذرات را دارد كه معمولا از سيستم هاي انباشت آكوستيكي[8] استفاده مي شود.انباشت آكوستيك تعداد ذرات كوچكتر را كمتر مي كند بدين طريق كه اين ذرات كوچكتر را جمع ‏مي كند تا انباشتهاي بزرگتري بسازد. ‏

اين سيستم ها قابليت استفاده در فيلتراسيون موتورهاي ديزلي را دارند به شرط آنكه از يك سيستم آكوستيكي قبل از آن استفاده شود.

 

در اين تحقيق سعي در بررسي استفاده از امواج آكوستيكي به طور مستقل براي حذف ذرات معلق در هوا داريم كه تا به كنون از امواج آكوستيكي براي افزايش راندمان سيستم هاي ديگر استفاده ميشده است.

بنابراين در ادامه به بررسي كارهاي انجام شده در اين زمينه و مكانيزم هاي انباشت آكوستيكي مي پردازيم.

 

2-3 زمينه تاريخي

انباشت آكوستيك[9] مدت زيادي مورد مطالعه بوده است. اولين آزمايش بر روي انباشت آكوستيك در سال 1931 توسط پترسون، «ويتلو» و «كاوود»[5] انجام شد كه در آن آزمايش به انباشت سريع در لوله موج ايستا (عمود) دست يافتند . كمي بعد، آزمايشات مستقلي بر روي انباشت آكوستيك توسط «برندت»و«هيدمن» [6] در آلمان، «آندراد» و همكاران [7] در بريتانيا و«اس تي كلير» در ايالات متحده انجام شد ، نتايج حاصله از اين پژوهشها اشتياق فراواني را براي انباشت آكوستيك بوجود آورد و نهايتا به آزمايشات صنعتي وسيعي براي تست كارايي انباشت آكوستيك منجر شد. با اين وجود، نتايج حاصله از آزمايشاتي در مقياس وسيع در دهه هاي 40 و50 در ايالات متحده وديگر كشورها انجام شد از نظر مصرف انرژي مخصوص دلسرد كننده بود. اين امر باعث كاهش علاقه پژوهشگران در ايالات متحده به اين موضوع شد و كار برروي انباشت آكوستيك در اين كشور تقريبا به طوركامل متوقف شد. اما پژوهشها در كشورهاي ديگر ادامه يافت.

اين استمرار در اتحاد جماهير شوروي به چشم مي خورد، جاييكه پژوهشهاي جالبي انجام شد و نتايج اين پژوهشها توسط «مدنيكوف» [8] در سال 1965 و«شيروكووا»[9] در سال 1973 به طورخلاصه ارائه شد.

در طول دهه 1970 به علت نگرانيها در مورد آلودگي هوا علاقه پژوهشگران به انباشت آكوستيك به منظور كنترل انتشار ذرات دوباره جاني تازه گرفت . يكي از انگيزه هاي شروع دوباره پژوهش در زمينه انباشت آكوستيك اين بود كه پژوهشگران مي خواستند ذرات خاكستر بالا رونده را از گازهاي احتراق در يك نيروگاه برق در سيكل تركيبي جدا كنند. برجسته ترين كارها در اين دوره توسط اسكات و همكارانش [10] در كانادا، «شو» وگروهش [11] دردانشگاه نيويورك در «بوفالو»و«وولك» [12] وريثوف[13] در دانشگاه پنسيلوانيا انجام شد. اين مطالعات شامل موارد زير بود:

توسعه منابع صوتي با بازدهي بالا ، بررسي تئوريك مكانيزمهاي انباشت آكوستيك طراحي و آزمايش انباشتگرها در مقياس وسيع، وارزيابي اقتصادي.

تا دهه 1970، هيچ تلاشي براي مدل سازي و شبيه سازي فرآيند انباشت آكوستيك انجام نشد. در سال 1974 ، «وولك»[12] وميائو[14] مدلي عددي را براي پيش بيني انباشت ايروسول پراكنده در يك ميدان صوتي با شدت متوسط ارائه دادند [140-120 دسي بل].بعد از آن ، «شو» وگروهش [11] مطالعه فشرده اي بر روي تأثيرات صدا با شدت بالا [165-150 دسي بل] بر روي انباشت ذرات انجام دادند و اين تأثيرات را در مدل شبيه سازي خود گنجاندند تا تغيير در كميتهاي بنيادي نظير غلظت تعداد كل ذرات را محاسبه كنند. تازه ترين مدلسازي توسط «تايواري» [15] انجام شد. در ادامه به بررسي مكانيزم انباشت اكوستيك مي پردازيم.

 

2-4 مكانيزمهاي انباشت آكوستيك

2-4-1 فعل و انفعالات اورتوكينتيك[10]

بعد از خلاصه كردن نتايج اولين پژوهشها ، مدنيكوف [8] به اين نتيجه رسيد كه مهمترين مكانيزم براي انباشت ذرات در ميدان صوتي فعل و انفعالاتي به اصطلاح اورتوكينتيك مي باشد. مدنيكوف تئوري ساده شده اي را ارائه داد كه انباشت ذرات در اثر اين فعل و انفعال را تشريح مي كند. بر اساس مكانيزم فعل و انفعال اورتوكينتيك، ذرات كوچك توسط ذرات بزرگتر جمع آوري مي شوند و اين جمع آوري به علت حركت نوساني نسبي است كه توسط ميدان صوتي ايجاد ميشود. يكي از اصول مهم در اين فرآيند گاز برد كردن آكوستيك[11] ذرات مي باشد. ذراتي كه در معرض ميدان صوتي قرار مي گيرند سعي مي كنند با حركت نوساني رسانه گازي به عقب و جلو حركت كنند. در نتيجه، ذرات با اندازه هاي مختلف نسبت به همديگر در حركتند. هر ذره بزرگ، به عنوان يك گرد آورنده، حجم معيني را در هر سيكل آكوستيك با حركت نسبي خود به ذرات كوچك جاروب مي كند. درصورت وجود هر ذره ريز در اين حجم، اين ذرات به ذره بزرگ برخورد كرده و به آن مي چسبند. اين حجم همانطور كه در شكل (2-1) نشان داده شده اغلب به عنوان حجم انباشت آكوستيك ناميده ميشود. هر چه حجم انباشت بزرگتر باشد، احتمال گرد آوري ذرات ريز بيشتري در هر زمان واحد وجود دارد . بنابراين، سرعت انباشت با ابعاد حجم انباشت رابطه مستقيم دارد.

حجم انباشت به دامنه نوسان نسبي بين ذرات ريز ودرشت و اندازه هاي آنها بستگي دارد. حركت يك ذره كروي تنها را دريك ميدان موج صفحه اي در نظر بگيريد كه در اين ميدان موج آكوستيك در يك جهت حركت مي كند و هماهنگ با زمان تغيير مي كند. سرعت اين ذره در اين ميدان آكوستيك را ميتوان به صورت زير محاسبه كرد:

u_p= ηcos(ωt-φ)U_a (1،2)

كهU_a دامنه سرعت آكوستيك (يعني سرعت محيط گازي) است، ω فركانس زاويه اي آكوستيك و t نيز زمان مي باشد.

شکل 2-1- حجم انباشت آكوستيك]17[

 

فاكتور گاز برد[12] همان نسبت دامنه سرعت ذره به دامنه سرعت گاز و فاكتور فازتعويق فازي حركت ذره نسبت به تعويق فازي حركت گاز مي باشد. زمانيكه يك و صفر باشد، در اين حالت گفته ميشود كه ذره به طور كامل توسط موج آكوستيك گاز برد ميشود كه اين وضعيت فقط براي ذرات بسيار ريز و يا ذرات با فركانس بينهايت پايين صحيح است. به طور كلي، ذرات به طور نسبي گاز برد مي شوند. با استفاده از قانون دوم نيوتن و قانون كشش استوك مي توان روابط زير را ترسيم كرد:

= η (2،2)

Φ=tan^-1(ωτ_p) (3،2)

كه زمان استراحت ذره ناميده ميشود و رابطه آن با چگالي ذره ، قطر ذره و ميزان چسبندگي ذره با فرمول زيرتعريف ميشود:

(2،4)

بايد خاطر نشان شد كه عبارات و فرمولهاي فوق الذكر زماني معتبر است كه موج آكوستيك منحني سينوسي باشد و تأثيرات فضايي موج آكوستيك ناچيز باشد.

اكنون دو ذره با قطرهاي را در نظر بگيريد. نوسان ذره 1 نسبت به ذره 2 را ميتوان با فرمول:

u_p12=[η₁ cos(ωt-φ₁)-η₂ cos(ωt-φ₂)]U_a (2،5)

توضيح داد. با اين سرعت نسبي، ذره 1 دريك سيكل آكوستيك نسبت به ذره 2 يك حجم انباشت را جاروب ميكند. اين حجم با فرمول زير بدست مي آيد:

(2،6) همانطور كه از شكل (2-1) بر مي آيد، در اين فرمول عدد اول در سمت راست معادله (6،2) حجم بخش سيلندري و دومين عدد حجم دو كلاهك كروي انتهايي مي باشد. طول سيلندر مساوي است با دو برابر دامنه جابجايي ذره 1 نسبت به ذره 2، كه اين مقدار با فرمول:

(2،7) ₂U_a η₁η|_p2 –τ_p2τ|2L₁₂=

بعد از انتگرال گيري از |U_p12| بر روي نصف يك تناوب آكوستيك بدست مي آيد.

براي استنباط فرمول (2،6) فرض بر اين بود كه ذرات مستقل از يكديگر حركت مي كنند. اما در واقعيت، چنين چيزي درست نيست. وقتي دو ذره به همديگر مي رسند به ويژه وقتي خيلي به هم نزديك مي شوند حركت يك ذره به شدت تحت تأثير ذره ديگر قرار مي گيرد. اگر فعل و انفعالات دو طرفه بين ذرات لحاظ شود، تمامي ذرات 2 در حجم كه در فرمول (2،6) تعريف شده با ذره 1 برخورد نمي كنند. به همين علتV₁₂ شايد به عنوان يك حجم ايده آل در نظر گرفته شود. يك فرآيند برخورد واقعي تر درشكل (2-2 ) به نمايش در آمده كه خطوط نقطه چين محل خطوط ايده آلي هستند كه روي آنها يا داخل آنها ذره 2 با ذره 1 برخورد خواهد كرد كه اين برخورد درصورت عدم وجود فعل و انفعالات بين ذرات است.

شکل 2-2- حجم واقعي انباشت آكوستيكي ]17[

 

خطوط ممتد نشان دهنده محل خطوط واقعي اند كه روي آنها يا درون آنها ذره 2 با ذره 1 برخورد مي كند. حجمي كه با اين خطوط ممتد محصور ميشود حجم انباشت واقعي است كه با فرمول زير، رابطه اين حجم با حجم انباشت ايده آل توضيح داده ميشود:

(2،8) V_a12 =ε_c V₁₂ كه_cε اغلب به نام بازده برخورد[13] ناميده ميشود كه نشان دهنده (تعداد) نسبت ذرات كوچكي است كه در يك حجم انباشت ايده آل با ذرات بزرگ برخورد مي كنند. تعيين _cε يكي از چالشهاي اصلي است كه در استفاده از تئوري اورتوكينتيك «مدنيكوف» براي محاسبه سرعت انباشت با آن مواجهيم.

در حال حاضر، هيچگونه همبستگي تجربي و رابطه تئوريك براي وجود ندارد. علت آن نيز مشكل بودن تجزيه و تحليل فعل و انفعالات ذره- ذره و يافتن مسيرهاي حركت ذره مي باشد. در مدلهاي شبيه سازي موجود، بازده برخورد تقريبا با دو روش زير محاسبه مي شود:

در اولين روش، فعل و انفعالات دو طرفه بين ذرات در نظر گرفته نمي شود و بازده برخورد براي تمامي زوجهاي ذرات يك فرض ميشود. بازده برخورد يك كه ميائو [14] و تيواري [15] در مدلهايشان از آن استفاده كردند آشكارا سرعت انباشت را زياد برآورد مي كند. روش دوم انباشت آكوستيك را به فرآيند پاكسازيتشبيه مي كند كه در آن ذرات ريز دريك جريان مداوم توسط ذرات بزرگ پاكسازي مي شوند و براي اين فرآيند از روابط معروفي نظير فرمول «لانگموئير» [16] مستقيما براي استفاده ميشود. اما، چنين تشبيهي منطقي نيست چرا كه اين دو فرآيند با همديگر از بسياري از جهات بنيادين متفاوتند. در فرآيند دوم جريان ايروسل نسبت به گرد آورنده ها (كولكتورها) هماهنگ، يك سويه و مداوم است. ابعاد كولكتورها[14] بسيار بزرگتر از ابعاد ذراتي است كه بايد جمع آوري شوند، در نتيجه تأثيرات ذرات بر روي جريان پتانسيل غالب (قويتر) است. بنابراين، در اين حالت بازده برخورد را ميتوان با يك عدد استوكس بدون بعد مشخص كرد كه اين عدد به عنوان نسبت فواصل ايستايي يك ذره به قطر كولكتور تعريف ميشود. اما در فرآيند انباشت آكوستيك هيچكدام از شرايط فوق الذكر اعمال نميشود. اولا ، حركت ذرات به خودي خود مداوم نيست چرا كه گاز برد كردن حركت نوساني توسط امواج آكوستيك انجام ميشود. علاوه بر اين به علت اندازه هاي مختلف ذرات،حركت ذرات به خودي خود ناهماهنگ است.ثانيا، اندازه ذرات كوچك و بزرگ در برخورد قابل مقايسه با همديگر است در نتيجه تأثيرات اين ذرات بر همديگر دو طرفه خواهد بود و به طور يكسان از اهميت برخوردار است. درنهايت ضخامت لايه مرزي مستقر در سطح حتي يك ذره بزرگ نيز بسيار بزرگتر از اندازه آن است در نتيجه اثر ويسكوس بر روي جريان بسيار پراهميت مي شود. بنابراين، تشابهي بين اين دو فرآيند وجود ندارد(تشابه جريان گاز بر اساس عدد رينولدز وتشابه حركت ذره بر اساس عدد استوكس) و استفاده از فرمول لانگموئر براي محاسبه بازده برخورد در انباشت آكوستيك درحقيقت مورد سوال است.

مكانيزم فعل و انفعال حركت مستقيم سوال ديگري را نيز بي پاسخ مي گذارد. سوال اين است كه با وجود اينكه تمامي ذرات ريز در حجم انباشت در اولين چرخه پاكسازي ميشوند ، چگونه ذرات كوچك از بيرون حجم انباشت وارد ميشوند تا اين فرآيند انباشت ادامه پيدا كند. مدنيكوف و ديگر متخصصين دو مكانيزم براي پرشدن دوباره حجم پيشنهاد كرده اند: فعل و انفعالات جنبشي موازي (انحراف خط جريان) وجاذبه (هيدروديناميك) بطوريكه اين فرآيند ها به طور عمده مسئول پر كردن دوباره حجم انباشت خالي از ذره بعد از هر چرخه آكوستيك مي باشند. اين افراد چند مكانيزم ثانويه نيز براي پر كردن مجدد ارائه كردند : جريان آكوستيك[15]، آشفتگي آكوستيك[16] ، انتشار دمايي[17] و نهشت (قرارگيري) جاذبه[18]. اين فرآيندهاي ثانويه پر كردن مجدد ذرات ريز را از حجم انباشت به نزديكترين همسايه روانه مي كند. از آن مكان (نزديكترين همسايه) فرآيندهاي اصلي پر كردن مجدد شروع ميشود كه ذرات را به داخل حجم انباشت فرستاده مي شود. درجه پر شدگي حجم انباشت با استفاده از فرمول بازده پرشدگي[19] بدست مي آيد:

(2،9)

كه n_v تعدد عددي ذرات كوچك در حجم انباشت بعد از پر شدن،و n تعدد عددي ذرات ريز در بيرون حجم انباشت است . همانطور كه در مورد بازده برخورد درست است، بازده پرشدگي كمتر يا مساوي يك مي باشد. محاسبه همانند محاسبه بسيارمشكل است. تيواري [15] براي مساله پرشدگي يك تجزيه وتحليل عددي انجام داد. نتايج اين تجزيه وتحليل نشان ميدهد كه فعل و انفعالات هيدروديناميك بين ذرات در يك حجم انباشت، ذرات ريز را از ذرات بزرگتر مي راند. بر اين اساس، او اين فرضيه را پيشنهاد كرد: شايد حجم انباشت با ذرات ريزي پر شود كه توسط ذرات بزرگتر در حجم انباشت مجاور روانه ميشوند. اما دريك ايروسل معمولي، تعداد ذرات بزرگتر نسبتا كم و فاصله بين آنها زياد است. تأثير ذره بزرگتر بر روي حركت ذره كوچكتر با فاصله بين آنها كاهش مي يابد. بنابراين، بر اساس نتايج عددي تيواري، ذرات ريز هميشه از حجمهاي انباشت خود به بيرون رانده ميشوند. پژوهشهاي بيشتري در زمينه مساله پرشدگي بايد انجام شود.

با فرض اينكه هر برخورد به يك انباشت منجر ميشود، منديكوف براي سرعت انباشت آكوستيك فرمول معروفي را استنباط كرد:

(2،10)

در اين فرمول به ترتيب تعدد عددي ذره 1 و2 مي باشد، نيز تعداد برخوردهاي بين ذره 1 و2 دريك تناوب زماني dt، تابع فركانس انباشت يا ضريب انباشت مي باشد كه با فرمول زير تعريف ميشود:

(2،11) V₁₂₁₂ε(ω/π) ε₁₂ = ₁₂β

بهترين فركانسي كه با آن سرعت انباشت آكوستيك به حداكثر مي رسد را ميتوان به روش ذيل تعيين كرد: بامشتق گرفتن از β بر اساس ω وسپس مساوي كردن آن با صفر به شرطي كه هم بازده برخورد و هم بازده پر شدگي از فركانس مستقل باشند. اين فركانس بهينه را ميتوان به شكل فرمول زيرنوشت:

(2،11)

كاربرد اين فرمول در عمل مشكل است چرا كه:

(1) بيشتر ايروسل ها از بيش از دو گروه ذره تشكيل ميشوند كه ذرات هر گروه از نظر اندازه با ذرات گروه ديگر متفاوت اند.

(2) هر جفت ازذرات فركانس ايده آل خودشان را دارند.

تئوري حركت مستقيم منديكوف پايه بنياديني رابراي توضيح فرآيند انباشت آكوستيك فراهم مي آورد. آزمايشات فشرده نشان ميدهد كه فعل و انفعال حركت مستقيم مكانيزم بسيار مهمي براي انباشت آكوستيك محسوب ميشود. با اينحال دو مساله درمورد اين تئوري باقي مي ماند. اول، محاسبه بازده برخورد بسيار مشكل است. با استفاده ازمفهوم حجم انباشت آكوستيك، تنها زماني مي توان بازده برخورد را محاسبه كرد كه حجم انباشت واقعي را ابتدا بدست آورده باشيم. براي اين كار، دانستن مسيرهاي واقعي ذرات فعل و انفعال كننده لازم است. اما، عدم اطمينان از مكانهاي لحظه اي ذرات نسبت به همديگر تعيين مسيرهاي واقعي را مشكل مي كند. بنابراين از يك روش آماري بايد استفاده كرد تا يك برآورد معنا دار ازبازده برخورد بدست آيد.

ثانيا، اين تئوري را نمي توان براي موجهاي چندرنگه[20] استفاده كرد چرا كه اين موجها داراي چند مولفه فركانس مي باشند. تنها زماني مي توان حجم انباشت ايده آل را با فرمول (7،2) محاسبه كرد كه حركت نسبي ذرات هماهنگ با زمان تغيير كند. و اين حالت زماني اتفاق مي افتد كه از يك موج سينوسي استفاده ميشود. اما براي ديگر ميدانهاي موج نظير موج ضربه اي حركت ذرات پيچيده تر بوده و ديگر هماهنگ نيست. بنابراين، اگر از يك موج آكوستيك پيچيده استفاده ميشود بايد يك روش كلي تري به عنوان چارچوب كار طراحي شود. يك بخش عمده از پژوهش آقاي سانگ]17[ به بهبود و ترقي تئوري حركت مستقيم منديكوف اختصاص دارد.

 

 

[1] - Solid carbon soot particles

[2] - Fabric Filters (lag filters)

[3] - Packed filter

[4] - Gravity settling Chambers

1 - Wet Scrubbers

[6] - Cyclone

[7] - Electrostatic precipitator (ESP)

[8] - Acoustic agglomeration

[9] - Acoustic agglomeration

[10] - Orthokinetic

[11] - Acoustic entrainment

[12] - Entrainment factor

[13] - collision efficiency

[14] -collector

[15] - Acoustic streaming

[16] - Acoustic turbulence

[17] - Thermal diffusion

[18] - Gravity settlement

[19] - Fill up efficiency

[20] - polychromatic waves