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

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

 پایان نامه امکان سنجی فیلتراسیون آکوستیکی جهت جذب ذرات خروجی از اگزوز موتورهای دیزل دارای ۱۲۳ صفحه می باشد و دارای تنظیمات و فهرست کامل در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد پایان نامه امکان سنجی فیلتراسیون آکوستیکی جهت جذب ذرات خروجی از اگزوز موتورهای دیزل  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : توضیحات زیر بخشی از متن اصلی می باشد که بدون قالب و فرمت بندی کپی شده است

بخشی از فهرست مطالب پروژه پایان نامه امکان سنجی فیلتراسیون آکوستیکی جهت جذب ذرات خروجی از اگزوز موتورهای دیزل

-فصل اول: مقدمه
۲- فصل دوم: مروری بر ادبیات و اصول و مبانی نظری
۲-۱ مقدمه
۲-۲ سیستم جدا ساز ذرات معلق در گازها
۲-۲-۱ صافی های کیسه ای
۲-۲-۲ ته نشین کننده های ثقلی
۲-۲-۳ شوینده ها
۲-۲-۴ سیکلونها
۲-۲-۵ نشست دهنده الکتروستاتیک
۲-۳ زمینه تاریخی
۲-۴  مکانیزمهای انباشت آکوستیک
۲-۴-۱ فعل و انفعالات اورتوکینتیک
۲-۴-۲ فعل و انفعالات هیدرودینامیک
۲-۴-۳ واکنشهای آشفتگی آکوستیک
۲-۴-۴ روان سازی آکوستیک
۲-۴-۵ توده آکوستیک
۲-۵ مدلهای شبیه سازی فعلی
۲-۵-۱ مدل وولک
۲-۵-۲ مدل شو
۲-۵-۳  مدل تیواری
۲-۶ مدل سانگ
۳-فصل سوم: روشها و تجهیزات
۳-۱ مقدمه
۳-۲ روش شبیه سازی انباشت آکوستیک
۳-۲-۱ فرضیات انجام شده در مدل سازی
۳-۲-۲ الگورِیتم مدل سازی
۳-۳  سیستم آزمایشگاهی فیلتراسیون آکوستیکی
۳-۳-۱ سیستم آزمایشگاهی اندازه گیری توزیع اندازه ذرات
۳-۳-۲ آزمایشات مربوط به دستگاه نشت دهنده آکوستیکی
۳-۳-۳ مواد مورد استفاده
۳-۴ کالیبراسیون وسایل آزمایشگاهی
۴- فصل چهارم: نتایج و تفسیر آنها
۴-۱ مقدمه
۴-۲ نتایج آزمایشگاهی
۴-۲-۱  اندازه گیری توزیع اندازه و غلظت کلی ذرات
خروجی از اگزوز موتورهای دیزلی
۴-۳ آزمایشات مربوط به دستگاه نشست دهنده آکوستیکی
۴-۳-۱ آزمایش بدست آوردن فرکانس های بحرانی
۴-۳-۲ رسم پروفیل فشار آکوستیکی در طول لوله
۴-۳-۳ اعمال امواج آکوستیکی بر روی جریان ایروسل
۴-۳-۳-۱ اعمال امواج آکوستیکی برروی ذرات درحالت بدون دبی و ساکن
۴-۳-۳-۲ اعمال امواج بر روی جریان ایروسل
۴-۴ بررسی تأثیر عوامل موثر در بازده فیلترهای آکوستیکی در خروجی موتور های دیزل
۴-۴-۱ بررسی تأثیر دبی عبوری از محفظه
۴-۴-۲  بررسی اثر توان اعمالی امواج
۴-۴-۳ بررسی تاثیر دما و فشار
۴-۴-۴  تأثیرات فرکانس صدا
۴-۴-۵ اثر اندازه ذرات
۵- فصل پنجم
فهرست مراجع
ضمیمه
ضمیمه
ضمیمه

بخشی از فهرست مطالب پروژه پایان نامه امکان سنجی فیلتراسیون آکوستیکی جهت جذب ذرات خروجی از اگزوز موتورهای دیزل

[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,

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[۱۴] H. C. Miao, ”Aerosol Coagulation in An Acoustic Field”, M. S. Thesis, The PennsylvaniaStateUniversity,

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

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

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

[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),

[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,

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

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

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

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

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

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

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

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   CO_۲ ,N_۲ , H_۲O

 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 ^oC۵۰۰-۶۵۰ 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 ۰۵میکرون 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

انباشت آکوستیک[۹] مدت زیادی مورد مطالعه بوده است. اولین آزمایش بر روی انباشت آکوستیک در سال ۱۹۳۱ توسط پترسون، «ویتلو» و «کاوود»[۵] انجام شد که در آن آزمایش به انباشت سریع در لوله موج ایستا (عمود) دست یافتند . کمی بعد، آزمایشات مستقلی بر روی انباشت آکوستیک توسط «برندت»و«هیدمن» [۶] در آلمان، «آندراد» و همکاران [۷] در بریتانیا و«اس تی کلیر»  در ایالات متحده انجام شد ، نتایج حاصله از این پژوهشها اشتیاق فراوانی را برای انباشت آکوستیک بوجود آورد و نهایتا به آزمایشات صنعتی وسیعی برای تست کارایی انباشت آکوستیک منجر شد. با این وجود، نتایج حاصله از آزمایشاتی در مقیاس وسیع در دهه های ۴۰ و۵۰ در ایالات متحده ودیگر کشورها انجام شد از نظر مصرف انرژی مخصوص دلسرد کننده بود. این امر باعث کاهش علاقه پژوهشگران در ایالات  متحده به این موضوع شد و کار برروی انباشت آکوستیک در این کشور تقریبا به طورکامل متوقف شد. اما پژوهشها در کشورهای دیگر ادامه یافت

این استمرار در اتحاد جماهیر شوروی به چشم می خورد، جاییکه پژوهشهای جالبی انجام شد و نتایج این پژوهشها توسط «مدنیکوف» [۸] در سال ۱۹۶۵ و«شیروکووا»[۹] در سال ۱۹۷۳ به طورخلاصه ارائه شد

در طول دهه ۱۹۷۰ به علت نگرانیها در مورد آلودگی هوا علاقه پژوهشگران به انباشت آکوستیک به منظور کنترل انتشار ذرات دوباره جانی تازه گرفت . یکی از انگیزه های شروع دوباره پژوهش در زمینه انباشت آکوستیک این بود که پژوهشگران می خواستند ذرات خاکستر بالا رونده را از گازهای احتراق در یک نیروگاه برق در سیکل ترکیبی جدا کنند. برجسته ترین کارها در این دوره توسط اسکات و همکارانش [۱۰] در کانادا، «شو» وگروهش [۱۱] دردانشگاه نیویورک در «بوفالو»و«وولک» [۱۲] وریثوف[۱۳] در دانشگاه پنسیلوانیا انجام شد. این مطالعات شامل موارد زیر بود

 توسعه منابع صوتی با بازدهی بالا ، بررسی تئوریک مکانیزمهای انباشت آکوستیک طراحی و آزمایش انباشتگرها در مقیاس وسیع، وارزیابی اقتصادی

تا دهه ۱۹۷۰، هیچ تلاشی برای مدل سازی و شبیه سازی فرآیند انباشت آکوستیک انجام نشد. در سال ۱۹۷۴ ، «وولک»[۱۲] ومیائو[۱۴] مدلی عددی را برای پیش بینی انباشت ایروسول پراکنده در یک میدان صوتی با شدت متوسط ارائه دادند [۱۴۰-۱۲۰ دسی بل].بعد از آن ، «شو» وگروهش [۱۱] مطالعه فشرده ای بر روی تأثیرات صدا با شدت بالا [۱۶۵-۱۵۰ دسی بل] بر روی انباشت ذرات انجام دادند و این تأثیرات را در مدل شبیه سازی خود گنجاندند تا تغییر در کمیتهای بنیادی نظیر غلظت تعداد کل ذرات را محاسبه کنند. تازه ترین مدلسازی توسط «تایواری» [۱۵] انجام شد. در ادامه به بررسی مکانیزم انباشت اکوستیک می پردازیم

۲-۴  مکانیزمهای انباشت آکوستیک

۲-۴-۱ فعل و انفعالات اورتوکینتیک[۱۰]

بعد از خلاصه کردن نتایج اولین پژوهشها ، مدنیکوف [۸] به این نتیجه رسید که مهمترین مکانیزم برای انباشت ذرات در میدان صوتی فعل و انفعالاتی به اصطلاح اورتوکینتیک می باشد. مدنیکوف تئوری ساده شده ای را ارائه داد که انباشت ذرات در اثر این فعل و انفعال را تشریح می کند.  بر اساس مکانیزم فعل و انفعال اورتوکینتیک، ذرات کوچک توسط ذرات بزرگتر جمع آوری می شوند و این  جمع آوری به علت حرکت نوسانی نسبی است که توسط میدان صوتی ایجاد میشود. یکی از اصول مهم در این فرآیند گاز برد کردن آکوستیک[۱۱] ذرات می باشد. ذراتی که در معرض میدان صوتی قرار می گیرند سعی می  کنند با حرکت نوسانی رسانه گازی به عقب و جلو حرکت کنند. در نتیجه، ذرات با اندازه های مختلف نسبت به همدیگر در حرکتند. هر ذره بزرگ، به عنوان یک گرد آورنده، حجم معینی را در هر سیکل آکوستیک با حرکت نسبی خود به ذرات کوچک جاروب می کند. درصورت وجود هر ذره ریز در این حجم، این ذرات به ذره بزرگ برخورد کرده و به آن می چسبند. این حجم همانطور که در شکل (۲-۱) نشان داده شده اغلب به عنوان حجم انباشت آکوستیک نامیده میشود. هر چه حجم انباشت بزرگتر باشد، احتمال گرد آوری ذرات ریز بیشتری در هر زمان واحد وجود دارد . بنابراین، سرعت انباشت با ابعاد حجم انباشت رابطه مستقیم دارد

حجم انباشت به دامنه نوسان نسبی بین ذرات ریز ودرشت و اندازه های آنها بستگی دارد. حرکت یک ذره کروی تنها را دریک میدان موج صفحه ای در نظر بگیرید که در این میدان موج آکوستیک  در یک جهت حرکت می کند و هماهنگ با زمان تغییر می کند. سرعت این ذره در این میدان آکوستیک را میتوان به صورت زیر محاسبه کرد

u_p= cos(t-)U_a                                                                                     (۱،۲)

کهU_a دامنه سرعت آکوستیک (یعنی سرعت محیط گازی) است،  فرکانس زاویه ای آکوستیک و t نیز زمان می باشد

 فاکتور گاز برد[۱۲]  همان نسبت دامنه سرعت ذره به دامنه سرعت گاز و فاکتور فاز تعویق فازی حرکت ذره نسبت به تعویق فازی حرکت گاز می باشد. زمانیکه  یک و  صفر باشد، در این حالت گفته میشود که ذره به طور کامل توسط موج آکوستیک گاز برد میشود که این وضعیت فقط برای ذرات بسیار ریز و یا ذرات با فرکانس بینهایت پایین صحیح است. به طور کلی، ذرات به طور نسبی گاز برد می شوند. با استفاده از  قانون دوم نیوتن و قانون  کشش استوک می توان روابط زیر را ترسیم کرد

=                                                                                                (۲،۲)

=tan^-۱(_p)                                                                                           (۳،۲)

که زمان استراحت ذره نامیده میشود و رابطه آن با چگالی ذره ، قطر ذره و میزان چسبندگی ذره با فرمول زیرتعریف میشود

(۲،۴)

 باید خاطر نشان شد که عبارات و فرمولهای فوق الذکر زمانی معتبر است که موج آکوستیک منحنی سینوسی باشد و تأثیرات فضایی موج آکوستیک ناچیز باشد

اکنون دو ذره با قطرهای  را در نظر بگیرید. نوسان ذره ۱ نسبت به ذره ۲ را میتوان با فرمول

u_p12=[_۱ cos(t-_۱)-_۲ cos(t-_۲)]U_a                                                        (۲،۵)

 توضیح داد. با این سرعت نسبی، ذره ۱ دریک سیکل آکوستیک نسبت به ذره ۲ یک حجم انباشت را جاروب میکند. این حجم با فرمول زیر بدست می آید

                                                           (۲،۶)  همانطور که از شکل (۲-۱) بر می آید، در این فرمول عدد اول در سمت راست معادله (۶،۲) حجم بخش سیلندری و دومین عدد حجم دو کلاهک کروی انتهایی می باشد. طول سیلندر مساوی است با دو برابر دامنه جابجایی ذره ۱ نسبت به ذره ۲، که این مقدار با فرمول

(۲،۷)                                                                             _۲U_{a ۱}|_p2 –_p2|۲ L_۱۲=

بعد از انتگرال گیری از |U_p12| بر روی نصف یک تناوب آکوستیک بدست می آید

برای استنباط فرمول (۲،۶) فرض بر این بود که ذرات مستقل از یکدیگر حرکت می کنند. اما در واقعیت، چنین چیزی درست نیست. وقتی دو ذره به همدیگر می رسند به ویژه وقتی خیلی به هم نزدیک می شوند حرکت یک ذره به شدت تحت تأثیر ذره دیگر قرار می گیرد. اگر فعل و انفعالات دو طرفه بین ذرات لحاظ شود، تمامی ذرات ۲ در حجم  که در فرمول (۲،۶) تعریف شده با ذره ۱ برخورد نمی کنند. به همین علتV_۱۲ شاید به عنوان یک حجم ایده آل در نظر گرفته شود. یک فرآیند برخورد واقعی تر درشکل (۲-۲ ) به نمایش در آمده که خطوط نقطه چین محل خطوط     ایده آلی هستند که روی آنها یا داخل آنها  ذره ۲ با ذره ۱ برخورد خواهد کرد که این برخورد درصورت عدم وجود فعل و  انفعالات بین ذرات است

 خطوط ممتد نشان دهنده محل خطوط واقعی اند که روی آنها  یا درون آنها ذره ۲ با ذره ۱ برخورد می کند. حجمی که با این خطوط ممتد محصور میشود حجم انباشت واقعی است که با فرمول زیر، رابطه این حجم با حجم انباشت ایده آل توضیح داده میشود

(۲،۸) V_a12 =_c V_۱۲  که_c اغلب به نام بازده برخورد[۱۳] نامیده میشود که نشان دهنده  (تعداد) نسبت ذرات کوچکی است که در یک حجم انباشت ایده آل با ذرات بزرگ برخورد می کنند. تعیین _c یکی از چالشهای اصلی است که در استفاده از تئوری اورتوکینتیک «مدنیکوف» برای محاسبه سرعت انباشت با آن مواجهیم

در حال حاضر، هیچگونه همبستگی تجربی و رابطه تئوریک برای  وجود ندارد. علت آن نیز مشکل بودن تجزیه و تحلیل فعل و انفعالات ذره- ذره و یافتن مسیرهای حرکت ذره می باشد. در مدلهای شبیه سازی موجود، بازده برخورد تقریبا با دو روش زیر محاسبه می شود

در اولین روش، فعل و انفعالات دو طرفه بین ذرات در نظر گرفته نمی شود و بازده برخورد برای تمامی زوجهای ذرات یک فرض میشود. بازده برخورد یک که میائو [۱۴] و تیواری [۱۵] در مدلهایشان از آن استفاده کردند آشکارا سرعت انباشت را زیاد برآورد می کند. روش دوم انباشت آکوستیک را به فرآیند پاکسازی تشبیه می کند که در آن ذرات ریز دریک جریان مداوم توسط ذرات بزرگ پاکسازی می شوند و برای این فرآیند از روابط معروفی نظیر فرمول «لانگموئیر» [۱۶] مستقیما برای  استفاده میشود. اما، چنین تشبیهی منطقی نیست چرا که این دو فرآیند با همدیگر از بسیاری از جهات بنیادین متفاوتند. در فرآیند دوم جریان ایروسل نسبت به گرد آورنده ها (کولکتورها) هماهنگ، یک سویه و مداوم است. ابعاد کولکتورها[۱۴] بسیار بزرگتر از ابعاد ذراتی است که باید جمع آوری شوند، در نتیجه تأثیرات ذرات بر روی جریان پتانسیل غالب (قویتر) است. بنابراین، در این حالت بازده برخورد را میتوان با یک عدد استوکس بدون بعد مشخص کرد که این عدد به عنوان نسبت فواصل ایستایی یک ذره به قطر کولکتور تعریف میشود. اما در فرآیند انباشت آکوستیک هیچکدام از شرایط فوق الذکر اعمال نمیشود. اولا ،  حرکت ذرات به خودی خود مداوم نیست چرا که گاز برد کردن حرکت نوسانی توسط امواج آکوستیک انجام میشود. علاوه بر این به علت اندازه های مختلف ذرات، حرکت ذرات به خودی خود ناهماهنگ است. ثانیا، اندازه ذرات کوچک و بزرگ در برخورد قابل مقایسه با همدیگر است در نتیجه تأثیرات این ذرات بر همدیگر دو طرفه خواهد بود و به طور یکسان از اهمیت برخوردار است. درنهایت ضخامت لایه مرزی مستقر در سطح حتی یک ذره بزرگ نیز بسیار بزرگتر از اندازه آن است در نتیجه اثر ویسکوس بر روی جریان بسیار پر اهمیت می شود. بنابراین، تشابهی بین این دو فرآیند وجود ندارد (تشابه جریان گاز بر اساس عدد رینولدز و تشابه حرکت ذره بر اساس عدد استوکس) و استفاده از فرمول لانگموئر برای محاسبه بازده برخورد در انباشت آکوستیک درحقیقت مورد سوال است

مکانیزم فعل و انفعال حرکت مستقیم سوال دیگری را نیز بی پاسخ می گذارد. سوال این است که با وجود اینکه تمامی ذرات ریز در حجم انباشت در اولین چرخه پاکسازی میشوند ، چگونه ذرات کوچک از بیرون حجم انباشت وارد میشوند تا این فرآیند انباشت ادامه پیدا کند. مدنیکوف و دیگر متخصصین دو مکانیزم برای پر شدن دوباره حجم پیشنهاد کرده اند: فعل و انفعالات جنبشی موازی (انحراف خط جریان) وجاذبه (هیدرودینامیک) بطوریکه این فرآیند ها به طور عمده مسئول پر کردن دوباره حجم انباشت خالی از ذره بعد از هر چرخه آکوستیک می باشند. این افراد چند مکانیزم ثانویه نیز برای پر کردن مجدد ارائه کردند : جریان آکوستیک[۱۵]، آشفتگی آکوستیک[۱۶] ، انتشار دمایی[۱۷] و نهشت (قرارگیری) جاذبه[۱۸]. این فرآیندهای ثانویه پر کردن مجدد ذرات ریز را از حجم انباشت به نزدیکترین همسایه روانه می کند. از آن مکان (نزدیکترین همسایه) فرآیندهای اصلی پر کردن مجدد شروع میشود که ذرات را به داخل حجم انباشت فرستاده می شود. درجه پر شدگی حجم انباشت با استفاده از فرمول بازده پرشدگی[۱۹] بدست می آید

 که n_v تعدد عددی ذرات کوچک در حجم انباشت بعد از پر شدن،و n تعدد عددی ذرات ریز در بیرون حجم انباشت است . همانطور که در مورد بازده برخورد درست است، بازده پرشدگی کمتر یا مساوی یک می باشد. محاسبه  همانند محاسبه  بسیارمشکل است. تیواری [۱۵] برای مساله پرشدگی یک تجزیه وتحلیل عددی انجام داد. نتایج این تجزیه وتحلیل نشان میدهد که فعل و انفعالات هیدرودینامیک  بین ذرات در یک حجم انباشت، ذرات ریز را از ذرات بزرگتر می راند. بر این اساس، او این فرضیه را پیشنهاد کرد: شاید حجم انباشت با ذرات ریزی پر شود که توسط ذرات بزرگتر در حجم انباشت مجاور روانه میشوند. اما دریک ایروسل معمولی، تعداد ذرات بزرگتر نسبتا کم و فاصله بین آنها زیاد است. تأثیر ذره بزرگتر بر روی حرکت ذره کوچکتر با فاصله بین آنها کاهش    می یابد. بنابراین، بر اساس نتایج عددی تیواری، ذرات ریز همیشه از حجمهای انباشت خود به بیرون رانده میشوند. پژوهشهای بیشتری در زمینه مساله پرشدگی باید انجام شود

با فرض اینکه هر برخورد به یک انباشت منجر میشود، مندیکوف برای سرعت انباشت آکوستیک فرمول معروفی را استنباط کرد

در این فرمول  به ترتیب تعدد عددی ذره ۱ و۲ می باشد،  نیز تعداد برخوردهای بین ذره ۱ و۲ دریک تناوب زمانی dt،  تابع فرکانس انباشت یا ضریب انباشت می باشد که با فرمول زیر تعریف میشود

(۲،۱۱)                                                                               V_{۱۲ ۱۲} (/) _۱۲ = _۱۲

بهترین فرکانسی که با آن سرعت انباشت آکوستیک به حداکثر می رسد را میتوان به روش ذیل تعیین کرد: بامشتق گرفتن از بر اساس  وسپس مساوی کردن آن با صفر به شرطی که هم بازده برخورد و هم بازده پر شدگی از فرکانس مستقل باشند. این فرکانس بهینه را میتوان به شکل فرمول زیرنوشت

کاربرد این فرمول در عمل مشکل است چرا که

 (۱) بیشتر ایروسل ها از بیش از دو گروه ذره تشکیل میشوند که ذرات هر گروه از نظر اندازه با ذرات گروه دیگر متفاوت اند

 (۲) هر جفت ازذرات فرکانس ایده آل خودشان را دارند

تئوری حرکت مستقیم مندیکوف پایه بنیادینی رابرای توضیح فرآیند انباشت آکوستیک فراهم       می آورد. آزمایشات فشرده نشان میدهد که فعل و انفعال حرکت مستقیم مکانیزم بسیار مهمی برای انباشت آکوستیک محسوب میشود. با اینحال دو مساله درمورد این تئوری باقی می ماند. اول، محاسبه بازده برخورد بسیار مشکل است. با استفاده ازمفهوم حجم انباشت آکوستیک، تنها زمانی می توان بازده برخورد را محاسبه کرد که حجم انباشت واقعی را ابتدا بدست آورده باشیم. برای این کار، دانستن مسیرهای واقعی ذرات فعل و انفعال کننده لازم است. اما، عدم اطمینان از مکانهای لحظه ای ذرات نسبت به همدیگر تعیین مسیرهای واقعی را مشکل می کند. بنابراین از یک روش آماری باید استفاده کرد تا یک برآورد معنا دار ازبازده برخورد بدست آید

ثانیا، این تئوری را نمی توان برای موجهای چندرنگه[۲۰] استفاده کرد چرا که این موجها دارای چند مولفه فرکانس می باشند. تنها زمانی می توان حجم انباشت ایده آل را با فرمول (۷،۲) محاسبه کرد که حرکت نسبی ذرات هماهنگ با زمان تغییر کند. و این حالت زمانی اتفاق می افتد که از یک موج سینوسی استفاده میشود. اما برای دیگر میدانهای موج نظیر موج ضربه ای حرکت ذرات پیچیده تر بوده و دیگر هماهنگ نیست. بنابراین، اگر از یک موج آکوستیک پیچیده استفاده میشود باید یک روش کلی تری به عنوان چارچوب کار طراحی شود. یک بخش عمده از پژوهش آقای سانگ]۱۷[ به بهبود و ترقی تئوری حرکت مستقیم مندیکوف اختصاص دارد

۲-۴-۲ فعل و انفعالات هیدرودینامیک

[۱] – Solid carbon soot particles

[۲] – Fabric Filters (lag filters)

[۳] – Packed filter

[۴] – Gravity settling Chambers

۱ – Wet Scrubbers

[۶] – Cyclone

[۷] – Electrostatic precipitator (ESP)

[۸] – Acoustic agglomeration

[۹] – Acoustic agglomeration

[۱۰] – Orthokinetic

[۱۱] – Acoustic entrainment

[۱۲] – Entrainment factor

[۱۳] – collision efficiency

[۱۴] -collector

[۱۵] – Acoustic streaming

[۱۶] – Acoustic turbulence

[۱۷] – Thermal diffusion

[۱۸] – Gravity settlement

[۱۹] – Fill up efficiency

[۲۰] – polychromatic waves