聲波團聚預處理的車用尾氣過濾器設計

賈肖寧+李新華+賀潤中+鄒翔

作者簡介：賈肖寧（1990—），女，河南安陽人,中南大學大學生。中圖分類號：X701文獻標識碼：A文章編號：16749944(2014)05029604

1引言

隨著機動車保有量的持續增長,機動車排放物已成為我國城市大氣污染的主要來源。同時對汽車尾氣污染物研究的不斷深入,汽車加裝尾氣處理器已經成為了一種時代的必然?？晌肟諝馕廴疚锸侵笐腋≡诳諝庵?、能夠沉積于咽喉以下呼吸道部位的顆粒物,常用PM10表示,其含義是空氣動力學當量直徑小于或等于10μm的顆粒物,其中空氣動力學當量直徑小于或等于2.5μm可以深達肺泡并沉積的顆粒物稱為細顆粒,常用PM2.5表示,亦即自2013年9月份以來的媒體聚焦已久的空氣污染“新隱形殺手”。現階段汽車尾氣過濾器對其過濾率極低。

汽車尾氣中的PM2.5對人體健康的影響比PM10更為顯著,而現行的汽車尾氣處理方法都不能有效地處理尾氣中的PM2.5,所以基于經濟的可持續發展及城市居民的健康需求,亟需一種新的車用尾氣處理方法來實現汽車尾氣中PM2.5值的降低,而本文提出的基于聲波團聚預處理方法的汽車尾氣處理方案則能有效地降低汽車尾氣中PM2.5的濃度。

2設計原理

2.1聲波團聚原理

聲波團聚是利用高強度聲場使氣溶膠中微米和亞微米顆粒團聚的過程。聲波的作用效果在于引起顆粒間的相對運動并因此增加它們的碰撞速率,一旦顆粒發生了碰撞,它們便可能粘附而形成較大一級的團聚物,圖1為細顆粒聲波團聚的示意圖。從整體上來看,由于外加聲波的作用,發生了顆粒的團聚,在很短的時間范圍內,顆粒的分布密度函數將發生從小尺寸向大尺寸范圍遷移,團聚后細顆粒平均粒徑變大,細顆粒的數目濃度變少,靜電除塵器、布袋除塵器等常規的顆粒清除設備就可高效地將變得相對較大的細顆粒從攜帶的氣體中清除掉。通過這種預處理的方法,傳統的空氣濾清器的空氣濾芯也可以高效降低汽車尾氣中的PM2.5濃度。

圖1聲波團聚原理

圖23kHz下聲波強度和團聚效率關系

2.2.1聲波強度和團聚效果的關系

在聲波頻率為3kHz、初始顆粒平均濃度6.2×1010/m3和1kHz、初始顆粒平均濃度5.4×1010/m3的恒定條件下的實驗數據表明隨聲波強度變化與顆粒的團聚效率有很強的相關性,顆粒消除效率隨聲波強度變化而變化如圖2所示,由圖示可知當聲波頻率、初始顆粒平均濃度一定的情況下,顆粒消除效率也隨著增加。并且可以從圖中看出,顆粒的消除效率在154~158dB區間內增長速度最快,在158~160dB區間內增長速率逐漸趨于平緩,由此可推知,聲波團聚的理想聲波強度在160dB左右,在此聲波強度下顆粒的團聚效果較明顯。

2.2.2聲波頻率和團聚效果的關系

實驗論證表明,聲波頻率和團聚效果間呈較弱的相關性,聲波頻率和團聚效果間的關聯性如圖3所示,圖示表明隨著聲波頻率的增加消除效率值在5%內總體上升趨勢變動,且聲波頻率的變化對消除效率值影響很弱。

2.2.3聲波強度、能耗及顆粒消除效率間關系

由陳等的研究［2］表明,顆粒的清除效率和能耗、聲波強度有關系如圖示4,由圖可知,隨著聲波強度增強及清除效率的提高,系統的能耗也不斷增加,尤其是在聲波強度大于155dB后,能耗呈急劇增加態勢,當聲波強度在160dB左右時,能耗可達600W上下,可推知聲波團聚的理想聲強聲場下,系統耗能過大,不利于聲波團聚的車載系統的實現,所以必須要求霧化水滴的聯合作用,以降低系統的能耗。

圖3160dB時,聲波頻率和團聚效果的關系

圖4清除效率與能耗的關系

2.2聲波各參數與團聚效果的關系

根據已有的聲波團聚效率相關研究［1］表明,聲波的強度、作用時間和頻率影響著聲波影響下團聚微小顆粒的效率。

由于聲波的作用,不同大小的細顆粒發生了碰撞和團聚,粒徑分布上顆粒的平均粒徑由小尺寸向大尺寸發生了演變,空氣動力學當量直徑較小的顆粒在聲波場中團聚為空氣動力學當量直徑較大的顆粒,從而得以被過濾,使得顆?？倲禍p少,因此,在計算團聚效率時常定義顆粒團聚的總效率為:

η=N0+NtN0×100%。

式中,N0為聲波團聚前所有顆粒數目總濃度;Nt為聲波作用時間t后所有顆粒數目總濃度;單位:個/m3。上文主要闡述了聲波團聚大體原理及清除效率與可控因素間的關系,提出了以聲波、霧化水滴的聯合作用解決單純聲波能耗過大的缺點,并提高了聲波團聚作用下的顆粒清除效率,為確定了車載的聲波發生系統的參數提供了參考。

3優化設計方案

3.1硬件組成

尾氣過濾裝置分為:團聚室、聲波發生器、空氣濾芯、吸音外殼、帶鼓風機的水蒸器進氣管、油霧過濾網,如圖5所示。

圖5設計方案

3.1.1聲波發射器

該聲源系統主要由信號發生器、功率放大器和揚聲器三部分組成。在信號發生器上發出一定頻率的聲波。聲波經過功率放大器時,調整功率放大器的輸出電壓,使得聲波的頻率符合試驗所需強度。最后經由揚聲器發射聲波,在團聚室內產生聲場。聲源系統主要參數:聲波強度155.5d,頻率1.4kHz。

3.1.2油霧過濾網

因為汽油的不完全燃燒,導致尾氣中含有少量的油霧,而油霧對空氣濾芯減少壽命,所以在進氣口處安裝油霧過濾網,用于吸收汽車尾氣中的油霧。油霧過濾網用耐高溫吸油棉制作而成。吸油棉的自動燃點為441℃,而尾氣的最高溫度約為200℃,油霧過濾網可承受汽車的高溫尾氣。同時可以用公式來計算吸油棉的吸油倍率:

q=［mf-(m0+mw)］/m0。

式中:q為為吸油倍率(g/g),mf為吸油后吸油材料的質量(g),m0為吸油前的吸油材料的質量(g),mw為測量儀器吸附油后的質量(g)(圖6)。

3.1.3空氣濾芯

空氣濾清器具有較高的過濾精度,能夠濾出粒徑≧1μm的微小顆粒粒。且其過濾效率高,濾芯的濾清效率可高達99.5%以上,灰塵透過率僅為0.1%~0.3%。針對經過聲波團聚后,大量的微粒直徑≦1μm的可吸入性顆粒團聚為直徑≧1μm的微臣顆粒,這時空氣濾清器就可大幅度的降低可吸入性微塵顆粒數量,起到過濾汽車尾氣作用(圖7)。

圖6油霧過濾網

圖7空氣濾芯(空氣濾清器)

3.1.4吸音外殼

聲波團聚作用時,聲波發生器系統將產生聲強155.5dB、頻率1.4kHz的聲場,這樣的聲場不僅僅會造成噪聲,而且長期的聲場作用下會對人體產生各類負面影響。為了降低聲波對外界的影響,我們為團聚室包裹了一層吸音外殼,吸收聲波。以耐高溫玻璃棉為吸音外殼的主要材料。玻璃棉可以吸收頻率在250~2000Hz范圍內的聲波,降噪系數高達60%~80%。而用于產生聲場的聲波強度為155.5dB,經過玻璃棉吸音降噪后聲波強度將衰減到311~62dB范圍內.因此玻璃棉可以大幅度吸收團聚時產生的聲波能量。且玻璃棉的使用溫度范圍為-120~400℃,大于汽車尾氣最高溫度,可以耐住尾氣的高溫(圖8)。

圖8吸音外殼

3.1.5團聚室

尾氣由進氣口進入,通過油霧過濾器后到達團聚室,尾氣通過團聚室所需時間在3~4s間,尾氣中粒徑在0.01~1μm的微粒在聲場作用下,微粒開始產生團聚現象,微粒粒徑增大,達到空氣濾清器所能過濾的要求,使得大部分的顆粒被空氣濾清器過濾(圖9)。

圖9陰影部分為團聚室外殼

2014年5月綠色科技第5期3.2設備工作流程

利用聲波團聚的預處理方法減少對汽車尾氣中的PM2.5排放量,使汽車尾氣中粒徑小于1μm的顆粒相互團聚在一起,增大顆粒粒徑,從而增大空氣濾清器對汽車尾氣的過濾,最后使得粒徑≧1μm的顆粒50%以上被排氣管尾部的空氣濾清器過濾,大大降低汽車尾氣中PM2.5濃度值,同時顆粒所吸附的有毒物質及氣體也因團聚被大部分過濾,從而大大降低汽車尾氣對環境和人體健康的危害。

endprint

(1)司機啟動汽車、聲波發射器及鼓風機三者聯通與同一電路。當司機在駕駛室啟動汽車的同時也觸發聲波發射器及與汽車水箱相聯通的鼓風機啟動,三者同步工作。

(2)聲波發射器被觸發后,信號發生器開始發射一定頻率的聲波,聲波經由電路傳遞到功率放大器,功率放大器會根據團聚室需要的聲波分貝及頻率及時的調整輸出電壓,使得輸出的聲波分貝及頻率符合試驗所需強度。最后由揚聲器將產生的155.5dB和1.4kHz聲波發射到團聚室中,聲波在團聚室中對尾氣進行團聚作業。

(3)鼓風機啟動后,將水箱內的水蒸氣,通過固定管道抽送到團聚室中。水蒸氣的進入可以降低團聚作業對聲波的要求,很大程度上降低能耗,起到節能作用。團聚室中不加水蒸氣時,聲波要求為160dB,功率要求約為600W。加入水蒸氣后聲波要求155.5dB,但功率要求只約為120W,可節省80%的耗能。

(4)汽車行走過程中產生的尾氣通過排氣系統由進氣口進入,尾氣最先要通過油霧過濾網,油霧過濾網除去尾氣中未完全燃盡的油霧。未完全燃盡的油霧不僅會影響尾氣的團聚,而且還會嚴重影響空氣濾清器的使用壽命。所以在尾氣團聚之前要除去未燃盡的油霧。

(5)除去油霧后的尾氣進入團聚室,與鼓風機抽送來的水蒸氣混合,在155.5dB和1.4kHz的聲波作用下,開始進行團聚作業。尾氣不斷的向前膨脹流動,同時尾氣在流動過程中粒徑小于1μm的顆粒在聲波作用下開始進行相互團聚,團聚時間達到2~3s后,顆粒粒徑迅速增大,達到1μm以上。

(6)團聚后的尾氣繼續向排氣管尾部流動,在出氣口之前,我們利用空氣濾清器來過濾團聚后的尾氣。因為聲波團聚作用,尾氣中大部分小于1μm的顆粒相互團聚成粒徑大于1um的顆粒。最后被空氣濾清器過濾。這樣經過過濾處理后排向大氣中的汽車尾氣PM2.5濃度值和有毒物質濃度值大幅度降低。

(7)因為聲波高達155.5dB,在團聚過程中會產生噪聲污染。所以我們要在團聚室的外圍包裹上一層吸音外殼,吸音外殼以玻璃棉為主要材料,可以吸收250~2000Hz的聲波,降噪系數高達60%~80%。吸音外殼可以大幅度吸收團聚時產生的噪音,消除噪聲污染。

4創新特色分析

本文所討論的課題主要是利用一定分貝及頻率的聲波對汽車尾氣中PM2.5顆粒進行團聚、過濾方向上進行努力。通過大幅降低排放到大氣中汽車尾氣的PM2.5濃度值和有毒物質,來達到保護環境和人類健康的目的。裝置中利用了汽車水箱中多余的水蒸氣來促進聲波團聚作業,大大的降低了團聚所需能耗,起到節能作用。同時我們所設計的尾氣處理裝置在目前的技術條件下是完全可以達到的,并且成本并不高,適宜大規模的推廣使用。

此項技術若能應用到當前的所有汽車,則可以除去尾氣中大部分顆粒物,使得排放物中可吸入物大幅降低,尾氣得到凈化。所謂積小成多,每個汽車的尾氣得到凈化則城市的空氣將有一個大幅度的提高,空氣得到凈化,對城鎮中居住的居民的健康將有很大的好處使人們的生活質量得到改善。同樣對于國家,將會省去一大筆財政投入用于人民的醫療保障、環境治理,對于國家的發展、穩定都有著一定的作用。

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