汽车尾气PM 2.5静电去除方法的仿真研究

2012-07-10刘焕英许立伟

时代农机 2012年9期

于壮，杨芮，刘焕英，许立伟

（吉林大学交通学院，吉林长春 130025）

1 引言

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5μm的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大量的有毒有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。在2012年2月发布的973项目中，PM2.5的治理成为能源科学领域中的重点支持方向。在十一届全国人大五次会议中温家宝总理也也在政府工作报告中提到了PM2.5治理。由于PM2.5的粒径较小，常规的除尘技术对其进行去除时效率低可行性差，对PM2.5进行凝聚成为了必要。理论上颗粒凝聚的方式有多种，如热凝聚、声凝聚、电凝聚等等。从凝聚能耗比、凝聚过程复杂及难易程度、有无二次污染等方面综合考虑，电凝聚是最为可行的凝聚方式，特别是本文所述的双极荷电凝聚模式。

2 工作过程简述

图1 工作流程图

工作过程如图所示，尾气首先进入双极荷电区，使PM2.5一部分带正电一部分带负电，然后流入作为凝聚器的消音器使微粒凝聚，使粒径增加后进入再荷电区再荷电，最后凝聚好的PM2.5被外置的带异种电收尘板收集。

（1）供电装置。静电除尘所需电压较高，电源体积较大，不适合汽车内部的使用，这也是静电除尘在汽车上应用的瓶颈。而静电起电机可以利用其丰富的机械能获得很高的电压，所以我们采用静电除尘装置作为电源。根据实验，一对约60cm直径的起电机以100r/min的速度旋转,大约可以产生50000V的电压，可以满足在汽车内的使用。这种方法简单易行，相对于传统的供电装置能耗低、体积小、效率高，适合做汽车车载装置。

（2）荷电计算与仿真。实验测得汽车尾气中PM2.5的粒径在80nm左右，所以此装置荷电原理是扩散荷电，即由于离子和颗粒作不规则热运动和相互碰撞而使颗粒荷电的过程,并对下列公式进行计算求出带电量。

①相对密度δ

②皮克（Peek）公式——起始电晕场强

③起始电晕电压U0

④离子迁移率k

⑤电流线密度i

⑥电流面密度j

⑦场强E

⑧时间常数τ

⑨扩散电量qd

⑩海因里奇建议用下式近似计算

用fluent仿真发动机5500r/min时，结果图2所示。由图可知，在主消声器前直管部分，气体流速约为20m/s。根据这一数据，继续进行下面仿真分析。

图2 排气管流体仿真

对排气管内部流场仿真（图3）与加入除尘装置后的流场压力状况（图4）的对比

图3 加入除尘装置之前排气管压力图

图4 加入除尘装置之后排气管压力图

由5图仿真对比可得，加入除尘装置后，增加了200Pa左右压力，对于排气管的排气阻力影响可以忽略不计。

（3）凝聚部分。通过仿真软件的应用，对消音器流场进行分析，仿真的结果如图5所示。

图5 汽车消音器流线图

由图所示，在消音器的内部，流线复杂，有利于正负荷电粒子的碰撞凝聚，对于提高凝聚效率有显著效果。根据以上分析结果，所以我们将汽车消音器作为凝聚器来使用，从而达到荷电颗粒凝聚增大的目的。

（4）再荷电部分。经过荷电、凝聚的过程，粒子半径增大，达到预期效果。同时，粒子呈电中性，为了便于收集，我们设计了再荷电过程。根据前面叙述的荷电原理以及仿真分析，我们可以知道，荷电的可行性以及可达到的效果比较理想。再荷电的过程同前述荷电过程一致，在此，不再赘述。

（5）收尘部分。①粒子轨迹分析。根据收尘需要，首先我们进行粒子的轨迹分析。利用收集、计算等方式得到的数据，运用comsol软件对流场和电场进行耦合，进行不带电，已凝聚，未凝聚时粒子轨迹仿真。结果如图6、7、8所示。

图6 不带电时粒子轨迹仿真

图7 已凝聚粒子轨迹仿真

图8 未凝聚粒子轨迹仿真

②收尘板位置控制。为了提高收尘效率，减少排气阻力所以我们采用收尘板外置，再利用仿真得到的粒子轨迹，选择收尘板的大体位置。经过查询文献可知，排气速度是0.5～1.5m/s之间，而收尘板的最小扬尘速度为1m/s。据此，我们选择对1m/s～1.5m/s的排气速度进行仿真。通过不断改变收尘板的倾斜角度和距排气管出口的位置，得到了一组关于收尘板的倾斜角度和距排气管出口的位置与收尘板上最大流速的数据。下面是我们通过仿真得到的数据进行拟合的图像（图9）。横轴为距排气口距离,纵轴为收尘板的最大风速。