声波团聚预处理的车用尾气过滤器设计
2014-08-08贾肖宁李新华贺润中邹翔
贾肖宁+李新华+贺润中+邹翔
作者简介：贾肖宁（1990—），女，河南安阳人,中南大学大学生。中图分类号：X701文献标识码：A文章编号：16749944(2014)05029604
1引言
随着机动车保有量的持续增长,机动车排放物已成为我国城市大气污染的主要来源。同时对汽车尾气污染物研究的不断深入,汽车加装尾气处理器已经成为了一种时代的必然。可吸入空气污染物是指悬浮在空气中、能够沉积于咽喉以下呼吸道部位的颗粒物,常用PM10表示,其含义是空气动力学当量直径小于或等于10μm的颗粒物,其中空气动力学当量直径小于或等于2.5μm可以深达肺泡并沉积的颗粒物称为细颗粒,常用PM2.5表示,亦即自2013年9月份以来的媒体聚焦已久的空气污染“新隐形杀手”。现阶段汽车尾气过滤器对其过滤率极低。
汽车尾气中的PM2.5对人体健康的影响比PM10更为显著,而现行的汽车尾气处理方法都不能有效地处理尾气中的PM2.5,所以基于经济的可持续发展及城市居民的健康需求,亟需一种新的车用尾气处理方法来实现汽车尾气中PM2.5值的降低,而本文提出的基于声波团聚预处理方法的汽车尾气处理方案则能有效地降低汽车尾气中PM2.5的浓度。
2设计原理
2.1声波团聚原理
声波团聚是利用高强度声场使气溶胶中微米和亚微米颗粒团聚的过程。声波的作用效果在于引起颗粒间的相对运动并因此增加它们的碰撞速率,一旦颗粒发生了碰撞,它们便可能粘附而形成较大一级的团聚物,图1为细颗粒声波团聚的示意图。从整体上来看,由于外加声波的作用,发生了颗粒的团聚,在很短的时间范围内,颗粒的分布密度函数将发生从小尺寸向大尺寸范围迁移,团聚后细颗粒平均粒径变大,细颗粒的数目浓度变少,静电除尘器、布袋除尘器等常规的颗粒清除设备就可高效地将变得相对较大的细颗粒从携带的气体中清除掉。通过这种预处理的方法,传统的空气滤清器的空气滤芯也可以高效降低汽车尾气中的PM2.5浓度。
图1声波团聚原理
图23kHz下声波强度和团聚效率关系
2.2.1声波强度和团聚效果的关系
在声波频率为3kHz、初始颗粒平均浓度6.2×1010/m3和1kHz、初始颗粒平均浓度5.4×1010/m3的恒定条件下的实验数据表明随声波强度变化与颗粒的团聚效率有很强的相关性,颗粒消除效率随声波强度变化而变化如图2所示,由图示可知当声波频率、初始颗粒平均浓度一定的情况下,颗粒消除效率也随着增加。并且可以从图中看出,颗粒的消除效率在154~158dB区间内增长速度最快,在158~160dB区间内增长速率逐渐趋于平缓,由此可推知,声波团聚的理想声波强度在160dB左右,在此声波强度下颗粒的团聚效果较明显。
2.2.2声波频率和团聚效果的关系
实验论证表明,声波频率和团聚效果间呈较弱的相关性,声波频率和团聚效果间的关联性如图3所示,图示表明随着声波频率的增加消除效率值在5%内总体上升趋势变动,且声波频率的变化对消除效率值影响很弱。
2.2.3声波强度、能耗及颗粒消除效率间关系
由陈等的研究［2］表明,颗粒的清除效率和能耗、声波强度有关系如图示4,由图可知,随着声波强度增强及清除效率的提高,系统的能耗也不断增加,尤其是在声波强度大于155dB后,能耗呈急剧增加态势,当声波强度在160dB左右时,能耗可达600W上下,可推知声波团聚的理想声强声场下,系统耗能过大,不利于声波团聚的车载系统的实现,所以必须要求雾化水滴的联合作用,以降低系统的能耗。
图3160dB时,声波频率和团聚效果的关系
图4清除效率与能耗的关系
2.2声波各参数与团聚效果的关系
根据已有的声波团聚效率相关研究［1］表明,声波的强度、作用时间和频率影响着声波影响下团聚微小颗粒的效率。
由于声波的作用,不同大小的细颗粒发生了碰撞和团聚,粒径分布上颗粒的平均粒径由小尺寸向大尺寸发生了演变,空气动力学当量直径较小的颗粒在声波场中团聚为空气动力学当量直径较大的颗粒,从而得以被过滤,使得颗粒总数减少,因此,在计算团聚效率时常定义颗粒团聚的总效率为:
η=N0+NtN0×100%。
式中,N0为声波团聚前所有颗粒数目总浓度;Nt为声波作用时间t后所有颗粒数目总浓度;单位:个/m3。上文主要阐述了声波团聚大体原理及清除效率与可控因素间的关系,提出了以声波、雾化水滴的联合作用解决单纯声波能耗过大的缺点,并提高了声波团聚作用下的颗粒清除效率,为确定了车载的声波发生系统的参数提供了参考。
3优化设计方案
3.1硬件组成
尾气过滤装置分为:团聚室、声波发生器、空气滤芯、吸音外壳、带鼓风机的水蒸器进气管、油雾过滤网,如图5所示。
图5设计方案
3.1.1声波发射器
该声源系统主要由信号发生器、功率放大器和扬声器三部分组成。在信号发生器上发出一定频率的声波。声波经过功率放大器时,调整功率放大器的输出电压,使得声波的频率符合试验所需强度。最后经由扬声器发射声波,在团聚室内产生声场。声源系统主要参数:声波强度155.5d,频率1.4kHz。
3.1.2油雾过滤网
因为汽油的不完全燃烧,导致尾气中含有少量的油雾,而油雾对空气滤芯减少寿命,所以在进气口处安装油雾过滤网,用于吸收汽车尾气中的油雾。油雾过滤网用耐高温吸油棉制作而成。吸油棉的自动燃点为441℃,而尾气的最高温度约为200℃,油雾过滤网可承受汽车的高温尾气。同时可以用公式来计算吸油棉的吸油倍率:
q=［mf-(m0+mw)］/m0。
式中:q为为吸油倍率(g/g),mf为吸油后吸油材料的质量(g),m0为吸油前的吸油材料的质量(g),mw为测量仪器吸附油后的质量(g)(图6)。
3.1.3空气滤芯
空气滤清器具有较高的过滤精度,能够滤出粒径≧1μm的微小颗粒粒。且其过滤效率高,滤芯的滤清效率可高达99.5%以上,灰尘透过率仅为0.1%~0.3%。针对经过声波团聚后,大量的微粒直径≦1μm的可吸入性颗粒团聚为直径≧1μm的微臣颗粒,这时空气滤清器就可大幅度的降低可吸入性微尘颗粒数量,起到过滤汽车尾气作用(图7)。
图6油雾过滤网
图7空气滤芯(空气滤清器)
3.1.4吸音外壳
声波团聚作用时,声波发生器系统将产生声强155.5dB、频率1.4kHz的声场,这样的声场不仅仅会造成噪声,而且长期的声场作用下会对人体产生各类负面影响。为了降低声波对外界的影响,我们为团聚室包裹了一层吸音外壳,吸收声波。以耐高温玻璃棉为吸音外壳的主要材料。玻璃棉可以吸收频率在250~2000Hz范围内的声波,降噪系数高达60%~80%。而用于产生声场的声波强度为155.5dB,经过玻璃棉吸音降噪后声波强度将衰减到311~62dB范围内.因此玻璃棉可以大幅度吸收团聚时产生的声波能量。且玻璃棉的使用温度范围为-120~400℃,大于汽车尾气最高温度,可以耐住尾气的高温(图8)。
图8吸音外壳
3.1.5团聚室
尾气由进气口进入,通过油雾过滤器后到达团聚室,尾气通过团聚室所需时间在3~4s间,尾气中粒径在0.01~1μm的微粒在声场作用下,微粒开始产生团聚现象,微粒粒径增大,达到空气滤清器所能过滤的要求,使得大部分的颗粒被空气滤清器过滤(图9)。
图9阴影部分为团聚室外壳
2014年5月绿色科技第5期3.2设备工作流程
利用声波团聚的预处理方法减少对汽车尾气中的PM2.5排放量,使汽车尾气中粒径小于1μm的颗粒相互团聚在一起,增大颗粒粒径,从而增大空气滤清器对汽车尾气的过滤,最后使得粒径≧1μm的颗粒50%以上被排气管尾部的空气滤清器过滤,大大降低汽车尾气中PM2.5浓度值,同时颗粒所吸附的有毒物质及气体也因团聚被大部分过滤,从而大大降低汽车尾气对环境和人体健康的危害。
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(1)司机启动汽车、声波发射器及鼓风机三者联通与同一电路。当司机在驾驶室启动汽车的同时也触发声波发射器及与汽车水箱相联通的鼓风机启动,三者同步工作。
(2)声波发射器被触发后,信号发生器开始发射一定频率的声波,声波经由电路传递到功率放大器,功率放大器会根据团聚室需要的声波分贝及频率及时的调整输出电压,使得输出的声波分贝及频率符合试验所需强度。最后由扬声器将产生的155.5dB和1.4kHz声波发射到团聚室中,声波在团聚室中对尾气进行团聚作业。
(3)鼓风机启动后,将水箱内的水蒸气,通过固定管道抽送到团聚室中。水蒸气的进入可以降低团聚作业对声波的要求,很大程度上降低能耗,起到节能作用。团聚室中不加水蒸气时,声波要求为160dB,功率要求约为600W。加入水蒸气后声波要求155.5dB,但功率要求只约为120W,可节省80%的耗能。
(4)汽车行走过程中产生的尾气通过排气系统由进气口进入,尾气最先要通过油雾过滤网,油雾过滤网除去尾气中未完全燃尽的油雾。未完全燃尽的油雾不仅会影响尾气的团聚,而且还会严重影响空气滤清器的使用寿命。所以在尾气团聚之前要除去未燃尽的油雾。
(5)除去油雾后的尾气进入团聚室,与鼓风机抽送来的水蒸气混合,在155.5dB和1.4kHz的声波作用下,开始进行团聚作业。尾气不断的向前膨胀流动,同时尾气在流动过程中粒径小于1μm的颗粒在声波作用下开始进行相互团聚,团聚时间达到2~3s后,颗粒粒径迅速增大,达到1μm以上。
(6)团聚后的尾气继续向排气管尾部流动,在出气口之前,我们利用空气滤清器来过滤团聚后的尾气。因为声波团聚作用,尾气中大部分小于1μm的颗粒相互团聚成粒径大于1um的颗粒。最后被空气滤清器过滤。这样经过过滤处理后排向大气中的汽车尾气PM2.5浓度值和有毒物质浓度值大幅度降低。
(7)因为声波高达155.5dB,在团聚过程中会产生噪声污染。所以我们要在团聚室的外围包裹上一层吸音外壳,吸音外壳以玻璃棉为主要材料,可以吸收250~2000Hz的声波,降噪系数高达60%~80%。吸音外壳可以大幅度吸收团聚时产生的噪音,消除噪声污染。
4创新特色分析
本文所讨论的课题主要是利用一定分贝及频率的声波对汽车尾气中PM2.5颗粒进行团聚、过滤方向上进行努力。通过大幅降低排放到大气中汽车尾气的PM2.5浓度值和有毒物质,来达到保护环境和人类健康的目的。装置中利用了汽车水箱中多余的水蒸气来促进声波团聚作业,大大的降低了团聚所需能耗,起到节能作用。同时我们所设计的尾气处理装置在目前的技术条件下是完全可以达到的,并且成本并不高,适宜大规模的推广使用。
此项技术若能应用到当前的所有汽车,则可以除去尾气中大部分颗粒物,使得排放物中可吸入物大幅降低,尾气得到净化。所谓积小成多,每个汽车的尾气得到净化则城市的空气将有一个大幅度的提高,空气得到净化,对城镇中居住的居民的健康将有很大的好处使人们的生活质量得到改善。同样对于国家,将会省去一大笔财政投入用于人民的医疗保障、环境治理,对于国家的发展、稳定都有着一定的作用。
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