聲波團(tuán)聚預(yù)處理的車用尾氣過(guò)濾器設(shè)計(jì)

賈肖寧+李新華+賀潤(rùn)中+鄒翔

作者簡(jiǎn)介：賈肖寧（1990—），女，河南安陽(yáng)人,中南大學(xué)大學(xué)生。中圖分類號(hào)：X701文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944(2014)05029604

1引言

隨著機(jī)動(dòng)車保有量的持續(xù)增長(zhǎng),機(jī)動(dòng)車排放物已成為我國(guó)城市大氣污染的主要來(lái)源。同時(shí)對(duì)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(jīng)成為了一種時(shí)代的必然。可吸入空氣污染物是指懸浮在空氣中、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(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于或等于10μm的顆粒物,其中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于或等于2.5μm可以深達(dá)肺泡并沉積的顆粒物稱為細(xì)顆粒,常用PM2.5表示,亦即自2013年9月份以來(lái)的媒體聚焦已久的空氣污染“新隱形殺手”。現(xiàn)階段汽車尾氣過(guò)濾器對(duì)其過(guò)濾率極低。

汽車尾氣中的PM2.5對(duì)人體健康的影響比PM10更為顯著,而現(xiàn)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(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)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(lái)實(shí)現(xiàn)汽車尾氣中PM2.5值的降低,而本文提出的基于聲波團(tuán)聚預(yù)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(shè)計(jì)原理

2.1聲波團(tuán)聚原理

聲波團(tuán)聚是利用高強(qiáng)度聲場(chǎng)使氣溶膠中微米和亞微米顆粒團(tuán)聚的過(guò)程。聲波的作用效果在于引起顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并因此增加它們的碰撞速率,一旦顆粒發(fā)生了碰撞,它們便可能粘附而形成較大一級(jí)的團(tuán)聚物,圖1為細(xì)顆粒聲波團(tuán)聚的示意圖。從整體上來(lái)看,由于外加聲波的作用,發(fā)生了顆粒的團(tuán)聚,在很短的時(shí)間范圍內(nèi),顆粒的分布密度函數(shù)將發(fā)生從小尺寸向大尺寸范圍遷移,團(tuán)聚后細(xì)顆粒平均粒徑變大,細(xì)顆粒的數(shù)目濃度變少,靜電除塵器、布袋除塵器等常規(guī)的顆粒清除設(shè)備就可高效地將變得相對(duì)較大的細(xì)顆粒從攜帶的氣體中清除掉。通過(guò)這種預(yù)處理的方法,傳統(tǒng)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(tuán)聚原理

圖23kHz下聲波強(qiáng)度和團(tuán)聚效率關(guān)系

2.2.1聲波強(qiáng)度和團(tuán)聚效果的關(guān)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明隨聲波強(qiáng)度變化與顆粒的團(tuán)聚效率有很強(qiáng)的相關(guān)性,顆粒消除效率隨聲波強(qiáng)度變化而變化如圖2所示,由圖示可知當(dāng)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(qū)間內(nèi)增長(zhǎng)速度最快,在158~160dB區(qū)間內(nèi)增長(zhǎng)速率逐漸趨于平緩,由此可推知,聲波團(tuán)聚的理想聲波強(qiáng)度在160dB左右,在此聲波強(qiáng)度下顆粒的團(tuán)聚效果較明顯。

2.2.2聲波頻率和團(tuán)聚效果的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)論證表明,聲波頻率和團(tuán)聚效果間呈較弱的相關(guān)性,聲波頻率和團(tuán)聚效果間的關(guān)聯(lián)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(nèi)總體上升趨勢(shì)變動(dòng),且聲波頻率的變化對(duì)消除效率值影響很弱。

2.2.3聲波強(qiáng)度、能耗及顆粒消除效率間關(guān)系

由陳等的研究［2］表明,顆粒的清除效率和能耗、聲波強(qiáng)度有關(guān)系如圖示4,由圖可知,隨著聲波強(qiáng)度增強(qiáng)及清除效率的提高,系統(tǒng)的能耗也不斷增加,尤其是在聲波強(qiáng)度大于155dB后,能耗呈急劇增加態(tài)勢(shì),當(dāng)聲波強(qiáng)度在160dB左右時(shí),能耗可達(dá)600W上下,可推知聲波團(tuán)聚的理想聲強(qiáng)聲場(chǎng)下,系統(tǒng)耗能過(guò)大,不利于聲波團(tuán)聚的車載系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),所以必須要求霧化水滴的聯(lián)合作用,以降低系統(tǒng)的能耗。

圖3160dB時(shí),聲波頻率和團(tuán)聚效果的關(guān)系

圖4清除效率與能耗的關(guān)系

2.2聲波各參數(shù)與團(tuán)聚效果的關(guān)系

根據(jù)已有的聲波團(tuán)聚效率相關(guān)研究［1］表明,聲波的強(qiáng)度、作用時(shí)間和頻率影響著聲波影響下團(tuán)聚微小顆粒的效率。

由于聲波的作用,不同大小的細(xì)顆粒發(fā)生了碰撞和團(tuán)聚,粒徑分布上顆粒的平均粒徑由小尺寸向大尺寸發(fā)生了演變,空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑較小的顆粒在聲波場(chǎng)中團(tuán)聚為空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑較大的顆粒,從而得以被過(guò)濾,使得顆粒總數(shù)減少,因此,在計(jì)算團(tuán)聚效率時(shí)常定義顆粒團(tuán)聚的總效率為:

η=N0+NtN0×100%。

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

3優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1硬件組成

尾氣過(guò)濾裝置分為:團(tuán)聚室、聲波發(fā)生器、空氣濾芯、吸音外殼、帶鼓風(fēng)機(jī)的水蒸器進(jìn)氣管、油霧過(guò)濾網(wǎng),如圖5所示。

圖5設(shè)計(jì)方案

3.1.1聲波發(fā)射器

該聲源系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和揚(yáng)聲器三部分組成。在信號(hào)發(fā)生器上發(fā)出一定頻率的聲波。聲波經(jīng)過(guò)功率放大器時(shí),調(diào)整功率放大器的輸出電壓,使得聲波的頻率符合試驗(yàn)所需強(qiáng)度。最后經(jīng)由揚(yáng)聲器發(fā)射聲波,在團(tuán)聚室內(nèi)產(chǎn)生聲場(chǎng)。聲源系統(tǒng)主要參數(shù):聲波強(qiáng)度155.5d,頻率1.4kHz。

3.1.2油霧過(guò)濾網(wǎng)

因?yàn)槠偷牟煌耆紵?導(dǎo)致尾氣中含有少量的油霧,而油霧對(duì)空氣濾芯減少壽命,所以在進(jìn)氣口處安裝油霧過(guò)濾網(wǎng),用于吸收汽車尾氣中的油霧。油霧過(guò)濾網(wǎng)用耐高溫吸油棉制作而成。吸油棉的自動(dòng)燃點(diǎn)為441℃,而尾氣的最高溫度約為200℃,油霧過(guò)濾網(wǎng)可承受汽車的高溫尾氣。同時(shí)可以用公式來(lái)計(jì)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(zhì)量(g),m0為吸油前的吸油材料的質(zhì)量(g),mw為測(cè)量?jī)x器吸附油后的質(zhì)量(g)(圖6)。

3.1.3空氣濾芯

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

圖6油霧過(guò)濾網(wǎng)

圖7空氣濾芯(空氣濾清器)

3.1.4吸音外殼

聲波團(tuán)聚作用時(shí),聲波發(fā)生器系統(tǒng)將產(chǎn)生聲強(qiáng)155.5dB、頻率1.4kHz的聲場(chǎng),這樣的聲場(chǎng)不僅僅會(huì)造成噪聲,而且長(zhǎng)期的聲場(chǎng)作用下會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生各類負(fù)面影響。為了降低聲波對(duì)外界的影響,我們?yōu)閳F(tuán)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(nèi)的聲波,降噪系數(shù)高達(dá)60%~80%。而用于產(chǎn)生聲場(chǎng)的聲波強(qiáng)度為155.5dB,經(jīng)過(guò)玻璃棉吸音降噪后聲波強(qiáng)度將衰減到311~62dB范圍內(nèi).因此玻璃棉可以大幅度吸收?qǐng)F(tuán)聚時(shí)產(chǎn)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(tuán)聚室

尾氣由進(jìn)氣口進(jìn)入,通過(guò)油霧過(guò)濾器后到達(dá)團(tuán)聚室,尾氣通過(guò)團(tuán)聚室所需時(shí)間在3~4s間,尾氣中粒徑在0.01~1μm的微粒在聲場(chǎng)作用下,微粒開始產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象,微粒粒徑增大,達(dá)到空氣濾清器所能過(guò)濾的要求,使得大部分的顆粒被空氣濾清器過(guò)濾(圖9)。

圖9陰影部分為團(tuán)聚室外殼

2014年5月綠色科技第5期3.2設(shè)備工作流程

利用聲波團(tuán)聚的預(yù)處理方法減少對(duì)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(tuán)聚在一起,增大顆粒粒徑,從而增大空氣濾清器對(duì)汽車尾氣的過(guò)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(guò)濾,大大降低汽車尾氣中PM2.5濃度值,同時(shí)顆粒所吸附的有毒物質(zhì)及氣體也因團(tuán)聚被大部分過(guò)濾,從而大大降低汽車尾氣對(duì)環(huán)境和人體健康的危害。

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(1)司機(jī)啟動(dòng)汽車、聲波發(fā)射器及鼓風(fēng)機(jī)三者聯(lián)通與同一電路。當(dāng)司機(jī)在駕駛室啟動(dòng)汽車的同時(shí)也觸發(fā)聲波發(fā)射器及與汽車水箱相聯(lián)通的鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng),三者同步工作。

(2)聲波發(fā)射器被觸發(fā)后,信號(hào)發(fā)生器開始發(fā)射一定頻率的聲波,聲波經(jīng)由電路傳遞到功率放大器,功率放大器會(huì)根據(jù)團(tuán)聚室需要的聲波分貝及頻率及時(shí)的調(diào)整輸出電壓,使得輸出的聲波分貝及頻率符合試驗(yàn)所需強(qiáng)度。最后由揚(yáng)聲器將產(chǎn)生的155.5dB和1.4kHz聲波發(fā)射到團(tuán)聚室中,聲波在團(tuán)聚室中對(duì)尾氣進(jìn)行團(tuán)聚作業(yè)。

(3)鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后,將水箱內(nèi)的水蒸氣,通過(guò)固定管道抽送到團(tuán)聚室中。水蒸氣的進(jìn)入可以降低團(tuán)聚作業(yè)對(duì)聲波的要求,很大程度上降低能耗,起到節(jié)能作用。團(tuán)聚室中不加水蒸氣時(shí),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(jié)省80%的耗能。

(4)汽車行走過(guò)程中產(chǎn)生的尾氣通過(guò)排氣系統(tǒng)由進(jìn)氣口進(jìn)入,尾氣最先要通過(guò)油霧過(guò)濾網(wǎng),油霧過(guò)濾網(wǎng)除去尾氣中未完全燃盡的油霧。未完全燃盡的油霧不僅會(huì)影響尾氣的團(tuán)聚,而且還會(huì)嚴(yán)重影響空氣濾清器的使用壽命。所以在尾氣團(tuán)聚之前要除去未燃盡的油霧。

(5)除去油霧后的尾氣進(jìn)入團(tuán)聚室,與鼓風(fēng)機(jī)抽送來(lái)的水蒸氣混合,在155.5dB和1.4kHz的聲波作用下,開始進(jìn)行團(tuán)聚作業(yè)。尾氣不斷的向前膨脹流動(dòng),同時(shí)尾氣在流動(dòng)過(guò)程中粒徑小于1μm的顆粒在聲波作用下開始進(jìn)行相互團(tuán)聚,團(tuán)聚時(shí)間達(dá)到2~3s后,顆粒粒徑迅速增大,達(dá)到1μm以上。

(6)團(tuán)聚后的尾氣繼續(xù)向排氣管尾部流動(dòng),在出氣口之前,我們利用空氣濾清器來(lái)過(guò)濾團(tuán)聚后的尾氣。因?yàn)槁暡▓F(tuán)聚作用,尾氣中大部分小于1μm的顆粒相互團(tuán)聚成粒徑大于1um的顆粒。最后被空氣濾清器過(guò)濾。這樣經(jīng)過(guò)過(guò)濾處理后排向大氣中的汽車尾氣PM2.5濃度值和有毒物質(zhì)濃度值大幅度降低。

(7)因?yàn)槁暡ǜ哌_(dá)155.5dB,在團(tuán)聚過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪聲污染。所以我們要在團(tuán)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(shù)高達(dá)60%~80%。吸音外殼可以大幅度吸收?qǐng)F(tuán)聚時(shí)產(chǎn)生的噪音,消除噪聲污染。

4創(chuàng)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(duì)汽車尾氣中PM2.5顆粒進(jìn)行團(tuán)聚、過(guò)濾方向上進(jìn)行努力。通過(guò)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(zhì),來(lái)達(dá)到保護(hù)環(huán)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(lái)促進(jìn)聲波團(tuán)聚作業(yè),大大的降低了團(tuán)聚所需能耗,起到節(jié)能作用。同時(shí)我們所設(shè)計(jì)的尾氣處理裝置在目前的技術(shù)條件下是完全可以達(dá)到的,并且成本并不高,適宜大規(guī)模的推廣使用。

此項(xiàng)技術(shù)若能應(yīng)用到當(dāng)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(gè)汽車的尾氣得到凈化則城市的空氣將有一個(gè)大幅度的提高,空氣得到凈化,對(duì)城鎮(zhèn)中居住的居民的健康將有很大的好處使人們的生活質(zhì)量得到改善。同樣對(duì)于國(guó)家,將會(huì)省去一大筆財(cái)政投入用于人民的醫(yī)療保障、環(huán)境治理,對(duì)于國(guó)家的發(fā)展、穩(wěn)定都有著一定的作用。

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