Способ очистки выхлопных автомобильных газов от частиц

Способ очистки заключается в том, что в газовой ловушке с окнами размещают воздуховод с замкнутым торцом и как минимум один четвертьволновой резонатор, ловушку встраивают на торец выхлопной трубы, распространяют газовый поток с частицами из выхлопной трубы в полость воздуховода газовой ловушки, осуществляют коагуляцию частиц из газового потока в стоячей звуковой волне, сформированной в воздуховоде, после чего осаждают коагулированные частицы во внутренней полости четвертьволнового резонатора и осуществляют выход очищенного от частиц газового потока, отразившегося от замкнутого торца воздуховода, через окна газовой ловушки.

Технический результат - повышение экологической защиты от выбросов частиц, находящихся в выхлопных автомобильных газах при неполном сгорании бензина, в атмосферу. 3 ил.

 

Изобретение относится к области очистки автомобильных выхлопных газов.

Известен способ газоочистки, например очистка от мелких твердых частиц производится путем фильтрации газов через пористые перегородки или специальную шерстяную, хлопчатобумажную либо стеклянную ткань [1. Краткий политехнический словарь. - М.: Госиздаттех-теор лит. 1956. - С.198, 999.].

Недостаток способа заключается в том, что скорость фильтрации зависит от сопротивления фильтрующего слоя. Чем плотнее последний, тем медленнее идет процесс.

Известен способ акустической коагуляции - процесса сближения и укрупнения взвешенных в газе частиц. Под действием акустических колебаний звуковых и ультразвуковых частот [2. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. Ред. И.П.Голямина. - М.: Советская энциклопедия. 1979. - С.161-162]. В результате коагуляции происходит осаждение взвешенных в газе частиц..

Малый размер частиц является причиной их большой подвижности: частицы участвуют в броуновском движении, увлекаются конвективными течениями. При наложении звукового поля возникают дополнительные силы, способствующие коагуляции: взвешенная в газе частица вовлекается в колебательное движение, на нее действует давление звукового излучения, вызывая ее дрейф, она увлекается акустическими течениями.

Акустическая коагуляция практически применяется для осаждения промышленной: пыли, дыма и тумана. Звуковое поле создается при этом обычно сиренами или свистками.

Степень и скорость очистки газа методом акустической коагуляции в основном определяются: интенсивностью звука I, заметная коагуляция начинается при I ~0,01Вт/см² и с дальнейшим увеличением I интенсифицируется; для практического применения необходима интенсивность I>0,1 Вт/см²; временем экспозиции, которое зависит от I (при I=1,0 Вт/см² весь процесс коагуляции протекает в течение нескольких секунд); частотой f (на практике обычно применяют акустические колебания частоты 0,5-20 кГц); исходной концентрацией аэрозоля (применение метода коагуляции рационально при концентрации ≥1-2 г/см³, с увеличением концентрации эффективность коагуляции возрастает) [2].

Недостаток данного способа (в случае применения современных методов возбуждения звуковых колебаний - сиренами или свистками) заключается в том, что акустическая коагуляция осуществляется интенсивностью звука I>0,1 Вт/см².

Наиболее близким по технической сущности является способ очистки выхлопных газов транспортного средства от частиц в газовой ловушке с окнами, с помощью сформированной стоячей звуковой волны, которая захватывает частицы из газа и накапливает их [GB 2362115 A, F01N 3/02, опубл. 14.11.2001].

К недостаткам известного способа можно отнести дополнительное размещение звукового генератора, необходимого для создания стоячей волны, который надо настраивать на заданную частоту формирования длин волн, размещенных на длине камеры и блока управления звуком. При изменении внешних факторов, например температуры, происходит смещение частоты и соответственно длины волны, которая формирует стоячую волну.

Задача - очистка выхлопного автомобильного газа от дыма - тонко измельченных твердых частиц в газовой фазе, оставшихся после неполного сгорания бензина, путем коагуляции частиц в стоячих звуковых волнах.

Технический результат - повышение экологической защиты от выбросов частиц, находящихся в выхлопных автомобильных газах при неполном сгорании бензина в атмосферу за счет устойчивого формирования стоячей волны, длина которой не зависит от внешних параметров.

Технический результат достигается тем, что способ очистки выхлопных автомобильных газов от частиц в газовой ловушке с окнами заключается в том, что в ловушке размещают воздуховод с замкнутым торцом и как минимум один четвертьволновой резонатор, ловушку встраивают на торец выхлопной трубы, распространяют газовый поток с частицами из выхлопной трубы в полость воздуховода газовой ловушки, осуществляют коагуляцию частиц из газового потока в стоячей звуковой волне, сформированной в воздуховоде, после чего осаждают коагулированные частицы во внутренней полости четвертьволнового резонатора и осуществляют выход очищенного от частиц газового потока, отразившегося от замкнутого торца воздуховода через окна газовой ловушки.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе очистка выхлопных автомобильных газов от частиц осуществляется путем коагуляции частиц газа в стоячих звуковых волнах, сформированных четвертьволновыми резонаторами из нормальных волн низких номеров, генерируемых выхлопными газами из выхлопной трубы, в нормальные волны высоких номеров.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Новизна».

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что акустическая коагуляция частиц известна (используются сирены и свистки с интенсивностью более 0,1 Вт/см²) [2]. Однако неизвестно, что в пространстве внутренней полости воздуховода, встроенного на заданном расстоянии от выхлопной трубы, можно создать стоячие звуковые волны с помощью кольцевых четвертьволновых резонаторов и произвести коагуляцию частиц в стоячих волнах с последующим осаждением их во внутреннюю полость кольцевых четвертьволновых резонаторов - накопителя частиц (поэтому нет необходимости создавать интенсивности звука более 0,1 Вт/см²).

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Основные положения физической сущности очистки выхлопных автомобильных газов от частиц (дыма - мелко измельченных частиц при неполном сгорании бензина, находящихся в газовой фазе)

1. Первое положение - наличие звука в потоке выхлопных газов.

2. Трансформация нормальных волн низких номеров в нормальные волны высоких номеров в воздуховоде кольцевым четвертьволновым акустическим резонатором.

3. Формирование стоячих звуковых волн в воздуховоде.

4. Использование явления физического процесса - акустической коагуляции частиц в стоячих звуковых волнах, сформированных в воздуховоде.

Покажем возможность использования акустической коагуляции частиц стоячими звуковыми волнами, созданными в замкнутом пространстве, например, в воздуховоде (цилиндрическая трубка), у которого один торец закрыт.

Обоснование способа

1. Волны и колебательная скорость

Волновое уравнение, описывающее упругое возмущение, имеет вид [3]

Частным решением уравнения (1) является

где а - смещение частицы среды относительно положения- покоя; А - амплитуда смещения; ω- угловая частота; t - время.

Выражение (2) описывает плоскую гармоническую волну частоты f=ω/2π, распространяющуюся в положительном направлении оси х.

Дифференцируя (2) по t, получаем для скорости частицы среды - так называемой колебательной скорости

Следовательно, амплитуда колебательной скорости

Величина U определяет ту максимальную скорость, с которой частицы движутся в процессе колебаний.

Согласно выражению (4) скорость частицы колеблется между этой величиной и нулем.

2. Интерференция волн. Стоячие волны

Явления, связанные с одновременным существованием в некоторой точке среды нескольких колебаний, называют интерференцией.

Явления интерференции играют важную роль в излучении звука.

Особенно важную роль играет интерференция при распространении двух одинаковых волн в противоположных направлениях. Колебания, распространяющиеся в положительном и отрицательном направлениях по оси х, можно записать в виде

Применяя теорему сложения, получим для результирующей стоячей волны выражение

из которого непосредственно вытекает, что в точках Cos(2πx/λ) обращается в нуль, смещение а тождественно равно нулю; это имеет место при х, равном нечетному числу λ/4. Посередине между этими точками располагаются точки, в которых Cos(2πх/λ) по абсолютной величине максимален; здесь амплитуда смещения в стоячей волне вдвое превосходит амплитуды в исходных бегущих волнах.

Выражение для колебательной скорости в стоячей волне найдем, дифференцируя выражение

Таким образом, узлы и пучности колебательной скорости располагаются в тех же точках, что и узлы и пучности смещения.

3. Давление в стоячей волне

Обратимся теперь к вопросу о распределении давления в стоячей волне. В волне, распространяющейся в направлении сил оси х, давление р пропорционально изменению смещения вдоль х, т.е. величине da/dx. Дифференцируя выражение (7) по х, получим

Таким образом, в стоячей волне звуковое давление содержит узлы и пучности; однако местоположение узлов давления совпадает с положением пучностей смещения и наоборот. Амплитуда давления в пучностях вдвое превосходит амплитуду в исходных бегущих волнах [3].

4. Акустическая коагуляция

Уже давно было известно, что под влиянием звуковых колебаний между частицами, колеблющимися в звуковом поле, могут возникать силы притяжения и отталкивания. Для сферических частиц этот процесс был экспериментально и теоретически исследован Кенигом [4] в связи с работами Бьеркнесса [5]. На этом явлении основаны отчасти возникновение пылевых фигур в трубках Кундта.

Брандт и Фройнд [6] и Брандт и Гидеман [7] показали, что под действием ультразвуковых волн в аэрозолях мгновенно происходит коагуляция и осаждение частиц.

Брандт и Фройнд изучили подробности процесса оседания частиц микрофотографированием при освещении по методу темного поля.

На основании этих опытов Брандт и Гидеман различают две стадии коагуляции. Вначале частицы принимают участие в колебательном процессе и следуют за движением жидкости между пучностями и узлами колебаний. При этом они в результате столкновений и под действием сил взаимного притяжения слипаются и увеличиваются в размерах. На второй стадии увеличившиеся частицы уже не следуют за звуковыми колебаниями, а совершают хаотические движения, причем в результате новых взаимных соударений и столкновений с меньшими частицами их размеры продолжают увеличиваться, а затем выпадают в осадок.

5. Коагуляция частиц в стоячей звуковой волне.

Пусть в газовом потоке с динамической вязкостью η, колеблющемся с амплитудой

U_Г и частотой f, находится частица с радиусом R и плотностью ρ.

Согласно закону Стокса [3] сила трения, действующая на частицу,

где Δυ - разность скоростей частицы и газа.

Согласно формуле (10), скорость частицы

Движение частицы описывается дифференциальным уравнением

или

Общее решение этого уравнения имеет вид [2]

Не периодический член отображает переходной процесс. Им можно пренебречь, так как коагуляция происходит через такое время, когда переходной процесс не оказывает уже никакого влияния. Таким образом, амплитуда колебания частицы равна

Степень участия частицы в звуковых колебаниях среды (так называемый коэффициент увлечения) в случае стоячей звуковой волны определяется соотношением

Отношение амплитуд U_Ч/U_Г будет тем меньше, чем больше радиус частицы и чем выше частота.

Таким образом, для степени участия частицы в колебаниях газа определяющей является величина R²f.

Если принять значение U_Ч/U_Г=0,8 за границу, до которой частицы еще увлекаются звуковыми колебаниями, то из соотношения

получим

Величина Z определяет степень участия частицы в колебаниях жидкости.

Таким образом, соотношение (18) позволяет рассчитать частоты, необходимые для создания стоячих звуковых волн с целью коагуляции частиц с последующим осаждением их в осадок.

Согласно приведенным выше положениям физической сущности достигается акустическая коагуляция частиц.

На фиг.1 изображена схема размещения четвертьволновых резонаторов в газовой ловушке и соединения ее с выхлопной автомобильной трубой; на фиг.2 показана схема расположения стоячих звуковых волн во внутренней полости воздуховода газовой ловушки; на фиг.3 изображена схема коагуляции частиц во внутренней полости воздуховода и движение частиц в полость накопителя - во внутреннюю полость четвертьволнового резонатора. На фиг.1 изображено: 1 - автомобильная выхлопная труба, 2 - газовая ловушка, 3 - окна для выхода выхлопного газа из газовой ловушки, 4 - внутренняя полость воздуховода, 5 - распространение нормальных волн низких номеров звуковой волны с газовым потоком и частицами из автомобильной выхлопной трубы во внутреннюю полость воздуховода газовой ловушки, 6 - частицы в газовом потоке при неполном сгорании бензина, 7 - кольцевой четвертьволновой резонатор (внутренняя полость - накопитель частиц), 8 - распространение отраженного газового потока от замкнутого торца воздуховода.

На фиг.2 изображено: 1 - автомобильная выхлопная труба, 2 - газовая ловушка, 4 - внутренняя полость воздуховода, 9 - выход очищенного выхлопного газа из газовой ловушки, 10 - стоячая звуковая волна, сформированная во внутренней полости волновода из нормальных волн высоких номеров, трансформированных четвертьволновым резонатором из нормальных волн низких номеров.

На фиг.3 изображено: 4 - внутренняя полость воздуховода, 6 - частицы в газовом потоке при неполном сгорании бензина, 7 - кольцевой четвертьволновой резонатор (внутренняя полость - накопитель частиц, 11 - пучность давления звуковой стоячей волны, 12 - узел колебательной скорости звуковой волны, 13 - пучность колебательной скорости стоячей волны, 14 - узел давления звуковой стоячей волны, 15 - процесс коагуляции частиц в стоячей звуковой волне, 16 - движение коагулированных частиц из стоячей звуковой волны в кольцевой четвертьволновой резонатор - во внутреннюю полость - накопитель частиц.

Пример осуществления способа.

Первая операция. Осуществляют размещение в газовой ловушке 2 (фиг.1) воздуховода 4 (фиг.1) и четвертьволнового резонатора 7 (фиг.1).

Вторая операция. Встраивают газовую ловушку 2 (фиг.1) на торец автомобильной выхлопной трубы 1 (фиг.1).

Третья операция. Осуществляют распространение нормальных волн низких номеров звуковой волны 5 (фиг.1) с газовым потоком и частицами 6 (фиг.1) из автомобильной выхлопной трубы 1 (фиг.1) во внутреннюю полость воздуховода 4 (фиг.1) газовой ловушки 2 (фиг.1).

Четвертая операция. Трансформируют нормальные волны низких номеров в нормальные волны высоких номеров 5 (фиг.1) во внутренней полости воздуховода 4 (фиг.1) четвертьволновым резонатором 7 (фиг.1).

Пятая операция. Формируют стоячую звуковую волну 10 (фиг.2) во внутренней полости воздуховода 4 (фиг.2) из нормальных волн высоких номеров.

Шестая операция. Осуществляют во внутренней полости воздуховода 4 (фиг.3) коагуляцию 15 (фиг.3) частиц из газового потока 6 (фиг.3) в стоячей звуковой волне 10 (фиг.2) путем перемещения частиц из пучности давления 11 (фиг.3) в узел давления 14 (фиг.14), то есть - к пучности колебательной скорости 13 (фиг.3), где и происходит слипание частиц.

Седьмая операция. Осуществляют входным газовым потоком во внутреннюю полость воздуховода 4 (фиг.3) движение 16 (фиг.3) коагулированных частиц 15 (фиг.3) из стоячей звуковой волны 10 (фиг.2) во внутреннюю полость четвертьволнового резонатора 7 (фиг.3).

Восьмая операция. Осуществляют выход через окна 3 (фиг.1) газовой ловушки 2 (фиг.1) очищенного от частиц газового потока 9 (фиг.2), отразившегося от замкнутого торца воздуховода 4 (фиг.1).

Девятая операция. После частичного наполнения частицами внутренней полости (накопителя частиц) четвертьволнового резонатора 7 (фиг.3) производят извлечение его из газовой ловушки 2 (фиг.1) с последующей чисткой.

Источники информации

1. Краткий политехнический словарь. - М.: Госиздаттех-теор лит. 1956. - С.198, 999.

2. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П.Голямина. - М.: Советская энциклопедия. 1979. - С.161-162 /ПРОТОТИП/.

3. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ. - М.: ИЛ, 1957. - С.23-25, 489-491, 495-497.

4. König W., Hydrodynamisch-akustische Untersuchungen, Ann. d. Phys. (3), 42, 353, 549 (1891).

5. Bjerknes C.A. Remarques historiques sur la theori du mouvement d'un ou de plusieurs corps, de formes constantes ou variables, dans un fluide incompfessible; sur les forces apparentes, qui en resultent et sur les experiences qui s'y rattachent, Compt. Rent., 84, 1222, 1309, 1375, 1446, 1493 (1867).

6. Brandt., Űber das Verhalten von Schwebstofen in schwingen Gasen bei Schall und Ultraschallfrequenzen, Kolloid/Zs., 76, 272 (1936).

7. Brandt O., Hiedenmann E., Űber das Verhalten von Aerosolen im akustischen Feld, Kolloid. Zs., 75, 129 (1936).

Способ очистки выхлопных автомобильных газов от частиц в газовой ловушке с окнами, заключающийся в том, что в ловушке размещают воздуховод с замкнутым торцем и как минимум один четвертьволновой резонатор, ловушку встраивают на торец выхлопной трубы, распространяют газовый поток с частицами из выхлопной трубы в полость воздуховода газовой ловушки, осуществляют коагуляцию частиц из газового потока в стоячей звуковой волне, сформированной в воздуховоде, после чего осаждают коагулированные частицы во внутренней полости четвертьволнового резонатора и осуществляют выход очищенного от частиц газового потока, отразившегося от замкнутого торца воздуховода, через окна газовой ловушки.