УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГАЗОВ ОТ ЧАСТИЦ
DEVICE TO PURIFY EXHAUST GASES OF PARTICLES

Изобретение относится к области очистки автомобильных выхлопных газов.
Известно устройство газоочистки, например, очистка от мелких твердых частиц производится путем фильтрации газов через пористые перегородки или специальную шерстяную, хлопчатобумажную либо стеклянную ткань [1].
Недостаток заключается в том, что скорость фильтрации зависит от сопротивления фильтрующего слоя. Чем плотнее последний, тем медленнее идет процесс.
Известно устройство, в котором происходит акустическая коагуляция - процесс сближения и укрупнения взвешенных в газе частиц под действием акустических колебаний звуковых и ультразвуковых частот [2]. 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.
2
2
2
Степень и скорость очистки газа методом акустической коагуляции в основном определяются: 1) интенсивностью звука I; заметная коагуляция начинается при I ~ 0,01 Вт/см и с дальнейшим увеличением I интенсифицируется; для практического применения необходима интенсивность I>0,1 Вт/см; временем экспозиции, которое зависит от I (при I=1,0 Вт/см весь процесс коагуляции протекает в течение нескольких секунд); 3) частотой f (на практике обычно применяют акустические колебания частоты 0,5-20 кГц);
3
4) исходной концентрацией аэрозоля (применение метода коагуляции рационально при концентрации ≥1-2 г/см, с увеличением концентрации эффективность коагуляции возрастает) [2].
2
Недостаток устройства (в случае применения современных методов возбуждения звуковых колебаний - сиренами или свистками) заключается в том, что акустическая коагуляция осуществляется интенсивностью звука I>0,1 Вт/см.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для очистки выхлопных автомобильных газов от твердых частиц, встраиваемое на автомобильную выхлопную трубу и имеющее корпус и источник, создающий стоячую звуковую волну /DE 19846115 А1, В01D 49/00, опубл. 20.04.2000/.
Недостаток устройства заключается в необходимости использования дополнительного источника звука, при этом при изменении внешних факторов, например температуры, происходит смещение частоты и соответственно длины волны, которая формирует стоячую волну. При заданной геометрии устройства и наличии дополнительного источника при изменении длины волны не происходит формирование стоячей волны.
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 устройство для очистки выхлопных автомобильных газов от частиц, встраиваемое на выхлопную трубу транспортного средства, содержит корпус и акустический четвертьволновой резонатор, выполненный в виде кольцевого четвертьволнового резонатора. Устройство с одной стороны закрыто отражательной крышкой с кольцевым пазом, внутри корпуса устройства расположено упорное кольцо с кольцевым пазом. Между упорным кольцом и крышкой размещена цилиндрическая втулка, имеющая отверстия для сообщения кольцевой полости четвертьволнового резонатора с внутренней полостью втулки. Между торцом корпуса и упорным кольцом по окружности корпуса расположен ряд отверстий для выхода очищенного выхлопного газа.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном устройстве для очистки выхлопных автомобильных газов от частиц осуществляется коагуляция 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».
2
2
Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что акустическая коагуляция частиц известна (используются сирены и свистки с интенсивностью более 0,1 Вт/см) [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/см).
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».
Основные положения физической сущности очистки выхлопных автомобильных газов от частиц (дыма - мелкоизмельченных 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.
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 (2πx/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 и 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 основано от части возникновение пылевых фигур в трубках Кундта.
Брандт и Фройнд [6] и Бранд 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. В начале 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
Г
U и частотой f, находится частица с радиусом R и плотностью р.
Согласно закону Стокса [3] сила трения, действующая на частицу,
где Δ υ - разность скоростей частицы и газа.
Согласно формуле (10) скорость частицы
Движение частицы описывается дифференциальным уравнением
или
Общее решение этого уравнения имеет вид [2]
Непериодический 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
Ч
Г
Отношение амплитуд U/U будет тем меньше, чем больше радиус частицы и чем выше частота.
2
Таким образом, для степени участия частицы в колебаниях газа определяющей является величина Rf.
Ч
Г
Если принять значение U/U=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 частицы с последующим осаждением их в осадок.
Согласно приведенным выше положениям физической сущности достигается акустическая коагуляция частиц.
На фиг.1 изображено устройство для очистки выхлопных автомобильных газов от частиц; на фиг.2 - процесс движения газа с частицами в устройстве, коагуляция частиц в стоячей волне и выход очищенного газа из устройства.
Устройство для очистки выхлопных автомобильных газов от частиц состоит (фиг.1) из корпуса 1, отверстий 2 для выхода очищенного выхлопного газа от частиц, одностороннего упорного кольца 3 с кольцевым пазом, цилиндрической втулки 4 - волновода, отверстий 5 в цилиндрической втулке 4, внутренней полости кольцевого четвертьволнового резонатора 6, внутренней полости 7 цилиндрической втулки 4, в которой происходит коагуляция частиц, отражательной крышки 8 с кольцевым пазом.
Сборка устройства осуществляется в следующей последовательности. Соединяют цилиндрическую втулку 4 (фиг.1), например, имеющую резьбу на торцах, с односторонним упорным кольцом 3 (фиг.1) и отражательной крышкой 8 (фиг.1). Далее, собранную конструкцию вворачивают отражательной крышкой 8 (фиг.1) в корпус 1 устройства с фиксацией ее в пазах (фиг.1).
Устройство работает следующим образом.
На торец выхлопной автомобильной трубы (не показано) встраивают корпус 1 устройства (фиг.2). При работе двигателя (не показан) поток газа 9 (фиг.2) с частицами 10 по инерции входит во внутреннюю полость 7 (фиг.2) цилиндрической втулки 4 (фиг.2).
При движении потока за счет внутреннего трения о поверхность выхлопной трубы создается турбулентность, следовательно, создается звук, который распространяется в потоке газа со скоростью 330 м/с. Звук (скорость звука 330 м/с), опережая движение частиц (около 3-5 м/с), кольцевым четвертьволновым резонатором 6 трансформируется в ультразвук в полости 7 цилиндрической втулки 4. В ультразвуковом частотном спектре всегда найдутся частоты, которые создадут во внутренней полости 7 цилиндрической втулки 4 стоячие волны 14 (фиг.2). Частицы 10 (фиг.2) выхлопного газа, попадая в стоячие волны 14 (фиг.2), коагулируются (фиг.2). Затем укрупненные коагулированные частицы 13 (фиг.2) под собственным весом перемещаются во внутреннюю полость кольцевого четвертьволнового резонатора 6 (фиг.2) и осаждаются в виде шлама 12 (фиг.2). Очищенный газ 11 (фиг.2) из полости 7 цилиндрической втулки 4 (фиг.2) выходит наружу через отверстия 2 (фиг.2).
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 O. Über das Verhalten von Schwebstofen in schwingen Gasen bei Schall und Ultraschallfrequenzen, Kolloid/ Zs., 76, 272 (1936).
7. Brandt O., Hiedenmann E. Über das Verhalten von Aerosolen im akustischen Feld, Kolloid. Zs., 75, 129 (1936).