壁流式过滤体屑灰灰灰滤饼沉积流动阻力特性研究

壁流式过滤体屑灰灰灰滤饼沉积流动阻力特性研究

随着排放法律法规的日益严格，颗粒收集器作为控制颗粒排放的重要技术而被广泛使用。在使用颗粒收获机时，人们对其使用寿命感很高。然而，留在过滤体孔中的灰烬颗粒减少了，这直接影响到微云收获机的使用寿命。因此，它对过滤中积聚的灰烬具有重要意义。灰烬是微粒捕集器再生后残留在过滤体内的不可燃物质,其沉积规律与再生温度、再生方式以及循环工况等因素相关.灰烬的沉积过程主要分为深床沉积和滤饼沉积两个阶段,而滤饼沉积阶段又存在两种灰烬沉积分布:沉积在孔道末端形成的灰烬堵塞段和沉积在过滤壁面上形成的灰烬层.逐渐累积的灰烬对过滤体的流动阻力特性造成明显的影响.流动阻力特性是衡量微粒捕集器性能的一个重要参数,关于微粒捕集器流动阻力方面的研究,Konstandopouls等建立了适用于洁净微粒捕集器的流动阻力模型;Mansour等在考虑微粒滤饼沉积的情况下,分别建立了过滤体负载微粒状态下的速度场和流动阻力模型;Sappok等在同时考虑灰烬和微粒滤饼沉积的情况下对流动阻力计算模型进行了进一步的修正,给出再生状态下的流动阻力模型.以往关于灰烬滤饼沉积阶段流动阻力的研究中,往往忽略沉积在过滤壁面内的灰烬的影响.笔者在考虑了灰烬深床沉积影响的基础上,综合灰烬堵塞段和灰烬层两种沉积分布,建立了过滤体灰烬滤饼沉积的流动阻力计算模型,并运用该模型研究灰烬滤饼沉积阶段的流动阻力特性,最后利用试验验证了计算模型的合理性.1壁流式过滤体的简化模型壁流式过滤体具有多孔结构,是由一系列相邻的进、排气孔道组成,其中,进气孔道的出口端被堵住,排气孔道的入口端被堵住.排气进入进气孔道后,由于进气孔道出口被堵塞,从而迫使气流通过过滤壁面进入相邻的排气孔道流出,而微粒就在穿过过滤壁面时被捕集.由于壁流式过滤体整体具备几何模型的重复性,故可以将壁流式过滤体简化为图1所示的单孔道模型,且假设所有孔道均相同,没有相互影响.在建立数学模型之前,根据壁流式过滤体内气流的流动特点,给出假设:1)当排气流经过滤壁面时,并不能从过滤壁面的y、z方向流出,因而y、z方向上的渗流速度远远小于x方向,可忽略不计;2)根据Bissett等的研究,过滤壁面渗流速度在x方向上的变化很小,在流经整个过滤壁面时,可将其视为常数;3)为了便于计算过滤体的流动阻力,假设灰烬在进气孔道内的沉积是均匀的.2滤饼沉积阶段灰渣的沉积分布灰烬在过滤壁面上的沉积称为滤饼沉积.灰烬是排气微粒再生过程中残留下来的不可燃物质,其在过滤体进气孔道内的沉积分布与孔道内捕集的排气微粒分布紧密相关,但灰烬滤饼阶段的沉积分布与微粒的并不完全一致,因为灰烬还会发生再逸散.当过滤孔道内的流动剪切力超过了当地局部灰烬的黏着力时,灰烬开始发生再逸散现象.灰烬再逸散能力的强弱由灰烬的黏着性所决定,而灰烬的黏着性主要取决于再生过程中过滤体的温度,特别是再生过程中的最高温度.根据已有的试验研究,滤饼沉积阶段灰烬的沉积分布分为两种:1)沉积在过滤壁面上形成灰烬层;2)沉积在孔道末端形成灰烬堵塞段,其示意如图2所示.此外,由柴油机磨损和排气系统腐蚀等产生的金属氧化物碎屑对孔道末端灰烬堵塞段的形成也有一定影响.这类碎屑的尺寸较大,独立存在于气流之中,由气粒两相流动理论可知,这些碎屑在进气孔道内的沉积过程中,其惯性作用明显,从而使得其主要沉积在进气孔道的末端而逐渐形成灰烬堵塞段.根据国内外的研究结果,滤饼沉积阶段的灰烬沉积分布与微粒捕集器的循环工况和再生方式相关.在实际运行中,由于各影响因素之间存在交错复杂的关系,一般情况下,微粒捕集器过滤体孔道内两种沉积分布同时存在,而两种沉积分布各自所占比例则与具体的循环工况、再生方式和再生温度相关联.就再生方式而言,对于主动再生,灰烬主要以灰烬堵塞段形式沉积在孔道末端,对于被动再生,灰烬主要以灰烬层形式沉积在过滤壁面上.由于灰烬的实际沉积过程非常复杂,各影响因素相互之间的作用机理仍有待进一步研究.3灰渣流动阻力方程在计算灰烬滤饼沉积流动阻力时考虑了深床沉积的影响.因此,首先给出了深床沉积阶段的流动阻力方程,然后结合灰烬滤饼沉积阶段灰烬分布的特点,建立灰烬滤饼沉积阶段的流动阻力方程.3.1初始渗透率vrap多孔介质壁面渗流流动阻力满足Darcy定律,过滤壁面的流动阻力式中:μ为排气的动力黏度;Q为排气体积流量;Vtrap为过滤体体积;kwall为洁净过滤壁面初始渗透率;α为进气孔道宽度;w为过滤壁面厚度.在灰烬深床沉积过程中,过滤壁面灰烬最大渗透深度范围内壁面渗透率会随空间和时间而变化.通过研究灰烬深床沉积规律,利用离散灰烬最大渗透深度壁面的方法对过滤壁面流动阻力方程进行修正,可以得到灰烬深床沉积阶段过滤壁面流动阻力的修正式为3.2石灰沉积状态下气动弹性分析在灰烬滤饼沉积阶段,灰烬以灰烬堵塞段和灰烬层两种形式沉积在过滤体孔道内.由图3可知,灰烬滤饼沉积阶段的流动阻力主要由5部分组成,分别是孔道进出口变截面处的局部流动阻力(Δpcont+Δpexp)、进口孔道内的沿程流动阻力(Δpintler)、灰烬层的渗流流动阻力(Δpash)、沉积有灰烬的过滤壁面的渗流流动阻力(Δpwall)以及出口孔道内的沿程流动阻力(Δpoutler).从图3的局部放大中可知,该计算模型考虑了深床沉积阶段的影响,wash,d表示深床沉积阶段沉积的灰烬厚度.设沉积在进气孔道内的总灰烬质量为mash,c,则灰烬沉积在进气通道末端,形成的灰烬堵塞段长度式中:fash_p为堵塞段灰烬质量占孔道内总灰烬质量的比例系数.图3所示进气孔道内的有效捕集长度灰烬沉积在过滤壁面上形成的灰烬层,如图4所示,其厚度式中:fash_l为灰烬层灰烬质量占孔道内总灰烬质量的比例系数;ρash,c为沉积在过滤壁面上的灰烬层堆积密度;Ncells为过滤体进气通道数目.灰烬层形成后,则排气必须先流经灰烬层才能进入过滤壁面内,由灰烬层所造成的流动阻力为Δpash,根据碳烟微粒层的流动阻力公式,推导出灰烬层的流动阻力公式为式中:kash为灰烬层的渗透率,kash=3.0×10-14,m2.灰烬堵塞段形成以后,排气只能通过长度为Leff的过滤壁面渗透到排气孔道中,因此,排气通过沉积有灰烬的过滤壁面的流动阻力公式(2)修正为同样,灰烬堵塞段形成以后,排气只能在Leff长度的进气孔道内流动,而灰烬层在过滤体进气通道内形成后,会使其有效横截面积缩小,影响气流在进气孔道内的摩擦阻力.因此,基于洁净过滤体进气孔道流动阻力公式,可求得灰烬沉积状态下进气孔道内的流动阻力公式为而排气孔道不受灰烬沉积影响,则可得公式为对Mansour的孔道进出口变截面处流动阻力进行修正,可得灰烬沉积状态下的孔道进出口变截面处流动阻力公式为式中:ξcont=0.4;ξexp=0.42.因此,灰烬滤饼沉积阶段过滤体总流动阻力表1为碳烟微粒和灰烬分别影响下的过滤体流动阻力计算结果对比.碳烟微粒沉积下流动阻力的计算公式选用Mansour的公式,灰烬沉积下的流动阻力根据式(12)计算,计算过程中微粒和灰烬的沉积量都选用8,g/L.由于沉积分布的不同,微粒和灰烬对应的流动阻力也不相同.同时,通过与不考虑深床沉积的计算结果的对比可知,深床沉积对过滤体流动阻力的影响明显.4试验设备与装置试验的主要目的是测量灰烬沉积过程中微粒捕集器壁流式过滤体流动阻力随灰烬沉积量的变化,并以此来验证计算模型的合理性和计算结果的准确性.进气管内喷入润滑油雾作为加速灰烬在微粒捕集器过滤体内沉积的方法之一,其在试验过程中受柴油机运行工况的影响较小,同时,可以通过控制润滑油喷油器实时调节润滑油的喷入量,且在进气管直接喷入润滑油雾的方式与实际情况中润滑油的消耗方式更为接近,能较真实地反映润滑油的损失和润滑油在缸内的燃烧方式.因此,试验选用在进气管内喷入润滑油雾的方案来加速微粒捕集器中灰烬的沉积.试验用柴油机为康明斯ISB300,其主要参数见表2.试验用柴油为0号柴油,含硫量为408×10-6.试验所选用的微粒捕集器过滤体的体积为2.47,L,其结构参数如表3所示.选用的微粒捕集器再生方式为催化再生,故需要在微粒捕集器之前加装氧化催化器.这种再生方式可以实现微粒的捕集和过滤体的再生两者同时进行,是一种连续再生的方法.图5为加速灰烬沉积试验台架装置示意.试验装置主要由润滑油喷射系统和微粒捕集器系统组成.润滑油喷射系统中安装了热交换器,用以升高润滑油的温度,从而使得润滑油从喷油器中喷出后能雾化得更充分.润滑油油箱内安装了测量装置,用以测量试验过程中润滑油的消耗量.试验用润滑油为长城尊龙CJ-4型,其SAE黏度等级为5,W-40.台架试验在转矩为750,N·m、转速为2,000,r/mi的稳态工况下进行.试验中,润滑油经由喷射系统喷入进气管,并由润滑油喷射系统来实时控制润滑油的喷入量.在稳态工况下,微粒捕集器进口端排气温度一般能够维持在480~557,℃,在这一温度范围下,碳烟微粒基本能够完全再生.试验过程中,通过压力传感器实时测量过滤体进出口处压力值,得出对应的流动阻力值,测量流动阻力点数据时应当停止润滑油喷射,以保持微粒捕集器过滤体中灰烬沉积量不变;同时,根据流动阻力值的变化,每隔一段时间拆卸一次微粒捕集器进行称重,记录灰烬沉积量和其对应的流动阻力值.试验初始阶段每次拆卸的时间间隔较短,当灰烬沉积量较大时可选用较长的时间间隔.对卸载的微粒捕集器过滤体进行称重时需在高温下完成,以防止过滤体冷却过程中吸收水汽而影响试验结果.计算方案采用试验方案中的工况数据:排气黏度μ取2.48×10-5,kg/(m·s),利用排气管道上的控制阀把过滤体内排气流量Q控制为0.013,72,m3/s,沉积在过滤壁面上的灰烬层堆积密度ρash,c取250,kg/m3.5石灰层流动阻力的变化图6为壁流式过滤体灰烬沉积试验流动阻力特性.过滤体的流动阻力首先随灰烬沉积量的增加而迅速增大,且增加速率先快后慢,最后随灰烬沉积量呈线性递增.这是因为在深床沉积阶段(图6虚线左侧)中,流动阻力的增大主要来自于过滤壁面渗透率的减小,且由于灰烬在过滤壁内的沉积速率的加快导致渗透率递减速率的增加,从而使得流动阻力显著增加;当沉积过程进入滤饼沉积阶段(图6虚线右侧)后,灰烬开始沉积在过滤壁表面上,以灰烬层和堵塞段两种形式在孔道内逐渐沉积,灰烬层和堵塞段对过滤体流动阻力的影响较为平缓,因此,过滤体流动阻力随灰烬沉积量增加速率较为缓慢.图7为流动阻力计算公式中各项对总流动阻力的影响程度.计算时选用的灰烬沉积量为8,g/L,其中,壁面内的灰烬沉积量约为6.8,g,灰烬滤饼沉积的灰烬量为12.96,g.从图7a可以看出,过滤壁面所引起的渗流流动阻力对总流动阻力的影响程度最大,占总流动阻力的比例约70%,是过滤体总流动阻力最主要的组成部分.在相同条件下,沉积在过滤壁面上的灰烬层引起的渗流流动阻力的影响程度也比较大,仅次于过滤壁面.从图7b可以看出,进气孔道内的沿程流动阻力高于排气孔道内的,这是因为随着灰烬在进气孔道内的沉积,进气孔道的有效宽度逐渐减小,从而增加了进气孔道内的沿程流动阻力.由图7可知,当排气流量较小时,孔道进出口变截面处引起的局部流动损失很小,占总流动阻力的比例不到1%.但是,随着流量的增加,这一部分引起的流动阻力显著增加见图8,从几帕增加到上百帕,所占比例也随之增加,其对总流动阻力的影响程度甚至能超过孔道内沿程流动阻力对总流动阻力的影响程度.所以,当排气流量较大时,这部分局部损失对总流动阻力的影响明显,不能忽略.因此,在过滤体总流动阻力的计算中,应当根据研究对象的实际流量范围来充分考虑该局部流动阻力的影响程度.图9为灰烬沉积量为定值的情况下,滤饼沉积阶段灰烬沉积分布对流动阻力的影响.由图9a可知,在灰烬沉积量为定值时,灰烬层的流动阻力随灰烬堵塞段所占比例的增加而降低,而过滤壁面的流动阻力则随灰烬堵塞段所占比例的增加而增大.这是因为随着灰烬堵塞段所占比例的增加,灰烬层所占比例逐渐降低,灰烬层的厚度逐渐减小,从而使得灰烬层的流动阻力逐渐降低.灰烬堵塞段主要影响过滤体进气孔道内的有效捕集长度,随着灰烬堵塞段所占比例的增加,灰烬堵塞段长度随之增加,孔道内的有效捕集长度逐渐减小,渗流速度逐渐增大,过滤壁面的流动阻力逐渐增大.从图9b中可以看出,在灰烬沉积量为定值的情况下,当灰烬全部以灰烬层的形式沉积在过滤壁面上时,过滤体总流动阻力最大.而随着灰烬沉积在孔道末端的比例的增加,过滤体总流动阻力逐渐减小,当灰烬全部沉积在孔道末端时,过滤体总流动阻力出现最小值.这一结果可以用图9a来解释:随着灰烬堵塞段所占比例的增加,灰烬层流动阻力的降幅大于过滤壁面流动阻力的增幅,故此变化过程中过滤体的流动阻力的净增值为负,即其流动阻力值是逐渐下降的.图10为灰烬滤饼沉积流动阻力的试验值和计算值的对比分析.所采用的再生方式为连续再生,根据Sappok和Gerd等的研究,采用连续再生时,灰烬滤饼沉积阶段的灰烬绝大多数以灰烬层的形式沉积在过滤壁面上,故在计算过程中分别选取了60%、70%和80%的灰烬层比例.试验值和计算值的变化趋势相吻合,随着灰烬沉积量的累积,过滤体流