Monikomponenttisen hiukkasen haihtuminen ja tiivistyminen lämpötila- ja konsentraatioprofiilien muuttuessa
Seppälä, Inka (2022)
Seppälä, Inka
2022
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-05-23
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205074481
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205074481
Tiivistelmä
Työssä kehitettiin yksihiukkasmalli kuvaamaan monikomponenttisen hiukkasen haihtumista päästövanassa. Mallilla saadaan tietoa päästövanassa laimenevien aineiden olomuodoista hiukkasessa ja kaasussa. Tieto olomuodoista on tärkeää, jotta voidaan selvittää aineiden reagointi muiden aineiden kanssa ja siten saada tietoa päästön aineiden ympäristövaikutuksista.
Mallin muodostamiseen käytettiin teoriaa aerosoleista, saturaatiopaineesta, Kelvin-efektistä, jatkumo-, transitio- ja vapaamolekyylialueista ja eri konsentraatiomalleista. Työssä käytettiin savuvanan konsentraatiomalleina vakiolaimenemiskerrointa, Matthias Karlin kehittämää mallia ja Gaussista mallia.
Malli muodostettiin MATLAB-ohjelmistolla. Työssä on esitelty mallin muodostamiseen tarvittavat parametrit, kaavat ja differentiaaliyhtälöt sekä tehdyt oletukset. Mallilla on tutkittu haihtumista kolmella aineella, joista yhdellä on suuri saturaatiopaine, yhdellä pieni ja yhden saturaatiopaine on siltä väliltä. Työssä on tarkasteltu seuraavien parametrien vaikutusta aineiden haihtumiseen: konsentraatiomalli, saturaatiopaine, hiukkasten alkukonsentraatio, päästön alkulämpötila ja massasuhteet alkutilanteessa.
Työssä huomataan, että keskimmäisen aineen massaosuuteen ajan funktiona on tietyillä parametreilla suuri vaikutus. Muiden aineiden massaosuuteen ei ole merkittävää vaikutusta millään tarkastelluista parametreista. Keskimmäisen aineen massaosuus käyttäytyy hyvin eri tavalla vakiolaimenemiskertoimella kuin Karlin ja Gaussin malleilla. Vakiolaimenemiskertoimella kaikki massa on 600 s mallinnusjaksolla koko ajan hiukkasessa, kun taas Karlin ja Gaussin malleilla massa on aluksi kokonaan hiukkasessa, mutta lopussa lähes kokonaan kaasussa. Muina merkittävinä tuloksina voidaan pitää sitä, että vain tarpeeksi suurilla alkukonsentraatioilla keskimmäisen aineen massaosuus yltää alussa 100 %:iin eli kaikki massa on hiukkasessa. Esimerkiksi alkukonsentraatiolla 1010 1/m3 näin käy, mutta alkukonsentraatiolla 109 1/m3 massaosuuden huippu on 20 %:ssa. Lisäksi tuloksena saatiin, että yhden aineen mallin massaosuus eroaa suuresti monikomponenttisen mallin massaosuudesta. Yhden aineen mallissa keskimmäisen aineen massaosuus putoaa nollaan muutamassa sekunnissa, kun taas monikomponenttisessa hiukkasessa aineen massaosuudella kestää pudota nollaan muutama sata sekuntia. Kokonaismassaosuuteenkin oli muuten samoilla parametreilla suuri vaikutus paitsi vakiolaimenemiskerroin erosi vain hyvin vähän Karlin ja Gaussin menetelmistä.
Mallin muodostamiseen käytettiin teoriaa aerosoleista, saturaatiopaineesta, Kelvin-efektistä, jatkumo-, transitio- ja vapaamolekyylialueista ja eri konsentraatiomalleista. Työssä käytettiin savuvanan konsentraatiomalleina vakiolaimenemiskerrointa, Matthias Karlin kehittämää mallia ja Gaussista mallia.
Malli muodostettiin MATLAB-ohjelmistolla. Työssä on esitelty mallin muodostamiseen tarvittavat parametrit, kaavat ja differentiaaliyhtälöt sekä tehdyt oletukset. Mallilla on tutkittu haihtumista kolmella aineella, joista yhdellä on suuri saturaatiopaine, yhdellä pieni ja yhden saturaatiopaine on siltä väliltä. Työssä on tarkasteltu seuraavien parametrien vaikutusta aineiden haihtumiseen: konsentraatiomalli, saturaatiopaine, hiukkasten alkukonsentraatio, päästön alkulämpötila ja massasuhteet alkutilanteessa.
Työssä huomataan, että keskimmäisen aineen massaosuuteen ajan funktiona on tietyillä parametreilla suuri vaikutus. Muiden aineiden massaosuuteen ei ole merkittävää vaikutusta millään tarkastelluista parametreista. Keskimmäisen aineen massaosuus käyttäytyy hyvin eri tavalla vakiolaimenemiskertoimella kuin Karlin ja Gaussin malleilla. Vakiolaimenemiskertoimella kaikki massa on 600 s mallinnusjaksolla koko ajan hiukkasessa, kun taas Karlin ja Gaussin malleilla massa on aluksi kokonaan hiukkasessa, mutta lopussa lähes kokonaan kaasussa. Muina merkittävinä tuloksina voidaan pitää sitä, että vain tarpeeksi suurilla alkukonsentraatioilla keskimmäisen aineen massaosuus yltää alussa 100 %:iin eli kaikki massa on hiukkasessa. Esimerkiksi alkukonsentraatiolla 1010 1/m3 näin käy, mutta alkukonsentraatiolla 109 1/m3 massaosuuden huippu on 20 %:ssa. Lisäksi tuloksena saatiin, että yhden aineen mallin massaosuus eroaa suuresti monikomponenttisen mallin massaosuudesta. Yhden aineen mallissa keskimmäisen aineen massaosuus putoaa nollaan muutamassa sekunnissa, kun taas monikomponenttisessa hiukkasessa aineen massaosuudella kestää pudota nollaan muutama sata sekuntia. Kokonaismassaosuuteenkin oli muuten samoilla parametreilla suuri vaikutus paitsi vakiolaimenemiskerroin erosi vain hyvin vähän Karlin ja Gaussin menetelmistä.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8344]