变横截面驻波超声反应器制造技术

本发明专利技术的变横截面驻波超声反应器，涉及一种利用超声空化效应处理液体的装置。它包括盛放被处理液体的箱体、至少一个超声换能器（１０）、以及超声换能器驱动电路。上述箱体中驻波声场的横截面积随横截面位置做周期性变化，在声压幅值为零的位置上（声压节面），声场的横截面为最小；在声压幅值为最大的位置上（声压反节面），声场的横截面为最大；在相邻的声压节面和反节面之间，声场的横截面线性或非线性地从最小过渡到最大。通过增加声压反节面附近的液体的体积并减少声压节面附近的液体的体积，来提高超声反应器声场能量的利用率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的变横截面驻波超声反应器，涉及一种利用超声空化效应处理液体的装置。
技术介绍
超声反应器利用超声空化效应所产生的局部高温高压( 5000K、 2000atm)对 液体如水进行处理。超声反应器系统在结构上包括箱体、箱体中的被处理液体、对被处理 液体施加超声波的超声换能器、以及超声换能器的驱动电路。它在饮用水消毒杀菌、饮用 水中致癌物质的分解、废水的消毒杀菌、废水中有机物的分解、化学合成和结晶过程的物理 催化、发酵过程的加速、生物质气体和液体燃料的生产等方面有着巨大的应用前景。现有 的超声反应器的工作原理，如参考文献(T. J. Mason, J. P. Lorimer, AppliedSonochemistry, ffiley-VCH, ffeinheim, 2002)所述，主要是利用被处理液体中驻波超声场来引起声空化效 应。采用这种方式其超声场的声压幅值在空间上不均勻，存在着声压节面和反节面。在声 压节面上声压幅值为零，而在声压反节面上声压幅值为最大。由于这个原因，会出现声压反 节面附近的液体被过度地声处理、声压节面附近的液体不能被充分处理的现象。这会导致 声处理的不均勻和声能利用率低的问题。
技术实现思路
为了克服现有超声反应器的声处理不均勻和声能利用率低的问题，本专利技术专利提 供新的超声反应器，该超声反应器利用相对均勻的超声场对其中的液体进行声处理，以提 高声反应器声处理的均勻性和声反应器中声能的利用率。第一种变横截面驻波超声反应器，其特征在于包括盛放被处理液体的箱体、安装 于箱体第二壁面的超声换能器，箱体上作为反射壁面的第一壁面与超声换能器的声辐射面 之间的距离是四分之一波长的奇数倍，箱体底面为弯曲折叠形或波浪形；上述箱体底面的 弯曲折叠形或波浪形使得箱体底面和液面之间的距离随离开声辐射面的距离作周期性变 化；其中距离声辐射面m c/(2f)的位置，箱体底面和液面之间的距离为最小值；其中距离 声辐射面(2m+l)c/(4f)的位置，箱体底面和液面之间的距离为最大值；其中m为大于等于 O的自然数，c是被处理液体的声速，f是超声换能器的工作频率。第二种变横截面驻波超声反应器，其特征在于包括盛放被处理液体的箱体、安装 于箱体第二壁面的超声换能器，箱体上作为反射壁面的第一壁面与超声换能器的声辐射面 之间的距离是四分之一波长的奇数倍，箱体底面和箱体顶面均为弯曲折叠形或波浪形，被 处理的液体充满超声反应器箱体；上述箱体底面和箱体顶面的形状使得箱体底面和顶面之 间的距离随离开声辐射面的距离作周期性变化；其中距离声辐射面m c/(2f)的位置，箱体 底面和顶面之间的距离为最小值；其中距离声辐射面(2m+l)c/(4f)的位置，箱体底面和液 面之间的距离为最大值；其中m为大于等于O的自然数，c是被处理液体的声速，f是超声 换能器的工作频率。第三种变横截面驻波超声反应器，其特征在于包括盛放被处理液体的箱体、安装 于箱体底面的超声换能器，箱体上作为反射壁面的液面或顶面与超声换能器的声辐射面之 间的距离是二分之一波长的奇数倍，两组相对壁面中至少一组相对壁面中的至少一个箱体 壁面为弯曲折叠形或波浪形；上述箱体壁面的弯曲折叠形或波浪形使得该组相对壁面之间 的距离随离开声辐射面的距离作周期性变化；其中距离声辐射面m c/(2f)的位置相对壁 面之间的距离为最小值；其中距离声辐射面(2m+l)c/(4f)的位置，相对壁面之间的距离为 最大值；其中m为大于等于0的自然数，c是被处理液体的声速，f是超声换能器的工作频 率。上述的驻波型超声反应器利用浸入式平板超声换能器，或具有平板辐射面的插入式朗之文(Langevin)超声换能器。驻波超声反应器中驻波声场的横截面积随横截面位置做周期性变化，在声压幅值 为零的位置(声压节面)即距离声辐射面m c/(2f)其中111 = 0，1，2，3...，(3是被处理液 体的声速，f是超声换能器的工作频率的位置，声场的横截面为最小；在声压幅值为最大的 位置(声压反节面)即距离声辐射面(2m+l)c/(4f)其中111 = 0，1，2，3...，(3是被处理液 体的声速，f是超声换能器的工作频率的位置上，声场的横截面为最大。在相邻的声压节 面和反节面之间，声场的横截面积线性或非线性地从最小过度到最大。采用上述三种形式 的箱体结构，使得声压反节面附近的液体体积会大于声压节面附近的液体体积。由此提高 声反应器中声场能量的利用率和声处理的均勻性。超声反应器在声处理均勻性和声能利用率方面的性能可用声场的不均勻性指数 NUl来表示1 \\\ NU 丄 --(χ)Pam\ vO其中Pa是场点的声压幅值，Pam是Pa的空间平均值，Vtl是声场的体积。声场的不均 勻性指数NU1越小，超声反应器在声处理均勻性和声能利用率方面的性能就越好。传统的 驻波型超声反应器的NU1是0.447.有限元理论计算(C0MS0L MULTIPHYSIC5)表明本专利技术 专利可以把NU1指数减少到0. 2。附图说明图1 实施例1的变横截面驻波超声反应器的结构图；其中图1 (a)是超声反应器 的剖面图，图1(b)是超声反应器的俯视图。图2 实施例2的超交横截面驻波超声反应器的结构图；其中图2(a)是超声反应 器的剖面图，图2(b)是超声反应器的俯视图。图中标号名称1、箱体，2、被处理液体，3、液面，4、改进型的驻波声场，5、箱体底 面，6、第一壁面，7、第二壁面，8、声压反节面，9、声压的节面，10、超声换能器，11、声辐射面， 12、箱体顶面。具体实施方案实施例一的变横截面驻波超声反应器如图1所示。具有弯曲平板底面的超声反应器长方形金属箱体中装有被处理的水2。超声换能 器10采用浸入式平板超声换能器，被固定在箱体的第二壁面7上。声辐射面11和与其相 对的反射壁面即第一壁面6之间的距离是四分之一波长的奇数倍，因此声反应器工作时在 声辐射面U和第一壁面6之间存在着一驻波声场。浸入式平板超声换能器的尺寸是30cm (高)X 12cm (宽)X Icm (厚)，工作频率f 是20kHz，工作电压是65Vrms。长方形金属箱体的长是10. 375cm，宽是13cm。弯曲平板底面 和液面3之间的距离h随离开声辐射面的距离而周期性地变化。在离开声辐射面1. 875cm, 5. 625cm和9. 375cm的位置上，h等于其最大值45cm ；在离开声辐射面0cm，3. 75cm和7. 5cm 的位置上，h等于其最小值30cm。本实施例中，根据有限元计算(C0MS0L MULTIPHYSICS)，超声场的不均勻性指数 NU1的理论值为0. 2，远小于传统的驻波型超声反应器的NU1 ( = 0. 447)。在有限元计算中， 利用该软件声学模块中的谐波分析功能(Harmonics Analyses, Acoustics Module)；声场 的吸收系数为1.0X10_5l/m;超声场被假定为线性场。这表明增加驻波反节面附近的声场 截面积同时减少驻波节面附近的声场截面积能有效地提高超声反应器声处理的均勻性和 声能的利用率。实施例二的变横截面驻波超声反应器如图2所示。具有弯曲平板底面和弯曲平板顶面的超声反应器长方形金属箱体中装满被处理 的水。浸入式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变横截面驻波超声反应器，其特征在于：包括盛放被处理液体的箱体（１）、安装于箱体第二壁面（７）的超声换能器（１０），箱体上作为反射壁面的第一壁面（６）与超声换能器（１０）的声辐射面（１１）之间的距离是四分之一波长的奇数倍，箱体底面（５）为弯曲折叠形或波浪形；上述箱体底面（５）的弯曲折叠形或波浪形使得箱体底面和液面之间的距离随离开声辐射面的距离作周期性变化；其中距离声辐射面ｍｃ／（２ｆ）的位置，箱体底面和液面之间的距离为最小值；其中距离声辐射面（２ｍ＋１）ｃ／（４ｆ）的位置，箱体底面和液面之间的距离为最大值；其中ｍ为大于等于０的自然数，ｃ是被处理液体的声速，ｆ是超声换能器的工作频率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡俊辉，赵淳生，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]