CN101879430A - 基于扩散声场的超声反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于扩散声场的超声反应器，涉及一种利用超声空化效应处理液体的装置。包括盛放被处理液体的箱体(1)、安装于箱体内的超声换能器(3)、位于超声换能器(3)辐射面(24)相对箱体壁面的声反射器(20)；其中声反射器(20)具有与超声换能器(3)发出的入射声波不相垂直的声反射面。该超声反应器利用均匀的超声场对其中的液体进行声处理，以实现声反应器的均匀声处理和提高声反应器中声能的利用率。

Description

基于扩散声场的超声反应器

技术领域

本发明中基于扩散声场的超声反应器，涉及一种利用超声空化效应处理液体的装置。

背景技术

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。传统的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，Wiley-VCH，Weinheim，2002)所述，主要是利用箱体中被处理液体中的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匀，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匀和声能利用率低的问题。

发明内容

为了克服现有超声反应器的声处理不均匀和声能利用率低的问题，本发明专利提供新颖的超声反应器，该超声反应器利用均匀的超声场对其中的液体进行声处理，以实现声反应器的均匀声处理和提高声反应器中声能的利用率。

一种基于扩散声场的超声反应器，其特征在于：包括盛放被处理液体的箱体、安装于箱体内的超声换能器、位于超声换能器辐射面相对箱体壁面的声反射器；其中声反射器具有与超声换能器发出的入射声波不相垂直的声反射面。

本发明中上述声反射器为中间厚而向上下和/或左右和/或两侧逐渐变薄的形状。比如横截面为三角形，即它有两个与超声换能器发出的入射声波不相垂直的声反射面。比如为圆柱或圆球声反射面。这样可使反射声波和入射声波不再同一路径上，避免超声驻波的形成。

上述声反射器可以为中心对称结构。由它们产生的反射声场具有对称的特性。

上述换能器可以为浸入式平板超声换能器，或具有平板辐射面或者圆弧辐射面的插入式朗之文(Langevin)超声换能器。

上述超声换能器可以安装于箱体的第一壁面上，上述声反射器安装于与第一壁面相对的第二壁面上。

上述超声换能器还可以位于箱体的底面，上述声反射器位于箱体的液面。

声反射器利用其和入射波不相垂直的反射面，以及箱体壁面、液面和换能器辐射面的多次反射，在被处理液体中形成扩散超声场。由于箱体中超声波反射的次数接近无限多，因而声线通过每一场点的机率几乎一样。这使得超声反应器扩散声场中的声能密度几乎是均匀的

声反应器利用扩散超声场来工作，各场点虽然有不同的时间相位，但理论上却具有相同的声压幅值。由于液体中声空化效应的强度只取决于声压的幅值，和声压的相位无关，因而扩散超声场中的声空化效应比驻波超声场中的声空化效应更均匀。因此，利用扩散声场能提高超声反应器的能量利用率和声处理均匀性。

通过利用超声反应器箱体中的扩散超声场使得超声反应器箱体中的声能密度更加均匀，进而使得超声反应器的声处理更加均匀、声场的能量利用率更高。超声反应器在声处理均匀性和声能利用率方面的性能可用声场的不均匀性指数NU₁来表示：

${\mathrm{NU}}_1=\frac{1}{P_{\mathrm{am}}}\sqrt{\frac{{\∫\∫\∫}_{V_0}{(\mathrm{Pa}-P_{\mathrm{am}})}^2\mathrm{dV}}{V_0}}---\left(1\right)$

其中p_a是场点的声压幅值，p_am是p_a的空间平均值，V₀是声场的体积。声场的不均匀性指数NU₁越小，超声反应器在声处理均匀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(COMSOL MULTIPHYSICS)表明：本发明专利可以把NU₁指数减少到0.08。

附图说明

图1：实施例1的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、被声处理的液体，3、超声换能器，6、第一壁面，7、第二壁面，16、扩散超声场，17和18、反射面，19、液面，20、声反射器，21和22、声反射面和声反应器壁面7之间的角度，24、超声换能器的辐射面，25、圆柱声反射面。

具体实施方案

实施例一的超声反应器如图1所示。

带有一个浸入式平板超声换能器的超声反应器长方形金属箱体1中装有被处理的水2。超声换能器3(实施例采用浸入式平板超声换能器)被固定在第一壁面6上。在和第一壁面6正对的第二壁面7上，设有具有两个声反射平面17和18的声反射器20。两个声反射平面17和18，与来自超声换能器3的入射声波不相垂直。借助于声反射平面17和18、箱体1、液面19和换能器辐射面24的很多次反射，在被处理液体中会形成扩散超声场16。

长方形金属箱体1的内部尺寸是33.88cm(长)×26cm(宽)×36cm(高)。箱体中水的高度是31cm。浸入式平板超声换能器的尺寸是30cm(高)×24cm(宽)×1cm(厚)，工作频率f是75kHz，工作电压是65Vrms。声反射器20的底面的高度是30cm，底面的宽度是24cm，声反射面和第二壁面7之间的角度21和角度22是30°。

本实施例中，根据有限元计算(COMSOL MULTIPHYSICS)，上述声反应器中扩散超声场的不均匀性指数NU₁的理论值为0.1，远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1.4×10^-41/m；超声场被假定为线性场。这表明在和声辐射面相对的壁面上设置倾斜的反射板能大大地提高声反应器超声处理的均匀性和声能的利用率。

实施例二的超声反应器如图2所示。

带有一个浸入式平板超声换能器的超声反应器长方形金属箱体1中装有被处理的水2。超声换能器3(实施例采用浸入式平板超声换能器)被固定在第一壁面6上。在和第一壁面6正对的第二壁面7上，设有具有圆柱声反射面25的声反射器20。圆柱声反射面25和来自超声换能器3的入射声波不相垂直。借助于圆柱声反射面25、箱体1、液面19)和换能器辐射面24的多次反射，在被处理液体中会形成扩散超声场16。

长方形金属箱体1的内部尺寸是33.88cm(长)×26cm(宽)×36cm(高)。箱体中水的高度是31cm。浸入式平板超声换能器的尺寸是30cm(高)×24cm(宽)×1cm(厚)，工作频率f是75kHz，工作电压是65Vrms。声反射器(20的底面的高度是30cm，底面的宽度是24cm，圆柱反射面和第二壁面7之间的最大距离是10cm。

本实施例中，根据有限元计算(COMSOL MULTIPHYSICS)，上述声反应器中扩散超声场的不均匀性指数NU₁的理论值为0.08，远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1.4×10^-41/m；超声场被假定为线性场。这表明在和声辐射面相对的壁面上设置圆柱反射面能大大地提高声反应器超声处理的均匀性和声能的利用率。

Claims (9)

1.一种基于扩散声场的超声反应器，其特征在于：

包括盛放被处理液体的箱体(1)、安装于箱体内的超声换能器(3)、位于超声换能器(3)辐射面(24)相对箱体壁面的声反射器(20)；

其中声反射器(20)具有与超声换能器(3)发出的入射声波不相垂直的声反射面。

2.根据权利要求1所述的基于扩散声场的超声反应器，其特征在于：上述声反射器(20)为中间厚而向上下和/或左右和/或两侧逐渐变薄的形状。

3.根据权利要1所述的基于扩散声场的超声反应器，其特征在于：上述声反射器(20)为中心对称结构。

4.根据权利要2或3所述的基于扩散声场的超声反应器，其特征在于：上述声反射器(20)横截面为三角形，即它有两个与超声换能器(3)发出的入射声波不相垂直的声反射面(17、18)。

5.根据权利要2或3所述的基于扩散声场的超声反应器，其特征在于：上述声反射器(20)的声反射面为圆柱面或圆球面。

6.根据权利要求1所述的基于扩散声场的超声反应器，其特征在于：所述换能器(3)为浸入式平板超声换能器。

7.根据权利要求1所述的基于扩散声场的超声反应器，其特征在于：所述换能(3)为具有平板辐射面或者圆弧辐射面的插入式朗之文(Langevin)超声换能器。

8.根据权利要求1所述的基于扩散声场的超声反应器，其特征在于：上述超声换能器(3)安装于箱体的第一壁面(6)上，上述声反射器(20)安装于与第一壁面相对的第二壁面(7)上。

9.根据权利要求1所述的基于扩散声场的超声反应器，其特征在于：上述超声换能器(3)位于箱体的底面，上述声反射器(20)位于箱体的液面。

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