CN103232127B - 超声空化协同水力空化污水处理器 - Google Patents

Abstract

一种超声空化协同水力空化污水处理器，在壳体的左侧设置有进水管、右侧设置有出水管，壳体的左端设置有左超声换能器，左超声换能器的超声出射端上设置有左变幅杆，壳体的右端设置有右超声换能器，右超声换能器的超声出射端上设置有右变幅杆，整流棒的左端设置在左变幅杆上、右端设置在右变幅杆上，整流棒与壳体内壁之间构成环绕整流棒的文丘里管。本发明具有结构简单、加工安装容易、承压高、效果好、可连续处理大流量污水等优点，可用于污水处理。

Description

超声空化协同水力空化污水处理器

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及超声耦合文丘里管道处理污水的设备或装置。

背景技术

超声空化引起的湍流效应、微扰效应、界面效应和聚能效应所形成的极端物理条件，为强化加快化学反应提供了一种非常有效途径，随着近年来环境污染问题的日益突出，功率超声在污水处理方面的应用，获得了广泛和深入的研究。但超声空化只在声源附近较小范围内产生能量集中，空化效应强烈，对各类待处理的对象都有良好的效果．然而，超声换能器的总能耗中只有5%～10%用于空化，其余90%～95%的能量是以热能的形式使系统升温，即超声空化存在有效反应区域小、能效低的突出的技术问题，使得超声空化的应用受到极大的限制，其在工业化中遇到很大困难。

水力空化是不同于超声空化的另一种空化方法，其机理为当液体与固体作相对高速运动，在液体内部出现局部低压，当压力降至空化初生压力时，大量不断产生又不断溃灭的空泡。在此过程中产生与超声空化相同的一系列物理、化学效应。由于其较超声空化更为简单有效的空化处理技术，近年来受到相关领域技术人员广泛关注和研究，已有的研究表明，水力空化对化工过程具有显著的强化作用，且从能效和规模化方面与超声空化相比，具有简便易行、能耗低、效率高、可在较大范围内形成比较均匀空化强化场等优点。因此水力空化应用于污水受到了广大学者的高度重视。但水力空化的空化强度明显较超声空化小，用于声化学反应的效率仍然较低。针对这一技术问题，专利申请号为201010574043·2、发明名称为《水力/超声耦合空化装置》的中国发明专利，公开了一种将水力空化与超声空化相结合用于污水处理的装置，其特征是：在文丘里管的喉部外侧设置超声换能器，并在文丘里管的喉部设置孔板，以此实现水力/超声的耦合。但这一技术方案存在有效反应区域小、能耗高的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述水力/超声耦合空化装置的缺点，提供一种结构简单、加工安装容易、承压高、效果好、可连续处理大流量污水的超声空化协同水力空化污水处理器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在壳体的左侧设置有进水管、右侧设置有出水管，壳体的左端设置有左超声换能器，左超声换能器的超声出射端上设置有左变幅杆，壳体的右端设置有右超声换能器，右超声换能器的超声出射端上设置有右变幅杆，整流棒的左端设置在左变幅杆上、右端设置在右变幅杆上，整流棒与壳体内壁之间构成环绕整流棒的文丘里管。

本发明的整流棒的形状是两端面为垂直于中心线的平行平面、侧面为余弦旋转曲面的棒状体或在至少2个圆柱体的两端分别设置有通过中间圆柱体连为一体的圆台体，两端圆柱体外侧圆台体的端部设置有端部圆柱体。

本发明的整流棒侧面的余弦旋转曲面为：

以直角坐标系中的曲线

$y=\frac{D}{4}-\frac{D}{8}\cos \frac{2\mathrm{\πx}}{L}---\left(1\right)$

为母线、x轴为旋转轴形成的旋转曲面，整流棒的中心线为x轴，0≤x≤kL，k为整流棒直径变化周期的个数，k至少为2，y为整流棒的中心线上x对应的整流棒的半径，D为壳体的内径，L为整流棒的1个直径变化周期的长度，2D≤L≤3D。

本发明的每个圆柱体相同方向一端圆台体的锥角α为60°～90°，另一端圆台体的锥角β为30°～90°，β≤α，每个圆柱体相同方向一端圆台体的锥角α相等、轴向长度相等，每个圆柱体相同方向另一端圆台体的锥角β相等、轴向长度相等，每个圆柱体两端的两个圆台体的最大直径与最小直径比为，圆柱体与两端连为一体的圆台体的长度之和为壳体内径D的1.5～2倍。

本发明的每个圆柱体相同方向一端圆台体的锥角α最佳为75°，另一端圆台体的锥角β最佳为45°，每个圆柱体相同方向一端圆台体的锥角α相等、轴向长度相等，每个圆柱体相同方向另一端圆台体的锥角β相等、轴向长度相等，每个圆柱体两端的两个圆台体的最大直径与最小直径最佳比为4，圆柱体与两端连为一体的圆台体的长度之和最佳为壳体内径D的1.8倍。

本发明的整流棒为轴对称形棒，整流棒的中心线与壳体的中心线相重合。

本发明采用在直管壳体的两端设置超声换能器，超声换能器的超声辐射面上设置変幅杆，変幅杆上设置整流棒，整流棒与管道内壁之间构成环绕整流棒的文丘里管道，通过改变整流棒的外形结构，构成不同的文丘里管，在超声换能器的激励下，整流棒作轴向和径向耦合振动,并将轴向振动转化为径向振动,向流经壳体内污水径向辐射超声波。超声波的空化效应与水力空化效应耦合，对污水进行处理。这种文丘里管与传统的文丘里管相比，具有结构简单、易于加工、安装方便、耐压力高、污水处理效果好等优点，可用于污水处理。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例1整流棒3的结构示意图。

图3是本发明实施例2整流棒3的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1、2中，本实施例的超声空化协同水力空化污水处理器由壳体1、左变幅杆2、整流棒3、右变幅杆4、右超声换能器5、出水管6、进水管7、左超声换能器8联接构成。

本实施例的壳体1为圆筒形，壳体1的左侧通过螺纹联接安装有2个进水管7，壳体1的右侧通过螺纹联接安装有2个出水管6，壳体1的左端用螺纹紧固联接件固定安装有左超声换能器8，左超声换能器8用于产生超声波，左超声换能器8的超声出射端上通过螺纹联接安装有左変幅杆2，壳体1的右端用螺纹紧固联接件固定安装有右超声换能器5，右超声换能器5用于产生超声波，右超声换能器5的超声出射端上通过螺纹联接安装有右変幅杆4，使用本发明处理污水时，应将左超声换能器8和右超声换能器5分别接超声波发生器。整流棒3的左端通过螺纹联接在左変幅杆2上，整流棒3的右端通过螺纹联接在右変幅杆4上，整流棒3的中心线与壳体1的中心线相重合，整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的文丘里管。

图2是图1中整流棒3的结构示意图。在图2中，本实施例中整流棒3的两端面为垂直于中心线的平行平面、侧面为余弦旋转曲面，侧面的几何形状是：以直角坐标系中的曲线

$y=\frac{D}{4}-\frac{D}{8}\cos \frac{2\mathrm{\πx}}{L}---\left(1\right)$

为母线、x轴为旋转轴形成的旋转曲面。整流棒3的直径沿轴向按余弦函数周期性变化，整流棒3的中心线为x轴，式中0≤x≤2L，y的几何意义为整流棒3的中心线上x对应的整流棒3的半径，D为壳体1的内径，L为整流棒3的1个直径变化周期的长度，本实施例的L为2D，也可以选择L为2.5D,还可以选择L为3D。整流棒3的长度等于直径变化周期长度的整数倍，本实施例中整流棒3的长度等于2个直径变化周期的长度，也可根据污水处理的具体要求，采用长度大于2个直径变化周期长度的整流棒3。

对于不同内径的壳体1，每给定1个壳体1的内径值D，根据内径D值确定整流棒3一个直径变化周期的长度值L；再根据水处理的具体要求，确定整流棒3长度所应包含的直径变化周期的个数,即整流棒3的长度值，并确定出与整流棒3长度相适应的壳体1长度。由方程（1）所确定的整流棒3，数控车床很容易加工，只要给出壳体1的内径D便可加工出整流棒3。将整流棒3安装在壳体1内，整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管，也可根据污水处理具体要求采用直径变化周期个数大于2的整流棒3，构成更多级串联的文丘里管。这种结构的文丘里管没有联接焊缝，耐压力高，更适合在高压状态用于污水处理。

实施例2

图3给出了本实施例整流棒3的结构示意图。在图3中，本实施例整流棒3的几何形状为：在左圆柱体3-2的两端有连为一体的圆台体3-3。左圆柱体3-2的两端的两个圆台体3-3的结构完全相同，左侧的圆台体3-3的锥角α为75°，右侧的圆台体3-3的锥角β为75°，两个圆台体3-3的轴向长度相等，两个圆台体3-3的最大直径为3D/4、最小直径为3D/16，D为壳体1的内径，两个圆台体3-3的最大直径与最小直径比为4，左圆柱体3-2与两端连为一体的圆台体3-3的长度之和为壳体1内径D的1.8倍，左侧的圆台体3-3的左端有连为一体的端部圆柱体3-1。

右圆柱体3-5的结构与左圆柱体3-2完全相同，右圆柱体3-5的两端有连为一体的圆台体3-3，右圆柱体3-5两端的圆台体3-3与左圆柱体3-2两端的圆台体3-3完全相同，右侧的圆台体3-3的右端有连为一体的端部圆柱体3-1。左圆柱体3-2右侧的圆台体3-3右端与右圆柱体3-5左侧的圆台体3-3左端之间有连为一体的中间圆柱体3-4，中间圆柱体3-4的外径与整流棒3两端的端部圆柱体3-1外径相同，中间圆柱体3-4的轴向长与左圆柱体3-2、右圆柱体3-5、端部圆柱体3-1的轴向长相等。本实施例中整流棒3的直径变化为2个周期，也可根据污水处理的具体要求，采用直径变化周期个数大于2的整流棒3。

在设计过程中，每给出一个确定的壳体1内径D值，本领域的技术人员均可根据上述整流棒3的结构特征，设计出一种具体结构的整流棒3，并确定出与整流棒3长度相适应的壳体1的长度。这种结构的整流棒3，数控车床很容易加工。将整流棒3安装在壳体1内，整流棒3与壳体1内壁之间的间隙为水流通道，整流棒3的左圆柱体3-2、右圆柱体3-5与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部，整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管。也可根据污水处理的具体要求采用直径变化周期个数大于2的整流棒3，两端的结构与上述整流棒3相同，其他周期圆柱体及其两端连为一体的圆台体3-3与右圆柱体3-5右端的圆台体3-3之间、以及其他周期圆柱体及其两端连为一体的圆台体3-3相互之间用中间圆柱体3-4连为一体，将这种整流棒3装入壳体1内，构成多级串联的文丘里管。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例整流棒3的几何形状为：在左圆柱体3-2的两端有连为一体的圆台体3-3。左圆柱体3-2的两端的两个圆台体3-3的结构完全相同，左侧的圆台体3-3的锥角α为60°，右侧的圆台体3-3的锥角β为60°，两个圆台体3-3的轴向长度相等，圆台体3-3的最大直径为3D/4、最小直径则为D/4，D为壳体1的内径，两个圆台体3-3的最大直径与最小直径比为3，左圆柱体3-2与两端连为一体的圆台体3-3的长度之和为壳体1直径D的1.5倍，左侧的圆台体3-3的左端有连为一体端部圆柱体3-1。

右圆柱体3-5的结构与左圆柱体3-2完全相同，右圆柱体3-5的两端有连为一体的圆台体3-3，右圆柱体3-5两端的圆台体3-3与左圆柱体3-2两端的圆台体3-3完全相同，右侧的圆台体3-3的右端有连为一体的端部圆柱体3-1。左圆柱体3-2右侧的圆台体3-3右端与右圆柱体3-5左侧的圆台体3-3左端之间有连为一体的中间圆柱体3-4，中间圆柱体3-4的外径与整流棒3两端的端部圆柱体3-1外径相同，中间圆柱体3-4的轴向长与左圆柱体3-2、右圆柱体3-5、端部圆柱体3-1的轴向长相等。本实施例中整流棒3的直径变化为2个周期。

其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

将整流棒3安装在壳体1内，整流棒3与壳体1内壁之间的间隙构成文丘里水流通道，整流棒3的左圆柱体3-2、右圆柱体3-5与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部，整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管。

实施例4

本实施例整流棒3的几何形状为：在左圆柱体3-2的两端有连为一体的圆台体3-3。左圆柱体3-2两端的两个圆台体3-3的结构完全相同，左侧的圆台体3-3的锥角α为90°，右侧的圆台体3-3的锥角β为90°两个圆台体3-3的轴向长度相等，圆台体3-3的最大直径为3D/4、最小直径为3D/20，D为壳体1的内径，两个圆台体3-3的最大直径与最小直径比为5，左圆柱体3-2与两端连为一体的圆台体3-3的长度之和为壳体1直径D的2倍，左侧的圆台体3-3的左端有连为一体的端部圆柱体3-1。

右圆柱体3-5的结构与左圆柱体3-2完全相同，右圆柱体3-5的两端有连为一体的圆台体3-3，右圆柱体3-5两端的圆台体3-3与左圆柱体3-2两端的圆台体3-3完全相同，右侧的圆台体3-3的右端有连为一体的端部圆柱体3-1。左圆柱体3-2右侧的圆台体3-3右端与右圆柱体3-5左侧的圆台体3-3左端之间有连为一体的中间圆柱体3-4，中间圆柱体3-4的外径与整流棒3两端的端部圆柱体3-1外径相同，中间圆柱体3-4的轴向长与左圆柱体3-2、右圆柱体3-5、端部圆柱体3-1的轴向长相等。本实施例中整流棒3的直径变化为2个周期。

其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

将整流棒3安装在壳体1内，整流棒3与壳体1内壁之间的间隙构成文丘里水流通道，整流棒3的左圆柱体3-2、右圆柱体3-5与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部，整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管。

实施例5

本实施例整流棒3的几何形状为：在左圆柱体3-2的两端有连为一体的圆台体3-3，左圆柱体3-2左端圆台体3-3的锥角α为75°、右端圆台体3-3的锥角β为45°，两个圆台体3-3的最大直径为3D/4、最小直径为3D/16，D为壳体1的内径，两个圆台体3-3的最大直径与最小直径比为4，左圆柱体3-2与两端连为一体的圆台体3-3的长度之和为壳体1内径D的1.8倍，左侧的圆台体3-3左端有连为一体的端部圆柱体3-1。

右圆柱体3-5的结构与左圆柱体3-2完全相同，右圆柱体3-5的两端有连为一体的圆台体3-3，右圆柱体3-5两端的圆台体3-3与左圆柱体3-2两端的圆台体3-3完全相同，右侧的圆台体3-3的右端有连为一体的端部圆柱体3-1。左圆柱体3-2右侧的圆台体3-3右端与右圆柱体3-5左侧的圆台体3-3左端之间有连为一体的中间圆柱体3-4，中间圆柱体3-4的外径与整流棒3两端的端部圆柱体3-1外径相同，中间圆柱体3-4的轴向长与左圆柱体3-2、右圆柱体3-5、端部圆柱体3-1的轴向长相等。本实施例中整流棒3的直径变化为2个周期。

其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

将整流棒3安装在壳体1内，整流棒3与壳体1内壁之间的间隙构成文丘里水流通道，整流棒3的左圆柱体3-2、右圆柱体3-5与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部，整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管，也可根据污水处理的具体要求采用直径变化周期个数大于2的整流棒3，两端的结构与上述整流棒3相同，其他周期圆柱体及其两端连为一体的圆台体3-3与右圆柱体3-5右端的圆台体3-3之间、以及其他周期圆柱体及其两端连为一体的圆台体3-3相互之间用中间圆柱体3-4连为一体，将这种整流棒3装入壳体1内，构成多级串联的文丘里管。

实施例6

在图4中，本实施例整流棒3的几何形状为：在左圆柱体3-2的两端有连为一体的圆台体3-3，左圆柱体3-2左端圆台体3-3的锥角α为60°、右端圆台体3-3的锥角β为30°，两个圆台体3-3的最大直径为3D/4、最小直径为D/4，D为壳体1的内径，两个圆台体3-3的最大直径与最小直径比为3，左圆柱体3-2与两端连为一体的圆台体3-3的长度之和为壳体1直径D的1.5倍，左侧的圆台体3-3的左端连为一体有端部圆柱体3-1。

右圆柱体3-5的结构与左圆柱体3-2完全相同，右圆柱体3-5的两端有连为一体的圆台体3-3，右圆柱体3-5两端的圆台体3-3与左圆柱体3-2两端的圆台体3-3完全相同，右侧的圆台体3-3的右端有连为一体的端部圆柱体3-1。左圆柱体3-2右侧的圆台体3-3右端与右圆柱体3-5左侧的圆台体3-3左端之间有连为一体的中间圆柱体3-4，中间圆柱体3-4的外径与整流棒3两端的端部圆柱体3-1外径相同，中间圆柱体3-4的轴向长与左圆柱体3-2、右圆柱体3-5、端部圆柱体3-1的轴向长相等。本实施例中整流棒3的直径变化为2个周期。

其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

将整流棒3安装在壳体1内，整流棒3与壳体1内壁之间的间隙构成文丘里水流通道，整流棒3的左圆柱体3-2、右圆柱体3-5与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部，整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管。

实施例7

在图4中，本实施例整流棒3的几何形状为：在左圆柱体3-2的两端有连为一体的圆台体3-3，左圆柱体3-2左端圆台体3-3的锥角α为90°、右端圆台体3-3的锥角β为55°，两个圆台体3-3的最大直径为3D/4、最小直径为3D/20，D为壳体1的内径，两个圆台体3-3的最大直径与最小直径比为5，左圆柱体3-2与两端连为一体的圆台体3-3的长度之和为壳体1直径D的2倍，左侧的圆台体3-3的左端有连为一体的端部圆柱体3-1。

右圆柱体3-5的结构与左圆柱体3-2完全相同，右圆柱体3-5的两端有连为一体的圆台体3-3，右圆柱体3-5两端的圆台体3-3与左圆柱体3-2两端的圆台体3-3完全相同，右侧的圆台体3-3的右端有连为一体的端部圆柱体3-1。左圆柱体3-2右侧的圆台体3-3右端与右圆柱体3-5左侧的圆台体3-3左端之间有连为一体的中间圆柱体3-4，中间圆柱体3-4的外径与整流棒3两端的端部圆柱体3-1外径相同，中间圆柱体3-4的轴向长与左圆柱体3-2、右圆柱体3-5、端部圆柱体3-1的轴向长相等。本实施例中整流棒3的直径变化为2个周期。

其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

将整流棒3安装在壳体1内，整流棒3与壳体1内壁之间的间隙构成文丘里水流通道，整流棒3的左圆柱体3-2、右圆柱体3-5与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部，整流棒3与壳体1内壁之间构成环绕整流棒3的两级串联的文丘里管。

本发明的工作原理如下：

高速流动的污水进入整流棒3与壳体1内壁之间构成的第一级环绕整流棒3的的文丘里管道的收敛段时流速逐渐增大、压力逐渐减小，污水进入文丘里管的喉部时，流速达到最大、压力最小，溶解于水中的空气所形成的气核迅速膨胀成为空化泡进入文丘里管的扩散段，水中压力恢复，当压强恢复时气泡瞬时溃灭产生高温(1000～5000K)和瞬时高压(1～5×10⁷Pa)，即形成所谓的“热点”。空化泡溃灭瞬间的能量集中释放，足以打开水分子结合键,形成·OH与·H自由基，空化泡溃灭产生的冲击波和射流，在水中产生局部高浓度具有高化学活性的氧化剂·OH，与水中的有机污染物发生氧化反应，将水中大多数有机污染氧化降解为无害物质。同时与左变幅杆2、右变幅杆4相联的整流棒3，整流棒3作轴向和径向耦合振动,并将轴向振动转化为径向振动,向流经壳体1内的污水径向辐射超声波，产生的超声波的空化效应与水力空化效应耦合，形成第一级超声空化协同水力空化污水处理文丘里管处理污水，经过第一级超声空化协同水力空化污水处理文丘里管处理后的污水，连续通过串联的第二、三…级文丘里管，实现对污水的进一步处理。

Claims (2)

1.一种超声空化协同水力空化污水处理器，其特征在于：在壳体（1）的左侧设置有进水管（7）、右侧设置有出水管（6），壳体（1）的左端设置有左超声换能器（8），左超声换能器（8）的超声出射端上设置有左变幅杆（2），壳体（1）的右端设置有右超声换能器（5），右超声换能器（5）的超声出射端上设置有右变幅杆（4），整流棒（3）的左端设置在左变幅杆（2）上、右端设置在右变幅杆（4）上，整流棒（3）与壳体（1）内壁之间构成环绕整流棒（3）的文丘里管；所述的整流棒（3）的形状是两端面为垂直于中心线的平行平面、侧面为余弦旋转曲面的棒状体（3），整流棒（3）侧面的余弦旋转曲面为：

以直角坐标系中的曲线

$y=\frac{D}{4}-\frac{D}{8}\cos \frac{2\mathrm{\πx}}{L}---\left(1\right)$

为母线、x轴为旋转轴形成的旋转曲面，整流棒（3）的中心线为x轴，0≤x≤kL，k为整流棒（3）直径变化周期的个数，k至少为2，y为整流棒（3）的中心线上x对应的整流棒（3）的半径，D为壳体（1）的内径，L为整流棒（3）的1个直径变化周期的长度，2D≤L≤3D。

2.根据权利要求1所述的超声空化协同水力空化污水处理器，其特征在于：所述的整流棒（3）为轴对称形棒，整流棒（3）的中心线与壳体（1）的中心线相重合。

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