CN104226051B - 基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置及方法，属于大气污染控制技术领域。本装置包括出水喷雾模块(3)、不锈钢胁迫振动区(5)和进水区(8)三个功能模块及其所含组成零件。本发明的主要技术特征是，由超声波发生器及超声波换能器实现电-高频振动的能量转换，同时一定压力的水经过进水区、胁迫振动室及出水喷雾模块形成具有高频振动及其他微观动作的喷雾，直接喷射作用于大气中。喷雾液滴通过被高频振动强化提升与颗粒物惯性碰撞几率、减小穿透功的过程，高效捕集、团聚脱除大气中颗粒物，改善大气环境。本装置采用湿式除尘法，无二次污染，同时采用开放式除尘方法，作用区域广，适用性强，颗粒物捕集效率高。
Description
技术领域
本发明涉及环保领域，属于污染控制设备的技术领域，尤其涉及其中一种基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置，用于对大气中颗粒物进行高效吸附团聚、沉降处理。
本发明还涉及利用上述装置进行大气颗粒物污染无害化处置的方法。
背景技术
大气颗粒物污染是国内外众多城市空气的首要污染物。大气颗粒物，尤其是细粒子，会危害人体健康，散射太阳辐射，影响地球-大气系统能量平衡，降低能见度。大气悬浮颗粒物对人体健康的影响日趋明确，可引起哮喘、肺癌、心血管疾病、新生儿畸形等健康问题。同时，大气细颗粒物(PM2.5)由于其比表面积大，更易于富集空气中的有机污染物、重金属、细菌与病毒等严重危害人们的健康的物质，对人类的寿命及生活质量有很大影响。我国空气颗粒物的粒径分布、粒子来源和具体化学组成成份之间的关系复杂，呈现大气复合型污染特征，常规除尘方法因其实现成本高、适用范围窄、除尘效率低或处理流量受限等因素已经不适用于处置该类复合型大气颗粒物污染。
大气颗粒物的粒径对雾霾、大气粉尘治理影响极大。粒径越小的粉尘，界面张力又对它的影响相对就越大，其捕集效率就越低。当尘粒极微小时，其斯托克斯数亦很小，使动能小于穿透功(Ek＜w)，惯性碰撞不再是支配性的捕集作用机理，尘粒与水滴之间的界面作用将要受到许多其他参数的控制。传统的抑尘方法的是水喷淋法，在工作过程中以旋风式、雾状水膜或帘状水膜与被粉尘接触，以达到吸附微尘的目的。但是由于粉尘处理的主要对象是150μm以下的粉尘颗粒，特别是直径5μm以下的可吸入粉尘颗粒，粒径越小的粉尘，界面张力等因素对它的影响相对就越大，其捕集效率就越低，传统的抑尘方法将不再起作用。
同时由于粉尘及大气悬浮颗粒物成分复杂，多是粒径小，比表面积大，活性强，憎水性强，易附带有毒、有害物质(例如多环芳烃、微生物等)，且在大气中的停留时间长的细小悬浮颗粒物质，传统的水喷淋法极难将大气中的颗粒污染物吸附去除、减量。
因此，研究和设计一种高效除尘除霾降尘装置及方法对大气污染治理具有重要意义。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明提供了基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置及方法，通过超声波发生器及换能器的作用，达到电能-喷雾高频振动动能的转化，使除尘装置产生的喷雾在大气中具有更复杂、动能更大的微观物理动作，实现在开放性环境中对大气悬浮颗粒物进行高效无害化脱除，尤其是对大气可吸入细颗粒物(PM2.5)的脱除效果，同时对大气环境调节干预具有积极作用。整个实现方案在除尘除霾效率、经济性、适用性、无污染和可扩展性方面具有优势。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置，其特征在于包括以下部件：将日常电能转化成特定频率、特定功率超声波电信号的超声波发生器，将超声波点信号转化为特定频率及能量的高频驱动力的超声波换能器，将上述超声波换能器的特定频率及能量的振动传导到除尘喷雾液体的胁迫振动室及不锈钢防爆堵头，产生特定水压力的水源或者水泵，能够承受该特定水压的球阀，对该类高频振动吸收较小的管材、连接件及适用于上述特定水压的全金属雾化喷嘴。所述胁迫振动室设置一路喷雾液体输入、一路喷雾液体输出及一处由与胁迫振动室连接的不锈钢防爆堵头构成的高频振动能量输入端。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置中，所述超声波发生器、球阀、胁迫振动室、特定管件及全金属雾化喷嘴水平放置，喷雾水水平流过装置该段区域，所述水泵、防爆堵头及超声波换能器垂直放置，其中所述防爆堵头与超声波换能器倒置竖直放置，防爆堵头作为超声波换能器与水的传导器件，满足喷雾水充分接受超声波换能器的胁迫进行振动。
进一步说，本发明中的喷雾水接受超声波换能器产生的胁迫进行振动的过程中，液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时将发生生长和崩溃的动力学过程，其产生的空化作用将进一步强化喷雾对大气颗粒物的吸附团聚效果。
更进一步说，上述过程产生的空化现象不仅强化大气颗粒物的脱除效果，还能对整个装置内进行自我清洁，保证微小污垢在空化作用下及时除去，随着喷雾一同喷出，不残留且不堵塞装置，保证装置的清洁度，进而延长其使用寿命。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置中，所述水泵、阀门、胁迫振动室、全金属雾化喷嘴、管材及连接件均连通且紧密连接。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置中，所述超声波换能器与防爆堵头用超声波换能器专用环氧乙烯胶进行胶接，要求胶层均匀、不缺胶和不允许有裂缝，使超声能量最大限度地向喷雾液体中传输。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置中，全金属雾化喷嘴为一头、两头或多头金属全金属雾化喷嘴，喷嘴根据实际需要进行匹配选择，喷淋角度以适应实际环境条件为准，与胁迫振动室通过连接件紧密连接。
进一步说，上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置采用的全金属雾化喷嘴是一种能够将液体雾化喷出，而均匀悬浮于空气中的一种装置。其工作原理是通过内部压力，将内部的液体挤压进入喷嘴中，喷嘴内部放置有一块铁片，高速流动的液体撞击在铁片上，反弹后形成直径主要为15-60微米左右的雾化颗粒，并通过喷嘴出口喷出，产生喷雾。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置中，所述全金属雾化喷嘴及其连接件组成的喷雾组件个数、拼接形状可根据环境需要改变，使其具有良好的环境适应性，体现良好的除尘效果，每隔五个喷雾组件中间增加一个上述的胁迫振动室，同时增加一个上述的与特定频率功率匹配的超声波换能器及防爆堵头。所述由五个喷雾组件、胁迫振动室、超声波换能器及防爆堵头构成除尘子单元。所述出水喷雾模块包括若干个除尘子单元，所述除尘子单元均设置开合切断装置。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置中，其脱除大气悬浮颗粒物的原理之一是惯性碰撞理论，惯性碰撞理论的核心是当尘粒随气流运动时，由于惯性，尘粒会横穿过气流与水滴碰撞，其重要参数是斯托克数St：
St＝ρp·Dp·V·C/9μg·Dd
上述模型中各参数表示：
St-斯托克数；ρp-尘粒的密度；Dp-尘粒的直径；V-水滴的最终速度；C-坎宁安参数；μg-空气的粘度；；Dd-水滴的直径。
当尘粒较大时，上述模型的计算结果更接近实际情况，然而随着粉尘粒径的逐渐减小，斯托克数不断变小，惯性作用逐渐相对减弱。在微小颗粒情况下，惯性碰撞不再是支配性的作用机理，其他作用，如液滴与尘粒紊动、水滴与尘粒的表面物理、化学作用等的重要性愈发显现。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置的作用原理就是针对上述模型中的可干预参数，通过上述装置采用的超声波发生器及超声波换能器实现电-高频振动转化后对喷雾液体进行作用：增加喷雾水滴的最终速度C；通过上述装置采用的全金属雾化喷嘴进行喷雾，实现降低水滴的直径Dd，进而增大了斯托克数St，同时促进喷雾液滴与颗粒物在大气中产生上述其他作用，最终实现基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋脱除大气颗粒物，达到除霾降尘的目的。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置中，其脱除大气悬浮颗粒物的原理之二是利用喷雾液滴获得的高频振动克服液滴表面张力的影响。
如下模型中克服表面张力必须做的穿透功W公式：
W＝(2/3)·π·σ·Rp2·(1-cosθ)2
上述模型中各参数表示：
W-穿透功；σ-界面张力；θ-尘粒与水的接触角；R-常数。
只有当穿透功达到-定数值后，与水滴碰撞的尘粒才能进入水滴，从而被捕获。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置的作用机理中，本发明通过对喷雾水进行胁迫振动处理，使水在喷出时进行高频振动，在提升其动能的同时，更频繁地使上述尘粒与水的接触角θ进行变换，一定程度上降低模型中克服表面张力必须做的穿透功W，使喷雾液滴与颗粒物发生碰撞时降低液滴表面张力的影响，进而提升本发明对大气颗粒物的脱除效率。
基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘方法，所述水源及水泵产生一定压力的水经过进水区、胁迫振动室及出水喷雾模块形成喷雾，直接喷射于大气中。同时由所述超声波发生器、超声波换能器经过电-高频信号-高频机械振动转换产生具有一定能量的高频振动，所述高频振动经过由不锈钢防爆堵头构成的高频振动能量输入端与胁迫振动室传导到喷雾液体，同时利用胁迫振动室中超声波换能器引发的空化作用进一步使喷雾液体的微观动作复杂化、高能化。胁迫振动室的高频振动也传导至出水喷雾模块使之具有一定能量的高频振动。喷雾液体经过胁迫振动室的处理后，再加上出水喷雾模块的作用形成液滴直径主要为15-60微米的具有高能量高频振动的喷雾喷射至大气中。经装置强化的喷雾液滴与大气中颗粒物进行碰撞、团聚、吸附、沉降等物理过程，将大气颗粒物高效脱除。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置及方法中，所述水源或水泵产生的水流压力控制在1.5千克/平方厘米～4.5千克/平方厘米，所述胁迫振动室及出水喷雾模块正常工作温度控制在20～60℃。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置及方法中，所述的超声波发生器采用的频率范围28～40kHz，所述的超声波换能器采用的频率范围28～40kHz，使用时所述超声波发生器及超声波换能器频率保持一致。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置及方法中，所述的不锈钢防爆堵头采用厚度为大于2.5mm的不锈钢防爆堵头。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置及方法中，所述的胁迫振动室和喷雾液体输出端连接的不锈钢管材、不锈钢连接件均采用厚度大于2.5mm的不锈钢材料。
上述的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置及方法中，所述的喷雾液体采用水。
本发明提供的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置主要有以下特点：
1)大气颗粒物捕集脱除效率高，尤其是对常规除尘法不能起效的大气细颗粒物的脱除有显著效果。
2)全部采用水喷雾除尘法，不存在二次污染，而且有利于对大气环境调节干预具有积极作用。同时雾化喷嘴的选择使本发明工作时节水效果十分显著。
3)系统阻损小，换能器的电信号-高频振动转换效率为95％以上，可大大降低电能损耗，节电效果十分显著。
4)采用开放式除尘法，可设置于任何开放环境中进行颗粒物脱除工作，尤其是应用到传统除尘器无法起效的大气等中、大尺度环境中，应用范围广，适应性强。
5)结构简单，操作安装方便，运行维护成本低，使用动力为市电，运行安全稳定可靠，且对环境和人员没有任何负面影响。
6)拓展性强，可根据环境需要对装置进行升级改造，传统除尘器由于设备体积大且一体化程度过高，功能升级拓展性差。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图中：1-全金属雾化喷嘴、2-出水喷雾区不锈钢管件、3-出水喷雾模块、4-出水喷雾模块不锈钢转接件、5-不锈钢胁迫振动室、6-进水区不锈钢转接件、7-球阀、8-进水区、9-水泵、10-进水口、11-超声波发生器、12-超声波换能器、13-不锈钢防爆堵头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的原理、结构和工作过程进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明专利的保护范围不限于下述的实例。对于本技术领域的技术人员而言，在本发明专利的启示下，能够从本专利公开内容中直接导出联想一些原理相同的基本变形，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征相同的相互不同组合、相同或相似技术效果的技术特征简单改换，都属于本发明专利的保护范围。
以下为本发明的具体实施例。本发明提供的基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘装置，该装置的组成包括出水喷雾模块3、不锈钢胁迫振动室5和进水区8三个功能模块及其所含组成零件。其中进水区8主要包括水入口10及水泵9、球阀7，不锈钢胁迫振动室5主要包括超声波发生器11，超声波换能器12、不锈钢防爆堵头13及胁迫振动室5，出水喷雾模块3主要包括全金属雾化喷嘴1和不锈钢管件、连接件。整个装置按图1所示设置安装，使用过程中通水的部分装置利用不锈钢管件及不锈钢连接件紧密连接，超声波发生器11与超声波换能器12用航空插头与专用线缆进行紧密连接，超声波换能器12与不锈钢防爆堵头13用专用环氧树脂胶进行胶接固化连接。
在本实施例中，所用的超声波发生器为已量产的超声波功率源，其型号KY-12L，最大功率参数为600W且功率可调，使用电压220v/50Hz、设置使用时输出信号振荡频率为39.98KHz。所用的超声波换能器是已量产的频率型号为39.98KHz的换能器，型号为4938D-40LA。超声波换能器与不锈钢防爆堵头胶接面为直径49mm的圆面，其间固化的环氧树脂胶紧密且无气泡。
本发明所提出的进水区8中水源及水泵9产生水压控制在1.5千克/平方厘米～4.5千克/平方厘米之间，胁迫振动室5及出水喷雾模块3正常工作温度控制在20～60℃。两个雾化喷嘴间隔不低于80mm。
本装置工作过程：调整水源及水泵状态使装置内水压力在1.5千克/平方厘米～4.5千克/平方厘米之间，打开球阀，使水流入不锈钢胁迫振动室5和出水喷雾模块3并充满，经全金属雾化喷嘴1喷出形成稳定喷雾，直接喷射于大气中。打开超声波发生器11电源，调整输出功率至60W并启动输出功能。超声波发生器11、超声波换能器12经过电-高频信号-高频机械振动转换产生具有一定能量的高频振动，所述高频振动经过由不锈钢防爆堵头13构成的高频振动能量输入端与不锈钢胁迫振动室5传导到喷雾液体，同时利用胁迫振动室5中超声波换能器12引发的空化作用进一步使喷雾液体的微观动作复杂化、高能化。胁迫振动室5的高频振动也传导至出水喷雾模块使之具有一定能量的高频振动，保持其微观特性。喷雾液体经过胁迫振动室5的处理后，经过出水喷雾模块3形成直径主要为15-60微米喷雾喷射至大气中，经装置强化的喷雾液滴与大气中颗粒物进行碰撞、团聚、吸附、沉降等物理过程，将大气颗粒物等高效脱除。
Claims (6)
1.基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘方法，水源及水泵产生一定压力的水经过进水区、胁迫振动室及出水喷雾模块形成喷雾，直接喷射于大气中，同时由超声波发生器、超声波换能器经过电-高频信号-高频机械振动转换产生具有一定能量的高频振动，所述高频振动经过由不锈钢防爆堵头构成的高频振动能量输入端与胁迫振动室传导到喷雾液体，同时利用胁迫振动室中超声波换能器引发的空化作用进一步使喷雾液体的微观动作复杂化、高能化，胁迫振动室的高频振动也传导至出水喷雾模块使之具有一定能量的高频振动，喷雾液体经过胁迫振动室的处理后，经过出水喷雾模块形成液滴直径主要为15-60微米的具有高能量高频振动的喷雾喷射至大气中，喷雾与大气中颗粒物进行碰撞、团聚、吸附、沉降等物理过程，将大气颗粒物高效脱除。
2.如权利要求1所述基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘方法，其特征在于：其中所述的水源或水泵产生的水流压力控制在1.5千克/平方厘米～4.5千克/平方厘米，所述胁迫振动室及出水喷雾模块正常工作温度控制在20～60℃。
3.如权利要求1所述基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘方法，其特征在于：其中所述的超声波发生器采用的频率范围28～40kHz，所述的超声波换能器采用的频率范围28～40kHz，使用时所述超声波发生器及超声波换能器频率保持一致。
4.如权利要求1所述基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘方法，其特征在于：其中所述的不锈钢防爆堵头采用厚度为2.5mm以上的不锈钢防爆堵头。
5.如权利要求1所述基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘方法，其特征在于：其中所述的胁迫振动室和喷雾液体输出端连接的管材、接件均采用厚度大于2.5mm的不锈钢材料。
6.如权利要求1所述基于电-高频振动转化的超声波强化雾化喷淋除霾降尘方法，其特征在于：其中所述喷雾液体采用水。
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