CN108101150A - 一种涡流场的声化学反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡流场的声化学反应器，属于液态流混沌反应器技术领域，该反应器包括涡流管，涡流管的出水端包括内外套接的内层管和外层管，沿着水流方向，外层管管口距内层管管口的水平距离为15～25mm，内层管或/和外层管的管口均加工为半椭圆齿形结构，使出水在管口处形成半椭圆齿形涡流混沌场；与涡流流动方向垂直的超声波在半椭圆齿形涡流扰动作用下产生各个方向的散射和折射，会在液体中形成比较具有均匀、稳定的声场分布，即超声换能器产生的声场与涡流管产生的水力涡流场联合形成混沌流场，产生协同增效作用，大大提高声空化降解有机污染物的效率。

Description

一种涡流场的声化学反应器
技术领域
本发明属于液态流混沌反应器技术领域，尤其涉及一种利用水力涡流场空化和声场混沌的涡流空化声化反应器。
技术背景
据联合国调查，我国是世界上十三个贫水国之一，目前，全国年用水总量近6200亿立方米，正常年份缺水500多亿立方米，随着经济社会发展和全球气候变化影响加剧，水资源供需矛盾将更加尖锐,一方面许多水资源无法再利用，加重了水资源的匮乏程度，另一方面环境的可持续利用和经济的可持续发展严重被影响.因此，解决水环境污染的危害与防治具有十分重要的现实意义。
随着现代工业的发展,工业废水已成为水体污染的主要来源。尽管水处理技术取得长足进步,尤其是微生物处理技术的发展,已广泛应用于水处理的各个领域,然而工业废水中大量复杂持久性难降解有机污染物仅靠生物处理很难完全降解,为此各种处理技术手段应运而生。
物理方法进行水处理，由于不产生二次污染，被称为“绿色水处理”，受到了广泛的关注。其中的空化法，因可以廉价简易地集高温、高压、机械剪切和破碎为一体，为物理方法进行有机污染物降解和水体净化处理创造了特殊的形式，声空化法就是其中的代表。
声空化法就是液体中的微气泡在声波作用下经过膨胀，压缩及崩溃产生高活性的自由基，这些自由基尤其是羟基自由基不加选择地氧化有机污染物，达到降解的目的。但声波在液体中传播会产生驻波，驻波声场的存在会在液体中形成盲区，如何最大程度地减少或消除驻波,以形成均匀、稳定的声场分布是提高处理效率的关键。本发明将解决这个问题。
发明内容
为了克服上述现有技术所存在的不足，本发明提供了一种能够使水流形成半椭圆齿形涡流混沌场的涡流管。
同时本发明还提供了利用上述涡流管形成半椭圆齿形涡流混沌与声空化联合反应场的一种涡流场的声化学反应器，使声波在涡流空化场中传播产生各个方向的散射和折射，在液体中形成均匀、稳定的声场分布，进而可大大提高声空化降解有机污染物的效率。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种涡流管，该涡流管3的出水端包括内外套接的内层管31和外层管32，沿着水流方向，外层管32管口距内层管31管口的水平距离为15～25mm，内层管31或/和外层管32的管口均加工为半椭圆齿形结构，使出水在管口处形成半椭圆齿形涡流混沌场；涡流管3的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，半椭圆齿的线性方程为：
其中：b为半椭圆的长半轴，即半椭圆齿的齿高，b＝10～20mm，a为半椭圆的短半轴，即半椭圆齿的齿根部半宽度，a＝5～10mm。
本发明还提供了一种涡流场的声化学反应器，包括反应器1，在反应器1的底部开设有进水口、上部侧壁开设有出水口，在进水口上安装有权利要求1所述的涡流管3，涡流管3的出水方向与反应器1的轴线平行，在反应器1的侧壁自上而下分布多个超声换能器2，超声换能器2产生的声场与涡流管3产生的半椭圆齿形涡流混沌场联合形成混沌流场。
进一步限定，所述涡流管3是多个，均匀分布在反应器1的底部。
进一步限定，一个涡流管3与相邻一个涡流管3之间的间距是不小于25mm。
进一步限定，所述超声换能器2在反应器1的侧壁上沿着周向均匀分布。
进一步限定，上下相邻超声换能器2之间的间距不小于50mm。
本发明提供的涡流场的声化学反应器，水流经过涡流管的半椭圆齿形出口后形成半椭圆齿形涡流混沌场，当液体中产生涡流时，会成液体密度的不均匀性，与涡流流动方向垂直的超声波在半椭圆齿形涡流扰动作用下产生各个方向的散射和折射，会在液体中形成比较具有均匀、稳定的声场分布，即超声换能器产生的声场与涡流管产生的水力涡流场联合形成混沌流场，产生协同增效作用，大大提高声空化降解有机污染物的效率。
附图说明
图1为涡流场的声化学反应器的结构示意图。
图2为图1中涡流管3的结构示意图。
图3为图2的涡流管3所产生的涡流场图。
图4为实施例2的涡流管3的结构示意图。
图5为实施例3的涡流管3的结构示意图。
图6为平面波声场图。
图7为涡流场中声传播图。
图8为涡流场中声传播指向性分析图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例的涡流场的声化学反应器是由反应器1、涡流管3、超声换能器2组成，反应器1是个顶部敞口的圆筒结构，在其上部侧壁上加工有出水口，在反应器1的底部加工有多个进水口，在进水口上安装有涡流管3，涡流管3的出水方向与反应器1的轴线平行，通过涡流管3与水泵连通。超声换能器2安装在反应器1的侧壁上，其声波传播方向与涡流流动方向垂直。本实施例的超声换能器2是自上而下分布多层，上下层的相邻超声换能器2之间的最小间距是50mm，每一层上至少设置两个，且分布在同一层的超声换能器2关于反应器1中心对称，使反应器1内声波的出射方向与水流的出射方向向垂直，随着自下而上的涡流扩散对声波进行折射和散射，使其分布均匀。
进一步说明，参见图2，本实施例的涡流管3的出水端分为内外套接的内层管和外层管，呈阶梯状，且外层管32管口距内层管31管口的水平距离为20mm，内层管31管口和外层管32管口均加工有半椭圆齿形结构，使出水在管口处形成半椭圆齿形涡流混沌场；涡流管3的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，外层管32半椭圆齿的线性方程为：
b为b为半椭圆的长半轴，即半椭圆齿的齿高，b＝20mm，a为半椭圆的短半轴，即半椭圆齿的齿根部半宽度，a＝10mm。
内层管31半椭圆齿的线性方程为：
b为半椭圆的长半轴，即半椭圆齿的齿高，b＝10mm，a为半椭圆的短半轴，即半椭圆齿的齿根部半宽度，a＝5mm。
对于涡流管3管口的结构设计，为了使管口出水能够形成半椭圆齿形涡流，对于半椭圆齿的齿高、齿宽要求相对严格，在上述参数范围内可适当调整，若齿高、齿宽太大或太小都不能形成很好的适于声波扩散的涡流，不能与声波产生协同增效作用。
水流从多个涡流管3的内外双层半椭圆齿管口流出，在反应器1底部形成自下向上的半椭圆齿形涡流，如图3所示，在反应器1内形成自下向上流动，而超声换能器2产生的声波随着半椭圆齿形涡流扩散而向各个方向发生散射和折射，进而在液体中形成均匀、稳定的声场分布，有效避免形成驻波，进而提高声空化降解有机污染物的效率。
实施例2
本实施例的涡流场的声化学反应器是由反应器1、涡流管3、超声换能器2组成，反应器1是个顶部敞口的圆筒结构，在其上部侧壁上加工有出水口，在反应器1的底部加工有进水口，在进水口上安装有涡流管3，涡流管3的出水方向与反应器1的轴线平行，通过涡流管3与水泵连通。超声换能器2安装在反应器1的侧壁上，其声波传播方向与水流方向垂直。本实施例的超声换能器2是自上而下分布多层，上下层的相邻超声换能器2之间的间距是70mm，每一层上设置4个，且分布在同一层的4个超声换能器2在同一圆周上均匀分布，两两相对。
进一步说明，本实施例的涡流管3的出水端分为内外套接的内层管和外层管，呈阶梯状，且外层管32端口距内层管31端口的水平距离为15mm，呈阶梯状。内层管31管口为平齐的圆形管口，外层管32管口加工为半椭圆齿形结构，如图4所示，涡流管3的展开图中以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，外层管32半椭圆齿的线性方程为：
b为半椭圆的长半轴，即半椭圆齿的齿高，b＝15mm，a为半椭圆的短半轴，即半椭圆齿的齿根部半宽度，a＝8mm。
实施例3
本实施例的涡流场的声化学反应器是由反应器1、涡流管3、超声换能器2组成，反应器1是个顶部敞口的圆筒结构，在其上部侧壁上加工有出水口，在反应器1的底部加工有进水口，在进水口上安装有涡流管3，涡流管3的出水方向与反应器1的轴线平行，通过涡流管3与水泵连通。超声换能器2安装在反应器1的侧壁上，其声波传播方向与水流方向垂直。本实施例的超声换能器2是自上而下分布多层，上下层的相邻超声换能器2之间的间距是55mm，每一层上设置4个，且分布在同一层的4个超声换能器2在同一圆周上均匀分布，两两相对。
进一步说明，本实施例的涡流管3的出水端分为内外套接的内层管和外层管，呈阶梯状，外层管32管口为平齐的圆形管口，内层管31管口加工为半椭圆齿形结构，外层管32管口距内层管31管口的水平距离为25mm，内层管31管口加工为半椭圆齿形结构，如图5所示，涡流管3的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，内层管31半椭圆齿的线性方程为：
b为半椭圆的长半轴，即半椭圆齿的齿高，b＝12mm，a为半椭圆的短半轴，即半椭圆齿的齿根部半宽度，a＝5mm。
为了验证本发明的声波能够随着半椭圆齿形涡流扩散而形成均匀、稳定的声场，发明人通过多功能场(comsol)软件对涡流场中声传播进行模拟，并对其声场的指向性进行分析，结果如图6和7所示，将其与平面波声场(图8)进行比较。
由图6、7与图8对比可知，在涡流场附近已经看不到平面波的影子，表明声波的传播方向发生了巨大的改变，声场已经处于混乱状态，各个方向都存在波的叠加，驻波现象得到明显的遏制，从指向性上也表明，声波不再具有在某个方向上具有很强的传播特性，而是在各个方向都具有一定的传播特征。因此说明，当半椭圆齿形涡流场形成时，该涡流场被声波包围时，这时由于发生了声波的散射和折射现象，声传播特性发生更加明显的变化，其分布更均匀。

Claims (6)

1.一种涡流管，其特征在于，该涡流管(3)的出水端包括内外套接的内层管(31)和外层管(32)，沿着水流方向，外层管(32)管口距内层管(31)管口的水平距离为15～25mm，内层管(31)或/和外层管(32)的管口均加工为半椭圆齿形结构，使出水在管口处形成半椭圆齿形涡流混沌场；涡流管(3)的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，半椭圆齿的线性方程为：
<mrow> <mi>y</mi> <mo>=</mo> <mo>&amp;PlusMinus;</mo> <mi>b</mi> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>-</mo> <mi>n</mi> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow> </msqrt> </mrow>
其中：b为半椭圆的长半轴，即半椭圆齿的齿高，b＝10～20mm，a为半椭圆的短半轴，即半椭圆齿的齿根部半宽度，a＝5～10mm。
2.一种涡流场的声化学反应器，包括反应器(1)，其特征在于，在反应器(1)的底部开设有进水口、上部侧壁开设有出水口，在进水口上安装有权利要求1所述的涡流管(3)，涡流管(3)的出水方向与反应器(1)的轴线平行，在反应器(1)的侧壁自上而下分布多个超声换能器(2)，超声换能器(2)产生的声场与涡流管(3)产生的半椭圆齿形涡流混沌场联合形成混沌流场。
3.根据权利要求2所述的涡流场的声化学反应器，其特征在于，所述涡流管(3)是多个，均匀分布在反应器(1)的底部。
4.根据权利要求2所述的涡流场的声化学反应器，其特征在于，一个涡流管(3)与相邻一个涡流管(3)之间的间距是不小于25mm。
5.根据权利要求2所述的涡流场的声化学反应器，其特征在于，所述超声换能器(2)在反应器(1)的侧壁上沿着周向均匀分布。
6.根据权利要求2所述的涡流场的声化学反应器，其特征在于，上下相邻超声换能器(2)之间的间距不小于50mm。
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