CN108178232A - 一种对流式多齿状涡流场声空化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对流式多齿状涡流场声空化反应器，其在反应器的侧壁上自上而下分布多个超声换能器，在反应器的顶部和底部设置有多齿状涡流式进水管，多齿状涡流式进水管管体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/和外层管的出水管口为多齿状结构，水流经过上下对立设置的多齿状涡流式进水管的多齿状出口后形成上下相对的多齿状涡流，同时与水流方向垂直辐射的声波自反应器的侧壁沿反应器的径向传播，在液体中形成均匀、稳定的声场分布，使多齿状涡流式进水管产生的水力涡流场与超声换能器产生的声场联合形成混沌流场，并产生协同增效作用。

Description

一种对流式多齿状涡流场声空化反应器

技术领域

本发明属于液态流混沌反应器技术领域，尤其涉及一种对流式多齿状涡流场声空化反应器。

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，本发明提供了一种多齿状涡流式进水管3，其能够使出水形成多齿状涡流，提高声空化效果。

同时本发明还提供了利用上述多齿状涡流式进水管与超声换能器联合，使声波在涡流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的一种对流式多齿状涡流场声空化反应器。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种对流式多齿状涡流场声空化反应器，包括反应器，在反应器1的侧壁上自上而下分布多个超声换能器2，在反应器1的顶部和底部上开设有进水口，在反应器1的上侧壁开设有出水口，在顶部和底部的进水口上分别设置有多齿状涡流式进水管3，且顶部和底部的多齿状涡流式进水管3的出水端相对，多齿状涡流式进水管3的进水方向与反应器1的中心轴平行且与超声换能器2的声波传播方向相互垂直，使超声换能器2产生的声场与多齿状涡流式进水管3产生的涡流场联合形成混沌流场；

所述多齿状涡流式进水管3包括管体，所述管体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的出水管口为多齿状结构，使经过管体的出水在管口处形成多齿状涡流混沌场；所述的多齿状结构为矩形齿状、锯齿状、半椭圆齿状或者抛物线形齿状。

进一步限定，所述内层管31或/和外层管32为锯齿状，在管体的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，锯齿形管口的线性曲线为：

y＝±k(x-na)

其中：k为斜率，取值为0.577～1.732；a为齿间距，取值为20～25mm；n为锯齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为5.77～17.32mm。

进一步限定，所述内层管31或/和外层管32为半椭圆齿状，在管体的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，半椭圆齿的线性曲线为：

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。

进一步限定，所述内层管31或/和外层管32为抛物线形齿状，在管体的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，抛物线形齿的线性曲线为：

y＝±m(x-na)²

其中，m为常数，m＝0.5；a为两个抛物线形齿的顶点之间的距离，a＝11～12.6mm；n为抛物线形齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为15～20mm。

进一步限定，所述顶部和底部设置的多齿状涡流式进水管3的出水端之间的间距不小于50mm。

进一步限定，所述多齿状涡流式进水管3是并列设置在反应器1顶部或底部的多个，一个多齿状涡流式进水管3与相邻一个多齿状涡流式进水管3之间的水平间距不小于25mm。

进一步限定，所述多齿状涡流式进水管3的管体是直管或者弯管或者文丘里管或者同心套管。

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。

本发明提供的对流式多齿状涡流场声空化反应器，水流经过上下对立设置的多齿状涡流式进水管的多齿状出口后形成上下相对的多齿状涡流，同时与水流方向垂直辐射的声波自反应器的侧壁沿反应器的径向传播，声波在相对流动的多齿状涡流场中产生各个方向的散射与折射，涡流场分布在反应器的各个方向，进而保证在液体中形成均匀、稳定的声场分布，并加快声场的分布，使多齿状涡流式进水管产生的水力涡流场与超声换能器产生的声场联合形成混沌流场，并产生协同增效作用，可大大提高声空化降解有机污染物的效率。

附图说明

图1为对流式多齿状涡流场声空化反应器的结构示意图。

图2为实施例1中多齿状涡流式进水管3的结构示意图。

图3为实施例2中多齿状涡流式进水管3的结构示意图。

图4为实施例3中多齿状涡流式进水管3的结构示意图。

图5为实施例4中多齿状涡流式进水管3的结构示意图。

图6为实施例5中多齿状涡流式进水管3的结构示意图。

图7为实施例6中多齿状涡流式进水管3的结构示意图。

图8为实施例7中多齿状涡流式进水管3的结构示意图。

图9为实施例8中多齿状涡流式进水管3的结构示意图。

图10为实施例9中多齿状涡流式进水管3的结构示意图。

图11为实施例10中多齿状涡流式进水管3的结构示意图。

图12为多齿状涡流式进水管3所产生的涡流场图。

图13为涡流场中声传播图。

图14为涡流场中声传播指向性分析图。

图15为平面波声场图。

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，本实施例的对流式多齿状涡流场声空化反应器是由反应器1、多齿状涡流式进水管3、超声换能器2组成，在反应器1的顶部开设有4个进水口，相对应在反应器1的底部开设有4个进水口，在反应器1的上侧壁上开设有出水口，水流在反应器1内是从顶部和底部对向进水，上侧部出水，水流在反应器1内上下循环。在反应器1的顶部和底部的进水口上分别安装有4个并列的多齿状涡流式进水管3，多齿状涡流式进水管3的进水方向与反应器1的中心轴平行，通过连接管道与水泵连通。多齿状涡流式进水管3分别在反应器1的顶部和底部上关于中心对称分布，保证反应器1内的进水能够上下涌动，促进循环流动。多齿状涡流式进水管3之间的水平间距不小于25mm，在同一水平面上不会相互影响涡流的形成。顶部的多齿状涡流式进水管3的出水端距离底部的多齿状涡流式进水管3的出水端不小于50mm，保证对流的涡流不会产生较大的碰撞而改变涡流方向。在反应器1的侧壁上安装有超声换能器2，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内声波的辐射方向与水流的出射方向垂直，随着进水涡流上下循环扩散对声波进行折射和散射，使其快速分布均匀。

进一步说明，参见图2，本实施例的多齿状涡流式进水管3的管体出水端包括内外套接的内层管31和外层管32，呈阶梯状，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20mm，内层管31管口和外层管32管口均加工为抛物线型齿结构，使出水在管口处形成抛物线型涡流混沌场；多齿状涡流式进水管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抛物线型齿的线性方程为：

y＝m(x-na)²

m为常数，m＝0.5；a为两个抛物线形齿的顶点之间的距离，a＝11mm；n为抛物线形齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为15～20mm。

外层管32抛物线型齿的线性方程为：

y＝m(x-na)²

m为常数，m＝0.5；a为两个抛物线形齿的顶点之间的距离，a＝12.6；n为抛物线形齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为15～20mm。

对于多齿状涡流式进水管3管口的结构设计，为了使管口出水能够形成抛物线型涡流，对于抛物线形齿的齿高、齿宽等参数要求相对严格，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。抛物线形齿的在管口处形成凸齿还是凹齿取决于y的取值，若取值为正，则沿着水流方向形成凸齿；若取值为负，则沿着水流方向形成凹齿。

水流经反应器1上下相对设置的多齿状涡流式进水管3的双层抛物线形齿管口流出，在反应器1底部形成自下向上的快速移动的抛物线形齿形涡流，在反应器1顶部形成自上向下快速移动的抛物线形齿形涡流，上下移动的抛物线形齿形涡流在反应器1内快速流动形成上下循环的涡流混沌场，而超声换能器2产生的声波随着抛物线形齿形涡流扩散而急速传播，并在传播过程中由液体带动产生各个方向的散射和折射，可在液体中形成均匀、稳定的声场分布，避免形成驻波，进而在提高声空化降解有机污染物的效率。

实施例2

本实施例的对流式多齿状涡流场声空化反应器是由反应器1、多齿状涡流式进水管3、超声换能器2组成，在反应器1的顶部开设有2个进水口，相对应在反应器1的底部开设有2个进水口，在反应器1的上侧壁上开设有出水口，水流在反应器1内是从顶部和底部对向进水，上侧部出水，水流在反应器1内上下循环。在反应器1的顶部和底部的进水口上分别安装有多齿状涡流式进水管3，多齿状涡流式进水管3的进水方向与反应器1的中心轴平行，通过连接管道与水泵连通。多齿状涡流式进水管3分别在反应器1的顶部和底部上关于中心对称分布，保证反应器1内的进水能够分布均匀且上下涌动，促进循环流动。多齿状涡流式进水管3之间的水平间距为30mm，在同一水平面上不会相互影响涡流的形成。顶部的多齿状涡流式进水管3的出水端距离底部的多齿状涡流式进水管3的出水端为80mm，保证对流的涡流不会产生较大的碰撞而改变涡流方向。在反应器1的侧壁上安装有超声换能器2，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。

本实施例的多齿状涡流式进水管3的管体出水端包括内外套接的内层管31和外层管32，呈阶梯状，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20mm，参见图3，内层管31管口为平齐的圆形管口，外层管32管口加工为抛物线型齿结构，使出水在管口处形成抛物线型涡流混沌场；多齿状涡流式进水管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抛物线型齿的线性方程为：

y＝m(x-na)²

m为常数，m＝0.5；a为两个抛物线形齿的顶点之间的距离，a＝12.6；n为抛物线形齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为15～20mm。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例的多齿状涡流式进水管3的管体出水端包括内外套接的内层管31和外层管32，呈阶梯状，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18mm，参见图4，外层管32管口为平齐的圆形管口，内层管31管口加工为抛物线型齿结构，使出水在管口处形成抛物线型涡流混沌场；多齿状涡流式进水管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抛物线型齿的线性方程为：

y＝m(x-na)²

m为常数，m＝0.5；a为两个抛物线形齿的顶点之间的距离，a＝11.5；n为抛物线形齿的个数，当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为15～20mm。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例4

本实施例的多齿状涡流式进水管3的管体出水端分为内层管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15mm，参见图5，内层管31管口为平齐的圆形管口，外层管32管口加工为锯齿形结构，如图5所示，锯齿的顶角为120°；

在管体展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，外层32锯齿形管口的线性曲线为：

y＝-k(x-na)

其中：k为斜率，取值为1.732；a为齿间距，取值为22mm；n为锯齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为5.77～17.32mm。

水流从反应器1顶部和底部的多齿状涡流式进水管3的锯齿形管口对向流出，在反应器1内分别形成自下向上和自上向下对向流动的急速涡流，而超声换能器2产生的声波从垂直于涡流流动的方向的沿着反应器1径向辐射，随着对向急速流动的涡流扩散，声波向各个方向快速发生散射和折射，进而在液体中快速形成均匀、稳定的声场分布。

实施例5

本实施例的多齿状涡流式进水管3的管体出水端分为内层管31和外层管32，呈阶梯状，且外层管32管口距内层管31管口的水平距离为15mm，参见图6，内层管31管口和外层管32管口均加工有锯齿形结构，锯齿的展开顶角为60°。

以多齿状涡流式进水管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，内层的锯齿形管口的线性曲线为：

y＝k(x-na)

其中：k为斜率，取值为0.577；a为齿间距，取值为20mm，n为锯齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为5.77～17.32mm。

外层的锯齿形管口的线性曲线为：

y＝k(x-na)

其中：k为斜率，取值为1.732；a为齿间距，取值为20mm，n为锯齿的个数。当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为5.77～17.32mm。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例6

本实施例的多齿状涡流式进水管3的出水端分为管体的出水端分为内层管31和外层管32，呈阶梯状，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25mm，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，如图7所示，使出水在管口处形成半椭圆齿形涡流混沌场；多齿状涡流式进水管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：

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。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例7

本实施例的多齿状涡流式进水管3的出水端分为管体的出水端分为内层管31和外层管32，呈阶梯状，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20mm，内层管31管口为平齐的圆形管口，外层管32管口加工为内凹的半椭圆齿形结构，如图8所示，使出水在管口处形成半椭圆齿形涡流混沌场；多齿状涡流式进水管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：

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。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例8

本实施例的多齿状涡流式进水管3的出水端分为管体的出水端分为内层管31和外层管32，呈阶梯状，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20mm，外层管32和内层管31的管口均加工为半椭圆齿形结构，如图9所示，使出水在管口处形成半椭圆齿形涡流混沌场；多齿状涡流式进水管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的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。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例9

本实施例的多齿状涡流式进水管3的出水端分为管体的出水端分为内层管31和外层管32，呈阶梯状，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25mm，参见图10，外层管32管口加工为矩形齿状结构，矩形齿状的齿高为15mm，一个齿宽为5mm，齿数为14，均匀分布在管口处。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例10

本实施例的多齿状涡流式进水管3的出水端分为管体的出水端分为内层管31和外层管32，呈阶梯状，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25mm，参见图11，内层管31管口加工为矩形齿状结构，矩形齿状的齿高为10mm，一个齿宽为3mm，齿数为18，均匀分布在管口处。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

上述实施例1～10所述的多齿状涡流式进水管3的管体均可是直管或者弯管或者文丘里管或者同心套管等结构，管体的结构不同，对涡流的流速以及流动方向会产生影响，但是不会影响涡流的形成，因此，可以根据不同需求调整管体的结构。

为了验证本发明的声波能够随着多齿状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12和13以及14所示，将其与平面波声场(图15)进行比较。

由图12、13、14与图15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，当涡流形成时，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 (9)

1.一种对流式多齿状涡流场声空化反应器，包括反应器(1)，其特征在于，在反应器(1)的侧壁上自上而下分布多个超声换能器(2)，在反应器(1)的顶部和底部上开设有进水口，在反应器(1)的上侧壁开设有出水口，在顶部和底部的进水口上分别设置有多齿状涡流式进水管(3)，且顶部和底部的多齿状涡流式进水管(3)的出水端相对，多齿状涡流式进水管(3)的进水方向与反应器(1)的中心轴平行且与超声换能器(2)的声波传播方向相互垂直，使超声换能器(2)产生的声场与多齿状涡流式进水管(3)产生的涡流场联合形成混沌流场；

所述多齿状涡流式进水管(3)包括管体，所述管体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)的出水管口为多齿状结构，使经过管体的出水在管口处形成多齿状涡流混沌场；所述的多齿状结构为矩形齿状、锯齿状、半椭圆齿状或者抛物线形齿状。

2.根据权利要求1所述的对流式多齿状涡流场声空化反应器，其特征在于，所述内层管(31)或/和外层管(32)为锯齿状，在管体的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，锯齿形管口的线性曲线为：

y＝±k(x-na)

其中：k为斜率，取值为0.577～1.732；a为齿间距，取值为20～25mm；n为锯齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为5.77～17.32mm。

3.根据权利要求1所述的对流式多齿状涡流场声空化反应器，其特征在于，所述内层管(31)或/和外层管(32)为半椭圆齿状，在管体的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，半椭圆齿的线性曲线为：

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。

4.根据权利要求1所述的对流式多齿状涡流场声空化反应器，其特征在于，所述内层管(31)或/和外层管(32)为抛物线形齿状，在管体的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，抛物线形齿的线性曲线为：

y＝±m(x-na)²

其中，m为常数，m＝0.5；a为两个抛物线形齿的顶点之间的距离，a＝11～12.6mm；n为抛物线形齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为15～20mm。

5.根据权利要求1～4任一项所述的对流式多齿状涡流场声空化反应器，其特征在于，所述顶部和底部设置的多齿状涡流式进水管(3)的出水端之间的间距不小于50mm。

6.根据权利要求5所述的对流式多齿状涡流场声空化反应器，其特征在于，所述多齿状涡流式进水管(3)是并列设置在反应器(1)顶部或底部的多个，一个多齿状涡流式进水管(3)与相邻一个多齿状涡流式进水管(3)之间的水平间距不小于25mm。

7.根据权利要求6所述的对流式多齿状涡流场声空化反应器，其特征在于，所述多齿状涡流式进水管(3)的管体是直管或者弯管或者文丘里管或者同心套管。

8.根据权利要求7所述的对流式多齿状涡流场声空化反应器，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。

9.根据权利要求8所述的对流式多齿状涡流场声空化反应器，其特征在于，上下相邻超声换能器(2)之间的间距不小于50mm。