CN1094381C - 利用声音共振的物质混合装置 - Google Patents

Abstract

一种使气体与液体等两种物质相互混合的混合装置。该装置利用液体与气体混合后液体间的压力差产生共振，并因而产生声能，使气体微细破碎，从而有效地混合在液体中。并以涡流流动形式延长气体在液体中的滞留时间，使之更好地搅拌而更充分混合。利用由混合流体的流动与共鸣体积部的相互作用引发的共振所产生的声能，和因反射板及圆柱形棒的作用而以涡流形态喷出的混合流体引发的共振所产生的声能，可使气体无限制地微细化。

Description

利用声音共振的物质混合装置

                                    发明领域

本发明涉及利用声音共振使气体和液体等两种物质相互混合的混合装置。

                                    背景技术

混合装置是在啤酒发酵、微生物发酵、污水处理工程或其它化学工程中混合液体和固体或液体与气体等两种物质时使用的装置。为了提高两种物质混合效率，可使物质间的接触面积扩大或通过使平衡态的物质状态变成不稳定状态而使作为物质与物质的边界层的边界膜变薄，特别是在使混合在液体中的气体分散(atomize)时，由于液体与气体间的接触面积增加而使气体溶解度增加。

在William L.Drayer等人的名称为“用于使液体分散的振动装置(Vibratory apparatus for atomizing liquids)”的美国专利3108743号和Warren A.Blower等人的名称为“振动器(Vibrator)”的美国专利3917233号中都公开了所述混合装置中利用振动使物质分散的装置。

图1和图2示出了通过使透过气体的通气孔变小而使气体分散的混合装置。下面以将这种混合装置用于废水处理场所为例进行说明。

首先说明图1。图1A是现有混合装置的斜视图，图1B是沿图1A中III-III线的剖面图。如图1A、B所示，在压缩机(图中未示出)侧，通过连接口14和接头13将高压空气供给到管11内。所述管11由陶瓷或聚乙烯材料制成，制造时形成微细孔11a，将该管放入废水中。供给到所述管11中的空气一边通过所述管11的孔11a，一边分裂成细流进入废水中，借此使废水中的微生物发酵。

这种传统混合装置由在所述管11中形成的孔11a的大小确定供给废水的空气流的大小。可是，由于管11的孔11a的尺寸变小的范围有限，所以孔尺寸不能小到使用场所要求的程度。

另外，由于在废水中繁殖的水中植物堵塞所述管的微细孔，因此必须频繁地清洗该管。

接着说明图2。图2A是另一种现有混合装置的剖面图，图2B是图2A的平面图。如图2A、B所示，在压缩机(图中未示出)侧高压空气通过吸入口21a供入外罩21的内部，供给外罩21的空气一边通过网22和盖网23，一边分裂成细流进入废水中。这时，由于在外罩21的内部具有小珠24，所以所述小珠与压缩机(图中未示出)供给外罩21内部的空气一边直接碰撞，一边使压缩空气分裂成微细部分。

对于所述传统混合装置也存在网和盖网上形成的孔尺寸变小的程度受限制、因而流体混合效率低的缺点。

                                      发明概述

本发明是为了解决所述现有技术的问题而提出的，本发明的目的在于提供利用可提高流体间的混合效率的声音共振的混合装置，该装置利用流体与流体之间发生的共振的声能将所述流体破碎成微细部分。

为了达到所述目的，本发明包括：外罩，流入部和喷出部，所述外罩浸泡在第一流体中，具有用于形成有一定空间的空腔的侧面和在所述侧面的两端部相对配置的上部和下部，并使流入内部的第二流体与所述第一流体混合；所述流入部具有流入口，所述流入口形成在外罩的侧面上，它用于将所述具有一定压力的第二流体引入所述空腔内，所述流入部使所述第二流体利用流入所述流入口的第一流体而沿形成所述空腔的外罩侧面形成涡流，并流动；所述喷出部用于使第二流体微细破碎，该喷出部具有形成在所述外罩的上部的喷出口，所述外罩外部的第一流体流入所述喷出口中央部，所述喷出口中央部与所述外罩内部形成的涡流的中央部相对应，同时，在所述喷出口中央部，外罩内部的涡流形态的混合流体向外罩外部喷出，由于所述流入的第一流体与喷出的混合流体的压力差而发生共振，第二流体在所述共振引起的声能作用下被微细地破碎。

为了防止所述外罩的侧面阻碍所述外罩内部的沿外罩侧面以涡流形式流动的混合流体的流动，将所述腔的形状设置成圆柱形。

为使所述外罩内部的混合流体进一步以涡流形式正确流动，在外罩的下部设有向所述喷出口突出形成的引导柱。为使流入所述喷出口的外罩外部的第一流体不受阻力作用，使所述引导柱的形状为越接近喷出口侧其直径越小的喇叭状。

在所述上部开放形成所述喷出口，所述腔的直径越靠近喷出口侧越小。所述第二流体是气体，第一流体是液体，所述共振的频率F₁＝2000～3000Hz。

设该所述腔的直径为D₁，流入口的直径为D₃，流入流入口的第二流体的压力为Pin，喷出的第一流体的压力为Pout，则在流量为100-500l/min的范围内，H/D₁≈0.5-2，D₁/D₃≈5-8，ΔP(Pin-Pout)≤2巴。

本发明还提供一种利用声音共振的物质混合装置，包括：一外罩，其具有用于引入一第二流体的入口、一流路和一喷出口；和一共鸣体积部，其具有一空间，所述共鸣体积部设在与所述喷出口邻接的外罩上，所述空间通过所述喷出口与所述流路连通，其中，所述外罩浸入一第一流体中，从所述入口引入的所述第二流体在所述流路中与所述第一流体混合，并且，由从所述喷出口喷出的具有第一和第二流体的混合流体与所述共鸣体积部之间的相互作用产生共振，所述共振适合于改进所述第一流体和第二流体之间的混合。

所述流路的喷出口比吸入口更小，所述共鸣体积部形成圆柱形，与所述喷出口连通的共鸣体积部的开放部与从所述喷出口喷出的第一流体和第二流体混合后的混合流体的流动路线平行地形成。

所述流路具有弯曲的吸入流路和喷出流路，在所述吸入流路中具有用于通过流入到所述外罩的流路的第二流体使流动的第一流体以涡流形式移动的圆柱形棒。所述圆柱形棒与吸入流路之间形成的空间形状为环形。

在所述流路上具有使流过所述外罩流路的混合流体碰撞的板。

在所述外罩上具有用于调节流路的喷出口大小的调节螺钉。

所述第一流体是液体，第二流体是气体，吸入的气体压力为0.1-2巴，流量在100-500l/min范围内，共振频率F₂＝1000-5000Hz。

本发明的具有所述结构的混合装置可以使气体有效地混合在液体中，这种混合是利用因一边相反向流动，一边正面相接的液体与气体混合的液体间的压力差而发生的共振所产生的声能，将气体碎成微细部分实现的。

以涡流形式流动的混合流体延长了碎裂成微细部分的气体在液体中的滞留时间，使所述液体和气体进一步充分搅拌，液体与气体的物质输送阻力降低，从而使所述液体和气体混合更充分。

利用混合流体的流动与共鸣体积部的相互作用发生共振，利用共振产生的声能和反射板及圆形棒可使在涡流形式下喷出的混合流体发生共振，利用共振产生的声能使气体碎裂成微细部分，从而可使气体不受限制地碎成微细部分。

                              附图的简要说明

下面结合几个优选实施例对本发明进行说明，通过说明本发明的所述目的和其它特征及优点将更为清楚。

图1A是现有混合装置的斜视图；

图1B为图1A中沿III-III线剖切的剖面图；

图2A是另一现有混合装置的剖面图；

图2B是图2A的平面图；

图3A是本发明第一实施例的混合装置斜视图；

图3B是沿图3A中III-III线剖切的剖面图；

图4A是本发明第二实施例的混合装置剖面图；

图4B也是本发明第二实施例的混合装置剖面图；

图5A是本发明第三实施例的混合装置剖面图；

图5B是沿图5A中III-III线剖切的剖面图；

图6A是本发明第四实施例的混合装置斜视图；

图6B是为了显示出图6A中的混合装置内部而卸下侧板后的状态的斜视图；

图7是本发明第五实施例的混合装置剖面图。

                           优选实施方式的详细描述

下面参照附图更详细地说明本发明优选实施例的利用声音共振的物质混合装置。

本实施例以在废水处理厂对第一流体和第二流体进行混合的情况为例进行说明。对在废水处理厂中使用本实施例而言，所述第一流体是液体，第二流体是气体。

实施例一：

下面参照图3说明本发明的第一实施例。图3A是本发明第一实施例的混合装置的斜视图，图3B是沿图3A中III-III线剖切的剖面图。

提供一个浸泡在作为第一流体的液体中，并具有形成一定空间的空腔110的外罩100。该外罩100具有侧面120和在侧面120的上下端相对配置的下部130和上部140。由所述侧面120、下部130和上部140形成的空间即为所述空腔110。

在所述外罩100的侧面120上形成具有流入口125a的流入部125，作为第二流体的气体从压缩机(图中未示出)侧以一定压力通过所述流入口125a流入。由于流入部125形成在构成所述空腔110的外罩100的侧面120上，所以所述第二流体沿外罩100的侧面120形成涡流喷出，即流入部125沿空腔110的切线方向形成。

所述外罩100的上部140开放，实现具有喷出口145a的喷出部145的功能。即通过所述流入口125a流入空腔110的第二流体被混合在第一流体中后从开放的所述上部140的喷出口145a喷出。更详细地说明是：从压缩机(图中未示出)以一定压力Pin流入空腔110中的第二流体沿所述外罩100的侧面120以涡流(vortex)形式被所述喷出部145喷出，同时与存留在所述空腔110中的第一流体混合。即所述第一流体和第二流体混合后的混合流体被所述流体喷出部145喷出。这时由于被喷出部145喷出的涡流形式的混合流体的中央部的压力比其外侧的压力低，所以在外罩100外部的第一流体流入喷到外罩外部的涡流形式的混合流体的中央部分。

于是，在所述流入的第一流体和喷出的混合流体混合后进行螺旋运动的同时，由于喷出的混合流体和流入的第一流体的压力差而发生共振，使作为第二流体的气体被很微细地破碎并流入第一流体中，借此使第二流体与第一流体有效混合。

由于存在由所述共振引起的声能，因而提高了第二流体的传送效率。更详细地说明是：利用共振产生的声能可使第二流体很微细地破碎，从而使第一流体和第二流体的接触面积增加，碎成微细部分的第二流体与第一流体混合，混合流体在以涡流形式流动的同时上升，因此第二流体在第一流体中的滞留时间加长。另外，由于通过声能搅拌第一流体和第二流体，所以可降低第一流体和第二流体的物质传输阻力。通过这样的作用使第一流体和第二流体有效混合。

所述空腔110的形状为圆柱形，这样可以防止所述外罩的侧面对沿所述外罩104的侧面120以涡流形式喷出的混合流体的运动产生阻力。

假定由所述喷射出的混合流体和流入的第一流体的压差引起的共振的频率为F₁，作为由实验测定的值设与由所述腔内的摩擦引起的第二流体的转动速度减少相关的系数为K，媒质中的声速为C，腔的直径为D₁，流入流入口的第二流体的压力为Pin，喷出的第一流体的压力为Pout，则： $F_1=(K\·C)/(\mathrm{\π}\·D_1)\·\sqrt{(\mathrm{Pin}-\mathrm{Pout})/\mathrm{Pout}}--------\left(1\right)$

顺便指出，对在废水处理厂中使用的本实施例的混合装置而言，由于媒质是空气，所以C接近声速即340m/s。

这时，共振频率F₁最好为2000-3000Hz，以使所述共振频率F₁为2000-3000Hz为前提对外罩100进行设计。

即设空腔110的高为H，流入口125a的直径为D₃，则在流量100-500l/min的范围内，

如果对外罩100进行设计，使H＝30mm，D₁＝20mm，ΔP(Pin-Pout)≤2巴，D₁/D₃≈5-8，就可获得2000-3000Hz的共振频率F₁。最好将所述D₃设计为6mm。

采用按所述设计的混合装置的外罩100，其效果与现有的混合装置相比，使作为第二流体的气体的传送效率提高了30％左右。

气体的传送效率＝(吸收气体的质量/时间)/(供给气体的质量/时间)       ……(2)

实施例二：

下面参照图4说明本发明的第二实施例。图4A和图4B是本发明的第二实施例的混合装置的剖面图。本例与所述第一实施例的不同点在于第二实施例中的所述喷出口145a的直径D₂比所述空腔110的直径D₁更小。即，所述空腔110的直径越靠近喷出口145a侧越小。由于喷出口145a的直径D₂减小，被喷出口145a喷出的混合流体的压力与流入的第一流体间的压力差更大。因此可使第一流体和第二流体更好地混合。

所述喷出口145a可以如图4A所示与外罩100的侧面120的延长线成直线状，也可以如图4B所示与外罩100的侧面120的延长线成一定角度。更具体地说，图4A的喷出口145a呈在外罩100的侧面延长的形态，图4B的喷出口145a呈具有一定高度的形态。

实施例三：

下面参照图5说明本发明的第三实施列。图5A是本发明第三实施例的混合装置剖面图，图5B是沿图5A中III-III线的剖面图。本例与所述第一实施例的不同点是在所述外罩100的下部130的中央部分上形成有向所述喷出部145侧延长的引导柱135。该引导柱135可更正确地引导混合流体形成涡流。所述引导柱135呈圆形，对混合流体的运动不产生阻力。所述引导柱135形成越靠近所述喷出部145侧其直径越小的喇叭状。由于所述引导柱135形成喇叭状，所以流入所述喷出口145a的外罩100的外部的第一流体受到的阻力较小。

第三实施例的混合装置的外罩100，设其空腔110的高度为H，流入口125a的直径为D₃，腔110的直径为D₁，流入的第二流体压力为Pin，喷出的第一流体的压力为Pout，则在流量100-500l/min的范围内，

若设计外罩100使H＝30mm，D₁＝20mm，ΔP(Pin-Pout)≤2巴，D₁/D₃≈5-8，就可获得2000-3000Hz的共振频率F₁，与现有的混合装置相比，可以使作为第二流体的气体的传送效率增加150％。所述D₃最好按6mm设计。

下面说明具有发生单一频率的共振的圆筒形赫尔姆霍兹(Helmholtz)共振器的混合装置和从喷嘴喷射出的空气射流形式的混合装置。所述赫尔姆霍兹共振器的作为供给气体的第二流体的压力最好在1巴以下，流量在300l/min以下，空气喷出共振器的作为供给气体的第二流体的压力最好在3巴以上，流量在300l/min以下。

实施例四：

下面参照图6说明本发明的第四实施例。图6A是本发明第四实施例的混合装置斜视图，图6B是为了显示图6A的混合装置的内部而卸下侧板的斜视图。如图6A、6B所示，该混合装置具有一个浸泡在第一流体中的外罩200，该外罩有使作为第二流体的气体和作为第一流体的液体在一定压力下移动的流路210。所述外罩200具有形成流路210的壳体200a和与该壳体200a的两侧面相对配置结合的侧板200b。在邻接所述流路210的喷出口213的外罩200上具有与所述流路210的喷出口213连通的一定空间的共鸣体积部(Resonance Volume)220，所述共鸣体积部220呈圆筒形，利用其与被所述流路210的喷出口213喷出的混合流体的相互作用发生励振(excitation)，产生由共鸣产生的声能。由于利用所述声能搅拌第一流体和第二流体，所以使第一流体与第二流体的物质传送阻力降低，借此使第一流体和第二流体有效地混合。

所述流路210的喷出口213比吸入口215更小，在所述喷出口213的正下方形成共鸣体积部220。所述共鸣体积部220的开放部223与被所述喷出口213喷出的混合流体的移动路线平行地形成。这样做是为了利用所述混合流体励振共鸣体积部220。最好使所述共鸣体积部220的开放部223的宽度b₁与喷出口213的宽度b相同。

假定由所述喷出的第一流体与共鸣体积部的作用发生的共振频率为F₂，校正系数为K₁(＝0.7-0.75)，媒质中的声速为C，喷出口213的宽度为b，共鸣体积部220的体积为V时，则 $F_2=(C/2\mathrm{\π})\·\sqrt{[(K\·b)/V]}--------\left(3\right)$

顺便指出，对废水处理厂中使用的本实施例的混合装置而言，由于媒质是空气，所以C接近声速即340m/s。

这时，最好使共振频率F₂为1000-5000Hz。以使所述共鸣频率F₂为2000-3000Hz为前提，对外罩200和共鸣体积部220进行设计。

当被吸入口215吸入的第二流体压力为0.1-2巴，流量为100-500l/min，共振频率F₂为1000-5000Hz时，本实施例的混合装置与现有的混合装置相比，可以使作为第二流体的气体的传送效率大大增加。

第四实施例的混合装置在0.1-1.5巴的压力下容易发生共鸣现象。

实施例五：

下面参照图7对本发明第五实施例进行说明。图7是本发明的第五实施例的混合装置的剖面图。本例与第四实施例的不同点在于所述流路210具有以圆形配置，并具有弯曲的吸入流路210a和喷出流路210b。在所述吸入流路210a和喷出流路210b会合的外罩200的部分上设置向所述吸入流路210a延长的圆柱形棒230。所述圆柱形棒230是为了使由在一定压力下流入的第二流体使第一流体和第二流体混合后的流体以涡流形式移动。这时所述圆柱形棒230与吸入流路210a之间的空间形成的形状是环状。借此，使沿所述流路210的吸入流路210a流动的混合流体在涡流形态下流动。由于采用圆形棒230和圆形吸入流路210a，所以对在涡流形式下流动的混合流体的运动不产生阻力。

在所述外罩100上装有调节螺钉250，借助于凸出在所述喷出口213侧的调节螺钉250的凸出长度X可以调节喷出口213的大小。

另外，在所述吸入流路210a与喷出流路210b会合的外罩200的部分上设有使通过所述圆形棒230的液体正面相撞后流向所述喷出流路210b侧的板240。

假定通过所述圆柱形棒230的第一流体在正面冲击到所述板240后发生的共振频率为F₃，媒质中的声速为C，流入的第二流体与第一流体的压力差为ΔP，共鸣部的高度为H₁，共鸣部的直径为Dres，涡流发生的流路侧的直径为Dr，从喷出口到共鸣部的开放部的距离为L₁时，则：

F₃＝[0.78·(ΔP-0.93)^1/3·C]/[4·H₁+0.4L₁+(Dres-Dr)·{0.4-(0.2·H₁)/Dr}]     ……(4)

顺便指出，所述流路侧的直径Dr是图7中所示的圆柱形棒的直径。对废水处理厂中使用本例中的混合装置而言，由于媒质是空气，所以C接近声速即340m/s。

此时，最好共振频率F₃为1000-5000Hz，以使所述共振频率F₃为2000-3000Hz为前提对外罩200和共鸣体积部220进行设计。当被吸入口225吸入的第二流体的压力为0.1-2巴，流量为100-500l/min，共振频率F₃为1000-5000Hz时，与现有混合装置相比，本实施例的混合装置可以显著提高作为第二流体的气体的传送效率。

由于空气喷出引起的共鸣现象在3巴以上的高压情况下容易发生，而由共鸣体积部220引起的共鸣现象在2巴以下的低压情况下容易发生，因此第五实施例的混合装置即使在流体压力从高压到低压或从低压到高压变化时仍可以使用。

如上所述，本发明的混合装置可利用在相反方向流动同时正面相遇的液体与气体混合后的液体间的压力差产生共振，由该共振产生声能，该声能使气体破碎得很微细，从而使气体有效地混合在液体中。

另外，通过以涡流形式流动的混合流体，延长被破碎得很微细的气体在液体中的滞留时间，使液体和气体更好地搅拌，减小了液体和气体的物质传送阻力，从而使液体和气体更充分地混合。

另外，利用由混合流体的流动与共鸣体积部的相互作用引发的共振所产生的声能，和因反射板及圆柱形棒的作用而以涡流形态喷出的混合流体引发的共振所产生的声能，将气体破碎成非常微细，这样可使气体无限制地微细化。

虽然上面通过实施例对本发明进行了详细说明，但本发明不受所述实施例的限制，本领域普通技术人员在不超出本发明的构思和范围的前提下，可对本发明作出种种修改或改型。

Claims (14)

1.一种利用声音共振的物质混合装置，其特征在于所述利用声音共振的物质混合装置包括：

外罩，所述外罩浸泡在第一流体中，具有用于形成有一定空间的空腔的侧面和在所述侧面的两端部相对配置的上部和下部，并使流入内部的第二流体与所述第一流体混合；

流入部，所述流入部具有流入口，所述流入口形成在外罩的侧面上，它用于将所述具有一定压力的第二流体引入所述空腔内，所述流入部使所述第二流体利用流入所述流入口的第一流体而沿形成所述空腔的外罩侧面形成涡流，并流动；

喷出部，所述喷出部用于使第二流体微细破碎，该喷出部具有形成在所述外罩的上部的喷出口，所述外罩外部的第一流体流入所述喷出口中央部，所述喷出口中央部与所述外罩内部形成的涡流的中央部相对应，同时，在所述喷出口中央部，外罩内部的涡流形态的混合流体向外罩外部喷出，由于所述流入的第一流体与喷出的混合流体的压力差而发生共振，第二流体在所述共振引起的声能作用下被微细地破碎。

2.如权利要求1所述的利用声音共振的物质混合装置，其特征在于为防止所述外罩侧面阻碍所述外罩内部的、沿所述外罩侧面以涡流形式流动的混合流体的流动，将所述腔的形状设置成圆柱形。

3.如权利要求1所述的利用声音共振的物质混合装置，其特征在于为使所述外罩内部的混合流体进一步以涡流形式正确流动，在外罩下部设有向所述喷出口突出形成的引导柱。

4.如权利要求3所述的利用声音共振的物质混合装置，其特征在于为使流入所述喷出口的所述外罩外部的第一流体不受阻力作用，所述引导柱为越接近喷出口侧其直径越小的喇叭状。

5.如权利要求2或3所述的利用声音共振的物质混合装置，其特征在于所述上部开放形成所述喷出口，所述腔的直径越靠近喷出口越小。

6.如权利要求5所述的利用声音共振的物质混合装置，其特征在于所述第二流体是气体，第一流体是液体，所述共振的频率F₁＝2000～3000Hz。

7.如权利要求6所述的利用声音共振的物质混合装置，其特征在于设所述腔的直径为D₁，所述流入口的直径为D₃，流入流入口的第二流体的压力为Pin，喷出的第一流体的压力为Pout，则在流量100-500l/min的范围内，H/D₁≈0.5-2，D₁/D₃≈5-8，ΔP(Pin-Pout)≤2巴。

8.一种利用声音共振的物质混合装置，包括：

一外罩，其具有用于引入一第二流体的流入口、一流路和一喷出口；和

一共鸣体积部，其具有一空间，所述共鸣体积部设在与所述喷出口邻接的外罩上，所述空间通过所述喷出口与所述流路连通，

其中，所述外罩浸入一第一流体中，从所述流入口引入的所述第二流体在所述流路中与所述第一流体混合，并且，由从所述喷出口喷出的具有第一和第二流体的混合流体与所述共鸣体积部之间的相互作用产生共振，所述共振适合于改进所述第一流体和第二流体之间的混合。

9.如权利要求8所述的利用声音共振的物质混合装置，其特征在于所述流路喷出口比吸入口更小，所述共鸣体积部呈圆柱形，与所述喷出口相连通的共鸣体积部的开放部与从所述喷出口喷出的第一流体和第二流体混合后的混合流体的移动路线平行地形成。

10.如权利要求8所述的利用声音共振的物质混合装置，其特征在于所述流路具有弯曲的吸入流路和喷出流路，在所述吸入流路中具有用于通过流入到所述外罩的流路的第二流体使流动的第一流体以涡流形式移动的圆柱形棒。

11.如权利要求10所述的利用声音共振的物质混合装置，其特征在于所述圆柱形棒与吸入流路之间的空间形成环状。

12.如权利要求10所述的利用声音共振的物质混合装置，其特征在于在所述流路上具有使流过所述外罩的流路的混合流体正面相撞的板。

13.如权利要求8所述的利用声音共振的物质混合装置，其特征在于在所述外罩上具有用于调节流路的喷出口大小的调节螺钉。

14.如权利要求9或10所述的利用声音共振的物质混合装置，其特征在于所述第一流体是液体，第二流体是气体，吸入的气体压力为0.1-2巴，流量在100-500l/min范围内，共振频率F₂＝1000-5000Hz。

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