行波型超聲反應器的製作方法

2023-06-05 01:14:26 4

專利名稱：行波型超聲反應器的製作方法
技術領域：
本發明的行波式超聲反應器，涉及一種利用超聲空化效應處理液體的裝置。

背景技術：
超聲反應器利用超聲空化效應所產生的局部高溫高壓對液體如水進行處理。超聲反應器系統在結構上包括箱體、箱體中的被處理液體、對被處理液體施加超聲波的超聲換能器、以及超聲換能器的驅動電路。它在飲用水消毒殺菌、飲用水中致癌物質的分解、廢水的消毒殺菌、廢水中有機物的分解、化學合成和結晶過程的物理催化、發酵過程的加速、生物質氣體和液體燃料的生產等方面有著巨大的應用前景。現有的超聲反應器的工作原理，如參考文獻(T.J.Mason，J.P.Lorimer，Applied Sonochemistry，Wiley-VCH，Weinheim，2002)所述，主要是利用箱體中的駐波超聲場來引起聲空化效應。採用這種方式其超聲場的聲壓幅值在空間上不均勻，存在著聲壓節點和反節點。在聲壓節點上聲壓幅值為零，而在聲壓反節點上聲壓幅值為最大。由於這個原因，會出現聲壓反節點附近的液體被過度地聲處理、聲壓節點附近的液體不能被充分處理的現象。這會導致聲處理的不均勻和聲能利用率低的問題。


發明內容
為了克服現有超聲反應器的聲處理不均勻和聲能利用率低的問題，本發明專利提供新的超聲反應器，該超聲反應器利用均勻的超聲場對其中的液體進行聲處理，以實現聲反應器的均勻聲處理和提高聲反應器中聲能的利用率。
一種行波式超聲反應器，其特徵在於包括盛放被處理液體的箱體、至少一對超聲換能器、以及超聲換能器驅動電路；上述每對超聲換能器均由分別設置在兩相對箱壁上的第一換能器和第二換能器組成，且第一和第二超聲換能器滿足以下條件第一和第二換能器聲輻射面在空間上相互正對，具有相同的結構和尺寸，所施加的交流驅動電壓具有相同的頻率f、幅值以及90°的時間相位差，第一和第二換能器聲輻射面之間的距離d滿足d＝(2m+1)c/(4f)，其中c是被處理液體的聲速，f為交流驅動電壓頻率，m為大於等於0的自然數。為了保證超聲場聲能密度的均勻性，每對超聲換能器所產生的行波超聲場處於平行狀態並無交叉部分。
上述的行波式超聲反應器可用浸入式平板超聲換能器，或具有平板輻射面的插入式朗之文(Langevin)超聲換能器。
在上述工作條件得到滿足時，第一和第二超聲換能器在它們之間的液體中產生的超聲駐波在時間和空間上皆有90°的相位差，它們疊加後會產生一運行於第一和第二超聲換能器之間的超聲行波。
聲反應器利用行波超聲場來工作，各場點雖然有不同的時間相位，但理論上卻具有相同的聲壓幅值。由於液體中聲空化效應的強度只取決於聲壓的幅值，和聲壓的相位無關，因而行波超聲場中的聲空化效應比駐波超聲場中的聲空化效應更均勻。
通過利用超聲反應器箱體中的超聲行波使得超聲反應器箱體中的聲能密度更加均勻，進而使得超聲反應器的聲處理更加均勻、聲場的能量利用率更高。超聲反應器在聲處理均勻性和聲能利用率方面的性能可用聲場的不均勻性指數NUI來表示 其中pa是場點的聲壓幅值，pam是pa的空間平均值，V0是聲場的體積。聲場的不均勻性指數NUI越小，超聲反應器在聲處理均勻性和聲能利用率方面的性能就越好。傳統的駐波型超聲反應器的NUI是0.447.理論計算表明本發明專利可以把NUI指數減少到0.07。



圖1實施例1的超聲反應器箱體和換能器的結構圖；其中圖1(a)是超聲反應 器的剖面圖，圖1(b)是超聲反應器的俯視圖。
圖2實施例2的超聲反應器箱體和換能器的結構圖；其中圖2(a)是超聲反應器的剖面圖，圖2(b)是超聲反應器的俯視圖。
圖中標號名稱1、被聲處理的液體，2、第一換能器，3、第一壁面，4、箱體，5、液體中的行波聲場，6、第二換能器，7、第二壁面，8、第一換能器的輻射面，9、第二換能器的輻射面。
具體實施方案 實施例一的超聲反應器如圖1所示。
帶有一對浸入式平板超聲換能器的超聲反應器的長方形金屬箱體3中裝有被處理的水。第一浸入式平板超聲換能器和第二浸入式平板超聲換能器被分別固定在箱體1的第一壁面3和第二壁面7上。第一換能器2和第二換能器6為平板超聲換能器，第一換能器的輻射面8和第二換能器的輻射面9相互正對。第一和第二超聲換能器具有相同的結構、尺寸和材料。加在第一和第二換能器上的交流驅動電壓具有相同的頻率f、幅值以及90°的時間相位差。第一和第二換能器的聲輻射面之間的距離d滿足d＝(2m+1)c/(4f)，其中m＝8，c是水的聲速(＝1500m/s)。在上述條件下，第一和第二換能器之間會形成一個超聲行波。
長方形金屬箱體的內部尺寸是33.88cm(長)×13cm(寬)×36cm(高)。箱體中水的高度是31cm.第一和第二浸入式平板超聲換能器2和6的尺寸是30cm(高)×12cm(寬)×1cm(厚)，工作頻率f是20kHz，工作電壓是65Vrms。
本實施例中，根據有限元計算(COMSOL MULTIPHYSICS)獲得的超聲場不均勻性指數NUI的理論值為0.07，遠遠小於傳統的駐波型超聲反應器的NUI(＝0.447)。在有限元計算中，利用該軟體聲學模塊中的諧波分析功能(Harmonics Analyses，Acoustics Module)；聲場的吸收係數為1.0×10-51/m；超聲場被假定為線性場。這表明在超聲反應器中利用單個行波超聲場能大大地提高超聲處理的均勻性和聲能的利用率。
實施例二的超聲反應器如圖2所示。
帶有兩對浸入式平板超聲換能器的超聲反應器的長方形金屬箱體中裝有被處理的水。兩個第一浸入式平板超聲換能器和兩個第二浸入式平板超聲換能器被分別固定在箱體1的第一壁面3和第二壁面7上。每對換能器的第一換能器和第二換能器的輻射面相互正對。第一和第二超聲換能器具有相同的結構和尺寸。加在第一和第二換能器上的交流驅動電壓具有相同的頻率f、幅值以及90°的時間相位差。第一和第二換能器的聲輻射面之間的距離d滿足d＝(2m+1)c/(4f)，其中m＝8，c是水的聲速(＝1500m/s)。在上述條件下，每對換能器形成的超聲行波相互平行。
長方形金屬箱體1的內部尺寸是33.88cm(長)×26cm(寬)×36cm(高)。箱體中水的高度是31cm.第一和第二浸入式平板超聲換能器的尺寸是30cm(高)×12cm(寬)×1cm(厚)，工作頻率f是20kHz，工作電壓是65Vrms。
本實施例中，根據有限元計算(COMSOL MULTIPHYSICS)獲得的超聲場不均勻性指數NUI的理論值為0.12，遠遠小於傳統的駐波型超聲反應器的NUI(＝0.447)。在有限元計算中，利用該軟體聲學模塊中的諧波分析功能(HarmonicsAnalyses，Acoustics Module)；聲場的吸收係數為1.0×10-5l/m；超聲場被假定為線性場。這表明在超聲反應器中利用多個行波超聲場也能大大地提高其超聲處理的均勻性和聲能的利用率。
權利要求
1.一種行波型超聲反應器，其特徵在於包括盛放被處理液體的箱體(3)、至少一對超聲換能器、以及超聲換能器驅動電路；上述每對超聲換能器均由分別設置在兩相對箱壁上的第一換能器(2)和第二換能器(6)組成，且第一和第二超聲換能器滿足以下條件第一和第二換能器聲輻射面在空間上相互正對，具有相同的結構和尺寸，所施加的交流驅動電壓具有相同的頻率f、幅值以及90°的時間相位差，第一和第二換能器聲輻射面之間的距離d滿足d＝(2m+1)c/(4f)，其中c是被處理液體的聲速，f為交流驅動電壓頻率，m為大於等於0的自然數；為了保證超聲場聲能密度的均勻性，每對超聲換能器所產生的行波超聲場處於平行狀態並無交叉部分。
2.根據權利要求1所述的行波型超聲反應器，其特徵在於所述超聲換能器為浸入式平板超聲換能器。
3.根據權利要求1所述的行波型超聲反應器，其特徵在於所述超聲換能器為具有平板輻射面的插入式朗之文超聲換能器。
全文摘要
本發明涉及一種行波型超聲反應器，涉及一種利用超聲空化效應處理液體的裝置。包括盛放被處理液體的箱體(3)、至少一對超聲換能器、以及超聲換能器驅動電路；上述每對超聲換能器均由分別設置在兩相對箱壁上的第一換能器(2)和第二換能器(6)組成，利用在空間上有90°相位差、時間上也有90°相位差的超聲駐波的疊加，在反應器箱體中形成超聲行波。聲反應器利用行波超聲場來工作，各場點雖然有不同的時間相位，但理論上卻具有相同的聲壓幅值。由於液體中聲空化效應的強度只取決於聲壓的幅值，和聲壓的相位無關，因而行波超聲場中的聲空化效應比駐波超聲場中的聲空化效應更均勻。
文檔編號B01J19/10GK101811751SQ20101015105
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月15日 優先權日2010年4月15日
發明者胡俊輝, 姚志遠, 楊穎 , 趙淳生 申請人:南京航空航天大學