CN104645916A - 一种近声场超声波反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声波振动的发生和传递技术领域，尤其涉及一种高效利用超声波能量的一种近声场超声波反应器。包括：超声振管，超声内反射管，超声外反射管，超声变幅杆，连接超声变幅杆法兰，超声变幅杆法兰，固定变幅杆套管，固定内反射管肋板，内反射管分流锥头，外反射管法兰等。本发明所述超声反应器设备是一种结构简单、运行中免维护、超声能量利用率高、超声波辐射面积大、辐射声强均匀、耗电低、节能环保的高效利用超声波能量的一种近声场超声波反应器。本发明不但有效利用了超声振管的内面和外面的两面辐射能量，而且有效利用了内侧和外侧反射的超声能量，适合于连续生产的工业流程中。这是一般平行板式超声反应器所不及的。
Description
技术领域
本发明涉及超声波振动的发生和传递技术领域，尤其涉及一种高效利用超声波能量的一种近声场超声波反应器。
背景技术
随着超声波技术的发展，超声化学作为一个新的化学分支开始形成。超声化学的出现引起了许多先进国家的重视，并投入人力和物力进行研究。由于超声波引起的介质微粒振动可以产生很大的速度和加速度，能够传递给介质微粒很大的能量，在液体中传播时能够产生空化效应、活化效应、聚合效应、剪切效应、机械热效应等一系列的物理效应，从而使超声波具有了分散、粉碎、活化等一下作用，这种作用可以使只有在高温高压条件下才进行反映的过程，可以在比较温和的条件下进行。例如利用超声波降解水中的化学污染物，是一种新型的水处理技术，它具有去除效率高，反应时间短，显著提高废水的可生化性。近年来，超声波在处理有机废水、污泥发酵与脱水、饮用水杀菌、消毒、防垢除垢、污泥处理、乳化和去乳化等方面的研究，已经取得了较大的成果。
但是，上述科技成果大多是在试验室里进行的，在工业流程上的推广应用还非常少。原因在于缺乏高效的、能够大批量处理和连续运行的超声波反应器。
超声波反应器是指有超声波参与并在其作用下进行反映的容器或系统，它是实现超声波反映的场所，否则不论有多么大的超声能量，都没有用武之地，无法得到人们需要的结果。
目前超声波(专指机电效应来产生的超声波)反应器有以下几种：
槽式反应器：将压电陶瓷超声换能器紧密贴在反应器的内壁或外壁。换能器透过反应器的侧壁向反应器内辐射超声波。这种反应器存在声阻抗差别大、声强不均匀、做实验重复性不好、不能连续工作等方面不足，目前这种反应器主要用于工业清洗。
探头式反应器：也叫变幅杆式反应器，探头直接侵入反应液中发声超声波，它声强高，能量损耗低，可以连续工作，但辐射面积小，辐射能量不均匀，处 理量小。
杯式反应器：用化学稳定性好的不锈钢材料制作，在杯的底部紧密粘贴圆片或夹心式换能器，透过反应器底部向反应器内辐射超声波。还有人进行了改进，将探头(变幅杆)也浸入反应器的反应液中。能量密度高、且能调节，试验重复性好。但这种反应器目前只应用于实验室中。
流动型反应器：处理液在反应器外可构成回路，换能器的输入功率、流体速度及温度均可控，不足是超声探头由于能量集中而腐蚀严重，影响使用寿命。
管子式反应器：这种反应器的构造一般都是在圆管的外侧安装压电陶瓷换能器矩阵，超声通过管壁振动而引入反应液体内，可以排除换能器振动表面受腐蚀的问题。这种反应器声场强度可调，镶有换能器的管壁周围辐射来的超声波从中间的冷却管外壁又反射回处理液中。但这种反应器的超声波有效辐射面只是超声波辐射管的内壁，而外壁的能量是没有得到利用的，即浪费近一半的超声波能量。
平行板近场型处理器：处理器由两个上下辐射超声波的金属板组成，处理液从中间矩形空间流过，受到混响声场的强烈作用，矩形空间内的声强是单一金属板发射的声强的2倍以上。该反应器已经成功应用于从原油中提取油料，处理含油液体，处理废水等领域。但这种反应器在现场应用中和其他设备的兼容性不是很好，且占地面较大，使用的换能器较多，增加了故障点，另外，平行板的使用寿命受到限制。由反应器矩形通道的构造决定反应器的超声作用场不均匀，反应场内有很多空化的弱位角和死角，存在超声空化不均匀问题，在大规模的连续性生产过程中，可能会出现产品质量不稳定的现象。另外，在超声能量有效利用方面，也存在只利用了超声辐射面单面的能量，而另一面的能量没有被利用。
发明内容
本发明的目的是针对以上所述超声反应器设备存在的不足，提供一种结构简单、运行中免维护、超声能量利用率高、超声波辐射面积大、辐射声强均匀、耗电低、节能环保的高效利用超声波能量的一种近声场超声波反应器。
为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
1、一种近声场超声波反应器，其特征在于它包括：超声振管，超声内反射管，超声外反射管，超声变幅杆，连接超声变幅杆法兰，超声变幅杆法兰，固定变幅杆套管，固定内反射管肋板，内反射管分流锥头，外反射管法兰等。
2、所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：超声振管的上部中间位置连接有超声波变幅杆，变幅杆将超声波换能器的能量放大后传递给超声波振管。超声振管将变幅杆的纵波转变成了横波传递，相当于增加了超声波工具头的辐射面积，由于是圆管形辐射面采用径向辐射，使超声波声场非常均匀；另外，辐射面采用的是弯曲振动方式，改变了变幅杆的振动方向，使辐射声强更加均匀。
3、所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：超声振管内部中心轴线位置安装有超声内反射管，有效的对超声波能量进行反馈，增强了超声能量的利用效率；另外，超声波内反射管是标准的圆管结构，其反射的超声能和方向是均匀的。此种构造，有效的利用了超声振管内壁面辐射的超声波能量。
4、所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：超声振管内部中心轴线位置安装有超声外反射管，有效的对超声波能量进行反馈，增强了超声能量的利用效率；另外，超声波外反射管是标准的圆管结构，其反射的超声能和方向是均匀的。此种构造，有效的利用了超声振管外壁面辐射的超声波能量。
5、所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：超声内反射管的两端设置有导流用的内反射管分流锥头，能够将进入反应器的流体均匀的分散到超声振管的两侧。
6、所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：超声内反射管的两端设置有固定内反射管的肋板，该肋板将超声内反射管和超声外反射管固定，保持内反射管在外反射管的轴线中心位置。
7、所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：超声外反射管的中间部位设有固定变幅杆套管和连接超声变幅杆法兰，该法兰和变幅杆的法兰连接，确保超声振管与内、外超声反射管的的轴线重合。
8、所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：超声外反射管的两端设有法兰，用来和生产现场的设备连接。
9、所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：本发明的反应器，具有两个超声反应区域，一个是超声振管和超声外反射管组成的区域，另一个是超声振管和超声内反射管组成的区域。
10、所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：本发明的反应器，有两个超声反应区域的大小可以根据超声辐射强度的要求进行调节。
本发明由于采用了上述结构，具有如下有益效果：
1、超声工具头(超声振管)采用圆管结构设计，辐射面大，辐射声强均匀；
2、超声振管内外都设有反射管，利用超声振管的内外两面辐射超声，提高了超声的利用效率；
3、采用弹性好且耐腐蚀的金属制造超声振管，适合长时间连续运行工艺环节，确保了反应器的使用寿命；
4、在超声功率一定的条件下，超声辐射强度可调节；
5、反应器和生产现场设备连接方便，积木化设计，根据处理量的大小，非常方便的增减反应器的数量。
6、反应器占地面积小、构造简单、使用方便，运行中免维护。
7、功能强，具有分散、粉碎、活化等多重交应。
8、应用领域广泛，广泛应用于化工、石油、冶金、煤炭、电子、医药、建材、轻工等连续生产的工业流程中。
附图说明
图1是本发明实施例1的轴向结构示意图。
图2是本发明实施例1的径向结构示意图。
图3是本发明实施例2的多套反应器并联应用结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1和图2，它是本发明一种近声场超声波反应器实施例1的结构示意图。如图1和图2所示：它包括超声振管1、超声内反射管2、超声外反射 管3、超声变幅杆4、连接超声变幅杆法兰5、超声变幅杆法兰6、固定变幅杆套管7、固定内反射管肋板8、内反射管分流锥头9、外反射管法兰10。其中，超声振管1是核心部件，根据超声处理的工质不同，其材料可为普通的金属材料，也可以上是钛合金、合金、不锈钢、铝合金、铜等金属材料。超声振管1和超声变幅杆4、超声波换能器和超声波驱动电源依次连接，组成完整的超声波发射系统。根据超声反应器的大小不同，可选择不同尺寸的超声振管1和相应的变幅杆或换能器连接。
超声振管1的内部轴线上设置有超声内反射管2，超声振管1的外部设置有超声外反射管3，其中超声内反射管2和超声外反射管3通过肋片连接固定。
超声内反射管2的两端设置有内反射管分流锥头9，用来将带超声处理的工质均匀的分流到超声振管1的两侧。
超声外反射管3的中间位置设置有固定变幅杆套管7和连接超声变幅杆法兰5，连接超声变幅杆法兰5和超声变幅杆法兰6连接，用来固定超声振管1的准确在超声内反射管2和超声外反射管3中间适当的位置。
本发明超声振管1的辐射频率范围在9-100kHz之间，为了达到超声系统的谐振条件，形成不同频率的超声辐射效果，以及选用不同性能的金属材料，本发明超声系统的结构尺寸是不同的。
请参阅图3，它是本发明一种近声场超声波反应器实施例2的结构示意图。如图3所示：当处理量较大时，一台超声反应器处理量不够时，可以多台反应器并联使用。例如进料管11和反应器12的入口连接，图3所示的是4台反应器的并联使用，经过超声反应器12处理后的工质由回料管13返回系统之中。
本发明一种近声场超声波反应器在工作时，被处理的工质进入超声振管的两侧，超声振管在变幅杆的带动下产生高频机械振动，由于超声振面是圆管形状，其辐射的超声声强就非常均匀；另外，超声内反射管和外反射管距离超声振管的距离很近，可以在0.1mm或者更小，也可以调整大一些，这样就形成了非常均匀的超声声场，被处理的介质在均匀的声强作用下，可以保持产品质量的稳定性。还有就是超声内反射管和外反射管对超声的反射作用，加强了被处理介 质中的超声辐射的作用效率，这也是本发明的一种重要特征，它不但有效利用了超声振管的内面和外面的两面辐射能量，而且有效利用了反射的超声能量。这是一般平行板式超声反应器所不及的。
终上所述仅为本发明的较佳实施实例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴，都应在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种近声场超声波反应器，其特征在于：它包括超声振管1、超声内反射管2、超声外反射管3、超声变幅杆4、连接超声变幅杆法兰5、超声变幅杆法兰6、固定变幅杆套管7、固定内反射管肋板8、内反射管分流锥头9、外反射管法兰10。超声振管1和超声变幅杆4、超声波换能器和超声波驱动电源依次连接，组成完整的超声波发射系统。根据超声反应器的大小不同，可选择不同尺寸的超声振管1和相应的变幅杆或换能器连接。
2.根据权利1所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：超声振管1的内部轴线上设置有超声内反射管2，超声振管1的外部设置有超声外反射管3，其中超声内反射管2和超声外反射管3通过肋片连接固定。
3.根据权利1所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：超声内反射管2的两端设置有内反射管分流锥头9，用来将带超声处理的工质均匀的分流到超声振管1的两侧。
4.根据权利1所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：超声外反射管3的中间位置设置有固定变幅杆套管7和连接超声变幅杆法兰5，连接超声变幅杆法兰5和超声变幅杆法兰6连接，用来固定超声振管1的准确在超声内反射管2和超声外反射管3中间适当的位置。
5.根据权利1所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：本发明超声振管1的辐射频率范围在9-100kHz之间，为了达到超声系统的谐振条件，形成不同频率的超声辐射效果，以及选用不同性能的金属材料，本发明超声系统的结构尺寸是不同的。
6.根据权利1所述的一种近声场超声波反应器，其特征在于：当处理量较大时，一台超声反应器处理量不够时，可以多台反应器并联使用。
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