CN110818155A - 一种超声波复合水处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波复合水处理设备，通过超声波处理技术配合离心分离作用、沉淀作用和过滤作用达到降低水硬度的目的。本发明由超声波处理段、沉淀段、净化段和一套超声波发生装置组成。超声波发生装置设置在超声波处理段筒体的顶部；超声波处理段内壁设有双线粗螺纹，在超声波处理段的圆柱筒壁上部设有进水口，在沉淀段底部设有排污口，净化段内设有阻流板和过滤腔，净化段顶端设有出水口。本发明利用超声波处理技术促使硬水中的致垢成分析出，利用离心作用、沉淀作用和过滤作用分离水垢，能有效降低水的硬度。本发明无任何转动部件，操作简单，效果显著，可以广泛地运用于冶金、发电、化工和环保等领域。

Description

一种超声波复合水处理设备

技术领域

本发明涉及一种水处理设备，尤其是一种利用超声波处理技术降低水硬度的水处理设备。

背景技术

在工业生产过程中，换热器和锅炉等各种用水设备的内部结垢问题严重影响传热效率，带来严重的能源浪费和经济损失。这些污垢主要为结晶垢，即由于水中致垢成分如钙离子、镁离子经过化学反应产生的无机垢。若对有一定硬度的水进行技术预处理，去除易致垢成分，有效地降低水的硬度，将避免设备结垢问题产生的不良影响。现有的阻垢水处理技术主要有化学和物理方法。其中化学阻垢方法主要有软化法、酸处理法、碳化稳定法、添加阻垢剂等，但化学方法存在费用高、防垢作用单一、时效短、对设备腐蚀严重和容易对环境造成污染等缺陷。物理阻垢方法主要有电、磁和超声波处理技术等，具有效果显著、使用简单、成本低等特点。本设备利用超声波处理技术实现阻垢效果。

超声波在液体的传播过程中，会伴随产生各种效应，包括空化效应、机械效应、热效应、活化效应等，对硬水的各种分子和离子微观性质产生影响,进而影响致垢成分的析晶过程。所谓超声空化效应是指空化泡的一系列动力学过程。较高强度的超声波通过液体，当超声波的波形在负压周期且负压值高过液体内部静压强时，存在于液体中的空化泡就会迅速长大，进入下一个正压周期时，这些长大的空化泡由于压力变化会在极短的时间内崩溃。空化泡崩溃的过程伴随着高温和高压，由于崩溃在极短的时间和极小的空间内发生，于是过程中温度变化速率极高，并伴随产生强烈的冲击波和强大的微射流。机械效应是指由于超声波在容器壁和附着在容器壁上的污垢中的传播速度不同而在两者间形成剪切力的现象，这种剪切力有利于剥除附着在容器壁上的污垢。热效应在宏观上表现为液体的温度升高，这是由于超声波引起的振动可以增加液体中各分子的动能和势能。活化效应是伴随空化效应产生的，空化泡崩溃时产生的高温高压环境能使水分子裂解生成羟基自由基，羟基自由基在溶液中会生成双氧水，使溶液的活化能力提高。

在以上几种效应的共同影响下，缩短了致垢成分的成核诱导期，促进微小晶核的生成，抑制壁面处的成核和成长，即促进硬水中的致垢成分析出并悬浮在水中。进一步将析出的晶体从水中分离，即可达到降低水硬度的目的。

发明内容

本发明的目的在于利用超声波水处理技术降低工业用水的硬度，消除用水设备中的结垢现象带来的不良影响，保持工业设备的稳定运行。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种超声波复合水处理设备，包括超声波发生装置、超声波处理段、沉淀段和净化段。其中，超声波发生装置由超声波发生器、超声波换能器、变幅杆和工具头组成；超声波处理段由圆柱筒和圆台筒拼接而成，圆柱筒在上，圆台筒在下，且圆台筒的小底面朝上，在圆柱筒壁的顶部位置通入进水管道，在圆台筒筒壁设有出水口；沉淀段由圆柱筒和圆锥筒拼接而成，圆柱筒在上，圆锥筒在下，在圆锥筒底部中央位置设有排污口，由排污口接出的排污管道上设有阀门；净化段是一根竖直管道，管道底部为锥筒，上部为圆柱筒，底端中央位置设有进水口，顶端中央位置设有出水口，从出水口接出的出水管道上设有阀门。使用一根斜管连接超声波处理段的出水口和净化段的进水口。

上述超声波复合水处理设备中，所述超声波处理段进水管道沿圆柱筒壁切线方向通入筒体，使得水在进入筒内后在离心作用下螺旋流动。

上述超声波复合水处理设备中，所述超声波处理段的圆柱筒内壁设有双线粗螺纹，螺纹的螺距等于进水管内径，导程为进水管内径的2倍。两条螺纹线和筒壁围成一个螺纹凹槽，螺纹凹槽起始处在进水口位置，对入水起到导流作用，强化旋流。

上述超声波发生装置中，所述超声波发生器置于焊接在所述筒顶上的框架中；所述超声波换能器、变幅杆和工具头按顺序使用紧固螺栓连接成为超声棒，所述超声棒通过法兰盘与所述超声波处理段连接，置于筒顶部中央位置，其中超声波换能器在筒外，变幅杆穿过筒顶，工具头在筒内。

上述超声波发生装置中，所述变幅杆和所述超声波处理段筒顶之间填充有减振橡胶。

上述超声波发生装置中，所述工具头形状为阶梯形，可视为由圆台和圆柱拼接而成，拼接顺序为圆柱接圆台小底面，该圆台大底面接下一个圆柱，依次拼接。圆台锥面角度为45°，圆台大底面直径为小底面的2倍，圆台高度和圆柱高度相等，圆柱底面积等于圆台小底面面积。优选的，所述工具头采用钛合金制成。阶梯形工具头可利用圆台斜面对超声波的折射效应加强径向传播的超声波声强，使筒内超声场分布更均匀。

上述超声波复合水处理设备中，所述超声波处理段圆台筒壁面上还开设有视窗。

上述超声波复合水处理设备中，所述超声波处理段和沉淀段通过一套法兰盘上下连接。在超声波处理段圆台筒部分由于内径增大对水流产生增容降速作用，低速水流利于污垢颗粒在沉淀段沉淀。

上述超声波复合水处理设备中，所述净化段外壁焊接有两个带有凸出辐条的套环，辐条和所述超声波处理段外壁焊接。

上述超声波复合水处理设备中，所述净化段圆柱筒内的下半部分设置有两组阻流板，两组阻流板对称交错放置，同一侧的两个阻流板的间距为100毫米，阻流板倾斜向下且与筒壁成70°夹角，且板外缘延伸至净化段的轴线处。倾斜布置的阻流板能进一步降低水的流速，利于污垢颗粒沿斜管回落到沉淀段。

上述超声波复合水处理设备中，所述净化段圆柱筒内的上半部分设置有过滤腔，过滤腔由筒壁和筒内的两个带孔的隔板构成，腔内填充有纤维束滤料。过滤腔筒壁上设有带把手的腔门，腔门内侧有密封圈，腔门和筒壁之间由一组搭扣连接，通过打开搭扣可以取下腔门更换滤料。

上述超声波复合水处理设备中，净化段顶部的出水管道通过一套法兰盘连接。

在沿切线方向接入的进水管和筒内壁螺纹的共同作用下，流入的水在超声波处理段内形成旋流；超声波发生器输出具有电信号，经超声波换能器将电能转换成机械能，通过变幅杆调节振幅，由工具头向水传递机械波；在超声作用下，硬水析出水垢，在旋流的离心作用下水垢向壁面方向聚集同时向下移动；由于增容降速作用，水流速逐渐降低，最终使水垢颗粒在沉淀段积聚沉积；部分经处理的水沿着斜管溢出至净化段，由于阻流板的阻流作用，水的流速进一步较低，进行二次沉淀，使水垢沿斜管沉淀回到沉淀段，位于净化段上部的过滤腔将未能沉淀的水垢拦截，最终较洁净的水由出水管流出。

本发明的有益效果是，超声波作用促进硬水中致垢离子析出，形成大量的水垢颗粒，能有效地降低水硬度。在无旋转部件的情况下实现入水旋流，避免水垢在壁面沉积，增强水垢颗粒的分离效果。利用增容降速作用减低水的流速，利于水中的水垢颗粒沉淀。净化段内的倾斜阻流板和过滤腔能进一步净化水质，确保比较洁净的用水流出。在给定控制参数下，设备运行稳定，水处理效果显著，综合了析晶、除垢、分离、净化等功能，并且使用安全、操作简单，没有腐蚀设备、环境污染等不良影响。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1为本发明示意图；

图2为工具头示意图；

图1中，1.工具头，2.变幅杆，3.超声波换能器，4.第一法兰，5.超声波发生器，6.框架，7.第一阀门，8.进水管，9.内壁螺纹，10.超声波处理段，11.视窗，12.第二法兰，13.沉淀段，14.排污管，15.第二阀门，16.斜管，17.阻流板，18.第一套环，19.净化段，20.第一隔板，21.腔门，22.把手，23.搭扣，24.过滤腔，25.第二隔板，26.第二套环，27.第三法兰，28.第三阀门，29.出水管。

具体实施方式

以下将对照附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明由超声波处理段10、沉淀段13和净化段19和一套超声波发生装置组成，超声波发生装置包括超声波发生器5、超声波换能器3、变幅杆2和工具头1。超声波处理段10顶部焊接有框架6，超声波发生器5放置其中。超声波换能器3、变幅杆2和工具头1组成超声棒，超声棒通过第一法兰4与超声波处理段10连接，其中超声波换能器在超声波处理段10筒体外，变幅杆2穿过筒顶，工具头1在筒内。超声波处理段10和沉淀段13由第二法兰12连接。超声波处理段10和净化段19由一根斜管16连通。净化段19圆柱筒内的下半部分对称交错设置有两组倾斜阻流板17，上半部分由第一隔板20、第二隔板25和筒壁构成过滤腔24，腔壁有带把手22的腔门21，腔门21和筒壁之间由一组搭扣23连接，通过打开搭扣23可以取下腔门21更换滤料。

在沿切线方向接入的进水管8和筒内壁螺纹9的共同作用下，流入的水在超声波处理段10内形成右旋旋流。超声波发生器5输出具有一定频率的电信号，经超声波换能器3将电能转换成机械能，通过变幅杆2调节振幅，主要由工具头1向水传递机械波。在超声作用下，硬水析出水垢，在旋流的离心作用下水垢向壁面方向聚集同时向下移动。过程中由于增容降速作用，水流速逐渐降低，最终使水垢颗粒在沉淀段13积聚沉积。部分经处理的水沿着斜管16溢出至净化段19，由于阻流板17的阻流作用，水的流速进一步较低，可进行二次沉淀，使水垢沿斜管16沉淀回到沉淀段13，位于净化段19上部的过滤腔将未能沉淀的水垢拦截，最终较洁净的水由出水管29流出。透过视窗11观察沉淀段13内沉淀情况，需要时可打开第二阀门15,使水垢从排污管14排出。特别地，若为适应更大的处理水量而放大本设备，则应增加工具头1的数量，当工具头1数量大于1时应将其以超声波处理段轴线为中心对称布置。

Claims (9)

1.一种超声波复合水处理设备，包括超声波处理段(10)、沉淀段(13)、净化段(19)和一套超声波发生装置，其中，超声波发生装置包括超声波发生器(5)、超声波换能器(3)、变幅杆(2)和工具头(1)，超声波换能器(3)、变幅杆(2)和工具头(1)连接组成超声棒，超声棒通过第一法兰(4)连接在超声波处理段(10)顶部中央，且工具头(1)伸入到超声波处理段(10)内部，在超声波处理段(10)壁面的顶部位置沿切线方向通入进水管(8)，在沉淀段(13)底部中央位置设有排污管(14)，排污管上设有第二阀门(15)，超声波处理段(10)和沉淀段(13)由第二法兰(12)连接，超声波处理段(10)和净化段(19)通过斜管(16)连接，净化段(19)内设置有两组阻流板(17)和一个过滤腔(24)，净化段(19)顶部中央位置设有出水管道(29)，出水管道(29)上设有第三阀门(28)。

2.根据权利要求1所述的超声波复合水处理设备，其特征在于在所述超声波处理段(10)由圆柱筒和圆台筒拼接而成，圆柱筒在上，圆台筒在下，且圆台筒的小底面朝上。

3.根据权利要求1所述的超声波复合水处理设备，其特征在于在所述超声波处理段(10)述超声波处理段的圆柱筒内壁设有双线粗螺纹(9)，螺距等于进水管(8)的内径，导程为进水管(8)内径的2倍，两条螺纹线和筒壁围成一个螺纹凹槽，螺纹凹槽起始处在进水口位置。

4.根据权利要求1所述的超声波复合水处理设备，其特征在于所述净化段(19)圆柱筒内的下半部分设置有两组阻流板(17)，两组阻流板(17)对称交错放置，阻流板(17)倾斜向下与筒壁成70°的夹角，且阻流板(17)外缘延伸至净化段(19)的轴线处。

5.根据权利要求1所述的超声波复合水处理设备，其特征在于所述净化段(19)圆柱筒内的上半部分设置有过滤腔(24)，过滤腔(24)由筒壁和筒内的两个带孔的隔板构成，腔内填充有纤维束滤料，过滤腔(24)筒壁上设有带把手(22)的腔门(21)，腔门(21)内侧有密封圈，腔门(21)和筒壁之间由一组搭扣(23)连接。

6.根据权利要求1所述的超声波复合水处理设备，其特征在于所述工具头(1)的形状为阶梯形，视为由圆台和圆柱拼接而成，拼接顺序为圆柱接圆台小底面，该圆台大底面接下一个圆柱，依次拼接，圆台锥面角度为45°，圆台大底面直径为小底面的2倍，圆台高度和圆柱高度相等，圆柱底面积等于圆台小底面面积。

7.根据权利要求1所述的超声波复合水处理设备，其特征在于在所述沉淀段(13)底部为倒圆锥形。

8.根据权利要求1所述的超声波复合水处理设备，其特征在于在所述超声波处理段(10)的圆台筒壁面上设有视窗(11)。

9.应用如权利要求1所述的超声波复合水处理设备的方法，其特征在于：在沿切线方向接入的进水管和筒内壁螺纹的共同作用下，流入的水在超声波处理段内形成旋流；超声波发生器输出具有电信号，经超声波换能器将电能转换成机械能，通过变幅杆调节振幅，由工具头向水传递机械波；在超声作用下，硬水析出水垢，在旋流的离心作用下水垢向壁面方向聚集同时向下移动；由于增容降速作用，水流速逐渐降低，最终使水垢颗粒在沉淀段积聚沉积；部分经处理的水沿着斜管溢出至净化段，由于阻流板的阻流作用，水的流速进一步较低，进行二次沉淀，使水垢沿斜管沉淀回到沉淀段，位于净化段上部的过滤腔将未能沉淀的水垢拦截，最终较洁净的水由出水管流出。

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