一种自来水超声除氯装置及其工作方法发明专利

专利名称：一种自来水超声除氯装置及其工作方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202010020373.0

专利申请（专利权）人：南京航空航天大学
权利人地址：江苏省南京市秦淮区御道街29号

专利发明（设计）人：王亮,王健安,金家楣,杨淋,赵淳生

专利摘要：本发明公开了一种自来水超声除氯装置及其工作方法，自来水超声除氯装置包括两个弯振体、变截面应力螺杆、第一配重块、第二配重块、4N个压电陶瓷片、法兰盘和两个预紧螺母；变截面应力螺杆包含依次同轴固连的第一连接柱、第一圆台、双头螺杆、第二圆台、第二连接柱；两个预紧螺母分别和双头螺杆的两端螺纹相连，将第一配重块、N个压电陶瓷片、法兰盘、N个压电陶瓷片、第二配重块固定在双头螺杆上；第一连接柱、第二连接柱的另一端分别和两个弯振体封闭端外端面的中心刚性固连。工作时，激励变截面应力螺杆和两个弯振体产生全方位辐射的超声场，净化自来水中残留的氯元素。本发明结构简单，功耗低、且不产生二次污染。

主权利要求：一种自来水超声除氯装置及其工作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及生活用水残留余氯去除技术领域，尤其涉及一种自来水超声除氯装置及其工作方法。
背景技术
[0002] 由于氯对于致病微生物有很强的灭活作用，因此被广泛用于水处理的灭菌环节中。然而经过处理后的水中会含有余氯，会对饮用水口感、人体健康、食品饮料品质、离子交换和膜分离技术设备造成影响和危害。尤其是，自来水加氯虽然可有效杀除病菌，但同时也会产生较多的卤代烃化合物，这些含氯有机物的含量成倍增加，是引起人类患各种疾病的重大根源。公共给水氯化的主要目的就是防止水传播疾病，这种方法推广到至今有110多年历史了，具有较完善的生产技术和设备,国内外大多数自来水厂至今仍采用沉淀、过滤、加氯消毒的工艺方法，将江河水或地下水简单加工成可饮用水。
[0003] 含余氯的水清洗蔬菜、水果、谷物会破坏蔬菜水果、谷物中的维生素、矿物质等营养成分，严重影响人体对营养物质的吸收。用于自来水中的氯，对任何有毛细孔如皮肤、鼻孔、口腔、肺部、毛发、眼睛、肉类蔬果等氧化表层，都很容易快速被吸收。因为人体皮肤表层遍布毛孔和汗腺，在与自来水接触的瞬间，余氯可以很容易的通过这些细微的毛孔进入被人体吸收。用含有余氯的自来水洗澡，浴室内氯气的总量中有四成是经由呼吸道吸入，三成是由皮肤吸收，是平常通过饮用进入人体体内氯的6—8倍，轻者产生瘙痒，日积月累到中年致癌率会增加30%。氯受热后与水中有机腐质产生三氯甲烷等致癌物质，三氯甲烷将比自来水增加3—4倍，如果余氯不能去除，我们每日所饮用的咖啡、茶或汤，经过加温煮沸饮用后，我们的体内即增加了3—4倍的致癌物质。长期饮用含有余氯的水会大大增加心脏疾病、冠状动脉粥样硬化、贫血症、膀胱癌、肝癌、直肠癌、高血压和过敏等疾病的发病概率。
[0004] 为了避免余氯所造成的危害，水中余氯的去除已成为一个重要的问题。急需提出一种高效去除水中余氯的方案。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种自来水超声除氯装置及其工作方法。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
[0007] 一种自来水超声除氯装置，包括第一弯振体、第二弯振体、变截面应力螺杆、第一配重块、第二配重块、4N个压电陶瓷片、法兰盘、第一预紧螺母和第二预紧螺母，N为大于等于1的自然数；
[0008] 所述第一弯振体、第二弯振体结构相同，均为一端开口一端封闭的空心金属圆柱体；
[0009] 所述变截面应力螺杆包含第一连接柱、第一圆台、双头螺杆、第二圆台、第二连接柱，其中，所述第一圆台、第二圆台较小的一端分别和第一连接柱、第二连接柱的一端同轴固连，第一圆台、第二圆台较大的一端分别和双头螺杆的两端同轴固连；所述第一圆台较小一端的直径大于等于第一连接柱的截面直径，第一圆台较大一端的直径小于等于双头螺杆的截面直接；所述变截面应力螺杆呈中心对称；
[0010] 第一配重块、第二配重块、4N个压电陶瓷片均呈圆环状；
[0011] 所述法兰盘上设有供所述双头螺杆穿过的通孔；
[0012] 所述第一预紧螺母、第二预紧螺母分别和所述双头螺杆的两端螺纹相连，将第一配重块、2N个压电陶瓷片、法兰盘、2N个压电陶瓷片、第二配重块固定在所述双头螺杆上，将4N个压电陶瓷片压紧以提供预紧力，并使得法兰盘位于双头螺杆的中心处；

[0013] 所述4N个压电陶瓷片均为纵振陶瓷片，沿着厚度方向极化，且相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反；
[0014] 所述法兰盘用于固定所述自来水超声除氯装置；
[0015] 所述第一连接柱、第二连接柱的另一端分别和所述第一弯振体、第二弯振体封闭端外端面的中心刚性固连。
[0016] 作为本发明一种自来水超声除氯装置进一步的优化方案，所述4N个压电陶瓷片上均涂有食品级防水胶。
[0017] 本发明还公开了一种该自来水超声除氯装置的控制方法，包含以下步骤：
[0018] 对4N个压电陶瓷片施加频率为变截面应力螺杆一阶纵向共振频率且同相的电压，激励变截面应力螺杆一阶纵向共振模态，同时激励出第一弯振体、第二弯振体的弯振模态，产生超声频段的振动，在水中向上下前后左右全方位辐射超声波，在水中产生强烈的声空化现象，加速水中次氯酸的分解和氯气的排除。
[0019] 超声去除自来水中的余氯是新的净水技术，自来水中的余氯主要包括HClO、Cl2和—ClO 等物质。

[0020] 超声波去除水中余氯的原理如下：当高强度的超声波在液体介质中传播时，产生纵波，从而产生交替压缩和膨胀的区域，这些压力改变的区域易引起空穴现象，并在介质中形成微小气泡核。微小气泡核在绝热收缩及崩溃的瞬间，其内部呈现5000℃以上的高温及50000kPa的压力，从而加速水中次氯酸的分解和氯气的排除，达到高效净水的目的。

[0021] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0022] 本发明的自来水超声除氯装置具有内部结构简单，水中余氯去除彻底，功耗低、不产生二次污染等优点。
附图说明
[0023] 图1为自来水超声除氯装置的结构示意简图；
[0024] 图2为压电陶瓷片极化方向示意图和加电方式示意图；
[0025] 图3为第一弯振体、第二弯振体、变截面应力螺杆的振动模态示意图。
[0026] 图中，1‑第一弯振体，2‑第一连接柱，3‑第一圆台，4‑双头螺杆，5‑第一预紧螺母，6‑第一配重块，7‑压电陶瓷片，8‑法兰盘，9‑第二预紧螺母。

具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0028] 本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
[0029] 20世纪30年代，人们首次提出了利用超声空化效应对液体和液态金属进行脱气。超声波在液体中传播，在时空上会产生压力起伏，出现负压现象。在负压区域，会出现声空化现象并形成微气泡。在超声的作用下，空化泡会发生一系列动力学过程：振荡、扩大、收缩乃至崩溃。这些活动会使空化泡内部产生数千度的高温和数千个大气压强的高压。这会加速水中的次氯酸分解。同时，超声会使氯气和氧气逐渐渗透进空化泡，并且借助于超声脱气效应从水中脱离，这会进一步促进次氯酸的分解。
[0030] 本发明基于超声空化原理进行水中余氯的高效去除。
[0031] 如图1所示，本发明公开了一种自来水超声除氯装置，包括第一弯振体、第二弯振体、变截面应力螺杆、第一配重块、第二配重块、4N个压电陶瓷片、法兰盘、第一预紧螺母和第二预紧螺母，N为大于等于1的自然数；
[0032] 所述第一弯振体、第二弯振体结构相同，均为一端开口一端封闭的空心金属圆柱体；
[0033] 所述变截面应力螺杆包含第一连接柱、第一圆台、双头螺杆、第二圆台、第二连接柱，其中，所述第一圆台、第二圆台较小的一端分别和第一连接柱、第二连接柱的一端同轴固连，第一圆台、第二圆台较大的一端分别和双头螺杆的两端同轴固连；所述第一圆台较小一端的直径大于等于第一连接柱的截面直径，第一圆台较大一端的直径小于等于双头螺杆的截面直接；所述变截面应力螺杆呈中心对称；
[0034] 第一配重块、第二配重块、4N个压电陶瓷片均呈圆环状；
[0035] 所述法兰盘上设有供所述双头螺杆穿过的通孔；
[0036] 所述第一预紧螺母、第二预紧螺母分别和所述双头螺杆的两端螺纹相连，将第一配重块、2N个压电陶瓷片、法兰盘、2N个压电陶瓷片、第二配重块固定在所述双头螺杆上，将4N个压电陶瓷片压紧以提供预紧力，并使得法兰盘位于双头螺杆的中心处；

[0037] 如图2所示，所述4N个压电陶瓷片均为纵振陶瓷片，沿着厚度方向极化，且相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反；
[0038] 所述法兰盘用于固定所述自来水超声除氯装置；
[0039] 所述第一连接柱、第二连接柱的另一端分别和所述第一弯振体、第二弯振体封闭端外端面的中心刚性固连。
[0040] 所述4N个压电陶瓷片上均涂有食品级防水胶。
[0041] 如图3所示，本发明还公开了一种该自来水超声除氯装置的控制方法，包含以下步骤：
[0042] 对4N个压电陶瓷片施加频率为变截面应力螺杆一阶纵向共振频率且同相的电压，激励变截面应力螺杆一阶纵向共振模态，同时激励出第一弯振体、第二弯振体的弯振模态，产生超声频段的振动，在水中向上下前后左右全方位辐射超声波，在水中产生强烈的声空化现象，加速水中次氯酸的分解和氯气的排除。
[0043] 本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0044] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：江苏

专利申请日期：2020-01-09

专利公开日期：2023-12-29

专利公告号：CN111099693B