一种水力振荡装置及系统的制作方法

本实用新型涉及消毒杀菌、细胞破壁、均质、清洗、疏通、污染及废弃物处理等应用领域，具体是一种水力振荡装置及系统。

背景技术：

在消毒杀菌、细胞破壁、均质、清洗、疏通、污染及废弃物处理等应用领域，有很多的物理和化学处理方法，通过实验室研究和小规模的试用，声波处理技术被认为是一种高效、低成本、物理性的有效处理方式，由于其节能高效、不产生环境污染逐渐被引起重视。在目前的实际应用中，主要以压电晶体的方式产生功率声波，由于器件制作材料及功率所限，很难产生持久性的、有效的声波强度和频率，使声波处理技术难于实现工业化应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出一种可用于消毒杀菌、细胞破壁、均质、清洗、疏通、污染及废弃物处理等领域的水力振荡装置及系统，用于解决现有技术中声波处理技术难于实现工业化应用的问题。

本实用新型的技术方案是：

一种水力振荡装置，该水力振荡装置包括壳体，此壳体为一体加工成型的一体化结构，壳体的内部结构自上而下沿竖向设有进口处的安装内螺纹、不规则形状的内部通道、底部的支撑底座；壳体内部还设置球体，球体于内部通道中设置在支撑底座顶部，球体在壳体内部自由活动。

所述的水力振荡装置，壳体的上端侧面加工有固定梢孔，固定梢孔与安装内螺纹所在的壳体内壁相通。

所述的水力振荡装置，壳体的外部结构为圆柱形或多边形，壳体的内部通道截面为圆柱形或多边形。

所述的水力振荡装置，内部通道的底部设置与壳体一体的支撑底座，支撑底座对称设置于壳体内壁上。

所述的水力振荡装置，球体的材质和壳体材质一致，球体为实心球。

一种水力振荡系统，物料罐、加工罐、成品罐按顺序依次排列，物料罐的底部通过管路经加工罐的顶部伸至加工罐内，加工罐内设置水力振荡装置，该管路伸至加工罐内的一端连至水力振荡装置；加工罐的顶部管路通过分两路，一路连至物料罐的顶部，另一路连至成品罐的顶部，成品罐的底部通过管路引出。

所述的水力振荡系统，还包括水罐，水罐的底部通过管路连至物料罐的顶部，所述管路上依次设置机械阀门一、自吸泵一。

所述的水力振荡系统，物料罐的底部通过管路经加工罐的顶部伸至加工罐内，在该管路上依次设置电子阀门、加药加气装置、自吸泵二、给水泵；加工罐的顶部管路通过分两路，一路连至物料罐的顶部，该路上设置机械阀门二，另一路连至成品罐的顶部，该路上设置机械阀门三；成品罐的底部通过管路引出，该管路上设置机械阀门四。

所述的水力振荡系统，电子阀门、自吸泵一、给水泵、自吸泵二为可变频控制设备，电子阀门、自吸泵一、给水泵、自吸泵二分别通过线路与变频控制装置连接。

所述的水力振荡装置，根据不同的工况需求设定水的流量和工作压力，通过壳体中设计的旋流通道，形成水锤效应及球体与壳体间的撞击，产生球体与壳体的共振以及壳体的自激振动，形成低频的振荡波，振荡波以横波和纵波的形式向外传播，作用于罐中的物料或其它作用体，在加入气体和药品的辅助下，产生物理和化学反应，用于消毒杀菌、细胞破壁、均质、清洗、疏通、污染及废弃物处理。

本实用新型的优点及有益效果是：

1、本实用新型水力振荡装置包括壳体、其内部及外部结构；球体，能设置在壳体中，并能够自由活动，水流以稳定的压力和流量流经壳体，通过壳体内部设置的不规则通道孔隙，产生强大的旋转涡流，使球体产生与壳体间的高强度撞击，同时球体阻流会产生强大的水锤效应，引发剧烈的振动和壳体的自激振动，形成高强度、稳定、高能量的低频声波。在壳体的内部通道上，设计不规则的孔径结构，激发涡流的产生，在壳体的底部加工高强度支撑底座，防止球体脱落，同时在壳体安装内螺纹处，加工固定梢孔，防止壳体脱落。

2、本实用新型水力振荡装置及系统，根据实际的工况条件和需求，设定水的流量和工作压力，水流经壳体中的旋流通道，形成水锤效应及球体与壳体间的撞击，产生球体与壳体的共振以及壳体的自激振动，形成低频的振荡波，振荡波以横波和纵波的形式向外传播，作用于罐中的物料或其它作用体，在加入气体和药品的辅助下，产生物理和化学反应，用于消毒杀菌、细胞破壁、均质、清洗、疏通、污染及废弃物处理等。

3、本实用新型水力振荡装置及系统的设计得益于高能量压力，它是在球体和外壳之间的狭窄缝隙中产生的。已知在壳体中，水流相对较低的流速下，自由运动的球体开始振动，而在流速增加时，伴随着球体对壳体壁的弹跳撞击，产生自激振动。由于这种振荡行为，管道内的流动突然被运动的物体切断，从而产生水锤效应，增强了整个管道的压降，同时增强了弹跳效应，加强了振荡效果。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据本实用新型一个实施例的水力振荡系统的示意图。

图2示出根据本实用新型一个实施例的水力振荡装置的剖面结构图。

图中，1-1、自吸泵一，1-2、给水泵，1-3、自吸泵二，2、管路，3-1、物料罐，3-2、加工罐，3-3、成品罐，3-4、水罐，4-1、机械阀门一，4-2、电子阀门，4-3、机械阀门二，4-4、机械阀门三，4-5、机械阀门四，5、仪表，6、加药加气装置，7、变频控制装置，8、水力振荡装置，8-1、固定梢孔，8-2、安装内螺纹，8-3内部通道，8-4支撑底座，8-5球体，8-6壳体。

应当注意的是，本说明书附图并非按照比例绘制，而仅为示意性的目的，因此，不应被理解为对本实用新型范围的任何限制和约束。

具体实施方式

以下参照附图进行详细的描述，所述附图形成本实用新型的一部分，且在本实用新型中，附图通过对实施本实用新型的具体实施例的解释表示出来。应当理解的是在不偏离本实用新型范围的情况下，可以采用其它的实施例且可以进行结构上或逻辑上的改变。例如，对于一个实施例解释或描述的特征可被用于其它实施例或与其它实施例结合来生成另一个实施例。其意图在于本实用新型包括这样的修改和变化。这些示例用特定的语句描述，但它们不应被理解为对所附的权利要求范围的限制。附图仅出于解释性目的且并非按比例绘制。

术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是开放性的，它们表示所描述的结构、元件或者特征的存在，但并不排除额外元件或特征。

声波效应有较长的使用历史，主要来源于20世纪80年代及更早期的“声化学”和“声处理”的研究。在最初阶段，在混合、分散或碎裂过程中，应用了功率超声。

水力振荡技术在化学加工中的应用是最近才出现的，但它与电声波的应用在性质上有所不同。以水力振荡为例，对活性污泥进行厌氧消化，对生物柴油生产中的动植物油进行精制，对磷矿石泡沫浮选中的固体物料进行破碎，这些都是大规模的应用。它与电声波的小型精细化学品应用形成对比，反映了两种方法所分别适合的技术应用方向和设备投入规模，水力振荡更具有投资规模、处理成本、效率、环保、处理规模上的优势。

在流体动力学方面，流动是由压力驱动的，上游的压力要大于下游的压力。管、球体作为钝体，球与管壁间设置不规则的缝隙，当水流沿钝体或其周围流动，通过狭窄通道时，在球体下游产生稳定的空腔及旋转涡流，引起球体在管道中的撞击，形成低频振荡波，由于系统可提供稳定的流量和压力的水流，会引起装置有规律的自激振动，形成强大、连续、高功率、高强度、稳定的低频声波，并向外传输。

当球体的这种快速振荡行为与对管道壁的反弹撞击相结合时，水流的流线突然而频繁地中断，就如在管道中的阀门突然关闭时所产生的现象一样，会形成一种强大的水锤效应，水流强烈地冲击球体和管壁，形成另外一种强大的振动源，附加原有的自激振荡，更增强了水力振荡的声波能量。本实用新型的水力振荡装置，实现了电超声所无法比拟的声波强度和功率，从而可以将声波工艺实现工业化应用。

基于这种原理，如图1所示，本实用新型的水力振荡系统包括：泵体(自吸泵一1-1、给水泵1-2、自吸泵二1-3)、管路2、罐体(物料罐3-1、加工罐3-2、成品罐3-3、水罐3-4，可以根据实际工况需求设置罐体)、阀门(机械阀门一4-1、电子阀门4-2、机械阀门二4-3、机械阀门三4-4、机械阀门四4-5)、仪表5、加药加气装置6、变频控制装置7、水力振荡装置8，具体结构如下：

水罐3-4、物料罐3-1、加工罐3-2、成品罐3-3按顺序依次排列，水罐3-4的底部通过管路2连至物料罐3-1的顶部，所述管路2上依次设置机械阀门一4-1、自吸泵一1-1。物料罐3-1的底部通过管路经加工罐3-2的顶部伸至加工罐3-2内，在该管路上依次设置电子阀门4-2、加药加气装置6、自吸泵二1-3、给水泵1-2，加工罐3-2内设置水力振荡装置8，该管路伸至加工罐3-2内的一端连至水力振荡装置8。加工罐3-2的顶部管路通过分两路，一路连至物料罐3-1的顶部，该路上设置机械阀门二4-3，另一路连至成品罐3-3的顶部，该路上设置机械阀门三4-4。成品罐3-3的底部通过管路引出，该管路上设置机械阀门四4-5。

电子阀门4-2、自吸泵一1-1、给水泵1-2、自吸泵二1-3为可变频控制设备，电子阀门4-2、自吸泵一1-1、给水泵1-2、自吸泵二1-3分别通过线路与变频控制装置7连接，其中：变频控制装置用于调整电子阀门4-2、自吸泵一1-1、给水泵1-2、自吸泵二1-3，根据水力振荡系统的工况要求，调整水力振荡所需的液体流量及工作压力。电子阀门4-2可变频控制，用于调整水力振荡加工罐的内部工作压力、管路中的流量控制和开关，自吸泵一1-1、自吸泵二1-3用于给水泵1-2的用水供应，给水泵1-2用于水力振荡装置的用水需要。

加药加气装置6，用于加工过程中补充能量，增强水力振荡的物理和化学效果，通过变频装置及机械装置控制加入量。

系统中的管路2，为承压防腐材料制作，用于连通加工物料在罐体和泵体之间的传送。

另外，加工罐3-2的侧面通过管路与仪表5连通，仪表5分别是：测量管道工作压力的数字压力表，用于测量系统流量的流量计，用于测量系统工作温度的温度仪。

在实际作业前，首先，要根据所需处理的物料，通过系统的变频控制装置7设定工作参数，控制电子阀门4-2和自吸泵一1-1、自吸泵二1-3的工作状态，使液体达到水力振荡所需的压力和流量要求。

管路中的加药加气装置6，在进入自吸泵二1-3前的管路中，加入所需的气体和药品。

自吸泵二1-3将液体汲送至给水泵1-2，给水泵1-2将液体加压后，供给加工罐3-2内的水力振荡装置8。

水力振荡装置8在加工罐3-2中工作后，液体输送到成品罐3-3，或输送回物料罐3-1循环工作。从而，将水力振荡系统用于消毒杀菌、细胞破壁、均质、清洗、疏通、污染及废弃物处理等。

图2给出了本实用新型的水力振荡装置的一个具体实施例，其中该水力振荡装置8包括壳体8-6，此壳体为一体加工成型的一体化结构，无任何活动及组合安装部件，以保证在运行过程中产生稳定一致的自激振动。壳体8-6的外部结构为一圆柱体，壳体8-6的上端侧面加工有固定梢孔8-1，防止壳体8-6与连接管道的脱扣及位移。壳体8-6的内部结构自上而下沿竖向设有进口处的安装内螺纹8-2、不规则形状的内部通道8-3、底部的支撑底座8-4。内部通道8-3为不规则形状(如：多边形等)，使液体在此流经时，激发涡流的产生，产生旋转涡流。固定梢孔8-1与安装内螺纹8-2所在的壳体8-6内壁相通，加工固定梢孔8-1可以防止壳体脱落。内部通道8-3的底部设置支撑底座8-4，支撑底座8-4对称设置于壳体8-6内壁上，用于限定球体的运动区域，防止球体脱落。

该水力振荡装置还包括：置于壳体内部的球体8-5，球体8-5于内部通道8-3中设置在支撑底座8-4顶部，球体8-5可在壳体8-6内部自由活动，用于液体阻流，使流入该壳体中的高压、高流速液体由于不规则孔隙发生强烈涡流，导致球体8-5在管道内的连续、高强度、规则性撞击壳体，产生水锤效应，形成高强度、连续性低频声波。

另外，球体8-5的材质和壳体8-6的材质一致，以减少在水力振荡工作过程中，相互间碰撞所造成的损伤，球体8-5为实心球，通过调整球体大小及重量，改变其与壳体内部通道的间隙，设置外部工作压力及液体流量，使流经壳体的水流产生旋转涡流，通过球体与壳体的碰撞及自激振动，形成高强度、稳定的低频振荡波。

本实用新型的技术可用于以下，但不限于以下方面的应用：

1、均质

可以用于在分子尺寸上的混相液体的快速混合，与机械搅拌相比，液滴尺寸在10-100nm以下，水力振荡技术所需的能量输入更低、加入的乳化剂和稳定剂的含量更低，可以形成高度稳定的微乳液。

如果液体与固体颗粒混合，则可以得到分散良好的悬浮液。同时也会对固体颗粒进行破碎或侵蚀。此外，还可以将气体在水中混合成精细稳定的气泡。

所有这些与微小液滴、颗粒或气泡快速混合的过程，都可以实现物理和化学过程的快速转化。物理性应用的一个例子就是柴油中的水，在柴油中加入5wt％到10wt％的水分子乳化液来改善燃料的燃烧特性，减少废气中的有毒成分。另一种是通过振荡混合燃料添加剂来提高其反应活性。将水作为微小液滴混入食用脂肪中是另一种应用。水力振荡还可以制备一种性能稳定、油水比低、增粘剂收率高的钻井液乳剂。

2、细胞破壁

低频高强度振动声波导致细胞中的内爆，所产生的物理应力是导致细胞失活或通过破坏细胞或细胞壁进行杀菌消毒的手段。这种手段既可以单独使用，也可以与传统的热或化学方法结合使用，用于各种流体的净化，也可以用于细胞的分解，以释放有用的物质。

此技术可以使食品杀菌在低能耗和中温条件下进行，从而保持在高温处理中容易灭失的营养成分和风味成分。细胞内爆的破坏力量可以把常见的微生物灭活，如乳酸菌、酵母和耐热细菌孢子。

利用水力振荡技术代替传统的脉冲电场加工技术，可以显著降低果汁生产的能耗，提高加工效率。

另一个重要应用是通过处理废水中的生物污染来进行消毒，这可以是预处理步骤，也可以与其他处理方法相结合。多年来，水的修复一直是通过化学和物理处理来实现的。除了副作用之外，化学方法还有一个缺点，即许多微生物会产生菌落和孢子，这些菌落和孢子会聚集成大团簇，或者困在粘土颗粒中。化学处理破坏了外部微生物，但保留了内部细胞的完整。物理处理方法，如紫外线也有其局限性。

水力振荡的过程产生的细胞破裂，也可以应用于废水处理中的污泥分解，从而达到污泥减量排放的目的。最近有研究表明，对于膜生物反应器的剩余污泥，在给定臭氧用量下，水力振荡和臭氧处理相结合可以减少10wt％到20wt％的污泥。污泥颗粒的崩解使臭氧更容易进入单个细胞，从而达到氧化的作用。

在细胞密度高的悬浮液中，利用水力振荡产生的高强度声波，作为细胞分裂的手段，可以成功释放大量的细胞内酶/蛋白质。它用于破坏啤酒酵母或面包酵母的蛋白质释放，比传统方法或电声波要节省两个数量级的能量消耗。这种方法可以导致细胞间酶和其他蛋白的快速释放。

3、化学转换

水力振荡产生的内爆能提供更好的传质，使反应流体的混合更有效，这些流体可以实现均匀混合，也可以形成乳剂。也有助于悬浮体系中的多相反应，其中一个反应物是固体，或者催化剂是固体，可以清洁甚至侵蚀固体表面，会导致液体中的高分子破裂，从而导致粘度降低。

利用各种可再生资源制备生物柴油是气相乳化加速生物柴油转化的一种最有前途的应用。生物柴油是一种含氧燃料，由从植物油或动物脂肪中提取的长链脂肪酸的烷基酯组成，该烷基酯在过量酒精的作用下通过三级酯交换反应生成。在可混溶脂肪和酒精界面上发生的反应非常缓慢，通常需要高速搅拌，使用催化剂，提高温度和压力，这样才能在70小时内达到90％至95％的转化率。与机械搅拌相比，水力振荡的转化时间更短，催化剂用量更少。

这种技术也可用于液体中大分子的破裂。重油馏分的裂化也可以通过此技术来实现。

4、清洗井筒周围的多孔介质

在钻井过程中，通过钻探进入多孔岩石中的固体和化学长链聚合物，可能在近井区域造成了损坏。在生产过程中，直接靠近井筒的多孔介质，特别是在井筒周围半径约为1米的岩体中，对污垢尤为敏感。这是因为由于流动和压力作用，一些固体颗粒被井筒液通过孔隙带至井筒，当孔隙中的流速增加时，孔隙之间的喉道可能会发生桥接和堵塞。同样，在注入的情况下，注入液中的颗粒可能堵塞井筒附近的孔隙喉道。由于原油中挥发性成分的释放和损失，造成压力下降，沥青质沉积，近井筒区域也可能堵塞。

水力振动波进入油井或射孔周围的污垢岩体时，在一定条件下能够通过振动，使孔隙中的颗粒发生运动，从而破坏岩层的孔喉通道中通过颗粒进行桥联的稳定性。低频声能比长脉冲声能和连续波声能更有效地进行清洁。

5、清理井筒内的水垢和沉积物

井筒本身、射孔孔道和近井筒都有可能被来自采出地层水或注入水的各种盐类结晶形成的鳞片沉积所破坏，其中最重要的盐类是碳酸盐类和硫酸盐类。碳酸盐类很容易被盐酸溶解，而硫酸盐则很难被清除，通常需要分解并循环出井。水力振荡产生的机械破坏与适当的化学药剂配合，可以取得满意的除垢效果。

6、采油增产措施

采油增产措施，又称地震增产措施或弹性波增产措施，是一种低成本的增产采油方法，最初在俄罗斯备受关注，后来在美国被广泛采用。该方法在靠近油藏的井筒利用振动源，向油藏岩层深处传播强大的声波，考虑到需要辐射的岩石体积巨大，只能预测会产生的最低效果，比如通过振动，相当于打开一个触发器，释放滞留在毛孔中的油滴，或者这些油滴与附近的油滴结合，形成更大的尺寸，更具流动性。2011年的一项研究表明，确定油藏增产措施的最佳信号频率范围一般在5～50hz之间，水力振荡通过参数的调整，可以根据需要达到所需的声波频率。

以上参照本实用新型的实施例对本实用新型进行了说明，但是，这些实施例仅仅是为了说明的需要，而并非为了限制本实用新型的应用范围。本实用新型的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本实用新型的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本实用新型的范围之内。