专利名称：基于声波传质效应的气体分离装置的制作方法
技术领域：
本发明属于气体分离技术领域，具体涉及到利用机械能通过混合气体的热力过程实现各种组分气体分离的基于声波传质效应的气体分离装置。
背景技术：
气体分离装置是工业生产和科学研究中的重要设备，在能源、化工、医药及军事工业中具有广泛的用途。常用的分离方法主要有液化法和离心分离法，前者是根据各组分气体的饱和温度不同来进行分离的，其主要缺点是系统复杂，能耗高；而后者则是根据各组分气体的密度不同，通过装置的高速旋转产生离心力来实现分离的，其缺点是分离效率较低，且其出力较小，特别是当所分离的气体密度相差不大时(如分离同位素)，需要很多级串联才能达到分离的目的，耗费了大量的机械能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、分离效率高的利用声波传质效应实现混合气体分离的装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是包括一个一端封闭一端开口的筒体，其特点是，在筒体的中部开设有进气口，在筒体的封闭端和开口端分别开设有高密度出气口和低密度出气口，在筒体的开口端设置有声波发声器，由筒体与声波发声器构成的谐振腔内填充有由金属丝编成的三维网格形状的传质强化元件；由金属丝编成的三维网格形状的传质强化元件的网格为正方形网格；传质强化元件的金属丝的直径为0.1-0.5mm，各网格的间距为金属丝直径的5-10倍；声波发声器为扬声器。
本发明还可通过以下技术方案实现包括固定在转轴上的圆柱形壳体，其特点是，在封闭的壳体内沿圆周方向均匀分布有声波片，相邻的两个声波片组成了谐振腔，在谐振腔内靠近壳体内筒壁的区域均匀分布有由金属丝编成的三维网格形状的传质强化元件，在壳体的一个端面的中心位置开设有进气口，在壳体的另一端面的中心位置和外圆侧面分别开设有低密度出气口和高密度出气口；由金属丝编成的三维网格形状的传质强化元件的网格为正方形网格；传质强化元件的金属丝的直径为0.1-0.5mm，各网格的间距为金属丝直径的5-10倍；声波片为金属片，相邻的两声波片之间的夹角为5°-30°；强化传质元件的长度为声波片长度的0.2-0.5倍。
由于本发明在筒体的一端设置有扬声器，且在谐振腔内填充有由金属丝编成的三维网格形状的传质强化元件，通过谐振声波的传质效应实现了多组分气体的分离。
图1是本发明谐振声波气体分离装置的结构示意图；图2是本发明基于声波传质的气体离心分离装置的结构示意图；图3是本发明图2的A-A剖视图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1谐振声波气体分离装置，参见图1，本发明包括一个一端封闭一端开口的筒体1，在筒体1的中部开设有进气口5，在筒体1的封闭端和开口端分别开设有高密度出气口6和低密度出气口7，筒体1的开口端设置有扬声器4，由筒体1与扬声器4构成的谐振腔2内填充有由金属丝编成的三维正方形网格形状的传质强化元件3，此金属丝的直径为0.1-0.5mm，各网格的间距为金属丝直径的5-10倍。在扬声器4的作用下，谐振腔2内将产生1/4波长的谐振声波。研究表明，如果谐振腔2内混合气体各组分的密度不同，则在声波的作用下，谐振腔2内将产生附加的传质效应，导致密度大的组分由声波的压力波节向压力的波腹移动。由于谐振腔2的开口位置为压力波节，封闭端为压力的波腹，因而密度大的组分将向封闭端运动，而密度小的组分将向开口端运动，从而完成了混合气体的分离。关于声波的传质效应可从以下两个角度进行解释。一方面，在声波运动过程中，气体微团将受到很大的交变惯性力，从而产生分离效应。另一方面，密度大的气体分子质量大，而密度小的气体分子质量小，而声波运动实质上是气体分子的宏观振动，遵循能量最小化原理压力的波腹处为速度的波节，振动速度为零，密度大的组分将向此处集中；而压力的波节处为速度的波腹，振动速度最大，密度小的组分将向此处集中。传质强化元件3的作用是在谐振的声波场中产生扰动以强化传质过程，增强声波的传质效应。另外，谐振腔2内密布的固体网栅将产生热声制冷效应，耗费声能，这是气体分离过程所要避免的。采用导热性好的金属丝，可减小谐振腔2内由热声制冷效应产生的温度梯度，提高气体分离的效率。装置的工作过程为在扬声器4的作用下，谐振腔内产生1/4波长的谐振声波，在装置内部产生分离效应，导致高密度的组分向封闭端移动，低密度的组分向扬声器4端移动。因此，由高密度出气口6引出的气体高密度组分含量较多，而由低密度出气口7引出的气体低密度组分含量较多。混合气体由进气口5补充，从而可连续进行气体分离。这种装置结构简单，没有运动部件，具有广泛的应用前景。
实施例2基于声波传质的气体离心分离装置，参见图2，3，本实施例为实施例1与传统的离心气体分离装置的结合。它包括固定在转轴9上的圆柱形壳体8，轴承11是支承转轴9的轴承，在封闭的壳体8内沿圆周方向均匀分布有由金属制成的声波片10，相邻的两声波片10之间的夹角为5°-30°，且相邻的两个声波片10组成了谐振腔2，在谐振腔2内靠近壳体8内壁的区域均匀分布有长度为声波片长度的0.2-0.5倍的由金属丝编成的三维正方形网格形状的传质强化元件3，此金属丝的直径为0.1-0.5mm，各网格的间距为金属丝直径的5-10倍，在壳体8的一个端面的中心位置开设有进气口5，在壳体8的另一端面的中心位置和外圆侧面分别开设有低密度出气口7和高密度出气口6，整个装置固定为一个整体，由电机12驱动，绕转轴9高速旋转。为产生谐振声波，装置的旋转速度随周期性变化，且其周期与装置内的谐振声波的周期相同。当装置旋转速度减小时，气体受到的离心力也减小、向轴心运动；当装置加速时，气体受到的离心力增加，向外壁面运动。当气体沿半径方向在谐振腔2内运动时，便会产生Coriolis力，作用于声波片10上，将谐振腔2内的声波运动与装置的旋转运动耦合起来，通过装置的旋转运动为声波运动提供能量。本装置内的气体分离过程较复杂，除了在实施例1中分析的声波传质分离外，还存在离心分离，以及声波和离心力的共同作用下的分离效应。这三种分离效应的方向一致，都导致密度大的组分由轴心向筒壁运动，因而可在外筒壁处获得含高密度组分较多的混合物，在轴心处获得含低密度组分较多的混合物，从而实现了混合物的组分分离。这种装置可以是传统气体离心装置的重大改进，由于三种分离效应相互叠加，其分离效果和分离能力得到大幅度的提高，具有重要的应用前景。
本发明利用了声波的传质效应实现混合气体的分离。与传统的气体分离装置相比，其系统和装置结构简单，分离效率高，具有重要的应用价值。
权利要求
1.一种基于声波传质效应的气体分离装置，包括一个一端封闭一端开口的筒体[1]，其特征在于在筒体[1]的中部开设有进气口[5]，在筒体[1]的封闭端和开口端分别开设有高密度出气口[6]和低密度出气口[7]，在筒体[1]的开口端设置有声波发声器[4]，由筒体[1]与声波发声器[4]构成的谐振腔[2]内填充有由金属丝编成的三维网格形状的传质强化元件[3]。
2.根据权利要求1所述的基于声波传质效应的气体分离装置，其特征在于所说的由金属丝编成的三维网格形状的传质强化元件[3]的网格为正方形网格，
3.根据权利要求1所述的基于声波传质效应的气体分离装置，其特征在于所说的传质强化元件[3]的金属丝的直径为0.1-0.5mm，各网格的间距为金属丝直径的5-10倍。
4.根据权利要求1所述的基于声波传质效应的气体分离装置，其特征在于所说的声波发声器[4]为扬声器。
5.一种基于声波传质效应的气体分离装置，包括固定在转轴[9]上的圆柱形壳体[8]，其特征在于在封闭的壳体[8]内沿圆周方向均匀分布有声波片[10]，相邻的两个声波片[10]组成了谐振腔[2]，在谐振腔[2]内靠近壳体[8]内筒壁的区域均匀分布有由金属丝编成的三维网格形状的传质强化元件[3]，在壳体[8]的一个端面的中心位置开设有进气口[5]，在壳体[8]的另一端面的中心位置和外圆侧面分别开设有低密度出气口[7]和高密度出气口[6]。
6.根据权利要求5所述的基于声波传质效应的气体分离装置，其特征在于所说的由金属丝编成的三维网格形状的传质强化元件[3]的网格为正方形网格。
7.根据权利要求5所述的基于声波传质效应的气体分离装置，其特征在于所说的传质强化元件[3]的金属丝的直径为0.1-0.5mm，各网格的间距为金属丝直径的5-10倍。
8.根据权利要求3所述的基于声波传质效应的气体分离装置，其特征在于所说的声波片[10]为金属片，相邻的两声波片[10]之间的夹角为5°-30°。
9.根据权利要求3所述的基于声波传质效应的气体分离装置，其特征在于所说的强化传质元件[3]的长度为声波片长度的0.2-0.5倍。
全文摘要
基于声波传质效应的气体分离装置，包括一个一端封闭一端开口的筒体，在筒体的中部开设有进气口，在筒体的封闭端和开口端分别开设有高密度出气口和低密度出气口，在筒体的开口端设置有声波发声器，由筒体与声波发声器构成的谐振腔内填充有由金属丝编成的三维网格形状的传质强化元件。本发明在筒体的一端设置有扬声器，且在谐振腔内填充有由金属丝编成的三维网格形状的传质强化元件，通过谐振声波的传质效应实现了多组分气体的分离。
文档编号B01D53/00GK1569309SQ20041002611
公开日2005年1月26日 申请日期2004年5月13日 优先权日2004年5月13日
发明者刘继平, 严俊杰, 刑秦安, 陈国慧, 林万超 申请人:西安交通大学