CN101440828A - 一种压力交换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压力交换器，它包括转动组件，转动组件包括：驱动轴、转子及分别位于转子两侧的左止推盘和右止推盘、弹簧、被弹簧所作用而向右挤推右止推盘的压紧棒；压力交换器还设有不转组件，不转组件包括轴封盖、设有相对高压流体进口和相对低压流体出口的左端盖、安装在左止推盘左侧的左配流盘、安装在右止推盘右侧的右配流盘、设有相对低压流体进口和相对高压流体出口的右端盖、壳体。本发明压力交换器具有更高的能量回收效率；不需要复杂的阀门控制系统，在使用的系统中基本没有流体压力、流量的波动；在配流、密封面上几乎没有泄漏，比间隙配合的压力交换器泄漏更小、容积效率更高；便于生产高效的小型、中型和大型压力交换器。

Description

一种压力交换器

技术领域

本发明涉及流体系统中的能量交换装置。

背景技术

国内外对于流体压力能综合利用技术及装备的研究已经有了很大的发展，开发研制了众多不同形式的装置。其中的一些装置已经成为产业化商品，应用到相应的工业领域上，并且取得了很好的经济效益，这对于企业节约能源、降低成本有很大的帮助。

压力流体能量综合利用设备主要分为两大类：

一类是高低压流体借助叶轮和主轴来传递能量，即以机械能作为流体压力能量传递的中间环节。典型的装置包括反转泵型(Francis Pump)、佩尔顿透平(PeltonWheel)和水力透平(Turbo Charger)。虽然此类能量回收装置技术比较成熟，但由于原理上的不足，即必须先将压力能转化为机械能后再转化为压力能，在转化过程中不可避免地存在能量损失，因此在现有基础上进一步提高效率的空间已经非常有限，其能量回收效率在30～70％左右。

20世纪90年代初，另一类效率更高的流体压力能量回收技术——功能(压力)交换器迅速发展起来，功能(压力)交换器的结构非常简单，高压流体通过活塞(包括以高、低压混合液柱为活塞)的传递作用为低压流体加压，若忽略活塞的摩擦等因素，理论上能量传递效率可达100％；在实际工业应用中功交换器的回收效率可达90％以上，近年来在众多过程工业领域得以应用。按照结构不同，压力交换器又可分为阀配流式功能(压力)交换器和盘配流式功能(压力)交换器两种。典型的阀配流式功能(压力)交换器代表产品有瑞士Calder公司的等压活塞式功能交换器(Work Exchanger)和中国专利90103747.8(氮肥生产用铜液能量回收装置)公开的差压活塞式功能交换器；典型的盘配流式功能(压力)交换器典型的代表有美国ERI公司的旋转压力交换器(Pressure Exchanger)。

在中国专利98809685.4中公开了该种旋转压力交换器，该压力交换器以高压、低压水流的切向冲力作为转子旋转的动力，转子和两端盖之间必须是间隙配合(98809685.4说明书第4/5页：套管比转子略长些)，也因为这个原因，使得转子和两端盖之间这配流面上的有一定量的水从高压流道向低压流道泄漏(其直径为100mm的转子在大约5μm的二个端面间隙上泄漏水流量约200L/h)，在压力交换器进水流量较小的情况下，因其高压水绝对泄漏流量却保持不变，它与高压进水流量的比值即相对泄漏率会大大增加，使容积效率大大下降，而且小流量的进水水流的切向冲力无法使转子稳定旋转；另一情况，当转子较大时，依靠高压、低压水流的切向冲力作为转子旋转的动力，当转子和两端盖之间的间隙较小时，转子难以转动或转速太小，当转子和两端盖之间的间隙较大时，其相对泄漏率较大，转速控制与转子和两端盖之间的间隙是一对矛盾，因此大型的该压力交换器也没有商业化应用；该压力交换器以陶瓷作为主要材料，烧制大型陶瓷的难度和成品率较低，在工业应用中的压力交换器故障主要是由于陶瓷的脆性引起的。

总之，上述压力交换器难以形成具有实际商业应用价值的小额定流量的、大额定流量的产品；其工程陶瓷的脆性也为设备安全、稳定运行留有不小隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种压力交换器，通过马达驱动、端面配流、自紧密封，实现稳定的压力能量交换。为此，本发明采用以下技术方案：它包括转动组件，所述转动组件包括：驱动轴、转子及分别位于转子两侧的左止推盘和右止推盘、弹簧、被弹簧所作用而向右挤推右止推盘的压紧棒，左止推盘和右止推盘在驱动轴的轴向方向上可滑动且它们之间的间距大于转子的长度；转子中设有一个与驱动轴的轴向平行的配流管或沿转子周向均匀设置多个与驱动轴的轴向平行的配流管；

所述压力交换器还设有不转组件，所述不转组件包括轴封盖、设有相对高压流体进口和相对低压流体出口的左端盖、安装在左止推盘左侧的左配流盘、安装在右止推盘右侧的右配流盘、设有相对低压流体进口和相对高压流体出口的右端盖、壳体；

所述转子、左止推盘、右止推盘、左配流盘、右配流盘安装在壳体内，所述驱动轴与轴封盖间密封；

左配流盘的右侧面与左止推盘的左侧面、右止推盘的右侧面与右配流盘的左侧面接触且相对转动构成二个相对转动的摩擦副；

左配流盘设有与相对高压流体进口接通的第一过流孔和与相对低压流体出口接通的第二过流孔，右配流盘设有与相对低压流体进口接通的第三过流孔和与相对高压流体出口接通的第四过流孔；

配流管的两端分别插入左止推盘和右止推盘，左止推盘和右止推盘分别设有台阶孔，左止推盘的台阶孔的大孔供配流管左端插入，左止推盘的台阶孔的小孔与第一过流孔和第二过流孔配合，右止推盘的台阶孔的大孔供配流管右端插入，小孔与第三过流孔和第四过流孔配合；

配流管的左端与左止推盘的台阶孔的大孔之间、配流管的右端与右止推盘的台阶孔的大孔之间密封。

由于采用本发明的技术方案，本发明具体有的有益的效果是：

本发明压力交换器比起反转泵型(Francis Pump)、佩尔顿透平(Pelton Wheel)和水力透平(Turbo Charger)之类需要中间转换成机械能的压力能量利用装置具有更高的能量回收效率。

本发明压力交换器采用端面配流结构，比起阀配的瑞士Calder公司的等压活塞式功能交换器(Work Exchanger)和中国专利90103747.8(氮肥生产用铜液能量回收装置)公开的差压活塞式功能交换器结构简单，不需要复杂的阀门控制系统，在使用的系统中基本没有流体压力、流量的波动。

本发明压力交换器配流副采用浮动的自紧密封，类似与水泵中的机械密封的技术，在配流、密封面上几乎没有泄漏，比间隙配合的压力交换器泄漏更小、容积效率更高。

利用本发明采用自紧密封泄漏小、转动部件的转动采用马达驱动便于转速的精确控制这些特点，便于生产高效的小型、中型和大型压力交换器。

附图说明

图1为本发明所提供的实施例的剖视图，显示了本发明的结构原理。

图2a为左配流盘的放大示意图。

图2b为图2a的A-A剖视图。

图3a为图1中的左止推盘的左视放大示意图。

图3b为图1中的左止推盘的右视放大示意图。

图3c为图3a的B-B剖视图。

图4a为图1中的右止推盘的右视放大示意图。

图4b为图1中的右止推盘的左视放大示意图。

图4c为图4a的C-C剖视图。

图5a为图1中的左端盖的左视放大示意图。

图5b为图5a的D-D剖视图。

图6a为图1中的右端盖的右视放大示意图。

图6b为图6a的F-F剖视图。

具体实施方式

如图所示，本发明包括转动组件，所述转动组件包括：驱动轴1、转子17及分别位于转子17两侧的左止推盘18和右止推盘15、弹簧8、被弹簧8所作用而向右挤推右止推盘15的压紧棒9，所述压紧棒与驱动轴同轴设置且其右端压在右止推盘15，所述弹簧处于压紧棒与驱动轴之间；左止推盘18和右止推盘15在驱动轴的轴向方向上可滑动且它们之间的间距大于转子的长度；转子17中沿转子周向均匀设置数个与驱动轴的轴向平行的孔，孔中分别设置配流管7，在本实施例中，共设置了5个孔，相应地，共设置了5根配流管7；

在本实施例中，弹簧8、压紧棒9置于转子17中心孔中与驱动轴1同轴，在实施中，当转子直径较大时，弹簧8可设置多根，此时，不仅在中心孔中可设置弹簧8，也可在转子的非中心处沿轴向均匀设置若干个弹簧孔，而在这些弹簧孔中布置所述弹簧，并且，对应每根弹簧，均设置一个受弹簧所作用而向右挤推右止推盘15的压紧棒。

本发明还设有不转组件，所述不转组件包括轴封盖24、设有相对高压流体进口4和相对低压流体出口21的左端盖3、安装在左止推盘18左侧的左配流盘19a、安装在右止推盘15右侧的右配流盘19b、设有相对低压流体进口14和相对高压流体出口11的右端盖13、壳体5；附图标号20为壳体5和右端盖13、壳体5和左端盖3之间的O形密封圈。所述转子、左止推盘、右止推盘、左配流盘、右配流盘安装在壳体内。

在右端盖13中心装有配流盘支柱12，配流盘支柱12和右定位销10b将右配流盘19b周向定位在右端盖13上，安装在左端盖3上的滑动轴承22和左定位销10a将左配流盘19a周向定位在左端盖3上。右端盖13与右配流盘19b、左端盖3与左配流盘19a之间不能相对运动，右配流盘19b可以被看做为右端盖13的左端面，左配流盘19a可以被看做为左端盖3的右端面。将右配流盘19b从右端盖13的左端面分体、将左配流盘19a从左端盖3的右端面分体，主要为了零件加工的方便，使得左配流盘19a和右配流盘19b能采用增强塑料制作或其表面覆盖有增强塑料，而与不锈钢制作的左止推盘18和右止推盘15，形成不锈金属材料配增强塑料的摩擦副，这种配对摩擦副具有耐腐蚀、耐磨损和自润滑的特性，可有效保证获得足够的可靠性和使用寿命。

所述左端盖3中心设有滑动轴承22，驱动轴1穿过轴封盖24、左端盖3中心的滑动轴承22插入转子17中心，与转子17牢固结合。附图标号25为轴封，其静环与轴封盖24连接而不转，其动环与驱动轴1连接而与转动组件一起转动，使驱动轴与轴封盖间密封。壳体内在转子17外设有轴承16，轴承22和轴承16对转动组件支撑。这两个旋转支撑也采用不锈金属材料配增强塑料的摩擦副，两个轴承22、16均采用增强塑料制作，轴和转子为不锈金属材料。既保证了该压力交换器中零部件的耐腐蚀性、强度、韧性和钢度，又保证了各摩擦副的自润滑、耐磨损、减震等摩擦学特性，能够有效地避免在高速、水润滑的情况下摩擦副的粘着磨损、腐蚀磨损和卡死等现象，有效提高了工作可靠性和使用寿命。

采用耐腐蚀的增强塑料和不锈钢材料决定了本发明装置比采用工程陶瓷为主要部件的压力交换器具有更高的安全、稳定性。

左配流盘19a设有与相对高压流体进口4接通的第一过流孔30a和与相对低压流体出口21接通的第二过流孔40a，右配流盘19b设有与相对低压流体进口14接通的第三过流孔40b和与相对高压流体出口11接通的第四过流孔30b；

配流管7的两端分别插入左止推盘18和右止推盘15，左止推盘18和右止推盘15分别设有台阶孔50和台阶孔60，台阶孔50的大孔供配流管7左端插入，小孔与第一过流孔30a和第二过流孔40a配合，台阶孔60的大孔供配流管7右端插入，小孔与第三过流孔40b和第四过流孔30b配合；

这样，一方面，置于转子17中心孔中的弹簧8的一端经压紧棒9将右止推盘15压在右配流盘19b上，弹簧8另一端通过驱动轴1、转子17将左止推盘18压在左配流盘19a上，另一方面，在配流管7中的压力水作用于台阶孔的台阶面，也起到将左止推盘18压在左配流盘19a上、将右止推盘15压在右配流盘19b上的作用，从而形成对左止推盘18和左配流盘19a、右止推盘15和右配流盘19b的双重自紧密封。

此外，配流管7的左端与台阶孔50的大孔之间、配流管7的右端与台阶孔60的大孔之间密封，附图标号6为实现这些密封的组合密封圈，从而确保高压水不从配流管的径向间隙中泄漏。

前述的台阶孔50和台阶孔60的小孔可采用为圆弧孔，第一过流孔30a、第二过流孔40a、第三过流孔40b、第四过流孔30b也为圆弧孔，以便于台阶孔50的小孔与第一过流孔30a和第二过流孔40a的切换配合、台阶孔60的小孔与第三过流孔40b和第四过流孔30b的切换配合。

左配流盘19a与左端盖3之间、左端盖3或左配流盘19a上在相对低压流体出口21所处的这一侧具有可通至壳体内的渗水通道70a和通至驱动轴1所处轴腔的渗水通道70b。所述压力交换器内还设有连通水道80，所述连通水道将右配流盘19b与右止推盘15接触面的内侧与所述通至壳体内的渗水通道70a和所述通至驱动轴1所处轴腔的渗水通道70b中的至少其中一个连通。如图所示在配流盘支柱12、右止推盘15、压紧棒9上依次开孔，构成连通水道80。这样，一方面可防止从高压侧渗漏到低压侧的水充满左端盖、左配流盘和左止推盘之间的空间时将左配流盘和左止推盘顶起、或充满右端盖、右配流盘和右止推盘之间的空间时将右配流盘和右止推盘顶起，引起压力波动甚至损坏压力交换器，另一方面可将水引入起润滑和冷却作用。轴承16可开有导水沟槽，从而还联通了左右两边的水腔，有助于进一步提高润滑和冷却效果，轴承22也可开有导水沟槽，以提高对驱动轴的润滑和冷却效果。

本发明压力交换器工作使用时，驱动轴1带动转子17、配流管7、左止推盘18、右止推盘15转动，弹簧8推住左止推盘、右止推盘，让它们始终紧贴在左配流盘19a、右配流盘19b面上滑动，相对低压流体L从相对低压流体进口14进入，从相对高压流体出口11排出，相对高压流体H从相对高压流体进口4进入，从相对低压流体出口21排出，实现相对高压流体H和相对低压流体L二种流体压力能量的相互交换，工作过程可以分为4步：

第一步，转子周向旋转，当配流管7右端与相对低压流体进口14相通、左端与相对低压流体出口21相通时，相对低压流体L从相对低压流体进口14进入配流管7，同时将管内的已被交换压力的流体H’从相对低压流体出口21推出。

第二步，转子继续周向旋转，左配流盘19a和右配流盘19b将配流管7相对应的左止推盘18、右止推盘15上相应的圆弧孔全遮盖，左配流盘19a和右配流盘19b将相对低压流体L保持在配流管7中，与高压流体通道和低压流体通道分隔开。

第三步，转子继续周向旋转，当配流管7左端与相对高压流体进口4相通、右端与相对高压流体出口11相通时，相对高压流体H从相对高压流体进口4进入配流管7，同时将管内的流体L以相对高压L’从相对高压流体出口11推出，完成压力交换。

第四步，转子继续周向旋转，左配流盘19a和右配流盘19b将配流管7相对应的左止推盘18、右止推盘15相应的圆弧孔全遮盖，左配流盘19a和右配流盘19b将已被交换压力的流体H’保持在配流管7中，与高压流体通道和低压流体通道分隔开。

如此循环往复，周期地运行。随着驱动轴1的旋转，每个配流管7将不断的进水、排水，且多个配流管7排出的相对高压L’在压力交换器的相对高压流体出口11有序的叠加，从而形成压力、流量连续均匀的高压流体，多个配流管7排出的已被交换压力的流体H’在压力交换器的相对低压流体出口21有序的叠加，从而形成压力、流量连续均匀的低压流体。

本发明以流体H、流体L或它们的混合流体柱作为活塞；为减少流体H、流体L的混合，可在配流管7内设置固体活塞，活塞材料可采用高分子耐磨工程塑料。

本发明采用半轴式结构，驱动轴的一端插入转子中心，与转子牢固结合，滑动轴承牢固安装于左端盖上，支撑驱动轴，壳体滑动轴承牢固安装于壳体内，支撑转子。驱动轴的长度短，轴的形变小。转子与驱动轴的同心度高，转子运转平稳，便于转动部件浮动找正。驱动轴基本不受弯矩的作用，只承受扭矩，从而减少了轴的磨损，延长了轴的使用寿命。

端盖、配流盘和止推盘之间有少量流体从高压侧流向低压侧，该流量大小可通过设计不同的密封、配流表面加工精度或配流盘和止推盘之间不同的正压力进行控制。工作时，本发明压力交换器中相对高压流体会少量地通过密封间隙泄漏到低压的壳体内腔。此部分泄漏流体对于二对配流副、滑动轴承和驱动轴、转子和壳体轴承摩擦副来说，起到了支撑，润滑，冷却作用。壳体内腔与相对低压流体出口相连通，间隙密封泄漏的高压流体进入相对低压流体出口而卸压。壳体内腔为相对低压，这个状态提高了本发明压力交换器的可操作性和安全性。

压力交换器中相对高压流体引到左止推盘与左配流盘和右止推盘与右配流盘的接触面上，形成静压支承。可以根据工作流体的压力具体情况来设计左止推盘与左配流盘和右止推盘与右配流盘之间的正压力，选择设计最佳的驱动力矩。

Claims (8)

1.一种压力交换器，其特征在于它包括转动组件，所述转动组件包括：驱动轴(1)、转子(17)及分别位于转子(17)两侧的左止推盘(18)和右止推盘(15)、弹簧(8)、被弹簧(8)所作用而向右挤推右止推盘(15)的压紧棒(9)，左止推盘(18)和右止推盘(15)在驱动轴的轴向方向上可滑动且它们之间的间距大于转子的长度；转子(17)中设有一个与驱动轴的轴向平行的配流管(7)或沿转子周向均匀设置多个与驱动轴的轴向平行的配流管(7)；

所述压力交换器还设有不转组件，所述不转组件包括轴封盖(24)、设有相对高压流体进口(4)和相对低压流体出口(21)的左端盖(3)、安装在左止推盘(18)左侧的左配流盘(19a)、安装在右止推盘(15)右侧的右配流盘(19b)、设有相对低压流体进口(14)和相对高压流体出口(11)的右端盖(13)、壳体(5)；

所述转子(17)、左止推盘(18)、右止推盘(15)、左配流盘(19a)、右配流盘(19b)安装在壳体(5)内，所述驱动轴与轴封盖(24)间密封；

左配流盘(19a)的右侧面与左止推盘(18)的左侧面、右止推盘(15)的右侧面与右配流盘(19b)的左侧面接触且相对转动构成二个相对转动的摩擦副；

左配流盘(19a)设有与相对高压流体进口(4)接通的第一过流孔(30a)和与相对低压流体出口(21)接通的第二过流孔(40a)，右配流盘(19b)设有与相对低压流体进口(14)接通的第三过流孔(40b)和与相对高压流体出口(11)接通的第四过流孔(30b)；

配流管(7)的两端分别插入左止推盘(18)和右止推盘(15)，左止推盘(18)和右止推盘(15)分别设有台阶孔(50)和台阶孔(60)，台阶孔(50)的大孔供配流管(7)左端插入，小孔与第一过流孔(30a)和第二过流孔(40a)配合，台阶孔(60)的大孔供配流管(7)右端插入，小孔与第三过流孔(40b)和第四过流孔(30b)配合；

配流管(7)的左端与台阶孔(50)的大孔之间、配流管(7)的右端与台阶孔(60)的大孔之间密封。

2.如权利要求1所述的一种压力交换器，其特征在于所述压紧棒与驱动轴同轴设置且其右端压在右止推盘(15)上，所述弹簧处于压紧棒与驱动轴之间。

3.如权利要求1所述的一种压力交换器，其特征在于所述左端盖(3)中心设有滑动轴承(22)，驱动轴(1)穿过轴封盖(24)、左端盖(3)中心的滑动轴承(22)插入转子(17)中心，与转子(17)牢固结合。

4.如权利要求3所述的一种压力交换器，其特征在于在右端盖(13)中心装有配流盘支柱(12)，配流盘支柱(12)和右定位销(10b)将右配流盘(19b)周向定位在右端盖(13)上，安装在左端盖(3)上的滑动轴承(22)和左定位销(10a)将左配流盘(19a)周向定位在左端盖(3)上。

5.如权利要求3所述的一种压力交换器，其特征在于壳体内在转子(17)外设有轴承(16)，轴承(22)和轴承(16)对转动组件支撑；轴承(22)和轴承(16)内均开有导水沟槽。

6.如权利要求1所述的一种压力交换器，其特征在于台阶孔(50)和台阶孔(60)的小孔为圆弧孔，第一过流孔(30a)、第二过流孔(40a)、第三过流孔(40b)、第四过流孔(30b)也为圆弧孔。

7.如权利要求1所述的一种压力交换器，其特征在于左端盖(3)、或左配流盘(19a)与左端盖(3)之间、或左配流盘(19a)在相对低压流体出口(21)所处的这一侧具有可通至壳体内的渗水通道和通至驱动轴(1)所处轴腔的渗水通道；所述压力交换器内还设有连通水道，所述连通水道将右配流盘(19b)与右止推盘(15)接触面的内侧与所述通至壳体内的渗水通道和所述通至驱动轴(1)所处轴腔的渗水通道中的至少其中一个连通。

8、如权利要求1所述的一种压力交换器，其特征在于所述左端盖(3)与右端盖(13)分别连接在壳体的左右端。

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