CN101865191A - 一种液体余压能量回收器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液体余压能量回收器，它包括驱动电机和转动组件，转动组件包括用于密封的动环、驱动轴、转子、从动轴，转子上设有一个或多个与驱动轴的轴向平行的流道；压力交换器还设有不转组件，不转组件包括机械密封盖、用于机械密封的静环、固定配流盘、浮动配流盘、壳体、压缩弹簧、外端盖和螺栓。本发明液体余压能量回收器的能量回收效率大于90％，比起反转泵型、佩尔顿透平等需要中间转换成机械能的压力能量利用装置30％-70％具有高得多的能量回收效率，而且适应工况变化的能力更强，在流量、温度等条件变化时还能保持大于90％的能量回收效率。

Description

一种液体余压能量回收器
技术领域
本发明涉及流体系统中的压力能量回收装置。
背景技术
液体余压能量回收装置有多种形式，结构上繁简差别很大，效率差别较大，按照工作原理可分为二大类：水力涡轮式能量回收装置和功交换式能量回收装置。
水力涡轮式能量回收装置，能量的转换过程为压力能——机械能(轴功)——压力能。即以机械能作为流体能量传递的中间环节，故又称为机械能中介式技术，于70年代末期、80年代初期进人市场，典型装置类型有逆转泵型(FrancisPump)、佩尔顿型(PehonWheel)叶轮和水力透平(Turbo Charger)等，该能回收技术由于受到能量多次转换的影响，虽技术比较成熟，但能量回收效率只有30-70％。
功交换式能量回收装置，能量的转换过程为压力能——压力能。它使高低压流体直接交换压力能，如果忽略装备中的摩擦和泄漏，装置的效率理论上可以达到100％，实际效率亦可达到90％以上。正是这种高回收效率，使其成为目前国内外许多研究学者研究、开发的热点。按照运动部件的类型，这类装置可分阀控功交换器(Worker Exchange)和压力交换器(Pressure Exchange)两种。阀控功交换器(Worker Exchange)，代表产品包括瑞士Calder公司的Work ExchangerEnergy Recovery(DWEER)、丹麦Aqualyng’s System、德国西格玛公司的PressureExchange System(PES)等，这类能量回收装置体积庞大，主材采用贵重稀有金属耐腐蚀材料制造，另外控制阀门切换频繁，其切换量在100万次/年以上，其维护工作量大和装置安全稳定性低；压力交换器(Pressure Exchange)代表产品美国ERI公司的Pressure Exchanger(PX)和本发明产品，这类能量回收装置体积小。美国ERI公司的产品，在配流盘面采用上间隙密封结构，能量回收装置在小处理量时很难保持高的回收效率，装置小型化困难；以工程陶瓷为转动部件主要材料，安全稳定性大大下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种液体余压能量回收器，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：
它包括驱动电机和转动组件，所述转动组件包括：用于机械密封的动环、驱动轴、转子、从动轴，转子上设有一个或多个与驱动轴的轴向平行的流道；
所述压力交换器还设有不转组件，所述不转组件包括机械密封盖、用于机械密封的静环、固定配流盘、浮动配流盘、壳体、压缩弹簧、外端盖和螺栓；所述固定配流盘设有相对低压流体进口、相对高压流体出口并安装了所述驱动轴的轴套，所述浮动配流盘设有相对低压流体出口、相对高压流体进口并安装了从动轴轴套；
固定配流盘固定在壳体的一端，转子、浮动配流盘安装在壳体内，浮动配流盘不可相对壳体转动但可沿壳体轴心线方向浮动，转子安装在固定配流盘与浮动配流盘之间，转子的两端分别与固定配流盘和浮动配流盘构成二个相对滑动的摩擦副；压缩弹簧安装在浮动配流盘与外端盖之间，将浮动配流盘推压在转子上，同时压缩弹簧通过浮动配流盘也将转子推压在固定配流盘上；即压缩弹簧将浮动配流盘与转子推向固定配流盘而沿壳体轴心线方向定位；
驱动轴穿过机械密封盖、固定配流盘、安装在固定配流盘上的驱动轴轴套与转子一端牢固结合，从动轴穿过安装在浮动配流盘上的从动轴轴套与转子的另一端牢固结合，驱动轴与从动轴将转子周向定位。
在采用本发明的上述技术方案的同时，本发明还可采用以下进一步的技术方案：
在壳体内，在浮动配流盘和外端盖之间的壳体形成相对高压流体进水腔。
固定配流盘和浮动配流盘上都有二个密封区将相对高压和相对低压流体分隔。转子中心、驱动轴中心、从动轴中心中空并且相互连通，该区域与固定配流盘上相对低压流体进口相通；浮动配流盘的浮动配流盘上密封圈与浮动配流盘下密封圈之间、浮动配流盘上相对低压流体出口、与浮动配流盘上相对低压流体出口和固定配流盘上相对低压流体进口相通的转子上的流道、固定配流盘上相对低压流体进口为相对低压区；其他区域为相对高压区。
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：
本发明液体余压能量回收器的能量回收效率大于90％，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30％-70％具有高得多的能量回收效率，而且适应工况变化的能力更强，在流量、温度等条件变化时还能保持大于90％的能量回收效率。
本发明液体余压能量回收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，在应用的系统中基本没有流体压力、流量的波动。
本发明液体余压能量回收器的配流副可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；另外本结构设计方便、容易实现采取过流流道直径与长度比值小的结构(例如：d/l的比值＜0.08)，也就是采用了更细长的流道结构，这样在海水淡化中浓水和海水在压力交换时，在过流流道不设活塞时，浓水与海水的混合更小。另外，相对运动面之间采用的对磨材料摩擦系数低和采用水润滑技术，使驱动转子旋转的电机功率小。
本发明转动部件的转动采用电机驱动，既容易又方便实现转子转速的精确控制，可以避免因为季节变化引起水温变化、水的黏度变化而引起转子转速和浓水与海水的混合率变化，从而提高设备运行的稳定性。由于本发明采用自紧密封泄漏小，便于生产高效的小型、中型和大型压力交换器。
本产品公开的能量回收装置属功交换式能量回收装置，利用压力交换的原理，选用新型高分子耐磨工程塑料和耐腐蚀不锈钢材料为主材，在关键的压力交换器配流面上采用自主研发的自紧密封结构和水润滑静压支撑技术，高压配流面上基本无泄漏，再加上采用低速马达驱动，该装置不但安全、稳定、体积小、寿命长和噪音低。
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2为图1中固定配流盘的仰视放大示意图。
图3为图1中的转子的俯视放大示意图。
图4为图1中的浮动配流盘的俯视放大示意图。
具体实施方式
参照附图。本发明包括驱动电机26和转动组件，所述转动组件包括：用于机械密封的动环13a、驱动轴6、转子7、从动轴17，转子7上沿周向均匀设有9个与驱动轴的轴向平行的流道71；
所述压力交换器还设有不转组件，所述不转组件包括机械密封盖1、用于机械密封的静环13b、固定配流盘4、浮动配流盘8、壳体16、压缩弹簧11、外端盖22和螺栓12；所述固定配流盘4设有相对低压流体进口3、相对高压流体出口14并安装了所述驱动轴的轴套5，所述浮动配流盘8设有相对低压流体出口9、相对高压流体进口21并安装了从动轴轴套19；相对低压流体出口9和相对高压流体进口21处于与流道71相配合端处的形状、相对低压流体进口3和相对高压流体出口14处于与流道71相配合端处的形状均为形状相同的圆弧形，能同时与三个流道91相通，并在转子旋转时由不同的流道91分别将低压流体进口3和低压流体出口9贯通，将相对高压流体进口21和相对高压流体出口14贯通；壳体16上设有与相对低压流体出口9接通的出口29。
动环13a和静环13b形成驱动轴6这一端的对外界的密封。
固定配流盘4固定在壳体16的一端，转子7、浮动配流盘8安装在壳体16内，浮动配流盘8不可相对壳体转动但可沿壳体轴心线方向浮动，壳体16上设有销子10使浮动配流盘8与壳体16沿壳体轴心线周向相对固定，转子7安装在固定配流盘4与浮动配流盘8之间，转子的两端分别与固定配流盘4和浮动配流盘8构成二个相对滑动的摩擦副，也即在图1中，固定配流盘4的下端面与转子7的上端面、转子7的下端面与浮动配流盘8的上端面接触且相对转动构成二个相对滑动的摩擦副；压缩弹簧11安装在浮动配流盘8与外端盖22之间，将浮动配流盘8推压在转子7上，同时压缩弹簧11通过浮动配流盘8也将转子7推压在固定配流盘4上；即压缩弹簧11将浮动配流盘8与转子7推向固定配流盘4而沿壳体16轴心线方向定位；外端盖22用螺栓12固定在壳体16的另一端；
驱动轴6穿过机械密封盖1、固定配流盘4、安装在固定配流盘4上的驱动轴轴套5与转子7一端牢固结合，从动轴17穿过安装在浮动配流盘8上的从动轴轴套19与转子7的另一端牢固结合，驱动轴6与从动轴17将转子周向定位。
在壳体内，在浮动配流盘和外端盖之间的壳体形成相对高压流体进水腔27，标号28为其进口。这样，一方面，弹簧11将浮动配流盘8与转子7沿壳体16轴心线方向定位，同时装置相对高压液体压力也将浮动配流盘8与转子7沿壳体16轴心线方向压向固定配流盘4，形成自锁密封副。
固定配流盘4和浮动配流盘8上都有二个密封区将相对高压和相对低压流体分隔。转子7中心、驱动轴6中心、从动轴17中心中空并且相互连通，该区域与固定配流盘4上相对低压流体进口3相通；浮动配流盘8的浮动配流盘上密封圈18与浮动配流盘下密封圈20之间、浮动配流盘8上相对低压流体出口9、与浮动配流盘8上相对低压流体出口9和固定配流盘4上相对低压流体进口3相通的转子7上的流道、固定配流盘4上相对低压流体进口3为相对低压区；其他区域为相对高压区。
如图所示结构，本装置初始状态，压缩弹簧11推浮动配流盘8将转子7压在固定配流盘4上；运行状态时，相对高压流体B的液体压力将浮动配流盘8和转子7进一步压在固定配流盘4上，形成自紧密封结构。转子7由电机26通过驱动轴驱动旋转，转子7的上下二个端面与固定配流盘4的下端面和浮动配流盘8的上端面形成相对运行的摩擦配流副。
实现相对高压流体B和相对低压流体A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：在低压区，相对低压流体A从相对低压流体进口3进入，充满转子流道71，同时将流道71内的流体B以低压形式排出；
第二步：转子继续旋转，进入密封区，固定配流盘4和浮动配流盘8上的密封区将流道71内上下二口封住，流体A静止保持在流道71内；
第三步：转子继续旋转，当流道71进入高压区与相对高压流体进口21和相对高压流体出口14相通时，高压流体B将流体A以高压的形式排出相对高压流体出口14，同时流体B充满流道71；
第四步：转子继续旋转，进入密封区，固定配流盘4和浮动配流盘8上的密封区将流道71内上下二口封住，流体B静止保持在流道71内。
这样一个周期，完成相对高压流体B与低压流体A的压力能量交换，如此循环往复，进入下个周期进行连续运行。
本发明以流体A、流体B或它们的混合流体柱作为活塞；为减少流体A、流体B的混合，可在转子流通内设置固体活塞，活塞材料可采用高分子耐磨工程塑料。

Claims (4)

1.一种液体余压能量回收器，其特征在于它包括驱动电机(26)和转动组件，所述转动组件包括：用于机械密封的动环(13a)、驱动轴(6)、转子(7)、从动轴(17)，转子(7)上设有一个或多个与驱动轴的轴向平行的流道；
所述压力交换器还设有不转组件，所述不转组件包括机械密封盖(1)、用于机械密封的静环(13b)、固定配流盘(4)、浮动配流盘(8)、壳体(16)、压缩弹簧(11)、外端盖(22)和螺栓(12)；所述固定配流盘(4)设有相对低压流体进口(3)、相对高压流体出口(14)并安装了所述驱动轴的轴套(5)，所述浮动配流盘(8)设有相对低压流体出口(9)、相对高压流体进口(21)并安装了从动轴轴套(19)；
固定配流盘(4)固定在壳体(16)的一端，转子(7)、浮动配流盘(8)安装在壳体(16)内，浮动配流盘(8)不可相对壳体转动但可沿壳体轴心线方向浮动，转子(7)安装在固定配流盘(4)与浮动配流盘(8)之间，转子的两端分别与固定配流盘(4)和浮动配流盘(8)构成二个相对滑动的摩擦副；压缩弹簧(11)安装在浮动配流盘(8)与外端盖(22)之间，将浮动配流盘(8)推压在转子(7)上，同时压缩弹簧(11)通过浮动配流盘(8)也将转子(7)推压在固定配流盘(4)上；即压缩弹簧(11)将浮动配流盘(8)与转子(7)推向固定配流盘(4)而沿壳体(16)轴心线方向定位；
驱动轴(6)穿过机械密封盖(1)、固定配流盘(4)、安装在固定配流盘(4)上的驱动轴轴套(5)与转子(7)一端牢固结合，从动轴(17)穿过安装在浮动配流盘(8)上的从动轴轴套(19)与转子(7)的另一端牢固结合，驱动轴(6)与从动轴(17)将转子周向定位。
2.如权利要求1所述的一种液体余压能量回收器，其特征在于在壳体内，在浮动配流盘和外端盖之间的壳体形成相对高压流体进水腔。
3.如权利要求1所述的一种液体余压能量回收器，其特征在于固定配流盘(4)和浮动配流盘(8)上都有二个密封区将相对高压和相对低压流体分隔。
4.如权利要求3所述的一种液体余压能量回收器，其特征在于转子(7)中心、驱动轴(6)中心、从动轴(17)中心中空并且相互连通，该区域与固定配流盘(4)上相对低压流体进口(3)相通；浮动配流盘(8)的浮动配流盘上密封圈(18)与浮动配流盘下密封圈(20)之间、浮动配流盘(8)上相对低压流体出口(9)、与浮动配流盘(8)上相对低压流体出口(9)和固定配流盘(4)上相对低压流体进口(3)相通的转子(7)上的流道、固定配流盘(4)上相对低压流体进口(3)为相对低压区；其他区域为相对高压区。
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