CN102725538B - 压力交换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压力交换器，用于将压力从高压流体传递至低压流体，所述压力交换器包括壳体和设置在所述壳体内用于旋转的转子，所述转子具有至少一个大体上沿轴向穿过所述转子延伸的通道，所述通道在一个末端具有第一开口，在另一个末端具有第二开口，所述开口沿所述转子的长度方向彼此隔开，所述壳体在一个轴向部分具有多个端口，用于与所述第一通道开口相连通；在另一个轴向部分具有多个端口，用于与所述第二通道开口相连通；其中，将所述第一通道开口定位成基本为径向的，由此，当流体进入所述第一通道开口时引导流体径向流入，当流体离开所述第一通道开口时引导流体径向流出。

Description

压力交换器

技术领域

本发明涉及一种压力交换器，更具体而言，本发明涉及但不仅限于一种效率得到改善和/或生产成本降低的压力交换器。

背景技术

在用于水脱盐工业中、特别是用于海水反渗透脱盐工业中的反渗透工艺中，使用压力交换器是众所周知的。例如，美国专利7,251,557中披露了一种旋转式正位移压力交换器。

但是，本申请的申请人已经证实已有的旋转式正位移压力交换器价格昂贵，并且不适用于在流过所述压力交换器的流体中含有比例相对较高和尺寸相对较大的颗粒状物质的情况。

本发明的实施例寻求提供一种压力交换器，所述压力交换器能够克服或至少缓解先前提及的压力交换器的一个或多个缺陷。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种压力交换器，用于将压力从高压流体传递至低压流体，所述压力交换器包括壳体和设置在所述壳体内用于旋转的转子，所述转子具有至少一个大体上沿轴向穿过所述转子延伸的通道，所述通道在一个末端具有第一开口，在另一个末端具有第二开口，所述开口沿所述转子的长度方向彼此隔开，所述壳体在一个轴向部分具有多个端口，用于与所述第一通道开口相连通；在另一个轴向部分具有多个端口，用于与所述第二通道开口相连通；其中，将所述第一通道开口定位成基本为径向的，由此，当流体进入所述第一通道开口时引导流体径向流入，当流体离开所述第一通道开口时引导流体径向流出。

可以将所述第一通道开口定位成具有切向分量以及径向分量。

优选地，将所述第二通道开口定位成基本为径向的，由此，在流体进入所述第二通道开口时引导流体径向流入，并且在流体离开所述第二通道开口时引导流体径向流出。

根据本发明的一个方面，提供了一种将压力从高压流体传递至低压流体的压力交换器，所述压力交换器包括壳体和设置在所述壳体内用于旋转的转子，所述转子具有至少一个大体上沿轴向穿过所述转子延伸的通道，所述通道在一个末端具有第一开口，在另一个末端具有第二开口，所述开口沿所述转子的长度方向彼此隔开，所述壳体具有轴向设置的、对应于第一通道开口的第一入口和第一出口，还具有轴向设置的、对应于第二通道开口的第二入口和第二出口，由此，在所述转子的一个旋转位置上，所述通道与所述第一入口和第二出口相连通；在所述转子的另一个旋转位置上，所述通道与第二入口和第一出口相连通；其中，将所述第一通道开口定位成基本为径向的，由此，在所述一个旋转位置上，引导流体从所述第一入口向所述第一通道开口径向流入；在所述另一个旋转位置上，引导流体从所述第一通道开口向所述第一出口径向流出。

优选地，将所述第二通道开口定位成基本为径向的，由此，在所述一个旋转位置上，引导流体从所述第二通道开口向第二出口径向流出；在所述另一个旋转位置上，引导流体从所述第二入口向所述第二通道开口径向流入。

优选地，所述转子具有多个围绕旋转轴径向分布的相似通道。更优选地，所述通道围绕旋转轴等半径和等角度间隔地分布。

优选地，所述通道或每个通道偏离所述转子的径向，由此，流体流入和流出的方向(即，流动路径的中心线)与所述转子的旋转轴相分离。更优选地，所述通道向所述开口的内部弯曲，用于使流体进入和离开所述通道的方向发生变化，并且，由方向变化引起的净反作用力沿与所述旋转轴偏离(既不相交也不平行)的施力线作用，产生驱动所述转子旋转的扭矩。再更优选地，所述净反作用力作用在垂直于转子的旋转轴的平面中。也就是说，一个或多个通道开口的方向包括一个与转子相切的方向分量，由此，相对于所述转子而言，贯穿每个所述开口的流动路径的中心线离开(既不相交也不平行)所述转子的旋转轴。

在一个实施例中，设置所述入口，使所述转子的旋转由进入所述通道的流体脉冲驱动。即，使所述转子在进入所述通道的流体的流动方向的驱动(或协助)下发生旋转。

优选地，所述第一入口在所述第一出口的对面，所述第二入口在所述第二出口的对面，并且所述通道以成对而相对的方式设置，以使所述转子的一侧传递高压，同时所述转子的对侧传递低压，所述高压侧使所述转子相对于所述壳体朝所述低压侧偏移，从而有助于所述低压侧的开口的密封。

作为可替代的方案，采用奇数个通道也可以实现上述目的，所述奇数个通道有助于减少以成对而相对的方式设置的通道中产生的共振、噪音、颤动。

在一个优选的实施例中，所述壳体由多个独立的部件制成。更优选地，所述壳体包括两个端盖，其中一个端盖具有所述第一入口和第一出口，另一个端盖具有第二入口和第二出口。

作为可替代的方案，可以将所述入口和出口集成于具有简单端板的壳体的主体中，所述端板封闭所述壳体的每个末端。

优选地，将所述第一通道开口定位成与所述转子的旋转轴垂直的方向。同样，也可以将所述第二通道开口定位成与所述转子的旋转轴垂直的方向。

附图说明

通过仅是非限定性的实施例并结合附图来描述本发明，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的压力交换器的立体视图；

图2是一立体截面图，示出了穿过所述压力交换器的端盖截取的一水平截面；

图3是所述压力交换器的立体截面图，示出了沿所述压力交换的长度方向在中间位置处截取的一水平截面；

图4是所述压力交换器的立体截面图，示出了沿旋转轴方向截取的一竖直截面；

图5是沿旋转轴方向截取的截面图；

图6是所述压力交换器的立体爆炸图；

图7是一立体爆炸图，示出了沿旋转轴方向截取的截面；

图8是所述压力交换器的爆炸图，示出了沿旋转轴方向截取的截面；

图9是一种可替代的壳体设计的示意简图，所述壳体具有简单的端板，其封闭壳体的每个末端；和

图10是示出了入口和出口配置方案的内部形状的一个实施例的示意简图，将所述入口和出口配置成与流入转子和流出转子的方向配合得更加紧密。

具体实施方式

图1至图8示出了用于将压力从高压流体传递至低压流体的压力交换器10。所述压力交换器10包括壳体12和设置在壳体12内部用于旋转的转子14。通过使位于所述压力交换器10的一个末端的端口16与相对高压(压力交换之前)的流体相连并使位于所述压力交换器的相对末端的端口16与相对低压(压力交换之前)的流体相连的方式，使用所述压力交换器10。通过转子14在所述壳体12内的旋转，将压力从高压流体传递至低压流体。

转子14具有多个基本上沿轴向穿过所述转子14延伸的通道18。每个通道18在所述通道18的一个末端具有第一开口20(参见图5)，并且在所述通道18的另一个末端具有第二开口22。所述开口20、22沿所述转子14的长度方向彼此隔开，所述壳体12在一个轴向部分具有多个端口16a，用于与所述第一通道开口20连通；在另一个轴向部分具有多个端口16b，用于与所述第二通道开口22连通。将所述第一通道开口20定位成基本为径向的，由此，当流体进入所述第一通道开口20时引导流体径向流入，当流体离开所述第一通道开口20时引导流体径向流出。更具体而言，所述转子为大体上圆筒状的，并且将所述第一通道开口20定位成相对于转子14基本为径向的，由此，所述第一通道开口20形成于所述转子14的外周表面24上。

在示出的实施例中，所述第二通道开口22也被定位成基本为径向的，由此，当流体进入所述第二通道开口22时引导流体径向流入，当流体离开所述第二通道开口22时引导流体径向流出。同样，如图6中所示，所述第二通道开口22形成于所述转子14的外周表面24上。

有利地，通过将所述第一通道开口20和第二通道开口22定位成基本为径向的，本申请的申请人已经确定：采用上述配置，可以使所述压力交换器10的入口和出口之间的密封性得到改善，并且具有潜在的更大的容差和更低的制造成本，以及通过切向分量产生扭矩从而驱动转子14。

参考图1，壳体12由上盖26、下盖28和位于所述上盖26和下盖28之间的壳体环30形成。所述上盖26具有形成在其内部的端口16a，并且所述下盖28具有形成在其内部的端口16b。所述端口16a中的一个端口形成所述压力交换器10的第一入口32，并且所述端口16a中的另一个端口形成所述压力交换器的第一出口34。如图2、4和5中所示，所述第一入口32和第一出口34为轴向设置，对应于所述第一通道开口20。所述下盖28具有形成在其内部的端口16b，所述端口16b中的一个端口形成所述压力交换器10的第二入口36，并且所述端口16b中的另一个端口形成所述压力交换器的第二出口38。所述第二出口38与所述第一入口32位于所述压力交换器10的同一侧，并且所述第二入口36与所述第一出口34位于所述压力交换器的同一侧。因此，参考图2至图8，在所述转子14的一个旋转位置上，某个通道18与所述第一入口32和第二出口38相连通，并且在所述转子14的另一个旋转位置上，同一个通道18与所述第二入口36和第一出口34相连通。通过这种方式，所述第一入口32能够作为高压入口使用，所述第二出口38能够作为高压出口使用，所述第一出口34能够作为低压出口使用，并且所述第二入口36能够作为低压入口使用。

因此，所述转子14在所述壳体12的套筒40内以滑动且密封的方式旋转。所述转子14内的通道18将所述高压入口32与所述高压出口38、所述低压入口36与所述低压出口34相连。当所述转子旋转时，进入所述高压入口32的流体充满连接所述高压入口32和所述高压出口38的通道18，将这些通道18内的流体经由所述高压出口38推出。当所述转子14旋转时，通过所述转子14的外表面和所述套筒40的内表面之间的紧密配合，先将流体密封在这些通道18内。当所述转子14继续旋转时，接着这些通道18使所述低压入口36和所述低压出口34相连。进入所述低压入口36的流体充满这些通道18，将这些通道18内的流体经由所述低压出口34推出。当所述转子14继续旋转时，通过所述转子14的外周表面24和所述套筒40的内表面之间的紧密配合再次密封所述通道18。最终，当所述转子14继续旋转从而转完一圈时，所述通道18再次使所述高压入口32与所述高压出口38相连，并且如上所述的过程自动无限地重复。上述过程对于转子14内的多数通道18而言是连续发生的。每个通道18可以设有膜片或滑动密封件，以避免两种流体之间的接触。

本领域技术人员可以理解的是，对于所述壳体12的部件相对于所述壳体12的其他部件的固定和密封，可以采用各种方法，并且上述方法在本发明的保护范围内。

所述压力交换器10可以包括止推轴承(水力式的或其他形式的)，以支撑转子在轴向方向上的重量和/或水压推力。

如果流体流入所述高压入口32和所述低压入口36的流速是相等的(不计由于泄露所产生的额外流动)，所述压力交换器10的作用是使流入所述低压入口36的流体以增大的压力流出所述高压出口38。也就是说，存在着自高压流体至低压流体的压力交换。

参考图2和图3，所述转子14内的多个相似通道18围绕旋转轴42等半径和等角度间隔地分布。如图3中所示，每个通道18偏离于所述转子14的径向，由此，流体流入和流出的方向(即，流动路径的中心线)与所述转子14的旋转轴42相分离。具体而言，如图4和图5所示，每个通道18向所述开口20、22的内部弯曲，以使流体进入和离开所述通道18的方向发生变化，并且，由方向变化引起的净反作用力作用在与所述旋转轴42相偏离(既不相交也不平行)的施力线上，产生驱动所述转子14旋转的扭矩。所述由流体在所述通道18向所述开口20、22的内部弯曲的部分上产生的方向变化引起的净反作用力作用在大体垂直于转子14的旋转轴42的平面中。因此，流入和流出所述转子14内的通道18的所述流体的动量变化将沿与所述转子14的旋转轴42相偏离(既不相交也不平行于旋转轴42)的作用线提供作用力，并且由此获得的扭矩用于驱动转子14的转动。所述转子14的驱动力可以通过机械和/或电力手段补给或替代。

可以构造所述高压入口32和低压出口36，使所述转子14除了由因通道中的流体方向变化引起的扭矩驱动其旋转以外，还可以在进入所述通道18的流体流动方向的驱动(或协助)下发生旋转。

如图6至图8中的爆炸图所示，所述高压入口32在所述低压出口34的对面，所述低压入口36在所述高压出口38的对面。所述通道可以采用成对且相对的方式设置(或可选地，奇数个通道可以用于减少设备中的或由设备产生的共振和/或噪音和/或颤动)，以使所述转子14的一侧传递高压，同时所述转子14的对侧传递低压，所述压力交换器10的高压侧使所述转子14相对于所述壳体12朝所述压力交换器10的低压侧偏移，从而有助于所述低压侧的开口20、22的密封。因流体径向流入或流出所述转子14而产生的不平衡压力将产生正密封压力，并且可以提高所述压力交换器10的操作效率。所述正密封压力的另一个优点是能够在不显著降低或损失效率的前提下增大所述压力交换器10的旋转部分和静止部分之间的间隙。这可使得制造工艺的容差得以放宽，并且使得所述压力交换器10可以容许流体中存在相对大的颗粒。进一步地，相比于已有的压力交换器，端口16径向定位在对侧的结构为在高压端口和低压端口之间形成较大间隙创造了机会，并且对于端口16之间的泄漏，由于路径更长因此存在减少泄漏损失并提高效率的可能性。

在一种形式中，由所述转子14的外表面和所述套筒40的内表面之间的紧密配合中的水力压力抵抗住所述不平衡的压力，有效地起到水力式滑动轴承的作用。

尽管附图中所示的通道开口20、22被定位成垂直于所述转子14的旋转轴42的方向，但是，本领域技术人员可以理解的是，所述通道开口20、22可以被定位成具有径向分量的其他角度，上述方案仍然落入本发明的保护范围内。

此外，本领域技术人员可以理解的是，为优选实施方案中所描述的端口数量的整数倍数的端口在本发明的保护范围内，并且可以用于平衡或减轻不平衡压力。

有利地，本发明的实施例可以仅通过流体的力量提供足以驱动所述转子14的扭矩，并且所述转子14可以不再需要任何机械形式或电力形式的驱动。

可以预见的是，根据本发明的压力交换器的实施例可以适用于溶气浮选技术，(以及其他较低的水压应用)，还适用于高压应用，例如海水反渗透脱盐工艺和苦咸水反渗透脱盐工艺。

图9示出了可选的壳体设计示意简图，其中，所述入口和出口集成在所述壳体的主体(壳体环30)上，在所述壳体上，所述端盖26、28采用简单的端板的形式封闭所述壳体的每端。除了改变了所述壳体的构造之外，所述压力交换器与示于图1至图8中的压力交换器相似，并且，相似的附图标记用于表示相似的特征。具体而言，区别在于所述端口16a和16b中形成于所述壳体环30中(而不是端盖26、28中)，并且，所述端盖26和28具有螺纹，从而能够被旋入位于所述壳体环30的每端的相匹配的螺纹中。

尽管在可替代的壳体设计中示出的端盖(端板)26、28螺纹配合到所述壳体的主体(壳体环30)内部，可以理解的是，还可以采用其他的手段将所述端盖26、28固定于所述壳体环30上。例如，可选地，可以采用螺栓“环”(如同采用盲板法兰的情形)或各种其他可能的用于保持所需配合的手段实现上述目的。

参考图10，示出了一种可选的入口/出口配置方案，所述方案被设计成与流入和流出所述转子14的方向更加紧密配合的形式。具体而言，在左手边示出的对应于所述入口的端口16被构造成大体上与转子14相切，而在右手边示出的端口16被构造成与图1-图8中所示的端口大体类似。

尽管上文已经描述了本发明的不同实施方案，但是，应当理解的是，上述实施方案仅采用举例的方式，而不是限定性的方式示出。对于相关技术领域中的技术人员而言，对本发明进行不偏离本发明宗旨和范围的形式和细节上的各种变化是显而易见的。因此，本发明应该不限于如上所述的示例性实施方案中的任何一个方案。

在本申请的说明书全文以及所要求保护的权利要求中，除上下文中另有规定之外，词语“包括(comprise)”及其变体，比如“包括(comprises)，，和“包括(comprising)”，应被理解成表示包含所述的整数或步骤或整数或步骤的组，但不表示将任意其他整数或步骤或整数或步骤的组排除在外。

本申请的说明书中对任意现有出版物(或源于现有出版物的信息)或任意已知事实的引用不是、并且也不应被认为是声明、承认或任何形式地暗示上述现有出版物(或源于现有出版物的信息)或已知事实构成本说明书涉及的领域中的公知常识的一部分。

Claims (16)

1.一种压力交换器，用于将压力从高压流体传递至低压流体，所述压力交换器包括壳体和设置在所述壳体内用于旋转的转子，所述转子具有至少一个沿轴向穿过所述转子延伸的通道，所述通道在一个末端具有第一开口，在另一个末端具有第二开口，所述第一开口和第二开口沿所述转子的长度方向彼此隔开；所述壳体在一个轴向部分具有多个端口，用于与所述第一开口相连通，在另一个轴向部分具有多个端口，用于与所述第二开口相连通；其中，将所述第一开口定位成为径向的，由此，当流体进入所述第一开口时引导流体径向流入，当流体离开所述第一开口时引导流体径向流出，所述通道向所述第一开口和第二开口的内部弯曲，以使流体进入和离开所述通道的方向发生变化，并且，由方向变化引起的净反作用力沿与旋转轴偏离的施力线作用，产生驱动所述转子旋转的扭矩，所述偏离是指与旋转轴既不相交也不平行。

2.根据权利要求1所述的压力交换器，其特征在于，将所述第二开口定位成基本为径向的，由此，当流体进入所述第二开口时引导流体径向流入，当流体离开所述第二开口时引导流体径向流出。

3.一种压力交换器，用于将压力从高压流体传递至低压流体，所述压力交换器包括壳体和设置在所述壳体内用于旋转的转子，所述转子具有至少一个大体上沿轴向穿过所述转子延伸的通道，所述通道在一个末端具有第一开口，在另一个末端具有第二开口，所述第一开口和第二开口沿所述转子的长度方向彼此隔开，所述壳体具有径向设置的、对应于所述第一开口的第一入口和第一出口，还具有径向设置的、对应于所述第二开口的第二入口和第二出口，由此，在所述转子的一个旋转位置上，所述通道与所述第一入口和第二出口相连通，在所述转子的另一个旋转位置上，所述通道与第二入口和第一出口相连通，其中，将所述通道的第一开口定位成基本为径向的，由此，在所述一个旋转位置上，引导流体从所述第一入口向所述第一开口径向流入，在所述另一个旋转位置上，引导流体从所述第一开口向所述第一出口径向流出，所述通道向所述第一开口和第二开口的内部弯曲，以使流体进入和离开所述通道的方向发生变化，并且，由方向变化引起的净反作用力沿与旋转轴偏离的施力线作用，产生驱动所述转子旋转的扭矩，所述偏离是指与旋转轴既不相交也不平行。

4.根据权利要求3所述的压力交换器，其特征在于，将所述第二开口定位成基本为径向的，由此，在所述一个旋转位置上，引导流体从所述第二开口向第二出口径向流出，在所述另一个旋转位置上，引导流体从所述第二入口向所述第二开口径向流入。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的压力交换器，其特征在于，所述转子具有多个围绕旋转轴径向分布的相似通道。

6.根据权利要求5所述的压力交换器，其特征在于，所述通道围绕旋转轴等半径和等角度间隔地分布。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的压力交换器，其特征在于，所述通道偏离所述转子的径向，由此，流体流入和流出的方向与所述转子的旋转轴相分离，所述流体流入和流出的方向是指流动路径的中心线。

8.根据权利要求1所述的压力交换器，其特征在于，所述净反作用力作用在垂直于所述转子的旋转轴的平面中。

9.根据权利要求3所述的压力交换器，其特征在于，设置所述第一入口和第二入口，使所述转子在进入所述通道的流体的流动方向的驱动下、或至少在其协助下发生旋转。

10.根据权利要求3所述的压力交换器，其特征在于，所述第一入口在所述第一出口的对面，所述第二入口在所述第二出口的对面，并且设置所述通道，以使所述转子的一侧传递高压，同时所述转子的对侧传递低压。

11.根据权利要求10所述的压力交换器，其特征在于，所述高压侧使所述转子相对于所述壳体向所述低压侧偏移，从而有助于所述低压侧的开口的密封。

12.根据权利要求1所述的压力交换器，其特征在于，所述壳体由多个独立的部件制成。

13.根据权利要求3所述的压力交换器，其特征在于，所述壳体包括两个端盖，其中一个端盖具有所述第一入口和第一出口，另一个端盖具有第二入口和第二出口。

14.根据权利要求3所述的压力交换器，其特征在于，所述壳体包括两个固定在中心壳体主体的每端的端盖，并且其中所述第一入口、第一出口、第二入口和第二出口形成于所述中心壳体主体中。

15.根据权利要求1所述的压力交换器，其特征在于，将所述第一开口定位成与所述转子的旋转轴垂直的方向。

16.根据权利要求1所述的压力交换器，其特征在于，将所述第二开口定位成与所述转子的旋转轴垂直的方向。