CN102947631A - 线性中空滑阀 - Google Patents

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T.A.安德森
M.R.沙
P.P.博尚
R.R.卡卢里
S.M.N.巴特
H.K.R.科梅怕利
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Abstract

提供了一种用于能量回收系统(100)的压力交换管的阀门系统(200)。该阀门系统包括阀外壳(304)、流量分配器(310)、中空阀芯(302)和密封系统。阀外壳可包括成组的高压端口(306)和成组的低压端口(308)。流量分配器允许进入和来自在阀外壳内的成组的高压端口和成组的低压端口的流。中空阀芯可构造成在阀外壳和流量分配器之间的径向间隙中轴向往复运动。中空阀芯可连接与高压端口或低压端口流体连通的压力交换管。密封系统可设置在阀外壳内以用于为中空阀芯提供大致的液压平衡。

Description

线性中空滑阀
技术领域
本发明的实施例涉及一种能量回收系统。更具体而言，本发明的实施例涉及一种用于能量回收系统的阀门系统。
背景技术
能量回收系统是一种利用处于较高压力的流体流对处于较低压力的另一流体加压的装置。能量回收系统通常在脱盐设施中使用以通过使用高压浓缩物而对进料流加压。
能量回收系统可包括压力交换管和在压力交换管内部往复运动的活塞。此外，阀门系统可控制进入压力交换管的给水流和离开压力交换管的浓缩物流。一种形式的能量回收系统可包括两个或更多个压力交换管。各种阀门系统是本领域中已知的，例如旋转阀门系统和线性阀门系统。
阀门系统通常连接到两个压力交换管并与两个活塞的移动同步。这样的阀门系统通常是复杂、笨重、昂贵的，并且更易失效的。此外，压力交换管的独立操作可能是不可能的。
在操作期间，阀门系统经受各种液压负载，例如径向负载和轴向负载。这些液压负载中的一些可能是不平衡的，并且可对抗所施加的促动负载。因此，可能需要更高的促动能量来操作阀门系统。这可增加促动阀门系统的成本并且还可降低能量回收系统的效率。另外，不平衡的负载可减少密封系统的总寿命。
此外，已知的压力交换管和阀门系统可通过电磁、液压、气动等各种方式促动。在液压或气动方式的情况中，一个或多个轴可必须通过单独的密封系统穿入压力交换管和阀门系统中。这可增加能量回收系统的成本和复杂性。密封系统本身可能是易于泄漏的。
因此，需要一种克服了这些和其它相关问题的、用于能量回收系统的压力交换管的阀门系统。
发明内容
本发明提供了一种克服了前述缺点的用于能量回收系统的压力交换管的阀门系统。该阀门系统能够进行高压端口和低压端口的合适促动以允许压力交换。
根据本发明的一个方面，阀门系统包括阀外壳、流量分配器、中空阀芯(spool)和密封系统。阀外壳可包括成组的高压端口和成组的低压端口。流量分配器允许流入和流出在阀外壳内的成组的高压端口和低压端口。中空阀芯可构造成在阀外壳和流量分配器之间的径向间隙中轴向往复运动。中空阀芯可连接与高压端口或低压端口流体连通的压力交换管。密封系统可构造成为中空阀芯提供大致液压平衡。由于轴向液压平衡，可能需要较低的促动力来控制中空阀芯的移动。相应地，低促动力可允许使用外部驱动的中空阀芯，其克服了对于穿过压力交换管或阀体的促动器的之前挑战。
根据结合附图提供的本发明的实施例的以下详细描述，将更容易理解这些和其它优点和特征。
附图说明
图1示出根据本发明的实施例的能量回收系统的示意图。
图2示出根据本发明的实施例的阀门系统的透视剖面图。
图3示出根据本发明的实施例的阀门系统的剖面图，其中中空阀芯处于第一轴向位置。
图4示出根据本发明的实施例的阀门系统的剖面图，其中中空阀芯处于第三轴向位置。
图5示出根据本发明的实施例的阀门系统的剖面图，其中中空阀芯处于第二轴向位置。
具体实施方式
下面将结合附图详细描述本发明的各种实施例。然而，将显而易见的是，这些实施例可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其它情况下，公知的工艺步骤或元件未详细描述，以免不必要地使本发明的描述不清楚。以下示例性实施例及其方面结合意图作为示例性示例而不限制范围的器械、方法和系统而描述和示出。
本发明提供了一种用于能量回收系统的压力交换管的阀门系统。能量回收系统是一种通过从一个子系统到另一子系统的能量交换而利用子系统的废物流来最小化对整个系统的能量输入的装置。在脱盐系统中，能量回收系统可用来在反渗透系统的进流和出流之间传递压力。更具体而言，压力可从高压浓缩物溶液中被提取并传递到低压给水中，从而导致提高的脱盐系统能量效率。因此，通过采用能量回收系统可降低饮用水的生产成本。
图1是根据本发明的各种实施例的能量回收系统100的示意图。能量回收系统100可包括如图1所示的两个压力交换管102和104。压力交换管通常用于从处于相对高压的流体流到处于相对低压的流体流交换液压压力。此外，活塞106和108可以以与管壁的可滑动且密封的布置相应地设置在压力交换管102和104内。活塞106和108可适于在压力交换管102和104中的每一个内纵向移动。活塞106和108可通过诸如电磁设备、气动设备和液压设备的各种促动设备来促动。本领域的技术人员将理解，其它促动设备可能是有限的，并且前述示例是非限制性集合。气动设备可涉及使用轴和密封件来促动活塞106和108。能量回收系统100还可包括四个阀门110、112、114和116(压力交换管102和104各两个)，以用于控制进入和离开压力交换管102和104的流体流。此外，阀门中的每一个的外壳(未示出)可包括两个高压端口和两个低压端口。能量回收系统100可具有布置成各种可能的构型的一个或多个压力交换管。
在本发明的一个示例性实施例中，能量回收系统100可用于脱盐设施中。在脱盐系统中，能量回收系统100可用来在排放的浓缩物溶液(处于相对高的压力)和给水(处于相对低的压力)之间实现压力交换。参看图1，在压力交换管102和104的一侧上，一根管线可经由阀门110和112连接到浓缩物溶液管线，并且另一根管线可连接到疏放口。在压力交换管102和104的另一侧上，一根管线可连接到给水管线，并且另一根管线可连接到反渗透子系统的高压侧。下面参照图1解释压力交换管102在一个压力交换循环中的操作。
初始地，活塞106可在压力交换管102内部的最左位置处，并且阀门110和114的所有端口可被关闭。在该位置处，压力交换管102充满浓缩物溶液。阀门110和114的低压端口可接着被打开。由于阀门110的低压端口打开，给水(处于相对低的压力)可被吸入压力交换管102中。给水将活塞106从左侧推动并排出浓缩物溶液。活塞106因此移动至最右侧，并且压力交换管102此时充满给水。当活塞106到达最右位置时，阀门110和114的低压端口关闭。这样完成了压力交换循环的前半部分，这部分涉及活塞106从最左位置到最右位置的移动。
在压力交换循环的后半部分中，阀门110的高压端口可打开。浓缩物溶液可用高压朝左推动活塞106。由于给水是不可压缩的，压力交换管102中的给水的压力可增加至浓缩物溶液的压力。阀门114的高压端口可接着打开。可通过电磁力而将额外的增压提供至活塞106。浓缩物溶液(处于相对高的压力)与额外的增压一起可驱动给水离开阀门114的高压端口，从而导致活塞106向最左位置移动。活塞106从最右位置向最左位置的移动限定了压力交换循环的后半部分。因此，将压力从高压浓缩物溶液交换至低压给水。此外，这些步骤可重复以实现在每个循环中的压力交换。压力交换管104可以以与压力交换管102类似的方式操作。
为了保持离开能量回收系统100的给水的连续流动，压力交换管102和104的活塞106和108可以各自可操作地同步，以便以约180度的相位差移动。具体而言，活塞106和活塞108可用180度的相位差促动。
图2示出根据本发明的实施例用于能量回收系统100的阀门系统200的透视图。阀门系统200可在脱盐系统中使用。线圈202可缠绕在能量回收系统100的压力交换管102周围。此外，可使用控制器来控制供应到线圈202的电流。在本发明的实施例中，可使用电磁促动设备来控制活塞106。设置在压力交换管102内的活塞106可由围绕在活塞106周围的永磁体204组成。因此，活塞106可经收由带有电流的线圈202与永磁体204的磁场的相互作用所生成的轴向力。供应到线圈202的电流可被控制，以便控制活塞106在压力交换管102内的移动。在本发明的其它实施例中，可使用诸如气动设备和液压设备的线性运动促动设备来控制活塞106的移动。此外，可提供密封件206以密封活塞106与压力交换管102的壁，以便最小化低压流体流和高压流体流的混合。在活塞106在压力交换管102内移动的同时，密封件206还可承载诸如重量、摩擦和各种各样负载的其它负载。
在本发明的实施例中，阀门系统200可包括用于控制阀门的打开/关闭的阀门促动器208。此外，可使用传感器来感测活塞106的位置。阀门促动器208可根据所感测到的活塞106的位置来控制阀门的打开/关闭。具体而言，可由阀门促动器208来控制活塞106到达其极限位置(在压力交换管102的任一端处)的定时(timing)以及阀门的打开/关闭。参看图1，阀门系统200可在能量回收系统100的阀门110、112、114和116中的至少一个中实现。对应于压力交换管102的阀门系统200可独立于用于压力交换管104的类似阀门系统而控制。结合图3、图4和图5详细地解释各种构型的阀门系统200的构造和工作。具体而言，分别结合图3、图5和图4解释涉及处于第一、第二和第三轴向位置的中空阀芯的阀门系统200的工作。
图3示出根据本发明的实施例的阀门系统200的剖面图，其中中空阀芯302处于第一轴向位置。阀门系统200包括阀外壳304。阀外壳304可具有管状形状且连接到压力交换管。此外，阀外壳304可包括成组的高压端口306和成组的低压端口308。成组的高压端口306可包括至少两个径向高压端口。在这两个径向高压端口之间的周向分离可为约360/(高压端口的数量)度。类似地，成组的低压端口308可包括周向分离约360/(低压端口的数量)度的至少两个径向低压端口。参看图3，阀外壳304可包括周向分离约180度的两个高压端口306和周向分离约180度的两个低压端口308。
虽然图3示出特定实施方式，但应当理解，高压端口和低压端口的位置可互换。具体而言，端口306可为低压端口，并且端口308可为高压端口。
如图3所示，阀门系统可包括流量分配器310。流量分配器310可以是管状和中空形状，并且位于阀外壳304内。流量分配器310可构造成分配进入和离开高压端口306和低压端口308的流。在本发明的一个实施例中，流量分配器310可包括与高压端口306轴向对准的第一组周边开口312和与低压端口308轴向对准的第二组周边开口314(图5中示出)。在本发明的备选实施例中，流量分配器310可包括从高压端口306延伸至低压端口308的仅一组周边开口。周边开口312和314可有利于进入和离开高压端口306和低压端口308的流。
参看图3，阀门系统还包括中空阀芯302。在本发明的各种实施例中，中空阀芯302可构造成在阀外壳304与流量分配器310之间的径向间隙中轴向往复运动。中空阀芯302可选择性地连接与高压端口306或低压端口308流体连通的压力交换管。在第一轴向位置中，中空阀芯302可以以允许在高压端口306和压力交换管之间的流体连通的方式轴向对准。具体而言，中空阀芯302可轴向对准，以便有利于高压端口306和周边开口312之间的流体连通，如图3所示。因此，高压流体流可经由高压端口306流入压力交换管中。此外，在第一轴向位置中，中空阀芯302还可阻止在低压端口308和压力交换管之间的流体连通。换言之，中空阀芯302可轴向对准，以便阻止在低压端口308和周边开口314之间的流体连通。中空阀芯302可具有在轴向端附近的径向开口，该开口可为中空阀芯302提供大致的液压平衡。在高压端口306或低压端口308的两个端口之间的180度的周向分离可使中空阀芯302的机械径向力平衡成为可能。
阀门促动器208可控制中空阀芯302的移动。在本发明的一个实施例中，阀门促动器208包括促动器外壳316、促动器活塞318和促动器轴320。促动器外壳316可以是管状形状且连接到阀外壳304。促动器线圈322可缠绕在促动器外壳316周围。此外，促动器活塞318可在促动器外壳316内往复运动。促动器活塞318可以是中空形状的。此外，促动器轴320可将促动器活塞318连接到中空阀芯302以用于控制中空阀芯302的移动。中空阀芯302在一端处可具有用于接纳促动器轴320的连接构件。此外，流量分配器310可具有开口，以允许中空阀芯302的连接构件在中空阀芯302的各个位置之间(在第一轴向位置和第二轴向位置之间)往复运动。可使用促动设备来控制促动器活塞318的移动。促动设备可包括例如电磁设备、气动设备、液压设备等。本领域的技术人员将理解，其它促动设备可能是有限的，并且前述示例是非限制性集合。
促动设备可使用在压力交换管内滑动的活塞的位置来控制阀门系统200的打开/关闭。可使用传感器来获得活塞的位置。感测到的位置可用来控制高压端口306和低压端口308的打开/关闭。可由促动设备使用感测到的活塞的位置来控制促动器活塞318的移动，从而可将活塞在压力交换管的任一侧处到达其极限位置的定时与高压端口306和低压端口308的打开/关闭同步化。
此外，阀门系统200可包括设置在阀外壳304内部的密封系统。在本发明的一个实施例中，密封系统可包括在流量分配器310的两端处的轴向密封件326，如图3所示。轴向密封件326可最小化接触面积并减少中空阀芯302的液压不平衡。另外，在带有或不带有轴向密封件326的情况下，密封系统可包括径向密封件328。当中空阀芯302处于第一轴向位置或第二轴向位置时，径向密封件328可最小化在成组的高压端口306和成组的低压端口308之间的流体流。此外，径向密封件328可大致避免在高压端口306和低压端口308之间的流体连通。径向密封件328可包括一个或多个密封环。此外，除了密封环之外，径向密封件328还可包括导向环330。密封系统可使中空阀芯302在轴向方向上液压平衡。
图4示出根据本发明的实施例的阀门系统200的剖面图，其中中空阀芯302处于第三轴向位置。在第三轴向位置中，中空阀芯302堵塞高压端口306和低压端口308。在第三轴向位置中，中空阀芯可通过穿过中空阀芯302的中心的、端面之间的流体连通而在轴向方向上液压平衡。中空阀芯302可从第一轴向位置朝左移动以到达第三轴向位置。处于第三轴向位置的中空阀芯302可阻止在高压端口306和压力交换管之间、以及在压力交换管和低压端口308之间的流体连通。具体而言，中空阀芯302可轴向对准，以便阻止在高压端口306和周边开口312之间以及在低压端口308和周边开口314之间的流体连通。中空阀芯302可接着从第三轴向位置朝左移动以到达第二轴向位置。第三轴向位置可大致在中空阀芯的第一轴向位置和第二轴向位置之间。第三轴向位置可为来自在第一轴向位置与第二轴向位置之间的一系列位置的位置，使得中空阀芯302阻塞高压端口306和低压端口308。
图5示出根据本发明的实施例的阀门系统200的剖面图，其中中空阀芯302处于第二轴向位置。在第二轴向位置中，中空阀芯302可以以允许在低压端口308和压力交换管之间的流体连通的方式轴向对准。具体而言，中空阀芯302可轴向对准，以便有利于在低压端口308和周边开口314之间的流体连通，如图5所示。因此，低压流体流经由低压端口308流出压力交换管。此外，处于第二轴向位置的中空阀芯302可阻止在高压端口306和压力交换管之间的流体连通。换言之，中空阀芯302可轴向对准，以便阻止在高压端口306和周边开口312之间的流体连通。因此，中空阀芯302可在第一轴向位置和第二轴向位置之间往复运动。在本发明的一个实施例中，当中空阀芯302从第一轴向位置转变到第二轴向位置时，在中空阀芯302和管状阀外壳304之间的径向间隙可最小化，以便显著减少在高压端口306和低压端口308之间的流体流，反之亦然。
在本发明的一个实施例中，中空阀芯302可具有在轴向端附近的径向开口，当中空阀芯302处于第一轴向位置或第二轴向位置时，该开口可为中空阀芯302提供大致的液压平衡。可在高压端口306与低压端口308之间提供泄漏路径。泄漏路径可允许高压流体流与低压流体流的混合，以便为中空阀芯302提供液压平衡。泄漏路径的存在可在中空阀芯302的大致所有位置中为中空阀芯302提供液压平衡。虽然允许流体连通以平衡在中空阀芯302的每一端上的力，但进出高压端口306和低压端口308的泄漏可通过密封系统而最小化。当中空阀芯302处于第一轴向位置或第二轴向位置时，径向密封件328可最小化在成组的高压端口306和成组的低压端口308之间的流体流。
在本发明的各种实施例中，已结合能量回收系统100而解释了阀门系统200，其中活塞106和108构造成增强给水的压力。然而，本领域的普通技术人员可理解，阀门系统200也可用于任何反渗透系统中，例如，具有带被动(passive)压力交换管且使用增压泵的能量回收系统的反渗透系统。
已结合仅用于例证目的的若干实施例而描述了本发明。本领域的技术人员将从本说明书认识到，本发明不限于所描述的实施例，而是可进行仅由所附权利要求的精神和范围限制的修改和更改。

Claims (21)

1. 一种用于具有至少一个压力交换管的能量回收系统的阀门系统，所述阀门系统包括：
管状阀外壳，其连接到所述压力交换管，所述管状阀外壳包括：
成组的高压端口，其包括周向分离约360/(径向端口的数量)度的至少两个径向高压端口；以及
成组的低压端口，其包括周向分离约360/(径向端口的数量)度的至少两个径向低压端口；
中空管状流量分配器，其位于所述管状阀外壳的内部且构造成分配进入和离开在所述管状阀外壳内的成组的高压端口和低压端口的流；
中空阀芯，其构造成在所述管状阀外壳与所述中空管状流量分配器之间的径向间隙中轴向往复运动，以选择性地连接与所述成组的高压端口和所述成组的低压端口中的一个流体连通的至少一个压力交换管，其中，所述中空阀芯在所述能量回收系统的操作期间大致液压平衡；以及
密封系统，其设置在所述管状阀外壳的内部，使得所述中空阀芯在所述中空阀芯的所有位置中在轴向方向上大致液压平衡。
2. 根据权利要求1所述的阀门系统，其特征在于，所述中空阀芯构造成在第一轴向位置与第二轴向位置之间轴向往复运动。
3. 根据权利要求2所述的阀门系统，其特征在于，所述中空阀芯在所述第一轴向位置轴向对准以阻止在所述成组的低压端口和所述至少一个压力交换管之间的流体流，并且允许在所述成组的高压端口和所述至少一个压力交换管之间的流体流。
4. 根据权利要求2所述的阀门系统，其特征在于，所述中空阀芯在所述第二轴向位置轴向对准以阻止在所述成组的高压端口和所述至少一个压力交换管之间的流体流，并且允许在所述成组的低压端口和所述至少一个压力交换管之间的流体流。
5. 根据权利要求2所述的阀门系统，其特征在于，所述中空阀芯在第三轴向位置轴向对准以阻止在所述成组的高压端口和所述至少一个压力交换管之间以及在所述在至少一个压力交换管和所述成组的低压端口之间的流体流，并且其中，所述第三轴向位置在所述第一轴向位置和所述第二轴向位置之间。
6. 根据权利要求1所述的阀门系统，其特征在于，所述中空管状流量分配器包括与所述成组的高压端口和所述成组的低压端口轴向对准的一组或多组周边开口。
7. 根据权利要求2所述的阀门系统，其特征在于，所述中空阀芯在所述第一轴向位置轴向对准以阻止在所述成组的高压端口和第一组周边开口之间的流体流。
8. 根据权利要求2所述的阀门系统，其特征在于，所述中空阀芯在所述第二轴向位置轴向对准以阻止在第二组周边开口与所述成组的低压端口之间的流体流。
9. 根据权利要求5所述的阀门系统，其特征在于，所述中空阀芯在所述第三轴向位置轴向对准以阻止在所述成组的高压端口与第一组周边开口之间以及在第二组周边开口与所述成组的低压端口之间的流体流，并且其中，所述第三轴向位置在所述第一轴向位置和所述第二轴向位置之间。
10. 根据权利要求2所述的阀门系统，其特征在于，当所述中空阀芯从所述第一轴向位置转变到所述第二轴向位置时，在所述中空阀芯和所述管状阀外壳之间的径向间隙最小化，以便显著减少在所述成组的高压端口和所述成组的低压端口之间的流体流，反之亦然。
11. 根据权利要求2所述的阀门系统，其特征在于，所述中空阀芯包括邻近轴向端的径向开口，以便在所述中空阀芯处于所述第一轴向位置或所述第二轴向位置时，使所述中空阀芯大致液压平衡。
12. 根据权利要求1所述的阀门系统，其特征在于，所述密封系统包括在所述管状阀外壳的两端处的轴向密封件。
13. 根据权利要求1所述的阀门系统，其特征在于，所述密封系统包括径向密封件，所述径向密封件大致阻止在所述成组的高压端口和所述成组的低压端口之间的流体流。
14. 根据权利要求1所述的阀门系统，其特征在于，还包括阀门促动器，并且其中，所述阀门促动器包括：
管状促动器外壳，其连接到所述管状阀外壳；
促动器活塞，其在所述管状促动器外壳内部往复运动；以及
促动器轴，其用于将所述促动器活塞连接到所述中空阀芯。
15. 根据权利要求14所述的阀门系统，其特征在于，所述促动器活塞由电磁设备促动。
16. 根据权利要求14所述的阀门系统，其特征在于，所述促动器活塞由气动设备促动。
17. 根据权利要求14所述的阀门系统，其特征在于，所述促动器活塞由液压设备促动。
18. 根据权利要求14所述的阀门系统，其特征在于，所述中空阀芯还包括用于接纳所述促动器轴的连接构件。
19. 根据权利要求18所述的阀门系统，其特征在于，所述中空管状流量分配器包括至少一个开口，以允许所述中空阀芯的连接构件在第一轴向位置和第二轴向位置之间往复运动。
20. 一种用于具有至少一个压力交换管的能量回收系统的阀门系统，所述阀门系统包括：
管状阀外壳，其连接到所述压力交换管；
中空管状流量分配器，其位于所述管状阀外壳内部；
中空阀芯，其构造成在所述管状阀外壳与所述中空管状流量分配器之间的径向间隙中轴向往复运动；以及
阀门促动器，包括：
管状促动器外壳，其连接到所述管状阀外壳；
促动器活塞，其在所述管状促动器外壳内部往复运动；以及
促动器轴，其用于将所述促动器活塞连接到所述中空阀芯。
21. 根据前述权利要求中的任一项所述的用于能量回收系统的阀门系统，其特征在于，所述阀门系统构造成用于脱盐系统。
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