CN104791333A - 一种旋转式能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转式能量回收装置，它包括转动组件，转动组件包括：驱动轴、套在驱动轴外的用于机械密封的动环、上配流转子、下配流转子；还设有不转组件，不转组件包括械密封盖、用于机械密封的与动环配合的静环、上端盖、安装在上端盖内的上滚动轴承、上止推盘、弹簧圈、与驱动轴轴向平行的压力交换管、壳体、下止推盘、安装在下止推盘内的下滚动轴承、下端盖。本发明采用马达驱动、旋转配流、自紧密封，实现高效稳定的压力能量交换；解决以往压力交换器难以处理大型、超大型流量的技术问题，同时能够替代阀控功交换器能量回收装置进行大型、超大型额定流量交换处理并具有稳定连续的流量和压力。

Description

一种旋转式能量回收装置

技术领域

本发明涉及液体系统中的压力能量回收装置。

背景技术

目前，功交换式能量回收装置，能量的转换过程为压力能。它使高低流体直接交换压力能，如果忽略装置中的摩擦和泄露，装置的效率理论上可以达到100％，而实际效率可在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，代表产品包括瑞士Calder公司的Work Exchange Energy Recovery(DWEER)、德国西格玛公司的Presssure Exchange System(PES)、Ionics公司的DYPREX动力压力交换器等，这类能量回收装置体积大，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，其维护工作量大和装备安全稳定性低；在切换过程中相位不连续，导致较大的流量和压力的波动。

压力交换器(Pressure Exchange)代表产品美国ERI公司的Pressure Exchanger(PX)，这类能量回收装置体积小。美国ERI公司的产品，在配流盘面上采用间隙密封结构，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；当转子较大时，依靠高压、低压水流的切向冲力无法使转子稳定旋转；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、稳定性大大下降。

在中国专利201010197604.1公开了一种功交换式能量回收装置，该压力交换器的转动部件的转动采用马达驱动，而转动部件由重而长的压力交换管组成，此转动部件具有很大的转动惯量，通过马达驱动且低速转动，需要很大的转动扭矩，此时难以保持能量回收装置高效稳定的运行，特别是中大型、超大型额定流量的产品此类型压力交换器也难以实现具有实际商业应用价值。

本产品公开的能量回收装置属功交换式能量回收装置，利用压力交换原理，选用新型高分子耐磨工程塑料自主开发配流转子，在配流面采用自主研发的自紧密封结构和水润滑静压支撑技术，利用马达驱动方案，该装置不但效率高，适用中大型、超大型流量压力交换，而且安全稳定、寿命长、噪音低。

发明内容

本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种中大型、超大型流量功交换式能量回收装置，能通过马达驱动、旋转配流、自紧密封，实现高效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(12)、套在驱动轴外的用于机械密封的动环(15)、上配流转子(4)、下配流转子(4’)，上配流转子(4)被穿入驱动轴(12)上端并在上配流转子穿入面的上端设置密封圈(18)，下配流转子(4’)被插入驱动轴(12)下端；

所述旋转式能量回收装置还设有不转组件，所述不转组件包括机械密封盖(13)、用于机械密封的与动环(15)配合的静环(14)、上端盖(1)、安装在上端盖内的上滚动轴承(16)、上止推盘(5)、弹簧圈(8)、与驱动轴轴向平行的压力交换管(10)、壳体(11)、下止推盘(5’)、安装在下止推盘内的下滚动轴承(16’)、下端盖(1’)，上止推盘(5)、下止推盘(5’)以盘心为中心的圆周上开有相应的一个或多个通槽(40)、(40’)，压力交换管(10)上端插入上止推盘(5)的通槽(40)并在插入面设置密封圈(9)、下端插入下止推盘(5’)的通槽(40’)并在插入面设置密封圈(9)，上止推盘(5)插入上端盖(1)下端面并在插入面设置密封圈(6)，下止推盘(5’)插入下端盖(1’)上端面并在插入面设置密封圈(6)，上滚动轴承(16)与下滚动轴承(16’)将所述转动组件周向定位；

驱动轴(12)穿过机械密封盖(13)、安装在上端盖内的上滚动轴承(16)、上配流转子(4)、上止推盘(5)、下止推盘(5’)、安装在下止推盘内的下滚动轴承(16’)并与下配流转子(4’)连接；

上端盖(1)固定在壳体(11)的上端并装有密封圈(7)，下端盖(1’)固定在壳体(11)的下端并装有密封圈(7)，所述转动组件的上配流转子(4)的上端面与不转组件上端盖(1)内腔支撑面接触且相对转动构成第一对相对滑动的摩擦副，上配流转子(4)的下端面与不转组件上止推盘(5)的上端面接触且相对转动构成第二对相对滑动的摩擦副，所述转动组件下配流转子(4’)的下端面与不转组件下端盖(1’)内腔支撑面接触且相对转动构成第三对相对滑动的摩擦副，下配流转子(4’)的上端面与不转组件下止推盘(5’)的下端面接触且相对转动构成第四对相对滑动的摩擦副；弹簧圈(8)分别固定在壳体(11)的上端及下端，压缩弹簧圈(8)分别将上止推盘(5)推压在上配流转子(4)上、将下止推盘(5’)推压在下配流转子(4’)上，同时上配流转子(4)挤压上端盖(1)内腔支撑面、下配流转子(4’)挤压下端盖(1’)内腔支撑面；

所述上配流转子(4)开有高压侧通槽(20)和低压侧通槽(30)，下配流转子(4’)开有高压侧通槽(20’)和低压侧通槽(30’)；将上配流转子(4)上的二个所述通槽分开的部分为上配流转子(4)的密封区，所述密封区将相对的高压流体和相对低压流体分隔；将下配流转子(4’)上的二个所述通槽分开的部分为下配流转子(4’)的密封区，所述密封区将相对高压流体和相对低压流体分隔；

所述上端盖(1)设有相对低压流体进口(2)、相对高压流体出口(3)，下端盖(1’)设有相对低压流体出口(2’)、相对高压流体进口(3’)；上端盖(1)；所述上配流转子(4)套入上端盖(1)，将上端盖(1)空腔分隔成低压腔室(60)和高压空腔环(50)；所述下配流转子(4’)套入下端盖(1’)，将下端盖(1’)空腔分隔成低压空腔环(50’)和高压腔室(60’)；

所述驱动轴(12)上端与上配流转子(4)通过上定位销(17)周向固定，驱动轴(12)下端与下配流转子(4’)通过下定位销(17’)周向固定；

所述上端盖(1)设有相对低压流体进口(2)、低压腔室(60)、上配流转子(4)的第一低压侧通槽(30)、上止推盘(5)的与相对低压流体出口和相对低压流体进口相通的通槽(40)、与上配流转子(4)的第一低压侧通槽(30)相通的压力交换管(10)、下止推盘(5’)的与相对低压流体出口和相对低压流体进口相通的通槽(40’)、下配流转子(4’)的第二低压侧通槽(30’)、低压空腔环(50’)和下端盖(1’)设有相对低压流体出口(2’)构成相对低压区；

上端盖(1)设有相对高压流体出口(3)、高压空腔环(50)、上配流转子(4)的第一高压侧通槽(20)、上止推盘(5)的与相对高压流体出口和相对高压流体进口相通的通槽(40)、与上配流转子(4)的第一高压侧通槽(20)相通的压力交换管(10)、下止推盘(5’)的与相对高压流体出口和相对高压流体进口相通的通槽(40’)、下配流转子(4’)的第二高压侧通槽(20’)、高压腔室(60’)和下端盖(1’)设有相对高压流体进口(3’)构成相对高压区。

由于采用本发明的技术方案，本发明具体有的有益效果是：

本发明旋转式能量回收装置的能量回收效率大于90％，比起瑞士Calder公司等阀控功交换式能交换器(Work Exchanger)，本发明公开的能回收装置体积小，结构简单，不需要复杂的阀门控制系统，不但装置本身安全稳定，而且在应用的系统中基本没有流体压力、流量的波动，使应用能量回收装置的系统也安全稳定。

本发明旋转式能量回收装置的配流副采用浮动的自紧密封结构，类似于水泵中的机械密封的技术，工作时高压流体与弹簧一起将上下二个止推盘压在上下二个配流转子上，高压流体压强越大，高压流体对止推盘的作用力越大，形成止推盘与配流转子运动摩擦面之间的自紧密封。采用弹簧圈保证止推盘受力均匀，有效防止配流面上的泄漏。

本发明旋转式能量回收装置，采用电机驱动配流转子转动实现压力交换，而不采用压力交换管转动，大大降低转动组件的转动扭矩，降低驱动功率，降低运行噪音。同时，解决了压力交换器能量回收装置难以处理大流量技术问题，并更好的替代了阀控功交换器能量回收装置实现大型、超大型额定流量交换处理。

附图说明

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

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为图1中上配流转子4的剖面示意图；

图2b为图1中上配流转子4的仰视示意图；

图3a为图1中下配流转子4’的剖面示意图；

图3b为图1中上配流转子4’的俯视示意图；

图4a为图1中上止推盘5的剖面示意图；

图4b为图1中上止推盘5的俯视示意图；

图5a为图1中上端盖1的俯视示意图；

图5b为图1中上端盖1的剖面示意图；

图6a为图1中下端盖1’的俯视示意图；

图6b为图1中下端盖1’的剖面示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

参照附图。它包括转动组件，所述转动组件包括：驱动轴12、套在驱动轴外的用于机械密封的动环15、上配流转子4、下配流转子4’，上配流转子4被穿入驱动轴12上端并在上配流转子穿入面的上端设置密封圈18，下配流转子4’被插入驱动轴12下端；

所述旋转式能量回收装置还设有不转组件，所述不转组件包括机械密封盖13、用于机械密封的与动环15配合的静环14、上端盖1、安装在上端盖内的上滚动轴承16、上止推盘5、弹簧圈8、与驱动轴轴向平行的压力交换管10、壳体11、下止推盘5’、安装在下止推盘内的下滚动轴承16’、下端盖1’，上止推盘5、下止推盘5’以盘心为中心的圆周上开有相应的一个或多个通槽40、40’，压力交换管10上端插入上止推盘5的通槽40并在插入面设置密封圈9、下端插入下止推盘5’的通槽40’并在插入面设置密封圈9，上止推盘5插入上端盖1下端面并在插入面设置密封圈6，下止推盘5’插入下端盖1’上端面并在插入面设置密封圈6，上滚动轴承16与下滚动轴承16’将所述转动组件周向定位；

驱动轴12穿过机械密封盖13、安装在上端盖内的上滚动轴承16、上配流转子4、上止推盘5、下止推盘5’、安装在下止推盘内的下滚动轴承16’并与下配流转子4’连接；

上端盖1固定在壳体11的上端并装有密封圈7，下端盖1’固定在壳体11的下端并装有密封圈7，所述转动组件的上配流转子4的上端面与不转组件上端盖1内腔支撑面接触且相对转动构成第一对相对滑动的摩擦副，上配流转子4的下端面与不转组件上止推盘5的上端面接触且相对转动构成第二对相对滑动的摩擦副，所述转动组件下配流转子4’的下端面与不转组件下端盖1’内腔支撑面接触且相对转动构成第三对相对滑动的摩擦副，下配流转子4’的上端面与不转组件下止推盘5’的下端面接触且相对转动构成第四对相对滑动的摩擦副；弹簧圈8分别固定在壳体11的上端及下端，压缩弹簧圈8分别将上止推盘5推压在上配流转子4上、将下止推盘5’推压在下配流转子4’上，同时上配流转子4挤压上端盖1内腔支撑面、下配流转子4’挤压下端盖1’内腔支撑面；

上端盖1与上止推盘5和下端盖1’与下止推盘5’进行周向固定；

所述上配流转子4开有高压侧通槽20和低压侧通槽30，下配流转子4’开有高压侧通槽20’和低压侧通槽30’；将上配流转子4上的二个所述通槽分开的部分为上配流转子4的密封区，所述密封区将相对的高压流体和相对低压流体分隔；将下配流转子4’上的二个所述通槽分开的部分为下配流转子4’的密封区，所述密封区将相对高压流体和相对低压流体分隔；

所述上端盖1设有相对低压流体进口2、相对高压流体出口3，下端盖1’设有相对低压流体出口2’、相对高压流体进口3’；上端盖1；所述上配流转子4套入上端盖1，将上端盖1空腔分隔成低压腔室60和高压空腔环50；所述下配流转子4’套入下端盖1’，将下端盖1’空腔分隔成低压空腔环50’和高压腔室60’；

所述驱动轴12上端与上配流转子4通过上定位销17周向固定，驱动轴12下端与下配流转子4’通过下定位销17’周向固定；

所述上端盖1设有相对低压流体进口2、低压腔室60、上配流转子4的第一低压侧通槽30、上止推盘5的与相对低压流体出口和相对低压流体进口相通的通槽40、与上配流转子4的第一低压侧通槽30相通的压力交换管10、下止推盘5’的与相对低压流体出口和相对低压流体进口相通的通槽40’、下配流转子4’的第二低压侧通槽30’、低压空腔环50’和下端盖1’设有相对低压流体出口2’构成相对低压区；

上端盖1设有相对高压流体出口3、高压空腔环50、上配流转子4的第一高压侧通槽20、上止推盘5的与相对高压流体出口和相对高压流体进口相通的通槽40、与上配流转子4的第一高压侧通槽20相通的压力交换管10、下止推盘5’的与相对高压流体出口和相对高压流体进口相通的通槽40’、下配流转子4’的第二高压侧通槽20’、高压腔室60’和下端盖1’设有相对高压流体进口3’构成相对高压区。

如图所示结构，本装置初始状态，压缩弹簧圈8将上止推盘5压在上配流转子4上，通过力的传递将上配流转子4压在上端盖1内腔支撑面上形成自紧密封结构，并将上端盖1空腔分隔成低压腔室60和高压空腔环50。于此类似，压缩弹簧圈8将下止推盘5’压在下配流转子4’上，通过力的传递将下配流转子4’压在下端盖1’内腔支撑面上形成自紧密封结构，并将下端盖1’空腔分隔成高压腔室60’和低压空腔环50’。转动组件由马达通过驱动轴12驱动旋转，转动组件的上配流转子4上下二个端面分别与上端盖1的内腔支撑面和上止推盘5的上端面形成相对运行的摩擦配流副；转动组件的下配流转子4’上下二个端面分别与下止推盘5’的下端面和下端盖1’的空腔支撑面形成相对运动的摩擦配流副。

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：在低压区，相对低压流体L从上端盖1的相对低压流体进口2进入，通过低压腔室60、上配流转子4的第一低压侧通槽30，充满一个压力交换管10，同时将压力交换管10管内的流体H以低压形式通过下配流转子4’的第二低压侧通槽30’、低压空腔环50’并从下端盖1’的相对低压流体出口2’排出；

第二步：转动组件继续旋转，上配流转子4和下配流转子4’的密封区将压力交换管10内上下二口封住，流体L静止保持在压力交换管10内；

第三步：转动组件继续旋转，当该压力交换管10进入高压区与相对高压流体出口3、高压空腔环50、上配流转子4的第一高压侧通槽20、下配流转子4’的第二高压侧通槽20’、高压腔室60’、相对高压流体进口3’相通时，高压流体H将流体L以高压形式通过上配流转子4的第一高压侧通槽20、高压空腔环50并从上端盖1的相对高压流体出口3排出，同时流体H充满该压力交换管10；

第四步：转动组件继续旋转，上配流转子4和下配流转子4’的又一个密封区将该压力交换管10内上下二口封住，流体H静止保持在该压力交换管10内；

这样一个周期，完成相对高压流体H与低压流体L的压力能量交换，如此循环往复，周期地运行。随着驱动轴12的旋转，每个压力交换管10将不断地进水、排水，且多个压力交换管10排出的相对高压流体L在相对高压流体出口3有序的叠加，从而形成压力、流量连续均匀的高压流体，多个压力交换管10排出的已被回收能量的低压流体H在相对低压流体出口2’有序叠加，从而形成压力、流量连续均匀的低压流体排出。

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，可在压力交换管内设置固体活塞，活塞材料可采用高分子耐磨工程塑料。

本发明采用上下配流转子旋转实现压力能量交换，摆脱以往采用压力交换管作为转子限制大型、超大型流量处理的技术问题。同时本发明更好的替代了阀控功交换器能量回收装置实现大型、超大型额定流量交换处理且保持稳定连续的流量和压力。

Claims (6)

1.一种旋转式能量回收装置，其特征在于它包括转动组件，所述转动组件包括：驱动轴(12)、套在驱动轴外的用于机械密封的动环(15)、上配流转子(4)、下配流转子(4’)，上配流转子(4)被穿入驱动轴(12)上端并在穿入面的上端设置密封圈(18)，下配流转子(4’)被插入驱动轴(12)下端；

所述旋转式能量回收装置还设有不转组件，所述不转组件包括机械密封盖(13)、用于机械密封的与动环(15)配合的静环(14)、上端盖(1)、安装在上端盖内的上滚动轴承(16)、上止推盘(5)、弹簧圈(8)、与驱动轴轴向平行的压力交换管(10)、壳体(11)、下止推盘(5’)、安装在下止推盘内的下滚动轴承(16’)、下端盖(1’)，上止推盘(5)、下止推盘(5’)以盘心为中心的圆周上开有相应的一个或多个通槽(40)、(40’)，压力交换管(10)上端插入上止推盘(5)的通槽(40)并在插入面设置密封圈(9)、下端插入下止推盘(5’)的通槽(40’)并在插入面设置密封圈(9)，上止推盘(5)插入上端盖(1)下端面并在插入面设置密封圈(6)，下止推盘(5’)插入下端盖(1’)上端面并在插入面设置密封圈(6)，上滚动轴承(16)与下滚动轴承(16’)将所述转动组件周向定位；

驱动轴(12)穿过机械密封盖(13)、安装在上端盖内的上滚动轴承(16)、上配流转子(4)、上止推盘(5)、下止推盘(5’)、安装在下止推盘内的下滚动轴承(16’)并与下配流转子(4’)连接；

上端盖(1)固定在壳体(11)的上端并装有密封圈(7)，下端盖(1’)固定在壳体(11)的下端并装有密封圈(7)，所述转动组件的上配流转子(4)的上端面与不转组件上端盖(1)内腔支撑面接触且相对转动构成第一对相对滑动的摩擦副，上配流转子(4)的下端面与不转组件上止推盘(5)的上端面接触且相对转动构成第二对相对滑动的摩擦副，所述转动组件下配流转子(4’)的下端面与不转组件下端盖(1’)内腔支撑面接触且相对转动构成第三对相对滑动的摩擦副，下配流转子(4’)的上端面与不转组件下止推盘(5’)的下端面接触且相对转动构成第四对相对滑动的摩擦副。

2.如权利要求1所述的在一种旋转式能量回收装置，其特征在于所述弹簧圈(8)分别固定在壳体(11)的上端及下端，压缩弹簧圈(8)分别将上止推盘(5)推压在上配流转子(4)上、将下止推盘(5’)推压在下配流转子(4’)上，同时上配流转子(4)挤压上端盖(1)内腔支撑面、下配流转子(4’)挤压下端盖(1’)内腔支撑面。

3.如权利要求1所述的一种旋转式能量回收装置，其特征在于所述上配流转子(4)开有第一高压侧通槽(20)和第一低压侧通槽(30)，下配流转子(4’)开有第二高压侧通槽(20’)和第二低压侧通槽(30’)；将上配流转子(4)上的二个所述通槽分开的部分为上配流转子(4)的密封区，所述密封区将相对的高压流体和相对低压流体分隔；将下配流转子 (4’)上的二个所述通槽分开的部分为下配流转子(4’)的密封区，所述密封区将相对高压流体和相对低压流体分隔。

4.如权利要求1所述的一种旋转式能量回收装置，其特征在于所述上端盖(1)设有相对低压流体进口(2)、相对高压流体出口(3)，下端盖(1’)设有相对低压流体出口(2’)、相对高压流体进口(3’)；上端盖(1)；所述上配流转子(4)套入上端盖(1)，将上端盖(1)空腔分隔成低压腔室(60)和高压空腔环(50)；所述下配流转子(4’)套入下端盖(1’)，将下端盖(1’)空腔分隔成低压空腔环(50’)和高压腔室(60’)。

5.如权利要求1所述的一种旋转式能量回收装置，其特征在于所述驱动轴(12)上端与上配流转子(4)通过上定位销(17)周向固定，驱动轴(12)下端与下配流转子(4’)通过下定位销(17’)周向固定。

6.如权利要求1、2、3所述的一种旋转式能量回收装置，其特征在于所述上端盖(1)设有相对低压流体进口(2)、低压腔室(60)、上配流转子(4)的第一低压侧通槽(30)、上止推盘(5)的与相对低压流体出口和相对低压流体进口相通的通槽(40)、与上配流转子(4)的第一低压侧通槽(30)相通的压力交换管(10)、下止推盘(5’)的与相对低压流体出口和相对低压流体进口相通的通槽(40’)、下配流转子(4’)的第二低压侧通槽(30’)、低压空腔环(50’)和下端盖(1’)设有相对低压流体出口(2’)构成相对低压区；

上端盖(1)设有相对高压流体出口(3)、高压空腔环(50)、上配流转子(4)的第一高压侧通槽(20)、上止推盘(5)的与相对高压流体出口和相对高压流体进口相通的通槽(40)、与上配流转子(4)的第一高压侧通槽(20)相通的压力交换管(10)、下止推盘(5’)的与相对高压流体出口和相对高压流体进口相通的通槽(40’)、下配流转子(4’)的第二高压侧通槽(20’)、高压腔室(60’)和下端盖(1’)设有相对高压流体进口(3’)构成相对高压区。