CN106594009A - 外驱动转子式能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种外驱动转子式能量回收装置，能通过外驱动电机驱动、端面配流、自紧密封，实现良好的密封和稳定的压力能量交换。它包括转动组件和不转动组件，转动组件包括外驱动电机驱动的中心轴和转子，不转组件依次包括壳体、端盖、弹簧固定圈、配流盘和固定密封盘。本发明所公开的能量回收装置设置有自平衡自紧密封体系，所述自平衡自紧密封体系包括与高压浓水进口连通的高压腔、压缩弹簧和推力球轴承。本发明应用水润滑技术的自紧密封和推力球轴承自平衡，在配流、密封面上几乎没有泄漏，使驱动转子旋转的电机功率减小、安全、稳定、寿命长、噪音低，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95％的能量回收效率。

Description

外驱动转子式能量回收装置

技术领域

本发明涉及水处理系统中的能量回收装置。

背景技术

对我国反渗透海水淡化而言，制水电耗的费用是决定淡化水成本的直接因素。能量回收装置是反渗透海水淡化的关键设备之一，应用国际先进的能量回收装置（能量回收效率约94%）约可降低常规反渗透制水能耗的50%，但是进口能量回收装置价格昂贵，投资成本约占反渗透海水淡化设备总投资的15～21%。开发出节能、高效的国产能量回收装置产品，对推动海水淡化装备的国产化、提高我国海水淡化产业竞争力、缓解我国的水资源危机具有重大意义。

能量回收装置的主要作用是回收反渗透膜截留侧高压浓海水的压力能，将其转变为进水能量，从而大幅降低反渗透海水淡化的制水能耗和造水成本。按照工作原理，能量回收装置主要分为水力涡轮式和功交换式两大类。机械能水力涡轮式能量回收装置的能量转换过程为“压力能-机械能(轴功)-压力能”，其能量回收效率约35%～70%。而功交换式能量回收装置，只需经过“压力能-压力能”一步转化过程，其能量回收效率高达94%以上，已成为国内外研究和推广的重点。

目前,市场上转子式无活塞功交换式能量回收装置主要以美国ERI公司的PX为主，其驱动转子转动的动力是低压海水和高压浓水二路水对转子端面的切向冲力，这就决定了该装置的转子与上、下二端面必须是间隙配合，否则装置无法工作。为了使用具有低粘度的例如水的流体时获得令人满意的可靠度，已证明采用陶瓷材料是必要的，但以陶瓷为转动部件的主要材料，安全稳定性大大下降。

PX能量回收是使海水淡化排出的高压浓水推动多通道的陶瓷转子高速转动，同时在12个通道中直接与低压海水进水短暂地接触，利用水的不可压缩性使压力从高压浓海水传递到低压海水进行压力传递，达到高压浓海水流的能量回收。通过对高压浓海水入口流道的特殊设计实现陶瓷转子自动转动，在正常运行过程中转速较高，约为1500转/分。其主要存在的问题是，一是PX型压力交换式对进料海水压力、流量波动要求比较严格，当流量、压力发生较大变化时会影响转子转速，造成系统运行不稳定；二是转子在高速运转过程中发出的噪音较大，约88-94dB（超过国家相关噪声标准85dB规定要求）。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种外驱动转子式能量回收装置，能实现良好的密封和稳定的压力能量交换。为此，本发明采用以下技术方案：

外驱动转子式能量回收装置，包括转动组件和不转动组件；

所述转动组件包括：外驱动电机驱动的中心轴、转子，所述转子设有多个与轴向平行的细长流道；

所述不转组件包括壳体、上端盖、下端盖、上配流盘、下配流盘，上配流盘和下配流盘与壳体之间密封，上配流盘的下端面设置上固定密封盘，下配流盘的上端面设置下固定密封盘；所述的能量回收装置的高压浓水进口和低压浓水出口设在上、下端盖的其中一个之上，高压海水出口和低压海水进口设在上、下端盖的其中之另一个上；

转子的上下二个端面分别与上固定密封盘、下固定密封盘形成相对运行的摩擦配流副；

其特征在于：所述能量回收装置设置有自平衡自紧密封体系，所述自平衡自紧密封体系包括：

所述不转组件中沿着上配流盘和下配流盘的外侧边缘设置有一圈压缩弹簧，将上配流盘和下配流盘推向转子的端面；

所述不转组件中还设置有推力球轴承，所述推力球轴承处在上配流盘和下配流盘中与高压浓水进口和低压浓水出口连通的配流盘和转子端面之间；

所述不转组件中在上配流盘和下配流盘中与高压浓水进口和低压浓水出口连通的配流盘与上端盖和下端盖中设置高压浓水进口和低压浓水出口的端盖之间形成与高压浓水进口连通的高压腔。

进一步地，所述中心轴上套有中心密封套筒，其两端分别设有密封圈，以分别和在上配流盘和下配流盘中与设置高压浓水进口和低压浓水出口连通的配流盘中心孔及上端盖和下端盖中设置高压浓水进口和低压浓水出口的端盖中心孔密封连接；

上端盖和上配流盘对接的过流孔、下端盖和下配流盘对接的过流孔分别设有筒状密封连接件，上端盖和上配流盘对接的过流孔与其筒状密封连接件两端的密封圈密封连接，下端盖和下配流盘对接的过流孔也与其筒状密封连接件两端的密封圈密封连接；

在上配流盘和下配流盘中与高压浓水进口连通的配流盘过流孔所连接的筒状密封连接件设有通孔。

由于采用本发明的技术方案，本发明应用水润滑技术的自紧密封和推力球轴承自平衡，使驱动转子旋转的电机功率减小、安全、稳定、寿命长、噪音低，能使等压压力交换发挥到极致，理论上其回收效率100%，工程实际使用效率也可在95%以上，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95％的能量回收效率。

本发明外驱动转子式能量回收装置采用的自紧密封，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，更适合细长的流道结构，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。

附图说明

图1为本发明所提供的实施例的结构示意图。

图2为图1所示实施例的转子剖视图。

图3为图1所示实施例的转子端面图。

图4为图1所示实施例的固定密封盘的正视图。

图5为图1所示实施例的配流盘端面图。

图6为图1所示实施例的上配流盘和下配流盘的剖视图。

图7为图1所示实施例的上端盖的半剖图。

图8为图1所示实施例的筒状密封连接件的示意图。

图9为图1所示实施例的筒状密封连接件进行密封连接的剖视图。

具体实施例

参照附图。本发明所提供的外驱动转子式能量回收装置包括转动组件和不转组件、密封结构。

所述不转组件包括壳体3、上端盖2和下端盖14，上端盖2和下端盖14内侧分别有上配流盘8和下配流盘12，能量回收装置的高压浓水进口4和低压浓水出口25处在上端盖2上，高压海水出口15和低压海水进口18处在下端盖14上，上配流盘8和下配流盘12上具有过流孔，高压海水出口15和低压海水进口18、高压浓水进口4和低压浓水出口25分别有相应的过流孔与其接通，与高压海水出口接通的和与高压浓水进口接通的为高压区过流孔28，与低压海水出口接通的和与低压浓水进口接通的为低压区过流孔29；上配流盘8和下配流盘12分别和壳体3密封连接，上配流盘8是下端面和下配流盘12的上端面分别固定上固定密封盘9、下固定密封盘11，上固定密封盘9、下固定密封盘11均设有独立的扇形集液槽33、34，集液槽33、34分别与上、下配流盘上的高、低压过流孔28、29相连通。

所述转动组件包括中心轴1，所述转动组件还包括多根压力交换管形成的流道32，所述多根压力交换管形成的流道32围绕中心轴1周向均匀布置，焊接在所述转子端面31上。

转子10由电机通过中心轴1驱动旋转，转子10的上下两个端面31与上固定密封盘9、下固定密封盘11形成相对运行的摩擦配流副。

上端盖2和下端盖14内侧分别设有中心轴的推力球轴承22和轴承19，中心轴1的两端分别安装在轴承孔中的轴承中。所述推力球轴承22安装在上固定密封盘9与转子上端面之间并装有硅胶垫21防止轴承磨损，可承受正常运行的轴向力，使转子轴向定位和固定密封端面保持平衡，保证固定侧密封上端面与转子上端面既不发生动静摩擦也可以很好地自紧密封，能够降低加工精度和装配精度，提高能量回收装置的密封性能。

密封结构包括密封连接件23和中心密封套筒24，在密封连接件23和中心密封套筒24的两端分别设置密封圈；中心密封套筒24套在中心轴1上，其两端的密封圈分别和上端盖2的中心孔和上配流盘8的中心孔密封连接。密封连接件23也呈筒状，上端盖和上配流盘对接的过流孔、下端盖和下配流盘对接的过流孔分别设有密封连接件23，上端盖和上配流盘对接的过流孔与其密封连接件23两端的密封圈密封连接，下端盖和下配流盘对接的过流孔也与其密封连接件23两端的密封圈密封连接。

所述中心轴1的上端与上端盖之间由机械密封27进行密封，下端与下端盖之间由端盖密封件17进行密封。

上配流盘8的下端面和下配流盘12的上端面分别固定上固定密封盘9、下固定密封盘11，且配流盘由定位销30进行周向定位；上固定密封盘9与弹簧固定圈5之间、下固定密封盘11与弹簧固定圈13之间分别安装弹簧7，它的作用是将上、下配流盘8、12推压在转子上；所述上、下弹簧固定圈5、13用螺丝紧固在壳体内侧固定环6上；所述上、下端盖2、14分别由上、下端盖的壳体内侧固定环26、16进行固定。

如图所示结构，本装置初始状态，压缩弹簧7推动配流盘8将上固定密封盘9压紧转子端面31；运行状态时，由于高压浓水进口4这一侧，上配流盘8和上端盖2之间的密封连接件23开有通孔35，该通孔35为微孔，上端盖2和上配流盘8之间能够形成密封腔体，高压浓水进口4的液体压力将上配流盘8和转子端面31进一步压紧，形成具有水润滑的自紧密封结构，而且高压流体压强越大，高压流体对配流盘的作用力越大，形成转子与固定侧密封端面运动摩擦面之间的自紧密封，同时又通过推力球轴承的自平衡作用，防止过大压力造成的负面影响，适应工况变化的能力更强，使得转子和上固定密封盘9、下固定密封盘11之间既紧密密封又不会发生不平衡现象而卡死，能够非常明显地提高能量回收效率和工作稳定性、降低工作噪音，在流量、温度等条件变化时还能保持大于95％的能量回收效率。

实现高压浓水和低压海水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，低压海水从相对低压流体进口18进入，充满转子流道32，同时将流道32内的低压浓水以低压形式排出；

第二步：转子继续旋转，进入密封区，上固定密封盘9、下固定密封盘11密封区将流道32内上下二口封住，低压海水静止保持在流道32内；

第三步：转子继续旋转，当流道32进入高压区与高压浓水进口4和高压海水出口15相通时，高压浓水将低压海水以高压的形式排出高压海水出口15，同时做功后的低压浓水充满流道32；

第四步：转子继续旋转，进入密封区，上固定密封盘9、下固定密封盘11密封区将流道32内上下二口封住，做功后的低压浓水静止保持在流道32内。

这样一个周期，完成高压浓水与低压海水的压力能量交换，如此循环往复，进入下个周期进行连续运行，实现连续的能量回收。

本发明外驱动转子式能量回收装置的转速和驱动力都可在很大范围内可以设计确定，较大驱动力有利于提高固定密封盘和转子端面间的正压力，减少密封泄漏，提高能量回收装置的回收效率。驱动力、转速可调节这二点有利条件，便于设计、生产宽流量范围的高效、稳定的能量回收装置。

由于该装置能使等压压力交换发挥到极致，理论上其回收效率100%，工程实际使用效率也可在95%以上。

最后，以上仅是本发明的实施例。显然，本发明的实施方式不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是保护范围。

Claims (2)

1.外驱动转子式能量回收装置，包括转动组件和不转动组件；

所述转动组件包括：外驱动电机驱动的中心轴、转子，所述转子设有多个与轴向平行的细长流道；

所述不转组件包括壳体、上端盖、下端盖、上配流盘、下配流盘，上配流盘和下配流盘与壳体之间密封，上配流盘的下端面设置上固定密封盘，下配流盘的上端面设置下固定密封盘；所述的能量回收装置的高压浓水进口和低压浓水出口设在上、下端盖的其中一个之上，高压海水出口和低压海水进口设在上、下端盖的其中之另一个上；

转子的上下二个端面分别与上固定密封盘、下固定密封盘形成相对运行的摩擦配流副；

其特征在于：所述能量回收装置设置有自平衡自紧密封体系，所述自平衡自紧密封体系包括：

所述不转组件中沿着上配流盘和下配流盘的靠近外侧部位设置有一圈压缩弹簧，将上配流盘和下配流盘推向转子的端面；

所述不转组件中还设置有推力球轴承，所述推力球轴承处在上配流盘和下配流盘中与高压浓水进口和低压浓水出口连通的配流盘和转子端面之间；

所述不转组件中在上配流盘和下配流盘中与高压浓水进口和低压浓水出口连通的配流盘与上端盖和下端盖中设置高压浓水进口和低压浓水出口的端盖之间形成与高压浓水进口连通的高压腔。

2.如权利要求1所述的外驱动转子式能量回收装置，其特征在于：所述中心轴上套有中心密封套筒，其两端分别设有密封圈，以分别和在上配流盘和下配流盘中与高压浓水进口和低压浓水出口连通的配流盘中心孔及上端盖和下端盖中设置高压浓水进口和低压浓水出口的端盖中心孔密封连接；

上端盖和上配流盘对接的过流孔、下端盖和下配流盘对接的过流孔分别设有筒状密封连接件，上端盖和上配流盘对接的过流孔与其筒状密封连接件两端的密封圈密封连接，下端盖和下配流盘对接的过流孔也与其筒状密封连接件两端的密封圈密封连接；

在上配流盘和下配流盘中与高压浓水进口连通的配流盘过流孔所连接的筒状密封连接件设有通孔。