CN106630015A - 带压流体压力能回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能量回收装置，具体公开了一种带压流体压力能回收装置，包括缸体，活塞，驱动装置，缸体被活塞分隔为左仓室和右仓室；驱动装置可驱动活塞在缸体内做往复运动；左仓室上连通有左仓室进料管和左仓室出料管，右仓室上连通有右仓室进料管和右仓室出料管，并在各管道上设置相应阀门。本发明的优点是：1）实现带压流体压力能回收。2）设备结构简单，制造成本低，使用简便，无需联动调试。3）装置运行稳定可靠。4）活塞两侧的压力差减小，减少活塞的磨损或变形。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量回收装置，尤其是一种用于回收带压流体压力能的装置。
背景技术
在化工、市政等领域，存在大量这样的场合，流体被加压到较大的压力后输送到一个带压或者处于高位的容器内进行反应或储存，之后又要从容器内排出，在排出这样的带压流体的过程中伴随着流体所携带的压力和势能的释放，这些能量往往得不到回收利用而被浪费。不仅如此，在压力的释放过程中还需要考虑消能措施以防止设备被高能流体损坏（如水锤、冲刷和磨损）。
在很多情形下，上述流体进料（加压）和出料（泄压）的过程是同时进行的，在这样的情形之下就可以通过压力转换装置来回收利用带压流体所携带的大部分能量，一种能量回收的方式就是把带压流体的能量或压力转换到低压流体，也就是通过回收带压流体的能量用于对低压流体加压。
例如在公开号为CN105658311A的专利文件中说明书的2～10段公开了一种海水淡化系统用能量回收装置，其即是利用了以上原理对高压海水压力进行回收。其具体工作过程和原理为：当压力转换腔室内的浓缩海水通过切换阀被排出到腔室外而减压至大气压时，从海水端口向腔室供给的海水推动活塞。当活塞的位置从海水端口侧移动至浓缩海水端口侧时，与活塞的移动量相应的海水填充于压力转换腔室内。接着，当将切换阀、方向切换阀进行切换而将高压浓缩海水向压力转换腔室供给时，供给至压力转换腔室的高压浓缩海水的压力推动活塞，从而海水被加压。活塞的位置从浓缩海水端口侧向海水端口侧移动，与活塞的移动量相应的海水从压力转换腔室排出。
朱云，曹志锡等在《活塞式多相流量能量回收装置的研究》一文中也公开了类似的能量回收装置，该活塞式能量回收机采用将液压机与泵机耦合为一体的结构，即一个缸筒活塞一边的高压液体（液压机）直接推动活塞另一边的低压负载液体（泵机），实现液体压力能的传递、转换。
目前这类活塞式能量回收装置的工作原理是利用活塞两侧流体的压力差来推动活塞往复运动，从而实现液体压力能的转移回收。目前这类活塞式能量回收装置存在以下缺陷：1）设备结构复杂，需联动调试；例如需要设置先导阀、主阀等联动机构。2）设备投资高，例如公开号为CN105658311A的专利文件中需要串联增压泵，通过增压泵海水以成为与高压泵的排出管线相同水平的压力的方式被进一步升压，并经由阀与高压泵的排出管线汇合而向反渗透膜分离装置供给，以弥补装置运行中的能量损失。3）由于采用了往复运动的活塞结构，在快速换向时，会引起液流和运动部件的惯性冲击，由于活塞完全由两侧液体的压力差推动，因此活塞换向时间难以控制，液击易造成零部件损坏，密封结构破坏，产生管道震动等问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的以上问题，本发明提供了一种带压流体压力能回收装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：带压流体压力能回收装置，包括缸体，与缸体内部腔室配合的活塞，缸体内部腔室被活塞气密性分隔为左仓室和右仓室；还包括驱动装置，驱动装置可驱动活塞在缸体内做往复运动；左仓室上连通有左仓室进料管和左仓室出料管，右仓室上连通有右仓室进料管和右仓室出料管；所述左仓室出料管、右仓室进料管与压力容器相连；左仓室进料管上设置有左仓室进料阀，左仓室出料管上设置有左仓室出料阀；所述右仓室进料管上设置有右仓室进料阀，右仓室出料管上设置有右仓室出料阀。
本发明的工作原理和工作过程见图2～图4：首先，同时开启左仓室进料阀51和右仓室出料阀81，关闭左仓室出料阀61和右仓室进料阀71，此时施加于装置内活塞2左右的压力均为常压P0，活塞2左右压力基本对等情况下，驱动装置4仅需提供较少的机械能即可推动活塞2向右移动（图2），常压物料1a被吸入并充满左仓室11，同时右仓室12中压力回收后恢复常压的物料2b被排放到下游；随后，关闭左仓室进料阀51和右仓室出料阀81，开启左仓室出料阀61和右仓室进料阀71，此时缸体1内活塞2左侧的压力为物料2a的压力P1，活塞2右侧的压力为物料1b的压力P2，这样就能回收物料1b的压力转移到物料2a（回收压力后的物料1a用2a表示），外部驱动装置4仅需克服△P（P1-P2）即可推动活塞2向左移动（图3），压力为P1的物料2a被排放至后续工序，压力为P2的物料1b逐渐进入右仓室12；接下来同时关闭左仓室出料阀61和右仓室进料阀71，开启左仓室进料阀51和右仓室出料阀81，此时施加于装置内活塞2左右的压力恢复为常压P0，活塞左右压力基本对等情况下，驱动装置4又仅需提供很小的机械能即可推动活塞2向右移动（图4），物料1a再次进入左仓室11，同时充满右仓室12的物料2b（压力做功后的物料1b以2b表示）被排放到下游工序，依次循环往复。
本发明经过以上特殊的设计，将现有技术中的活塞由压力差推动（即便由压力差推动，也是存在能量损耗的，因此需要串联增压泵等设备）变为由机械能和压力差共同控制活塞往返运动（本发明通过控制活塞两侧液体的压力差和驱动设备共同完成对活塞的推动，主要原理是利用压力容器泄料时的压力来抵消将物料输送至压力容器所需克服的压力，从而实现能量的转移，因此只需消耗很少的机械能）。从而达到简化能量回收装置结构，降低设备维护、制造成本的目的。本发明的方案相对于单纯压差推动具有可控性，更利于通过控制活塞推动速率实现对进出料速率的控制；通过控制活塞换向速率来减少液击现象等，装置运行更加稳定可靠。
本发明的左仓室出料管、右仓室进料管可与同一压力容器相连，该方案适用于同一压力容器的进料与排料，活塞往左移动时，活塞两侧的压力均为该压力容器的压力P，压力差△P=0。
同时左仓室出料管、右仓室进料管也可与不同的压力容器相连，该方案适于对一个压力容器进料，同时对另一压力容器排料的情形。此时活塞两侧的压力差△P=P1-P2，当P1大于P2时，活塞向左移动过程中驱动装置需克服△P推动活塞，当P2大于P1时，驱动装置无需消耗机械能即可依靠压力差推动活塞返程，此时驱动装置可用于调节活塞移动速率和活塞换向速率。
作为本发明的进一步改进，缸体右侧设置活塞右侧止点，缸体左侧设置活塞左侧止点，活塞移动到活塞右侧止点时，左仓室进料阀与右仓室出料阀关闭，左仓室出料阀与右仓室进料阀打开；活塞移动到活塞左侧止点时，左仓室进料阀与右仓室出料阀打开，左仓室出料阀与右仓室进料阀关闭。该方案可用于实现驱动装置与阀门的智能化控制，例如可与气动阀、单向阀或PLC控制系统配合实现阀门的自动开闭。
作为本发明的进一步改进，所述驱动装置驱动活塞在缸体内做往复运动的结构为：活塞通过传动杆与驱动装置相连，驱动装置通过驱动传动杆运动从而带动活塞在缸体内做往复运动。
容易想到的，驱动装置也可以不通过传动杆对活塞进行驱动，例如可以通过弹性连接件（例如弹簧等）连接驱动装置与活塞，首先驱动装置克服弹性连接件的弹力拉动活塞，然后驱动装置停止运行，活塞依靠弹性连接件的弹力返程，该方案可适用于一些特殊的工况。
更佳的，所述驱动装置设置在缸体外部，传动杆穿过缸体端面，传动杆与缸体端面接触部位为机械密封。当驱动装置设置在缸体外部时，由于传动杆贯穿在设备内外，这样，传动杆与缸体侧壁之间存在一个圆周间隙，设备中的介质通过该间隙向外泄漏，如果设备内压力低于大气压，则空气向设备内泄漏，因此必须有一个阻止泄漏的轴封装置。可以在传动杆与缸体侧壁的接触部位设置机械密封结构，机械密封具有泄漏量少和寿命长等优点。也可以采用其他密封方式，如采用成型填料密封、填料函密封或胀圈密封等。
容易想到的，驱动装置也可以设置在缸体内部，当驱动装置采用这种方式设置时，需考虑驱动装置的密封和防腐问题，不便于驱动装置的维护和控制。
本发明的缸体可为等断面圆柱体，除此之外，缸体截面形状也可以是正方形、正五边形等规则形状，也可采用不规则形状，同时调节活塞与缸体截面形状匹配。
本发明的有益效果是：1）实现带压流体压力能回收，降低生产成本，同时避免后续设备和管道在高压高速流体下的磨损 。2）设备结构简单，制造、维护成本低，使用简便，无需联动调试。3）活塞往复运动过程中，由驱动装置和压力差共同起到控制作用，相对于单纯压差推动具有可控性，如更利于通过控制活塞推动速率实现对进出料速率的控制；通过控制活塞换向速率来降低液击现象的影响等，装置运行更加稳定可靠。4）活塞两侧的压力差减小，减少活塞的磨损或变形。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的工作过程示意图。
图3是本发明的工作过程示意图。
图4是本发明的工作过程示意图。
图5是实施例一的示意图。
图6是实施例二的示意图。
图中标记为：1-缸体，2-活塞，3-传动杆，4-驱动装置，11-左仓室，12-右仓室，5-左仓室进料管，6-左仓室出料管，7-右仓室进料管，8-右仓室出料管，51-左仓室进料阀，61-左仓室出料阀，71-右仓室进料阀，81-右仓室出料阀，1a-低压流体，2a-获得压力后的流体，1b-带压流体，2b-释放压力后的流体，P0-常压，P-压力容器压力，P1-左仓室压力，P2-右仓室压力，h-活塞左侧止点，k-活塞右侧止点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例一：
如图1～图5所示，将本发明的带压流体压力能回收装置作为某一压力容器进出料装置，包括如下结构：
缸体1内径Ф=200mm，长L=700mm，材质不锈钢，圆筒形，内表面光滑；
活塞2直径Ф=194mm，宽50mm，材质不锈钢，圆饼形；
传动杆3直径50mm，长850mm，材质不锈钢与缸体1之间采用机械密封；
驱动装置4采用电动齿轮式往返装置，可连接传动杆3推动活塞2沿轴线做往复运动；
左仓室进料管5、左仓室出料管6、右仓室进料管7、右仓室出料管8均采用不锈钢管道，DN50；
左仓室进料阀51、左仓室出料阀61、右仓室进料阀71、右仓室出料阀81均采用气动阀。
如图3所示，本装置作为某一个压力容器的进出料装置，假设压力容器内的压力为P，前端进料罐和后端出料罐的压力均为常压P0，第一步，关闭左仓室出料阀61和右仓室进料阀71，打开左仓室进料阀51和右仓室出料阀81，此时施加于装置内活塞2左右的压力均为P1=P2=P0，活塞左右压力基本对等情况下，电动齿轮装置4仅需提供很小的机械能即可通过传动杆3推动活塞2向右移动，这样进料罐中的常压物料逐渐进入左仓室11，同时右仓室12中的常压物料被排放到出料罐；第二步，关闭左仓室进料阀51和右仓室出料阀81，开启左仓室出料阀61和右仓室进料阀71，此时压力容器排料的压力（即右仓室物料的压力）被回收转移到进料（即用于抵消压力容器进料所需克服的压力），使内活塞2左右的压力P1=P2=P，活塞左右压力对等情况下，电动齿轮装置4又仅需提供很小的机械能即可通过传动杆3推动活塞2向左移动，这样左仓室11中的物料逐渐被打入压力容器上部，同时压力容器底部的物料被排放到右仓室12；接下来重复第一步，依次循环往复。
通过此压力转换装置，回收压力容器内的压力转移到压力容器进料，外部驱动装置无需克服压力容器内部压力，仅需提供推动活塞的机械能即可完成压力容器的进出料操作，极大减少能耗，且由于排料压力的回收，避免对后续设备和管道的磨损，降低维护成本。
实施例二：
如图1～图4，以及图6所示，将本发明的带压流体压力能回收装置作为海水淡化反渗透膜处理环节浓水的压力能回收装置，包括如下结构：
缸体1截面边长a=300mm，长L=700mm，材质不锈钢，截面为正方形的长方体，内表面光滑；
活塞2截面边长=294mm，宽60mm，材质不锈钢，长方体；
传动杆3直径50mm，长850mm，材质不锈钢，与缸体1之间采用机械密封；
驱动装置4采用转轮式往返装置，可连接传动杆3推动活塞2沿轴线做往复运动；
左仓室进料管5、左仓室出料管6、右仓室进料管7、右仓室出料管8均采用不锈钢管道，DN100；
左仓室进料阀51、左仓室出料阀61、右仓室进料阀71、右仓室出料阀81均采用气动阀，其中左仓室进料阀51和左仓室出料阀61为单向阀。
如图4所示，本装置作为海水淡化反渗透膜处理环节浓水的压力回收装置，假设膜腔内压力维持为P，前端海水储罐和后端浓水储罐罐的压力均为常压P0，第一步，关闭右仓室进料阀71，开启右仓室出料阀81，施加于装置内活塞2左右的压力均为P1=P2=P0，活塞左右压力基本对等情况下，转轮式往返装置4仅需提供极小的机械能即可通过传动杆3推动活塞2向右移动，左仓室进料阀51和左仓室出料阀61均为单向阀，活塞2向右移动导致左仓室11压力减小，左仓室进料阀51自动打开，左仓室出料阀61在膜腔压力P大于装置左仓室11压力下自动关闭，海水储罐中的海水进入左仓室11，同时右仓室12中的浓水被排放到浓水储罐；第二步，关闭右仓室出料阀81，开启右仓室进料阀71，右仓室12内的压力与反渗透膜腔内压力等同为P，通过本装置压力被回收转移到左仓室11内的海水，使左仓室11压力亦为P，如此左仓室11的压力P与反渗透膜腔压力相等且大于海水储罐压力P0，左仓室进料阀51自动关闭，此时外部转轮式往返装置4对活塞2施加较小的机械能即可推动活塞2向左移动，左仓室出料阀61自动打开，左仓室11内的海水自动进入反渗透膜膜腔，而反渗透膜膜腔内的浓水也同时进入压力转换装置的右仓室12；接下来重复第一步，依次循环往复。由于反渗透膜有淡水产出，系统需增加一台补水增压泵为反渗透膜膜腔补水，保证反渗透膜腔内部水量和压力。
通过此压力转换装置，回收反渗透膜排放的浓水的压力转移到反渗透膜海水进料，外部转轮式往复装置无需克服反渗透膜膜腔内压力，仅需提供推动活塞的机械能即可完成海水淡化反渗透膜工序的大部分海水进料及浓水排料工作，极大减少能耗，且由于浓水压力的回收，避免对后续设备和管道的磨损，降低维护成本。
Claims (9)
1.带压流体压力能回收装置，包括缸体（1），与缸体（1）内部腔室配合的活塞（2），所述缸体（1）内部腔室被活塞（2）气密性分隔为左仓室（11）和右仓室（12）；其特征在于：还包括驱动装置（4），所述驱动装置（4）可驱动活塞（2）在缸体（1）内做往复运动；所述左仓室（11）上连通有左仓室进料管（5）和左仓室出料管（6），右仓室（12）上连通有右仓室进料管（7）和右仓室出料管（8）；所述左仓室出料管（6）、右仓室进料管（7）与压力容器相连；所述左仓室进料管（5）上设置有左仓室进料阀（51），左仓室出料管（6）上设置有左仓室出料阀（61）；所述右仓室进料管（7）上设置有右仓室进料阀（71），右仓室出料管（8）上设置有右仓室出料阀（81）。
2.根据权利要求1所述的带压流体压力能回收装置，其特征在于：所述左仓室出料管（6）、右仓室进料管（7）与同一压力容器相连。
3.根据权利要求1所述的带压流体压力能回收装置，其特征在于：所述左仓室出料管（6）、右仓室进料管（7）与不同的压力容器相连。
4.根据权利要求1所述的带压流体压力能回收装置，其特征在于：缸体（1）右侧设置有活塞右侧止点（k），缸体（1）左侧设置有活塞左侧止点（h），活塞（2）移动到活塞右侧止点（k）时，左仓室进料阀（51）与右仓室出料阀（81）关闭，左仓室出料阀（61）与右仓室进料阀（71）打开；活塞（2）移动到活塞左侧止点（h）时，左仓室进料阀（51）与右仓室出料阀（81）打开，左仓室出料阀（61）与右仓室进料阀（71）关闭。
5.根据权利要求1～4中任一权利要求所述的带压流体压力能回收装置，其特征在于：所述驱动装置（4）驱动活塞（2）在缸体（1）内做往复运动的结构为：活塞（2）通过传动杆（3）与驱动装置（4）相连，驱动装置（4）通过驱动传动杆（3）运动从而带动活塞（2）在缸体（1）内做往复运动。
6.根据权利要求5所述的带压流体压力能回收装置，其特征在于：所述驱动装置（4）设置在缸体（1）外部，传动杆（3）穿过缸体（1）端面，传动杆（3）与缸体（1）端面接触部位为机械密封。
7.根据权利要求1～4中任一权利要求所述的带压流体压力能回收装置，其特征在于：所述驱动装置（4）为往复驱动装置。
8.将权利要求1～7中任一权利要求所述的带压流体压力能回收装置作为压力容器进出料装置的用途。
9.将权利要求1～7中任一权利要求所述的带压流体压力能回收装置作为海水淡化反渗透膜处理环节浓水的压力能回收装置的用途。
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