CN106922164A - 用于压力交换系统中改进的管道压力传递的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种旋转等压压力交换器(IPX)包括第一端盖，第一端盖具有第一表面，第一表面与转子的第一端面交界，其中，第一端盖具有至少一个第一流体入口和至少一个第一流体出口。IPX包括第二端盖，第二端盖具有第二表面，第二表面与转子的第二端面交界，其中，第二端盖具有至少一个第二流体入口和至少一个第二流体出口。IPX包括通过第一端盖的第一表面或通过第二端盖的第二表面设置的端口，其中，该端口构造成：在圆柱形转子绕旋转轴线的旋转期间，与转子内的多个通道中的至少一个通道流体连通。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是2014年8月6日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR IMPROVED DUCTPRESSURE TRANSFER IN PRESSURE EXCHANGE SYSTEM(用于压力交换系统中改进的管道压力传递的系统和方法)”的美国临时专利申请第62/034,008号的正式申请，该申请的全部内容通过参考纳入本文。
背景技术
这部分意在为读者介绍可能与以下所描述和/或限定的本主题的各方面相关的技术的各方面。相信此讨论有助于为读者提供背景信息以便于更好理解本主题的各方面。因此，应理解，这些陈述应以此而非作为对现有技术的认可来阅读。
本文中公开的主题涉及旋转设备，更具体地涉及用于改善压力交换系统中管道压力传递的系统和方法。
诸如旋转流体处理设备之类的旋转设备可用于各种应用中。在某些应用中，上游和/或下游设备可依赖于旋转设备的基本连续和/或基本均匀的运行速度。例如，旋转流体处理设备(例如，泵)可确保从一个位置至另一位置的连续流体供应。遗憾的是，旋转流体处理设备在特定应用中可能易受到失速工况的影响。例如，旋转流体处理设备可能不能够可靠地处理载有颗粒的流体流。由于固体微粒可能进入旋转流体处理设备的转子与定子之间的空间，故而失速工况可能更容易发生在载有颗粒的流体流中。由此，旋转流体处理设备易受到速度的非期望波动、速度逐渐降低、速度快速显著降低或转子的完全失速的影响。所有这些工况可能导致用于检查、维修和/或修理的停机时间，或导致旋转流体处理设备的完全替换。如果旋转流体处理设备对于较大系统的运行是重要的，则该停机时间可能导致整个系统的停机时间，从而导致收益的显著损失和其它问题。
附图说明
当参考附图阅读以下的详细描述时，会更好地理解本主题的各种特征、方面和优点，各附图中相同字符代表相同的部分，其中：
图1是带有液压能量传递系统的压裂系统的实施例的原理框图；
图2是具有改进的管道压力传递的等压压力交换器(IPX)的实施例的原理简图；
图3是旋转IPX的实施例的立体分解图；
图4是在第一作业位置的旋转IPX的实施例的立体分解图；
图5是在第二作业位置的旋转IPX的实施例的立体分解图；
图6是在第三作业位置的旋转IPX的实施例的立体分解图；
图7是在第四作业位置的旋转IPX的实施例的立体分解图；
图8是旋转IPX的端盖(例如，具有用于在转子管道容积的减压期间改进的管道压力传递的端口或开口)的实施例的径向视图；
图9是旋转IPX的端盖(例如，具有用于在转子管道容积的加压期间改进的管道压力传递的端口或开口)的实施例的径向视图；
图10是旋转IPX的实施例的局剖视图，旋转IPX具有端盖，端盖具有端口或开口，以改善(例如，在转子管道容积的减压期间的)管道压力传递；
图11是旋转IPX的实施例的局剖视图，旋转IPX具有端盖，端盖具有端口或开口，以改善(例如，在转子管道容积的加压期间的)管道压力传递；
图12是旋转IPX的实施例的局剖轴向侧视图，旋转IPX具有端盖，端盖具有端口或开口，以改善(例如，在转子管道容积的减压期间的)管道压力传递；
图13是旋转IPX的实施例的局剖轴向俯视图，旋转IPX具有端盖，端盖具有端口或开口，以改善(例如，在转子管道容积的减压期间的)管道压力传递；
图14是旋转IPX的实施例的局剖轴向侧视图，旋转IPX具有端盖，端盖具有端口或开口，以改善(例如，在转子管道容积的加压期间的)管道压力传递；以及
图15是旋转IPX的实施例的局剖轴向俯视图，旋转IPX具有端盖，端盖具有端口或开口，以改善(例如，在转子管道容积的减压期间的)管道压力传递。
具体实施方式
下面将描述本主题的一个或多个具体实施例。所描述的这些实施例仅为本主题的示例。此外，在提供这些示例性实施例的精确描述的努力中，可能不在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应理解，就像任何工程或设计项目那样，在任何这样的实际实施方式的开发中，必须制定大量的具体实施决策，以达到开发者的具体目标，诸如符合在不同实施中可能有变化的、相关系统和相关商业的限制。此外，应理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但对于能从本发明中受益的本领域技术人员却是设计、制作和加工的常规任务。
在引入本主题的各实施例的元件时，术语“一”、“一个”、“这个”和“所述”意在表示有一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”意在为包含性的并表示可能有除所列元件外的附加元件。
如以下详细论述的，压裂系统(或液压压裂系统)包括液压能量传递系统，液压能量传递系统在第一流体与第二流体之间传递功和/或压力，第一流体和第二流体诸如是压力交换流体(例如，基本不含支撑剂的流体)和液压压裂流体(例如，载有支撑剂的压裂流体)。由于液压能量传递系统在阻碍或限制了压裂流体与各种液压压裂设备(例如，高压泵)之间的接触的同时与另一流体交换功和/或压力，故而液压能量传递系统还可被描述为液压保护系统、液压缓冲系统或液压隔离系统。液压能量传递系统可包括液压压力交换系统，诸如旋转等压压力交换器(IPX)。IPX可包括一个或多个腔室(例如，1至100个)，以便于第一流体与第二流体(例如，气体、液体或多相流体)的体积之间的压力传递和压力均衡。例如，这些流体(例如，压裂流体)中的一个可为多相流体，多相流体可包括气体/液体流、气体/固体微粒流、液体/固体微粒流、气体/液体/固体颗粒流或任何其它多相流。在某些实施例中，第一流体和第二流体的容积的压力可能不完全均衡。因而，在某些实施例中，IPX可能等压地运行，或IPX可能基本等压地运行(例如，其中，各压力在彼此的约百分之+/-1、2、3、4、5、6、7、8、9或10之内均衡)。在某些实施例中，第一流体(例如，压力交换流体)的第一压力可能大于第二流体(例如，压裂流体)的第二压力。例如，第一压力可为约5000kPa至25000kPa之间、20000kPa至50000kPa之间、40000kPa至75000kPa之间、75000kPa至100000kPa之间或大于第二压力。因而，IPX可用于将压力从高压下的第一流体(例如，压力交换流体)传递至低压下的第二流体(例如，压裂流体)。在某些实施例中，IPX可在第一流体(例如，压力交换流体，诸如不含支撑剂或基本不含支撑剂的第一流体)与可能为高黏性和/或包含支撑剂的第二流体(例如，包含砂、固体颗粒、粉末、碎屑、陶瓷的压裂流体)之间传递压力。在运行中，液压能量传递系统阻碍或限制了包含第二支撑剂的流体与各种压裂设备(例如，高压泵)之间在压裂运行期间的接触。通过阻碍或限制各种压裂设备与包含支撑剂的第二流体之间的接触，液压能量传递系统在增加了寿命/性能的同时减少了各种压裂设备(例如，高压泵)的磨蚀和磨损。此外，液压能量传递系统可使得在压裂系统中能够使用较廉价的设备，通过使用不是为磨蚀性流体(例如，压裂流体和/或腐蚀性流体)所设计的设备(例如，高压泵)。
图1是带有液压能量传递系统12的压裂系统10的实施例的原理框图。在运行中，压裂系统10使得完井作业能够增加岩层中油气的释放。特别地，压裂系统10将包含水、化学物质和支撑剂(例如，砂、陶瓷)的组合物的压裂流体以高压泵送入井14中。压裂流体的高压增加了通过岩层的裂纹尺寸和裂纹扩展，从而释放更多油气，同时支撑剂阻止一旦压裂流体减压裂纹就闭合。如所示的，压裂系统10包括联接至液压能量传递系统12(例如，IPX)的高压泵16和低压泵18。在运行中，液压能量传递系统12在由高压泵16泵送的第一流体(例如，不含支撑剂的流体)与由低压泵18泵送的第二流体(例如，包含支撑剂的流体或压裂流体)之间传递压力。以此方式，液压能量传递系统12阻碍了或限制了对高压泵16的磨损，同时使得压裂系统10能够将高压压裂流体泵送入井14以释放油气。
在使用等压压力交换器(IPX)的实施例中，第一流体(例如，不含支撑剂的高压流体)进入液压能量传递系统12的第一侧，在液压能量传递系统12中，第一流体接触在第二侧进入IPX的第二流体(例如，低压压裂流体)。各流体之间的接触使得第一流体能够增加第二流体的压力，从而驱动第二流体离开IPX并下到井14中用于压裂作业。第一流体类似地离开IPX，但在与第二流体交换压力后以低压离开。
如本文中使用的，等压压力交换器(IPX)可被总体限定为这样一种装置，该装置在高压入口流与低压入口流之间以大于约50％、60％、70％或80％的效率传递流体压力而不必使用离心技术。在本文中，高压指大于低压的压力。IPX的低压入口流可被加压并以高压(例如，以大于低压入口流压力的压力)离开IPX，且高压入口流可被减压并以低压(例如，以小于高压入口流压力的压力)离开IPX。此外，IPX可在各流体之间存在或不存在流体分离件的情况下，通过高压流体直接施加力来加压低压流体而运行。可用于IPX的流体分离件的示例包括但不限于活塞、囊体、隔膜等。在某些实施例中，等压压力交换器可为旋转装置。如以下相对于图3－7详细描述的，诸如由加利福尼亚州圣莱安德罗的能量回收股份有限公司制造的那些旋转等压压力交换器(IPX)20，由于在装置内部经由转子相对于端盖的相对运动实现有效的阀动作而可不具有任何单独的阀。旋转IPX可能设计成借助内部活塞运行，以隔离各流体并传递压力，而相对地几乎不混合各入口流体流。往复运动的IPX可能包括在气缸中前后运动的活塞，用于在各流体流之间传递压力。任何IPX或多个IPX可用于所公开的实施例中，诸如但不限于，旋转IPX、往复运动IPX或其任何组合。此外，IPX可设置在与流体处理系统的其它部件分离的滑车(skid)上，这在IPX被附加至现有流体处理系统的情况下是所期望的。
流体的固有可压缩性可引起高速流体射流在IPX内的压力过渡期间进入和离开转子管道。在某些情况下，这些射流可能作用为施加反向于转子旋转方向的力。这些射流的力可能随着压力增加(例如，在压裂作业期间使用的较高压力下)而增加，且可能引起转子随着压力增加而减慢。在某些情况下，可期望的是改进管道(例如，转子管道)压力传递，以抵消可能阻碍转子旋转的力并产生力来促进转子的旋转。因而，在某些实施例中，IPX中相邻于的转子的端盖可能各自包括端盖表面中的一个或多个孔或端口(例如，相邻于特定的端盖管道)，以使得能够在转子管道暴露至端盖中的大流量之前对转子管道(例如，转子通道)中的流体加压和/或使得能够在大流量通过端盖离开之前对转子管道内的流体减压。例如，在低压端盖开口(例如，低压管道)之前的端盖的高压密封区域(或过渡区域)可包括一个或多个孔，和/或在高压端盖开口(例如，高压管道)之前的低压密封区域(或过渡区域)可包括一个或多个孔，以改善管道压力传递。在某些实施例中，端盖的每个过渡区域可包括一个或多个开口或端口。在某些实施例中，这些孔或端口可成角度，以将能量传递用于辅助转子旋转而不是与转子的旋转相反。虽然关于IPX来论述改善管道压力传递的特征，但这些特征可用于任何旋转机器、往复运动机器(例如，泵)等等。
图2是IPX 20的实施例的原理简图，IPX 20具有可用于改善管道压力传递的特征。在以下论述中，可能参考相对于IPX 20的旋转轴线的轴向22、径向24和/或周向26。如图2中所示，IPX 20可具有各种流体连接件28，诸如第一流体入口30、第一流体出口32、第二流体入口34和/或第二流体出口36。在某些实施例中，第一流体和/或第二流体可包括诸如颗粒、粉末、碎屑等等之类的固体。与IPX 20连接的每个流体连接件28可使用具有法兰、螺纹的装配件或其它类型的装配件制成。IPX 20可包括诸如转子38之类的旋转部件，转子38可沿周向26旋转。此外，IPX 20的端盖39(端盖39与转子38的相应端面滑动地且密封地接合)可各自包括一个或多个端口41或开口(例如，一部分端口41或开口在图2中示出)，以便于对离开转子管道的流体减压或对进入转子管道的流体加压，从而改进转子管道的压力传递。
图3是旋转IPX 20的实施例的分解图。在所示的实施例中，旋转IPX 20可包括大致圆柱形本体部40，本体部40包括套管42和转子38。旋转IPX 20还可包括两个端结构46和48，端结构46和48分别包括歧管50和52。歧管50包括入口端口54和出口端口56，歧管52包括入口端口60和出口端口58。例如，入口端口54可接收高压第一流体，出口端口56可用于引导低压第一流体远离IPX 20。类似地，入口端口60可接收低压第二流体，出口端口58可用于引导高压第二流体远离IPX 20。端结构46和48分别包括大致平坦的端板或端盖62和64，端板62和64分别设置在歧管50和52内且适于与转子38液密接触。转子38可为圆柱形的且设置在套管42内，且布置成围绕转子38的纵轴线66(例如，旋转轴线)旋转。转子38可具有基本纵向地延伸通过转子38的多个通道68(例如，转子管道)，通道68在各端具有围绕纵轴线66布置的开口70和72。转子38的开口70和72布置成用于与端板62和64以及入口孔74、78和出口孔76、80液压连通，使得在旋转期间，开口70和72交替地将高压液体和低压液体液压地暴露至相应的歧管50和52。歧管50和52的入口端口54、60和出口端口56、58在一个端元件46或48中形成至少一对高压液体端口，并在相对的端元件48或46中形成至少一对低压液体端口。端板62和64、入口孔74、78和出口孔76、80可设计有呈圆弧或圆形部段形式的垂向流动截面。
此外，由于IPX 20构造为暴露至第一流体和第二流体，故而IPX 20的特定部件可由与第一流体和第二流体的成分兼容的材料制成。此外，IPX 20的特定部件可构造为与流体处理系统的其它部件物理兼容。例如，端口54、56、58和60可包括带凸缘的连接件，以兼容存在于流体处理系统的管系中的其它带凸缘的连接件。在其它实施例中，端口54、56、58和60可包括螺纹连接件或其它类型的连接件。
图4－7是旋转IPX 20的实施例的分解图，示出了随着通道68旋转过一完整循环，转子38中单个通道68的位置顺序，这对于旋转IPX 20的理解是有用的。注意到，图4－7是旋转IPX 20的简化，示出了一个通道68，且通道68被示出具有圆形截面形状。在其它实施例中，旋转IPX 20可包括具有不同截面形状的多个通道68。因而，图4－7是用于示意目的的简化，且旋转IPX 20的其它实施例可具有与图4－7中所示不同的构造。如以下详细描述的，旋转IPX 20通过使两个液体在旋转腔室内瞬时接触而便于两个液体之间压力的液压交换。在某些实施例中，该交换以高速发生，从而导致非常高的效率，且几乎不带有液体的混合。
在图4中，通道开口70在转子38的第一旋转位置与端板62中的孔76液压连通并因而与歧管50液压连通，相对的通道开口72与端板64中的孔80液压连通并因而与歧管52液压连通。如以下所论述的，转子38沿由箭头90所标示的顺时针方向旋转。如图4中所示，低压第二流体92穿过端板64并进入通道68，在通道68中，低压第二流体92将第一流体94推出通道68并通过端板62，因而离开旋转IPX 20。第一流体92和第二流体94在交界面96处彼此接触，在交界面96处由于接触持续时间短而发生最小量的液体混合。由于第二流体92直接地接触第一流体94，故而交界面96是直接接触交界面。
在图5中，通道68已顺时针旋转过约90度的弧度，出口72被阻塞在端板64的孔78与80之间，通道68的出口70位于端板62的孔74与76之间并因而被阻塞而不与端结构46的歧管50液压连通。因而，低压第二流体92被包含在通道68内。
在图6中，通道68已从图4中所示的位置旋转过约180度的弧度。开口72与端板64中的孔78液压连通并与歧管52液压连通，通道68的开口70与端板62的孔74液压连通并与端结构46的歧管50液压连通。在端结构48的歧管52的压力下的通道68中的液体将该压力通过出口70和孔74传递至端结构46，并具有端结构46的歧管50的压力。因而，高压第一流体94将第二流体92加压并排出。
在图7中，通道68已从图4中所示的位置旋转过约270度的弧度，通道68的开口70在端板62的孔74与76之间，通道68的开口72在端板64的孔78与80之间。因而，高压第一流体94被包含在通道68内。当通道68从图4中所示的位置旋转过约360度的弧度时，第二流体92将第一流体94排出，从而重新开始循环。
图8是旋转IPX 20的端盖100(例如，具有用于在管道容积的减压期间改进的管道压力传递的端口或开口41)的实施例的径向视图。具体地，如图8中所示，端盖100(例如，低压入口端盖)可包括通过端盖100的表面109的密封区域102(例如，高压密封区域)、表面或过渡区域(例如，沿旋转方向108从高压出口104至低压入口106的过渡区域)的端口或开口41，端口或开口41相邻于低压入口106或就在低压入口106前与转子38的端面交界。端盖100的表面109包括与密封区域102相对设置的过渡区域110(例如，从低压入口106沿方向108过渡至高压出口104的过渡区域)。端口或开口41从端盖100的中心点112偏置，并与一个或多个转子管道或通道68的周向路径对齐。在带有多于一个端口或开口41的那些实施例中，每个端口或开口41可与一个或多个相应转子管道或通道68的相应周向路径对齐。低压流体流可经由低压入口106进入端盖100(且随后进入转子38或转子管道68)。在转子38或转子管道68从低压入口106至高压出口104的旋转期间，可能对转子管道68内的流体发生从低压至高压的压力过渡。转子管道68内的一部分流体可经由高压出口104离开。随着转子38或转子管道68沿周向26从高压出口104旋转至低压入口106，流体在到达低压入口106之前与端盖100的密封区域102(例如，高压密封区域)交界。一部分流体(高压流体)可经由相邻于低压入口106设置或就设置在低压入口106前的端口或开口41离开转子管道68进入端盖100，且该流体随后离开端盖100。高压流体的该部分通过端口或开口41的离开可使管道容积能够在与经由低压入口106进入转子管道68的低压流体交界前减压。与低压入口106相邻地定位或就定位在低压入口106前的开口或端口41的轴线可部分地与转子旋转方向108相切地定向且沿旋转方向的反向定向，以产生如箭头112所标示的沿转子旋转方向的反作用力和动量。在某些实施例中，端口或开口41可为成角度的。在某些实施例中，端口或开口41可包括复合的角度。例如，端口或开口41可相对于转子38的旋转轴线成角度。端口或开口41相对于转子38的旋转轴线在从高压出口104至低压入口106的方向A上的角度可在约0至90度的范围内。在方向A上的角度可在约0至45度之间、45至90度之间、15至30度之间、60至75度之间、及其所有子范围之间。例如，在方向A上的角度可为约0、10、20、30、40、50、60、70、80或90度角或其间的任何其它角度。此外，端口或开口41可成角度而使得端口或开口41与转子管道68相切。端口或开口41在方向B上(例如，从高压密封区域至相对的密封区域)相对于转子38的旋转轴线朝向转子38或转子管道68的径向壁的角度可在约0至90度的范围内。在方向B上的角度可在约0至45度之间、45至90度之间、15至30度之间、60至75度之间、及其所有子范围之间。例如，在方向B上的角度可为约0、10、20、30、40、50、60、70、80或90度角或其间的任何其它角度。在某些实施例中，密封区域102(例如，高压密封区域)可包括与低压入口106相邻或就在低压入口106前的多于一个孔41。在某些实施例中，端口或开口41的截面面积可包括椭圆形(例如，卵形或圆形)。在其它实施例中，端口或开口41的截面面积可为另一形状(例如，三角形、矩形、星形等等)。端口41的位置、端口41的形状、端口41的角度和/或端口41的数量是以压力、管道几何形状、所利用流体的可压缩性和/或转子38的转速为基础来确定的。
图9是旋转IPX 20的端盖114(例如，具有用于在管道容积的加压期间改进的管道压力传递的端口或开口41)的实施例的径向视图。具体地，如图9中所示，端盖114(例如，高压入口端盖)可包括通过端盖114的表面122的密封区域116(例如，低压密封区域)或过渡区域(例如，沿旋转方向108从低压出口118至高压入口120的过渡区域)的端口或开口41，端口或开口41相邻于高压入口120或就在高压入口120前与转子38的端面交界。端盖114的表面122包括与密封区域116相对设置的过渡区域121(例如，从高压入口120沿方向108过渡至低压出口118的过渡区域)。端口或开口41从端盖114的中心点112偏置，并与一个或多个转子管道68或通道的周向路径对齐。在带有多于一个端口或开口41的那些实施例中，每个端口或开口41可与一个或多个相应转子管道68或通道的相应周向路径对齐。高压流体流可经由高压入口120进入端盖114(且随后进入具有低压流体流的转子管道68)。随着转子管道68沿周向26从低压出口118旋转至高压入口120，流体在到达高压入口120之前与端盖114的密封区域116(例如，低压密封区域)交界。在到达高压入口120之前，一部分流体(高压流体)可经由相邻于高压入口120设置或就设置在高压入口120前的端盖114中的端口或开口41进入转子管道68，以能够对转子管道68内的流体加压。剩余的高压流体可经由端盖114的高压入口120进入转子管道68。与高压入口120相邻地定位或就定位在高压入口120前的开口或端口41的喷注轴线可部分地与转子旋转方向相切地定向且沿旋转方向108定向，以产生与旋转方向108相切的速度向量(如箭头124所标示)。在某些实施例中，端口或开口41可为成角度的。在某些实施例中，端口或开口41可包括复合的角度。例如，端口或开口41可相对于转子38的旋转轴线成角度。端口或开口41相对于转子38的旋转轴线在从低压出口118至高压入口120的方向C上的角度可在约0至90度的范围内。在方向C上的角度可在约0至45度之间、45至90度之间、15至30度之间、60至75度之间、及其所有子范围之间。例如，在方向C上的角度可为约0、10、20、30、40、50、60、70、80或90度角或其间的任何其它角度。此外，端口或开口41可成角度而使得端口或开口41与转子管道68相切。端口或开口41在方向D上(例如，从低压密封区域116至相对的密封区域122)相对于转子38的旋转轴线朝向转子38或转子管道68的径向壁的角度可在约0至90度的范围内。在方向D上的角度可在约0至45度之间、45至90度之间、15至30度之间、60至75度之间、及其所有子范围之间。例如，在方向D上的角度可为约0、10、20、30、40、50、60、70、80或90度角或其间的任何其它角度。在某些实施例中，密封区域116(例如，低压密封区域)可包括与高压入口120相邻或就在高压入口120前的多于一个孔41。在某些实施例中，端口或开口41的截面面积可包括椭圆形(例如，卵形或圆形)。在其它实施例中，端口或开口41的截面面积可为另一形状(例如，三角形、矩形、星形等等)。端口41的位置、端口41的形状、端口41的角度和/或端口41的数量是以压力、管道几何形状、所利用流体的可压缩性和/或转子38的转速为基础来确定的。
在某些实施例中，端盖100可包括设置于端盖100中与高压出口104相邻的过渡区域110中的(附加于或替代于图8中描述的端口41的)一个或多个端口41，以有助于如图9中描述的对管道容积的加压。在某些实施例中，端盖114可包括设置于端盖114中与低压出口118相邻的过渡区域121中的(附加于或替代于图9中描述的端口41的)一个或多个端口41，以有助于如图8中描述的对管道容积的减压。
图10是旋转IPX 20的实施例的局剖俯视图，旋转IPX 20具有(例如，图8中所描述的)端盖100，端盖100具有端口或开口41，以改善(例如，在管道容积的减压期间的)管道压力传递。具体地，如图10中所示，端盖100(例如，低压入口端盖)可包括通过密封区域102(例如，高压密封区域)或过渡区域(从高压出口104至低压入口106的过渡区域)的、与低压入口106相邻或就在低压入口106前的端口或开口41。随着转子管道68沿周向26从高压出口104旋转至低压入口106，流体在到达低压入口106之前与端盖100的密封区域102(例如，高压密封区域)交界。一部分流体(高压(HP)流体)可经由相邻于低压入口106设置或就设置在低压入口106前的端口或开口41的第一部分126离开端盖，且随后经由端口或开口41的第二部分128离开端盖100。高压流体的该部分通过端口或开口41的离开可使管道容积能够在与经由低压入口106进入转子管道68的低压流体交界前减压。流体可经由端口或开口41的第二部分128在端盖100的径向侧130处离开。在其它实施例中，端口或开口41的第二部分128可使流体能够经由端盖100的后部离开。如上所述，与低压入口106相邻地定位或就定位在低压入口106前的开口或端口41的第一部分126的轴线可与转子旋转方向相切地定向且沿旋转方向的反向定向，以产生沿转子旋转方向的反作用力和动量。在某些实施例中，端口或开口41的第一部分126可为成角度的。在某些实施例中，端口或开口可包括复合的角度。例如，端口或开口41可相对于转子38的旋转轴线成角度。端口或开口41相对于转子的旋转轴线在从高压出口104至低压入口106的方向A(参见图8)上的角度可在约0至90度的范围内。在方向A上的角度可在约0至45度之间、45至90度之间、15至30度之间、60至75度之间、及其所有子范围之间。例如，在方向A上的角度可为约0、10、20、30、40、50、60、70、80或90度角或其间的任何其它角度。此外，端口或开口41可成角度而使得端口或开口41与转子管道68相切。端口或开口41相对于转子38的旋转轴线在朝向转子38或转子管道68的径向壁的方向B(参见图8)上的角度可在约0至90度的范围内。在方向B上的角度可在约0至45度之间、45至90度之间、15至30度之间、60至75度之间、及其所有子范围之间。例如，在方向B上的角度可为约0、10、20、30、40、50、60、70、80或90度角或其间的任何其它角度。
图11是旋转IPX 20的实施例的局剖俯视图，旋转IPX 20具有(如图9中所描述的)端盖114，端盖114具有端口或开口41，以改善(例如，在管道容积的加压期间的)管道压力传递。具体地，如图11中所示，端盖114(例如，高压入口端盖)可包括通过密封区域116(例如，低压密封区域)或过渡区域(例如，从低压出口118至低压入口120的过渡区域)的、与高压入口120相邻或就在高压入口120前的端口或开口41。随着转子管道68沿周向26从低压出口118旋转至高压入口120，流体在到达高压入口120之前与端盖114的密封区域116(例如，低压密封区域)交界。在到达高压入口120之前，一部分流体(高压(HP)流体)可经由相邻于高压入口120设置或就设置在高压入口120前的端盖114中的端口或开口41进入转子38或转子管道68，以能够对转子管道68内的流体加压。流体首先从端盖114的径向侧134进入端口或开口41的第一部分132，并随后穿过端口或开口41的第二部分136而进入转子管道68。在某些实施例中，端口或开口41的第一部分132可使流体能够从端盖114的后部进入。与高压入口120相邻地定位或就定位在高压入口120前的开口或端口41的第二部分136的喷注轴线可与转子旋转方向相切地定向且沿旋转方向定向。在某些实施例中，端口或开口的第二部分136可为成角度的。在某些实施例中，端口或开口41的第二部分136可包括复合的角度。例如，端口或开口41的第二部分可相对于转子38的旋转轴线(和/或端口或开口41的第一部分132)成角度。端口或开口41的第二部分136相对于转子38的旋转轴线在从低压出口118至高压入口120的方向C(参见图9)上的角度可在约0至90度的范围内。在方向C上的角度可在约0至45度之间、45至90度之间、15至30度之间、60至75度之间、及其所有子范围之间。例如，在方向C上的角度可为约0、10、20、30、40、50、60、70、80或90度角或其间的任何其它角度。此外，端口或开口41的第二部分136可成角度而使得端口或开口41与转子管道68相切。端口或开口41的第二部分136相对于转子38的旋转轴线在朝向转子38或转子管道68的径向壁的方向D(参见图9)上的角度可在约0至90度的范围内。在方向D上的角度可在约0至45度之间、45至90度之间、15至30度之间、60至75度之间、及其所有子范围之间。例如，在方向D上的角度可为约0、10、20、30、40、50、60、70、80或90度角或其间的任何其它角度。
图12是旋转IPX 20的实施例的局剖轴向侧视图，旋转IPX 20具有端盖138，端盖138具有端口或开口41，以(例如，在转子管道容积的减压期间)改善管道压力传递。应注意，在图12中仅示出端口或开口41的一部分。如所示的，端口或开口41的一部分可为成角度的。在某些实施例中，端口或开口41可包括复合的角度。例如，端口或开口41可相对于转子38的旋转轴线66成角度。端口或开口41相对于转子38的旋转轴线66在从高压出口104至低压入口106的方向A(参见图8)上的角度可在约0至90度的范围内。在方向A上的角度可在约0至45度之间、45至90度之间、15至30度之间、60至75度之间、及其所有子范围之间。例如，在方向A上的角度可为约0、10、20、30、40、50、60、70、80或90度角或其间的任何其它角度。
图13是旋转IPX 20的实施例的局剖轴向俯视图，旋转IPX 20具有端盖140，端盖140具有端口或开口41，以(例如，在转子管道容积的减压期间)改善管道压力传递。应注意，在图13中仅示出端口或开口41的一部分。此外，端口或开口41的一部分可成角度而使得端口或开口41与转子管道68相切。端口或开口41相对于转子38的旋转轴线66在朝向转子38或转子管道68的径向壁的方向B(参见图8)上的角度可在约0至90度的范围内。在方向B上的角度可在约0至45度之间、45至90度之间、15至30度之间、60至75度之间、及其所有子范围之间。例如，在方向B上的角度可为约0、10、20、30、40、50、60、70、80或90度角或其间的任何其它角度。
图14是旋转IPX 20的实施例的局剖轴向侧视图，旋转IPX 20具有端盖142，端盖142具有端口或开口41，以(例如，在转子管道容积的加压期间)改善管道压力传递。应注意，在图14中仅示出端口或开口41的一部分。如所示的，端口或开口41的一部分可为成角度的。在某些实施例中，端口或开口41可包括复合的角度。例如，端口或开口41可相对于转子38的旋转轴线66成角度。端口或开口41相对于转子38的旋转轴线66在从低压出口118至高压入口120的方向C(参见图9)上的角度可在约0至90度的范围内。在方向C上的角度可在约0至45度之间、45至90度之间、15至30度之间、60至75度之间、及其所有子范围之间。例如，在方向C上的角度可为约0、10、20、30、40、50、60、70、80或90度角或其间的任何其它角度。
图15是旋转IPX 20的实施例的局剖轴向俯视图，旋转IPX 20具有端盖144，端盖140具有端口或开口41，以(例如，在转子管道容积的加压期间)改善管道压力传递。应注意，在图15中仅示出端口或开口41的一部分。此外，端口或开口41的一部分可成角度而使得端口或开口41与转子管道68相切。端口或开口41相对于转子38的旋转轴线66在朝向转子38或转子管道68的径向壁的方向D(参见图9)上的角度可在约0至90度的范围内。在方向D上的角度可在约0至45度之间、45至90度之间、15至30度之间、60至75度之间、及其所有子范围之间。例如，在方向D上的角度可为约0、10、20、30、40、50、60、70、80或90度角或其间的任何其它角度。
本文通过附图中的示例示出了具体实施例并对这些具体实施例做了详细描述，而本主题可有各种修改和替代形式。然而，应理解本主题不意在限制于所公开的具体形式。而是，本主题覆盖了落入由以下所附权利要求所限定的本主题的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
Claims (24)
1.一种旋转等压压力交换器(IPX)，用于将压力能量从高压第一流体传递至低压第二流体，所述旋转IPX包括：
圆柱形转子，所述圆柱形转子构造成绕旋转轴线周向地旋转且具有彼此相对设置的第一端面和第二端面，并带有在位于所述第一端面和所述第二端面中的相应孔之间轴向延伸的多个通道；
第一端盖，所述第一端盖具有第一表面，所述第一表面与所述第一端面交界并滑动且密封地与所述第一端面接合，其中，所述第一端盖具有至少一个第一流体入口和至少一个第一流体出口，在所述圆柱形转子绕所述旋转轴线旋转期间，所述至少一个第一流体入口和所述至少一个第一流体出口交替地与所述多个通道中的至少一个通道流体连通；
第二端盖，所述第二端盖具有第二表面，所述第二表面与所述第二端面交界并滑动且密封地与所述第二端面接合，其中，所述第二端盖具有至少一个第二流体入口和至少一个第二流体出口，在所述圆柱形转子绕所述旋转轴线旋转期间，所述至少一个第二流体入口和所述至少一个第二流体出口交替地与所述多个通道中的至少一个通道流体连通；以及
通过所述第一端盖的所述第一表面或通过所述第二端盖的所述第二表面设置的端口，其中，在所述圆柱形转子绕所述旋转轴线的旋转期间，所述端口构造成与所述转子内的所述多个通道中的至少一个通道流体连通。
2.根据权利要求1所述的旋转IPX，其特征在于，所述第二流体入口包括低压第二流体入口，所述第二流体出口包括高压第二流体出口，所述第二表面包括从所述高压第二流体出口至所述低压第二流体入口的第一过渡区域，且所述端口设置在所述第一过渡区域上。
3.根据权利要求2所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口构造成：在所述转子在所述高压第二流体出口与所述低压第二流体入口之间的旋转期间，与所述多个通道中的所述至少一个通道流体连通，以在所述低压第二流体入口与所述至少一个通道流体连通之前降低所述至少一个通道内的所述第二流体的压力。
4.根据权利要求3所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口设置在所述第一过渡区域上，且所述端口更接近所述低压第二流体入口，而不是更接近所述高压第二流体出口。
5.根据权利要求3所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口定向成：当所述第二流体流入所述端口时，沿所述圆柱形转子的旋转方向产生反作用力和动量。
6.根据权利要求3所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口在从所述高压第二流体出口朝向所述低压第二流体入口的方向上相对于所述圆柱形转子的所述旋转轴线成角度在0至90度之间。
7.根据权利要求3所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口在从所述第二表面的所述第一过渡区域至相对于所述第一过渡区域设置的第二过渡区域的方向上相对于所述圆柱形转子的所述旋转轴线成角度在0至90度之间。
8.根据权利要求3所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口包括复合角度。
9.根据权利要求1所述的旋转IPX，其特征在于，所述第一流体入口包括高压第一流体入口，所述第一流体出口包括低压第一流体出口，所述第一表面包括从所述高压第一流体入口至所述低压第一流体出口的第一过渡区域，且所述端口设置在所述第一过渡区域上。
10.根据权利要求9所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口构造成：在所述转子在所述高压第一流体入口与所述低压第一流体出口之间的旋转期间，与所述多个通道中的所述至少一个通道流体连通，以在所述低压第一流体出口与所述至少一个通道流体连通之前降低所述至少一个通道内的所述第一流体的压力。
11.根据权利要求1所述的旋转IPX，其特征在于，所述第一流体入口包括高压第一流体入口，所述第一流体出口包括低压第一流体出口，所述第一表面包括从所述低压第一流体出口至所述高压第一流体入口的第一过渡区域，且所述端口设置在所述第一过渡区域上。
12.根据权利要求11所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口构造成：在所述转子在所述低压第一流体出口与所述高压第一流体入口之间的旋转期间，与所述多个通道中的所述至少一个通道流体连通，以在所述高压第一流体入口与所述至少一个通道流体连通之前增加所述至少一个通道内的所述第一流体的压力。
13.根据权利要求12所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口设置在所述第一过渡区域上，且所述端口更接近所述高压第一流体入口，而不是更接近所述低压第一流体出口。
14.根据权利要求12所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口在从所述低压第一流体出口朝向所述高压第一流体入口的方向上相对于所述圆柱形转子的所述旋转轴线成角度在0至90度之间。
15.根据权利要求12所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口在从所述第一表面的相对于所述第一过渡区域设置的第二过渡区域至所述第一过渡区域的方向上相对于所述圆柱形转子的所述旋转轴线成角度在0至90度之间。
16.根据权利要求12所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口包括复合角度。
17.根据权利要求1所述的旋转IPX，其特征在于，所述第二流体入口包括低压第二流体入口，所述第二流体出口包括高压第二流体出口，所述第二表面包括从所述低压第二流体入口至所述高压第二流体出口的第一过渡区域，且所述端口设置在所述第一过渡区域上。
18.根据权利要求17所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口构造成：在所述转子在所述低压第二流体入口与所述高压第二流体出口之间的旋转期间，与所述多个通道中的所述至少一个通道流体连通，以在所述高压第二流体出口与所述至少一个通道流体连通之前增加所述至少一个通道内的所述第二流体的压力。
19.一种旋转等压压力交换器(IPX)，用于将压力能量从高压第一流体传递至低压第二流体，所述旋转IPX包括：
圆柱形转子，所述圆柱形转子构造成绕旋转轴线周向地旋转且具有彼此相对设置的第一端面和第二端面，并带有在位于所述第一端面和所述第二端面的相应孔之间轴向延伸的多个通道；以及
第一端盖，所述第一端盖具有第一表面，所述第一表面与所述第一端面交界并滑动且密封地与所述第一端面接合，其中，所述第一端盖具有低压第二流体入口、高压第二流体出口以及通过所述第一端盖的所述第一表面设置在所述低压第二流体入口与所述高压第二流体出口之间的第一端口，其中，所述低压第二流体入口、所述高压第二流体出口以及所述第一端口构造成与所述多个通道中的至少一个通道流体连通，且所述第一端口构造成：在所述转子在所述高压第二流体出口与所述低压第二流体入口之间转动期间，与所述多个通道中的所述至少一个通道流体连通，以在所述低压第二流体入口与所述至少一个通道流体连通之前降低所述至少一个通道内的所述第二流体的压力。
20.根据权利要求19所述的旋转IPX，其特征在于，包括第二端盖，所述第二端盖具有第二表面，所述第二表面与所述第二端面交界并滑动且密封地与所述第二端面接合，其中，所述第二端盖具有高压第一流体入口、低压第一流体出口以及通过所述第二端盖的所述第二表面设置在所述高压第一流体入口与所述低压第一流体出口之间的第二端口，其中，所述高压第一流体入口、所述低压第一流体出口以及所述第二端口构造成与所述多个通道中的至少一个通道流体连通，且所述第二端口构造成：在所述转子在所述低压第一流体出口与所述高压第一流体入口之间转动期间，与所述多个通道中的所述至少一个通道流体连通，以在所述高压第一流体入口与所述至少一个通道流体连通之前增加所述至少一个通道内的所述第一流体的压力。
21.根据权利要求20所述的旋转IPX，其特征在于，所述第一端口设置在所述第一表面上，且更接近所述低压第二流体入口，而不是更接近所述高压第二流体出口，所述第二端口设置在所述第二表面上，且更接近所述高压第一流体入口，而不是更接近所述低压第一流体出口。
22.根据权利要求19所述的旋转IPX，其特征在于，所述第一端口定向成：当所述第二流体流入所述第一端口时，沿所述圆柱形转子的旋转方向产生反作用力和动量。
23.一种旋转等压压力交换器(IPX)，用于将压力能量从高压第一流体传递至低压第二流体，所述旋转IPX包括：
圆柱形转子，所述圆柱形转子构造成绕旋转轴线周向地旋转且具有彼此相对设置的第一端面和第二端面，并带有在位于所述第一端面和所述第二端面的相应孔之间轴向延伸的多个通道；以及
第一端盖，所述第一端盖具有一表面，所述表面与所述第一端面交界并滑动且密封地与所述第一端面接合，其中，所述第一端盖具有高压第一流体入口、低压第一流体出口以及通过所述第一端盖的所述表面设置在所述高压第一流体入口与所述低压第一流体出口之间的端口，其中，所述高压第一流体入口、所述低压第一流体出口以及所述端口构造成与所述多个通道中的至少一个通道流体连通，且所述端口构造成：在所述转子在所述低压第一流体出口与所述高压第一流体入口之间转动期间，与所述多个通道中的所述至少一个通道流体连通，以在所述高压第一流体入口与所述至少一个通道流体连通之前降低所述至少一个通道内的所述第一流体的压力。
24.根据权利要求23所述的旋转IPX，其特征在于，所述端口设置在所述表面上，且所述端口更接近所述高压第一流体入口，而不是更接近所述低压第一流体出口。
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