CN108238664B - 一体式低脉动海水淡化能量回收增压装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体式低脉动海水淡化能量回收增压装置。采用旋转式压力交换器和斜盘柱塞式增压泵的结构型式，新鲜海水配流盘的低压区域采用开放式设计，工作时压力交换器缸孔直接从装置壳体空腔吸水，提高其的吸入性能；增压泵进口为高压水，提高其自吸性能，通过多个柱塞的吸排水减小高压海水出口的流量脉动，提高能量回收增压装置的流量品质，降低装置出口流量脉动对反渗透膜的冲击，提高反渗透膜的工作寿命；本发明克服了现有反渗透海水淡化系统中旋转式能量回收装置集成度低、流量脉动大、体积重量大等缺点，具有能量回收率高、流量品质高、集成度高、结构尺寸小等明显的技术优势。

Description

一体式低脉动海水淡化能量回收增压装置

技术领域

本发明涉及一种一体式低脉动海水淡化能量回收增压装置，可作为能量回收及增压元件应用于反渗透海水淡化系统中，属于流体传动与控制技术领域。

背景技术

淡水资源短缺已成为全球性问题。采用海水淡化技术开辟新的淡水资源，增加淡水总供应量，已逐渐成为世界各国解决“水危机”的一种重要途径。在所有的海水淡化技术中，反渗透海水淡化技术是目前绝大多数计划建设的海水淡化设施中推荐采用的技术，为降低反渗透海水淡化成本，高压浓盐水所含的能量需通过能量回收装置回收，实现系统能耗的降低。因此，在我国水资源短缺问题日益加剧的形势下，进行反渗透海水淡化的技术攻关，研制出高效率、低脉动、集成式的反渗透海水淡化一体式能量回收装置就显得尤为迫切和重要。

目前主流的能量回收装置主要采用活塞式阀控和旋转式压力交换原理。旋转式压力交换装置采用流体压力能-压力能直接交换的工作原理，能量回收率较高（可达95%左右），因此广泛应用于中小型反渗透海水淡化系统中。但经过旋转式压力交换装置后的高压海水会产生约1 MPa的压力损失，需通过配置增压泵进一步提高压力交换后的高压海水压力。目前部分反渗透海水淡化系统将旋转式压力交换装置和增压泵分开配置，降低了系统的集成度。

中国专利（CN 102777432A）公开了一种“具有增压功能的旋转压力传递装置”，该装置将旋转式压力交换装置通过联轴器和叶片式增压泵联成一体，实现压力传递和增压的功能。但叶片式增压泵的流量脉动较大，产生的脉动冲击力易损伤并降低反渗透膜的工作寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种一体式低脉动海水淡化能量回收增压装置，其克服了现有能量回收装置能量回收率低、集成度低、流量脉动大、体积重量大等缺点；本发明通过合理新颖的结构设计，提高了能量回收增压装置的回收率、流量品质和集成度，实用性很强。

本发明采用如下技术手段，一体式低脉动海水淡化能量回收增压装置，主轴通过主轴平键与压力交换器缸体相连，构成主轴-压力交换器组件；机械密封的一端和前端盖相连，另一端和主轴相连；前端盖、浓盐水配流法兰和压力交换器壳体通过螺钉相连；浓盐水配流盘的高压腰形槽通过浓盐水配流法兰的高压流道与高压浓盐水进口相连，浓盐水配流盘的低压腰形槽通过浓盐水配流法兰的低压流道与低压浓盐水出口相连；浓盐水配流盘通过螺钉和定位销与浓盐水配流法兰相连，在浓盐水配流法兰上装配O型密封圈实现浓盐水配流盘的反面密封；压力交换器左浮动盘通过压力交换器左连通套和压力交换器缸孔相连；低压海水进口位于压力交换器壳体中间，并与高压浓盐水进口处于同一平面；碟形弹簧一端与压力交换器缸体相连，另一端与压力交换器右浮动盘相连；压力交换器右浮动盘通过压力交换器右连通套和新鲜海水配流盘相连；新鲜海水配流盘通过定位销和螺钉与新鲜海水配流法兰连接，在新鲜海水配流法兰上装配O型密封圈实现新鲜海水配流盘的反面密封；增压泵主轴通过增压泵平键与增压泵缸体相连，构成增压泵主轴-增压泵组件；主轴通过花键和增压泵主轴相连；增压泵配流盘和新鲜海水配流法兰通过定位销和螺钉连接，在新鲜海水配流法兰上装配O型密封圈实现增压泵配流盘的反面密封；增压泵配流盘的高压腰形槽通过新鲜海水配流法兰的高压流道与高压海水出口相连，增压泵配流盘的低压腰形槽通过新鲜海水配流法兰的低压流道与新鲜海水配流盘的高压腰形槽相连；压力交换器壳体、新鲜海水配流法兰和增压泵壳体通过螺钉相连；增压泵浮动盘通过增压泵连通套和增压泵缸体相连；增压泵缸体通过止口和定位销和斜盘相连；压力交换器左滑动轴承镶嵌在浓盐水配流法兰中，与主轴相连；压力交换器右滑动轴承镶嵌在新鲜海水配流法兰中，与增压泵主轴相连；增压泵滑动轴承镶嵌在新鲜海水配流法兰中，与增压泵主轴相连；缸外轴承镶嵌在增压泵壳体内部，与增压泵缸体相连；压力交换器左滑动轴承、压力交换器右滑动轴承、增压泵滑动轴承、缸外轴承的轴瓦上均开设螺旋润滑沟槽，增压泵缸体上开设十字通水孔，主轴上设置有主轴通水孔，增压泵主轴上设置有增压泵主轴通水孔，将压力交换器左滑动轴承的润滑沟槽、压力交换器右滑动轴承的润滑沟槽、增压泵滑动轴承的润滑沟槽、缸外轴承的润滑沟槽、机械密封和增压泵壳体以及压力交换器壳体的空腔相通；球铰一端与回程盘内圆配合构成球铰副，回程盘上均匀分布若干个孔，将相同数目的滑靴贴紧在斜盘上；球铰另一端通过增压泵弹簧导向套和增压泵弹簧与增压泵缸体相连；增压泵弹簧导向套底端和球铰贴紧，增压泵弹簧一端和增压泵弹簧导向套相连，另一端压紧在增压泵主轴的端面上；增压泵缸孔与增压泵主轴的中心线平行，每个缸孔中镶嵌一个柱塞套，柱塞球头与滑靴球窝构成柱塞组件，柱塞套与柱塞组件构成柱塞副；柱塞通过对应的柱塞套与增压泵配流盘上的腰形槽相通；

本发明轴承润滑的实现方式：主轴、增压泵主轴通过花键相连，主轴和增压泵主轴上开设主轴通水孔和增压泵主轴通水孔，增压泵缸体上开设十字通水孔，在压力交换器右滑动轴承、压力交换器左滑动轴承、增压泵滑动轴承、缸外轴承上分别设有轴向和径向润滑沟槽，分别将压力交换器右滑动轴承、压力交换器左滑动轴承、增压泵滑动轴承、缸外轴承和压力交换器壳体沟通润滑。

本发明的新鲜海水配流盘无低压区域，仅保留新鲜海水配流盘的高压区域，压力交换器缸孔直接从压力交换器壳体的空腔吸水。

本发明的压力交换器缸孔的个数为偶数，柱塞的个数为奇数。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、增压泵采用斜盘式柱塞泵结构，增压泵进口为高压水，提高其自吸性能，通过多个柱塞的吸排水减小高压海水出口的流量脉动，提高能量回收增压装置的流量品质，降低能量回收增压装置出口流量对反渗透膜的冲击，提高反渗透膜的工作寿命。

2、新鲜海水配流盘的低压区域采用开放式设计，工作时压力交换器缸孔直接从压力交换器壳体吸水，提高了压力交换器的吸入性能。

3、低压海水进口布置在压力交换器壳体的中间位置，不但减小了整个装置的轴向尺寸，且工作时压力交换器壳体中流动的低压海水能够充分润滑压力交换器的关键摩擦副并带走工作时产生的热量，提高压力交换器的工作寿命。

4、采用花键结构将压力交换器和增压泵连接成一体，增压泵球铰采用反向设计，减小了增压泵结构尺寸，提高了装置的集成度；运用三个滑动轴承和一个缸外轴承平衡装置的径向力，提高其工作性能。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为新鲜海水配流盘结构示意图。

图3为浓盐水配流法兰结构示意图。

图4为新鲜海水配流法兰正面示意图。

图5为新鲜海水配流法兰反面示意图。

图中：1、主轴，2、机械密封，3、前端盖，4、高压浓盐水进口，5、浓盐水配流法兰，6、浓盐水配流盘，7、压力交换器壳体，8、压力交换器缸孔，9、低压海水进口，10、压力交换器缸体，11、压力交换器右连通套，12、压力交换器右浮动盘，13、新鲜海水配流盘，14、高压海水出口，15、新鲜海水配流法兰，16、增压泵配流盘，17、增压泵浮动盘，18、增压泵缸体，19、增压泵平键，20、十字通水孔，21、缸外轴承，22、增压泵弹簧，23、增压泵壳体，24、斜盘，25、回程盘，26、滑靴，27、球铰，28、增压泵弹簧导向套，29、柱塞，30、柱塞套，31、增压泵连通套，32、增压泵主轴通水孔，33、增压泵滑动轴承，34、增压泵主轴，35、花键，36、压力交换器右滑动轴承，37、碟形弹簧，38、主轴通水孔，39、主轴平键，40、压力交换器左连通套，41、压力交换器左浮动盘，42、压力交换器左滑动轴承，43、低压浓盐水出口。

具体实施方式

下面将结合本发明的部分实施例中的附图1~5，对本发明的实施方式作更加详细地说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明所有实施例的一部分。本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下，从本发明公开的内容中直接获得或者联想到的其他实施例，均属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一体式低脉动海水淡化能量回收增压装置。如图1所示，主轴1通过主轴平键39与压力交换器缸体10相连，构成主轴-压力交换器组件；机械密封2的一端和前端盖3相连，另一端和主轴1相连；前端盖3、浓盐水配流法兰5和压力交换器壳体7通过螺钉相连；浓盐水配流盘6的高压腰形槽通过浓盐水配流法兰5的高压流道与高压浓盐水进口4相连，浓盐水配流盘6的低压腰形槽通过浓盐水配流法兰5的低压流道与低压浓盐水出口43相连；浓盐水配流盘6通过螺钉和定位销与浓盐水配流法兰5相连，在浓盐水配流法兰5上装配O型密封圈实现浓盐水配流盘6的反面密封；压力交换器左浮动盘41通过压力交换器左连通套40和压力交换器缸孔8相连；低压海水进口9位于压力交换器壳体7中间，并与高压浓盐水进口4处于同一平面；碟形弹簧37一端与压力交换器缸体10相连，另一端与压力交换器右浮动盘12相连；压力交换器右浮动盘12通过压力交换器右连通套11和新鲜海水配流盘13相连；新鲜海水配流盘13通过定位销和螺钉与新鲜海水配流法兰15连接，在新鲜海水配流法兰15上装配O型密封圈实现新鲜海水配流盘13的反面密封；增压泵主轴34通过增压泵平键19与增压泵缸体18相连，构成增压泵主轴-增压泵组件；主轴1通过花键35和增压泵主轴34相连；增压泵配流盘16和新鲜海水配流法兰15通过定位销和螺钉连接，在新鲜海水配流法兰15上装配O型密封圈实现增压泵配流盘16的反面密封；增压泵配流盘16的高压腰形槽通过新鲜海水配流法兰15的高压流道与高压海水出口14相连，增压泵配流盘16的低压腰形槽通过新鲜海水配流法兰15的低压流道与新鲜海水配流盘13的高压腰形槽相连；压力交换器壳体7、新鲜海水配流法兰15和增压泵壳体23通过螺钉相连；增压泵浮动盘17通过增压泵连通套31和增压泵缸体18相连；增压泵缸体18通过止口和定位销和斜盘24相连；压力交换器左滑动轴承42镶嵌在浓盐水配流法兰5中，与主轴1相连；压力交换器右滑动轴承36镶嵌在新鲜海水配流法兰15中，与增压泵主轴34相连；增压泵滑动轴承33镶嵌在新鲜海水配流法兰15中，与增压泵主轴34相连；缸外轴承21镶嵌在增压泵壳体23内部，与增压泵缸体18相连；压力交换器左滑动轴承42、压力交换器右滑动轴承36、增压泵滑动轴承33、缸外轴承21的轴瓦上均开设螺旋润滑沟槽；主轴1上设置有主轴通水孔38，增压泵主轴34上设置有增压泵主轴通水孔32，将压力交换器左滑动轴承42的润滑沟槽、压力交换器右滑动轴承36的润滑沟槽、增压泵滑动轴承33的润滑沟槽、缸外轴承21的润滑沟槽、机械密封2和增压泵壳体23以及压力交换器壳体的空腔相通；球铰27一端与回程盘25内圆配合构成球铰副，回程盘上均匀分布若干个孔，将相同数目的滑靴26贴紧在斜盘24上；球铰27另一端通过增压泵弹簧导向套28和增压泵弹簧22与增压泵缸体18相连；增压泵弹簧导向套28底端和球铰27贴紧，增压泵弹簧22一端和增压泵弹簧导向套28相连，另一端压紧在增压泵主轴34的端面上；增压泵缸孔与增压泵主轴34的中心线平行，每个缸孔中镶嵌一个柱塞套30，柱塞29球头与滑靴26球窝构成柱塞组件，柱塞套30与柱塞组件构成柱塞副；柱塞29通过对应的柱塞套30与增压泵配流盘16上的腰形槽相通；

本发明摩擦副润滑、冷却的实现方式：如图1所示，压力交换器壳体7空腔中的低压海水分别通过主轴1上的主轴通水孔38，增压泵主轴34上的增压泵主轴通水孔32，增压泵缸体18上的十字通水孔20流入压力交换器左滑动轴承42、压力交换器右滑动轴承36、增压泵滑动轴承33和缸外轴承21的轴瓦上的润滑沟槽中，并使得整个压力交换器壳体7和增压泵壳体23的空腔均匀地充满工作介质海水；装置工作时压力交换器壳体7中的低压海水一边吸入压力交换器缸孔8中，并进入增压泵增压后排出，一边又从低压海水进口9处不断得到补充。形成了压力交换器壳体7和增压泵壳体23腔内水的流动循环效应，将各摩擦副工作时产生的热量带走，有利于摩擦副的润滑、冷却。

本发明低压新鲜海水的吸入方式：如图2所示，新鲜海水配流盘13无低压区域，仅保留新鲜海水配流盘13的高压区域，低压新鲜海水从低压海水进口9流入压力交换器壳体7的空腔中，压力交换器缸孔8直接从压力交换器壳体7的空腔吸水。

本发明配流盘反面泄漏的密封方式：如图3~5所示，在浓盐水配流法兰5与浓盐水配流盘6高压腰形槽配合面设置有密封沟槽和螺纹孔，在新鲜海水配流法兰15与新鲜海水配流盘13的高压腰形槽和增压泵配流盘16的高、低压腰形槽配合面上分别设置有密封沟槽和螺纹孔，通过螺钉将上述配流盘分别固定在浓盐水配流法兰5和新鲜海水配流法兰15上，并通过O型密封圈实现浓盐水配流盘6、新鲜海水配流盘13和增压泵配流盘16的反面密封。

本发明的压力交换器缸孔8的个数为偶数，柱塞29的个数为奇数。

一体式低脉动海水淡化能量回收增压装置，其吸排水、能量交换以及增压的工作过程如下：装置起动前，低压新鲜海水从低压海水进口9流入压力交换器壳体7的空腔中，压力交换器壳体7空腔中的低压海水分别通过主轴1上的主轴通水孔38，增压泵主轴34上的增压泵主轴通水孔32，增压泵缸体18上的十字通水孔20流入压力交换器左滑动轴承42、压力交换器右滑动轴承36、增压泵滑动轴承33和缸外轴承21的轴瓦上的润滑沟槽中，并使得整个压力交换器壳体7的空腔均匀地充满工作介质海水；装置在外接电机的驱动下高速旋转工作时，高压浓盐水从高压浓盐水进口4进入浓盐水配流盘6的高压腰形槽并流入压力交换器缸孔8的左侧，同时压力交换器壳体7空腔中的低压海水也进入压力交换器缸孔8的右侧，使得压力交换器缸孔8充满高压浓盐水和低压海水，在高速旋转状态下高压浓盐水和低压海水在压力交换器缸孔8内迅速碰撞，瞬间将高压浓盐水的压力能传递给低压海水，当压力交换器缸孔8旋转到和浓盐水配流盘6的低压腰形槽以及新鲜海水配流盘13的高压腰形槽沟通时，增压后的新鲜海水通过新鲜海水配流盘13的高压腰形槽和新鲜海水配流法兰15的流道流入增压泵配流盘16的低压腰形槽中。此时，压力交换后的低压浓盐水流入浓盐水配流盘6的低压腰形槽并从低压浓盐水出口43排出装置，实现了高压浓盐水和低压新鲜海水的能量交换。但能量交换过程中会产生部分压力损失，使得能量交换后的新鲜海水的压力低于反渗透膜前的压力。由于增压泵配流盘16的低压腰形槽中的新鲜海水由柱塞29吸入柱塞腔，当柱塞29运动到斜盘24的上死点时，吸水结束；柱塞29转过上死点之后，将进一步增压后的新鲜海水从高压海水出口排出，使得增压后的海水压力等于反渗透膜前压力，从而同步完成了能量回收和增压。

Claims (4)

1.一体式低脉动海水淡化能量回收增压装置，其特征在于：一体式低脉动海水淡化能量回收增压装置，主轴（1）通过主轴平键（39）与压力交换器缸体（10）相连，构成主轴-压力交换器组件；机械密封（2）的一端和前端盖（3）相连，另一端和主轴（1）相连；前端盖（3）、浓盐水配流法兰（5）和压力交换器壳体（7）通过螺钉相连；浓盐水配流盘（6）的高压腰形槽通过浓盐水配流法兰（5）的高压流道与高压浓盐水进口（4）相连，浓盐水配流盘（6）的低压腰形槽通过浓盐水配流法兰（5）的低压流道与低压浓盐水出口（43）相连；

浓盐水配流盘（6）通过螺钉和定位销与浓盐水配流法兰（5）相连，在浓盐水配流法兰（5）上装配O型密封圈实现浓盐水配流盘（6）的反面密封；

压力交换器左浮动盘（41）通过压力交换器左连通套（40）和压力交换器缸孔（8）相连；低压海水进口（9）位于压力交换器壳体（7）中间，并与高压浓盐水进口（4）处于同一平面；

碟形弹簧（37）一端与压力交换器缸体（10）相连，另一端与压力交换器右浮动盘（12）相连；压力交换器右浮动盘（12）通过压力交换器右连通套（11）和新鲜海水配流盘（13）相连；新鲜海水配流盘（13）通过定位销和螺钉与新鲜海水配流法兰（15）连接，在新鲜海水配流法兰（15）上装配O型密封圈实现新鲜海水配流盘（13）的反面密封；

增压泵主轴（34）通过增压泵平键（19）与增压泵缸体（18）相连，构成增压泵主轴-增压泵组件；主轴（1）通过花键（35）和增压泵主轴（34）相连；增压泵配流盘（16）和新鲜海水配流法兰（15）通过定位销和螺钉连接，在新鲜海水配流法兰（15）上装配O型密封圈实现增压泵配流盘（16）的反面密封；增压泵配流盘（16）的高压腰形槽通过新鲜海水配流法兰（15）的高压流道与高压海水出口（14）相连，增压泵配流盘（16）的低压腰形槽通过新鲜海水配流法兰（15）的低压流道与新鲜海水配流盘（13）的高压腰形槽相连；压力交换器壳体（7）、新鲜海水配流法兰（15）和增压泵壳体（23）通过螺钉相连；增压泵浮动盘（17）通过增压泵连通套（31）和增压泵缸体（18）相连；增压泵缸体（18）通过止口和定位销和斜盘（24）相连；

压力交换器左滑动轴承（42）镶嵌在浓盐水配流法兰（5）中，与主轴（1）相连；压力交换器右滑动轴承（36）镶嵌在新鲜海水配流法兰（15）中，与增压泵主轴（34）相连；增压泵滑动轴承（33）镶嵌在新鲜海水配流法兰（15）中，与增压泵主轴（34）相连；缸外轴承（21）镶嵌在增压泵壳体（23）内部，与增压泵缸体（18）相连；压力交换器左滑动轴承（42）、压力交换器右滑动轴承（36）、增压泵滑动轴承（33）、缸外轴承（21）的轴瓦上均开设螺旋润滑沟槽，增压泵缸体（18）上开设十字通水孔（20），主轴（1）上设置有主轴通水孔（38），增压泵主轴（34）上设置有增压泵主轴通水孔（32），将压力交换器左滑动轴承（42）的润滑沟槽、压力交换器右滑动轴承（36）的润滑沟槽、增压泵滑动轴承（33）的润滑沟槽、缸外轴承（21）的润滑沟槽、机械密封（2）和增压泵壳体（23）以及压力交换器壳体的空腔相通；

球铰（27）一端与回程盘（25）内圆配合构成球铰副，回程盘上均匀分布若干个孔，将相同数目的滑靴（26）贴紧在斜盘（24）上；球铰（27）另一端通过增压泵弹簧导向套（28）和增压泵弹簧（22）与增压泵缸体（18）相连；增压泵弹簧导向套（28）底端和球铰（27）贴紧，增压泵弹簧（22）一端和增压泵弹簧导向套（28）相连，另一端压紧在增压泵主轴（34）的端面上；

增压泵缸孔与增压泵主轴（34）的中心线平行，每个缸孔中镶嵌一个柱塞套（30），柱塞（29）球头与滑靴（26）球窝构成柱塞组件，柱塞套（30）与柱塞组件构成柱塞副；柱塞（29）通过对应的柱塞套（30）与增压泵配流盘（16）上的腰形槽相通。

2.根据权利要求1所述的一体式低脉动海水淡化能量回收增压装置，其特征是：在压力交换器右滑动轴承（36）、压力交换器左滑动轴承（42）、增压泵滑动轴承（33）、缸外轴承（21）上分别设有轴向和径向润滑沟槽，分别将压力交换器右滑动轴承（36）、压力交换器左滑动轴承（42）、增压泵滑动轴承（33）、缸外轴承（21）和压力交换器壳体（7）沟通润滑。

3.根据权利要求1所述的一体式低脉动海水淡化能量回收增压装置，其特征是：所述的新鲜海水配流盘（13）无低压区域，仅保留新鲜海水配流盘（13）的高压区域，压力交换器缸孔（8）直接从压力交换器壳体（7）的空腔吸水。

4.根据权利要求1所述的一体式低脉动海水淡化能量回收增压装置，其特征是：所述的压力交换器缸孔（8）的个数为偶数，柱塞（29）的个数为奇数。

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