CN110762068A - 一种具有可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备，包括上配流盘、多孔道转子、变径流体管道、下配流盘、外部筒体、转动轴。该可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备在工作过程中，多孔道转子在转动轴的带动下高速旋转，高、低压流体在多孔道转子内部的变径流体管道中流动，从而实现将高压流体中的压力能传递给低压流体的过程。多孔道转子内部的变径流体管道具有可拆卸结构设计，以满足不同的实际生产需求。变径流体管道的内部管径在轴向上具有变化设计，以满足减小设备内部掺混现象的同时提高压力能回收效率。本发明的旋转型压力能回收设备，具有制造成本低、宽工况、效率高和维护成本低的有点。

Description

一种具有可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备

技术领域

本发明属于化工能源领域，涉及一种具有可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备。

背景技术

在许多化工能源领域中，例如海水淡化领域和精细化工领域，在生产过程中存在大量的能量如高压气体和液体。由于生产工艺的需要，这些高压流体有时需要经过减压手段，降低自身的压力以满足下游的工艺生产要求。常见的减压手段是减压阀，它通过改变节流面积形成压力损失，从而达到降压的目的，但这种手段会形成大量的能量浪费。若能降压的同时将这些高压能量回收，则可以大幅降低整个生产系统的能量消耗，带来巨大的经济效益。

为了将这些高压流体中的能量进行有效地回收，人们在20世纪初就构想出压力能回收设备，它通过将流体中的高压能量传递给其它待增压的流体，或用高压流体的能量带动电机做工而发电，实现能量回收的目的。旋转型压力能回收设备是基于“压力能-压力能”方式的能量回收设备，它可以直接将压力能传递给低压流体，目前该设备已经广泛应用于海水淡化领域。

在中国专利101440828B中公开了一种自驱型旋转压力能回收装置，该设备无须外部驱动电机，采用特殊的结构设计实现了转子在流体的推动作用下进行旋转，从而完成压力能的回收过程，但是该设备在设计过程中未考虑两股流体在流道中会形成强烈的掺混，这种现象会降低产品水的盐分浓度，最终导致设备的综合性能降低。在中国专利106594009A中公开了一种外驱动转子式能量回收装置，该装置通过外部驱动电机带动转子旋转实现压力能的回收过程，该设备的转子采用多流道、小管径的结构来实现低掺混的目的，但牺牲了设备的处理量，且该设备无法适应宽工况的实际生产条件。由此可见，有效降低设备流道内的掺混现象，并提高设备对不同生产工况的适应性，是压力能回收设备在设计过程中需要重点考察的两个因素。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备，该设备采用变径流体管道，其包含流体缩放段和流体稳定段，以实现降低流道中的掺混现象；该变径流体管道可与转子拆卸，在面对不同的生产工况时，可以选用不同管径尺寸的变径流体管道部件，从而提高设备的宽工况的适应性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种具有可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备，包括筒体、上盖板和下盖板，筒体的内部有转子，在转子的内部设置有若干圆形管道，在圆形管道内设置有变径流体管道；在转子的上、下端面设置有上配流盘和下配流盘，在转子中心设置有转动轴；在上配流盘内设置有一个低压腔a和一个高压腔a，在下配流盘内设置有一个低压腔b和一个高压腔b；在上盖板内设置有一个低压出口和一个高压进口，在下盖板内设置一个高压出口和一个低压进口；所述高压进口、高压腔a、高压腔b和高压出口联通；所述低压进口、低压腔b、低压腔a和低压出口联通。

进一步的，在变径流体管道内部的流道包含两端的流体缩放段和中部的流体稳定段；变径流体管道的管径尺寸沿着流向方向发生改变。

进一步的，在变径流体管道上设有定位键和螺孔，在圆形管道上设有定位槽和螺孔；变径流体管道与圆形管道通过定位键和定位槽进行定位，并通过螺孔与紧固螺钉进行固定。

进一步的，所述变径流体管道和圆形管道之间可以拆卸，变径流体管道可选用不同的结构尺寸，以适应不同的工况条件。

进一步的，所述转子通过转动轴与外部驱动设备连接，外部驱动设备带动转动轴和转子旋转。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种具有可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备，该设备采用可拆卸的变径流体管道，该管道包含流体缩放段和流体稳定段；设置在流体入口处的流体缩放段的结构设计可以有效减小流道内的不稳定流动现象，设置在出口处的流体缩放段利用拉法尔喷嘴效应可以将流体的动能转换为压力能，提高压力能的回收效率；采用可拆卸的结构设计，可以面对不同的实际生产工况而选取特定的结构和管径尺寸，在提高设备宽工况的适应性能的同时可以有效保证产品水的浓度品质。

附图说明

图1为本发明所提供的实施例的剖面示意图。

图2为图1中变径流体管道在转子内的布置形式示意图。

图3为图2中变径流体管道在单根流道中的布置形式示意图。

图4为图1中变径流体管道的剖面示意图。

图5为流体在变径流体管道中流动过程示意图。

图6为基于CFD得出的孔道内部流场分布图，其中(a)为流体管道流场分布图，(b)为变径流体管道流场分布图。

图7为基于CFD得出的变径流体管道内部流线示意图。

图8为图1中旋转型压力能回收设备工作过程示意图，带a箭头表示流体(盐水)，带b箭头表示流体(海水)。

其中，1-低压出口；2-低压腔a；3-上配流盘；4-筒体；5-低压腔b；6-下盖板；7-低压进口；8-高压出口；9-下配流盘；10-高压腔b；11-变径流体管道；12-紧固螺钉；13-转子；14-定位槽；15-高压腔a；16-上盖板；17-高压进口；18-转动轴；19-流体缩放段；20-流体稳定段；21-螺孔；22-圆形管道；23-定位键。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参照附图1～图4，本发明公开的一种具有可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备，其特征在于，包括筒体4、上盖板16和下盖板6，筒体4的内部有转子13，在转子13的内部设置有若干圆形管道22，在圆形管道22内设置有变径流体管道11；在转子13的上、下端面设置有上配流盘3和下配流盘9，在转子13中心设置有转动轴18；在上配流盘3内设置有一个低压腔a2和一个高压腔a15，在下配流盘9内设置有一个低压腔b5和一个高压腔b10；在上盖板3内设置有一个低压出口1和一个高压进口17，在下盖板11内设置一个高压出口8和一个低压进口7；所述高压进口17、高压腔a15、高压腔b10和高压出口8联通；所述低压进口7、低压腔b5、低压腔a2和低压出口1联通。

如图2～图5所示，在变径流体管道的内部流道包含流体缩放段19和流体稳定段20。其中，变径流体管道的管径尺寸沿着流向方向发生改变。如图2所示，流体缩放段的管径尺寸在管道入口处呈现出沿着流向方向发生缩小的趋势，而在管道出口处呈现出沿着流向方向发生扩张的趋势。流体稳定段则在管道中间区域保持一个较小的直径尺寸。在图3所示中，变径流体管道和圆形管道之间可以拆卸，根据实际生产需求，变径流体管道可选用不同的结构尺寸，以适应不同的工况条件。在图2所示中，在变径流体管道上设有定位键23和螺孔21，在圆形管道上设有定位槽14和螺孔21。变径流体管道与圆形管道通过定位键和定位槽进行定位，并通过螺孔与紧固螺钉进行固定。根据以上的结构设计，当生产条件如流量发现显著变化时，圆形管道内的变径流体管道可以替换成其它内径尺寸的变径流体管道，再用紧固装置进行固定，以满足特定的生产条件。采用这种结构设计，在不改变高旋转型压力能回收设备其它结构参数的条件下，可以有效地大幅提高旋转型压力能回收设备的生产工况，减小设备的二次投入。

基于数值模拟计算方法(Computational Fluid Dynamics，CFD)对旋转型压力能回收设备的工作过程进行了研究(如图6所示)，其流场结果显示变径流体管道内的旋涡结构明显减小。此外，在图7的孔道内部流线示意图中，变径流体管道的结构对流体的流动过程具有明显的流动控制作用。

参见图8，本发明的工作过程如下：

本发明的目的是回收高压流体(盐水)中的压力能，并将压力能高效地传递给待增压的低压流体(海水)。

在外部驱动电机的驱动下，转动轴带动转子旋转，转子内部的孔道由于旋转运动而周期性的与配流盘高、低压腔进行接触，从而实现将高压流体(盐水)的压力能传递给低压流体(海水)的压力能回收过程。

当管道与配流盘的高压腔a和高压腔b进行接触时，高压流体(盐水)经过高压腔a流入到管道并与其内部的低压流体(海水)接触。根据帕斯卡原理，此时管道内的海水会具有和高压流体(盐水)一样的压力，转变为高压海水，从而实现压力能的传递过程。当高压流体(盐水)流过管道入口处的缩放段时，高压流体(盐水)受到管道壁面的约束而向管道中心区域集中，流体中的旋涡结构受到壁面的约束而尺寸减小。当高压流体(盐水)流过管道的稳定段时，与高压流体(海水)直接接触而形成掺混现象。但因该区域的管道内径较小，能有效减小两股流体的接触面，从而抑制掺混现象的形成。当高压流体(海水)流过管道出口处的缩放段时，根据文丘里效应，高压流体(海水)的速度减小但压力增加，从而实现提高压力能回收效率的目的。

当管道与配流盘的低压腔a和低压腔b进行接触时，低压流体(海水)流入管道内，将管道内的低压流体(盐水)排出。

综上所述，本发明采用了一种具有可拆卸、可变流道管径的管道设计，可以有效的抑制两股流体在管道内发生掺混现象，在提高设备的压力能回收效率的同时，还扩展了设备的工作区域，提高了设备对不同生产条件的适应性。本发明的旋转型压力能回收设备，具有制造成本低、宽工况、效率高和维护成本低的有点。

然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备，其特征在于：包括筒体(4)、上盖板(16)和下盖板(6)，筒体(4)的内部有转子(13)，在转子(13)的内部设置有若干圆形管道(22)，在圆形管道(22)内设置有变径流体管道(11)；在转子(13)的上、下端面设置有上配流盘(3)和下配流盘(9)，在转子(13)中心设置有转动轴(18)；在上配流盘(3)内设置有一个低压腔a(2)和一个高压腔a(15)，在下配流盘(9)内设置有一个低压腔b(5)和一个高压腔b(10)；在上盖板(3)内设置有一个低压出口(1)和一个高压进口(17)，在下盖板(11)内设置一个高压出口(8)和一个低压进口(7)；所述高压进口(17)、高压腔a(15)、高压腔b(10)和高压出口(8)联通；所述低压进口(7)、低压腔b(5)、低压腔a(2)和低压出口(1)联通。

2.根据权利要求1所述的一种具有可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备，其特征在于：在变径流体管道(11)内部的流道包含两端的流体缩放段(19)和中部的流体稳定段(20)；变径流体管道(11)的管径尺寸沿着流向方向发生改变。

3.根据权利要求1所述的一种具有可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备，其特征在于：在变径流体管道(11)上设有定位键(23)和螺孔(21)，在圆形管道(22)上设有定位槽(14)和螺孔(21)；变径流体管道(11)与圆形管道(22)通过定位键(23)和定位槽(14)进行定位，并通过螺孔(21)与紧固螺钉(12)进行固定。

4.根据权利要求2和权利要求3所述的一种具有可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备，其特征在于：所述变径流体管道(11)和圆形管道(22)之间可以拆卸，变径流体管道(11)可选用不同的结构尺寸，以适应不同的工况条件。

5.根据权利要求1所述的一种具有可变流道管径、宽工况的旋转型压力能回收设备，其特征在于：所述转子(13)通过转动轴(18)与外部驱动设备连接，外部驱动设备带动转动轴(18)和转子(13)旋转。

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