WO2011153920A1

WO2011153920A1 - 一种功交换式能量回收装置

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Publication number: WO2011153920A1
Application number: PCT/CN2011/075214
Authority: WO
Inventors: 陈杭英
Original assignee: 杭州帕尔水处理科技有限公司
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2011-12-15

Description

说明书一种功交换式能量回收装置技术领域

本发明涉及液体系统中的压力能量回收装置。背景技术

液体余压能量回收装置有多种形式，结构上繁简差别很大，效率差别较大，按照工作原理可分为二大类：水力涡轮式能量回收装置和功交换式能量回收装置。

水力涡轮式能量回收装置，能量的转换过程为压力能——机械能 (轴功)——压力能。即以机械能作为流体能量传递的中间环节，故又称为机械能中介式技术，于 70年代末期、 80年代初期进人市场，典型装置类型有逆转泵型（Francis Pump) 、佩尔顿型（PehonWheel) 叶轮和水力透平 (Turbo Charger)等，该能回收技术由于受到能量多次转换的影响，虽技术比较成熟，但能量回收效率只有 30-70%。

功交换式能量回收装置，能量的转换过程为压力能——压力能。它使高低压流体直接交换压力能，如果忽略装备中的摩擦和泄漏，装置的效率理论上可以达到 100 %，实际效率亦可达到 90 %以上。正是这种高回收效率，使其成为目前国内外许多研究学者研究、开发的热点。按照运动部件的类型，这类装置可分阀控功交换器 (Worker Exchange)和压力交换器（Pressure Exchange)两种。阀控功交换器（Worker Exchange) , 代表产品包括瑞士 Calder公司的 Work Exchanger Energy Recovery (DWEER) 、丹麦 Aqualyng， s System 德国西格玛公司的 PressureExchange System (PES)等，这类能量回收装置体积庞大，主材采用贵重稀有金属耐腐蚀材料制造，另外控制阀门切换频繁，其切换量在 100万次 /年以上，其维护工作量大和装置安全稳定性低；压力交换器（Pressure Exchange) 代表产品美国 ERI公司的 Pressure Exchanger (PX)和本发明产品，这类能量回收装置体积小。美国 ERI公司的产品，在配流盘面采用上间隙密封结构，能量回收装置在小处理量时很难保持高的回收效率，装置小型化困难；以工程陶瓷为转动部件主要材料，安全稳定性大大下降。

本产品公开的能量回收装置属功交换式能量回收装置，利用压力交换的原理，选用新型高分子耐磨工程塑料和耐腐蚀不锈钢材料为主材，在关键的配流面上采用自主研发的自紧密封结构和水润滑静压支撑技术，高压配流面上基本无泄漏，再加上采用低速马达驱动方案，该装置不但效率高，而且安全稳定、体积小、寿命长、噪音低。发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种功交换式能量回收装置，能通过马达驱动、端面配流、自紧密封，实现稳定的压力能量交换。为此，本发明采用以下技术方案：它包括转动组件，所述转动组件包括：驱动轴、套在驱动轴外的用于机械密封的动环、上止推盘、上驱动盘、一个或多个顶针和弹簧、弹簧座、驱动管、与驱动轴轴向平行的压力交换管、下驱动盘、下止推盘、从动轴，上驱动盘、下驱动盘的盘面上以盘心为中心的圆周上开有相应的一个或多个圆孔，上止推盘、下止推盘以盘心为中心的圆周上也开有相应的一个或多个通槽，压力交换管上端穿出上驱动盘的圆孔插入上止推盘的通槽并在插入面设置密封圈、下端穿出下驱动盘的圆孔插入下止推盘的通槽并在插入面设置密封圈，上驱动盘安装在驱动管的上端，弹簧座安装在上驱动盘上，下驱动盘安装在驱动管的下端；

驱动轴、上驱动盘、驱动管、下驱动盘、从动轴之间相对固定并牢固连接。

所述上止推盘、下止推盘以盘心为中心的圆周上开的相应的一个或多个通槽，该通槽在压力交换管插入一端为圆形，与上配流盘、下配流盘相通一端为扇形圆弧段，该扇形圆弧面积小于反面圆孔面积，这样作用在上止推盘、下止推盘流体压力能够将上止推盘、下止推盘分别推压在上配流盘、下配流盘上。

所述功交换式能量回收装置还设有不转组件，所述不转组件包括机械密封盖、用于机械密封的与动环配合的静环、上端盖、安装在上端盖内的驱动轴轴套、驱动轴轴套盖、安装在上端盖下端面上的上配流盘、从动轴轴套盖、下端盖、安装在下端盖上端面上的下配流盘、从动轴轴套、壳体，驱动轴轴套与从动轴轴套将所述转动组件周向定位；所述上端盖设有相对高压流体进口、相对低压流体出口；所述下端盖设有相对高压流体出口、相对低压流体进口；

上端盖固定在壳体的上端并装有密封圈，下端盖固定在壳体的下端并装有密封圈，所述转动组件安装在壳体内，转动组件的上止推盘的上端面与不转组件上配流盘的下端面和转动组件的下止推盘的下端面与不转组件下配流盘的上端面接触且相对转动构成二个相对滑动的摩擦副；压縮弹簧通过顶针将上止推盘推压在上配流盘上，同时其反作用力通过弹簧座、上驱动盘、驱动管、下驱动盘将下止推盘推压在下配流盘上；

驱动轴穿过机械密封盖、安装在上端盖上的驱动轴轴套、上配流盘、上止推盘并与上驱动盘连接，从动轴穿过安装在下端盖上的从动轴轴套、下配流盘、下止推盘并与下驱动盘连接；

上配流盘开有高压侧通槽和低压侧通槽，下配流盘开有高压侧通槽和低压侧通槽；将上配流盘上的二个所述通槽分开的部分为上配流盘的密封区，所述密封区将相对高压流体和相对低压流体分隔；将下配流盘上的二个所述通槽分开的部分为下配流盘的密封区，所述密封区将相对高压流体和相对低压流体分隔。

在采用本发明的上述技术方案的同时，本发明还可采用以下进一步的技术方案：设置在上端盖的相对高压流体入口、上配流盘的高压侧通槽、上止推盘的与相对高压流体出口和相对高压流体进口相通的通槽、与上配流盘的通槽相通的压力交换管、下止推盘的与相对高压流体出口和相对高压流体进口相通的通槽、下配流盘的高压侧通槽和设置在下端盖上的相对高压流体出口构成相对高压区；

从动轴上设有轴向盲孔和横向通孔并相互连通，轴向盲孔接通所述驱动管内部，横向通孔分处于驱动轴轴套的下方和上方并与轴向盲孔相通，驱动轴上设有轴向盲孔和横向通孔并相互连通，轴向盲孔接通所述驱动管内部，横向通孔分处于驱动轴轴套的下方和上方并与轴向盲孔相通，上端盖和上止推盘之间设有第一通孔，所述上端盖在驱动轴轴套的上方设有第二通孔，第一通孔和第二通孔分别与相对低压流体出口相通；壳体内其他区域通过上述通孔及上配流盘上的低压侧通槽、下配流盘上的低压侧通槽、上止推盘和下止推盘上的与相对低压流体出口和相对低压流体进口相通的通槽、与相对低压流体出口和相对低压流体进口相通的压力交换管构成相对低压区。由于采用本发明的技术方案，本发明具体有的有益的效果是：

本发明功交换式能量回收装置的能量回收效率大于 90%，比起反转泵型（Francis Pump)、佩尔顿透平（Pelton Wheel )和水力透平（Turbo Charger)之类需要中间转换成机械能的水力涡轮式能量利用装置 30%-70%具有高得多的能量回收效率，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。

本发明功交换式能量回收装置采用端面配流结构，比起阀配的瑞士 Calder 公司的等压阀控功交换式能交换器（Work Exchanger)和中国专利 90103747. 8 (氮肥生产用铜液能量回收装置）公开的差压活塞式功交换式能量回收装置结构简单，不需要复杂的阀门控制系统，不但装置本身安全稳定，而且在应用的系统中基本没有流体压力、流量的波动，使应用能量回收装置的系统也安全稳定。

本发明功交换式能量回收装置的配流副采用浮动的自紧密封结构，类似于水泵中的机械密封的技术，工作时高压流体与弹簧一起将上下二个止推盘压在上下二个配流盘上，高压流体压强越大，高压流体对止推盘的作用力越大，形成止推盘与配流盘运动摩擦面之间的自紧密封。这样做的好处是能量回收装置在小处理量时很容易保持高的容积效率，实现装置小型化。

另外本结构设计便于实现采取过流流道直径与长度比值小的结构（例如： d/1 的比值 <0.08)，也就是采用了更细长的流道结构，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。

在转子式功交换式能量回收装置中，在转子流道过流流量一定的情况下，流道长度与转子转速是反比的关系，为延长配流盘与止推盘自紧密封运动副的寿命，本发明选用新型高分子耐磨工程塑料和耐腐蚀不锈钢材料配对运动副材料，采用长流道转子低转速马达驱动的方案。这样做的好处是：不但装置的安全稳定性得到很好保证，能量回收装置的运动副的寿命成倍地延长，驱动马达功率成倍下降。以交换流量为 130m³/h，相对高压流体压力为 6MPa、相对低压流体压力为 0.2MPa的本发明装置为例，驱动功率仅 0.79kW; 而且装置在低速情况下（80-200rpm) 噪音大大下降，只有 68dBA。本发明转动部件的转动采用电机驱动，既容易又方便实现转子转速的精确控制，可以避免因为季节变化引起水温变化、水的黏度变化而引起转子转速和浓水与海水的混合率变化，从而提高使用本发明装置的系统的运行稳定性。附图说明

图 1为本发明所提供的实施例的剖视图，显示了本发明的结构原理。

图 2a为图 1中上配流盘 3的仰视示意图。

图 2b为图 1中上配流盘 3的剖面示意图。

图 3a为图 1中上止推盘 4的俯视示意图。

图 3b为图 1中上止推盘 4的剖面示意图。

图 3c为图 1中上止推盘 4的仰视示意图。

图 4a为图 1中上驱动盘 5的俯视示意图。

图 4b为图 1中上驱动盘 5的剖面示意图。

图 5a为图 1中下端盖 Γ的剖面示意图。

图 5b为图 1中下端盖 Γ的俯视示意图。

图 6a为图 1中上端盖 1的剖面示意图。

图 6b为图 1中上端盖 1的仰视示意图。具体实施方式

参照附图。它包括转动组件，所述转动组件包括：驱动轴 2、套在驱动轴外的用于机械密封的动环 21、上止推盘 4、上驱动盘 5、一个或多个顶针 6和弹簧 7、弹簧座 18、驱动管 17、与驱动轴轴向平行的压力交换管 8、下驱动盘 5'、下止推盘 4'、从动轴 2'，上驱动盘 5、下驱动盘 5'的盘面上以盘心为中心的圆周上开有相应的一个或多个圆孔 80，上止推盘 4、下止推盘 4'以盘心为中心的圆周上也开有相应的一个或多个通槽 70、 70'，压力交换管 8上端穿出上驱动盘 5插入上止推盘 4并在插入面设置密封圈 16、下端穿出下驱动盘 5'插入下止推盘 4'并在插入面设置密封圈 16，上驱动盘安装在驱动管的上端，弹簧座安装在上驱动盘上，下驱动盘安装在驱动管的下端；

所述功交换式能量回收装置还设有不转组件，所述不转组件包括机械密封盖 22、用于机械密封的与动环 21配合的静环 20、上端盖 1、安装在上端盖内的驱动轴轴套 10、驱动轴轴套盖 9、牢固安装在上端盖 1下端面上的上配流盘 3、从动轴轴套盖 9'、下端盖 1'、牢固安装在下端盖 Γ上端面上的下配流盘 3'、从动轴轴套 10'、壳体 19，驱动轴轴套 10与从动轴轴套 10'将转动组件周向定位；

销子 15、驱动轴轴套盖 9将上配流盘 3固定在上端盖 1上；销子 15、从动轴轴套盖 9' 将下配流盘 3'固定在下端盖 Γ上；

所述上端盖 1设有相对高压流体进口 31、相对低压流体出口 34; 所述下端盖 Γ设有相对高压流体出口 32、相对低压流体进口 33;

上端盖 1固定在壳体 19的上端并装有密封圈 14，下端盖 Γ固定在壳体 19的下端并装有密封圈 14，上端盖 1、下端盖 1'、壳体 19用紧固螺栓 13连接，所述转动组件安装在壳体 19内，转动组件的上止推盘 4的上端面与不转组件上配流盘 3的下端面和转动组件的下止推盘 4'的下端面与不转组件下配流盘 3'的上端面接触且相对转动构成二个相对滑动的摩擦副；压縮弹簧 7通过顶针 6将上止推盘 4推压在上配流盘 3上，同时其反作用力通过弹簧座 18、上驱动盘 5、驱动管 17、下驱动盘 5'将下止推盘 4'推压在下配流盘 3'上，即上配流盘 3下端面和下配流盘 3'上端面将所述转动组件上下定位；

驱动轴 2、上驱动盘 5、驱动管 17、下驱动盘 5'、从动轴 2'之间相对固定并牢固连接。上止推盘和下止推盘可在弹簧的作用力和反作用力及流体的压力的作用下浮动而分别与上配流盘和下配流盘接触。

所述上止推盘 4、下止推盘 4'以盘心为中心的圆周上开的相应的一个或多个通槽 70、 70'，该通槽在压力交换管 8插入一端为圆形，与上配流盘 3、下配流盘 3'相通一端为扇形圆弧段，该扇形圆弧面积小于反面圆孔面积，这样作用在上止推盘 4、下止推盘 4'流体压力能够将上止推盘 4、下止推盘 4'分别推压在上配流盘 3、下配流盘 3'上。

驱动轴 2穿过机械密封盖 22、安装在上端盖 1上的驱动轴轴套 10、上配流盘 3、上止推盘 4并与上驱动盘 5牢固连接，从动轴 2'穿过安装在下端盖 Γ上的从动轴轴套 10'、下配流盘 3'、下止推盘 4'并与下驱动盘 5' 牢固连接；

上配流盘 3开有高压侧通槽 50和低压侧通槽 60，下配流盘 3'开有高压侧通槽 50'和低压侧通槽 60' ; 将上配流盘 3上的二个所述通槽分开的部分为上配流盘 3的密封区，所述密封区将相对高压流体和相对低压流体分隔；将下配流盘 3'上的二个所述通槽分开的部分为下配流盘 3'的密封区，所述密封区将相对高压流体和相对低压流体分隔。

设置在上端盖 1 的相对高压流体入口 31、上配流盘 3的高压侧通槽 50、上止推盘 4 的与相对高压流体出口和相对高压流体进口相通的通槽 70、与上配流盘 3的通槽 50相通的压力交换管 8、下止推盘 4'的与相对高压流体出口和相对高压流体进口相通的通槽 70'、下配流盘 3'的高压侧通槽 50'和设置在下端盖 Γ上的相对高压流体出口 32构成相对高压区；

从动轴 2'上设有轴向盲孔 41和横向通孔 4Γ 、 41"并相互连通，轴向盲孔 41接通所述驱动管内部，横向通孔 41'、 41"分处于驱动轴轴套 10'的下方和上方并与轴向盲孔 41相通，驱动轴 2上设有轴向盲孔 42和横向通孔 42'、 42" 并相互连通，轴向盲孔 42接通所述驱动管内部，横向通孔 42'、 42"分处于驱动轴轴套 10的下方和上方并与轴向盲孔 42相通，上端盖和上止推盘之间设有通孔 43，所述上端盖在驱动轴轴套 10的上方设有通孔 44，通孔 43和通孔 44分别与相对低压流体出口 34相通；壳体 19内其他区域通过上述通孔及上配流盘 3上的低压侧通槽 60、下配流盘 3'上的低压侧通槽 60'、上止推盘 4和下止推盘上的与相对低压流体出口和相对低压流体进口相通的通槽 70、 70'、与相对低压流体出口和相对低压流体进口相通的压力交换管构成相对低压区。如图所示结构，本装置初始状态，压縮弹簧 7推浮动顶针 6将上止推盘 4压在上配流盘 3上；运行状态时，相对高压流体 A的液体压力将上止推盘 4进一步压在上配流盘 3上，形成自紧密封结构。与此类似，压縮弹簧 7的反作用力通过驱动管 17将下止推盘 4'压在下配流盘 3上；运行状态时，相对高压流体 A的液体压力将下止推盘 4'进一步压在下配流盘 3'上，也形成自紧密封结构。转动部件由马达通过驱动轴 2驱动旋转，转动部件的上下二个端面与上配流盘 3的下端面和下配流盘 3'的上端面形成相对运行的摩擦配流副。实现相对高压流体 A和相对低压流体 B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，相对低压流体 B从下端盖 Γ的相对低压流体进口 33进入，充满一个压力交换管 8，同时将压力交换管 8管内的流体 A以低压形式通过上端盖 1的相对低压流体出口 34排出；

第二步：转子继续旋转，进入密封区，上配流盘 3和下配流盘 3'上的密封区将压力交换管 8内上下二口封住，流体 B静止保持在压力交换管 8内；

第三步：转子继续旋转，当该压力交换管 8进入高压区与相对高压流体进口 31和相对高压流体出口 32相通时，高压流体 A将流体 B以高压的形式从下端盖 Γ的相对高压流体出口 32排出，同时流体 A充满该压力交换管 8;

第四步：转子继续旋转，进入又一个密封区，上配流盘 3和下配流盘 3'上的密封区将该压力交换管 8内上下二口封住，流体 A静止保持在该压力交换管 8内。

这样一个周期，完成相对高压流体 A与低压流体 B的压力能量交换，如此循环往复，如此循环往复，周期地运行。随着驱动轴 2的旋转，每个压力交换管 8将不断地进水、排水，且多个压力交换管 8排出的相对高压流体 B在相对高压流体出口 32有序的叠加，从而形成压力、流量连续均匀的高压流体，多个压力交换管 8排出的已被回收能量的低压流体在相对低压流体 A出口 34有序的叠加，从而形成压力、流量连续均匀的低压流体排出。

本发明以流体 A、流体 B或它们的混合流体柱作为活塞；为减少流体 A、流体 B的混合，可在转子流通内设置固体活塞，活塞材料可采用高分子耐磨工程塑料。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

权利要求书

1、一种功交换式能量回收装置，其特征在于它包括转动组件，所述转动组件包括：驱动轴（2)、套在驱动轴外的用于机械密封的动环（21)、上止推盘（4)、上驱动盘（5)、一个或多个顶针（6) 和弹簧（7)、弹簧座（18)、驱动管（17)、与驱动轴轴向平行的压力交换管（8)、下驱动盘（5')、下止推盘（4')、从动轴（2')，上驱动盘（5)、下驱动盘 (5') 的盘面上以盘心为中心的圆周上开有相应的一个或多个圆孔（80)，上止推盘（4)、下止推盘（4') 以盘心为中心的圆周上也开有相应的一个或多个通槽（70、 70')，压力交换管（8) 上端穿出上驱动盘（5) 的圆孔（80) 插入上止推盘（4) 的通槽（70) 并在插入面设置密封圈（16)、下端穿出下驱动盘（5') 的圆孔（80) 插入下止推盘（4') 的通槽（70') 并在插入面设置密封圈（16)，上驱动盘（5) 安装在驱动管（17) 的上端，弹簧座（18) 安装在上驱动盘（5) 上，下驱动盘 (5，) 安装在驱动管（17) 的下端；

所述功交换式能量回收装置还设有不转组件，所述不转组件包括机械密封盖（22)、用于机械密封的与动环（21) 配合的静环（20)、上端盖（1)、安装在上端盖内的驱动轴轴套（10)、驱动轴轴套盖（9)、安装在上端盖（1) 下端面上的上配流盘（3)、从动轴轴套盖（9')、下端盖（1')、安装在下端盖（Γ)上端面上的下配流盘（3')、从动轴轴套（10')、壳体（19)，驱动轴轴套（10) 与从动轴轴套（10') 将所述转动组件周向定位；

所述上端盖（1) 设有相对高压流体进口（31)、相对低压流体出口（34); 所述下端盖（Γ) 设有相对高压流体出口（32)、相对低压流体进口（33);

上端盖（1) 固定在壳体（19) 的上端并装有密封圈（14)，下端盖（Γ) 固定在壳体 (19) 的下端并装有密封圈（14)，所述转动组件安装在壳体（19) 内，转动组件的上止推盘（4) 的上端面与不转组件上配流盘（3) 的下端面和转动组件的下止推盘（4') 的下端面与不转组件下配流盘（3') 的上端面接触且相对转动构成二个相对滑动的摩擦副；压縮弹簧（7) 通过顶针（6) 将上止推盘（4) 推压在上配流盘（3) 上，同时其反作用力通过弹簧座（18)、上驱动盘（5)、驱动管（17)、下驱动盘（5') 将下止推盘（4') 推压在下配流盘 (3，）上; 驱动轴（2) 穿过机械密封盖（22)、安装在上端盖（1) 上的驱动轴轴套（10)、上配流盘（3)、上止推盘（4) 并与上驱动盘（5) 连接，从动轴（2') 穿过安装在下端盖（Γ) 上的从动轴轴套（10')、下配流盘（3')、下止推盘（4') 并与下驱动盘（5') 连接；

上配流盘（3) 开有高压侧通槽（50) 和低压侧通槽（60)，下配流盘（3') 开有高压侧通槽（50') 和低压侧通槽（60')；将上配流盘（3) 上的二个所述通槽分开的部分为上配流盘（3)的密封区，所述密封区将相对高压流体和相对低压流体分隔；将下配流盘（3') 上的二个所述通槽分开的部分为下配流盘（3') 的密封区，所述密封区将相对高压流体和相对低压流体分隔。

2、如权利要求 1所述的一种功交换式能量回收装置，其特征在于设置在上端盖（1) 的相对高压流体入口（31)、上配流盘（3) 的高压侧通槽（50)、上止推盘（4) 的与相对高压流体出口和相对高压流体进口相通的通槽（70)、与上配流盘（3) 的通槽（50) 相通的压力交换管（8)、下止推盘（4') 的与相对高压流体出口和相对高压流体进口相通的通槽（70')、下配流盘（3') 的高压侧通槽（50') 和设置在下端盖（Γ) 上的相对高压流体出口（32) 构成相对高压区；

从动轴（2') 上设有轴向盲孔（41)和横向通孔（41'、 41") 并相互连通，轴向盲孔

(41)接通所述驱动管内部，横向通孔（41'、 41") 分处于驱动轴轴套（10') 的下方和上方并与轴向盲孔 (41) 相通，驱动轴 (2) 上设有轴向盲孔 (42) 和横向通孔 (42，、 42") 并相互连通，轴向盲孔（42) 接通所述驱动管内部，横向通孔（42'、 42") 分处于驱动轴轴套（10) 的下方和上方并与轴向盲孔（42) 相通，上端盖和上止推盘之间设有第一通孔

(43)，所述上端盖在驱动轴轴套（10) 的上方设有第二通孔（44)，第一通孔（43) 和第二通孔（44) 分别与相对低压流体出口（34) 相通；壳体（19) 内其他区域通过上述通孔及上配流盘（3) 上的低压侧通槽（60)、下配流盘（3') 上的低压侧通槽（60')、上止推盘（4) 和下止推盘（4') 上的与相对低压流体出口和相对低压流体进口相通的通槽（70、 70')、与相对低压流体出口和相对低压流体进口相通的压力交换管构成相对低压区。