專利名稱：一種基于全旋轉(zhuǎn)閥的液體壓力能回收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型裝置是一種可以高效回收高壓液體剩余壓力能的能量回收裝置。該裝置可以直接用于但不限于海水和苦咸水的反滲透淡化系統(tǒng)，回收高壓液體如濃海水或濃咸·水的壓力能，從而降低反滲透海水淡化系統(tǒng)的能量消耗。
背景技術(shù)：
在各種石油化工、海水淡化、動力等工業(yè)過程中，經(jīng)常遇到高壓液體壓力能的回收利用問題。例如，合成氨工業(yè)，反滲透海水(或苦咸水)淡化系統(tǒng)，工業(yè)反滲透水處理系統(tǒng)，等
坐寸o目前，國際上現(xiàn)有的壓力能回收技術(shù)主要分為兩大類一類是基于液力透平(hydraulic turbine)技術(shù)的能量回收裝置,通過透平將高壓流體的壓力能轉(zhuǎn)化為軸功，再利用軸功驅(qū)動泵從而使流過泵的低壓流體增壓，實(shí)現(xiàn)“壓力能-機(jī)械能-壓力能”的轉(zhuǎn)換。此類壓力能回收裝置由于在壓力能回收過程中須經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換，造成多余的能量損失，因此其回收壓力能效率低下(回收率不超過80%)。另一類是基于正排量(positivedisplacement)原理的壓力能回收裝置,通過裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)而直接利用高壓流體來增壓低壓流體，實(shí)現(xiàn)“壓力能_壓力能”的一次轉(zhuǎn)換。因?yàn)榇搜b置減少了能量中間轉(zhuǎn)換的損失，能量回收效率很高(回收率在95%以上)。第二類的正排量壓力能回收裝置是目前世界上工程實(shí)際中的主流技術(shù)。根據(jù)高壓流體和低壓流體的分隔情況可以分為兩種結(jié)構(gòu)形式的回收裝置。第一種結(jié)構(gòu)，高壓流體與低壓流體通過自由運(yùn)動活塞進(jìn)行分隔以避免兩種流體的摻混，高壓流體通過活塞的傳遞作用將壓力傳遞給低壓流體。例如，瑞士 Calder公司的DWEER活塞式能量回收系統(tǒng)，德國SIEMAG公司的PES壓力交換系統(tǒng)，德國KSB公司的SalTec’ s DT壓力交換器，等等。此類設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，流體混合率低，但設(shè)備不夠緊湊、需要截止閥和伺服閥對高壓流體與低壓流體的流動方向進(jìn)行精確控制。第二種結(jié)構(gòu)，高壓流體與低壓流體直接接觸，利用了液體的不可壓縮特性實(shí)現(xiàn)壓力能自高壓流體向低壓流體的傳遞，但須通過結(jié)構(gòu)上的合理設(shè)計(jì)避免高低壓流體的摻混。例如，美國RO Kinetiew換壓器是2個伺服閥和2個慣性閥的高度集成，此設(shè)備同樣對閥門的技術(shù)要求非常高；美國Energy Recovery Inc.公司設(shè)計(jì)制作的PX轉(zhuǎn)子換壓器是通過由很多根管子組成的轉(zhuǎn)子高速(1500rpm)旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)高壓流體和低壓流體之間的切換和壓力能的交換，不需要截止閥和伺服閥，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密封困難、轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)(1500rpm)、工作噪音大。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提出一種新型的基于全旋轉(zhuǎn)閥的液體壓力能回收裝置，以克服傳統(tǒng)液體壓力能-壓力能回收系統(tǒng)中對閥門要求過于苛刻，閥門易于磨損，使用壽命短等困難，并將之應(yīng)用于反滲透海水淡化系統(tǒng)中高效回收濃鹽水的高壓能量從而降低系統(tǒng)能耗。本實(shí)用新型所述的基于全旋轉(zhuǎn)閥的液體壓力能回收裝置包括全旋轉(zhuǎn)閥A、全旋轉(zhuǎn)閥B和與兩個全旋轉(zhuǎn)閥連接的管組。所述的全旋轉(zhuǎn)閥A和全旋轉(zhuǎn)閥B均包括閥芯和閥殼。所述的閥芯包括實(shí)心軸I和在實(shí)心軸I上沿著軸線方向依次固定的兩個與實(shí)心軸I同心的半圓柱體2。所述的兩個半圓柱體2在實(shí)心軸I上的安裝相位相差180°，在實(shí)心軸I的軸線方向有重疊區(qū)域。閥殼的兩端分別開有實(shí)心軸第I安裝孔和實(shí)心軸第2安裝孔，所述實(shí)心軸I放置在實(shí)心軸第I安裝孔和實(shí)心軸第2安裝孔上；所述閥殼為一個空心的圓柱形腔體，圓柱形腔體的半徑與實(shí)心軸I的半徑相同。沿閥殼的一條軸線上在兩個半圓柱體分別所在的位置開有低壓流體管第I連接孔5和低壓流體管第2連接孔6，在任一狀態(tài)下，由于半圓柱體2的封堵，低壓流體管第I連接孔5和低壓流體管第2連接孔6中有且僅有一孔與閥殼內(nèi)的腔體聯(lián)通；在兩個半圓柱體2重疊區(qū)域的一條軸線上開有高壓流體管連接孔7，高壓流體管連接孔7的大小大于重疊區(qū)域，在任一狀態(tài)下，液體均能經(jīng)過高壓流體管連接孔7進(jìn)入到閥殼內(nèi)的腔體中。在所述的兩個半圓柱體2上均沿著周向開有凹槽，所述閥殼在凹槽所在的周 向位置分別開有連接管組第I連接孔8和連接管組第2連接孔9。全旋轉(zhuǎn)閥A和全旋轉(zhuǎn)閥B的初始連接相位相差180°，全旋轉(zhuǎn)閥A的連接管組第2連接孔9和全旋轉(zhuǎn)閥B的連接管組第I連接孔8通過第I管組11連通，全旋轉(zhuǎn)閥A的連接管組第I連接孔8和全旋轉(zhuǎn)閥B的連接管組第2連接孔9通過第2管組13連通。高壓流體管連接孔7所在的軸線與連接管組第I連接孔8和連接管組第2連接孔9所在的軸線相差90°，高壓流體管連接孔7所在的軸線與低壓流體管第I連接孔5和低壓流體管第2連接孔6所在的軸線相差180°。所述的閥芯的實(shí)心軸I與電動機(jī)的輸出軸相連，在電動機(jī)的帶動下旋轉(zhuǎn)。本實(shí)用新型具有下列主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)I.結(jié)構(gòu)簡單，易于裝配，易于密封。2.整個閥門沒有往復(fù)運(yùn)動部件，閥體內(nèi)部部件作低速純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，可精確控制閥門開啟。3.低噪音、無振動，不易磨損。

圖I為閥芯的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為閥殼的正視圖；圖3為閥殼的側(cè)視圖；圖4為全旋轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為基于全旋轉(zhuǎn)閥的液體壓力能回收裝置工作原理圖(閥芯處于初始位置)；圖6為基于全旋轉(zhuǎn)閥的液體壓力能回收裝置工作原理圖(閥芯旋轉(zhuǎn)180度的位置)；圖7沒有壓力能回收裝置的反滲透海水淡化系統(tǒng)簡圖；圖8為應(yīng)用本實(shí)用新型裝置的反滲透海水淡化系統(tǒng)的技術(shù)方案簡圖。圖中1、實(shí)心軸；2、半圓柱體；3、實(shí)心軸第I安裝孔；4、實(shí)心軸第2安裝孔；5、低壓流體管第I連接孔；6、低壓流體管第2連接孔；7、高壓流體管連接孔；8、連接管組第I連接孔；9、連接管組第2連接孔；10、高壓濃鹽水；11、第I管組；12、低壓海水；13、第2管組；14、高壓海水；15、低壓濃鹽水；16、進(jìn)料海水；17、給水泵；18、出給水泵低壓海水；19、高壓泵；20、出高壓泵海水；21、入半透膜高壓海水；22、半透膜；23、淡水；24、高壓濃鹽水；25、基于全旋轉(zhuǎn)閥的液體壓力能回收裝置；26、低壓濃鹽水；27、進(jìn)壓力回收裝置的低壓海水；28、出壓力回收裝置的高壓海水；29、增壓泵；30、出增壓泵的高壓海水。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對于本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明圖I為閥芯的結(jié)構(gòu)示意圖，以實(shí)心軸I為基體，在實(shí)心軸I上固定兩個與實(shí)心軸I同心的半圓柱體2，并且在半圓柱體2上均開有一條與連接管組連接孔具有相同寬度和深度的圓弧槽，但要保持這兩個半圓柱體的安裝相位相差180度。閥殼是一個空心的圓柱型腔體，并且圓柱形腔體的直徑與半圓柱體2的直徑相等，圖2為閥殼的正視圖，圖3為閥殼的側(cè)視圖，在閥殼的腔體上一共開有七個孔，包括實(shí)心軸I的兩個安裝孔、低壓流體管的兩個連接孔、高壓流體管的一個連接孔，以及連接管組的兩個連接孔。其中實(shí)心軸第I安裝孔 3和實(shí)心軸第2安裝孔4位于腔體兩個側(cè)面上的中心位置，其它孔都分布于閥殼的圓周面上，且低壓流體管的第I連接孔5和第2連接孔6沿軸向呈直線分布，而高壓流體管的連接孔7在圓周面上的分布角度與低壓流體管第I連接孔5和第2連接孔6的角度相差180度且位于軸線方向上的中心位置，連接管組第I連接孔8和連接管組第2連接孔9在圓周面上的分布角度與高壓流體管連接孔7的角度相差90度且分別與閥芯上兩個半圓柱體上的圓弧槽一一對應(yīng)。圖4為全旋轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)示意圖，閥芯和閥殼已經(jīng)裝配在一起。下面以本實(shí)用新型應(yīng)用于反滲透海水淡化系統(tǒng)為例來說明本實(shí)用新型所述的基于全旋轉(zhuǎn)閥的液體壓力能回收裝置的工作原理。圖5為本實(shí)用新型裝置中全旋轉(zhuǎn)閥閥芯處于初始位置時的工作原理圖，此時高壓濃鹽水(具有高余壓能)10自高壓流體管連接孔7進(jìn)入全旋轉(zhuǎn)閥B中，然后從唯一開啟的連接管組第I連接孔8進(jìn)入第I管組11中，第I管組
11連接著全旋轉(zhuǎn)閥A和全旋轉(zhuǎn)閥B，于是高壓濃鹽水10沿著第I管組11從全旋轉(zhuǎn)閥A上的連接管組第2連接孔9流入全旋轉(zhuǎn)閥A，最后自低壓流體管第2連接孔6流出壓力能回收裝置。與此同時，低壓海水12自低壓流體管第2連接孔6進(jìn)入全旋轉(zhuǎn)閥B中，然后從唯一開啟的連接管組第2連接孔9進(jìn)入第2管組13中，第2管組13是連接全旋轉(zhuǎn)閥A和全旋轉(zhuǎn)閥B的另一條管路系統(tǒng)，于是低壓海水12沿著第2管組13從全旋轉(zhuǎn)閥A上的連接管組第I連接孔8流入全旋轉(zhuǎn)閥A，最后自高壓流體管連接孔7流出壓力能回收裝置。這時，啟動外部動力(如電動機(jī))系統(tǒng)使全旋轉(zhuǎn)閥A和全旋轉(zhuǎn)閥B的閥芯繞中心軸旋轉(zhuǎn)180度，圖6為本實(shí)用新型裝置中全旋轉(zhuǎn)閥閥芯旋轉(zhuǎn)到180度位置時的工作原理圖，此時高壓濃鹽水(具有高余壓能)10自高壓流體管連接孔7進(jìn)入全旋轉(zhuǎn)閥B中，然后從唯一開啟的連接管組第2連接孔9進(jìn)入第2管組13中，因?yàn)樵谏弦粋€工作過程中第2管組13中充滿了低壓海水12，由于液體具有不可壓縮特性，進(jìn)入第2管組13中的高壓濃鹽水10不斷壓縮上一個工作過程遺留下來的低壓海水12使其逐漸升壓，從而實(shí)現(xiàn)了壓力能自高壓濃鹽水10到低壓海水12的傳遞，壓力得到提升后的海水變成高壓海水14，然后從全旋轉(zhuǎn)閥A上的連接管組第I連接孔8進(jìn)入全旋轉(zhuǎn)閥A并且通過低壓流體管第I連接孔5排出壓力能回收裝置。與此同時，低壓海水12自低壓流體管第I連接孔5進(jìn)入全旋轉(zhuǎn)閥B中，然后從唯一開啟的連接管組第I連接孔8進(jìn)入第去管組11中，因?yàn)樵谏弦粋€工作過程中第I管組11中充滿了低壓濃鹽水15(高壓濃鹽水10將壓力能傳遞給了低壓海水12后得到低壓的濃鹽水15)，由于液體的不可壓縮性，進(jìn)入第I管組11中的低壓海水12不斷驅(qū)逐上一個工作過程遺留下來的濃鹽水而逐漸取而代之，失去壓力能的低壓濃鹽水15從全旋轉(zhuǎn)閥A上的連接管組第2連接孔9進(jìn)入全旋轉(zhuǎn)閥A并且通過高壓流體管連接孔7排出壓力能回收裝置。完成這一輪的工作過程后，全旋轉(zhuǎn)閥A和全旋轉(zhuǎn)閥B的閥芯在外部動力(如電動機(jī))的帶動下繞中心軸再次旋轉(zhuǎn)180度回到初始位置，又開始新一輪的工作過程，如圖5所示。如此反復(fù)，兩個全旋轉(zhuǎn)閥A和B的閥芯在外界動力的帶動下周期旋轉(zhuǎn)180度，相互配合工作，交替實(shí)現(xiàn)“高壓濃鹽水壓縮低壓海水使其升壓至高壓海水”和“低壓海水驅(qū)替低壓濃鹽水”兩個工作過程，完成高余壓能自濃鹽水到海水的傳遞過程。下面以應(yīng)用本實(shí)用新型裝置進(jìn)行液體壓力能回收的反滲透海水淡化系統(tǒng)為例說明本實(shí)用新型的效果和工作過程。某220噸/天的反滲透海水淡化工程，系統(tǒng)回收淡水效率40%，海水淡化需要的反滲透壓為62bar。因此，系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量為9. lm3/h，需要進(jìn)料海水的流量為22. 7m3/h。圖7為沒有使用壓力能回收裝置的反滲透海水淡化系統(tǒng)簡圖。22. 7m3/h的進(jìn)料海水16經(jīng)給水泵17送入海水淡化系統(tǒng)，壓力從Ibar升至2bar，但此工程需要進(jìn)入半透膜的海水壓力達(dá)到62bar才能產(chǎn)出淡水，所以系統(tǒng)中使用高壓泵19將出給水泵低壓海水18的壓力大幅提升到62bar，然后送入半透膜22進(jìn)行海水淡化，析出淡水后的濃鹽水壓力仍然有60bar，如果將這部分海水直接排掉將會產(chǎn)生極大的浪費(fèi)。若將濃鹽水的剩余壓力能加以回收并應(yīng)用于海水淡化系統(tǒng)，必然可以大幅度降低反滲透海水淡化系統(tǒng)的能量消耗。圖8為應(yīng)用本實(shí)用新型裝置的反滲透海水淡化系統(tǒng)的技術(shù)方案簡圖，使用液體壓力能回收裝置將高壓濃鹽水24的剩余壓力 能直接傳遞給一部分低壓海水27，以減少高壓泵19的功率。與圖7相比，進(jìn)料海水16經(jīng)給水泵17送入海水淡化系統(tǒng)后，出給水泵低壓海水18被分成兩股流體，較大流量的低壓海水27被引入本實(shí)用新型的液體壓力能回收裝置25中獲取了高壓濃鹽水24的壓力能而壓力得到大幅提升，而剩余較小流量的低壓海水被直接送入高壓泵19增壓達(dá)到系統(tǒng)需要的反滲透壓力，出壓力能回收裝置的高壓海水28經(jīng)過增壓泵29適當(dāng)加壓后達(dá)到系統(tǒng)需要的反滲透壓力，然后與出高壓泵的高壓海水20混合后一同被送入半透膜22進(jìn)行海水與淡水的分離，出半透膜的高壓濃鹽水24又被送入本實(shí)用新型的裝置進(jìn)行液體壓力能的回收。假設(shè)本實(shí)用新型的液體壓力能回收裝置的回收效率為95%，出壓力能回收裝置的低壓濃鹽水26的壓力剩余l(xiāng)bar，那么13. 6m3/h,60bar的高壓濃鹽水可以使13. 4mVh的低壓海水27的壓力從2bar提升到59bar。表I為使用本實(shí)用新型的液體壓力能回收裝置之前和之后系統(tǒng)中流體的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，可以看到使用壓力能回收裝置后，流經(jīng)高壓泵19的海水流量大幅減少(從22. 7m3/h降到9. 3m3/h)，而系統(tǒng)中增加的增壓泵29僅僅將13. 4m3/h的海水從59bar提升至62bar，壓力提升幅度與高壓泵從2bar提升至62bar相比大幅度減小，節(jié)能效果將非常明顯。表I使用本實(shí)用新型的液體壓力能回收裝置前后的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)
權(quán)利要求1.基于全旋轉(zhuǎn)閥的液體壓力能回收裝置，其特征在于其包括全旋轉(zhuǎn)閥A、全旋轉(zhuǎn)閥B和連接兩個全旋轉(zhuǎn)閥的管組； 所述的全旋轉(zhuǎn)閥A和全旋轉(zhuǎn)閥B均包括閥芯和閥殼，所述的閥芯包括實(shí)心軸(I)和在實(shí)心軸(I)上沿著軸線方向依次固定的兩個與實(shí)心軸(I)同心的半圓柱體(2);所述的兩個半圓柱體(2)在實(shí)心軸(I)上的安裝相位相差180°，在實(shí)心軸(I)的軸線方向有重疊區(qū)域； 閥殼的兩端分別開有實(shí)心軸第I安裝孔(I)和實(shí)心軸第2安裝孔(2)，所述實(shí)心軸(I)放置在實(shí)心軸第I安裝孔(I)和實(shí)心軸第2安裝孔(2)上；所述閥殼為一個空心的圓柱形腔體，圓柱形腔體的半徑與實(shí)心軸(I)的半徑相同；沿閥殼的一條軸線在兩個半圓柱體分別所在的位置開有低壓流體管第I連接孔(5)和低壓流體管第2連接孔(6)，在任一狀態(tài)下，由于半圓柱體(2 )的封堵，低壓流體管第I連接孔(5 )和低壓流體管第2連接孔(6 )中有且僅有一孔與閥殼內(nèi)的腔體聯(lián)通；在兩個半圓柱體(2)重疊區(qū)域的一條軸線上開有高壓流體管連接孔(7)，高壓流體管連接孔(7)的大小大于重疊區(qū)域，在任一狀態(tài)下，液體均能經(jīng)過高壓流體管連接孔(7)進(jìn)入到閥殼內(nèi)的腔體中；在所述的兩個半圓柱體(2)上均沿著周向開有凹槽，所述閥殼在凹槽所在的周向位置分別開有連接管組第I連接孔(8)和連接管組第2連接孔(9)； 全旋轉(zhuǎn)閥A和全旋轉(zhuǎn)閥B的初始連接相位相差180度，全旋轉(zhuǎn)閥A的連接管組第2連接孔(9 )和全旋轉(zhuǎn)閥B連接管組第I連接孔(8 )通過第I管組(11)連通，全旋轉(zhuǎn)閥A的連接管組第I連接孔(8)和全旋轉(zhuǎn)閥B連接管組第2連接孔(9)通過第2管組(13)連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于全旋轉(zhuǎn)閥的液體壓力能回收裝置，其特征在于高壓流體管連接孔(7)所在的軸線與連接管組第I連接孔(8)和連接管組第2連接孔(9)所在的軸線相差90°，高壓流體管連接孔(7)所在的軸線與低壓流體管第I連接孔(5)和低壓流體管第2連接孔(6)所在的軸線相差180°。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于全旋轉(zhuǎn)閥的液體壓力能回收裝置，其特征在于所述的閥芯的實(shí)心軸(I)與電動機(jī)的輸出軸相連，在電動機(jī)的帶動下旋轉(zhuǎn)。
專利摘要一種基于全旋轉(zhuǎn)閥的液體壓力能回收裝置，屬于能量回收技術(shù)領(lǐng)域。其包括全旋轉(zhuǎn)閥A、全旋轉(zhuǎn)閥B和連接兩個全旋轉(zhuǎn)閥的管組；全旋轉(zhuǎn)閥A和全旋轉(zhuǎn)閥B的初始連接相位相差180度，全旋轉(zhuǎn)閥A的連接管組第2連接孔(9)和全旋轉(zhuǎn)閥B連接管組第1連接孔(8)通過第1管組(11)連通，全旋轉(zhuǎn)閥A的連接管組第1連接孔(8)和全旋轉(zhuǎn)閥B連接管組第2連接孔(9)通過第2管組(13)連通。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，易于裝配，易于密封，整個閥門沒有往復(fù)運(yùn)動部件，閥體內(nèi)部部件作低速純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，可精確控制閥門開啟，低噪音、無振動，不易磨損。
文檔編號B01D61/06GK202785753SQ201220445158
公開日2013年3月13日 申請日期2012年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月3日
發(fā)明者劉中良, 李艷霞, 韓冰 申請人:北京工業(yè)大學(xué)