一种水压自动换位能量回收装置

摘要

本发明提供一种水压自动换位能量回收装置，它包括一个二位五通换向阀，四只单向阀，两根压力交换管以及两个封头；两根压力交换管的一端分别连在二位五通换向阀两侧，两个封头分别设置在两根压力交换管的另一端，四只单向阀平分成两组，分别设于两个封头上，每组中的两个单向阀的方向相反。本发明具有以下有益技术效果：由于采用二位五通换向阀作为废弃液导向阀，可以形成可靠的机械互锁，防止切换瞬间出现高、低压液体串流的现象。

权利要求

1.一种水压自动换位能量回收装置，其特征在于它包括一个二位五通换向阀，四只单向阀，两根压力交换管以及两个封头；两根压力交换管的一端分别连在二位五通换向阀两侧，两个封头分别设置在两根压力交换管的另一端，四只所述单向阀平分成两组，分别设于两个封头上，每组中的两个单向阀的方向相反；

所述压力交换管中设有自由活塞，自由活塞将压力交换管分成两个工作腔，分别是被输送液工作腔和废弃液工作腔，被输送液工作腔处在靠封头一侧并与封头上的单向阀相连通，废弃液工作腔处在靠二位五通换向阀一侧；

所述的二位五通换向阀内设有阀杆及供阀杆轴向运动的阀腔，所述阀腔沿轴向具有第O1通口、第B通口、第P通口、第A通口、第O2通口五个通口；所述第P通口为所述能量回收装置的高压废弃液进口，所述第O1通口、第O2通口为废弃液排放口，所述第B通口与处在第O2通口侧的压力交换管的废弃液工作腔连通，所述第A通口与处在第O1通口侧的压力交换管中的废弃液工作腔连通；

第O1通口、第B通口、第P通口、第A通口、第O2通口的位置与所述阀杆具有如下配合关系：所述阀杆沿轴向有第一工作位和第二工作位，在第一工作位时，第P通口与第B通口接通，第O2通口与第A通口接通，所述阀杆伸入与第A通口连通的压力交换管废弃液工作腔，在第二工作位时，第P通口与第A通口接通，第O1通口与第B通口接通，所述阀杆伸入与第B通口连通的压力交换管废弃液工作腔，所述阀杆伸入的长度与阀杆切换于第一工作位和第二工作位所需运动的距离相适配；二位五通换向阀的两侧分别设有供所述阀杆通入其两侧的废弃液工作腔的孔，并在孔中设置与阀杆动密封配合的密封元件；

所述单向阀中方向为进入压力交换管的单向阀的进口为所述能量回收装置的被输送液进口，所述单向阀中方向为排出压力交换管的单向阀的出口为所述能量回收装置的被输送液出口；所述单向阀中方向为排出压力交换管的2只单向阀的出口通过管路相连。

2.根据权利要求1的一种水压自动换位能量回收装置，其特征在于水压自动换位能量回收装置采用多套并联使用。

说明书

一种水压自动换位能量回收装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种将压力能从一种流体传递到另一种流体的压力交换装置，尤其是指用于反渗透海水淡化系统的水压自动换位能量回收装置。

背景技术

[0002] 反渗透技术属于压力驱动的膜分离技术，其过程操作中采用的半渗透膜有机地将淡水和浓海水隔离开，在高压力的作用下将海水或苦咸水中的淡水进行分离的过程。被分离出的淡水以渗透液的形式流出，剩余的被浓缩的海水或苦咸水以浓盐水的形式被排放。在我国反渗透海水淡化工程中操作压力一般介于5.0～7.0MPa，从膜组器中排放的浓海水的压力仍高达4.8～6.8MPa。如果按照通常40％的水回收率计算，浓海水中约有60％的进料压力能量，具有巨大的回收价值和意义。

[0003] 基于反渗透海水淡化系统的能量回收装置目前主要有水力涡轮型、差压交换型和等压交换型。这三种设计，其能量交换的主体结构均采用较为复杂的运动部件。此外，水力涡轮型能量回收装置效率偏低，一般能量回收效率在40％～70％之间；差压交换型能量回收装置处理能量偏小，不适合用于大规模系统；等压交换型能量回收装置效率高达94％以上，目前已成为国内外研究和推广的重点。

[0004] 中国专利ZL98809685.4公布了一种压力交换器，该压力交换器受转子的转速和转子通道的容积的限制，单台PX的处理量较小，其次采用转子通道没有设置实体活塞来进行隔离海水与浓海水的混合，混合段牺牲了转子通道约50％的容积，同时增压后的高压海水含盐度增加，进而提高系统的操作压力；最后流量变化时会影响转子转速，造成系统运行不稳定，而且转子运转过程中发出的大量噪音严重污染了周边环境。

[0005] 瑞士CALDER AG公司的双压力容器功交换能量回收器(DWEER)，其执行浓海水导向的LinX阀采用油压先导驱动，为此不仅要配置一个独立的油压系统，而且容易漏油，污染海洋环境。

[0006] 中国专利ZL01130627.0公布了一种反渗透淡化系统阀控余压回收装置。该装置采用4只电磁三通阀来切换高压浓水与低压海水换向，由于电磁三通阀切换速度慢，至少需要并联2套装置交替工作才能满足反渗透系统对压力和流量波动的要求；同时由于海水淡化工况下高低压侧压差很大，首先要有足够大力矩的电磁头才能驱动电磁三通阀，其次电磁三通阀要克服高低压侧不平衡力实现长期稳定运行，这在目前还是一道难题；该装置需要比较复杂的阀控系统，切换瞬间电磁三通阀之间相互间不能形成可靠的机械互锁，极易出现高压泄压现象，进而造成反渗透系统压力和流量出现大的波动，实际应用受到限制。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种水压自动换位能量回收装置，控制简单，压力波动小。为此，本发明采用以下技术方案：它包括一个二位五通换向阀，四只单向阀，两根压力交换管以及两个封头；两根压力交换管的一端分别连在二位五通换向阀两侧，两个封头分别设置在两根压力交换管的另一端，四只所述单向阀平分成两组，分别设于两个封头上，每组中的两个单向阀的方向相反；

[0008] 所述压力交换管中设有自由活塞，自由活塞将压力交换管分成两个工作腔，分别是被输送液工作腔和废弃液工作腔，被输送液工作腔处在靠封头一侧并与封头上的单向阀相连通，废弃液工作腔处在靠二位五通换向阀一侧；

[0009] 所述的二位五通换向阀内设有阀杆及供阀杆轴向运动的阀腔，所述阀腔沿轴向具有第O1通口、第B通口、第P通口、第A通口、第O2通口五个通口；所述第P通口为所述能量回收装置的废弃液进口，所述第O1通口、第O2通口为废弃液排放口，所述第B通口与处在第O2通口侧的压力交换管的废弃液工作腔连通，所述第A通口与处在第O1通口侧的压力交换管中的废弃液工作腔连通；

[0010] 第O1通口、第B通口、第P通口、第A通口、第O2通口的位置与所述阀杆具有如下配合关系：所述阀杆沿轴向有第一工作位和第二工作位，在第一工作位时，第P通口与第B通口接通，第O2通口与第A通口接通，所述阀杆伸入与第A通口连通的压力交换管废弃液工作腔，在第二工作位时，第P通口与第A通口接通，第O1通口与第B通口接通，所述阀杆伸入与第B通口连通的压力交换管废弃液工作腔，所述阀杆伸入的长度与阀杆切换于第一工作位和第二工作位所需运动的距离相适配；二位五通换向阀的两侧分别设有供所述阀杆通入其两侧的废弃液工作腔的孔，并在孔中设置与阀杆动密封配合的密封元件；

[0011] 所述单向阀中方向为进入压力交换管的单向阀的进口为所述能量回收装置的被输送液进口，所述单向阀中方向为排出压力交换管的单向阀的出口为所述能量回收装置的被输送液出口；所述单向阀中方向为排出压力交换管的2只单向阀的出口通过管路相连。

[0012] 水压自动换位能量回收装置可采用多套并联使用。

[0013] 由于采用本发明的技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

[0014] 1.由于采用二位五通换向阀作为废弃液导向阀，可以形成可靠的机械互锁，防止切换瞬间出现高、低压液体串流的现象。

[0015] 2.由于水压自动换位能量回收装置的二位五通换向阀阀杆是靠自由活塞在被输送液压力作用下推动的，因此推力可以很大，换向比较平稳快速，而且不需要复杂的控制系统来主动控制阀门动作，还可以最大限度地利用压力交换管的容积率，适合用于各种规模的反渗透淡化系统。

[0016] 3.由于水压自动换位能量回收装置的二位五通换向阀具有行程阀的特点，自由活塞运动极限位置时推动阀杆换位，可以使能量回收装置自动转换工作状态，对系统流量和压力的适应性好，多套并联使用方便。

[0017] 4.由于压力交换管被输送液侧按规律设置了4只单向阀，可以根据压力交换管内压力情况自动启闭，不但可以简化装置控制系统，而且不容易出现故障。

[0018] 5.在示范工程中经过长时间的运行结果表明，水压自动换位能量回收装置运行平稳，噪音低，能量回收效率高达95％以上，具有较高实用价值，产生了一定的经济效益和社会效益。

附图说明

[0019] 图1为本发明在500m3/d反渗透海水淡化系统的示意图。

[0020] 图2为图1所示实施例中水压自动换位能量回收装置的剖视图。

[0021] 图3为图1所示实施例中水压自动换位能量回收装置中的二位五通换向阀剖视图。

具体实施方式

[0022] 参照图附图。本发明包括所提供的水压自动换位能量回收装置100包括一个二位五通换向阀1，四只单向阀21、22、23、24，两根压力交换管31、32以及两个封头41、42；两根压力交换管31、32的一端分别连在二位五通换向阀1两侧，两个封头41、42分别设置在两根压力交换管的另一端，四个单向阀平分成两组，分别设于两个封头上，每组中的两个单向阀的方向相反，单向阀21、22设置在封头41，方向相反，单向阀23、24设置在封头42，方向相反。

[0023] 所述压力交换管31、32中设有自由活塞51、52，自由活塞将压力交换管分成两个工作腔，分别是被输送液工作腔和废弃液工作腔，被输送液工作腔处在靠封头一侧并与封头上的单向阀相连，废弃液工作腔处在靠二位五通换向阀一侧；标号61、62分别为压力交换管31中的输送液工作腔和废弃液工作腔，标号63、64分别为压力交换管32中的输送液工作腔和废弃液工作腔。

[0024] 所述的二位五通换向阀内设有阀杆11及供阀杆轴向运动的阀腔12，所述阀腔沿轴向具有第O1通口、第B通口、第P通口、第A通口、第O2通口五个通口；所述第P通口为所述能量回收装置的废弃液进口，所述第O1通口、第O2通口为废弃液排放口，所述第B通口与处于第O2通口侧的压力交换管31的废弃液工作腔62连通，所述第A通口与处于第O1通口侧的压力交换管32中的废弃液工作腔64连通；所述阀杆11沿轴向有左右两个工作位，分别为第一工作位和第二工作位，在第一工作位时，第P通口与第B通口接通，第O2通口与第A通口接通，在第二工作位时，第P通口与第A通口接通，第O1通口与第B通口接通；在图中，显示了第二工作位时的状态。

[0025] 所述单向阀中方向为进入压力交换管的单向阀21、23的进口为所述能量回收装置的被输送液进口，所述单向阀中方向为排出压力交换管的单向阀22、24的出口为所述能量回收装置的被输送液出口；所述单向阀中方向为排出压力交换管的单向阀21、23的出口通过管路201相连。

[0026] 在所述阀杆处于第一工作位时，所述阀杆伸入与第A通口连通的压力交换管32的废弃液工作腔64，所述阀杆处于第二工作位时，所述阀杆伸入与第B通口连通的压力交换管31的废弃液工作腔62，其伸入的长度与阀杆切换于第一工作位和第二工作位所需运动的距离相适配，使得压力交换管31、32中的自由活塞运动至二位五通换向阀侧的极限位置时所述阀杆被其推动而自动转换工作位。二位五通换向阀的两侧分别设有供所述阀杆通入其两侧的废弃液工作腔的孔13、14，并在孔中设置与阀杆动密封配合的密封元件15、16。

[0027] 以下描述工作过程：

[0028] 1、当二位五通换向阀阀杆处于右位(第一工作位)时，第P通口与第B通口接通，第O2通口与第A通口接通。此时，高压废弃液进入压力交换管31废弃液工作腔62，单向阀21自动关闭，单向阀22自动打开，压力交换管31废弃液工作腔62的高压废弃液推动被输送液工作腔61的被输送液和自由活塞51一起向左移动，低压被输送液经增压后成为高压被输送液被向外压出；同时，单向阀24在所述高压被输送液的作用下自动关闭，单向阀23在低压被输送液的压力驱动下自动打开，低压被输送液进入压力交换管32被输送液工作腔63，推动废弃液工作腔64的低压废弃液和自由活塞52一起向左移动，低压废弃液经第A通口、第O2通口向外排放。

[0029] 2、当自由活塞52运动到左极限位置时，推动二位五通换向阀阀杆11向左运动至左位(第二工作位)，第P通口与第A通口接通，第O1通口与第B通口接通。此时，高压废弃液进入压力交换管32废弃液工作腔64，单向阀23自动关闭，单向阀24自动打开，压力交换管32废弃液工作腔64的高压废弃液推动被输送液工作腔63的被输送液和自由活塞52一起向右移动，低压被输送液经增压后成为高压被输送液被向外压出；同时，单向阀22在所述高压被输送液的作用下自动关闭，单向阀21在低压被输送液的压力驱动下自动打开，低压被输送液进入压力交换管31被输送液工作腔61，并推动废弃液工作腔62的低压废弃液和自由活塞51一起向右移动，低压废弃液经第B通口、第O1通口向外排放，[0030] 3、当自由活塞51运动到右极限位置时，推动二位五通换向阀阀杆11向右运动，二位五通换向阀阀杆处于右位，回到上述第1点的工作状态，如此连续不断地进行能量交换，实现能量回收再利用。

[0031] 所述水压自动换位能量回收装置采用多套并联使用。

[0032] 在图1中，标号202为反渗透系统中的膜组器，标号203为反渗透系统中的海水预处理装置，标号 为在线流量计，标号 为在线压力表，标号204为反渗透系统中的高压阀，标号205为反渗透系统中的压力提升泵、206为反渗透系统中的增压阀。

[0033] 以上所描述的具体实施方式以日产淡水500m3/d，水回收率40％的反渗透海水淡化系统为例。

[0034] 水压自动换位能量回收装置的总负载处理流量30～35m3/h。工作时，按以下步骤启动装置：依次启动打开增压泵206、压力提升泵205，经过1～3分钟低压排气后，启动高压泵204，设备进入正常运行状态。启动后的工作过程如下：

[0035] 进料海水经过增压泵206增压后进入海水预处理装置203，经过预处理出来的海水分成二路，一路海水(约40％)由高压泵204直接升压到海水淡化额定操作压力；另一路(约60％)经所述水压自动换位能量回收装置，与高压浓海水进行压力交换升压后再经压力提升泵205增压至海水淡化额定操作压力，与前一路高压海水汇合后进入膜组器202。膜组器高压侧的高压浓海水进入所述水压自动换位能量回收装置，与低压海水压力交换后排出系统；透过膜组器202的淡水供给用户使用。

[0036] 水压自动换位能量回收装置的工作过程如前所述，周期性地将高压浓海水的压力能传递给新鲜海水，从而实现能量的回收再利用。

[0037] 参照图1和表1，表1给出了500m3/d反渗透海水淡化系统在应用所述水压自动换位能量回收装置后，如图1所示的系统各点的流量与压力平衡表，通过压力提升泵205的流量等于从膜组器202中排放出的浓海水流量；通过高压泵的流量等于系统产水流量。

[0038] 表1：系统各点流量-压力平衡表(图中没有表示各点)

[0039]3

[0040] 以图1日产淡水500m/d，水回收率40％的反渗透海水淡化工程为例，在给水温度为25℃，给水浓度为35000mg/L，pH＝7的条件下，在无能量回收装置时系统本体能耗约为3 3
6.4kWh/m，在使用所述水压自动换位能量回收装置后系统本体能耗约为2.4kWh/m，预计可以节省能耗与费用如下：
3

[0041] 以吨水可节约用电：4.0kWh/m ；电价：0.8元/kWh；开工率：80％计，则每年节电总费用为：

[0042] ξ＝500×365×0.8×4.0×0.8/10000＝46.72(万元/年)3 3

[0043] 以500m/d的海水淡化系统为例，不带能量回收装置的系统高压泵流量约为55m/3
h，而带所述水压自动换位能量回收装置后的系统高压泵流量仅需21m/h，因此采用所述水压自动换位能量回收装置后，可以大幅降低海水淡化高压泵的投资，经济效率十分明显。

[0044] 最后，还需要注意的是，以上仅是本发明的一个实施例子。显然本发明不限于以上例子，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。