一种基于全旋转阀的液体压力能回收装置

摘要

一种基于全旋转阀的液体压力能回收装置，属于能量回收技术领域。其包括全旋转阀A、全旋转阀B和连接两个全旋转阀的管组；全旋转阀A和全旋转阀B的初始连接相位相差180度，全旋转阀A的连接管组第2连接孔（9）和全旋转阀B连接管组第1连接孔（8）通过第1管组（11）连通，全旋转阀A的连接管组第1连接孔（8）和全旋转阀B连接管组第2连接孔（9）通过第2管组（13）连通。本发明结构简单，易于装配，易于密封，整个阀门没有往复运动部件，阀体内部部件作低速纯旋转运动，可精确控制阀门开启，低噪音、无振动，不易磨损。

权利要求

1.基于全旋转阀的液体压力能回收装置，其特征在于：其包括全旋转阀A、全旋转阀B和连接两个全旋转阀的管组；

所述的全旋转阀A和全旋转阀B均包括阀芯和阀壳，所述的阀芯包括实心轴（1）和在实心轴（1）上沿着轴线方向依次固定的两个与实心轴（1）同心的半圆柱体（2）；所述的两个半圆柱体（2）在实心轴（1）上的安装相位相差180°，在实心轴（1）的轴线方向有重叠区域； 阀壳的两端分别开有实心轴第1安装孔和实心轴第2安装孔，所述实心轴（1）放置在实心轴第1安装孔和实心轴第2安装孔上；所述阀壳为一个空心的圆柱形腔体，圆柱形腔体的半径与实心轴（1）的半径相同；沿阀壳的一条轴线在两个半圆柱体分别所在的位置开有低压流体管第1连接孔（5）和低压流体管第2连接孔（6），在任一状态下，由于半圆柱体（2）的封堵，低压流体管第1连接孔（5）和低压流体管第2连接孔（6）中有且仅有一孔与阀壳内的腔体联通；在两个半圆柱体（2）重叠区域的一条轴线上开有高压流体管连接孔（7），高压流体管连接孔（7）的大小大于重叠区域，在任一状态下，液体均能经过高压流体管连接孔（7）进入到阀壳内的腔体中；在所述的两个半圆柱体（2）上均沿着周向开有凹槽，所述阀壳在凹槽所在的周向位置分别开有连接管组第1连接孔（8）和连接管组第2连接孔（9）； 全旋转阀A和全旋转阀B的初始连接相位相差180度，全旋转阀A的连接管组第2连接孔（9）和全旋转阀B连接管组第1连接孔（8）通过第1管组（11）连通，全旋转阀A的连接管组第1连接孔（8） 和全旋转阀B连接管组第2连接孔（9）通过第2管组（13）连通。

2.根据权利要求1所述的基于全旋转阀的液体压力能回收装置，其特征在于：高压流体管连接孔（7）所在的轴线与连接管组第1连接孔（8）和连接管组第2连接孔（9）所在的轴线相差90°，高压流体管连接孔（7）所在的轴线与低压流体管第1连接孔（5）和低压流体管第2连接孔（6）所在的轴线相差180°。

3.根据权利要求1所述的基于全旋转阀的液体压力能回收装置，其特征在于：所述的阀芯的实心轴（1）与电动机的输出轴相连，在电动机的带动下旋转。

说明书

一种基于全旋转阀的液体压力能回收装置

技术领域

[0001] 本发明装置是一种可以高效回收高压液体剩余压力能的能量回收装置。该装置可以直接用于但不限于海水和苦咸水的反渗透淡化系统，回收高压液体如浓海水或浓咸水的压力能，从而降低反渗透海水淡化系统的能量消耗。

背景技术

[0002] 在各种石油化工、海水淡化、动力等工业过程中，经常遇到高压液体压力能的回收利用问题。例如，合成氨工业，反渗透海水（或苦咸水）淡化系统，工业反渗透水处理系统，等等。

[0003] 目前，国际上现有的压力能回收技术主要分为两大类：一类是基于液力透平（hydraulic turbine）技术的能量回收装置，通过透平将高压流体的压力能转化为轴功，再利用轴功驱动泵从而使流过泵的低压流体增压，实现“压力能-机械能-压力能”的转换。此类压力能回收装置由于在压力能回收过程中须经过两次能量转换，造成多余的能量损失，因此其回收压力能效率低下（回收率不超过80%）。另一类是基于正排量（positive displacement）原理的压力能回收装置，通过装置内部结构的合理设计而直接利用高压流体来增压低压流体，实现“压力能-压力能”的一次转换。因为此装置减少了能量中间转换的损失，能量回收效率很高（回收率在95%以上）。

[0004] 第二类的正排量压力能回收装置是目前世界上工程实际中的主流技术。根据高压流体和低压流体的分隔情况可以分为两种结构形式的回收装置。第一种结构，高压流体与低压流体通过自由运动活塞进行分隔以避免两种流体的掺混，高压流体通过活塞的传递作用将压力传递给低压流体。例如，瑞士Calder公司的DWEER活塞式能量回收系统，德国SIEMAG公司的PES压力交换系统，德国KSB公司的SalTec’s DT压力交换器，等等。此类设备结构相对简单，流体混合率低，但设备不够紧凑、需要截止阀和伺服阀对高压流体与低压流体的流动方向进行精确控制。第二种结构，高压流体与低压流体直接接触，利用了液体的不可压缩特性实现压力能自高压流体向低压流体的传递，但须通过结构上的合理设计避免高低压流体的掺混。例如，美国RO 换压器是2个伺服阀和2个惯性阀的高度集成，此设备同样对阀门的技术要求非常高；美国Energy Recovery Inc.公司设计制作的PX转子换压器是通过由很多根管子组成的转子高速（1500rpm）旋转以实现高压流体和低压流体之间的切换和压力能的交换，不需要截止阀和伺服阀，但结构复杂、密封困难、转子高速旋转（1500rpm）、工作噪音大。

发明内容

[0005] 本发明提出一种新型的基于全旋转阀的液体压力能回收装置，以克服传统液体压力能‐压力能回收系统中对阀门要求过于苛刻，阀门易于磨损，使用寿命短等困难，并将之应用于反渗透海水淡化系统中高效回收浓盐水的高压能量从而降低系统能耗。

[0006] 本发明所述的基于全旋转阀的液体压力能回收装置包括全旋转阀A、全旋转阀B和与两个全旋转阀连接的管组。

[0007] 所述的全旋转阀A和全旋转阀B均包括阀芯和阀壳。所述的阀芯包括实心轴1和在实心轴1上沿着轴线方向依次固定的两个与实心轴1同心的半圆柱体2。所述的两个半圆柱体2在实心轴1上的安装相位相差180°，在实心轴1的轴线方向有重叠区域。

[0008] 阀壳的两端分别开有实心轴第1安装孔和实心轴第2安装孔，所述实心轴1放置在实心轴第1安装孔和实心轴第2安装孔上；所述阀壳为一个空心的圆柱形腔体，圆柱形腔体的半径与实心轴1的半径相同。沿阀壳的一条轴线上在两个半圆柱体分别所在的位置开有低压流体管第1连接孔5和低压流体管第2连接孔6，在任一状态下，由于半圆柱体2的封堵，低压流体管第1连接孔5和低压流体管第2连接孔6中有且仅有一孔与阀壳内的腔体联通；在两个半圆柱体2重叠区域的一条轴线上开有高压流体管连接孔7，高压流体管连接孔7的大小大于重叠区域，在任一状态下，液体均能经过高压流体管连接孔7进入到阀壳内的腔体中。在所述的两个半圆柱体2上均沿着周向开有凹槽，所述阀壳在凹槽所在的周向位置分别开有连接管组第1连接孔8和连接管组第2连接孔9。

[0009] 全旋转阀A和全旋转阀B的初始连接相位相差180°，全旋转阀A的连接管组第2连接孔9和全旋转阀B的连接管组第1连接孔8通过第1管组11连通，全旋转阀A的连接管组第1连接孔8和全旋转阀B的连接管组第2连接孔9通过第2管组13连通。高压流体管连接孔7所在的轴线与连接管组第1连接孔8和连接管组第2连接孔9所在的轴线相差90°，高压流体管连接孔7所在的轴线与低压流体管第1连接孔5和低压流体管第2连接孔6所在的轴线相差180°。

[0010] 所述的阀芯的实心轴1与电动机的输出轴相连，在电动机的带动下旋转。

[0011] 本发明具有下列主要技术优点：

[0012] 1.结构简单，易于装配，易于密封。

[0013] 2.整个阀门没有往复运动部件，阀体内部部件作低速纯旋转运动，可精确控制阀门开启。

[0014] 3.低噪音、无振动，不易磨损。

附图说明

[0015] 图1为阀芯的结构示意图；

[0016] 图2为阀壳的正视图；

[0017] 图3为阀壳的侧视图；

[0018] 图4为全旋转阀的结构示意图；

[0019] 图5为基于全旋转阀的液体压力能回收装置工作原理图（阀芯处于初始位置）；

[0020] 图6为基于全旋转阀的液体压力能回收装置工作原理图（阀芯旋转180度的位置）；

[0021] 图7没有压力能回收装置的反渗透海水淡化系统简图；

[0022] 图8为应用本发明装置的反渗透海水淡化系统的技术方案简图。

[0023] 图中：1、实心轴；2、半圆柱体；5、低压流体管第1连接孔；6、低压流体管第2连接孔；7、高压流体管连接孔；8、连接管组第1连接孔；9、连接管组第2连接孔；10、高压浓盐水；11、第1管组；12、低压海水；13、第2管组；14、高压海水；15、低压浓盐水；16、进料海水；17、给水泵；18、出给水泵低压海水；19、高压泵；20、出高压泵海水；21、入半透膜高压海水；22、半透膜；23、淡水；24、高压浓盐水；25、基于全旋转阀的液体压力能回收装置；26、低压浓盐水；27、进压力回收装置的低压海水；28、出压力回收装置的高压海水；29、增压泵；30、出增压泵的高压海水。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：

[0025] 图1为阀芯的结构示意图，以实心轴1为基体，在实心轴1上固定两个与实心轴1同心的半圆柱体2，并且在半圆柱体2上均开有一条与连接管组连接孔具有相同宽度和深度的圆弧槽，但要保持这两个半圆柱体的安装相位相差180度。阀壳是一个空心的圆柱型腔体，并且圆柱形腔体的直径与半圆柱体2的直径相等，图2为阀壳的正视图，图3为阀壳的侧视图，在阀壳的腔体上一共开有七个孔，包括实心轴1的两个安装孔、低压流体管的两个连接孔、高压流体管的一个连接孔，以及连接管组的两个连接孔。其中实心轴第1安装孔3和实心轴第2安装孔4位于腔体两个侧面上的中心位置，其它孔都分布于阀壳的圆周面上，且低压流体管的第1连接孔5和第2连接孔6沿轴向呈直线分布，而高压流体管的连接孔7在圆周面上的分布角度与低压流体管第1连接孔5和第2连接孔6的角度相差180度且位于轴线方向上的中心位置，连接管组第1连接孔8和连接管组第2连接孔9在圆周面上的分布角度与高压流体管连接孔7的角度相差90度且分别与阀芯上两个半圆柱体上的圆弧槽一一对应。图4为全旋转阀的结构示意图，阀芯和阀壳已经装配在一起。

[0026] 下面以本发明应用于反渗透海水淡化系统为例来说明本发明所述的基于全旋转阀的液体压力能回收装置的工作原理。图5为本发明装置中全旋转阀阀芯处于初始位置时的工作原理图，此时高压浓盐水（具有高余压能）10自高压流体管连接孔7进入全旋转阀B中，然后从唯一开启的连接管组第1连接孔8进入第1管组11中，第1管组11连接着全旋转阀A和全旋转阀B，于是高压浓盐水10沿着第1管组11从全旋转阀A上的连接管组第2连接孔9流入全旋转阀A，最后自低压流体管第2连接孔6流出压力能回收装置。与此同时，低压海水12自低压流体管第2连接孔6进入全旋转阀B中，然后从唯一开启的连接管组第2连接孔9进入第2管组13中，第2管组13是连接全旋转阀A和全旋转阀B的另一条管路系统，于是低压海水12沿着第2管组13从全旋转阀A上的连接管组第1连接孔8流入全旋转阀A，最后自高压流体管连接孔7流出压力能回收装置。这时，启动外部动力（如电动机）系统使全旋转阀A和全旋转阀B的阀芯绕中心轴旋转180度，图6为本发明装置中全旋转阀阀芯旋转到180度位置时的工作原理图，此时高压浓盐水（具有高余压能）10自高压流体管连接孔7进入全旋转阀B中，然后从唯一开启的连接管组第2连接孔9进入第2管组13中，因为在上一个工作过程中第2管组13中充满了低压海水12，由于液体具有不可压缩特性，进入第2管组13中的高压浓盐水10不断压缩上一个工作过程遗留下来的低压海水12使其逐渐升压，从而实现了压力能自高压浓盐水10到低压海水12的传递，压力得到提升后的海水变成高压海水14，然后从全旋转阀A上的连接管组第1连接孔8进入全旋转阀A并且通过低压流体管第1连接孔5排出压力能回收装置。与此同时，低压海水12自低压流体管第1连接孔5进入全旋转阀B中，然后从唯一开启的连接管组第1连接孔8进入第去管组11中，因为在上一个工作过程中第1管组11中充满了低压浓盐水15（高压浓盐水10将压力能传递给了低压海水12后得到低压的浓盐水15），由于液体的不可压缩性，进入第1管组11中的低压海水12不断驱逐上一个工作过程遗留下来的浓盐水而逐渐取而代之，失去压力能的低压浓盐水15从全旋转阀A上的连接管组第2连接孔9进入全旋转阀A并且通过高压流体管连接孔7排出压力能回收装置。完成这一轮的工作过程后，全旋转阀A和全旋转阀B的阀芯在外部动力（如电动机）的带动下绕中心轴再次旋转180度回到初始位置，又开始新一轮的工作过程，如图5所示。如此反复，两个全旋转阀A和B的阀芯在外界动力的带动下周期旋转180度，相互配合工作，交替实现“高压浓盐水压缩低压海水使其升压至高压海水”和“低压海水驱替低压浓盐水”两个工作过程，完成高余压能自浓盐水到海水的传递过程。

[0027] 下面以应用本发明装置进行液体压力能回收的反渗透海水淡化系统为例说明本发明的效果和工作过程。某220吨/天的反渗透海水淡化工程，系统回收淡水效率40%，海3
水淡化需要的反渗透压为62bar。因此，系统的淡水产量为9.1m/h，需要进料海水的流量
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为22.7m/h。

[0028] 图7为没有使用压力能回收装置的反渗透海水淡化系统简图。22.7m3/h的进料海水16经给水泵17送入海水淡化系统，压力从1bar升至2bar，但此工程需要进入半透膜的海水压力达到62bar才能产出淡水，所以系统中使用高压泵19将出给水泵低压海水18的压力大幅提升到62bar，然后送入半透膜22进行海水淡化，析出淡水后的浓盐水压力仍然有60bar，如果将这部分海水直接排掉将会产生极大的浪费。若将浓盐水的剩余压力能加以回收并应用于海水淡化系统，必然可以大幅度降低反渗透海水淡化系统的能量消耗。

[0029] 图8为应用本发明装置的反渗透海水淡化系统的技术方案简图，使用液体压力能回收装置将高压浓盐水24的剩余压力能直接传递给一部分低压海水27，以减少高压泵19的功率。与图7相比，进料海水16经给水泵17送入海水淡化系统后，出给水泵低压海水18被分成两股流体，较大流量的低压海水27被引入本发明的液体压力能回收装置25中获取了高压浓盐水24的压力能而压力得到大幅提升，而剩余较小流量的低压海水被直接送入高压泵19增压达到系统需要的反渗透压力，出压力能回收装置的高压海水28经过增压泵29适当加压后达到系统需要的反渗透压力，然后与出高压泵的高压海水20混合后一同被送入半透膜22进行海水与淡水的分离，出半透膜的高压浓盐水24又被送入本发明的装置进行液体压力能的回收。假设本发明的液体压力能回收装置的回收效率为95%，出压力
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能回收装置的低压浓盐水26的压力剩余1bar，那么13.6m/h，60bar的高压浓盐水可以使
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13.4m/h的低压海水27的压力从2bar提升到59bar。表1为使用本发明的液体压力能回收装置之前和之后系统中流体的节点状态，可以看到使用压力能回收装置后，流经高压泵19
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的海水流量大幅减少（从22.7m/h降到9.3m/h），而系统中增加的增压泵29仅仅将13.4m/h的海水从59bar提升至62bar，压力提升幅度与高压泵从2bar提升至62bar相比大幅度减小，节能效果将非常明显。

[0030] 表1使用本发明的液体压力能回收装置前后的节点状态

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[0032] 表2为使用本发明的液体压力能回收装置前后系统的能量消耗，使用本发明的液体压力能回收装置之前，系统中的主要能量消耗在高压泵19，其功率为78.8kW，而使用本发明的液体压力能回收装置之后，流经高压泵19的海水流量减少了59%，相应的高压泵19的功率也缩减到18.9kW，虽然增加了增压泵29，但由于压力增加仅有2bar，所以增压泵29的功率只有4.2kW。可见，使用了本发明的液体压力能回收装置后的海水淡化系统节能效果非常明显，每立方米产水量消耗的电能从8.66kWh减少到2.54kWh，节省电耗70%以上。

[0033] 表2使用本发明的压力能回收装置前后系统的能量消耗

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