本发明涉及能量回收,具体涉及一种能量回收设备。
背景技术:
1、在石化领域的生产过程中涉及大量的高压流体,具体如石油开采、原油输送、苦咸水淡化和尿素生产行业,这些行业中涉及大量的流体需要增压装置实现加压目的。在增压环节中,增压装置所需要的能耗可占整个系统的60%。又因为生产工艺的需要,这些高压流体又需要减压装置进行降压操作。在减压过程中往往用到的是减压阀等方式,造成大量的高压能量通过节流的方式被直接浪费。如果能在减压的环节中将高压流体的能量回收,并传递给低压流体实现增压目的,从而可以将生产过程中的能量进行高效利用,进而可以大幅降低生产能耗并带来巨大的经济效益。
2、目前市面上回收高压流体中能量的方法主要有两种,即“压力能-机械能”和“压力能-压力能”。采用“压力能-机械能”的设备有离心泵反转等方式,高压流体推动叶轮旋转、叶轮带动轴向外做功,实现压力能向机械能的转换和回收。虽然这种方式结构较为简单、可靠性较高,但因为涉及能量转换,其能量回收效率相对较低。而采用“压力能-压力能”的设备如旋转压力能回收装置,流体在流道内接触,通过“帕斯卡定律”实现压力能的传递过程,从而高效地回收流体中的能量。
3、专利号为cn101440828的专利提供了一种压力交换器,它包括转动组件,转动组件包括:驱动轴、转子及分别位于转子两侧的左止推盘和右止推盘、弹簧、被弹簧所作用而向右挤推右止推盘的压紧棒;压力交换器还设有不转组件,不转组件包括轴封盖、设有相对高压流体进口和相对低压流体出口的左端盖、安装在左止推盘左侧的左配流盘、安装在右止推盘右侧的右配流盘、设有相对低压流体进口和相对高压流体出口的右端盖、壳体。本发明压力交换器具有更高的能量回收效率;不需要复杂的阀门控制系统,在使用的系统中基本没有流体压力、流量的波动;在配流、密封面上几乎没有泄漏,比间隙配合的压力交换器泄漏更小、容积效率更高;便于生产高效的小型、中型和大型压力交换器。但其在工作过程中,由于转子与进流入口之间存在相对的高速旋转运动,导致流体进入转子流道时会形成强烈的剪切流,从而造成转子流动入口处的局部压力下降,会形成漩涡,同时当压力低于流体温度的饱和蒸气压时会发生汽蚀现象。
4、专利号为cn106594009b的专利提供了一种外驱动转子式能量回收装置,能通过外驱动电机驱动、端面配流、自紧密封,实现良好的密封和稳定的压力能量交换。它包括转动组件和不转动组件,转动组件包括外驱动电机驱动的中心轴和转子,不转组件依次包括壳体、端盖、弹簧固定圈、配流盘和固定密封盘。本发明所公开的能量回收装置设置有自平衡自紧密封体系,所述自平衡自紧密封体系包括与高压浓水进口连通的高压腔、压缩弹簧和推力球轴承。本发明应用水润滑技术的自紧密封和推力球轴承自平衡,在配流、密封面上几乎没有泄漏,使驱动转子旋转的电机功率减小、安全、稳定、寿命长、噪音低,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。同样的,该发明在工作过程中,由于转子与进流入口之间存在相对的高速旋转运动,导致流体进入转子流道时会形成强烈的剪切流,从而造成转子流动入口处的局部压力下降,会形成漩涡,并当压力低于流体温度的饱和蒸气压时发生汽蚀现象。
5、因此,如何提供一种能减弱漩涡并抑制汽蚀现象的能量回收设备便成为了本领域技术人员急需解决的技术问题。
技术实现思路
1、本发明解决的技术问题在于提供一种能减弱漩涡并抑制汽蚀现象的能量回收设备,其技术方案如下:
2、一种能量回收设备,包括:
3、壳体,其具有第一端部和第二端部及位于该第一端部和第二端部之间的腔室,所述第一端部处设有第一通道供高压流体流入所述腔室和第二通道供低压流体流出所述腔室,所述第二端部处设有第三通道供高压流体流出所述腔室和第四通道供低压流体流入所述腔室;
4、转轴,其贯穿所述第一端部、所述腔室和所述第二端部并可转动连接于所述壳体;
5、第一转子,其位于所述腔室内,所述第一转子上设有第一轴孔供所述转轴穿过使得所述第一转子能够随所述转轴转动,所述第一转子上靠近所述第一端部的面为第一面、靠近所述第二端部的面为第二面,所述第一转子上开设沿其轴向方向且贯穿该第一转子的高低压流体混合环形空间;
6、两个第二转子,一个第二转子位于所述第一面和所述第一端部之间,该第二转子的一侧贴设所述第一面并另一侧通过密封件贴设所述第一端部,另一个第二转子位于所述第二面和所述第二端部之间,该第二转子的一侧贴设所述第二面并另一侧通过密封件贴设所述第二端部,两个所述第二转子上均设有第二轴孔供所述转轴穿过使得两个所述第二转子均能够随所述转轴转动,所述第二转子由沿其径向方向分布的内转体和外转体相对接形成,所述内转体的中心处设有所述第二轴孔,所述内转体朝向所述外转体的面为内周向面,所述内周向面上沿其周向方向形成均匀分布的至少六个内缺口,每个所述内缺口沿该内转体的轴向方向贯穿该内转体,所述外转体朝向所述内转体的面为外周向面,所述外周向面上沿其周向方向形成均匀分布的一一匹配所述至少六个内缺口的至少六个外缺口,每个所述外缺口沿该外转体的轴向方向贯穿该外转体,所述内转体和所述外转体相对接时,至少六个内缺口和至少六个外缺口一一匹配对接围成至少六个转子通道,每两个所述内缺口之间的内周向面上和/或每两个所述外缺口之间的外周向面上设置有射流通道,每个所述射流通道均具有射流入口和射流出口,所述射流入口朝向所述射流出口的方向为该第二转子的旋转方向,所述射流入口的流通面积大于所述射流出口的流通面积,所述射流通道上设有若干分支通道,所述分支通道的延伸方向与流体于所述射流通道内的射流方向呈钝角设置,所述分支管道远离所述射流通道的一端通过一返回通道连通所述射流通道,两个所述第二转子上的相对接形成的至少六个转子通道均连通所述高低压流体混合环形空间,且一个所述第二转子上的至少六个转子通道分别一一对应另一个第二转子上的至少六个转子通道并通过位于其中间的所述高低压流体混合环形空间相连通,形成依次沿一个所述第二转子的转子通道、高低压流体混合环形空间和另一个第二转子的转子通道的路径的至少六个流体通道,所述第一转子和所述两个第二转子随转轴转动并通入高压流体和低压流体时,所述第一通道通过至少两个所述流体通道连通所述第三通道,形成高压流体依次通过第一通道、该至少两个所述流体通道和第三通道的动态高压流体通道,所述第四通道通过至少两个流体通道连通所述第二通道,形成低压流体依次通过第四通道、该至少两个所述流体通道和第二通道的动态低压流体通道,将所述动态高压流体通道和所述动态低压流体通道间隔开的以所述转轴为对称中心的相对称的至少两个流体通道的两端分别抵接该第一端部的端面和该第二端部的端面,使得该些流体通道形成为静态流体通道;
7、驱动装置,其连接所述转轴能够带动所述转轴转动。
8、作为优选,所述内转体由若干内转单元体沿周向方向相对接形成,所述内转单元体包括内弧形顶面、内弧形底面和位于两者之间的两个对接内侧面,两个所述对接内侧面分别将所述内弧形顶面和所述内弧形底面相对应的一端连接,每个所述对接内侧面靠近所述内弧形底面的位置处均形成一内凹陷,所述内凹陷的凹陷方向为朝向所述内转体的方向,若干所述内转体单元体相对接时,若干所述内弧形顶面相聚合对接可围成一通孔,为所述第二轴孔,一个所述内转单元体上的所述凹陷和与其相邻的另一个所述内转单元体上的所述凹陷相接触形成一个所述内缺口,所述外转体由若干外转单元体沿周向方向相对接形成,所述外转单元体包括外弧形顶面、外弧形底面和位于两者之间的两个对接外侧面,两个所述对接外侧面分别将所述外弧形顶面和所述外弧形底面相对应的一端连接,每个所述对接外侧面靠近所述外弧形顶面的位置处均形成一外凹陷,所述外凹陷的凹陷方向为朝向所述外转体的方向,若干外转单元体相对接时,一个所述外转单元体上的所述凹陷和与其相邻的另一个所述外转单元体上的所述凹陷相接触形成一个所述外缺口。
9、作为优选,所述内转单元体的数量为八个,相互对接形成具有八个所述内缺口的内转体,所述外转单元体的数量为八个,相互对接形成具有八个所述外缺口的外转体,所述内转体和所述外转体对接形成具有八个转子通道的第二转子使得该设备形成八个所述流体通道,该第二转子和第一转子随转轴转动并通入高压流体和低压流体时,形成三个所述动态高压流体通道连通所述第一通道、所述第三通道使得高压流体通过,和形成三个所述动态低压流体通道连通所述第四通道、所述第二通道使得低压流体通过,和二个所述静态流体通道。
10、作为优选,所述分支通道的延伸方向与流体于所述射流通道内的射流方向呈140-160°设置。
11、作为优选,每个所述外转单元体的外弧形顶面上开设沟槽形成所述射流通道和若干所述分支通道、所述返回通道。
12、作为优选,所述返回通道包括一折弯通道和一短通道,所述短通道平行于所述分支通道,所述折弯通道的两端分别连通所述分支通道和所述短通道,所述短通道连通所述射流通道。
13、作为优选,所述密封件数量为两套,为第一套密封件和第二套密封件,每套所述密封件均包括密封片和弹簧,第一套密封件的弹簧的一端连接在所述第一端部朝向相对应的第二转子的端面上,该第一套密封件的密封片设置于该第一端部和相对应的该第二转子之间,所述第一套密封件的弹簧的另一端抵接所述第一套密封件的密封片,第二套密封件的弹簧的一端连接在所述第二端部朝向相对应的第二转子的端面上,该第二套密封件的密封片设置于该第二端部和相对应的该第二转子之间,所述第二套密封件的弹簧的另一端抵接所述第二套密封件的密封片。
14、作为优选,所述壳体包括中间体和位于该中间体两端的端盖,所述腔室位于所述中间体内,位于所述腔室的两侧的所述中间体的两端为第一端和第二端,所述第一端的远离所述腔室的端面上形成一高压流体进口凹槽,所述第二端的远离所述腔室的端面上形成一高压流体出口凹槽,所述第一端上开设一高压流体进口通道,该高压流体进口通道连通所述高压流体进口凹槽和所述动态高压流体通道,所述第二端上开设一高压流体出口通道,该高压流体出口通道连通所述高压流体出口凹槽和所述动态高压流体通道,所述高压流体进口凹槽、所述高压流体进口通道形成所述第一通道,所述高压流体出口凹槽、所述高压流体出口通道形成所述第三通道,每个端盖上均开设开口连通相对应的高压流体进口凹槽或高压流体出口凹槽,所述第一端上还开设低压流体出口通道,该低压流体出口通道的一端连通至第一端的侧面上,该低压流体出口通道的另一端连通所述动态低压流体通道,所述第二端上还开设低压流体入口通道,该低压流体入口通道的一端连通至第二端的侧面上,该低压流体入口通道的另一端连通所述动态低压流体通道,所述低压流体入口通道形成所述第四通道,所述低压流体出口通道形成第二通道。
15、作为优选,所述第一端朝向所述腔室的端面的中间处和所述第二端朝向所述腔室的端面的中间处均形成一凸台,相对应的所述密封片上形成一密封凹槽,所述凸台和所述密封凹槽结合处设置一o型圈,所述密封片上位于该密封凹槽外侧的位置处形成一密封凸起,相对应的所述第一端和第二端的端面的位置处形成端面凹槽,所述密封凸起和端面凹槽结合处设置一o型圈。
16、作为优选,所述驱动装置为电机。
17、本发明所提供的能量回收设备,具有如下技术效果:
18、该设备的射流通道的特殊结构形式(射流入口流通面积大于射流出口流通面积和分支通道角度的设置),使得流体在射流通道内只能单向流动;若反向流动时,流体流经分支通道和返回通道后,会与射流通道的主流相撞,增加主流的流动阻力,此外,射流入口流通面积大于射流出口流通面积,导致反向流动时流体动能向压力能转换,进一步增加流动阻力。结合上述两点,流体在射流通道只能单向流动,且流动方向与剪切流相反,实现减弱漩涡和抑制汽蚀现象的发生。并,本发明的目的是将生产过程中具有高压的流体的能量进行回收,传递给需要增加的低压流体,从而实现节约生产能耗的目的。待泄压的高压流体经第一通道进入,途径第二转子的转子流道和第一转子的高低压流体混合环形空间,在第一转子的高低压流体混合环形空间内与待增压的低压流体接触并完成压力传递过程,完成能量回收过程。此时,第一通道、动态高压流体通道和第三通道相连通,为高压区,随着转子旋转,还存在静态流体通道,形成密封区,随着转子继续旋转,第四通道、动态低压流体通道和第二通道相连通,为低压区。在这个区域,待增压流体的低压流体从第四通道进入,途径动态低压流体通道,在该流道内推动已泄压的高压流体流出第二通道。在上述的高压区和低压区阶段,因第一转子和第二转子的高速旋转运动,流体从配水室进入相应流道时会产生高速的剪切流,在入口产生旋涡,并在低压流体区域,当压力低于流体温度的饱和蒸气压时会发生汽蚀现象。为此该设备设有射流通道,流体途径相邻流道入口,进入射流通道并加速运动产生射流,射流方向与剪切流方向相反,与剪切流相互碰撞而减弱入口处的旋涡并增加该流体区域的压力,实现抑制汽蚀现象的形成。同时因射流通道具有单向流动特性,密封区和低压区的流体又因为压力较低并不会进入高压区,从而减小设备的内部泄漏量,提高设备的容积效率,最终提高设备的能量回收效率。
19、作为优选,内转体和外转体的可组装的结构的设置,便于该设备拆卸和射流通道的加工。
20、作为优选,分支通道的延伸方向与流体于所述射流通道内的射流方向呈140-160°设置,其对于常规的能量回收设备的转速一般为1500~3000rpm的工况下,可确保射流通道内流体的单向流动。
21、作为优选,通过开设沟槽的方式形成射流通道等,便于加工。
22、作为优选,设置密封片和弹簧,密封片与第二转子构成动密封结构形式,弹簧推动密封片与第二转子紧密接触,与第二转子高速旋转作用下实现运动状态下的密封。由于材料耐磨性问题,在高速旋转运动的作用下若壳体与第二转子直接接触,会导致接触端面出现严重的磨损问题,造成接触面间隙增大、端面泄漏严重,设备的容积效率大幅和能量回收效率大幅降低;又由于制造工艺问题,壳体与第二转子间难以装配成微小间隙(约10um,避免接触产生磨损)形成水力密封。因此,增加密封片,当第二转子高速旋转运动时,壳体与第二转子之间会形成微小的液膜,阻碍第二转子的端面泄漏流动,从而解决转子与壳体的难以密封的问题。当密封片被第二转子磨损时,密封片在弹簧的作用下继续与第二转子紧密接触,继续实现转子与壳体的密封,从而提高设备的容积效率和能量回收效率。