帶壓流體壓力能回收裝置的製作方法

2023-05-12 23:21:16 1

本實用新型涉及一種能量回收裝置，尤其是一種用於回收帶壓流體壓力能的裝置。

背景技術：

在化工、市政等領域，存在大量這樣的場合，流體被加壓到較大的壓力後輸送到一個帶壓或者處於高位的容器內進行反應或儲存，之後又要從容器內排出，在排出這樣的帶壓流體的過程中伴隨著流體所攜帶的壓力和勢能的釋放，這些能量往往得不到回收利用而被浪費。不僅如此，在壓力的釋放過程中還需要考慮消能措施以防止設備被高能流體損壞（如水錘、衝刷和磨損）。

在很多情形下，上述流體進料（加壓）和出料（洩壓）的過程是同時進行的，在這樣的情形之下就可以通過壓力轉換裝置來回收利用帶壓流體所攜帶的大部分能量，一種能量回收的方式就是把帶壓流體的能量或壓力轉換到低壓流體，也就是通過回收帶壓流體的能量用於對低壓流體加壓。

例如在公開號為CN105658311A的專利文件中說明書的2～10段公開了一種海水淡化系統用能量回收裝置，其即是利用了以上原理對高壓海水壓力進行回收。其具體工作過程和原理為：當壓力轉換腔室內的濃縮海水通過切換閥被排出到腔室外而減壓至大氣壓時，從海水埠向腔室供給的海水推動活塞。當活塞的位置從海水埠側移動至濃縮海水埠側時，與活塞的移動量相應的海水填充於壓力轉換腔室內。接著，當將切換閥、方向切換閥進行切換而將高壓濃縮海水向壓力轉換腔室供給時，供給至壓力轉換腔室的高壓濃縮海水的壓力推動活塞，從而海水被加壓。活塞的位置從濃縮海水埠側向海水埠側移動，與活塞的移動量相應的海水從壓力轉換腔室排出。

朱雲，曹志錫等在《活塞式多相流量能量回收裝置的研究》一文中也公開了類似的能量回收裝置，該活塞式能量回收機採用將液壓機與泵機耦合為一體的結構，即一個缸筒活塞一邊的高壓液體（液壓機）直接推動活塞另一邊的低壓負載液體（泵機），實現液體壓力能的傳遞、轉換。

目前這類活塞式能量回收裝置的工作原理是利用活塞兩側流體的壓力差來推動活塞往復運動，從而實現液體壓力能的轉移回收。目前這類活塞式能量回收裝置存在以下缺陷：1）設備結構複雜，需聯動調試；例如需要設置先導閥、主閥等聯動機構。2）設備投資高，例如公開號為CN105658311A的專利文件中需要串聯增壓泵，通過增壓泵海水以成為與高壓泵的排出管線相同水平的壓力的方式被進一步升壓，並經由閥與高壓泵的排出管線匯合而向反滲透膜分離裝置供給，以彌補裝置運行中的能量損失。3）由於採用了往復運動的活塞結構，在快速換向時，會引起液流和運動部件的慣性衝擊，由於活塞完全由兩側液體的壓力差推動，因此活塞換向時間難以控制，液擊易造成零部件損壞，密封結構破壞，產生管道震動等問題。

技術實現要素：

為解決現有技術中存在的以上問題，本實用新型提供了一種帶壓流體壓力能回收裝置。

本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：帶壓流體壓力能回收裝置，包括缸體，與缸體內部腔室配合的活塞，缸體內部腔室被活塞氣密性分隔為左倉室和右倉室；還包括驅動裝置，驅動裝置可驅動活塞在缸體內做往復運動；左倉室上連通有左倉室進料管和左倉室出料管，右倉室上連通有右倉室進料管和右倉室出料管；所述左倉室出料管、右倉室進料管與壓力容器相連；左倉室進料管上設置有左倉室進料閥，左倉室出料管上設置有左倉室出料閥；所述右倉室進料管上設置有右倉室進料閥，右倉室出料管上設置有右倉室出料閥。

本實用新型的工作原理和工作過程見圖2～圖4：首先，同時開啟左倉室進料閥51和右倉室出料閥81，關閉左倉室出料閥61和右倉室進料閥71，此時施加於裝置內活塞2左右的壓力均為常壓P0，活塞2左右壓力基本對等情況下，驅動裝置4僅需提供較少的機械能即可推動活塞2向右移動（圖2），常壓物料1a被吸入並充滿左倉室11，同時右倉室12中壓力回收後恢復常壓的物料2b被排放到下遊；隨後，關閉左倉室進料閥51和右倉室出料閥81，開啟左倉室出料閥61和右倉室進料閥71，此時缸體1內活塞2左側的壓力為物料2a的壓力P1，活塞2右側的壓力為物料1b的壓力P2，這樣就能回收物料1b的壓力轉移到物料2a（回收壓力後的物料1a用2a表示），外部驅動裝置4僅需克服△P（P1-P2）即可推動活塞2向左移動（圖3），壓力為P1的物料2a被排放至後續工序，壓力為P2的物料1b逐漸進入右倉室12；接下來同時關閉左倉室出料閥61和右倉室進料閥71，開啟左倉室進料閥51和右倉室出料閥81，此時施加於裝置內活塞2左右的壓力恢復為常壓P0，活塞左右壓力基本對等情況下，驅動裝置4又僅需提供很小的機械能即可推動活塞2向右移動（圖4），物料1a再次進入左倉室11，同時充滿右倉室12的物料2b（壓力做功後的物料1b以2b表示）被排放到下遊工序，依次循環往復。

本實用新型經過以上特殊的設計，將現有技術中的活塞由壓力差推動（即便由壓力差推動，也是存在能量損耗的，因此需要串聯增壓泵等設備）變為由機械能和壓力差共同控制活塞往返運動（本實用新型通過控制活塞兩側液體的壓力差和驅動設備共同完成對活塞的推動，主要原理是利用壓力容器洩料時的壓力來抵消將物料輸送至壓力容器所需克服的壓力，從而實現能量的轉移，因此只需消耗很少的機械能）。從而達到簡化能量回收裝置結構，降低設備維護、製造成本的目的。本實用新型的方案相對於單純壓差推動具有可控性，更利於通過控制活塞推動速率實現對進出料速率的控制；通過控制活塞換向速率來減少液擊現象等，裝置運行更加穩定可靠。

本實用新型的左倉室出料管、右倉室進料管可與同一壓力容器相連，該方案適用於同一壓力容器的進料與排料，活塞往左移動時，活塞兩側的壓力均為該壓力容器的壓力P，壓力差△P=0。

同時左倉室出料管、右倉室進料管也可與不同的壓力容器相連，該方案適於對一個壓力容器進料，同時對另一壓力容器排料的情形。此時活塞兩側的壓力差△P=P1-P2，當P1大於P2時，活塞向左移動過程中驅動裝置需克服△P推動活塞，當P2大於P1時，驅動裝置無需消耗機械能即可依靠壓力差推動活塞返程，此時驅動裝置可用於調節活塞移動速率和活塞換向速率。

作為本實用新型的進一步改進，缸體右側設置活塞右側止點，缸體左側設置活塞左側止點，活塞移動到活塞右側止點時，左倉室進料閥與右倉室出料閥關閉，左倉室出料閥與右倉室進料閥打開；活塞移動到活塞左側止點時，左倉室進料閥與右倉室出料閥打開，左倉室出料閥與右倉室進料閥關閉。該方案可用於實現驅動裝置與閥門的智能化控制，例如可與氣動閥、單向閥或PLC控制系統配合實現閥門的自動開閉。

作為本實用新型的進一步改進，所述驅動裝置驅動活塞在缸體內做往復運動的結構為：活塞通過傳動杆與驅動裝置相連，驅動裝置通過驅動傳動杆運動從而帶動活塞在缸體內做往復運動。

容易想到的，驅動裝置也可以不通過傳動杆對活塞進行驅動，例如可以通過彈性連接件（例如彈簧等）連接驅動裝置與活塞，首先驅動裝置克服彈性連接件的彈力拉動活塞，然後驅動裝置停止運行，活塞依靠彈性連接件的彈力返程，該方案可適用於一些特殊的工況。

更佳的，所述驅動裝置設置在缸體外部，傳動杆穿過缸體端面，傳動杆與缸體端面接觸部位為機械密封。當驅動裝置設置在缸體外部時，由於傳動杆貫穿在設備內外，這樣，傳動杆與缸體側壁之間存在一個圓周間隙，設備中的介質通過該間隙向外洩漏，如果設備內壓力低於大氣壓，則空氣向設備內洩漏，因此必須有一個阻止洩漏的軸封裝置。可以在傳動杆與缸體側壁的接觸部位設置機械密封結構，機械密封具有洩漏量少和壽命長等優點。也可以採用其他密封方式，如採用成型填料密封、填料函密封或脹圈密封等。

容易想到的，驅動裝置也可以設置在缸體內部，當驅動裝置採用這種方式設置時，需考慮驅動裝置的密封和防腐問題，不便於驅動裝置的維護和控制。

本實用新型的缸體可為等斷面圓柱體，除此之外，缸體截面形狀也可以是正方形、正五邊形等規則形狀，也可採用不規則形狀，同時調節活塞與缸體截面形狀匹配。

本實用新型的有益效果是：1）實現帶壓流體壓力能回收，降低生產成本，同時避免後續設備和管道在高壓高速流體下的磨損 。2）設備結構簡單，製造、維護成本低，使用簡便，無需聯動調試。3）活塞往復運動過程中，由驅動裝置和壓力差共同起到控制作用，相對於單純壓差推動具有可控性，如更利於通過控制活塞推動速率實現對進出料速率的控制；通過控制活塞換向速率來降低液擊現象的影響等，裝置運行更加穩定可靠。4）活塞兩側的壓力差減小，減少活塞的磨損或變形。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖。

圖2是本實用新型的工作過程示意圖。

圖3是本實用新型的工作過程示意圖。

圖4是本實用新型的工作過程示意圖。

圖5是實施例一的示意圖。

圖6是實施例二的示意圖。

圖中標記為：1-缸體，2-活塞，3-傳動杆，4-驅動裝置，11-左倉室，12-右倉室，5-左倉室進料管，6-左倉室出料管，7-右倉室進料管，8-右倉室出料管，51-左倉室進料閥，61-左倉室出料閥，71-右倉室進料閥，81-右倉室出料閥，1a-低壓流體，2a-獲得壓力後的流體，1b-帶壓流體，2b-釋放壓力後的流體，P0-常壓，P-壓力容器壓力，P1-左倉室壓力，P2-右倉室壓力，h-活塞左側止點，k-活塞右側止點。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

實施例一：

如圖1～圖5所示，將本實用新型的帶壓流體壓力能回收裝置作為某一壓力容器進出料裝置，包括如下結構：

缸體1內徑Ф=200mm，長L=700mm，材質不鏽鋼，圓筒形，內表面光滑；

活塞2直徑Ф=194mm，寬50mm，材質不鏽鋼，圓餅形；

傳動杆3直徑50mm，長850mm，材質不鏽鋼與缸體1之間採用機械密封；

驅動裝置4採用電動齒輪式往返裝置，可連接傳動杆3推動活塞2沿軸線做往復運動；

左倉室進料管5、左倉室出料管6、右倉室進料管7、右倉室出料管8均採用不鏽鋼管道，DN50；

左倉室進料閥51、左倉室出料閥61、右倉室進料閥71、右倉室出料閥81均採用氣動閥。

如圖3所示，本裝置作為某一個壓力容器的進出料裝置，假設壓力容器內的壓力為P，前端進料罐和後端出料罐的壓力均為常壓P0，第一步，關閉左倉室出料閥61和右倉室進料閥71，打開左倉室進料閥51和右倉室出料閥81，此時施加於裝置內活塞2左右的壓力均為P1=P2=P0，活塞左右壓力基本對等情況下，電動齒輪裝置4僅需提供很小的機械能即可通過傳動杆3推動活塞2向右移動，這樣進料罐中的常壓物料逐漸進入左倉室11，同時右倉室12中的常壓物料被排放到出料罐；第二步，關閉左倉室進料閥51和右倉室出料閥81，開啟左倉室出料閥61和右倉室進料閥71，此時壓力容器排料的壓力（即右倉室物料的壓力）被回收轉移到進料（即用於抵消壓力容器進料所需克服的壓力），使內活塞2左右的壓力P1=P2=P，活塞左右壓力對等情況下，電動齒輪裝置4又僅需提供很小的機械能即可通過傳動杆3推動活塞2向左移動，這樣左倉室11中的物料逐漸被打入壓力容器上部，同時壓力容器底部的物料被排放到右倉室12；接下來重複第一步，依次循環往復。

通過此壓力轉換裝置，回收壓力容器內的壓力轉移到壓力容器進料，外部驅動裝置無需克服壓力容器內部壓力，僅需提供推動活塞的機械能即可完成壓力容器的進出料操作，極大減少能耗，且由於排料壓力的回收，避免對後續設備和管道的磨損，降低維護成本。

實施例二：

如圖1～圖4，以及圖6所示，將本實用新型的帶壓流體壓力能回收裝置作為海水淡化反滲透膜處理環節濃水的壓力能回收裝置，包括如下結構：

缸體1截面邊長a=300mm，長L=700mm，材質不鏽鋼，截面為正方形的長方體，內表面光滑；

活塞2截面邊長=294mm，寬60mm，材質不鏽鋼，長方體；

傳動杆3直徑50mm，長850mm，材質不鏽鋼，與缸體1之間採用機械密封；

驅動裝置4採用轉輪式往返裝置，可連接傳動杆3推動活塞2沿軸線做往復運動；

左倉室進料管5、左倉室出料管6、右倉室進料管7、右倉室出料管8均採用不鏽鋼管道，DN100；

左倉室進料閥51、左倉室出料閥61、右倉室進料閥71、右倉室出料閥81均採用氣動閥，其中左倉室進料閥51和左倉室出料閥61為單向閥。

如圖4所示，本裝置作為海水淡化反滲透膜處理環節濃水的壓力回收裝置，假設膜腔內壓力維持為P，前端海水儲罐和後端濃水儲罐罐的壓力均為常壓P0，第一步，關閉右倉室進料閥71，開啟右倉室出料閥81，施加於裝置內活塞2左右的壓力均為P1=P2=P0，活塞左右壓力基本對等情況下，轉輪式往返裝置4僅需提供極小的機械能即可通過傳動杆3推動活塞2向右移動，左倉室進料閥51和左倉室出料閥61均為單向閥，活塞2向右移動導致左倉室11壓力減小，左倉室進料閥51自動打開，左倉室出料閥61在膜腔壓力P大於裝置左倉室11壓力下自動關閉，海水儲罐中的海水進入左倉室11，同時右倉室12中的濃水被排放到濃水儲罐；第二步，關閉右倉室出料閥81，開啟右倉室進料閥71，右倉室12內的壓力與反滲透膜腔內壓力等同為P，通過本裝置壓力被回收轉移到左倉室11內的海水，使左倉室11壓力亦為P，如此左倉室11的壓力P與反滲透膜腔壓力相等且大於海水儲罐壓力P0，左倉室進料閥51自動關閉，此時外部轉輪式往返裝置4對活塞2施加較小的機械能即可推動活塞2向左移動，左倉室出料閥61自動打開，左倉室11內的海水自動進入反滲透膜膜腔，而反滲透膜膜腔內的濃水也同時進入壓力轉換裝置的右倉室12；接下來重複第一步，依次循環往復。由於反滲透膜有淡水產出，系統需增加一臺補水增壓泵為反滲透膜膜腔補水，保證反滲透膜腔內部水量和壓力。

通過此壓力轉換裝置，回收反滲透膜排放的濃水的壓力轉移到反滲透膜海水進料，外部轉輪式往復裝置無需克服反滲透膜膜腔內壓力，僅需提供推動活塞的機械能即可完成海水淡化反滲透膜工序的大部分海水進料及濃水排料工作，極大減少能耗，且由於濃水壓力的回收，避免對後續設備和管道的磨損，降低維護成本。