CN1429995A - 流体压力交换技术和流体压力交换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体压力交换技术和流体压力交换装置，该技术可把高压流体的压能传递给低压流体，使低压流体变为高压流体，实现高压流体与低压流体间的压能交换，使高压流体的余压得以回收。其特征是流体压能回收和利用是以“压转压”的压力交换方式实现的，换压容器和切换阀组是流体压力交换技术和换压器的重要组成部分。压力交换容器内的隔膜或活塞类物质，在压力交换过程中起压力传递和隔离二种流体的作用，切换阀组在流体压力交换过程中起着非常关键的控制作用。使用本发明不仅可以节约能源，而且也为生产装置向高处空间发展提供了可能。

Description

流体压力交换技术和流体压力交换装置

涉及领域

本发明主要运用于流体剩余压能的回收，属能源回收和利用技术领域，特别涉及高压流体与低压流体间的压能交换的流体压力交换技术和流体压力交换装置。

背景技术

众所周知，现有技术中存在着各种各样的热交换器，通过高温流体与低温流体间的热能交换，回收流体的余热。事实上，在自然界、生活和工农业生产中存在着大量的流体余压，也是可以回收和再利用的。本发明就是基于该种考虑，开发能用于流体剩余压力回收的流体压力交换技术和流体压力交换装置(亦称换压器)，该技术与水流位能转变为电能的水力发电技术不同，本发明是一种压力交换技术，即把一种流体的压能传递给另一种流体，是一种压能回收和利用新概念，本发明的出现，不仅可以减少资源和能源的消耗和浪费，而且对有效和合理地利用高处空间，减少基建用地量等都具有及其重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于流体剩余压力回收和再利用技术及装置，该技术可把高压流体的压能传递给低压流体，使低压流体变为高压流体，实现高压流体与低压流体间的压能交换，使高压流体的余压得以回收，而低压流体的升压又勿需消耗额外的能量或使其所需能量消耗减少到最小。

高低压流体间的压力交换是通过换压容器和配套阀组来实现的，因使用场所和目的不同，可有多种组合形式，下面列举三类工艺方式：

流体压力交换原理之一，如附图1所示，压力交换装置由两个换压容器1H和2H和四个三通阀1f、2f、3f和4f组成。换压容器内部设有起压力传递和隔离流体作用的隔膜或活塞，膈膜或活塞把换压容器分割为互不连通且容积可变的两部分。其中接受高压流体的一侧称为高压端，接受低压流体的一侧称为低压端；随着隔膜或活塞的移动，高压端和低压端的容积在不断变化，并且当一端的体积增加时，另一端的体积在等量减少；且当一端的体积变为零时，另一端的体积变为最大。三通阀2f的“A进”为低压流体入口，三通阀3f的“B进”为高压流体入口，三通阀1f的“A出”为低压流体受压后的升压水出口，三通阀4f的“B出”为高压流体传压后的卸压水出口。三通阀2f的①出口和三通阀1f的②入口都与换压容器1H低压端相连，三通阀1f的①入口和三通阀2f的②出口都与换压容器2H低压端相连，三通阀3f的②出口和三通阀4f的①入口都与换压容器1H高压端相连，三通阀3f的①出口和三通阀4f的②入口都与换压容器2H高压端相连。工作时，先将其中一个换压容器(例如1H)的低压端贮满低压流体，另一换压容器(例如2H)的高压端贮满高压流体，然后将三通阀的阀板切换到虚线的方位，此时高压流体通过三通阀3f的“B进”和②出口进入换压容器1H的高压端，换压容器1H低压端流体因接受高压端流体传递的压力而升压，低压区升压后的流体经三通阀1f的②进口和“A出”被送走；同时，低压流体通过三通阀2f的“A进”和②出口进入换压容器2H的低压端，高压端卸压后的流体通过三通阀4f的②进口和“B出”被排出。当换压容器1H低压端流体接近被排净和换压容器2H低压端流体接近被全充满时，将三通阀组的阀板全部切换到实线的方位，此时高压流体通过三通阀3f的“B进”和①出口进入换压容器2H的高压端，换压容器2H低压端流体因接受高压端流体传递的压力而升压，低压区升压后的流体经三通阀1f的①进口和“A出”被送走；同时，低压流体通过三通阀2f的“A进”和①出口进入换压容器1H的低压端，换压容器1H高压端卸压后的流体通过三通阀4f的①进口和“B出”被排出；当换压容器2H低压端流体接近被排净和换压容器1H低压端流体接近被全充满时，再将三通阀组的阀板都切换到虚线的方位，这样不断交替切换操作，即可实现高低压流体间的连续压力交换。

当***设有足够数量的流体调节设施或实际需要时，也可以用单个换压容器及其配套阀组来实现间断换压运行，其原理详见附图2。图中，若换压容器1H的上端为低压流体端，换压容器1H的下端为高压流体端，三通阀1f的B进为低压流体进口，B出为换压后升压流体出口，三通阀2f的A进为高压流体进口，A出为换压后卸压流体出口。当阀组的阀板切换到虚线位置时，换压容器1H处于低压流体补入和卸压流体排出状态；当阀组的阀板切换到实线位置时，换压容器1H处于高压流体为低压流体传压状态。

若换压容器的两端互为高低压端交替轮换使用，可以实现许多其他用处，如流体输送过程中的流体质量均和，流体输送过程中的溶质与溶剂定容定量反应，药剂的投配与输送等，该种工作原理详见附图3。图中，当换压容器1H的一端(如左端)为高压流体端时，其另一端(如右端)就为低压流体端，此时三通阀组的阀板在图中实线的方位，高压流体“S进”和“Yj进”通过1f进入换压容器1H的高压端，同时换压容器1H的低压端受压后的流体通过三通阀2f由“Yy出”送走。当换压容器1H右端的流体被输送完毕时，换压容器1H左端的流体正好反应完毕，此时将三通阀组的阀板在图中虚线的方位，则换压器的高低压端正好互换，高压流体“S进”和“Yi进”通过三通阀2f进入换压容器1H的高压端，同时换压容器1H的低压端受压后的流体通过三通阀1f由“Yy出”送走，这样通过三通阀组的切换就可实现换压器高低压端的交替互换使用。这样的换压方式，在实用中具有很多独特的意义，其中一些可在后面的实施例中看到。

需要特别指出的是，低压流体升压后的压力要低于高压流体传压前的压力，其差值应为压力交换***的流体总压头损失。在实际使用中，当升压后的压力低于实际需要压力时，不足部分可用串联加压的方式提供。当出现低压流体的压力不足以将换压容器内卸压后的高压流体置换出去的情况时，低压流体需要用加压的方式送入换压容器内。

概括起来，本发明的主要原理是：流体压能的回收和利用是以一种“压转压”的压力交换方式来实现的，流体间的压力交换通过流体压力交换装置来实现，流体压力交换装置主要由换压容器和切换阀组构成，换压容器内设置有隔膜或活塞类物质，在压力交换过程中起压力传递和隔离两种流体的作用，切换阀组在流体压力交换过程中起控制作用，不同形式的压力交换容器和多种类型的切换阀门组合，可开发出多种形式和不同用途的流体压力交换装置；利用流体压力交换装置进行流体间压力交换，可采用双换压容器实现连续换压，也可采用单换压容器进行流体间的间断换压或其他用途的工艺操作；对于含有某些杂质的流体间的压力交换，可在换压容器上附加一些排除杂物设施；压力交换装置可用于各种流体间的压力交换，特别是适用于液-液和气-液间的压力交换。

换压容器的外壳可以是各种形状，如球形、椭球形、圆筒形(封头为平的或椭圆形等)、矩形或多面体形等。

换压容器的外壳可以是各种材质，如碳钢、不锈钢、玻璃钢、塑料或复合结构材料等。

换压容器内起压力传递和流体间隔离作用的结构可为多种形式，如柔性隔膜、钢性活塞或钢柔组合形成的混合形式等。

换压容器内起压力传递和流体间隔离作用介质的材料可为各种材质，如柔性隔膜材料可为橡胶、塑料膜或纤维复合材料等，钢性活塞材料可为碳钢、不锈钢、玻璃钢、塑料或复合结构材料等。

根据需要，换压器内起压力传递和流体间隔离作用的介质，可以以任何方位和形式放置，如横向、纵向或倾斜等。

与换压容器配套的切换阀组，其数量和形式随具体生产工艺而变。

切换阀结构可为分体独立式，亦可为一体式组合式，还可用两通阀来代替；其材质也可多种多样。

本发明的直接意义是通过流体间的压力交换，回收某些流体的剩余压力，即通过使一流体的剩余压力传递给另一待升压的流体的方式，达到回收能源和减少能耗的作用。但由该发明引发的其他方面的一系列变革意义非常重大。比如，在一些水和废水处理中，水和废水处理设施所需的的容积一般都比较大。如果把处理设施向高处发展，因水和废水向高处提升，成年累月连续不断地运转，要消耗大量的电能，这是极不经济的，通常只好靠牺牲占地的方式来解决这一问题，所以水和废水处理厂占地一般都较大。如果采用本发明的“流体压力交换技术”，就可使水和废水处理设施在无压能浪费的情况下，合理地向高处空间发展，这样不仅节约了占地，而且使基建投资、经常性运行成本也可大大降低；特别是水和废水处理设施向高处发展，使水和废水处理设施中的水力条件、水和废水中的溶解物浓度等都可得到优化，因此也可以大大提高水和废水的处理效果，或可大大提高水和废水处理设施的处理能力。利用外来的高中压给水压力、天然水位高差或高位水余压等，可以提升低位水池或处理后的给水、需要用压力输送远送的废水、冷却后的循环给水、供空调冷却用的给水、送高位塔的水及水景喷头等，这些都可以不同程度地回收和节约能量。此外，利用“流体压力交换技术”还可以实现流体的均和、调节和节能输送等。

附图说明

图1是连续换压工作的流体压力交换技术及压力交换装置工作原理图。

图2是间断换压工作的流体压力交换技术及压力交换装置工作原理图。

图3是具有均质和节能输送等功能的流体压力交换技术及压力交换装置工作原理图。

具体实施方式

实施例1：用于80m高的废水生化处理反应塔，该塔进水需提升到79m的高度，生化处理后的出水余压约78.8m，采用本发明的“流体压力交换技术”，将生化反应器出水余压用于进水提升，***的实际动头和总水力损失为2m左右，故进水实际提升高度仅为2m左右，此部分能量的补充是用水泵串联加压(有的是用空气提升等方法)来实现，这样能量回收高达95％以上，其实际能耗相当低。然而，由于采用了高度较大的生化反应塔，其占地面积比高度较小的生化反应池要少很多倍，而废水处理能力前者比后者增加很多，对于有些废水来说，有的处理能力可比后者高7倍之多。

实施例2：用于给水絮凝沉淀处理的塔式反应器，节能原理同实施例1，其突出优点除可以节约占地外，更主要的是可以严格控制絮凝反应过程中的水力条件，亦即可以有比较理想的絮凝反应效果，因此可以提高水处理效果。

实施例3：例如某厂外部管网来水压力为0.6MPa，该水需先经过贮水容积为8h生产用水和3h消防用水量的生产消防水池，而后再加压至0.5MPa送生产用水，可见该***具有较大的能量浪费。采用本发明的“流体压力交换技术”后，就完全可以用来水的余压提升生产消防水池的出水，这样就可省掉后续用水泵加压所需的电能。

实施例4：例如某厂外部管网来水压力为0.4MPa，其中部分水将被放入冷却给水的吸水井，作为循环冷却水***的补充水，此时来水的压能将白白地被浪费掉。如果厂内有水量不多于循环冷却水补充水量的废水，需要加压到0.3MPa送到远方的水体或废水处理厂，这时采用本发明的“流体压力交换技术”，用循环冷却水补充水的余压提升无压废水，只需用泵把废水加压到0.03MPa左右送到“换压器”内即可，而勿需把废水加压到0.3MPa，这样就节约了近90％的能耗。

实施例5：附图3的工艺形式，用于药剂的投配。开始时，先将药剂(固体药剂需要先溶解为液体)和水送入压力交换容器的一端(如左侧)至满，而后将药剂和水切换到压力交换容器的另一端(如右侧)，靠交换容器右侧传递的压力作用，把其左侧均质好的药剂送到投药点；当左侧药剂送完后，再把药剂和水切换到交换容器的左侧，同时把右侧均质好的药剂送到投药点。这样不断切换，即可实现药剂的连续投配。这样的***不仅节能，而且对于减少占地和减少药剂操作人员的劳动强度，都非常有意义。

实施例6：利用附图2的工艺形式，实现鼓风空气提升液体药剂。某废水处理厂有足够量的风压为50Pa剩余鼓风空气，液体药剂需要送入2.5m高的药剂槽，采用附图2所示的工艺形式，用人工把药剂到入换压容器的低压端，而后向换压容器的高压端通入鼓风空气，即可把药剂送入高度较大的药剂槽，这可大大减轻药剂操作人员的劳动强度，并很好地改变了劳动场所的工作环境条件。

Claims (10)

1.流体压力交换技术，其特征在于：流体压能的回收和利用是以一种“压转压”的压力交换方式来实现的，流体间的压力交换通过流体压力交换装置来实现，流体压力交换装置主要由换压容器和切换阀组构成，换压容器内设置有隔膜或活塞类物质，在压力交换过程中起压力传递和隔离两种流体的作用，切换阀组在流体压力交换过程中起控制作用，不同形式的压力交换容器和多种类型的切换阀门组合，可开发出多种形式和不同用途的流体压力交换装置；利用流体压力交换装置进行流体间压力交换，可采用双换压容器实现连续换压，也可采用单换压容器进行流体间的间断换压或其他用途的工艺操作；对于含有某些杂质的流体间的压力交换，可在换压容器上附加一些排除杂物设施；压力交换装置可用于各种流体间的压力交换，特别是适用于液-液和气-液间的压力交换。

2.根据权利要求1所述的流体压力交换技术所采用的流体压力交换装置，其特征在于：换压容器的外壳可以是各种形状，如球形、椭球形、封头为平的或椭圆形的圆筒形、矩形或多面体形等。

3.根据权利要求1所述的流体压力交换技术所采用的流体压力交换装置，其特征在于：换压容器的外壳可以是各种材质，如碳钢、不锈钢、玻璃钢、塑料或复合结构材料等。

4.根据权利要求1所述的流体压力交换技术所采用的流体压力交换装置，其特征在于：换压容器内起压力传递和流体间隔离作用的结构可为多种形式，如柔性隔膜、钢性活塞或钢柔组合形成的混合形式等。

5.根据权利要求1所述的流体压力交换技术所采用的流体压力交换装置，其特征在于：换压容器内起压力传递和流体间隔离作用介质的材料可为各种材质，如柔性隔膜材料可为橡胶、塑料膜或纤维复合材料等，钢性活塞材料可为碳钢、不锈钢、玻璃钢、塑料或复合结构材料等。

6.根据权利要求1所述的流体压力交换技术所采用的流体压力交换装置，其特征在于：根据需要，换压器内起压力传递和流体间隔离作用的介质，可以以任何方位和形式放置，如横向、纵向或倾斜等。

7.根据权利要求1所述的流体压力交换技术所采用的流体压力交换装置，其特征是：与换压容器配套的切换阀组，其数量和形式随具体生产工艺而变，切换阀结构可为分体独立式，亦可为一体式组合式，还可用两通阀来代替；其材质也可多种多样。

8.根据权利要求1所述的流体压力交换技术所采用的流体压力交换装置，其特征在于：压力交换装置由两个换压容器1H和2H和四个三通阀1f、2f、3f和4f组成，换压容器内部设有起压力传递和隔离流体作用的隔膜或活塞，膈膜或活塞把换压容器分割为互不连通且容积可变的两部分，其中接受高压流体的一侧称为高压端，接受低压流体的一侧称为低压端；三通阀2f的“A进”为低压流体入口，三通阀3f的“B进”为高压流体入口，三通阀1f的“A出”为低压流体受压后的升压流体出口，三通阀4f的“B出”为高压流体传压后的卸压流体出口；三通阀2f的①出口和三通阀1f的②入口都与换压容器1H低压端相连，三通阀1f的①入口和三通阀2f的②出口都与换压容器2H低压端相连，三通阀3f的②出口和三通阀4f的①入口都与换压容器1H高压端相连，三通阀3f的①出口和三通阀4f的②入口都与换压容器2H高压端相连。

9.根据权利要求1所述的流体压力交换技术所采用的流体压力交换装置，其特征在于：装置由单个换压容器及其配套阀组构成，设定换压容器1H的上端为低压流体端，换压容器1H的下端为高压流体端，三通阀1f的B进为低压流体进口，B出为换压后升压流体出口，三通阀2f的A进为高压流体进口，A出为换压后卸压流体出口，当阀组的阀板切换到虚线位置时，换压容器1H处于低压流体充流体和卸压流体排流体状态，此时，低压流体进口与换压容器1H低压流体端相连，卸压流体出口与换压容器1H高压流体端相连；当阀组的阀板切换到实线位置时，换压容器1H处于高压流体为低压流体传压状态，此时，高压流体进口与换压容器1H高压流体端相连，升压流体出口与换压容器1H低压流体端相连。

10.根据权利要求1所述的流体压力交换技术所采用的流体压力交换装置，其特征在于：装置由单个换压容器及其配套阀组构成，设定换压容器1H的左端为高压流体端，右端为低压流体端，此时三通阀组的阀板在图中实线的方位，高压流体“S进”和“Yj进”通过1f进入换压容器1H的高压端，同时换压容器1H的低压端受压后的流体通过三通阀2f由“Yy出”送走；当换压容器1H右端的流体被输送完毕时，换压容器1H左端的流体正好反应完毕，此时将三通阀组的阀板在图中虚线的方位，则换压器的高低压端正好互换，高压流体“S进”和“Yj进”通过三通阀2f进入换压容器1H的高压端，同时换压容器1H的低压端受压后的流体通过三通阀1f由“Yy出”送走，这样通过三通阀组的切换就可实现换压器高低压端的交替互换使用。

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