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CN100564894C - 旋转压力交换装置 - Google Patents

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CN100564894C
CN100564894C CNB2005800158601A CN200580015860A CN100564894C CN 100564894 C CN100564894 C CN 100564894C CN B2005800158601 A CNB2005800158601 A CN B2005800158601A CN 200580015860 A CN200580015860 A CN 200580015860A CN 100564894 C CN100564894 C CN 100564894C
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Abstract

本发明涉及一种用于将压力能从一个液体系统液流传送到另一个液体系统的液流的压力交换装置，其具有一个带有用于不同压力状态液流的进入口和排出开头的外壳。外壳内设置有用于围绕纵轴旋转的圆柱形的转子，其中转子设置有大量的通道，这些通道布置在一个围绕着转子的一个轴线的环形面上并在每个转子端面有一个开口。在外壳上位于各自转子端面的对面在外壳侧设置有用于液流导入和导出的进入口和排出口，并在外壳上在进入口和排出口之间设置有密封区域，此外在通道的开口之间在转子端面上设置有径向延伸的密封板并且转子的通道适配地连接外壳的进入口和排出口的连接，使通道在转子旋转时，可以交替地输送来自相应管路系统的高压流体和低压流体。在外壳侧的进入口和外壳侧的密封区域之间的过渡内和/或在转子上的通道的端面开口和转子侧的密封板之间的过渡内设置有缓冲压力冲击的溢流区。

Description

旋转压力交换装置
技术领域
本发明涉及一种压力交换装置，用于将压力能从一个液体系统的液流传送到另一个液体系统的液流的压力交换装置，其具有带有用于不同压力状态的液流的进入口和排出口的外壳，设置在壳体内的并围绕纵轴旋转的圆柱形的转子，其中转子设置有大量的通道，这些通道布置在围绕着转子的纵轴线的环形面上并在每个转子端面有开口，在外壳上位于各自转子端面的对面在外壳侧设置有用于液流导入和导出的进入口和排出口，在外壳内的进入口和排出口之间设置有密封区域，在通道的开口之间设置有径向延伸的密封板并且转子的通道适配地连接外壳的进入口和排出口，使通道在转子旋转时，可以交替地输送来自相应管路系统的高压流体和低压流体。
背景技术
US-A-3 431 747公开了旋转压力交换装置的一般工作原理，其转子设有设计为圆柱孔形式的通道并且在每一个通道中布置有一个球体。这个作为密封元件的球体造成能量损耗并机械加工费事。此外，由于球体在球座上的冲击作用会引起不利的穴蚀损伤。一种通过DE-A-37 81 148公开的、在转子的通道内没有球阀功能的压力交换装置试图避免这种问题。
DE695 12 089 T2对旋转的转子采用流体静力支承原理。这种方案尽管避免了设置承载转子的轴以及轴在壳体内的支承，但是这种无轴的转子设计需要非常高的制造成本。而且用于这种陶瓷转子和所属的陶瓷轴瓦的精确加工的制造费用也非常高。
对于此类的压力交换装置，US6 540 487尝试解决避由于交替地开启和关闭通道而引起的噪声载荷和随之产生的穴蚀的问题。在外壳端面上，位于转子端面的对面和在外壳侧的进入口和排出口之间各有两个密封区域。在每个在转子的通道中进行的压力交换过程中，这些密封区域用于确保通道的外部阻断。此外该密封区域还用于防止外壳的进入口和排出口之间的短路流。在通道的开口经过密封区域时，通道交替的开启和关闭通道产生巨大的噪音并形成破坏性的穴蚀现象。以上文献为避免上述问题，尝试在密封区域设置连接通道，借助这个连接通道实现两个不同压力区域之间的压力平衡。但是这种措施降低了这种压力交换装置的效率并只能起有限的作用。
发明内容
本发明的任务是，对于此类具有布置在外壳内的并设置有多个通道的转子的压力交换装置，实现一种转子的力载荷显著降低的运转，这种运转在改善的穴蚀特性情况下也具有较小的噪声级。
上述任务通过用于将压力能从一个液体系统的液流传送到另一个液体系统的液流的压力交换装置来解决。该装置具有带有用于不同压力状态的液流的进入口和排出口的外壳，设置在壳体内的并围绕纵轴旋转的圆柱形的转子，其中转子设置有大量的通道，这些通道布置在围绕着转子的纵轴线的环形面上并在每个转子端面有开口，在外壳上位于各自转子端面的对面在外壳侧设置有用于液流导入和导出的进入口和排出口，在外壳内的进入口和排出口之间设置有密封区域，在通道的开口之间设置有径向延伸的密封板并且转子的通道适配地连接外壳的进入口和排出口，使通道在转子旋转时，可以交替地输送来自相应管路系统的高压流体和低压流体。根据本发明，在外壳侧的进入口和外壳侧的密封区域之间的过渡内和/或在转子上的通道的端面开口和转子侧的密封板之间的过渡内设置有减小压力冲击的溢流区。
如上所述，这种问题的解决规定方案在外壳侧的进入口和外壳侧的密封区域之间的过渡内和/或在转子中的通道的端面开口和在这些开口之间布置的转子的密封板之间的过渡内设置减缓压力冲击的溢流区。
转子的冲击式负载主要由突然切断涌入通道内的流体柱引起的。突然切断涌入通道内的流体柱会引起巨大的压力冲击。由此造成通常由陶瓷材料制成的转子的材料过载，直至造成转子壁面的断裂。同样这也会在涌入的流体柱时引起穴蚀作用，并造成不利后果。这种方案不取决于使用那种方式和方法来驱动转子，它既可以用于通过涌入的流体的脉冲实现旋转运动的转子，也可以用于借助外部驱动装置通过轴实现旋转的转子。
本发明的一个方案这样设计，即在一个通道开口通过密封区域阻断时和在密封区域及后面的密封板进行初始遮盖时，溢流区域将流入通道的体积流暂时地延缓地阻断。由此避免体积流的突然阻断和由此引起的不利之处。
在旋转方向进行观察，如果通道开口的第一个或者在前面的密封板到达密封区域的边缘，那么就引入通道的封闭过程。从此刻开始，开口通过起遮盖作用的密封区域实现开口的横截面的减小。随着转子连续的旋转运动，第二个或者随后的开口的密封板靠近密封区域的边缘。每个在前或者随后的、通常径向延伸的密封板之间都包含一段通道的端面的开口。如果随后的密封板到达密封区域的边缘，那么考虑到转子圆周速度会产生流动的流体柱的冲击式的阻断并造成不利的影响。设置溢流区域可以避免这个问题，这个溢流区域设置在随后的密封板和密封区域的开头或者边缘相重叠的区域内。通过溢流区域，随着时间的进行出现流动的流体柱的逐步减弱。
根据另一种方案，在外壳上的在进入口和密封区域之间的过渡内布置的溢流区在转子旋转方向具有一个朝向密封区域减小的横截面。而在转子上的在通道的相邻开口和密封板之间的过渡内布置的溢流区在转子旋转方向具有一个增大的横截面。在这种方案中，在转子的密封板上布置的溢流区也将流入通道中的体积流各自暂时地延缓地阻断。由此可以避免以流动的液体柱形式的体积流的突然阻断和由此引起的不利之处。
取决于压力交换装置的制造尺寸、在外壳端面上的密封区域的宽度、在转子端面上的在转子上的通道的相邻的开口之间的密封板的宽度和通道的截面形状，溢流区既可以静止地设置在外壳上也可以旋转地在转子上和/或设置在两个部件上。在组合这种回转布置的溢流区时，可以使用一个在外壳上固定设置的溢流区。在外壳上，根据进入口的数目，也布置相应数目的溢流区。
重要的是，在转子的旋转方向观察，在压力交换装置的一位置布置有溢流区，即该位置在流入转子内的流体柱的流入过程和填充过程的尽可能晚时刻被通道的相应开口边缘阻断。
这种溢流区的构型的优点是可以由此平缓地阻断流入转子通道内的流体柱。由此可以简单地避免由于压力冲击和压力脉动引起的转子通道中的材料过载。由于这种转子通常由陶瓷部件制成，由此显著改善了其使用强度。
并且根据另外一种方案，在溢流区一端和排出口的开始处之间的可测定的密封区域宽度至少相当于通道端面开口的宽度和密封板的宽度。通过这种方案可以确保，在任何情况下在密封区域至少以一半的密封板宽度实现可靠的通道密封并由此可以避免在进入口和排出口之间持续的短路通路。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并随后详细描述。附图示出：
图1进入口和转子的通道之间的在过渡区域内的一个透视图；
图2和3通道的填充过程中的压力曲线图；
图4a-c定子的溢流区的不同横截面形状；
图5a-c不同形式的密封板。
具体实施方式
图1示出一个压力交换装置的没有通道的转子端面的的透视图，并示出位于通道对面的、外壳侧的进入口和排出口。在转子的一个端面上并在一个围绕旋转轴线的环形面上均匀分布地、布置在通道开口之间的表面，由于它的形状被称为密封板。然而事实上它只是整个转子端面的密封面的一个组成部分，该部分在形成微小的密封缝隙时贴紧在位于对面的外壳端面上。
在附图中用点示出的缝隙大小不对应于实际大小，而是由于计算机技术原因选择为示出的形式。
外壳表面各自具有一个进入口和排出口。通过进入口高压力的液体以流体柱的形式流入通道。在通道内液体发生压力传递并接着由通道排出到外壳的排出口。这交替地在压力交换装置的两个端面发生。
这种转子以及位于对面的外壳面由陶瓷形成，即一种对应交变压力载荷敏感的材料。这里示出的在外壳侧面的溢流区避免流入通道内的流体流的突然阻断。根据本发明可知，流动的流体柱的突然阻断是产生压力峰值和材料破坏的应力峰值的原因。溢流区提供一种结束将要密封的通道进行阻塞过程的方案，并在此期间逐渐实现通道内流入的体积流量的减小。考虑在阻塞位置的平均流动速度，得出这样的特性，即其随着时间趋近零。
在图2中，在时间轴t上以虚线示出压力走势p并以实线示出根据现有技术的压力交换装置在转子中的通道阻塞时刻的流动速度v。两线示出液体柱怎样以恒定的速度v和恒定的压力p流入转子的通道中的。在tz时刻，通道的开口通过密封区域突然地被阻断并且流动速度v冲击式地下降至零。由于这种不利的阻断过程或者封闭过程，会产生压力冲击，由此在转子的阻断的通道内产生压力波阵面。这种压力波阵面以非常高的压力水平在阻断的通道内波动并由此使转子材料不可靠地加载。在不利的情况下，这会导致转子损毁。
图3在相同形式的图中示出溢流区的作用。在tN1时刻到达溢流区时，流动速度v逐渐减小并通过时间段tNZ在时刻tN2结束。在达到tN2前一时刻，实线示出的流动速度v的曲线的走向具有一个拐点。这使得流入通道内的液体柱柔和地被阻断。其结果是尽管在通道完全阻断时其中还有一定的压力波动，但这种压力波动相比前面提到的压力冲击已经非常小了。由此在通道内只有显著削弱的压力波阵面，如借助虚线表明的那样。结果转子的持续负载显著减小并且它的工作可靠性成倍上升。
在图4a到c中示出不同的在流动方向延伸的通过溢流区的纵剖面。这里静止形成的溢流区NZ是一个特征，即它在进入口1和垂直于绘图平面的外壳的密封区域2之间具有横截面改变，由此达到流动的液体柱的逐渐的延缓的阻断。这个改变可以是楔形的、截去的、倒圆的或者类似成形的。重要的是通道由此形成的在时间段tNZ内进行的、逐渐的阻断。
图5a到c示出不同的在流动方向上延伸的通过溢流区NZ的纵剖面，溢流区在这个示例中位于转子的单个的通道4之间的密封板3上。箭头标明转子的旋转方向，转子通过它的端面同外壳密封并贴紧在外壳和其密封区域2上。这个旋转设置的溢流区NZ具有这样的特征，即它在进入口1和垂直于绘图平面的密封区域2之间引起截面改变，由此流动的液体柱的逐渐的延缓阻断得以实现。这个改变可以是楔形的、截去的、倒圆的或者类似成形的。重要的是由此形成的在时间段tNZ内进行的、要填充的通道的逐渐阻断。
根据要处理的流量和压力交换装置的结构大小，溢流区可以只在外壳上、只在转子上或者两者上组合的设置。

Claims (10)

1.用于将压力能从一个液体系统的液流传送到另一个液体系统的液流的压力交换装置，其具有带有用于不同压力状态的液流的进入口和排出口的外壳，设置在壳体内的并围绕纵轴旋转的圆柱形的转子，其中转子设置有大量的通道，这些通道布置在围绕着转子的纵轴线的环形面上并在每个转子端面有开口，在外壳上位于各自转子端面的对面在外壳侧设置有用于液流导入和导出的进入口和排出口，在外壳内的进入口和排出口之间设置有密封区域，在通道的开口之间设置有径向延伸的密封板并且转子的通道适配地连接外壳的进入口和排出口，使通道在转子旋转时，可以交替地输送来自相应管路系统的高压流体和低压流体，其特征在于，在外壳侧的进入口(1)和外壳侧的密封区域(2)之间的过渡内和/或在转子上的通道(4)的端面开口和转子侧的密封板(3)之间的过渡内设置有减小压力冲击的溢流区(NZ)。
2.按照权利要求1所述的压力交换装置，其特征在于，在通道开口通过密封区域(2)阻断时和在密封区域(2)及随后的密封板(3)进行初始遮盖时，溢流区域(NZ)将流入要阻断的通道(4)内的体积流量暂时地延缓阻断。
3.按照权利要求1或2所述的压力交换装置，其特征在于，设置在外壳上在进入口(1)和密封区域(2)之间的过渡内的溢流区(NZ)在转子旋转方向具有朝向密封区域(2)的方向减小的横截面。
4.按照权利要求3所述的压力交换装置，其特征在于，在转子的旋转方向观察，在进入口(1)一位置设置有溢流区(NZ)，这个位置在流入转子内的流体柱的流入过程或填充过程的尽可能晚时刻被通道(4)的相应开口边缘阻断。
5.按照权利要求2所述的压力交换装置，其特征在于，设置在转子上在通道(4)的相邻开口和密封板(3)之间的过渡内的溢流区(NZ)在转子的旋转方向具有增大的横截面。
6.按照权利要求5所述的压力交换装置，其特征在于，在转子的旋转方向观察，在密封板(3)一位置设置有溢流区(NZ)，这个位置在流入转子内的流入过程或填充过程的尽可能晚的时刻通过进入口(1)的相应开口边缘将流体柱阻断。
7.按照权利要求4所述的压力交换装置，其特征在于，外壳侧的溢流区(NZ)具有朝向密封区域(2)减小的体积变化。
8.按照权利要求4所述的压力交换装置，其特征在于，由转子端面开始旋转的溢流区(NZ)具有朝向通道(4)的增大的体积变化。
9.按照权利要求1或2所述的压力交换装置，其特征在于，在溢流区(NZ)的一端和排出口的开头之间的密封区域(2)的可测量的宽度至少相当于通道(4)的端面开口的宽度和密封板(3)的宽度。
10.按照权利要求2所述的压力交换装置，其特征在于，在外壳的进入口和排出口和转子中的通道(4)的开口之间的过渡内设置有一个缝隙形状的区域，该区域在转子的旋转方向设置在进入口或者排出口的排出边缘后面并在转子的通道开口和外壳的进入口以及排出口之间产生冲击小的阻断。
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