一種滑片與型線匹配設計的滑片式壓力能交換器的制作方法

本發明屬于余壓回收技術領域，涉及一種滑片式壓力能交換器，具體涉及一種滑片與型線匹配設計的滑片式壓力能交換器。

背景技術：

能源化工系統中存在大量可回收余壓的高壓流體，其壓力能可通過壓力能交換器傳遞給待增壓的低壓流體，實現余壓能的回收再利用，顯著降低工業系統的能耗和成本，有效解決余壓能的浪費問題。

現有的如中國專利CN102865259A公開了一種壓力交換器，該壓力交換器采用高壓流體直接接觸并增壓低壓流體，以高、低壓水流的切向沖擊力作為轉子轉動的動力，通過轉子和端蓋的間隙配合控制泄漏。該裝置單機處理量小，結構較為復雜，加工和安裝精度要求高，存在較大的流體間摻混現象。

現有的如美國專利US745702公開了一種能量回收裝置，由定子、轉子、滑片組成，通過該裝置實現一股流體增壓另一股流體的過程。但單一的缸體型線使缸體與轉子在缸體最小向徑處為線接觸(考慮缸體寬度)，泄漏難以控制，導致容積效率不高。同時，相鄰兩個滑片之間的容腔在經過長徑處時體積先增大后減小，當空間增大時，容腔內液體迅速降壓，甚至產生空化現象，導致流體能量的損失；當空間減小時，因液體為近似不可壓縮性流體，會影響設備的穩定運轉或破壞設備正常結構。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種結構設計合理、可操作性強的滑片與型線匹配設計的滑片式壓力能交換器，有效減小壓力能傳遞過程中的能量損失，保障設備的穩定高效運行。

本發明通過以下技術方案來實現：

一種滑片與型線匹配設計的滑片式壓力能交換器，包括缸體、轉子和滑片，轉子置于缸體的內腔中，轉子采用圓形型線，缸體采用類橢圓型線，轉子將內腔分割成流體A腔室和流體B腔室兩個腔室，轉子上沿徑向開有滑槽，滑槽內設置有滑片，流體A側和流體B側的缸體型線相互對稱、且均由密封段I、進流段、中間段、出流段和密封段II依次連接而成，滑片數與中間段所跨角度的乘積為2π；流體A側的進流段和出流段分別與流體A高壓進口和流體A低壓出口相連通，流體B側的進流段和出流段分別與流體B低壓進口和流體B高壓出口相連通。

進一步，缸體型線的密封段I和密封段II型線相同，進流段和出流段型線相同，缸體型線三階連續，光滑過渡。

進一步，缸體型線的密封段I和密封段II為圓形型線。

進一步，缸體型線的進流段和出流段為七次多項式曲線。

進一步，缸體型線的中間段為簡諧型線。

進一步，在密封段I和密封段II處，轉子與缸體內壁間設有微小間隙。

進一步，缸體型線的極徑函數為：

其中，為方位角變量；θ₀、θ₁、θ₂和θ₃為方位角；R₁為缸體型線短半徑；R₂為缸體型線長半徑；a₀～a₁₅為上述方程組的待求方程系數，滿足如下條件：

ρ₁為密封段I函數，ρ₂為進流段函數，ρ₃為中間段函數，ρ₄為出流段函數，ρ₅為密封段II函數。

與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：

本發明公開的滑片與型線匹配設計的滑片式壓力能交換器，轉子將內腔分割成流體A腔室和流體B腔室兩個腔室，流體A側和流體B側的缸體型線相互對稱、且均由密封段I、進流段、中間段、出流段和密封段II依次連接而成，缸體型線和滑片數量匹配設計，滑片數量與缸體型線中間段所跨角度的乘積為2π，可減少相鄰兩個滑片之間的容腔因空間增大導致液體迅速降壓所產生的能量損失，避免因液體被壓縮所導致的設備無法穩定運轉或破壞設備正常結構。對缸體內腔型線與滑片數量進行結構上的匹配優化設計，以保障設備的穩定高效運行，其結構簡單易實現，可操作性強。

進一步，缸體型線的密封段I和密封段II型線相同，進流段和出流段型線相同，缸體型線三階連續，型線過渡光滑，使滑片滑動時受力狀況良好，降低滑片滑動時的突變力，減小滑片在運行中的運動沖擊和運動噪聲。

進一步，在密封段I和密封段II處，轉子與缸體內壁間設置微小間隙，該設計有利于控制間隙量，延長兩股流體間的泄漏通道長度，有效抑制兩股流體間的摻混過程。

【附圖說明】

圖1-1為本發明的滑片與型線匹配設計的三滑片式壓力能交換器徑向剖面圖；

圖1-2為本發明的滑片與型線匹配設計的四滑片式壓力能交換器徑向剖面圖；

圖2為本發明的滑片與型線匹配設計的滑片式壓力能交換器的缸體型線示意圖；

其中，1為流體B高壓出口；2為滑槽；3為滑片；4為流體B腔室；5為流體B低壓進口；6為流體A低壓出口；7為流體A腔室；8為轉子；9為缸體；10為流體A高壓進口；11為密封段I；12為進流段；13為中間段；14為出流段；15為密封段II；16為缸體型線。

【具體實施方式】

下面將結合實施例對本發明技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都應屬于本發明保護的范圍。

參見圖1-1和圖1-2，本發明的滑片與型線匹配設計的滑片式壓力能交換器，包括缸體9、轉子8和滑片3，轉子8置于缸體9的內腔中，轉子8采用圓形型線，缸體9采用類橢圓型線，轉子8將內腔分割成流體A腔室7和流體B腔室4，轉子8上沿徑向開有滑槽2，滑槽2內設置有滑片3。

參見圖2，流體A側和流體B側的缸體型線16相互對稱，均由密封段I11、進流段12、中間段13、出流段14和密封段II15依次連接而成。流體A側的進流段12和出流段14分別與流體A高壓進口10和流體A低壓出口11相連通，流體B側的進流段12和出流段14分別與流體B低壓進口5和流體B高壓出口1相連通。

缸體型線16與滑片3數量進行匹配設計，缸體型線16的中間段13所跨角度與滑片3數量的乘積為2π。該結構布置的理由如下：當腔室的中間段13沒有滑片3時，如雙滑片式結構滑片3位于兩端密封段時，高壓側和低壓側在腔室內直接導通，流體類似“短路”直接從高壓側流向低壓側。此時，在流體A腔室，高壓流體A由于直接導通沒有實現壓力能的輸出。在流體B腔室，流體B發生逆向流動。當流體A側或流體B側的中間段13同時存在兩個或兩個以上滑片3時，相鄰兩個滑片3之間的容腔在經過長徑處時，體積先增大后減小。容腔內液體的壓力先隨空間的增大而迅速降壓，甚至產生空化現象，導致流體能量的損失。當空間減小時，因液體為近似不可壓縮性流體，會影響設備的穩定運轉或破壞設備正常結構。三滑片式結構相鄰兩個滑片3之間的夾角為π/3，可以設計腔室中間段13所跨方位角的角度約為π/3，流體A側和流體B側的中間段13內均始終有且只有一個滑片3。三滑片3以上的結構，會出現中間段13內同時存在不止一個滑片3的情況。類似的，當中間段13所跨角度為π/4時，滑片3的合理數量為4個，以此類推，合理的滑片3數量應滿足的條件為：滑片3數量與中間段13所跨角度的乘積為π/4。參見圖1-1，中間段13所跨角度為π/3，滑片3數量設計為3個；參見圖1-2，中間段13所跨角度為π/4，滑片3數量設計為4個。該結構布置，可有效減小壓力能傳遞過程中的能量損失，保障設備的穩定高效運行。

缸體型線16的密封段I11和密封段II15為圓形型線，進流段12和出流段14為七次多項式曲線，中間段13為簡諧型線，可保證缸體型線16三階連續，缸體型線16過渡光滑，使滑片3滑動時受力狀況良好，降低滑片3滑動時的突變力，減小滑片3在運行中的運動沖擊和運動噪聲。

在密封段I11和密封段II15處，轉子8與缸體9間設置微小間隙。密封段的設置有利于控制間隙量，延長兩股流體間的的泄漏通道長度，有效抑制摻混過程。

缸體型線16的極徑函數為：

其中，為方位角變量；θ₀、θ₁、θ₂和θ₃為方位角；R₁為缸體型線16短半徑；R₂為缸體型線16長半徑；a₀～a₁₅為上述方程組的待求方程系數，滿足如下條件：

特殊的，R₁＝0.0700m，R₂＝0.0850mm，θ₀＝5°，θ₁＝30°，θ₂＝150°，θ₃＝175°，有：

此時，所述缸體型線16的極徑函數為：

本發明所述的滑片與型線匹配設計的滑片式壓力能交換器的工作原理為：

流體A側高壓流體蘊含的壓力能推動滑片3帶動轉子8轉動，轉子8轉動帶動流體B側滑片3，推動流體B腔室4內的流體進入高壓管道，如此將高壓流體A的壓力能傳遞給低壓流體B，通過滑片與型線匹配設計的滑片式壓力能交換器，實現高壓流體A增壓低壓流體B的過程。

需要說明的是，本發明公開的滑片與型線匹配設計的滑片式壓力能交換器，缸體型線由密封段I11、進流段12、中間段13、出流段14和密封段II15依次連接而成，進流段12和出流段14處的型線為七次曲線，可保證缸體型線16的三階連續。類似的，當進流段12和出流段14處的型線為九次曲線時，可實現缸體型線16的四階連續；當進流段12和出流段14處的型線為十一次曲線時，可實現缸體型線16的五階連續等等。進流段12和出流段14處的型線曲線次數越高，可實現型線更高階次連續，改善滑片3運動過程中的受力狀況，更大程度地減小滑片3在運行中的運動沖擊和運動噪聲。

綜上所述，本發明公開的滑片與型線匹配設計的滑片式壓力能交換器，缸體型線16和滑片3數量匹配設計，滑片3數量與缸體型線16的中間段13所跨角度的乘積為2π，可減少相鄰兩個滑片3之間的容腔因空間增大導致液體迅速降壓所產生的能量損失，避免因液體被壓縮所導致的設備無法穩定運轉或破壞設備正常結構。同時，在密封段I11和密封段II15處，轉子8與缸體9內壁間設置微小間隙，該設計有利于控制間隙量，延長兩股流體間的的泄漏通道長度，有效抑制摻混過程。所述缸體型線16高階連續，型線過渡光滑，使滑片3滑動時受力狀況良好，降低滑片3滑動時的突變力，減小滑片3在運行中的運動沖擊和運動噪聲。本發明對缸體型線16與滑片3數量進行結構上的匹配設計，以保障設備的穩定高效運行，其結構簡單易實現，可操作性強。

以上所述是本發明的優選實施方式，通過上述說明內容，本技術領域的相關工作人員可以在不偏離本發明技術原理的前提下，進行多樣的改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護范圍。