Система улучшенной передачи давления в трубопроводе в системе обмена давления
Группа изобретений относится к области нефтегазовой промышленности. Вращающийся изобарический обменник давления включает цилиндрический ротор с первой и второй противоположными торцевыми сторонами, имеющими осевые каналы с отверстиями, расположенными в торцевых сторонах. Обменник содержит первую и вторую торцевые крышки, граничащие, соответственно, первой поверхностью с первой стороной и второй поверхностью - со второй стороной ротора и подвижно и герметично соединяющиеся с ними. Крышки имеют впускные и выпускные отверстия, соответственно, для первого и второго флюидов для поочередного сообщения с каналами при вращении ротора. Обменник имеет проход, выполненный сквозь вторую поверхность второй крышки. Проход во время вращения ротора сообщается по текучей среде с каналами ротора. Вторая поверхность содержит первую переходную область в направлении вращения от выпускного к впускному отверстию для второго флюида, и проход расположен в первой области. Изобретения направлены на улучшение передачи давления в трубопроводе, увеличение срока службы и производительности оборудования, а также снижения его стоимости. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 15 ил.
Для настоящей заявки испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США №62/034,008 на изобретение «СИСТЕМА И СПОСОБ УЛУЧШЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАВЛЕНИЯ В ТРУБОПРОВОДЕ В СИСТЕМЕ ОБМЕНА ДАВЛЕНИЯ», поданной 6 августа 2014 г., содержание которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области нефтегазовой промышленности, в частности, к оборудованию и технологиям для осуществления гидравлического разрыва пласта.
Уровень техники
Данный раздел предназначен для ознакомления с различными аспектами уровня техники, которые могут относиться к различным аспектам настоящего изобретения, описанным и/или заявленным ниже. Данное описание предоставляет информацию о предшествующем уровне техники для облегчения понимания различных аспектов настоящего изобретения. Таким образом, следует понимать, что следующие утверждения приведены для достижения указанной цели, а не для признания предшествующего уровня техники.
Изобретение, раскрытое в данном описании, относится к вращающемуся оборудованию, в частности, к системам и способам улучшения передачи давления в трубопроводе системы обмена давления.
Вращающееся оборудование, например, вращающееся оборудование для работы с флюидами, может быть использовано в различных вариантах применения. В некоторых вариантах применения оборудование, расположенное выше по потоку и/или ниже по потоку, может полагаться на практически непрерывную и/или практически равномерную скорость работы вращающегося оборудования. Например, вращающееся оборудование для работы с флюидом (т.е. насос) может обеспечить непрерывную подачу флюида из одного места в другое. К сожалению, такое вращающееся оборудование в некоторых вариантах применения может быть чувствительно к режиму срыва. Например, такое вращающееся оборудование может быть неспособно надежно обращаться с потоками флюида, нагруженного твердыми частицами. Вероятность срыва потока может быть выше для потоков флюида с твердыми частицами, поскольку твердые частицы могут попасть в пространства между ротором и статором вращающегося оборудования для флюида. В результате вращающееся оборудование для флюида может оказаться чувствительным к нежелательным флуктуациям скорости, постепенным снижениям скорости, быстрому и значительному снижению скорости или полной остановке ротора. Все указанные условия могут привести либо к вынужденному простою для проведения осмотра, обслуживания и/или ремонта, либо к полной замене вращающегося оборудования для работы с флюидом. Если такое вращающееся оборудование играет важную роль в работе более крупной системы, то данный простой может привести к остановке всей системы, что, помимо прочего, приведет к значительным потерям в доходах.
Раскрытие изобретения
Предложен ротационный изобарический обменник давления (IPX) для передачи энергии давления от первого флюида под высоким давлением второму флюиду под низким давлением, содержащий:
цилиндрический ротор, выполненный с возможностью вращения по окружности вокруг оси вращения и имеющий первую торцевую сторону и вторую торцевую сторону, расположенные друг напротив друга и имеющие несколько каналов, проходящих через них в осевом направлении между соответствующими отверстиями, расположенными в первой и второй торцевых сторонах;
первую торцевую крышку, имеющую первую поверхность, граничащую с первой торцевой стороной и подвижно и герметично соединяющуюся с ней, причем первая торцевая крышка имеет по меньшей мере одно впускное отверстие для первого флюида и по меньшей мере одно выпускное отверстие для первого флюида, которые во время вращения цилиндрического ротора вокруг оси вращения поочередно сообщаются по текучей среде по меньшей мере с одним из указанных нескольких каналов;
вторую торцевую крышку, имеющую вторую поверхность, граничащую со второй торцевой лицевой поверхностью и подвижно и герметично соединяющуюся с ней, причем вторая торцевая крышка имеет по меньшей мере одно впускное отверстие для второго флюида и по меньшей мере одно выпускное отверстие для второго флюида, которые во время вращения цилиндрического ротора вокруг оси вращения поочередно сообщаются по текучей среде по меньшей мере с одним из указанных нескольких каналов;
проход выполненный сквозь первую поверхность первой торцевой крышки или через вторую поверхность второй торцевой крышки, причем проход выполнен с возможностью во время вращения цилиндрического ротора вокруг оси вращения сообщаться по текучей среде по меньшей мере с одним из указанных нескольких каналов внутри ротора.
При этом впускное отверстие для второго флюида может представлять собой впускное отверстие низкого давления для второго флюида, а выпускное отверстие для второго флюида - выпускное отверстие высокого давления для второго флюида, вторая поверхность может представлять собой первую переходную область из выпускного отверстия высокого давления для второго флюида во впускное отверстие низкого давления для второго флюида, а проход может быть расположен в первой переходной области.
Проход может быть выполнен с возможностью во время вращения ротора между выпускным отверстием высокого давления для второго флюида и впускным отверстием низкого давления для второго флюида сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним из нескольких каналов, чтобы понижать давление второго флюида внутри указанного по меньшей мере одного канала до того, как впускное отверстие низкого давления для второго флюида будет сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним каналом.
Проход может быть расположен в первой переходной области ближе к впускному отверстию низкого давления для второго флюида, чем к выпускному отверстию высокого давления для второго флюида.
Также проход может быть ориентирован таким образом, чтобы, когда в него течет второй флюид, создавать противодействующую силу и момент в направлении вращения цилиндрического ротора.
Проход может быть выполнен под углом в направлении от выпускного отверстия высокого давления для второго флюида к впускному отверстию низкого давления для второго флюида, где угол находится в диапазоне от 0 до 90 градусов относительно оси вращения цилиндрического ротора.
Проход может быть выполнен под углом в направлении от первой переходной области ко второй переходной области второй поверхности, расположенной напротив первой переходной области, где угол находится в диапазоне от 0 до 90 градусов относительно оси вращения цилиндрического ротора. При этом проход может быть выполнен в виде составного угла.
Впускное отверстие для первого флюида может представлять собой впускное отверстие высокого давления, а выпускное отверстие для первого флюида может представлять собой выпускное отверстие низкого давления. Первая поверхность может представлять собой первую переходную область от впускного отверстия высокого давления для первого флюида к выпускному отверстию низкого давления для первого флюида, и проход может быть расположен в первой переходной области.
Проход также может быть выполнен с возможностью во время вращения ротора между впускным отверстием высокого давления для первого флюида и выпускным отверстием низкого давления для первого флюида сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним из нескольких каналов для снижения давления первого флюида внутри указанного по меньшей мере одного канала до того, как выпускное отверстие низкого давления для второго флюида будет сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним каналом.
В одном варианте впускное отверстие для первого флюида может представлять собой впускное отверстие высокого давления, а выпускное отверстие для первого флюида может представлять собой выпускное отверстие низкого давления. При этом первая поверхность может представлять собой первую переходную область от выпускного отверстия низкого давления для первого флюида до впускного отверстия высокого давления для первого флюида, а проход может быть расположен в первой переходной области.
Проход может быть выполнен с возможностью во время вращения ротора между выпускным отверстием низкого давления для первого флюида и впускным отверстием высокого давления для первого флюида сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним из нескольких каналов для увеличения давления первого флюида внутри указанного по меньшей мере одного канала до того, как впускное отверстие высокого давления для первого флюида станет сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним каналом. При этом проход расположен в первой переходной области ближе к впускному отверстию высокого давления для первого флюида, чем к выпускному отверстию низкого давления для первого флюида.
Проход может быть выполнен под углом в направлении от выпускного отверстия низкого давления для первого флюида к впускному отверстию высокого давления для первого флюида, где угол находится в диапазоне от 0 до 90 градусов относительно оси вращения цилиндрического ротора.
Проход выполнен под углом в направлении от второй переходной области первой поверхности, расположенной напротив первой переходной области, к первой переходной области, где угол находится в диапазоне от 0 до 90 градусов относительно оси вращения цилиндрического ротора.
При этом проход может быть выполнен в виде составного угла.
Впускное отверстие для второго флюида может представлять собой впускное отверстие низкого давления, а выпускное отверстие для второго флюида может представлять собой выпускное отверстие высокого давления. Вторая поверхность может представлять собой первую переходную область от впускного отверстия низкого давления для второго флюида к выпускному отверстию высокого давления для второго флюида, а проход может быть расположен в первой переходной области.
При этом проход может быть выполнен с возможностью во время вращения ротора между впускным отверстием низкого давления для второго флюида и выпускным отверстием высокого давления для второго флюида сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним из нескольких каналов для увеличения давления второго флюида внутри указанного по меньшей мере одного канала до того, как выпускное отверстие высокого давления для второго флюида начнет сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним каналом.
В другом варианте осуществления изобретения представлен ротационный изобарический обменник давления для передачи энергии давления от первого флюида под высоким давлением второму флюиду, под низким давлением, который содержит:
цилиндрический ротор, выполненный с возможностью вращения по окружности вокруг оси вращения и имеющий первую торцевую сторону и вторую торцевую сторону, расположенные друг напротив друга и имеющие несколько каналов, проходящих через них в осевом направлении между соответствующими отверстиями, расположенными в первой и второй торцевых сторонах;
первую торцевую крышку, имеющую первую поверхность, граничащую с первой торцевой стороной и подвижно и герметично соединяющуюся с ней, причем первая торцевая крышка имеет впускное отверстие низкого давления для второго флюида, выпускное отверстие высокого давления для второго флюида, и первый проход сквозь первую поверхность первой торцевой крышки между впускным отверстием низкого давления для второго флюида и выпускным отверстием высокого давления для второго флюида, причем впускное отверстие низкого давления для второго флюида, выпускное отверстие высокого давления для второго флюида и первый проход выполнены таким образом, чтобы сообщаться по текучей среде с по меньшей мере одним из указанных нескольких каналов; а первый проход выполнен с возможностью во время вращения ротора между выпускным отверстием высокого давления для второго флюида и впускным отверстием низкого давления для второго флюида сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним из нескольких каналов для снижения давления второго флюида внутри указанного по меньшей мере одного канала до того, как впускное отверстие низкого давления для второго флюида начнет сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним каналом.
Ротационный изобарический обменник давления в данном варианте может дополнительно содержать вторую торцевую крышку, имеющую вторую поверхность, граничащую со второй торцевой лицевой поверхностью и подвижно и герметично соединяющуюся с ней. При этом вторая торцевая крышка может иметь впускное отверстие высокого давления для первого флюида, выпускное отверстие низкого давления для первого флюида и второй проход сквозь вторую поверхность второй торцевой крышки между впускным отверстием высокого давления для первого флюида и выпускным отверстием низкого давления для первого флюида. Впускное отверстие высокого давления для первого флюида, выпускное отверстие низкого давления для первого флюида и второй проход могут быть выполнены таким образом, чтобы сообщаться по текучей среде по меньшей мере с одним из указанных нескольких каналов. Второй проход может быть выполнен с возможностью во время вращения цилиндрического ротора между выпускным отверстием низкого давления для первого флюида и впускным отверстием высокого давления для первого флюида сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним из нескольких каналов для увеличения давления первого флюида внутри указанного по меньшей мере одного канала до того, как впускное отверстие высокого давления для первого флюида станет сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере с одним каналом.
Первый проход может быть расположен на первой поверхности ближе к впускному отверстию низкого давления для второго флюида, чем к выпускному отверстию высокого давления для второго флюида, а второй проход может быть расположен на второй поверхности ближе к впускному отверстию высокого давления для первого флюида, чем к выпускному отверстию низкого давления для первого флюида.
Первый проход может быть ориентирован таким образом, чтобы генерировать противодействующую силу и момент в направлении вращения цилиндрического ротора, когда второй флюид течет в первый проход.
В еще одном варианте осуществления изобретения предложен ротационный изобарический обменник давления для передачи энергии давления от первого флюида под высоким давлением второму флюиду под низким давлением, который содержит:
цилиндрический ротор, выполненный с возможностью вращения по окружности вокруг оси вращения и имеющий первую торцевую сторону и вторую торцевую сторону, расположенные друг напротив друга и имеющие несколько каналов, проходящих через них в осевом направлении между соответствующими отверстиями, расположенными в первой и второй торцевых сторонах; и
первую торцевую крышку, имеющую поверхность, граничащую с первой торцевой стороной и подвижно и герметично соединяющуюся с ней, причем первая торцевая крышка имеет впускное отверстие высокого давления для первого флюида, выпускное отверстие низкого давления для первого флюида и проход сквозь поверхность первой торцевой крышки между впускным отверстием высокого давления для первого флюида и выпускным отверстием низкого давления для первого флюида, причем впускное отверстие высокого давления для первого флюида, выпускное отверстие низкого давления для первого флюида и проход выполнены таким образом, чтобы сообщаться по текучей среде с по меньшей мере одним из указанных нескольких каналов, а проход выполнен с возможностью во время вращения ротора между выпускным отверстием низкого давления для первого флюида и впускным отверстием высокого давления для первого флюида сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним каналом до того, как впускное отверстие высокого давления для первого флюида будет сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним каналом.
При этом проход может быть расположен на поверхности ближе к впускному отверстию высокого давления для первого флюида, чем к выпускному отверстию низкого давления для первого флюида.
Техническим эффектом изобретения является, в том числе, улучшение передачи давления в трубопроводе, увеличение срока службы и производительности оборудования, а также снижение стоимости используемого оборудования.
Краткое описание чертежей
Различные признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления со следующим подробным описанием, приведенным со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены аналогичные детали.
На Фиг. 1 представлено схематическое изображение варианта выполнения системы гидроразрыва с гидравлической системой передачи энергии.
На Фиг. 2 представлено схематическое изображение варианта выполнения изобарического обменника давления (IPX) с улучшенной передачей давления в трубопроводе;
На Фиг. 3 представлен разобранный общий вид варианта выполнения ротационного IPX.
На Фиг. 4 представлен разобранный общий вид варианта выполнения ротационного IPX, находящегося в первом рабочем положении.
На Фиг. 5 представлен разобранный общий вид варианта выполнения ротационного IPX, находящегося во втором рабочем положении.
На Фиг. 6 представлен разобранный общий вид варианта выполнения ротационного IPX, находящегося в третьем рабочем положении.
На Фиг. 7 представлен разобранный общий вид варианта выполнения ротационного IPX, находящегося в четвертом рабочем положении.
На Фиг. 8 представлен радиальный вид варианта выполнения торцевой крышки ротационного IPX (например, с проходом или отверстием для улучшенной передачи давления в трубопроводе во время сброса давления из объема трубопровода ротора).
На Фиг. 9 представлен радиальный вид варианта выполнения торцевой крышки ротационного IPX (например, с проходом или отверстием для улучшенной передачи давления в трубопроводе во время нагнетания давления в объем трубопровода ротора).
На Фиг. 10 представлен частичный поперечный разрез варианта выполнения ротационного IPX, имеющего торцевую крышку с проходом или отверстием для улучшения передачи давления в трубопроводе (например, во время сброса давления из объема трубопровода ротора).
На Фиг. 11 представлен частичный поперечный разрез варианта выполнения ротационного IPX, имеющего торцевую крышку с проходом или отверстием для улучшения передачи давления в трубопроводе (например, во время нагнетания давления в объем трубопровода ротора).
На Фиг. 12 представлен частичный поперечный разрез на аксиальном виде сбоку варианта выполнения ротационного IPX, имеющего торцевую крышку с проходом или отверстием для улучшения передачи давления в трубопроводе (например, во время сброса давления из объема трубопровода ротора);
На Фиг. 13 представлен частичный поперечный разрез на аксиальном виде сверху варианта выполнения ротационного IPX, имеющего торцевую крышку с проходом или отверстием для улучшения передачи давления в трубопроводе (например, во время сброса давления из объема трубопровода ротора).
На Фиг. 14 представлен частичный поперечный разрез на аксиальном виде сбоку варианта выполнения ротационного IPX, имеющего торцевую крышку с проходом или отверстием для улучшения передачи давления в трубопроводе (например, во время нагнетания давления в объем трубопровода ротора).
На Фиг. 15 представлен частичный поперечный разрез на аксиальном виде сверху варианта выполнения ротационного IPX, имеющего торцевую крышку с проходом или отверстием для улучшения передачи давления в трубопроводе (например, во время нагнетания давления в объем трубопровода ротора).
Осуществление изобретения
Ниже приведено описание одного или нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения. Рассмотренные варианты осуществления настоящего изобретения приведены исключительно в качестве примера. Кроме того, для краткости описания данных иллюстративных вариантов осуществления в данном документе не приводятся все признаки вариантов применения. Следует понимать, что при разработке любого такого варианта применения, например, в инженерном проекте или технологической схеме, необходимо будет добавить несколько индивидуальных решений, направленных на достижение конкретных целей разработчиков, таких как соблюдение ограничений, связанных с системными или коммерческими аспектами, которые могут варьироваться в каждом конкретном варианте применения. Более того, следует понимать, что подобные опытно-конструкторские работы могут быть сложными и требовать больших временных затрат, однако, тем не менее, для специалиста в данной области техники они являются стандартными процедурами по проектированию, изготовлению и производству с использованием преимуществ данного изобретения.
При первом упоминании элементов различных вариантов осуществления настоящего изобретения подразумевается, что предусмотрен один или несколько таких элементов. Подразумевается, что термины «содержащий», «включающий в себя» и «имеющий» не являются исключающими и означают, что кроме перечисленных элементов могут существовать дополнительные другие элементы.
Как более подробно будет описано ниже, система гидравлического разрыва (также называемого гидроразрывом или фрэкингом) включает в себя систему передачи гидравлической энергии, которая передает работу и/или давление между первым и вторым флюидами, такими как флюид для обмена давления (например, флюид, практически не содержащий проппанта, такой как вода) и жидкостью разрыва (например, флюид для гидроразрыва с проппантом). Система передачи гидравлической энергии также может быть описана как гидравлическая защитная система, гидравлическая буферная система или гидравлическая изоляционная система, поскольку она может блокировать или ограничивать контакт между жидкостью разрыва и различным оборудованием для гидроразрыва (например, насосами высокого давления), обмениваясь работой и/или давлением с другим флюидом. Система передачи гидравлической энергии может включать в себя гидравлическую систему обмена давления, например, ротационный изобарический обменник давления (IPX). IPX может включать в себя одну или несколько камер (например, от 1 до 100) для облегчения передачи давления и выравнивания давлений между объемами первого и второго флюидов (например, газообразных, жидких или многофазных флюидов). Например, один из флюидов (например, жидкость разрыва) может быть многофазным, то есть включать в себя потоки газ/жидкость, потоки газ/ твердые частицы, потоки жидкость/твердые частицы, потоки газ/жидкость/твердые частицы, или любой другой многофазный поток. В некоторых вариантах осуществления, давления в объемах первого и второго флюидов могут не полностью выравниваться. Таким образом, IPX может функционировать не только в изобарическом режиме, но также в практически изобарическом режиме (например, когда давление выравнивается в пределах приблизительно +/- 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, или 10 процентов друг от друга). В определенных вариантах осуществления первое давление первого флюида (например, флюида для обмена давления) может быть выше второго давления второго флюида (например, жидкости разрыва). Например, первое давление может превышать второе давление примерно на 5000-25000 кПа, 20000-50000 кПа, 40000-75000 кПа, 75000-100000 кПа или более. Таким образом, IPX может быть использован для передачи давления от первого флюида (например, флюида для обмена давления), находящегося под большим давлением, второму флюиду (например, жидкости разрыва), находящемуся под меньшим давлением. В некоторых вариантах IPX может передавать давление между первым флюидом (например, флюидом для обмена давления, таким как первый флюид без или практически без проппанта) и вторым флюидом, который может быть высоковязким и/или содержать проппант (например, жидкостью разрыва, содержащей песок, твердые частицы, порошки, обломки породы, керамические материалы). Во время работы система передачи гидравлической энергии блокирует или ограничивает контакт между вторым флюидом с проппантом и различным оборудованием для гидроразрыва (например, насосами высокого давления) во время выполнения операций по гидроразрыву. Благодаря блокировке или ограничению контакта между различным оборудованием для гидроразрыва и вторым флюидом с проппантом, срок службы и производительность системы передачи гидравлической энергии увеличивается, снижая истирание/износ различного оборудования для гидроразрыва (например, насосов высокого давления). Более того, это может позволить использовать в системе гидроразрыва менее дорогостоящее оборудование благодаря использованию оборудования (например, насосов высокого давления), которое не предназначено специально для работы с абразивными флюидами (например, жидкостями разрыва и/или коррозионными флюидами).
На Фиг. 1 представлено схематическое изображение варианта выполнения системы 10 гидроразрыва с системой 12 передачи гидравлической энергии. Во время работы система 10 гидроразрыва позволяет увеличить выход нефти и газа из пластов при заканчивании скважин. В частности, система 10 гидроразрыва нагнетает жидкость разрыва, содержащую смесь воды, химикатов и проппанта (например, песка, керамического материала и т.д.), в скважину 14 под высоким давлением. Высокое давление жидкости разрыва увеличивает размеры трещины и ее распространение в скальной породе, в результате чего высвобождается больше нефти и газа, а проппант предотвращает закрытие трещин после снятия избыточного давления флюида. Как показано, система 10 гидроразрыва включает в себя насос 16 высокого давления и насос 18 низкого давления, соединенные с системой 12 передачи гидравлической энергии (например, IPX). Во время работы система 12 передачи гидравлической энергии передает давление между первым флюидом (например, флюидом без проппанта), нагнетаемым насосом 16 высокого давления, и вторым флюидом (например, флюидом с проппантом или жидкостью разрыва), нагнетаемым насосом 18 низкого давления. Таким образом, система 12 передачи гидравлической энергии блокирует или ограничивает износ насоса 16 высокого давления, позволяя системе 10 гидроразрыва нагнетать в скважину 14 жидкость разрыва под высоким давлением для выхода нефти и газа.
В одном варианте осуществления, в котором используется изобарический обменник давления (IPX), первый флюид (например, флюид без проппанта, находящийся под высоким давлением) подается на первую сторону системы 12 передачи гидравлической энергии, где первый флюид контактирует со вторым флюидом (например, жидкостью разрыва, находящейся под низким давлением), подаваемым в и IPX со второй стороны. Контакт между флюидами позволяет первому флюиду увеличить давление второго флюида, в результате чего происходит вытеснение второго флюида из IPX и вниз в скважину 14 для выполнения гидроразрыва. После обмена давления со вторым флюидом первый флюид просто выходит из IPX, но уже под низким давлением.
Как используется в данном описании, изобарический обменник давления (IPX) можно, в целом, определить как устройство, которое передает давление флюида между входящим потоком с высоким давлением и входящим потоком с низким давлением с эффективностью более примерно 50%, 60%, 70% или 80%, без использования центробежных технологий. В данном контексте высокое давление означает давление, большее, чем низкое давление. Входящий в IPX поток низкого давления может быть подвергнут воздействию давления, и может выходить из IPX под более высоким давлением (например, с давлением выше, чем у входящего потока низкого давления), а давление входящего потока высокого давления может быть снижено, и такой поток высокого давления выходит из IPX под более низким давлением (например, с давлением ниже, чем у входящего потока высокого давления). Кроме того, IPX может работать с флюидом высокого давления, непосредственно прилагая силу для повышения давления для флюида низкого давления, с использованием или без использования сепаратора между флюидами. Примеры сепараторов флюидов, которые могут быть использованы с IPX, включают в себя, помимо прочего, поршни, мембраны, перегородки и тому подобное. В некоторых вариантах осуществления изобретения изобарические обменники давления могут быть ротационными устройствами. Ротационные изобарические обменники давления (IPX) 20, например, изготовленные компанией Energy Recovery, Inc., Сан-Леандро, штат Калифорния, могут не иметь отдельных клапанов, так как эффективное запорно-регулирующее действие осуществляется внутри устройства за счет относительного движения ротора относительно концевых крышек, как более подробно описано ниже со ссылками на Фиг. 3-7. Ротационные IPX могут быть спроектированы для работы с внутренними поршнями для изолирования флюидов и передачи давления с относительно небольшим смешиванием входящих потоков флюидов. Возвратно-поступательные IPX могут иметь поршень, движущийся назад и вперед в цилиндре для передачи давления между потоками флюидов. Любой один или несколько IPX могут быть использованы в изобретении, например, помимо прочего, ротационные IPX, возвратно-поступательные IPX или любые их комбинации. Кроме того, IPX может быть расположен на платформе отдельно от других компонентов системы обработки флюида, что может быть желательно в ситуациях, когда IPX добавляют к существующей системе обработки флюида.
Собственная сжимаемость флюидов может привести к возникновению струй флюида, движущихся с высокой скоростью в трубопроводы ротора и из них во время изменений давления внутри IPX. В определенных ситуациях данные струи могут действовать так, чтобы прилагать силы против направления вращения ротора. Силы, создаваемые струями, могут увеличиваться при повышении давления (например, при более высоких давлениях, используемых во время операций гидроразрыва) и могут вызывать замедление ротора при увеличении давления. В определенных ситуациях может быть желательным улучшение передачи давления в трубопроводе (например, в трубопроводе ротора) для противодействия усилиям, которые могут мешать вращению ротора, и создания усилий, которые будут усиливать вращение ротора. Таким образом, в определенных вариантах выполнения, каждая торцевая крышка, находящаяся рядом с ротором в IPX, может иметь одно или несколько отверстий или проходов в поверхности торцевой крышки (например, рядом с определенными трубопроводами с торцевыми крышками), чтобы обеспечить создание повышенного давления флюида внутри трубопровода ротора (например, канала ротора) перед подачей массового потока в трубопровод ротора через торцевую крышку и/или для того, чтобы обеспечить сброс давления флюида внутри трубопровода ротора перед выходом массового потока через торцевую крышку. Например, область уплотнения высокого давления (или переходная область) торцевой крышки перед открытием торцевой крышки низкого давления (например, трубопровода низкого давления) может включать в себя одно или несколько отверстий и/или область уплотнения низкого давления (или переходную область) перед открытием торцевой крышки высокого давления (например, трубопровода высокого давления) может включать в себя одно или несколько отверстий для улучшения передачи давления в трубопроводе. В некоторых вариантах каждая переходная область торцевой крышки может включать в себя одно или несколько отверстий или проходов. В некоторых вариантах отверстия или проходы могут располагаться под углом для использования перехода энергии для облегчения, а не противодействия вращению ротора. Хотя параметры, предлагаемые для улучшения передачи давления в трубопроводе описаны в отношении IPX, они могут использоваться для любой вращающейся машины, возвратно-поступательной машины (например, насосов) и т.д.
На Фиг. 2 представлено схематическое изображение варианта выполнения IPX 20, который может быть использован вместе с элементами, улучшающими передачу давления в трубопроводе. Далее в описании сделаны ссылки на осевое направление 22, радиальное направление 24 и/или окружное направление 26 относительно оси IPX 20. Как показано на Фиг. 2, IPX 20 может иметь различные соединения 28 для флюидов, например, впускное отверстие 30 для первого флюида, выпускное отверстие 32 для первого флюида, впускное отверстие 34 для второго флюида и/или выпускное отверстие 36 для второго флюида. В некоторых вариантах выполнения первый и/или второй флюиды могут содержать твердые материалы, такие как частицы, порошки, обломки породы и тому подобные. Каждое соединение 28 для флюидов, ведущее к IPX 20, может быть выполнено с помощью фланцевого, резьбового или иного типа фитингов. IPX 20 может включать в себя вращающийся компонент, такой как ротор 38, который может вращаться в окружном направлении 26. Кроме того, каждая торцевая крышка 39 (которая является подвижной и способна герметично закрывать торцевые стороны ротора 38) IPX 20 может включать в себя один или несколько проходов 41 или отверстий (например, на Фиг. 2 показана часть прохода 41 или отверстия) для упрощения сброса давления флюида, выходящего из трубопровода ротора, или увеличения давления флюида, входящего в трубопровод ротора, тем самым улучшая передачу давления в трубопроводе ротора.
На Фиг. 3 представлено изображение варианта выполнения ротационного IPX 20 в разобранном виде. В данном варианте ротационный IPX 20 может включать в себя в целом цилиндрическую корпусную часть 40, которая включает в себя гильзу 42 и ротор 38. Ротационный IPX 20 также может включать в себя две концевые структуры 46 и 48, которые включают в себя коллекторы 50 и 52, соответственно. Коллектор 50 имеет входное и выходное отверстия 54 и 56, а коллектор 52 имеет входное и выходное отверстия 60 и 58. Например, во входное отверстие 54 может поступать первый флюид высокого давления, а выходное отверстие 56 может быть использовано для вывода первого флюида низкого давления из IPX 20. Аналогичным образом, во входное отверстие 60 может поступать второй флюид низкого давления, а выходное отверстие 58 может быть использовано для вывода второго флюида высокого давления из IPX 20. Концевые структуры 46 и 48 включают в себя в целом плоские концевые пластины или торцевые крышки 62 и 64, соответственно, расположенные внутри коллекторов 50 и 52, соответственно, и приспособленные для герметизирующего жидкостного контакта с ротором 38. Ротор 38 может быть цилиндрическим, может быть расположен в гильзе 42 и установлен с возможностью вращения вокруг продольной оси 66 (например, оси вращения) ротора 38. Ротор 38 может иметь несколько каналов 68 (например, трубопроводы ротора), проходящих по существу в продольном направлении через ротор 38 с отверстиями 70 и 72 на каждом конце, расположенными на продольной оси 66. Отверстия 70 и 72 ротора 38 выполнены с возможностью гидравлического сообщения с концевыми пластинами 62 и 64 и входным и выходным отверстиями 74 и 76, а также 78 и 80, таким образом, что при вращении они попеременно гидравлически направляют жидкость под высоким давлением и жидкость под низким давлением в соответствующие коллекторы 50 и 52. Входные и выходные отверстия 54, 56, 58 и 60 коллекторов 50 и 52 образуют по меньшей мере одну пару отверстий для жидкости под высоким давлением на одном концевом элементе 46 или 48 и по меньшей мере одну пару отверстий для жидкости под низким давлением в противоположном концевом элементе 48 или 46. Концевые пластины 62 и 64 и входное и выходное отверстия 74 и 76, а также 78 и 80 могут быть выполнены с перпендикулярными поперечными сечениями потока в виде дуг или сегментов круга.
Кроме того, поскольку IPX 20 выполнен с возможностью взаимодействия с первым и вторым флюидами, некоторые компоненты IPX 20 могут быть изготовлены из материалов, совместимых с компонентами первого и второго флюидов. Кроме того, некоторые компоненты IPX 20 могут быть выполнены физически совместимыми с другими компонентами системы работы с флюидом. Например, отверстия 54, 56, 58 и 60 могут содержать фланцевые соединители для обеспечения совместимости с другими фланцевыми соединителями, присутствующими в трубопроводах системы. В других вариантах выполнения отверстия 54, 56, 58 и 60 могут содержать резьбовые или другие типы соединителей.
На Фиг. 4-7 представлены разобранные виды варианта выполнения ротационного IPX 20, показывающие последовательность положений единственного канала 68 в роторе 38 при прохождении каналом 68 полного цикла вращения, эти виды помогают понять функционирование ротационного IPX 20. Следует отметить, что Фиг. 4-7 представляют собой упрощенные изображения ротационного IPX 20, показывающие один канал 68, и канал 68 показан имеющим круглую форму поперечного сечения. В других вариантах выполнения ротационный IPX 20 может включать в себя несколько каналов 68 с различными формами поперечного сечения. Таким образом, Фиг. 4-7 представляют собой упрощенные изображения в целях иллюстрации, и другие варианты выполнения ротационного IPX 20 могут иметь конфигурации, отличные от представленных на Фиг. 4-7. Как подробно описано ниже, ротационный IPX 20 облегчает гидравлический обмен давления между двумя жидкостями за счет их мгновенного контакта во вращающейся камере. В некоторых вариантах выполнения этот обмен происходит с высокой скоростью, что приводит к очень высокой эффективности с очень небольшим смешиванием жидкостей.
На Фиг. 4 отверстие 70 канала сообщается по текучей среде с отверстием 76 в концевой пластине 62 и, следовательно, с коллектором 50 в первом поворотном положении ротора 38, а противоположное отверстие 72 канала сообщается по текучей среде с отверстием 80 в концевой пластине 64, и, таким образом, сообщается по текучей среде с коллектором 52. Как будет описано ниже, ротор 38 вращается в направлении по часовой стрелке, указанном стрелкой 90. Как показано на Фиг. 4, второй флюид 92 низкого давления проходит через концевую пластину 64 и входит в канал 68, где он выталкивает первый флюид 94 из канала 68 и через концевую пластину 62, таким образом выходя из ротационного IPX 20. Первый и второй флюиды 92 и 94 контактируют друг с другом на границе раздела 96, где из-за короткой продолжительности контакта происходит минимальное смешивание жидкостей. Граница раздела 96 представляет собой поверхность раздела прямого контакта, так как второй флюид 92 напрямую контактирует с первым флюидом 94.
На Фиг. 5 канал 68 повернулся по часовой стрелке по дуге приблизительно на 90 градусов, и выходное отверстие 72 теперь перекрыто между отверстиями 78 и 80 концевой пластины 64, и выходное отверстие 70 канала 68 расположено между отверстиями 74 и 76 концевой пластины 62 и, таким образом, заблокировано от гидравлического сообщения с коллектором 50 концевой структуры 46. Таким образом, второй флюид 92 низкого давления находится в канале 68.
На Фиг. 6 канал 68 повернулся приблизительно на 180 градусов по дуге из положения, показанного на Фиг. 4. Отверстие 72 сообщается по текучей среде с отверстием 78 в концевой пластине 64 и сообщается по текучей среде с коллектором 52, а отверстие 70 канала 68 сообщается по текучей среде с отверстием 74 концевой пластины 62 и с коллектором 50 концевой структуры 46. Жидкость в канале 68, которая была под давлением коллектора 52 концевой структуры 48, передает это давление на концевую структуру 46 через выходное отверстие 70 и отверстие 74, и ее давление сравнивается с давлением коллектора 50 концевой структуры 46. Таким образом, первый флюид 94 высокого давления повышает давление второго флюида 92 и вытесняет его.
На Фиг. 7 канал 68 повернут приблизительно на 270 градусов по дуге из положения, показанного на Фиг. 4, а отверстия 70 и 72 канала 68 находятся между отверстиями 74 и 76 концевой пластины 62 и между отверстиями 78 и 80 концевой пластины 64. Таким образом, первый флюид 94 высокого давления находится в канале 68. Когда канал 68 поворачивается приблизительно на 360 градусов по дуге из положения, показанного на Фиг. 4, второй флюид 92 вытесняет первый флюид 94, перезапуская цикл.
На Фиг. 8 представлен радиальный вид варианта выполнения торцевой крышки 100 IPX 20 (например, с проходом или отверстием 41 для улучшенной передачи давления в трубопроводе во время сброса давления из объема трубопровода). В частности, как показано на Фиг. 8, торцевая крышка 100 (например, торцевая крышка впускного отверстия низкого давления) может включать в себя проход или отверстие 41, проходящий через область 102 уплотнения (например, область уплотнения высокого давления), поверхность или переходную область (например, от выпускного отверстия 104 высокого давления к впускному отверстию 106 низкого давления в направлении вращения 108) поверхности 109 торцевой крышки 100, которая граничит с торцевой стороной ротора 38 рядом с впускным отверстием 106 низкого давления или непосредственно перед ним. Поверхность 109 торцевой крышки 100 имеет переходную область 110, расположенную напротив области 102 уплотнения (например, от впускного отверстия 106 низкого давления к выпускному отверстию 104 высокого давления в направлении 108). Проход или отверстие 41 смещен относительно центральной точки 112 торцевой крышки 100 и выровнен относительно кругового пути одного или нескольких трубопроводов или каналов 68 ротора. В вариантах выполнения с несколькими проходами или отверстиями 41 каждый проход или отверстие 41 может быть выровнен относительно соответствующего кругового пути одного или нескольких соответствующих трубопроводов или каналов 68 ротора. Флюид под низким давлением может входить в торцевую крышку 100 (а затем в ротор 38 или трубопровод 68 ротора) через впускное отверстие 106 низкого давления. При вращении ротора 38 или трубопровода 68 ротора от впускного отверстия 106 низкого давления к выпускному отверстию 104 высокого давления для флюида внутри трубопровода 68 ротора может произойти переход от низкого давления к высокому давлению. Часть флюида внутри трубопровода 68 ротора может выйти через выпускное отверстие 104 высокого давления. По мере поворота ротора 38 или трубопровода 68 ротора в окружном направлении 26 от выпускного отверстия 104 высокого давления к впускному отверстию 106 низкого давления флюид будет взаимодействовать с областью 102 уплотнения (например, областью уплотнения высокого давления) торцевой крышки 100 до достижения впускного отверстия 106 низкого давления. Часть флюида (флюида высокого давления) может выйти из трубопровода 68 ротора в торцевую крышку 100 через проход или отверстие 41, расположенный рядом с впускным отверстием 106 низкого давления или непосредственно перед ним, после чего флюид выйдет из торцевой крышки 100. Выход части флюида, находящегося под высоким давлением, через проход или отверстие 41 может позволить сбросить давление из объема трубопровода до взаимодействия с флюидом под низким давлением, который поступает в трубопровод 68 ротора через впускное отверстие 106 низкого давления. Ось отверстия или прохода 41, расположенного рядом с впускным отверстием 106 низкого давления или непосредственно перед ним, может быть частично направлена тангенциально к направлению 108 вращения ротора и противоположно направлению вращения для противодействующей силы и момента в направлении вращения ротора, как показано стрелкой 112. В некоторых вариантах выполнения проход или отверстие 41 может располагаться под углом. В некоторых вариантах выполнения проход или отверстие 41 может включать в себя составной угол. Например, проход или отверстие 41 может быть наклонным относительно оси вращения ротора 38. Угол прохода или отверстия 41 может находиться в диапазоне примерно от 0 до 90 градусов относительно оси вращения ротора 38 в направлении А от выпускного отверстия 104 высокого давления в сторону впускного отверстия 106 низкого давления. Угол в направлении А может иметь значение в диапазоне от 0 до 45 градусов, от 45 до 90 градусов, от 15 до 30 градусов, от 60 до 75 градусов и в любом поддиапазоне. Например, угол в направлении А может быть равен 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 градусам или любому другом значению, находящемуся в указанных пределах. Кроме того, проход или отверстие 41 может быть наклонено таким образом, чтобы проходить тангенциально к трубопроводу 68 ротора. Угол прохода или отверстия 41 может составлять примерно от 0 до 90 градусов относительно оси вращения ротора 38 в направлении В (например, от области уплотнения высокого давления к противоположной области уплотнения) в сторону радиальной стенки ротора 38 или трубопровода 68 ротора. Угол в направлении В может составлять от О до 45 градусов, от 45 до 90 градусов, от 15 до 30 градусов, от 60 до 75 градусов или находиться в любом соответствующем поддиапазоне. Например, угол в направлении В может быть примерно равен 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 градусам или любому другом значению, находящемуся в указанных пределах. В некоторых вариантах выполнения область 102 уплотнения (например, область уплотнения высокого давления) может включать в себя больше одного прохода или отверстия 41 рядом с впускным отверстием 106 низкого давления или непосредственно перед ним. В некоторых вариантах выполнения площадь поперечного сечения прохода или отверстия 41 может иметь эллиптическую форму (например, овальную или круговую форму). В других вариантах выполнения проход или отверстие 41 может иметь поперечное сечение другой формы (например, треугольной, прямоугольной, звездообразной и т.д.). Расположение прохода 41, форма прохода 41, угол прохода 41 и/или количество проходов 41 зависит от давления, геометрии трубопровода, сжимаемости используемого флюида и/или скорости вращения ротора 38.
На Фиг. 9 представлен радиальный вид варианта выполнения торцевой крышки 114 ротационного IPX 20 (например, с трубопроводом или отверстием 41 для улучшенной передачи давления в трубопроводе во время нагнетания давления в объем трубопровода). В частности, как показано на Фиг. 9, торцевая крышка 114 (например, торцевая крышка впускного отверстия высокого давления) может включать в себя проход или отверстие 41, проходящее через область 116 уплотнения (например, область уплотнения низкого давления) или переходную область (например, от выпускного отверстия 118 низкого давления к впускному отверстию 120 высокого давления в направлении вращения 108) поверхности 122 торцевой крышки 114, которая граничит с торцевой стороной ротора 38 рядом с впускным отверстием 120 высокого давления или непосредственно перед ним. Поверхность 122 торцевой крышки 114 включает в себя переходную область 121, расположенную напротив области 116 уплотнения (например, от впускного отверстия 120 высокого давления до выпускного отверстия 118 низкого давления в направлении 108). Проход или отверстие 41 смещено относительно центральной точки 112 торцевой крышки 114 и выровнено относительно кругового пути одного или нескольких трубопроводов 68 или каналов ротора. В вариантах выполнения с несколькими проходами или отверстиями 41 каждый проход или отверстие 41 может быть выровнено относительно соответствующего кругового пути одного или нескольких соответствующих трубопроводов 68 или каналов ротора. Флюид под высоким давлением может проходить в торцевую крышку 114 (а затем в трубопровод 68 ротора с флюидом под низким давлением) через впускное отверстие 120 высокого давления. По мере поворота трубопровода 68 ротора в круговом направлении 26 от выпускного отверстия 118 низкого давления к впускному отверстию 120 высокого давления флюид взаимодействует с областью 116 уплотнения (например, областью уплотнения низкого давления) торцевой крышки 114 до достижения впускного отверстия 120 высокого давления. Перед тем, как достичь впускного отверстия 120 высокого давления часть флюида (флюида высокого давления) может попасть в трубопровод 68 ротора через проход или отверстие 41 в торцевой крышке 114, расположенное рядом с впускным отверстием 120 высокого давления или непосредственно перед ним, для обеспечения повышения давления флюида в трубопроводе 68 ротора. Оставшаяся часть флюида под высоким давлением может попасть в трубопровод 68 ротора через впускное отверстие 120 высокого давления торцевой крышки 114. Ось впрыска прохода или отверстия 41, расположенного рядом с впускным отверстием 120 высокого давления или непосредственно перед ним, может частично направлена тангенциально к направлению вращения ротора и в направлении вращения 108 для создания вектора скорости (как показано стрелкой 124), тангенциального к направлению вращения 108. В некоторых вариантах выполнения проход или отверстие 41 может располагаться под углом. В некоторых вариантах выполнения проход или отверстие 41 может включать в себя составной угол. Например, проход или отверстие 41 может быть наклонено относительно оси вращения ротора 38. Угол прохода или отверстия 41 может находиться в диапазоне примерно от 0 до 90 градусов относительно оси вращения ротора 38 в направлении С от выпускного отверстия 118 низкого давления в сторону впускного отверстия 120 высокого давления. Угол в направлении С может находиться в диапазоне от 0 до 45 градусов, от 45 до 90 градусов, от 15 до 30 градусов, от 60 до 75 градусов и в любом поддиапазоне. Например, угол в направлении С может быть примерно равен 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 градусам или любому другом значению, находящемуся в указанных пределах. Также проход или отверстие 41 может располагаться под углом таким образом, чтобы проходить тангенциально к трубопроводу 68 ротора. Угол прохода или отверстия 41 может находиться в диапазоне примерно от 0 до 90 градусов относительно оси вращения ротора 38 в направлении D (например, к области 116 уплотнения высокого давления от противоположной области 122 уплотнения) в сторону радиальной стенки ротора 38 или трубопровода 68 ротора. Угол в направлении D может находиться в диапазоне от 0 до 45 градусов, от 45 до 90 градусов, от 15 до 30 градусов, от 60 до 75 градусов и в любом поддиапазоне. Например, угол в направлении D может быть примерно равен 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 градусам или любому другом значению, находящемуся в указанных пределах. В некоторых вариантах выполнения область 116 уплотнения (например, область уплотнения высокого давления) может включать в себя больше одного отверстия 41 рядом с впускным отверстием 120 высокого давления или непосредственно перед ним. В некоторых вариантах выполнения площадь поперечного сечения прохода или отверстия 41 может иметь эллиптическую форму (например, овальную или округлую форму). В других вариантах выполнения проход или отверстие 41 может иметь поперечное сечение другой формы (например, треугольной, прямоугольной, звездообразной и т.д.). Расположение прохода 41, форма прохода 41, угол прохода 41 и/или количество проходов 41 зависит от давления, геометрии трубопровода, сжимаемости используемого флюида и/или скорости вращения ротора 38.
В некоторых вариантах выполнения торцевая крышка 100 может включать в себя один или несколько проходов 41 (в качестве дополнения или альтернативы к проходам 41, описанным со ссылкой на Фиг. 8), расположенных в торцевой крышке 100 в переходной области 110 рядом с выпускным отверстием 104 высокого давления, для упрощения нагнетания давления в объем трубопровода, как описано со ссылкой на Фиг. 9. В некоторых вариантах торцевая крышка 114 может включать в себя один или несколько проходов 41 (в качестве дополнении или альтернативы к проходам 41, описанным со ссылкой на Фиг. 9), расположенных в торцевой крышке 114 в переходной области 121 рядом с выпускным отверстием 118 низкого давления, для упрощения сброса давления из объема трубопровода, как описано со ссылкой на Фиг. 8.
На Фиг. 10 представлен частичный поперечный разрез на виде сверху варианта выполнения ротационного IPX 20 с торцевой крышкой 100 (например, описанной со ссылкой на Фиг. 8), имеющей проход или отверстие 41 для улучшения передачи давления в трубопроводе (например, во время сброса давления из объема трубопровода). В частности, как показано на Фиг. 10, торцевая крышка 100 (например, торцевая крышка впускного отверстия низкого давления) может включать в себя проход или отверстие 41, проходящее через область 102 уплотнения (например, область уплотнения высокого давления) или переходную область (например, от выпускного отверстия 104 высокого давления к впускному отверстию 106 низкого давления) рядом с впускным отверстием 106 низкого давления или непосредственно перед ним. По мере поворота трубопровода 68 ротора в круговом направлении 26 от выпускного отверстия 104 высокого давления к впускному отверстию 106 низкого давления, флюид взаимодействует с областью 102 уплотнения (например, областью уплотнения высокого давления) торцевой крышки 100 до достижения выпускного отверстия 106 низкого давления. Часть флюида (флюида высокого давления (HP)) может выйти из торцевой крышки через первую часть 126 прохода или отверстия 41, расположенного рядом с выпускным отверстием 106 низкого давления или непосредственно перед ним, а затем выходит из торцевой крышки 100 через вторую часть 128 прохода или отверстия 41. Выход части флюида под высоким давлением через проход или отверстие 41 может позволить сбросить давление из объема трубопровода до взаимодействия с флюидом под низким давлением, входящим в трубопровод 68 ротора через впускное отверстие 106 низкого давления. Флюид может выходить через вторую часть 128 прохода или отверстия 41 у радиальной стороны 130 торцевой крышки 100. В других вариантах выполнения вторая часть 128 прохода или отверстия 41 может обеспечивать выход флюида через заднюю часть торцевой крышки 100. Как обсуждалось выше, ось первой части 126 прохода или отверстия 41, расположенного рядом с впускным отверстием 106 низкого давления или непосредственно перед ним, может быть частично направлена тангенциально к направлению вращения ротора и противоположно направлению вращения для создания противодействующей силы и момента в направлении вращения ротора. В некоторых вариантах выполнения первая часть 126 прохода или отверстия 41 может располагаться под углом. В некоторых вариантах выполнения проход или отверстие может включать в себя составной угол. Например, проход или отверстие 41 может быть наклонен относительно оси вращения ротора 38. Угол прохода или отверстия 41 может находиться в диапазоне примерно от 0 до 90 градусов относительно оси вращения ротора 38 в направлении А (см. Фиг. 8) от выпускного отверстия 104 высокого давления в сторону впускного отверстия 106 низкого давления. Угол в направлении А может находиться в диапазоне от 0 до 45 градусов, от 45 до 90 градусов, от 15 до 30 градусов, от 60 до 75 градусов и в любом их поддиапазоне. Например, угол в направлении А может быть примерно равен 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 градусам или любому другом значению, находящемуся в указанных пределах. Также проход или отверстие 41 может располагаться под углом таким образом, чтобы проходить тангенциально к трубопроводу 68 ротора. Угол прохода или отверстия 41 может находиться в диапазоне примерно от 0 до 90 градусов относительно оси вращения ротора 38 в направлении В (см. Фиг. 8) в сторону радиальной стенки ротора 38 или трубопровода 68 ротора. Угол в направлении В может находиться в диапазоне от 0 до 45 градусов, от 45 до 90 градусов, от 15 до 30 градусов, от 60 до 75 градусов и в любом поддиапазоне. Например, угол в направлении В может быть примерно равен 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 градусам или любому другом значению, находящемуся в указанных пределах.
На Фиг. 11 представлен частичный поперечный разрез на виде сверху варианта выполнения ротационного IPX 20 с торцевой крышкой 114 (как описано со ссылкой на Фиг. 9), имеющей проход или отверстие 41 для улучшения передачи давления в трубопроводе (например, во время нагнетания давления в объем трубопровода). В частности, как показано на Фиг. 11, торцевая крышка 114 (например, торцевая крышка впускного отверстия высокого давления) может включать в себя проход или отверстие 41, проходящее через область 116 уплотнения (например, область уплотнения низкого давления) или переходную область (например, от выпускного отверстия 118 низкого давления к впускному отверстию 120 высокого давления) рядом с впускным отверстием 120 высокого давления или непосредственно перед ним. По мере поворота трубопровода 68 ротора в круговом направлении 26 от выпускного отверстия 118 низкого давления к впускному отверстию 120 высокого давления флюид будет взаимодействовать с областью 116 уплотнения (например, областью уплотнения низкого давления) торцевой крышки 114 до достижения впускного отверстия 120 высокого давления. До достижения впускного отверстия 120 высокого давления часть флюида (флюида высокого давления (HP)) может войти в ротор 38 или трубопровод 68 ротора через проход или отверстие 41 в торцевой крышке 114, расположенное рядом с впускным отверстием 120 высокого давления или непосредственно перед ним, для обеспечения увеличения давления флюида в трубопроводе 68 ротора. Сначала флюид попадает в первую часть 132 прохода или отверстия 41 с радиальной стороны 134 торцевой крышки 114, а затем проходит через вторую часть 136 прохода или отверстия 41 в трубопровод 68 ротора. В некоторых вариантах выполнения первая часть 132 прохода или отверстия 41 может пропускать флюид из задней части торцевой крышки 114. Ось входа во вторую часть 136 прохода или отверстия 41, расположенного рядом с впускным отверстием 120 высокого давления или непосредственно перед ним, может быть частично направлена тангенциально к направлению вращения ротора и в направлении вращения. В некоторых вариантах выполнения вторая часть 136 прохода или отверстия может располагаться под углом. В некоторых вариантах выполнения вторая часть 136 прохода или отверстия 41 может включать в себя составной угол. Например, вторая часть 136 канала или отверстия 41 может проходить под углом к оси вращения ротора 38 (и/или к первой части 132 прохода или отверстия 41). Угол второй части 136 прохода или отверстия 41 может находиться в диапазоне примерно от 0 до 90 градусов относительно оси вращения ротора 38 в направлении С (см. Фиг. 9) от выпускного отверстия 118 низкого давления в сторону впускного отверстия 120 высокого давления. Угол в направлении С может находиться в диапазоне от 0 до 45 градусов, от 45 до 90 градусов, от 15 до 30 градусов, от 60 до 75 градусов и в любом поддиапазоне. Например, угол в направлении С может быть примерно равен 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 градусам или любому другом значению, находящемуся в указанных пределах. Также вторая часть 136 прохода или отверстия 41 может располагаться под углом таким образом, чтобы проход или отверстие 41 проходил тангенциально к трубопроводу 68 ротора. Угол второй части 136 прохода или отверстия 41 может находиться в диапазоне примерно от 0 до 90 градусов относительно оси вращения ротора 38 в направлении D (см. Фиг. 9) в сторону радиальной стенки ротора 38 или трубопровода 68 ротора. Угол в направлении D может находиться в диапазоне от 0 до 45 градусов, от 45 до 90 градусов, от 15 до 30 градусов, от 60 до 75 градусов и в любом поддиапазоне. Например, угол в направлении D может быть примерно равен 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 градусам или любому другом значению, находящемуся в указанных пределах.
На Фиг. 12 представлен частичный поперечный разрез на осевом виде сбоку варианта выполнения ротационного IPX 20 с торцевой крышкой 138, имеющей проход или отверстие 41 для улучшения передачи давления в трубопроводе (например, во время сброса давления из объема трубопровода ротора). Следует отметить, что на Фиг. 12 изображена только часть прохода или отверстия 41. Как показано, часть прохода или отверстия 41 может располагаться под углом. В некоторых вариантах выполнения проход или отверстие 41 может включать в себя составной угол. Например, проход или отверстие 41 может проходить под углом относительно оси 66 вращения ротора 38. Угол прохода или отверстия 41 может находиться в диапазоне примерно от 0 до 90 градусов относительно оси 66 вращения ротора 38 в направлении А (см. Фиг. 8) от выпускного отверстия 104 высокого давления в сторону впускного отверстия 106 низкого давления. Угол в направлении А может находиться в диапазоне примерно от 0 до 45 градусов, от 45 до 90 градусов, от 15 до 30 градусов, от 60 до 75 градусов и в любом поддиапазоне. Например, угол в направлении А может быть примерно равен 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 градусам или любому другом значению, находящемуся в указанных пределах.
На Фиг. 13 представлен частичный поперечный разрез на осевом виде сверху варианта выполнения ротационного IPX 20 с торцевой крышкой 140, имеющей проход или отверстие 41 для улучшения передачи давления в трубопроводе (например, во время сброса давления из объема трубопровода ротора). Следует отметить, что на Фиг. 13 изображена только часть прохода или отверстия 41. Также часть прохода или отверстия 41 может располагаться под углом, чтобы проход или отверстие 41 проходил тангенциально к трубопроводу 68 ротора. Угол прохода или отверстия 41 может находиться в диапазоне примерно от 0 до 90 градусов относительно оси 66 вращения ротора 38 в направлении В (см. Фиг. 8) к радиальной стенке ротора 38 или трубопровода 68 ротора. Угол в направлении В может находиться в диапазоне примерно от 0 до 45 градусов, от 45 до 90 градусов, от 15 до 30 градусов, от 60 до 75 градусов и в любом поддиапазоне. Например, угол в направлении В может быть примерно равен 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 градусам или любому другом значению, находящемуся в указанных пределах.
На Фиг. 14 представлен частичный поперечный разрез на осевом виде сбоку варианта выполнения ротационного IPX 20 с торцевой крышкой 142, имеющей проход или отверстие 41 для улучшения передачи давления в трубопроводе (например, во время нагнетания давления в объем трубопровода ротора). Следует отметить, что на Фиг. 14 изображена только часть прохода или отверстия 41. Как показано, часть прохода или отверстия 41 может располагаться под углом. В некоторых вариантах выполнения проход или отверстие 41 может включать в себя составной угол. Например, проход или отверстие 41 может проходить под углом к оси вращения 66 ротора 38. Угол прохода или отверстия 41 может находиться в диапазоне примерно от 0 до 90 градусов относительно оси 66 вращения ротора 38 в направлении С (см. Фиг. 9) от выпускного отверстия 118 низкого давления в сторону впускного отверстия 120 высокого давления. Угол в направлении С может находиться в диапазоне примерно от 0 до 45 градусов, от 45 до 90 градусов, от 15 до 30 градусов, от 60 до 75 градусов и в любом поддиапазоне. Например, угол в направлении С может быть примерно равен 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 градусам или любому другом значению, находящемуся в указанных пределах.
На Фиг. 15 представлен частичный поперечный разрез варианта выполнения ротационного IPX 20 на осевом виде сверху, имеющего торцевую крышку 144 с проходом или отверстием 41 для улучшения передачи давления в трубопроводе (например, во время нагнетания давления в объем трубопровода ротора). Следует отметить, что на Фиг. 15 изображена только часть прохода или отверстия 41. Также часть прохода или отверстия 41 может располагаться под углом, чтобы проходить тангенциально к трубопроводу 68 ротора. Угол прохода или отверстия 41 может находиться в диапазоне примерно от 0 до 90 градусов относительно оси 66 вращения ротора 38 в направлении D (см. Фиг. 9) к радиальной стенке ротора 38 или трубопровода 68 ротора. Угол в направлении D может находиться в диапазоне примерно от 0 до 45 градусов, от 45 до 90 градусов, от 15 до 30 градусов, от 60 до 75 градусов и в любом поддиапазоне. Например, угол в направлении D может быть примерно равен 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 градусам или любому другом значению, находящемуся в указанных пределах.
Некоторые варианты осуществления изобретения приведены в качестве примера на чертежах и подробно описаны в настоящем документе, хотя в настоящее изобретение могут быть внесены различные изменения, и оно может быть реализовано в альтернативных формах. Однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми формами. Напротив, без отступления от сущности и объема настоящего изобретения в него могут быть внесены различные модификации, а также созданы эквивалентные и альтернативные варианты осуществления, как указано в следующих пунктах формулы изобретения.
1. Ротационный изобарический обменник давления (IPX) для передачи энергии давления от первого флюида под высоким давлением второму флюиду под низким давлением, содержащий:
цилиндрический ротор, выполненный с возможностью вращения по окружности вокруг оси вращения и имеющий первую торцевую сторону и вторую торцевую сторону, расположенные друг напротив друга и имеющие несколько каналов, проходящих через них в осевом направлении между соответствующими отверстиями, расположенными в первой и второй торцевых сторонах;
первую торцевую крышку, имеющую первую поверхность, граничащую с первой торцевой стороной ротора и подвижно и герметично соединяющуюся с ней, причем первая торцевая крышка имеет по меньшей мере одно впускное отверстие для первого флюида и по меньшей мере одно выпускное отверстие для первого флюида, которые во время вращения цилиндрического ротора вокруг оси вращения поочередно сообщаются по текучей среде по меньшей мере с одним из указанных нескольких каналов;
вторую торцевую крышку, имеющую вторую поверхность, граничащую со второй торцевой стороной ротора и подвижно и герметично соединяющуюся с ней, причем вторая торцевая крышка имеет по меньшей мере одно впускное отверстие для второго флюида и по меньшей мере одно выпускное отверстие для второго флюида, которые во время вращения цилиндрического ротора вокруг оси вращения поочередно сообщаются по текучей среде по меньшей мере с одним из указанных нескольких каналов;
проход, выполненный сквозь вторую поверхность второй торцевой крышки, причем проход выполнен с возможностью во время вращения цилиндрического ротора вокруг оси вращения сообщаться по текучей среде по меньшей мере с одним из указанных нескольких каналов внутри ротора;
причем впускное отверстие для второго флюида представляет собой впускное отверстие низкого давления для второго флюида, выпускное отверстие для второго флюида представляет собой выпускное отверстие высокого давления для второго флюида, вторая поверхность содержит первую переходную область в направлении вращения от выпускного отверстия высокого давления для второго флюида к впускному отверстию низкого давления для второго флюида, а проход расположен в этой первой переходной области.
2. Ротационный изобарический обменник давления по п. 1, в котором проход выполнен с возможностью во время вращения ротора между выпускным отверстием высокого давления для второго флюида и впускным отверстием низкого давления для второго флюида сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним из нескольких каналов, чтобы понижать давление второго флюида внутри указанного по меньшей мере одного канала до того, как впускное отверстие низкого давления для второго флюида будет сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним каналом.
3. Ротационный изобарический обменник давления по п. 2, в котором проход расположен в первой переходной области ближе к впускному отверстию низкого давления для второго флюида, чем к выпускному отверстию высокого давления для второго флюида.
4. Ротационный изобарический обменник давления по п. 2, в котором проход ориентирован таким образом, чтобы, когда второй флюид течет в проход, создавать противодействующую силу и момент в направлении вращения цилиндрического ротора.
5. Ротационный изобарический обменник давления по п. 2, в котором проход выполнен под углом в направлении от выпускного отверстия высокого давления для второго флюида к впускному отверстию низкого давления для второго флюида, где угол находится в диапазоне от 0 до 90 градусов относительно оси вращения цилиндрического ротора.
6. Ротационный изобарический обменник давления по п. 2, в котором проход выполнен под углом в направлении от первой переходной области ко второй переходной области второй поверхности, расположенной напротив первой переходной области, где угол находится в диапазоне от 0 до 90 градусов относительно оси вращения цилиндрического ротора.
7. Ротационный изобарический обменник давления по п. 2, в котором проход выполнен в виде составного угла.
8. Ротационный изобарический обменник давления по п. 1, в котором впускное отверстие для первого флюида представляет собой впускное отверстие высокого давления для первого флюида, выпускное отверстие для первого флюида представляет собой выпускное отверстие низкого давления для первого флюида, первая поверхность представляет собой вторую переходную область от впускного отверстия высокого давления для первого флюида к выпускному отверстию низкого давления для первого флюида и во второй переходной области расположен второй проход.
9. Ротационный изобарический обменник давления по п. 8, в котором второй проход выполнен с возможностью во время вращения ротора между впускным отверстием высокого давления для первого флюида и выпускным отверстием низкого давления для первого флюида сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним из нескольких каналов для снижения давления первого флюида внутри указанного по меньшей мере одного канала до того, как выпускное отверстие низкого давления для второго флюида будет сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним каналом.
10. Ротационный изобарический обменник давления по п. 1, в котором впускное отверстие для первого флюида представляет собой впускное отверстие высокого давления для первого флюида, выпускное отверстие для первого флюида представляет собой выпускное отверстие низкого давления для первого флюида, первая поверхность представляет собой вторую переходную область от выпускного отверстия низкого давления для первого флюида до впускного отверстия высокого давления для первого флюида и во второй переходной области расположен второй проход.
11. Ротационный изобарический обменник давления по п. 10, в котором второй проход выполнен с возможностью во время вращения ротора между выпускным отверстием низкого давления для первого флюида и впускным отверстием высокого давления для первого флюида сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним из нескольких каналов для увеличения давления первого флюида внутри указанного по меньшей мере одного канала до того, как впускное отверстие высокого давления для первого флюида станет сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним каналом.
12. Ротационный изобарический обменник давления по п. 11, в котором второй проход расположен во второй переходной области ближе к впускному отверстию высокого давления для первого флюида, чем к выпускному отверстию низкого давления для первого флюида.
13. Ротационный изобарический обменник давления по п. 11, в котором второй проход выполнен под углом в направлении от выпускного отверстия низкого давления для первого флюида к впускному отверстию высокого давления для первого флюида, где угол находится в диапазоне от 0 до 90 градусов относительно оси вращения цилиндрического ротора.
14. Ротационный изобарический обменник давления по п. 11, в котором проход выполнен в виде составного угла.
15. Ротационный изобарический обменник давления для передачи энергии давления от первого флюида под высоким давлением второму флюиду, под низким давлением, который содержит:
цилиндрический ротор, выполненный с возможностью вращения по окружности вокруг оси вращения и имеющий первую торцевую сторону и вторую торцевую сторону, расположенные друг напротив друга и имеющие несколько каналов, проходящих через них в осевом направлении между соответствующими отверстиями, расположенными в первой и второй торцевых сторонах;
первую торцевую крышку, имеющую первую поверхность, граничащую с первой торцевой стороной и подвижно и герметично соединяющуюся с ней, причем первая торцевая крышка имеет впускное отверстие низкого давления для второго флюида, выпускное отверстие высокого давления для второго флюида, и первый проход сквозь первую поверхность первой торцевой крышки между впускным отверстием низкого давления для второго флюида и выпускным отверстием высокого давления для второго флюида, причем впускное отверстие низкого давления для второго флюида, выпускное отверстие высокого давления для второго флюида и первый проход выполнены таким образом, чтобы сообщаться по текучей среде с по меньшей мере одним из указанных нескольких каналов; а первый проход выполнен с возможностью во время вращения ротора между выпускным отверстием высокого давления для второго флюида и впускным отверстием низкого давления для второго флюида сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним из нескольких каналов для снижения давления второго флюида внутри указанного по меньшей мере одного канала до того, как впускное отверстие низкого давления для второго флюида начнет сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним каналом; и
вторую торцевую крышку, имеющую вторую поверхность, граничащую со второй торцевой стороной и подвижно и герметично соединяющуюся с ней, причем вторая торцевая крышка имеет впускное отверстие высокого давления для первого флюида, выпускное отверстие низкого давления для первого флюида и второй проход сквозь вторую поверхность второй торцевой крышки между впускным отверстием высокого давления для первого флюида и выпускным отверстием низкого давления для первого флюида, причем впускное отверстие высокого давления для первого флюида, выпускное отверстие низкого давления для первого флюида и второй проход выполнены таким образом, чтобы сообщаться по текучей среде по меньшей мере с одним из указанных нескольких каналов, а второй проход выполнен с возможностью во время вращения ротора между выпускным отверстием низкого давления для первого флюида и впускным отверстием высокого давления для первого флюида сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним из нескольких каналов для увеличения давления первого флюида внутри указанного по меньшей мере одного канала до того, как впускное отверстие высокого давления для первого флюида станет сообщаться по текучей среде с указанным по меньшей мере одним каналом.
16. Ротационный изобарический обменник давления по п. 15, в котором первый проход расположен на первой поверхности ближе к впускному отверстию низкого давления для второго флюида, чем к выпускному отверстию высокого давления для второго флюида, а второй проход расположен на второй поверхности ближе к впускному отверстию высокого давления для первого флюида, чем к выпускному отверстию низкого давления для первого флюида.
17. Ротационный изобарический обменник давления по п. 15, в котором первый проход ориентирован таким образом, чтобы генерировать противодействующую силу и момент в направлении вращения цилиндрического ротора, когда второй флюид течет в первый проход.
18. Ротационный изобарический обменник давления (IPX) для передачи энергии давления от первого флюида под высоким давлением второму флюиду под низким давлением, который содержит:
цилиндрический ротор, выполненный с возможностью вращения по окружности вокруг оси вращения и имеющий первую торцевую сторону и вторую торцевую сторону, расположенные друг напротив друга и имеющие несколько каналов, проходящих через них в осевом направлении между соответствующими отверстиями, расположенными в первой и второй торцевых сторонах; и
первую торцевую крышку, имеющую первую поверхность, граничащую с первой торцевой стороной и подвижно и герметично соединяющуюся с ней, причем первая торцевая крышка имеет по меньшей мере одно впускное отверстие для первого флюида и по меньшей мере одно выпускное отверстие для первого флюида, которые выполнены таким образом, чтобы при вращении цилиндрического ротора вокруг оси вращения поочередно сообщаться по текучей среде с по меньшей мере одним из указанных нескольких каналов;
вторую торцевую крышку, имеющую вторую поверхность, граничащую со второй торцевой лицевой поверхностью и подвижно и герметично соединяющуюся с ней, причем вторая торцевая крышка имеет по меньшей мере одно впускное отверстие для второго флюида и по меньшей мере одно выпускное отверстие для второго флюида, выполненные таким образом, чтобы при вращении цилиндрического ротора вокруг оси вращения поочередно сообщаться по текучей среде с по меньшей мере одним из указанных нескольких каналов; и
проход, выполненный сквозь вторую поверхность второй торцевой крышки, выполненный с возможностью во время вращения цилиндрического ротора вокруг оси вращения сообщаться по текучей среде с по меньшей мере одним из указанных нескольких каналов внутри ротора;
причем впускное отверстие для второго флюида представляет собой впускное отверстие низкого давления, выпускное отверстие для второго флюида представляет собой выпускное отверстие высокого давления, вторая поверхность представляет собой первую переходную область в направлении вращения от впускного отверстия низкого давления для второго флюида к выпускному отверстию высокого давления для второго флюида, а проход расположен на первой переходной области.
