專利名稱：用于小型海水淡化系統(tǒng)的柱塞式能量回收高壓泵的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種海水淡化系統(tǒng)，尤其涉及一種用于小型反滲透海水淡化系統(tǒng) 的軸向活塞式(柱塞式)具備能量回收功能的高壓泵。
背景技術：
反滲透淡化技術是利用高壓泵將原料水加壓，使其壓力達到所需的操作壓力，然 后使加壓后的原水流入反滲透膜壓力容器中，透過反滲透膜的淡水成為產品水，而未透過 反滲透膜的濃鹽水則帶著高壓排出。反滲透淡化技術發(fā)展的一個重要目標是降低運行成本，在運行成本的構成中能耗 所占的比重最大，所以降低能耗是降低淡化成本最有效的手段。其中提高高壓泵的效率和 將濃鹽水的余壓回收利用是最重要的兩個方向。將反滲透系統(tǒng)濃鹽水的余壓回收利用技術即為能量回收技術，目前的能量回收裝 置主要有兩種類型，分別是水力透平式能量回收裝置和功交換式能量回收裝置。但目前這 兩種能量回收技術僅適用于中等規(guī)模以上的能量回收裝置。從目前海水淡化的市場來看，由于人們對海水淡化水質的認識以及海水淡化成本 的逐漸下降，海水淡化技術已經被人們所接受。小型海水淡化裝置具有總體投資少、體積 小、可移動性、即買即用等優(yōu)點，非常適宜家庭、船舶、鉆井平臺、小型海島或者其他短期少 量海水淡化需求的場合使用，發(fā)展非常迅速，具有廣闊的市場。一般來說，對于中大型的反滲透海水淡化裝置，噸水能耗已經降到3. 8 4. 5kffh, 而小型的海水淡化裝置的噸水能耗卻要高達9 12kWh。其中最主要的原因有二 一是用 于反滲透海水淡化系統(tǒng)的傳統(tǒng)型式的大型高壓泵的效率高于小型高壓泵；二是沒有特別適 用于小型反滲透海水淡化裝置的能量回收設備，如果采用較大型反滲透海水淡化裝置采用 的能量回收設備型式，或者難以選型，或者投資非常不經濟。

實用新型內容本實用新型針對上述現(xiàn)有技術，提供一種用于小型海水淡化系統(tǒng)的柱塞式能量回 收高壓泵，采用具有該高壓泵的小型反滲透海水淡化系統(tǒng)進行海水淡化解決了目前小型反 滲透海水淡化裝置能耗較高的問題。為了解決上述技術問題，本實用新型用于小型海水淡化系統(tǒng)的柱塞式能量回收高 壓泵予以實現(xiàn)的技術方案是包括電動機和用來給原水增壓柱塞泵頭和用來回收反滲透高 壓濃水能量的柱塞馬達；所述電動機為雙伸軸電動機，其一端的輸出軸與所述柱塞泵頭連 接，其另一端的輸出軸與所述柱塞馬達連接；所述柱塞泵頭和所述柱塞馬達結構相同，均包 括用來容納柱塞泵中心軸和多個平行于柱塞泵中心軸的活塞的泵頭殼體；在泵頭殼體上 設有一進水口和一出水口 ；所述活塞包括與柱塞泵中心軸同軸旋轉的活塞缸體，所述活塞 缸體中設有多個活塞體，所述活塞體與一回程盤連接；還包括一用于使多個平行于柱塞泵 中心軸的活塞體在旋轉時改變其平行于中心軸的相對位置的固定斜盤；所述固定斜盤上設有活塞滑靴，所述多個活塞體位于回程盤的一端均設有活塞固定圓球；所述活塞滑靴具有 用來鉸接活塞一端圓球體的鉸接頭和在固定斜盤上滑動的底部，該底部直徑稍大于回程盤 上的圓孔直徑，鉸接頭穿過回程盤上的活塞孔時，該底部恰好卡在回程盤上；所述活塞缸 體上裝配每個活塞體的活塞孔形成一活塞缸體液腔，所述活塞缸體液腔的底部均設有一通 孔；所述活塞缸體通孔的外端面裝配有配流盤，該配流盤用來分配所述活塞缸體的通孔與 進水口連通還是與出水口連通；所述活塞缸體與回程盤之間設有壓力彈簧，以使活塞滑靴 與固定斜盤之間及活塞缸體通孔與配流盤之間緊密接觸。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果是(1)采用固定斜盤柱塞泵原理作為能量回收高壓泵的泵頭，可以使柱塞泵頭具有 最大程度的容積效率；(2)采用雙輸出軸電動機，并將電動機的兩軸分別與柱塞泵頭與柱塞馬達旋轉軸 相連，在整個能量回收高壓泵上最大程度上減少了齒輪和皮帶等傳動件的使用，使能量回 收高壓泵具有最大的機械效率；(3)采用柱塞泵的逆過程實現(xiàn)對反滲透濃水余壓的回收利用，適宜地解決了小型 反滲透淡化裝置的濃水余壓能量回收問題，可用于規(guī)模在日產淡水50噸/日的反滲透淡化 裝置上，最低可使用與2噸/日的反滲透淡化裝置；(4)采用能量回收裝置、高壓泵頭、電動機一體化設計，整體泵系統(tǒng)設計緊湊、重量 輕，使反滲透系統(tǒng)設計流程更加簡單，減少小型反滲透淡化裝置的體積和重量；(5)采用使用所述能量回收高壓泵的小型海水淡化裝置工藝所設計的小型海水淡 化裝置，噸水能耗從其他小型海水淡化裝置能耗約降低一半。實測比較，目前市場上的小型 海水淡化裝置能耗多在9 12kWh，而采用所述使用能量回收高壓泵的小型海水淡化裝置 工藝所設計的小型海水淡化裝置噸水能耗在4 5kWh。

[0015]圖1是本實用新型中柱塞式能量回收高壓泵的外部結構示意圖；[0016]圖2是圖1中所示高壓泵的軸向剖面示意圖；[0017]圖3是圖1中所示高壓泵俯視剖視圖；[0018]圖4是具有如圖1所示高壓泵的小型反滲透海水淡化裝置工藝流程圖。[0019]圖中[0020]I柱塞泵頭II電動機III柱塞馬達[0021]1、15定位銷2、14固定斜盤3、13回程盤[0022]4、24活塞滑靴5、12活塞缸體6、21活塞缸體液腔[0023]7、11配流盤8電動機定子9電動機轉子[0024]10軸承16活塞固定圓球17、25活塞體[0025]18彈簧19高壓原水出口20高壓濃水入口[0026]23活塞固定圓球25低壓原水入口26低壓濃水出口[0027]27柱塞泵中心軸28電動機輸出軸29柱塞馬達中心軸[0028]31海水32取水泵33預處理組件[0029]34升壓泵35反滲透膜組件36變頻器
4[0030]37 閥門B預處理前海水E高壓海水
38能量回收高壓泵A原海水 C預處理后海水 D次高壓海水 F產水(淡水)G高壓濃水H低壓濃水排放具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細地描述。如圖1所示，本實用新型柱塞式能量回收高壓泵包括用來給原水增壓的柱塞泵 頭I、電動機II和用來回收反滲透高壓濃水能量的柱塞馬達III三部分；可以通過定位銷1 或其他連接方式將上述三部分的中心軸連接形成的共用旋轉軸，如圖2和圖3中示出了柱 塞泵中心軸27與電動機輸出軸28和柱塞馬達輸出軸29 ；以及低壓原水入口 25、高壓原水 出口 19、高壓濃水入口 20和低壓濃水排放口 26。本實用新型中的所述電動機II為雙伸軸電動機，電動機可用三相或兩相電動機， 可根據使用條件進行選擇，該電動機除了具備通常電動機所需有的定子8、轉子9等外，不 同的是具有雙伸輸出軸28，其一端的輸出軸與所述柱塞泵頭I連接，其另一端的輸出軸與 所述柱塞馬達III連接。所述柱塞泵頭I的結構如圖2和圖3中的左部分所示，包括泵頭殼體、配流盤7和 固定斜盤2，所述泵頭殼體用來容納柱塞泵中心軸27和多個平行于柱塞泵中心軸27的活 塞；所述配流盤7用來分配低壓原水進入活塞和從活塞中流出的高壓原水的配流盤7 ；所述 固定斜盤2用于使多個平行于柱塞泵中心軸的活塞體在旋轉時改變其平行于中心軸的相 對位置，即該固定斜盤2可以使多個平行于中心旋轉軸的活塞體17在圍繞柱塞泵中心軸27 旋轉時改變活塞平行于中心軸的相對位置。在泵頭殼體上設有一進水口和一出水口，該進 水口為低壓原水入口 25，該出水口為高壓原水出口 19，所述活塞缸體5中設有多個平行于 柱塞泵中心軸27的活塞體17，活塞體17套在回程盤3上，所述多個活塞體17位于回程盤 3的一端均設有活塞固定圓球16，所述固定斜盤2上設有活塞滑靴4，所述活塞滑靴4具有 用來鉸接活塞一端圓球體的鉸接頭和在固定斜盤上滑動的底部，該底部直徑稍大于回程盤 上的圓孔直徑，鉸接頭穿過回程盤上的活塞孔時，該底部恰好卡在回程盤上，從而保證活塞 體17可以在活塞滑靴4上以任何角度轉動而不脫離活塞滑靴4。即，活塞體17底部的活塞 滑靴4可在固定斜盤2上滑動，所述活塞缸體5上裝配每個活塞體17的活塞孔形成一活塞 缸體液腔6，所述活塞缸體液腔6的底部均設有一通孔；所述配流盤7裝配在活塞缸體通孔 的外端面上，該配流盤7用來分配所述活塞缸體5的通孔與進水口連通還是與出水口連通， 所述配流盤上設有對稱的U型孔，所述進水口或出水口通過配流盤上的U型孔與活塞缸體 的通孔連通。在回程盤3和活塞缸體5之間安裝壓力彈簧使活塞滑靴4與固定斜盤2緊密 接觸，同時使活塞缸體5上的進、出水端與配流盤7緊密接觸。所述柱塞馬達III的結構如圖2和圖3中的右部分所示，該柱塞馬達III的結構與上 述柱塞泵頭I的結構基本一致，主要包括容納柱塞馬達中心軸29和多個活塞體22的外殼， 外殼上是有高壓濃水入口 20和低壓濃水出口 26 ；用來分配低壓原水進入活塞和從活塞中 流出的高壓原水的配流盤11 ；用于使多個平行于柱塞馬達中心軸29的活塞體22在圍繞該 中心軸29旋轉時改變活塞平行于中心軸的相對位置的固定斜盤14。其他細節(jié)不再贅述。[0039]本實用新型能量回收高壓泵適宜的是，柱塞泵頭I的中心軸27、電動機的雙伸輸 出軸28和柱塞馬達中心軸29通過定位銷等方式相對固定成一個旋轉軸，既減少了齒輪、皮 帶等傳動件的使用，增加了機械效率，也最大限度上節(jié)約了能量回收高壓泵的體積和重量。如圖4所示，本實用新型一種小型反滲透海水淡化裝置，至少包括由管路連接的 吸水泵32、預處理組件33和反滲透膜組件35，與所述反滲透膜組件35還連接有如權利要 求1所述的能量回收高壓泵38，所述能量回收高壓泵38的進出水口連接如下所述低壓原 水入口 25與所述預處理組件33連接，所述高壓原水出口 19與反滲透膜組件35的進水口 連接，所述高壓濃水入口 20與所述反滲透膜組件35的高壓濃水出口連接，所述所述柱塞馬 達III的出水口為低壓濃水排放口 26。所述的能量回收高壓泵38采用變頻器36來控制電動 機的轉速，從而可以有效地控制所述能量回收高壓泵38的出水流量。所述反滲透膜組件35 的高壓濃水出口與所述能量回收高壓泵的高壓濃水入口之間可以設置閥門37，以控制反滲 透脫鹽所需的壓力。通過低壓原水入口 25進入到能量回收高壓泵38的原水壓力范圍在 0. 2MPa 0. 5Mpa ；如果經過預處理的原水壓力滿足最低壓力0. 2MPa的要求，則直接進入能 量回收高壓泵；如果經過預處理的原水壓力< 0. 2MPa,則需要在預處理組件33與能量回收 高壓泵38之間設置一升壓泵34，從而，將原水壓力提升到> 0. 2Mpa。使用上述小型反滲透海水淡化裝置進行海水淡化的工藝過程是海水經過吸水 泵32泵入預處理組件33 ；預處理后海水通過低壓原水入口 25進入到所述能量回收高壓泵 38 ；經過柱塞泵頭I增壓后從高壓原水出口 19進入到反滲透膜組件35中的反滲透壓力容 器，其中，經過反滲透膜脫鹽后的淡水即淡化處理后的產水；而從反滲透壓力容器出來的濃 鹽水通過高壓濃水入口 20進入到所述能量回收高壓泵38，由柱塞馬達III回收余壓，回收余 壓后的低壓濃鹽水從能量回收高壓泵38的低壓濃水出口排放。實現(xiàn)所述的使用能量回收 高壓泵的小型反滲透海水淡化裝置工藝的小型淡化裝置，包括吸水泵(或提升泵)、預處理 組件、升壓泵(根據預處理后的原水壓力確定是否需要)、所述能量回收高壓泵和反滲透膜 組件等設備。下面，根據裝置運行過程中的一個環(huán)節(jié)的實例，進一步說明本實用新型能量回收 高壓泵是如何實現(xiàn)對小型反滲透淡化系統(tǒng)濃水的能量回收和對原水的增壓。對整體能量回收高壓泵來講，柱塞泵頭I用來給原水增壓到所需壓力，柱塞馬達 III用來回收濃水的余壓實現(xiàn)能量回收，電動機II用來補充柱塞馬達給原水增壓所需扭矩的 不足。原水從柱塞泵頭I的低壓原水入口 25進入柱塞泵頭，通過配流盤7進入活塞缸體 液腔6中。加壓后的原水從活塞缸體液腔6中流出，通過配流盤7從高壓原水出口 19流出。 活塞體17的尾部具有固定圓球16，圓球16鉸接在活塞滑靴4上，可以任意角度旋轉而不脫 離活塞滑靴4，鉸接了活塞滑靴4的活塞體17套在回程盤3上，并安裝在活塞缸體5的活塞 缸體液腔6中。固定斜盤2通過定位銷1固定在柱塞泵頭I的底部，由于回程盤7與活塞 缸體5之間安裝了壓力彈簧18，可以確?；钊?與固定斜盤2緊密接觸，并在固定斜盤 2上旋轉滑動?；钊左w5與柱塞泵中心軸27相固定且隨該中心軸27旋轉并帶著活塞缸 體液腔6中的數(shù)個活塞體17圍繞其中心軸27旋轉且在固定斜盤2上滑行。由于活塞滑靴 4緊貼固定斜盤2旋轉，因此活塞的平行于中心軸的相對位置會隨著旋轉而變化，當活塞體 17遠離配流盤7時，原水通過配流盤7進入活塞缸體液腔6中，當活塞體17向配流盤7方向運動時，活塞體17將原水增壓并通過配流盤7從高壓原水出口 19泵出?；钊左w5旋 轉的速度越快，其泵出的原水流量越大。柱塞馬達III對高壓濃水余壓實現(xiàn)能量回收的過程在原理上為柱塞泵頭I給原水 增壓過程的逆過程。即高壓濃水從的高壓濃水入口 20進入柱塞馬達III，并通過配流盤11 進入活塞缸體液腔21，釋放余壓后的低壓濃水從活塞缸體液腔21的通孔中流出，通過配流 盤11從低壓濃水出口 26排放。由于高壓濃水在活塞缸體液腔21中給活塞體22 —個面向 固定斜盤14的壓力，使活塞體22具有一個向固定斜盤14方向的運動趨勢，這樣，固定斜盤 14就給活塞體22 —個垂直于斜盤表面方向的反作用力，這個反作用力產生了一個垂直柱 塞馬達輸出軸29且與輸出軸29不共面的分力，由于活塞體22裝在活塞缸體12的液腔21 中，活塞缸體就具有了一個帶動輸出軸選擇的扭矩。隨著活塞缸體12帶著活塞體22繞輸 送軸旋轉，濃水的余壓釋放轉化成柱塞馬達的機械能。在活塞缸體12的旋轉過程中，由于 斜盤14推著活塞體22向配流盤11方向運動，釋放了能量的濃水就被活塞體22給推出液 腔21，通過配流盤11從低壓濃水排放口 26排出。本實用新型中的電動機II為雙輸出軸電動機，位于柱塞泵頭I和柱塞馬達III之 間。電動機的雙輸出軸28分別于柱塞泵頭I的中心軸27和柱塞馬達的III的輸出軸29固 定連接，由于柱塞馬達III通過回收濃水余壓提供的扭矩，大大降低了電動機II為原水增壓 所需提供的扭矩，即大大節(jié)約了電動機的功耗。下面對使用該能量回收高壓泵的小型海水淡化裝置工藝的實施過程加以說明原 海水A經取水泵32或吸水泵32，預處理前海水B進入預處理組件(系統(tǒng))33，經過預處理 系統(tǒng)凈化達到反滲透膜的進水要求后，預處理后海水C經能量回收高壓泵38加壓到所需壓 力后，高壓海水E進入反滲透膜壓力容器35，透過反滲透膜的即為產水F，高壓濃水G進入 能量回收高壓泵38，從而回收利用余壓給預處理后海水C進行了增壓，如此，實現(xiàn)反滲透濃 水能量回收機海水淡化過程。另外，在預處理后海水進入能量回收高壓泵38的低壓原水入口 25之前，根據其水 壓不同還應包括下述的過程因為在進入能量回收高壓泵38的低壓原水入口 25的原水壓 力最好控制在0. 2MPa 0. 5Mpa,如果經過預處理后的海水C的壓力滿足最低壓力0. 2MPa 的要求，可以如上所述直接進入能量回收高壓泵38的低壓原水入口 25 ；如果該預處理后海 水C不能滿足最低壓力0. 2MPa的壓力要求，則需要設置升壓泵34將預處理后海水的壓力 提升到能量回收高壓泵38的低壓原水入口 25的所需壓力范圍的次高壓海水D。盡管上面結合圖對本實用新型進行了描述，但是本實用新型并不局限于上述的具 體實施方式，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人 員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些 均屬于本實用新型的保護之內。
權利要求一種用于小型海水淡化系統(tǒng)的柱塞式能量回收高壓泵，包括電動機(Ⅱ)，其特征在于，還包括用來給原水增壓柱塞泵頭(Ⅰ)和用來回收反滲透高壓濃水能量的柱塞馬達(Ⅲ)；所述電動機(Ⅱ)為雙伸軸電動機，其一端的輸出軸與所述柱塞泵頭(Ⅰ)連接，其另一端的輸出軸與所述柱塞馬達(Ⅲ)連接；所述柱塞泵頭(Ⅰ)和所述柱塞馬達(Ⅲ)結構相同，均包括用來容納柱塞泵中心軸和多個平行于柱塞泵中心軸的活塞的泵頭殼體；在泵頭殼體上設有一進水口和一出水口；所述活塞包括與柱塞泵中心軸同軸旋轉的活塞缸體，所述活塞缸體中設有多個活塞體，所述活塞體與一回程盤連接；還包括一用于使多個平行于柱塞泵中心軸的活塞體在旋轉時改變其平行于中心軸的相對位置的固定斜盤；所述固定斜盤上設有活塞滑靴，所述多個活塞體位于回程盤的一端均設有活塞固定圓球，所述滑靴具有用來鉸接活塞一端圓球體的鉸接頭和在固定斜盤上滑動的底部，該底部直徑稍大于回程盤上的圓孔直徑，鉸接頭穿過回程盤上的活塞孔時，該底部恰好卡在回程盤上；所述活塞缸體上裝配每個活塞體的活塞孔形成一活塞缸體液腔，所述活塞缸體液腔的底部均設有一通孔；所述活塞缸體通孔的外端面裝配有配流盤，該配流盤用來分配所述活塞缸體的通孔與進水口連通還是與出水口連通；所述活塞缸體與回程盤之間設有壓力彈簧，以使活塞滑靴與固定斜盤之間及活塞缸體通孔與配流盤之間緊密接觸。
2.根據權利要求1所述柱塞式能量回收高壓泵，其特征在于，所述柱塞泵頭(I)中的 進水口為低壓原水入口(25)，所述出水口為高壓原水出口(19)，所述配流盤(7)用來分配 低壓原水進入活塞還是從活塞中流出高壓原水。
3.根據權利要求1所述柱塞式能量回收高壓泵，其特征在于，所述柱塞馬達(III)中的 進水口為高壓濃水入口(20)，所述出水口為低壓濃水排放口(26)；所述配流盤(11)用來分 配高壓濃水進入活塞還是從活塞中流出低壓濃水。
4.根據權利要求1所述柱塞式能量回收高壓泵，其特征在于，所述電動機(II)為三相 或兩相電動機。
5.根據權利要求1所述柱塞式能量回收高壓泵，其特征在于，所述配流盤上設有對稱 的U型孔，所述進水口或出水口通過配流盤上的U型孔與活塞缸體的通孔連通。
6.根據權利要求1所述柱塞式能量回收高壓泵，其特征在于，該高壓泵中所有部件均 由耐腐蝕材料制成。
7.根據權利要求6所述柱塞式能量回收高壓泵，其特征在于，所述耐腐蝕材料包括雙 相不銹鋼、超雙相不銹鋼和碳纖維加固的聚醚醚酮。
專利摘要本實用新型公開了一種柱塞式能量回收高壓泵，包括低壓原水入口、高壓原水出口、高壓濃水入口和低壓濃水排放口及用來給原水增壓的柱塞泵頭、雙伸軸電動機和用來回收反滲透高壓濃水能量的柱塞馬達，三部分為共用旋轉軸。小型反滲透海水淡化裝置至少還包括吸水泵、預處理組件和反滲透膜組件。其工藝過程是海水經過預處理后，進入高壓泵經增壓后從高壓原水出口進入反滲透膜壓力容器，經過反滲透膜脫鹽后的淡水為產水，從反滲透壓力容器出來的濃鹽水進入高壓泵進行回收余壓，回收余壓后的低壓濃鹽水從能量回收高壓泵的低壓濃水出口排放。本實用新型可以實現(xiàn)對原水增壓的同時還可以回收利用反滲透高壓濃水的能量，從而降低反滲透系統(tǒng)的能耗。
文檔編號C02F1/44GK201714609SQ20102026404
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月20日 優(yōu)先權日2010年7月20日
發(fā)明者馮厚軍, 初喜章, 張乾, 王生輝, 趙河立 申請人:國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所