CN111229046A - 针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗装置及方法。包括清洗水箱、自动变频增压泵、脉动流调节装置、两支超滤膜、污水水箱等装置，清洗水由自动变频增压泵从清洗水箱中连续抽取，然后通过清洗管路输送至脉动流调节装置，在脉动流调节装置里，连续流体将变成脉动流体，最后脉动流体运送至超滤膜出水侧，然后携带超滤膜进水侧的污垢返回至污水水箱；使用脉动流对超滤膜进行反冲清洗，通过附着污垢与脉动流频率产生“共振”，且通过不断调节脉动流频率自适应寻找最佳清洗状态。相比于传统的反冲清洗或药物清洗，本发明的清洗高效而又环保，因此可广泛应用于各个行业纯水机的超滤膜清洗。

Description

针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗装置及方法

技术领域

本发明属于净化领域，具体涉及一种针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗装置及方法。

背景技术

纯水机是一种水处理与水净化设备，通过过滤、反渗透、电渗析器、离子交换器、紫外灭菌等方法去除水中所有固体杂质、盐离子、细菌病毒等。纯水机大量应用于医药、电子、化工、生物理化、科研院所实验室等行业。

超滤膜是纯水机内关键部件之一。工作时，令超滤膜两侧的进水压力高于出水压力，在两侧压差形成的推动力作用下，通过超滤膜上的筛孔，可将原水中的杂质、胶体等阻拦在超滤膜的一侧(进水侧，又称原水侧)，而水分子等从超滤膜的另外一侧(出水侧，又称净水侧)流出，从而实现水的净化。

当超滤膜的进水侧被大量污垢、胶体等覆盖后，超滤膜的通流能力将明显下降，即进水和出水之间的压力差保持不变的情况下，出水侧的出水流速明显下降，这将降低纯水机的整体出水能力。

当超滤膜进水侧结垢时(一般以通流能力下降30％为临界点)，通常采用药物清洗和反冲清洗等方法恢复超滤膜的通流能力。药物清洗是指在水内增加酸性或碱性药物，以此清洗覆盖在膜上的污垢，这种方法清洗较为彻底，但操作较为繁琐，且药物过量可能会伤害超滤膜本身。反冲清洗是指让水从出水侧流向进水侧(即水是反向流动的)，以此排走进水侧膜上的污染物，然而反冲清洗的清洗效果难以控制，经常会出现清洗效果不够彻底的现象，因此，业界通常将反冲清洗和药物清洗结合使用，平时多用几次反冲清洗，以此延长药物清洗的清洗周期。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗装置及方法，

使用水流速度周期性变化的脉动流对超滤膜进行反冲清洗，同时通过监测超滤膜两侧的水压和流量，改变并自适应地寻找清洗效果最佳的脉动流频率，使用户可尽量少用甚至不用药物清洗超滤膜，从而最大程度地延长超滤膜的使用寿命。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗装置

包括清洗水箱、污水水箱、自动变频增压泵、脉动流调节装置、两支超滤膜、清洗管路和旁通管路组成；

脉动流调节装置包括阀芯、三通管和电机，阀芯安装于三通管内部，阀芯设有与三通管的三通道相对应的呈Y字形的三通流道，三通管的三通道分别为一个入口和两个出口，阀芯顶部与电机的输出轴相连；

清洗管路包括输出清洗管路、输入清洗管路和输入污水管路，输出清洗管路和输入清洗管路的一端均与清洗水箱相连，输出清洗管路的另一端与自动变频增压泵的输入端相连，自动变频增压泵的输出端通过管道与三通管的入口相连，三通管的两个出口分别连接至两支超滤膜的出水侧，输入清洗管路的另一端端口分流后分别与两支超滤膜的出水侧相连；输入污水管路的一端与污水水箱相连，另一端端口分流后分别与两支超滤膜的进水侧相连；旁通管路一端与清洗水箱相连，旁通管路另一端与自动变频增压泵和三通管之间的管道相连。

从输出清洗管路过来的清洗水，部分能透过超滤膜的清洗水可清洗超滤膜进水侧的污垢，变成污垢水之后返回至污水水箱，另外部分未能透过超滤膜进水侧的清洗水直接通过输入清洗管路返回至清洗水箱。

靠近每个超滤膜的进水侧和出水侧的位置处均设有压力表和流量表。

阀芯在电机的带动下转动；当阀芯转动至三通流道与三通管的三通道一一对应时，三通管的入口和出口相连通；当阀芯转动至三通流道与三通管的三通道不连通时，三通管的入口和出口也不连通，流体被阻隔无法通过；因此当阀芯连续转动时，连续流体在阀芯中呈“流通-阻隔-流通”的反复循环状态，从而使连续流体被切换为一阵一阵的脉动流，单位时间内流体在阀芯中“流通-阻隔”的变化次数为脉动流频率，通过调控阀芯的转动速度控制脉动流频率。

对于阀芯的三通流道，相邻的两个流道的中轴线之间的角度为120度。

二、采用上述装置的一种针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗方法

反冲清洗过程具体为：开启电机启动清洗，自动变频增压泵通过输出清洗管路抽取清洗水箱中的清洗水，自动变频增压泵将清洗水通过管道输送至脉动流调节装置，在脉动流调节装置里连续流体变成脉动流体，脉动流体被运送至超滤膜出水侧，其中部分透过超滤膜进水侧的流体携带进水侧的污垢并通过输入污水管路流入污水水箱，另一部分未能透过超滤膜进水侧的流体通过输入清洗管路导回清洗水箱；

反冲清洗过程中脉动流频率的调节方法包括以下步骤：

步骤1：脉动流频率粗调阶段：开始清洗时的脉动流频率为初始频率，调控脉动流频率从初始频率以ΔH的步长逐步提高，同时计算通流能力增速值，直至通流能力增速值大于预设的第一阈值时，进入脉动流频率细调阶段；

步骤2：脉动流频率细调阶段：调控脉动流频率以Δh的步长逐步提高，直至调节次数为10时停止调节，Δh的值为ΔH的1/10，计算每一次调节过程中的通流能力增速值并进行记录，通过冒泡排序方式选取通流能力增速最大的脉动流频率，并将脉动流稳定在该频率，持续对超滤膜进行反冲清洗，直至通流能力增速值下降至预设的第二阈值；

步骤3：当通流能力增速值下降至预设的第二阈值时，判断此时脉动流频率是否达到预设的清洗频率上限值，当脉动流频率未达到清洗频率上限值时，重复步骤1和步骤2；当脉动流频率达到清洗频率上限值时结束反冲清洗。

所述通流能力增速值的计算方法具体为：通过读取超滤膜出水侧和进水侧的流量表数据计算单位时间内超滤膜两侧的均值流速，将进水侧的均值流速除以出水侧的均值流速得到通流能力值，然后对通流能力值做时间微分计算得到通流能力增速值。

在步骤1的脉动流频率粗调阶段，通过压力表读取超滤膜出水侧的压力，并计算单位时间内出水侧的均值压力，调控脉动流频率的同时通过调节自动变频增压泵的出水压力，使超滤膜出水侧在不同的脉动流频率下受到恒定的均值压力，从而完成对超滤膜出水侧的压力补偿。

在自动变频增压泵的输出流量过大时，水流通过旁通管路直接返回至清洗水箱。

本发明的有益效果是：

1.本发明使用脉动流对超滤膜进行反冲清洗，通过附着污垢与脉动流频率产生“共振”，且通过不断调节脉动流频率自适应寻找最佳清洗状态，相比于传统的反冲清洗或药物清洗，本发明的清洗高效而又环保。

2.本发明清洗效率高，一个脉动流调节装置最多可对两组超滤膜同时发动脉动流清洗，同时多个脉动流调节装置可组合使用，对多组超滤膜同时发动脉动流清洗。

3.本发明设计的脉动流调节装置可将连续流体切换成脉动流体，且整个清洗系统简便，使用方便灵活，成本低廉且绿色环保，因此具有较好的推广性。

附图说明

图1是本发明清洗方法的水路流程图。

图2是本发明清洗装置的装配关系示意图。

图3是本发明脉动流调节装置的装配关系示意图。

图4是本发明脉动流调节装置的工作示意图。

图5是本发明脉动流频率的调节方法示意图。

图6是本发明清洗方法的自适应调节流程图。

图中：清洗水箱(1)、自动变频增压泵(2)、脉动流调节装置(3)、超滤膜(4)、清洗管路(5)、旁通管路(6)、压力表(7)、流量表(8)、污水水箱(9)、阀芯(3C)、三通管(3B)、电机(3A)

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

图1为本发明清洗方法的水路流程图，图2为执行本发明清洗方法的装置系统。如上述两图所示，本发明由清洗水箱1、自动变频增压泵2、脉动流调节装置3、超滤膜4、清洗管路5、旁通管路6、压力表7、流量表8、污水水箱9和控制器组成，清洗水由自动变频增压泵2从清洗水箱1中连续抽取，然后通过清洗管路5输送至脉动流调节装置3，在脉动流调节装置3里，连续流体将变成脉动流体，最后脉动流体运送至超滤膜4出水侧，部分流体透过超滤膜4后携带超滤膜4进水侧的污垢返回至污水水箱9，另外未能透过超滤膜4的部分流体则沿输入清洗管路返回清洗水箱5。另外，若自动变频增压泵2的输出流量过大，则通过与清洗管路相连接的旁通管路直接返回至清洗水箱。

如图3所示，脉动流调节装置由阀芯3C、三通管3B、电机3A三部分组成，其中阀芯3C装在三通管3B内部，电机3A倒扣安装在三通管3B上方，电机伸出杆透过三通管3B与阀芯3C顶部缺口固定。阀芯3C内部有呈Y字形的三通流道，且流道中轴线与流道中轴线之间的角度为120度。

如图4所示是脉动流调节装置的工作示意图，解释了脉动流调节装置如何将连续流体转变为脉动流体：工作时，电机带动阀芯转动，阀芯内部的Y字形三通流道随之同步转动。当阀芯内三通流道与三通管的三通道一一对上时，流体能流过去，当阀芯再转动一角度时流体就被阻隔不能流过去。当阀芯转动时候，连续流体在阀芯中呈“流通-阻隔-流通”反复循环的状态，从而连续流体被切换成一阵一阵的脉动流体。

如图5所示是本发明脉动流频率的调节方法示意图，解释了如何通过阀芯转速调节脉动流频率：当阀芯转动地较快时，脉动流的切换频率较高，当阀芯转动较慢时，脉动流的切换频率较低。因此，可通过电机转速的调节，实现对阀芯转速的调节，最终实现脉动流频率的调节。需补充说明的是，本发明可同时对两支超滤膜进行清洗，但由于两支膜的污垢附着情况不同，因此脉动流频率调节(寻找频率共振点)只针对其中一支超滤膜，其频率扫描的全过程，作为对另一支超滤膜的预清洗，供用户预先测试并记录其频率共振点，提升后续的正式清洗速度。

如图6所示是本发明清洗方法的自适应调节流程图。本发明清洗方法通过附着污垢与脉动流产生同频率“共振”的形式实现最佳/最快的清洗效果，本发明清洗方法由脉动流频率粗调、出水侧压力补偿、脉动流频率细调、通流能力增速计算四个步骤循环执行：

1)脉动流频率粗调阶段：脉动流频率从最低频率即下限频率，按照ΔH的步长逐步提高脉动流频率(脉动流频率的提高，通过电机转速的增加实现)。ΔH的具体数值取决于超滤膜的参数，包括超滤膜的通流面积、通流孔径、超滤膜直径、超滤膜长度、通流纤维数等。值得说明的是，由于污垢附着情况不同，能引起“共振”的脉动流频率是不固定的，且一支超滤膜可能会对应多个最佳清洗频率，因此本发明通过频率从低到高的扫频方式，依次寻找最佳清洗点的频率。

当超滤膜上附着的污垢与脉动流频率达到“共振”时的脉动流频率为最佳清洗频率，当通流能力增速大于预设的第一阈值时，污垢与脉动流频率达到“共振”。

2)脉动流频率细调阶段：当频率粗调满足触发条件(通流能力增速大于预设的第一阈值)时，进入到脉动流频率细调阶段，细调阶段按照Δh的步长逐步增加频率，且Δh的值为ΔH的1/10。在频率细调阶段，控制器会将每个频率对应的通流能力增速记录下来，然后通过冒泡排序方式，找到通流能力增速最大的脉动流频率，并最终将脉动流稳定在该频率，持续对超滤膜进行反冲清洗，直到通流能力的增速逐步下降至预设的第二阈值，再次进入到脉动流频率粗调阶段。

3)出水侧压力补偿：根据控制器的命令调节自动变频增压泵的出水压力，令超滤膜出水侧在不同的脉动流频率下都受到恒定的均值压力。超滤膜出水侧压力补偿，是为后续的通流能力增速计算做准备的，因为即使自动变频增压泵的出水压力保持恒定，但由于脉动流频率在变，最终的均值压力也将发生变化，而在不同的均值压力作用下，不同频率的脉动流对超滤膜通流能力增速的影响不具有可比性。

4)通流能力增速计算：首先分别计算出水侧和进水侧的均值流速(由于脉动流的特点，瞬时流量会呈现忽高忽低，因此需换算成均值流速)，其次将进水侧均值流速除以出水侧均值流速得到通流能力值，然后对通流能力值做时间微分计算得到通流能力增速值，若通流能力增速值高于预设的第一阈值则切换至脉冲流频率细调阶段。通流能力增速计算，在脉动流频率粗调阶段和脉动流频率细调阶段都需要进行，是对频率调整效果的评判依据。需要说明的是，即使脉动流频率不变，只要反冲清洗不停，随着超滤膜进水侧的附着污垢被持续冲走，超滤膜的“通流能力”也是会持续增长的，因此本发明的判断依据是“通流能力增速”，即对通流能力的增长做时间微分，因为本发明不仅希望“通流能力”能增长，还希望“通流能力”增长地快(即总清洗时间最短)。

相比于传统的反冲清洗和药物清洗，本发明通过频率自适应调整的脉动流对超滤膜进行反冲清洗，避免药物对超滤膜损伤的同时，又达到较好的清洗效果，因此本发明可适用于各个行业纯水机的超滤膜清洗。上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗装置，其特征在于，包括清洗水箱(1)、污水水箱(9)、自动变频增压泵(2)、脉动流调节装置(3)、两支超滤膜(4)、清洗管路(5)和旁通管路(6)组成；

脉动流调节装置(3)包括阀芯(3C)、三通管(3B)和电机(3A)，阀芯(3C)安装于三通管(3B)内部，阀芯(3C)设有与三通管(3B)的三通道相对应的呈Y字形的三通流道，三通管(3B)的三通道分别为一个入口和两个出口，阀芯顶部与电机(3A)的输出轴相连；

清洗管路(5)包括输出清洗管路、输入清洗管路和输入污水管路，输出清洗管路和输入清洗管路的一端均与清洗水箱(1)相连，输出清洗管路的另一端与自动变频增压泵(2)的输入端相连，自动变频增压泵(2)的输出端通过管道与三通管(3B)的入口相连，三通管(3B)的两个出口分别连接至两支超滤膜(4)的出水侧，输入清洗管路的另一端端口分流后分别与两支超滤膜(4)的出水侧相连；输入污水管路的一端与污水水箱(9)相连，另一端端口分流后分别与两支超滤膜(4)的进水侧相连；旁通管路(6)一端与清洗水箱(1)相连，旁通管路(6)另一端与自动变频增压泵(2)和三通管(3B)之间的管道相连；

靠近每个超滤膜(4)的进水侧和出水侧的位置处均设有压力表和流量表。

2.根据权利要求1所述的一种针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗装置，其特征在于，阀芯(3C)在电机(3A)的带动下转动；当阀芯(3C)转动至三通流道与三通管(3B)的三通道一一对应时，三通管(3B)的入口和出口相连通；当阀芯转动至三通流道与三通管(3B)的三通道不连通时，三通管(3B)的入口和出口也不连通，流体被阻隔无法通过；因此当阀芯(3C)连续转动时，连续流体在阀芯(3C)中呈“流通-阻隔-流通”的反复循环状态，从而使连续流体被切换为一阵一阵的脉动流，通过调控阀芯(3C)的转动速度控制脉动流频率。

3.根据权利要求1所述的一种针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗装置，其特征在于，对于阀芯(3C)的三通流道，相邻的两个流道的中轴线之间的角度为120度。

4.根据权利要求1-3任一所述装置的一种针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗方法，其特征在于：

反冲清洗过程具体为：开启电机(3A)启动清洗，自动变频增压泵(2)通过输出清洗管路抽取清洗水箱(1)中的清洗水，自动变频增压泵(2)将清洗水通过管道输送至脉动流调节装置(3)，在脉动流调节装置里连续流体变成脉动流体，脉动流体被运送至超滤膜(4)出水侧，其中部分透过超滤膜(4)进水侧的流体携带进水侧的污垢并通过输入污水管路流入污水水箱(9)，另一部分未能透过超滤膜(4)进水侧的流体通过输入清洗管路导回清洗水箱(1)；

反冲清洗过程中脉动流频率的调节方法包括以下步骤：

步骤1：脉动流频率粗调阶段：开始清洗时的脉动流频率为初始频率，调控脉动流频率从初始频率以ΔH的步长逐步提高，同时计算通流能力增速值，直至通流能力增速值大于预设的第一阈值时，进入脉动流频率细调阶段；

步骤2：脉动流频率细调阶段：调控脉动流频率以Δh的步长逐步提高，直至调节次数为10时停止调节，Δh的值为ΔH的1/10，计算每一次调节过程中的通流能力增速值并进行记录，通过冒泡排序方式选取通流能力增速最大的脉动流频率，并将脉动流稳定在该频率，持续对超滤膜(4)进行反冲清洗，直至通流能力增速值下降至预设的第二阈值；

步骤3：当通流能力增速值下降至预设的第二阈值时，判断此时脉动流频率是否达到预设的清洗频率上限值，当脉动流频率未达到清洗频率上限值时，重复步骤1和步骤2；当脉动流频率达到清洗频率上限值时结束反冲清洗。

5.根据权利要求4所述的一种针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗方法，其特征在于：所述通流能力增速值的计算方法具体为：通过读取超滤膜(4)出水侧和进水侧的流量表数据计算单位时间内超滤膜(4)两侧的均值流速，将进水侧的均值流速除以出水侧的均值流速得到通流能力值，然后对通流能力值做时间微分计算得到通流能力增速值。

6.根据权利要求4所述的一种针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗方法，其特征在于：在步骤1的脉动流频率粗调阶段，通过压力表读取超滤膜(4)出水侧的压力，并计算单位时间内出水侧的均值压力，调控脉动流频率的同时通过调节自动变频增压泵(2)的出水压力，使超滤膜(4)出水侧在不同的脉动流频率下受到恒定的均值压力，从而完成对超滤膜(4)出水侧的压力补偿。

7.根据权利要求4所述的一种针对纯水机内超滤膜的自适应反冲清洗方法，其特征在于：在自动变频增压泵(2)的输出流量过大时，水流通过旁通管路(6)直接返回至清洗水箱(1)。

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