CN201714609U - 用于小型海水淡化系统的柱塞式能量回收高压泵 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柱塞式能量回收高压泵，包括低压原水入口、高压原水出口、高压浓水入口和低压浓水排放口及用来给原水增压的柱塞泵头、双伸轴电动机和用来回收反渗透高压浓水能量的柱塞马达，三部分为共用旋转轴。小型反渗透海水淡化装置至少还包括吸水泵、预处理组件和反渗透膜组件。其工艺过程是海水经过预处理后，进入高压泵经增压后从高压原水出口进入反渗透膜压力容器，经过反渗透膜脱盐后的淡水为产水，从反渗透压力容器出来的浓盐水进入高压泵进行回收余压，回收余压后的低压浓盐水从能量回收高压泵的低压浓水出口排放。本实用新型可以实现对原水增压的同时还可以回收利用反渗透高压浓水的能量，从而降低反渗透系统的能耗。

Description

用于小型海水淡化系统的柱塞式能量回收高压泵

技术领域

本实用新型涉及一种海水淡化系统，尤其涉及一种用于小型反渗透海水淡化系统的轴向活塞式(柱塞式)具备能量回收功能的高压泵。

背景技术

反渗透淡化技术是利用高压泵将原料水加压，使其压力达到所需的操作压力，然后使加压后的原水流入反渗透膜压力容器中，透过反渗透膜的淡水成为产品水，而未透过反渗透膜的浓盐水则带着高压排出。

反渗透淡化技术发展的一个重要目标是降低运行成本，在运行成本的构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。其中提高高压泵的效率和将浓盐水的余压回收利用是最重要的两个方向。

将反渗透系统浓盐水的余压回收利用技术即为能量回收技术，目前的能量回收装置主要有两种类型，分别是水力透平式能量回收装置和功交换式能量回收装置。但目前这两种能量回收技术仅适用于中等规模以上的能量回收装置。

从目前海水淡化的市场来看，由于人们对海水淡化水质的认识以及海水淡化成本的逐渐下降，海水淡化技术已经被人们所接受。小型海水淡化装置具有总体投资少、体积小、可移动性、即买即用等优点，非常适宜家庭、船舶、钻井平台、小型海岛或者其他短期少量海水淡化需求的场合使用，发展非常迅速，具有广阔的市场。

一般来说，对于中大型的反渗透海水淡化装置，吨水能耗已经降到3.8～4.5kWh，而小型的海水淡化装置的吨水能耗却要高达9～12kWh。其中最主要的原因有二：一是用于反渗透海水淡化系统的传统型式的大型高压泵的效率高于小型高压泵；二是没有特别适用于小型反渗透海水淡化装置的能量回收设备，如果采用较大型反渗透海水淡化装置采用的能量回收设备型式，或者难以选型，或者投资非常不经济。

实用新型内容

本实用新型针对上述现有技术，提供一种用于小型海水淡化系统的柱塞式能量回收高压泵，采用具有该高压泵的小型反渗透海水淡化系统进行海水淡化解决了目前小型反渗透海水淡化装置能耗较高的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型用于小型海水淡化系统的柱塞式能量回收高压泵予以实现的技术方案是：包括电动机和用来给原水增压柱塞泵头和用来回收反渗透高压浓水能量的柱塞马达；所述电动机为双伸轴电动机，其一端的输出轴与所述柱塞泵头连接，其另一端的输出轴与所述柱塞马达连接；所述柱塞泵头和所述柱塞马达结构相同，均包括：用来容纳柱塞泵中心轴和多个平行于柱塞泵中心轴的活塞的泵头壳体；在泵头壳体上设有一进水口和一出水口；所述活塞包括与柱塞泵中心轴同轴旋转的活塞缸体，所述活塞缸体中设有多个活塞体，所述活塞体与一回程盘连接；还包括一用于使多个平行于柱塞泵中心轴的活塞体在旋转时改变其平行于中心轴的相对位置的固定斜盘；所述固定斜盘上设有活塞滑靴，所述多个活塞体位于回程盘的一端均设有活塞固定圆球；所述活塞滑靴具有用来铰接活塞一端圆球体的铰接头和在固定斜盘上滑动的底部，该底部直径稍大于回程盘上的圆孔直径，铰接头穿过回程盘上的活塞孔时，该底部恰好卡在回程盘上；所述活塞缸体上装配每个活塞体的活塞孔形成一活塞缸体液腔，所述活塞缸体液腔的底部均设有一通孔；所述活塞缸体通孔的外端面装配有配流盘，该配流盘用来分配所述活塞缸体的通孔与进水口连通还是与出水口连通；所述活塞缸体与回程盘之间设有压力弹簧，以使活塞滑靴与固定斜盘之间及活塞缸体通孔与配流盘之间紧密接触。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)采用固定斜盘柱塞泵原理作为能量回收高压泵的泵头，可以使柱塞泵头具有最大程度的容积效率；

(2)采用双输出轴电动机，并将电动机的两轴分别与柱塞泵头与柱塞马达旋转轴相连，在整个能量回收高压泵上最大程度上减少了齿轮和皮带等传动件的使用，使能量回收高压泵具有最大的机械效率；

(3)采用柱塞泵的逆过程实现对反渗透浓水余压的回收利用，适宜地解决了小型反渗透淡化装置的浓水余压能量回收问题，可用于规模在日产淡水50吨/日的反渗透淡化装置上，最低可使用与2吨/日的反渗透淡化装置；

(4)采用能量回收装置、高压泵头、电动机一体化设计，整体泵系统设计紧凑、重量轻，使反渗透系统设计流程更加简单，减少小型反渗透淡化装置的体积和重量；

(5)采用使用所述能量回收高压泵的小型海水淡化装置工艺所设计的小型海水淡化装置，吨水能耗从其他小型海水淡化装置能耗约降低一半。实测比较，目前市场上的小型海水淡化装置能耗多在9～12kWh，而采用所述使用能量回收高压泵的小型海水淡化装置工艺所设计的小型海水淡化装置吨水能耗在4～5kWh。

附图说明

图1是本实用新型中柱塞式能量回收高压泵的外部结构示意图；

图2是图1中所示高压泵的轴向剖面示意图；

图3是图1中所示高压泵俯视剖视图；

图4是具有如图1所示高压泵的小型反渗透海水淡化装置工艺流程图。

图中：

Ⅰ柱塞泵头            Ⅱ电动机         Ⅲ柱塞马达

1、15定位销          2、14固定斜盘    3、13回程盘

4、24活塞滑靴        5、12活塞缸体    6、21活塞缸体液腔

7、11配流盘       8电动机定子        9电动机转子

10轴承            16活塞固定圆球    17、25活塞体

18弹簧            19高压原水出口    20高压浓水入口

23活塞固定圆球    25低压原水入口    26低压浓水出口

27柱塞泵中心轴    28电动机输出轴    29柱塞马达中心轴

31海水            32取水泵          33预处理组件

34升压泵          35反渗透膜组件    36变频器

37阀门            38能量回收高压泵  A原海水

B预处理前海水     C预处理后海水     D次高压海水

E高压海水         F产水(淡水)       G高压浓水

H低压浓水排放

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地描述。

如图1所示，本实用新型柱塞式能量回收高压泵包括：用来给原水增压的柱塞泵头Ⅰ、电动机Ⅱ和用来回收反渗透高压浓水能量的柱塞马达Ⅲ三部分；可以通过定位销1或其他连接方式将上述三部分的中心轴连接形成的共用旋转轴，如图2和图3中示出了柱塞泵中心轴27与电动机输出轴28和柱塞马达输出轴29；以及低压原水入口25、高压原水出口19、高压浓水入口20和低压浓水排放口26。

本实用新型中的所述电动机Ⅱ为双伸轴电动机，电动机可用三相或两相电动机，可根据使用条件进行选择，该电动机除了具备通常电动机所需有的定子8、转子9等外，不同的是具有双伸输出轴28，其一端的输出轴与所述柱塞泵头Ⅰ连接，其另一端的输出轴与所述柱塞马达Ⅲ连接。

所述柱塞泵头Ⅰ的结构如图2和图3中的左部分所示，包括泵头壳体、配流盘7和固定斜盘2，所述泵头壳体用来容纳柱塞泵中心轴27和多个平行于柱塞泵中心轴27的活塞；所述配流盘7用来分配低压原水进入活塞和从活塞中流出的高压原水的配流盘7；所述固定斜盘2用于使多个平行于柱塞泵中心轴的活塞体在旋转时改变其平行于中心轴的相对位置，即该固定斜盘2可以使多个平行于中心旋转轴的活塞体17在围绕柱塞泵中心轴27旋转时改变活塞平行于中心轴的相对位置。在泵头壳体上设有一进水口和一出水口，该进水口为低压原水入口25，该出水口为高压原水出口19，所述活塞缸体5中设有多个平行于柱塞泵中心轴27的活塞体17，活塞体17套在回程盘3上，所述多个活塞体17位于回程盘3的一端均设有活塞固定圆球16，所述固定斜盘2上设有活塞滑靴4，所述活塞滑靴4具有用来铰接活塞一端圆球体的铰接头和在固定斜盘上滑动的底部，该底部直径稍大于回程盘上的圆孔直径，铰接头穿过回程盘上的活塞孔时，该底部恰好卡在回程盘上，从而保证活塞体17可以在活塞滑靴4上以任何角度转动而不脱离活塞滑靴4。即，活塞体17底部的活塞滑靴4可在固定斜盘2上滑动，所述活塞缸体5上装配每个活塞体17的活塞孔形成一活塞缸体液腔6，所述活塞缸体液腔6的底部均设有一通孔；所述配流盘7装配在活塞缸体通孔的外端面上，该配流盘7用来分配所述活塞缸体5的通孔与进水口连通还是与出水口连通，所述配流盘上设有对称的U型孔，所述进水口或出水口通过配流盘上的U型孔与活塞缸体的通孔连通。在回程盘3和活塞缸体5之间安装压力弹簧使活塞滑靴4与固定斜盘2紧密接触，同时使活塞缸体5上的进、出水端与配流盘7紧密接触。

所述柱塞马达Ⅲ的结构如图2和图3中的右部分所示，该柱塞马达Ⅲ的结构与上述柱塞泵头Ⅰ的结构基本一致，主要包括容纳柱塞马达中心轴29和多个活塞体22的外壳，外壳上是有高压浓水入口20和低压浓水出口26；用来分配低压原水进入活塞和从活塞中流出的高压原水的配流盘11；用于使多个平行于柱塞马达中心轴29的活塞体22在围绕该中心轴29旋转时改变活塞平行于中心轴的相对位置的固定斜盘14。其他细节不再赘述。

本实用新型能量回收高压泵适宜的是，柱塞泵头Ⅰ的中心轴27、电动机的双伸输出轴28和柱塞马达中心轴29通过定位销等方式相对固定成一个旋转轴，既减少了齿轮、皮带等传动件的使用，增加了机械效率，也最大限度上节约了能量回收高压泵的体积和重量。

如图4所示，本实用新型一种小型反渗透海水淡化装置，至少包括由管路连接的吸水泵32、预处理组件33和反渗透膜组件35，与所述反渗透膜组件35还连接有如权利要求1所述的能量回收高压泵38，所述能量回收高压泵38的进出水口连接如下：所述低压原水入口25与所述预处理组件33连接，所述高压原水出口19与反渗透膜组件35的进水口连接，所述高压浓水入口20与所述反渗透膜组件35的高压浓水出口连接，所述所述柱塞马达Ⅲ的出水口为低压浓水排放口26。所述的能量回收高压泵38采用变频器36来控制电动机的转速，从而可以有效地控制所述能量回收高压泵38的出水流量。所述反渗透膜组件35的高压浓水出口与所述能量回收高压泵的高压浓水入口之间可以设置阀门37，以控制反渗透脱盐所需的压力。通过低压原水入口25进入到能量回收高压泵38的原水压力范围在0.2MPa～0.5Mpa；如果经过预处理的原水压力满足最低压力0.2MPa的要求，则直接进入能量回收高压泵；如果经过预处理的原水压力＜0.2MPa，则需要在预处理组件33与能量回收高压泵38之间设置一升压泵34，从而，将原水压力提升到≥0.2Mpa。

使用上述小型反渗透海水淡化装置进行海水淡化的工艺过程是：海水经过吸水泵32泵入预处理组件33；预处理后海水通过低压原水入口25进入到所述能量回收高压泵38；经过柱塞泵头Ⅰ增压后从高压原水出口19进入到反渗透膜组件35中的反渗透压力容器，其中，经过反渗透膜脱盐后的淡水即淡化处理后的产水；而从反渗透压力容器出来的浓盐水通过高压浓水入口20进入到所述能量回收高压泵38，由柱塞马达Ⅲ回收余压，回收余压后的低压浓盐水从能量回收高压泵38的低压浓水出口排放。实现所述的使用能量回收高压泵的小型反渗透海水淡化装置工艺的小型淡化装置，包括吸水泵(或提升泵)、预处理组件、升压泵(根据预处理后的原水压力确定是否需要)、所述能量回收高压泵和反渗透膜组件等设备。

下面，根据装置运行过程中的一个环节的实例，进一步说明本实用新型能量回收高压泵是如何实现对小型反渗透淡化系统浓水的能量回收和对原水的增压。

对整体能量回收高压泵来讲，柱塞泵头Ⅰ用来给原水增压到所需压力，柱塞马达Ⅲ用来回收浓水的余压实现能量回收，电动机Ⅱ用来补充柱塞马达给原水增压所需扭矩的不足。

原水从柱塞泵头Ⅰ的低压原水入口25进入柱塞泵头，通过配流盘7进入活塞缸体液腔6中。加压后的原水从活塞缸体液腔6中流出，通过配流盘7从高压原水出口19流出。活塞体17的尾部具有固定圆球16，圆球16铰接在活塞滑靴4上，可以任意角度旋转而不脱离活塞滑靴4，铰接了活塞滑靴4的活塞体17套在回程盘3上，并安装在活塞缸体5的活塞缸体液腔6中。固定斜盘2通过定位销1固定在柱塞泵头Ⅰ的底部，由于回程盘7与活塞缸体5之间安装了压力弹簧18，可以确保活塞滑靴4与固定斜盘2紧密接触，并在固定斜盘2上旋转滑动。活塞缸体5与柱塞泵中心轴27相固定且随该中心轴27旋转并带着活塞缸体液腔6中的数个活塞体17围绕其中心轴27旋转且在固定斜盘2上滑行。由于活塞滑靴4紧贴固定斜盘2旋转，因此活塞的平行于中心轴的相对位置会随着旋转而变化，当活塞体17远离配流盘7时，原水通过配流盘7进入活塞缸体液腔6中，当活塞体17向配流盘7方向运动时，活塞体17将原水增压并通过配流盘7从高压原水出口19泵出。活塞缸体5旋转的速度越快，其泵出的原水流量越大。

柱塞马达Ⅲ对高压浓水余压实现能量回收的过程在原理上为柱塞泵头Ⅰ给原水增压过程的逆过程。即：高压浓水从的高压浓水入口20进入柱塞马达Ⅲ，并通过配流盘11进入活塞缸体液腔21，释放余压后的低压浓水从活塞缸体液腔21的通孔中流出，通过配流盘11从低压浓水出口26排放。由于高压浓水在活塞缸体液腔21中给活塞体22一个面向固定斜盘14的压力，使活塞体22具有一个向固定斜盘14方向的运动趋势，这样，固定斜盘14就给活塞体22一个垂直于斜盘表面方向的反作用力，这个反作用力产生了一个垂直柱塞马达输出轴29且与输出轴29不共面的分力，由于活塞体22装在活塞缸体12的液腔21中，活塞缸体就具有了一个带动输出轴选择的扭矩。随着活塞缸体12带着活塞体22绕输送轴旋转，浓水的余压释放转化成柱塞马达的机械能。在活塞缸体12的旋转过程中，由于斜盘14推着活塞体22向配流盘11方向运动，释放了能量的浓水就被活塞体22给推出液腔21，通过配流盘11从低压浓水排放口26排出。

本实用新型中的电动机Ⅱ为双输出轴电动机，位于柱塞泵头Ⅰ和柱塞马达Ⅲ之间。电动机的双输出轴28分别于柱塞泵头Ⅰ的中心轴27和柱塞马达的Ⅲ的输出轴29固定连接，由于柱塞马达Ⅲ通过回收浓水余压提供的扭矩，大大降低了电动机Ⅱ为原水增压所需提供的扭矩，即大大节约了电动机的功耗。

下面对使用该能量回收高压泵的小型海水淡化装置工艺的实施过程加以说明：原海水A经取水泵32或吸水泵32，预处理前海水B进入预处理组件(系统)33，经过预处理系统净化达到反渗透膜的进水要求后，预处理后海水C经能量回收高压泵38加压到所需压力后，高压海水E进入反渗透膜压力容器35，透过反渗透膜的即为产水F，高压浓水G进入能量回收高压泵38，从而回收利用余压给预处理后海水C进行了增压，如此，实现反渗透浓水能量回收机海水淡化过程。

另外，在预处理后海水进入能量回收高压泵38的低压原水入口25之前，根据其水压不同还应包括下述的过程：因为在进入能量回收高压泵38的低压原水入口25的原水压力最好控制在0.2MPa～0.5Mpa，如果经过预处理后的海水C的压力满足最低压力0.2MPa的要求，可以如上所述直接进入能量回收高压泵38的低压原水入口25；如果该预处理后海水C不能满足最低压力0.2MPa的压力要求，则需要设置升压泵34将预处理后海水的压力提升到能量回收高压泵38的低压原水入口25的所需压力范围的次高压海水D。

尽管上面结合图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (7)

1.一种用于小型海水淡化系统的柱塞式能量回收高压泵，包括电动机(Ⅱ)，其特征在于，还包括：

用来给原水增压柱塞泵头(Ⅰ)和用来回收反渗透高压浓水能量的柱塞马达(Ⅲ)；

所述电动机(Ⅱ)为双伸轴电动机，其一端的输出轴与所述柱塞泵头(Ⅰ)连接，其另一端的输出轴与所述柱塞马达(Ⅲ)连接；

所述柱塞泵头(Ⅰ)和所述柱塞马达(Ⅲ)结构相同，均包括：用来容纳柱塞泵中心轴和多个平行于柱塞泵中心轴的活塞的泵头壳体；在泵头壳体上设有一进水口和一出水口；所述活塞包括与柱塞泵中心轴同轴旋转的活塞缸体，所述活塞缸体中设有多个活塞体，所述活塞体与一回程盘连接；

还包括一用于使多个平行于柱塞泵中心轴的活塞体在旋转时改变其平行于中心轴的相对位置的固定斜盘；所述固定斜盘上设有活塞滑靴，所述多个活塞体位于回程盘的一端均设有活塞固定圆球，所述滑靴具有用来铰接活塞一端圆球体的铰接头和在固定斜盘上滑动的底部，该底部直径稍大于回程盘上的圆孔直径，铰接头穿过回程盘上的活塞孔时，该底部恰好卡在回程盘上；

所述活塞缸体上装配每个活塞体的活塞孔形成一活塞缸体液腔，所述活塞缸体液腔的底部均设有一通孔；所述活塞缸体通孔的外端面装配有配流盘，该配流盘用来分配所述活塞缸体的通孔与进水口连通还是与出水口连通；

所述活塞缸体与回程盘之间设有压力弹簧，以使活塞滑靴与固定斜盘之间及活塞缸体通孔与配流盘之间紧密接触。

2.根据权利要求1所述柱塞式能量回收高压泵，其特征在于，所述柱塞泵头(Ⅰ)中的进水口为低压原水入口(25)，所述出水口为高压原水出口(19)，所述配流盘(7)用来分配低压原水进入活塞还是从活塞中流出高压原水。

3.根据权利要求1所述柱塞式能量回收高压泵，其特征在于，所述柱塞马达(Ⅲ)中的进水口为高压浓水入口(20)，所述出水口为低压浓水排放口(26)；所述配流盘(11)用来分配高压浓水进入活塞还是从活塞中流出低压浓水。

4.根据权利要求1所述柱塞式能量回收高压泵，其特征在于，所述电动机(Ⅱ)为三相或两相电动机。

5.根据权利要求1所述柱塞式能量回收高压泵，其特征在于，所述配流盘上设有对称的U型孔，所述进水口或出水口通过配流盘上的U型孔与活塞缸体的通孔连通。

6.根据权利要求1所述柱塞式能量回收高压泵，其特征在于，该高压泵中所有部件均由耐腐蚀材料制成。

7.根据权利要求6所述柱塞式能量回收高压泵，其特征在于，所述耐腐蚀材料包括双相不锈钢、超双相不锈钢和碳纤维加固的聚醚醚酮。

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