CN217401072U - 一体式微型能量回收模块及其人工海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一体式微型能量回收模块及其人工海水淡化系统，适用于只有人工供能、小流量、高压力、便携式海水淡化设备。所述的一体式微型能量回收模块包括柱塞泵组、单向阀组和液压换向阀。所述能量回收高压泵包括①一组双柱塞泵，每个操作周期，一个泵排出高压原水，另一个泵同步吸水，系统向外输出液体压力脉动周期缩短；②换向阀利用液压能自动换向；③换向阀用于切换两个柱塞泵的工作状态，使两个柱塞泵在吸、排水两个状态间交替轮换；④通过换向阀，使高压浓水注入柱塞背侧，利用液体余压能助推活塞。系统能量回收效率可达90%以上。

Description

一体式微型能量回收模块及其人工海水淡化系统

技术领域

本申请涉及一种一体式微型能量回收模块及其人工海水淡化系统，适用于只有人工供能、小流量、高压力、便携式海水淡化设备。

背景技术

反渗透海水淡化过程中，海水经过外力（如电力、人力等）加压至海水压力大于海水的渗透压时，海水通过反渗透膜的反渗透作用，得到淡水。海水淡化过程伴随着大量的高压浓水排出压力约为 5-6 MPa，如果将这股浓水直接排掉，会造成大量的能量浪费。液体的余压能量回收技术就是将这部分能量通过机械装置转换为下一次做功所需的能量，也就是说将浓水的余压能量回收，可大大降低进水压力提升时所消耗的外力。

人工供能的海水淡化反渗透装置是指使用人力驱动使海水达到反渗透系统海水淡化所需要的操作压力，利用反渗透原理来制造淡水的设备。制约人工海水淡化反渗透装置推广应用的一个关键问题就是人工操作加压过程非常吃力，因此如何提高人力做功效率、降低装置运行过程能耗成为了亟待解决的问题。在反渗透装置中根据人力操作特点设计泵体结构及杠杆机构可以提高人力做工效率，应用能量回收装置可大幅度降低装置运行能耗，从而实现人工驱动海水淡化反渗透过程的高效率。

目前工业用的大型海水淡化反渗透装置上配备能量回收装置已经比较普遍，总体上分为两类，即离心式和容积式。

离心式能量回收装置回收液体余压能时需要进行两次能量转换。典型的装置是透平机，该装置回收余压能量时先转换为透平旋转的机械能，再通过叶轮的旋转以提升进水的压力。浓水能量向原海水能量的转换效率一般在75%以下。这种能量回收装置适用于较大型的反渗透海水淡化系统。

容积式能量回收装置可实现余压能量的直接交换，高压介质通过推动柱塞可将压力直接传递给需要加压的介质，能量的转换效率一般在90%以上。容积式能量回收装置主要有转子式和柱塞式两种。转子式能量回收装置：以美国能量回收公司（Energy RecoveryInc,ERI）的PX（Pressure Exchanger）转子式压力交换能量回收装置为代表。柱塞式阀控能量回收装置以瑞士CALDER AG公司的DWEER（Work Exchange Energy Recovery）双压力换能量回收装置和西班牙Aqualyng公司的能量回收塔为代表。柱塞式阀控能量回收装置的工作原理是采用两个大直径液压缸，一个液压缸回收反渗透过程中排出的高压浓水，高压浓水推动柱塞与柱塞另一侧的原水进行压力交换。另一个液压缸进入低压的原水，推动柱塞，将柱塞另一侧的低压浓水排出。两个液压缸交替进行海水加压和浓水排放的过程。目前在工业上，常常使用PLC和电磁阀来控制换向阀，从而使两个液压缸换向，能量回收效率一般高于90％。柱塞式阀控能量回收装置与转子式压力交换器一样，属于等压式压力交换。所述的两个能量回收装置，通过压力交换器增压的原水达不到反渗透的工作要求，还需要配备增压泵对其进一步增压。这种柱塞式的压力交换器通常都应用在日产淡水100吨以上的大型系统中，由于其结构的限制，两个液压缸的尺寸较大，且工艺组成也较为复杂。

目前国内外所研制的能量回收装置多用于大型陆基的反渗透海水淡化厂。如果直接将大型海水淡化反渗透装置中的能量回收装置形式用于人工驱动的小型海水淡化反渗透装置中，将存在难以选型，或者无法使用的问题。而本申请的能量回收系统，是适用于人工驱动的小型海水淡化反渗透装置中，没有额外的电力供应，能量回收装置的阀门切换无法依靠PLC和电磁阀的控制，也无法使用额外的增压泵进一步增压，人力驱动提供的能量也较电力驱动的要少，因此更需要能量回收系统帮助节省人力。

“CN 202576050U 具有能量回收功能的人力驱动海水淡化器”其技术不足在于设备在“海水自动吸取”和“对吸取的海水加压”这两个步骤是分开的，即每一次使用人工驱动活塞泵，都只能实现自动吸取海水，或是对吸取的海水加压其中一个步骤，人工驱动的做功效率不高。“CN213679950U 一种便携式微型手动海水淡化装置”，与本申请的区别在于，其活塞和换向阀机构采用平面四联杆机构驱动，而非本申请的液压自动驱动，机械结构复杂、零件多。“CN102588240B 反渗透海水淡化自增压能量回收高压泵”和“CN203855441U 使用自增压能量回收高压泵的反渗透海水淡化系统”，这两篇专利的能量回收高压泵的特点在于需要额外使用导向阀切换换向阀的移动；此外，还需要低压原水泵和自增压能量回收高压泵两台水泵，整个装置部件多、体积大。“CN101782095B 用于海水淡化系统的差动式能量回收装置及方法”的技术缺点在于仍然需要使用换向阀驱动装置使换向阀切换方向，并且需要低压原水泵和高压原水泵两级泵完成整个反渗透系统的工作循环，能耗很大，很难利用人力进行驱动，用于人工驱动海水淡化装置面临着较大困难。

发明内容

本申请要解决的技术问题是提供一种能弥补现有技术缺点的人工海水淡化余压能回收系统及方法，设计的一组双柱塞泵机械结构，既能使用人力驱动提升低压原海水的压力，又能回收海水淡化反渗透过程中高压浓盐水的余压能，双柱塞泵体结构实现海水吸取和加压一体化，提高人力做功效率；换向阀既能利用液体余压能自动切换水路，又能回收液体余压能助推柱塞泵，节省人力；优化系统机械结构，将双柱塞泵和液压换向阀一体式设计，并在泵体上设计了集成式液流分布盘，集成多个液流口和单向阀组，精简液体余压能回收系统的机械结构，实现一体式和便携式的设计目的。

为了解决上述技术问题，本申请的一种一体式微型能量回收模块及其人工海水淡化系统，其通过以下技术方案予以实现：

一体式微型能量回收模块，包括柱塞泵一（1），柱塞泵二（2），柱塞杆（3）和换向阀（9），所述柱塞泵一（1）内设置有柱塞一（1-1）以将其分割为柱塞腔一（1-2）和柱塞腔二（1-3），所述柱塞泵二（2）内设置有柱塞二（2-1）以将其分割为柱塞腔三（2-2）和柱塞腔四（2-3），所述柱塞一（1-1）和柱塞二（2-1）共同固接于柱塞杆（3）上形成双柱塞结构；其中，所说柱塞腔一（1-2）和柱塞腔四（2-3）在所述双柱塞结构的移动中同时实现对原水的抽取和对原水进行加压以形成高压原水，所述柱塞腔一（1-2）和所述柱塞腔四（2-3）均开设有高压原水出水口，所述高压原水出水口分别与装置的进口和所述换向阀相连接，所述换向阀在高压原水的推动下进行移动换向；所述柱塞腔二（1-3）和所述柱塞腔三（2-2）分别通过各自对应的液流口与所述换向阀（9）连接，所述装置的高压浓水通过所述换向阀交替与所述柱塞腔二（1-3）或所述柱塞腔三（2-2）的其中之一相连通以助推所述柱塞一（1-1）或柱塞二（2-1）移动。

较佳的，所述柱塞泵一（1）设置有低压原水进水口一（1-4），其通过单向阀一（4）连接所述柱塞腔一（1-2），所述柱塞泵一（1）设置有高压原水出水口一（1-5），其与单向阀二（5）连接，所述柱塞腔一（1-2）通过液流口一（1-6）与换向阀（9）上设置的液流口五（9-1）连接，所述柱塞腔二（1-3）通过液流口二（1-7）与换向阀（9）上设置的液流口七（9-3）相连；

所述柱塞泵二（2）设置有低压原水进水口二（2-4），其通过单向阀三（6）连接所述柱塞腔四（2-3），所述柱塞泵二（2）设置有高压原水出水口二（2-5），其与单向阀四（7）连接，所述柱塞腔四（2-3）通过液流口四（2-6）与换向阀（9）上设置的液流口六（9-2）连接，所述柱塞腔三（2-2）通过液流口三（2-7）与换向阀（9）上设置的液流口八（9-4）相连；

所述低压原水进水口一（1-4）和低压原水进水口二（2-4）与海水池（10）相连；

所述换向阀（9）上设置液流口九（9-5），为高压浓水进水口，与装置相连；

所述换向阀（9）上设置液流口十（9-6），为低压浓水出水口，与浓水池（8）相连。

优选的，所述换向阀（9）为两位五通阀。

优选的，所述柱塞杆（3）杆径为所述柱塞一直径（1-1）的20%-45%，所述柱塞杆（3）杆径为所述柱塞二（2-1）直径的20%-45%。

优选的，所述一种人工海水淡化余压能回收系统的液压能系统回收率={（柱塞一或是柱塞二的截面积-柱塞杆的截面积）/柱塞一或是柱塞二的截面积}×100%。

优选的，所述换向阀（9）的驱动方式为液压驱动换向阀自动换向。

优选的，所述的柱塞一（1-1）、柱塞二（2-1），柱塞杆（3）以及换向阀（9）、单向阀（4、5、6、7）内均设有密封装置。

进一步优选的，所述柱塞一（1-1）、柱塞二（2-1）为动密封，密封元件为格莱圈密封。

进一步优选的，所述柱塞杆（3）为动密封，密封元件为一个O圈嵌入一个Y圈的内径的双配合的方式，并使用轴瓦和压盖进行固定。

进一步优选的，换向阀（9）的密封为动密封，密封元件为双格莱圈密封，采用聚四氟乙烯材质，材质硬度85%以上。

进一步优选的，单向阀（4、5、6、7）的密封元件为蘑菇阀式，包括弹簧、O圈和蘑菇型阀芯，密封面为锥面，提高了单向阀的密封性、开闭灵敏性和平稳性，锥面密封提高了密封元件的导向性。

进一步优选的，柱塞泵一（1）和柱塞泵二（2）上，均设置有集成式液流分布盘，所述液流分布盘上设置有低压原水进水口、高压原水出水口、液流口，并在低压原水进水口和高压原水进水口上设置有异向安装的一对单向阀，所述单向阀包括弹簧、O圈和密封面。

本申请的一体式微型能量回收模块的回收方法通过以下技术方案实现：人工驱动柱塞杆（3）使得双柱塞结构朝某一方向移动，柱塞腔一（1-2）和柱塞腔四（2-3）的其中任一腔体在压力作用下自动吸取原海水，另一腔体则对原海水进行加压形成高压原水，所述高压原水的其中一水路流入反渗透装置内进行海水过滤，另一水路则流入换向阀内推动所述换向阀换向；所述反渗透装置的高压浓水经由所述换向阀流入所述柱塞腔二（1-3）或所述柱塞腔三（2-2）的其中一腔体内，以助推所述双柱塞结构朝同一方向移动。

本申请还提供了一种人工海水淡化系统，包括一体式微型能量回收模块，其中，所述装置为海水淡化膜模块，所述海水淡化膜模块包括膜元件、膜壳、高压海水进水口、高压浓水出水口和淡水出水口，所述淡水出水口与所述淡水池相连，所述高压浓水出水口和高压海水进水口分别与所述一体式微型能量回收模块连通。

进一步优选的，所述膜元件呈卷式结构，包括卷式层状结构和设置在卷式层状结构中央的集水中心管，所述卷式层状结构缠绕在集水中心管外侧，所述卷式膜元件的前端为进水端，所述卷式膜元件的后端为产水端和浓水端，所述卷式层状结构包括产水流道布、第一膜片、浓水流道布和第二膜片，所述集水中心管放置在所述产水流道布和所述第一或第二膜片之间，所述集水中心管与所述第一或第二膜片直接接触熔接；所述产水流道布放置在所述第一膜片和所述第二膜片之间，所述产水流道布的上下表面分别包括非设置集水中心管的第一边、第二边和第三边，所述产水流道布的上、下表面的第一边、第二边和第三边分别与所述第一膜片和所述第二膜片直接接触熔接以形成产水膜袋。

进一步优选的，所述膜片朝向所述浓水流道布的一侧设置脱盐层，在所述膜片朝向所述产水流道布的一侧设置导水层。

进一步优选的，所述第一边、第二边或第三边的焊接边线宽度在10-25000 μm之间。

本申请的有益效果是：

（1）使用双柱塞泵和换向阀配合，可以同步实现原海水的吸取、原海水的加压、高压浓水的能量回用、浓水的回收利用、高压浓水的排出和换向阀的液压驱动自动换向，提高做功效率。

（2）换向阀为液压驱动自动换向，不需要额外使用PLC电路和电磁阀控制，节省了造价。

（3）由于具有能量回收系统，可以适用于人工驱动的海水淡化反渗透的小型装置中，能够直接达到反渗透过滤所需的压力，无需额外使用增压泵，降低装置造价。

（4）本发明利用单杆双柱塞相联动的方式不仅能够使得整个系统的结构紧凑、小型化，而且通过高压浓水能量的回收利用，使得人工驱动所需的力量大大减少，十分省力，提高其运行效率。

（5）系统机械结构简单、零件少，具有小型化一体化的特点。

附图说明

图1是本申请一体式微型能量回收模块的结构示意图。

图2是本申请一体式微型能量回收模块在位置一的状态图。

图3是本申请一体式微型能量回收模块在位置二的状态图。

图4是本申请人工海水淡化装置的装置结构图。

图5是本申请人工海水淡化装置的结构刨面图。

图6是本申请人工海水淡化装置中所使用的反渗透卷式膜元件的结构示意图。

图7是本申请中柱塞泵内的集成式液流分布盘的结构正视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细描述：

一体式微型能量回收模块A4，所述一体式微型能量回收模块包括柱塞泵一（1），柱塞泵二（2），柱塞杆（3），单向阀一（4），单向阀二（5），单向阀三（6），单向阀四（7），浓水池（8），换向阀（9），海水池（10）；

本申请公开的一体式微型能量回收模块，如图1所示，包括完全相同的内部设置有柱塞一（1-1）的柱塞泵一（1）和内部设置有柱塞二（2-1）的柱塞泵二（2），所述柱塞一（1-1）将所述柱塞泵一（1）分割为柱塞腔一（1-2）和柱塞腔二（1-3），所述柱塞二（2-1）将所述柱塞泵二（2）分割为柱塞腔三（2-2）和柱塞腔四（2-3），所述柱塞一（1-1）和柱塞二（2-1）共同固接于柱塞杆（3）上；

所述柱塞泵一（1）设置有低压原水进水口一（1-4），其通过单向阀一（4）连接所述柱塞腔一（1-2），所述柱塞泵一（1）设置有高压原水出水口一（1-5），其与单向阀二（5）连接，所述柱塞腔一（1-2）通过液流口一（1-6）与换向阀（9）上设置的液流口五（9-1）连接，所述柱塞腔二（1-3）通过液流口二（1-7）与换向阀（9）上设置的液流口七（9-3）相连；

所述柱塞泵二（2）设置有低压原水进水口二（2-4），其通过单向阀三（6）连接所述柱塞腔四（2-3），所述柱塞泵二（2）设置有高压原水出水口二（2-5），其与单向阀四（7）连接，所述柱塞腔四（2-3）通过液流口四（2-6）与换向阀（9）上设置的液流口六（9-2）连接，所述柱塞腔三（2-2）通过液流口三（2-7）与换向阀（9）上设置的液流口八（9-4）相连；

所述低压原水进水口一（1-4）和低压原水进水口二（2-4）与海水池（10）相连；

所述换向阀（9）上设置液流口九（9-5），为高压浓水进水口，与反渗透装置相连；

所述换向阀（9）上设置液流口十（9-6），为低压浓水出水口，与浓水池（8）相连；

所述柱塞杆（3）杆径为所述柱塞一（1-1）直径的20%-45%，所述柱塞杆（3）杆径为所述柱塞二（2-1）直径的20%-45%；

所述换向阀（9）为两位五通阀；

所述换向阀（9）的驱动方式为液压驱动换向阀自动换向；

所述的柱塞一（1-1）、柱塞二（2-1），柱塞杆（3）以及换向阀（9）、单向阀（4、5、6、7）内均设有密封装置。

下面将对余压能回收系统的工作方法举例说明。

具体实施例一

如图2所示，是本申请的余压能回收系统运行方法的位置一状态图：

当两位五通换向阀（9）调至位置一时，使柱塞泵一（1）的柱塞腔二（1-3）通过换向阀（9）与反渗透装置的高压浓水侧联通，柱塞泵二（2）的柱塞腔三（2-2）通过换向阀（9）与浓水池联通；

低压原海水由低压原水进水口二（2-4）进入柱塞泵二（2）的柱塞腔四（2-3）；

柱塞泵一（1）的柱塞腔一（1-2）中的低压原海水，则经过加压，并分为两路，一路通过单向阀二（5）由高压原水出水口一（1-5）进入反渗透装置，另一路由液流口一（1-6）流向换向阀，驱动换向阀换向至位置二。

具体的运行方法如下所述：

a)人工驱动柱塞杆（3），使柱塞二（2-1）向左移动至位置一，柱塞腔四（2-3）内出现瞬时真空，海水通过单向阀三（6）经由低压原水进水口二（2-4）进入柱塞腔四（2-3），吸取原海水；

b)同时，柱塞腔三（2-2）中的浓水经由联通在一起的液流口三（2-7）和液流口八（9-4），从换向阀（9）上设置的液流口十（9-6）排至浓水池（8）中；

c)同时，固接在柱塞杆（3）上的柱塞一（1-1）被人力驱动向左移动至位置一，柱塞腔二（1-3）内出现瞬时真空，反渗透装置中的高压浓水，经由换向阀（9）上设置的液流口九（9-5）、通过联通在一起的液流口七（9-3）和液流口二（1-7）进入柱塞腔二（1-3），助推柱塞杆（3）向左运动；

d)同时，柱塞一（1-1）推动柱塞腔一（1-2）中的海水，经由高压原水出水口一（1-5）和单向阀二（5），进入反渗透装置；

e) 同时，柱塞腔一（1-2）中的一部分海水，经由液流口一（1-6）、液流口五（9-1），进入换向阀（9），推动换向阀（9）自动切换至位置二；

f) 同时，换向阀（9）内的一股低压浓水，经由液流口六（9-2），流入柱塞腔四（2-3），回收利用浓水。

具体实施例二

如图3所示，是本申请的余压能回收系统运行方法的位置二状态图：

当两位五通换向阀（9）调至位置二时，使柱塞泵二（2）的柱塞腔三（2-2）通过换向阀（9）与反渗透装置的高压浓水侧联通，柱塞泵一（1）的柱塞腔二（1-3）通过换向阀（9）与浓水池联通；

低压原海水由低压原水进水口一（1-4）进入柱塞泵一（1）的柱塞腔一（1-2）；

柱塞泵二（2）的柱塞腔四（2-3）中的低压原海水，则经过加压，并分为两路，一路通过单向阀四（7）由高压原水出水口二（2-5）进入反渗透装置，另一路由液流口四（2-6）流向换向阀（9），驱动换向阀（9）换向至位置一。

具体的运行方法如下所述：

a) 人工驱动柱塞杆（3），使柱塞一（1-1）向右移动至位置二，柱塞腔一（1-2）内出现瞬时真空，海水通过单向阀一（4）经由低压原水进水口一（1-4）进入柱塞腔一（1-2），吸取原海水；

b) 同时，柱塞腔二（1-3）中的浓水经由联通在一起的液流口二（1-7）和液流口七（9-3），从换向阀（9）上设置的液流口十（9-6）排至浓水池（8）中；

c) 同时，固接在柱塞杆（3）上的柱塞二（2-1）被人力驱动向右移动至位置二，柱塞腔三（2-2）内出现瞬时真空，反渗透装置中的高压浓水，经由换向阀（9）上设置的液流口九（9-5）、通过联通在一起的液流口八（9-4）和液流口三（2-7）进入柱塞腔三（2-2），助推柱塞杆（3）向右运动；

d) 同时，柱塞二（2-1）推动柱塞腔四（2-3）中的海水，经由高压原水出水口二（2-5）和单向阀四（7），进入反渗透装置；

e) 同时，柱塞腔四（2-3）中的一部分海水，经由液流口四（2-6）、液流口六（9-2），进入换向阀（9），推动换向阀（9）自动切换至位置一；

f) 同时，换向阀（9）内的一股低压浓水，经由液流口五（9-1），流入柱塞腔一（1-2），回收利用浓水；

g) 此后循环进行步骤（a）至步骤（f）。

所述一体式微型能量回收模块与已有技术相比，具有：①可以实现人工施力的方式提供海水淡化反渗透过程所需的操作压力；②双柱塞泵结构，每次人工操作柱塞杆做功时，一个缸体向外排出高压原水，另一个缸体同步吸水，吸排水效率提高，系统向外输出液体压力脉动周期缩短；③换向阀利用液压能自动换向，无需额外的电能或器件控制；④换向阀用于切换两个柱塞缸体的工作状态，两个缸体在吸水及排水两个状态间交替轮换，缸体排水时，通过换向阀通道，将高压浓水注入柱塞背侧，充分利用高压液体余能，帮助活塞向前推动，可以大大节省人工的施力，系统能量回收效率可达90%以上。两个柱塞泵往复运动时，一个柱塞泵将低压浓水通过换向阀快速排出，另一个柱塞泵，通过单向阀，吸入原海水，为下一周期做好准备。

在具体应用中，上述一体式微型能量回收模块及方法能够应用于人工海水淡化中。具体来说，一种便携式人工海水淡化装置，包括手柄（A1）、铰链（A2）、一体式微型能量回收模块（A4）、反渗透装置（A6）、预处理装置（A7）、海水池（10）、浓水池（8）和淡水池（11）；

所述便携式人工海水淡化反渗透装置的低压原水进水口一（1-4）和低压原水进水口二（2-4）通过预处理装置（A7）与海水池（10）相连；

所述柱塞一（1-1）和柱塞二（2-1）上设置有密封装置；

所述换向阀（9）上设置有滑阀套、滑阀芯和密封装置，优选的，换向阀滑阀芯的直径为所述柱塞一（1-1）或柱塞二（2-1）直径的20%-45%，较佳的，所述换向阀为两位五通阀；

所述换向阀（9）上设置有低压浓水排放口一（4-3-2）和低压浓水排放口二（4-3-4），与浓水池（8）相连；

所述换向阀（9）上设置高压浓水进水口（4-3-3），与反渗透装置（A6）上的高压浓水出水口（6-2）相连；

所述反渗透装置（A6）内设置有卷式反渗透膜元件、密封装置、高压海水进水口（6-1），高压浓水出水口（6-2），淡水出水口（6-3），所述淡水出水口（6-3）与淡水池（11）相连；

所述预处理装置（A7）内设置有PP滤棉和尼龙滤网；

优选的，所述柱塞杆（3）杆径为所述柱塞一（1-1）直径的20%-45%，所述柱塞杆（3）杆径为所述柱塞二（2-1）直径的20%-45%；

优选的，所述一体式微型能量回收模块的回收率={（柱塞一或是柱塞二的截面积-柱塞杆的截面积）/柱塞一或是柱塞二的截面积}×100%；

优选的，所述换向阀（9）的驱动方式为液压驱动换向阀自动换向。

本申请的一种便携式人工海水淡化反渗透装置，其运行过程如下所示：

a) 人工驱动柱塞杆（3），换向阀（9）先换向至位置一，此位置使柱塞腔三（2-2）与浓水池（8）相连，柱塞腔二（1-3）与反渗透装置（A6）相连；

b) 之后，柱塞二（2-1）移动至下止点，柱塞腔四（2-3）内出现瞬时真空，海水通过预处理装置（A7），经由单向阀三（6），进入低压原水进水口二（2-4），并进入柱塞腔四（2-3），实现原海水的吸取；

c) 同时，柱塞腔三（2-2）中的浓盐水经由液流口三（2-7）和换向阀（9）上设置的低压浓水排放口二（4-3-4），排至浓水池（8）中，实现浓水的排出；

d) 同时，固接在柱塞杆（3）上的柱塞一（1-1）被人力驱动至上止点，柱塞腔二（1-3）内出现瞬时真空，反渗透装置（A6）中的高压浓水，经由高压浓水出水口（6-2），通过换向阀（9）上联通在一起的高压浓水进水口（4-3-3）和液流口二（1-7），进入柱塞腔二（1-3），助推柱塞杆（3）向左运动，节省人力，实现高压浓水的能量回用；

e) 同时，柱塞一（1-1）推动柱塞腔一（1-2）中的海水，经由高压原水出水口一（1-5）和单向阀二（5），进入反渗透装置（A6），实现原海水的加压；

f) 同时，柱塞腔一（1-2）中的一部分海水，经由液流口一（1-6），进入换向阀（9），推动换向阀（9）切换至位置二，实现换向阀（9）的液压驱动自动换向；

g) 同时，换向阀（9）内的一股低压浓水，经由液流口四（2-6），流入柱塞腔四（2-3），实现浓水的回收利用；

h) 人工驱动柱塞杆（3），换向阀（9）换向至位置二，此位置使柱塞腔二（1-3）与浓水池（8）相连，柱塞腔三（2-2）与反渗透装置（A6）相连；

i) 之后，柱塞一（1-1）移动至下止点，柱塞腔一（1-2）内出现瞬时真空，海水通过单向阀一（4）经由低压原水进水口一（1-4）进入柱塞腔一（1-2），实现原海水的吸取；

j) 同时，柱塞腔二（1-3）中的浓水经由液流口二（1-7），从换向阀（9）上设置的低压浓水排放口一（4-3-2）排至浓水池（8）中，实现浓水的排出；

k) 同时，固接在柱塞杆（3）上的柱塞二（2-1）被人力驱动至上止点，柱塞腔三（2-2）内出现瞬时真空，反渗透装置（A6）中的高压浓水，经由换向阀（9）上设置的高压浓水进水口（4-3-3）、通过液流口三（2-7）进入柱塞腔三（2-2），助推柱塞杆（3）向右运动，节省人力，实现高压浓水的能量回用；

l) 同时，柱塞二（2-1）推动柱塞腔四（2-3）中的海水，经由单向阀四（7）和高压原水出水口二（2-5），进入反渗透装置（A6），实现原海水的加压；

m) 同时，柱塞腔四（2-3）中的一部分海水，经由液流口四（2-6），进入换向阀（9），推动换向阀（9）切换至位置一，实现换向阀（9）的液压自动换向；

n) 同时，换向阀（9）内的一股低压浓水，经由液流口一（1-6），流入柱塞腔一（1-2），实现浓水的回收利用；

o) 此后循环进行步骤（a）至步骤（n）。

所述装置的核心动力部分，即一体式微型能量回收模块（A4），将反渗透海水淡化系统中两个关键部分，即高压柱塞泵和余压能量回收装置集成化，优化了系统组成、设备结构，使装置具有轻便小巧、便携的特点；所述柱塞一（1-1）和柱塞二（2-1）共同固接于柱塞杆（3）上，当人力驱动手柄（A1）时，柱塞泵一（1）和柱塞泵二（2）同时工作，可以同步实现原海水的吸取、原海水的加压、高压浓水的能量回用、浓水的回收利用、低压浓水的排出和换向阀的液压驱动自动换向；相较传统的单缸式手动式反渗透海水淡化装置，提高了做功效率，在相同手柄往复运动的频次下，装置出水提高一倍。

如图4所示，所述装置的典型工艺流程简述为：

手柄向左施力时，换向阀（9）先行换向至位置一，此时柱塞腔二（1-3）与反渗透装置（A6）的浓水端相连，柱塞腔三（2-2）与浓水池（8）相连；

柱塞一（1-1）移动至上止点，柱塞二（2-1）移动至下止点；

此时，柱塞一（1-1）做功，将柱塞腔一（1-2）内的低压原海水加压，使这股“高压原海水”进入反渗透装置（A6）中，进行反渗透过程；与此同时，反渗透装置浓水端的“高压浓水”，经由换向阀（9）进入柱塞腔二（1-3）中，助推柱塞一（1-1）的做功；

此时，柱塞二（2-1）联动移动至下止点的过程中，将柱塞腔三（2-2）中的已进行过余压回收的“低压浓水”，经由换向阀，排出至浓水池（8）中；与此同时，柱塞腔四（2-3）中出现瞬时真空，一股“低压原海水”从海水池（10）中被吸取至柱塞腔四（2-3）中；

此外，柱塞腔一（1-2）中的一股“高压原海水”，经由液流口一（1-6），进入换向阀（9）中，助推换向阀（9）的滑阀芯向位置二切换；与此同时，换向阀（9）内的一股“低压浓水”经由液流口四（2-6），进入柱塞腔四（2-3）中，在下一次柱塞做功时实现浓水回用。

手柄向右施力时，换向阀（4-3）换向至位置二，此时柱塞腔二（1-3）与浓水池（8）相连，柱塞腔三（2-2）与反渗透装置（A6）的浓水端相连；

柱塞一（1-1）移动至下止点，柱塞二（2-1）移动至上止点；

此时，柱塞二（2-1）做功，将柱塞腔四（2-3）内前述涉及的“低压原海水”和一股“低压浓水”加压，再使这股“高压原海水”进入反渗透装置（A6）中，进行反渗透过程；与此同时，反渗透装置浓水端的“高压浓水”，经由换向阀（9）进入柱塞腔三（2-2）中，助推柱塞二（2-1）的做功；

此时，柱塞一（1-1）移动至下止点的过程中，将柱塞腔二（1-3）中的已进行过余压回收的“低压浓水”，经由换向阀，排出至浓水池（8）中；与此同时，柱塞腔一（1-2）中出现瞬时真空，一股“低压原海水”从海水池（10）中被吸取至柱塞腔一（1-2）中；

此外，柱塞腔四（2-3）中的一股“高压原海水”，经由液流口四（2-6），进入换向阀（9）中，助推换向阀（9）的滑阀芯向位置一切换；与此同时，换向阀（9）内的一股“低压浓水”经由液流口一（1-6），进入柱塞腔一（1-2）中，在下一次柱塞做功时实现浓水回用。

在一具体实施例的举例中，如图6所述，本申请中反渗透装置A6使用的反渗透卷式膜元件结构示意图如下所述：

所述卷式膜元件，包括卷式层状结构、设置在卷式层状结构中央的集水中心管（B6）、设置在卷式层状结构外侧的防水密封配件，所述卷式层状结构缠绕在集水中心管（B6）外侧，所述卷式膜元件的前端为进水端（B7），靠近进水端的位置设置有密封套圈（B5），所述卷式膜元件的后端为产水端（B8）和浓水端（B9），所述卷式层状结构包括产水流道布（B4）、第一膜片（B2）、浓水流道布（B1）和第二膜片（B3），所述集水中心管放置（B6）在所述第一膜片（B2）和所述产水流道布（B4）之间，或是放置在所述产水流道布（B4）和所述第二膜片（B3）之间；在所述第一膜片（B2）朝向所述浓水流道布（B1）的一侧设置脱盐层，在所述第一膜片（B2）朝向所述产水流道布（B4）的一侧设置导水层，将卷式层状结构缠绕在集水中心管（B6）的外侧，产水流道布（B4）的上下表面分别包括非设置集水中心管的第一边（B41）、第二边（B42）和第三边（B43），该产水流道布（B4）的上表面的第一边（B41）、第二边（B42）和第三边（B43）与第一膜片（B2）直接接触熔接，该产水流道布（B4）的下表面的第一边（B41）、第二边（B42）和第三边（B43）与第二膜片（B3）直接接触熔接，同时，该产生流道布（B4）也与集水中心管（B6）的焊接区域直接相互接触熔接，即产水流道布（B4）上下表面的第一边、第二边和第三边与第一膜片（B2）、第二膜片（B3）的相对接触面以无胶的方式直接接触熔接在一起，并与集水中心管的焊接区域连接在一起，形成单个产水膜袋，所述集水中心管的表面设有轴向的通孔，所述通孔与产水膜袋的产水侧和集水中心管的产水端相通。其中，产水流道布和膜片间可利用高分子进行焊接（例如金属丝通电加热法或是金属丝电磁感应加热法）：将膜片对折折叠，形成n型，形成第一膜片（B2）和第二膜片（B3）；将所述集水中心管（B6）放置在所述第一膜片（B2）和所述产水流道布（B4）之间；在产水流道布（B4）的第一边（B41）、第二边（B42）、第三边（B43）布置金属丝，并延伸卷绕到集水中心管（B6）上；将用于形成膜袋的膜片、产水流道布（B4）、浓水流道布（B1）和布置于待焊接处的金属丝一起卷制到所述集水中心管（B6）上；通过一焊接装置使金属丝发热，使两个待焊接材料（即产水流道布和膜片、膜片与集水中心管）的待焊接处高分子材料熔融，两个待焊接材料相连接形成膜袋。焊接通过所述金属丝发热使焊接处高分子材料熔融，待高分子材料冷却后焊接面间的材料发生原子扩散，焊接高分子材料间为化学键连接方式；上述焊接的温度不高于230 ℃。

就各个部件的材料，举例来说，所述膜片的材料为醋酸纤维素类、醋酸纤维素酯类、聚乙烯类、聚砜类、聚酰胺类、芳香族聚酰胺类、芳香族聚酰胺—酰肼以及一些含氮芳香聚合物等低熔点高分子材料；所述产水流道布的材料为PP聚丙烯类低熔点高分子材料；所述浓水流道布的材料为PET热塑性聚酯类高熔点高分子材料；所述集水中心管的材料为ABS塑料；

进一步的，上述第一边（B41）、第二边（B42）或第三边（B43）的焊接边线宽度在10-25000 μm之间。

进一步的，还在可在卷式层状结构外缠绕防水胶带或是防水覆膜。

进一步的，该膜元件中的膜袋个数可为1-30个。

进一步的，所述第一膜片或第二膜片为反渗透卷式膜元件、纳滤卷式膜元件以及超滤卷式膜元件中的一种。

进一步的，第一膜片（B2）和第二膜片（B3）为利用膜片对折折叠所形成，该第一膜片（B2）和第二膜片（B3）对折形成n型样态。本发明的卷式膜元件直接将膜片与集水中心管、产水流道布与膜片直接接触熔接形成新型卷式膜元件结构，无需如传统的方式那样需要使用胶水连接，且能够减少膜片边线连接区域的宽度，使得膜片的有效过滤面积大大增加，从而提高卷式膜元件的过滤效率，降低成本，实用性强。

考虑到本装置的便携性目的，本装置在部分部件中考虑了集成性设计，以减少装置的体积和重量。

如图7所示，本申请在柱塞泵中设计了集成式液流分布盘，液流分布盘上集成有低压原水进水口、高压原水出水口、液流口，并在低压原水进水口和高压原水出水口上设置有异向安装的一对单向阀，所述单向阀包括弹簧、O圈和密封面。

进一步的，对于柱塞泵（1），C1对应为低压原水进水口（1-4），并在其上设置有单向阀（4），C2对应为高压原水出水口（1-5），并在其上设置有单向阀（5），C3为液流口一（1-6）；对于柱塞泵（2），C1对应为低压原水进水口（2-4），并在其上设置有单向阀（6），C2对应为高压原水出水口（2-5），并在其上设置有单向阀（7），C3为液流口一（2-6）。

如图4所示，本申请将双柱塞泵和换向阀进行了一体式集成设计，即将动力部分和能量回收部分集成，形成了一体式微型能量回收模块。图4为一体式微型能量回收模块的结构刨面图。

经过上述集成设计，本装置的体积小巧，高压泵的尺寸可仅为6×3×12 cm，整机重量小于1.2kg，小巧便携，能够极大满足各种不同出海任务的携带，用处广泛。

此外，本申请通过实验验证了本装置的实际运行情况，并根据检测的结果判断装置是否能够满足使用者的淡水需求。

本申请实施例中采用的膜元件为外形尺寸为长15 cm，直径5 cm的圆柱体。

操作条件参考GB/T 32373-2015 《反渗透膜测试方法》，反渗透原水进水为32 000mg/L 的氯化钠水溶液，测试水温25℃，维持装置操作手柄的频率为1次/秒，试验时，每隔1分钟记录下进料盐水的电导率、进水操作压力、产淡水流量、产淡水电导率等数据，具体实验数据见下表：

表1一种人工海水淡化反渗透装置（本申请）的脱盐制淡实验

根据GB5749-1985 《生活饮用水标准》的规定，生活饮用水的电导率要求为1 mS/cm以下。如上表数据可知，本装置产水的电导率明显小于1 mS/cm，达到了饮用水标准。此外，本装置每小时产水大于15 L，按照应急情况下每人每天1 L饮用水量的要求，本装置每小时产水可满足15人每天的饮水量。

作为对比的，我们制作了相同柱塞泵尺寸，但为单缸柱塞泵的人工海水淡化反渗透装置，同样在反渗透原水进水为32 000 mg/L 的氯化钠水溶液，测试水温25℃，维持装置操作手柄的频率为1次/分钟的工作条件下，记录每隔1分钟装置的进料盐水的电导率、进水操作压力、产淡水流量、产淡水电导率等数据，数据见下表2：

表2一种人工海水淡化反渗透装置（单柱塞泵）的脱盐制淡实验

由数据可见，单柱塞泵装置的产水水质和水量均变差了，产水流量变为表1的一半。这是因为，作为单缸单作用式柱塞泵，其工作原理是依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸水、排水，因此其工作特性是其排出流量和输出压力均是脉冲的形式，每一个脉冲周期为柱塞泵的往复周期。在本实施例中，单柱塞泵的脉冲周期为一分钟，则其中有30秒处于吸水状态，30秒处于排水状态；而双柱塞泵克服了上述缺点，每半个脉冲周期内，一个柱塞泵吸水，一个柱塞泵排水，提高了柱塞泵的输出效率，也使得在单位时间内排出的水量增加一倍；同时，根据反渗透过程的特性，进入反渗透膜元件的单位时间水量越大，越有利于海水在浓水流道布上的湍流运动和均匀分布，从而可以获得更低电导率、水质更优的产水。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型专利，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一体式微型能量回收模块，其特征在于，包括柱塞泵一（1），柱塞泵二（2），柱塞杆（3）和换向阀（9），所述柱塞泵一（1）内设置有柱塞一（1-1）以将其分割为柱塞腔一（1-2）和柱塞腔二（1-3），所述柱塞泵二（2）内设置有柱塞二（2-1）以将其分割为柱塞腔三（2-2）和柱塞腔四（2-3），所述柱塞一（1-1）和柱塞二（2-1）共同固接于柱塞杆（3）上形成双柱塞结构；其中，所说柱塞腔一（1-2）和柱塞腔四（2-3）在所述双柱塞结构的移动中同时实现对原水的抽取和对原水进行加压以形成高压原水，所述柱塞腔一（1-2）和所述柱塞腔四（2-3）均开设有高压原水出水口，所述高压原水出水口分别与装置的进口和所述换向阀相连接，所述换向阀在高压原水的推动下进行移动换向；所述柱塞腔二（1-3）和所述柱塞腔三（2-2）分别通过各自对应的液流口与所述换向阀（9）连接，所述装置的高压浓水通过所述换向阀交替与所述柱塞腔二（1-3）或所述柱塞腔三（2-2）的其中之一相连通以助推所述柱塞一（1-1）或柱塞二（2-1）移动。

2.根据权利要求1所述的一体式微型能量回收模块，其特征在于，所述柱塞泵一（1）设置有低压原水进水口一（1-4），其通过单向阀一（4）连接所述柱塞腔一（1-2），所述柱塞泵一（1）设置有高压原水出水口一（1-5），其与单向阀二（5）连接，所述柱塞腔一（1-2）通过液流口一（1-6）与换向阀（9）上设置的液流口五（9-1）连接，所述柱塞腔二（1-3）通过液流口二（1-7）与换向阀（9）上设置的液流口七（9-3）相连；

所述柱塞泵二（2）设置有低压原水进水口二（2-4），其通过单向阀三（6）连接所述柱塞腔四（2-3），所述柱塞泵二（2）设置有高压原水出水口二（2-5），其与单向阀四（7）连接，所述柱塞腔四（2-3）通过液流口四（2-6）与换向阀（9）上设置的液流口六（9-2）连接，所述柱塞腔三（2-2）通过液流口三（2-7）与换向阀（9）上设置的液流口八（9-4）相连；

所述低压原水进水口一（1-4）和低压原水进水口二（2-4）与海水池（10）相连；

所述换向阀（9）上设置液流口九（9-5），为高压浓水进水口，与装置相连；

所述换向阀（9）上设置液流口十（9-6），为低压浓水出水口，与浓水池（8）相连。

3.根据权利要求1所述的一体式微型能量回收模块，其特征在于，所述换向阀（9）为两位五通阀。

4.根据权利要求1所述的一体式微型能量回收模块，其特征在于，所述柱塞杆（3）杆径为所述柱塞一（1-1）直径的20%-45%，所述柱塞杆（3）杆径为所述柱塞二（2-1）直径的20%-45%。

5.根据权利要求1所述的一体式微型能量回收模块，其特征在于，液压能系统回收率 ={（柱塞一或是柱塞二的截面积-柱塞杆的截面积）/柱塞一或是柱塞二的截面积}×100%。

6.根据权利要求1所述的一体式微型能量回收模块，其特征在于，所述换向阀（9）的驱动方式为液压驱动换向阀自动换向。

7.根据权利要求2所述的一体式微型能量回收模块，其特征在于，所述的柱塞一（1-1）、柱塞二（2-1），柱塞杆（3）以及换向阀（9）、单向阀（4、5、6、7）内均设有密封装置。

8.根据权利要求1所述的一体式微型能量回收模块，其特征在于，所述换向阀（9）上设置有滑阀套、滑阀芯和密封装置，所述滑阀芯的直径为所述柱塞一（1-1）或柱塞二（2-1）直径的20%-45%。

9.根据权利要求1所述的一体式微型能量回收模块，其特征在于，所述柱塞泵一（1）和柱塞泵二（2）中都设计了集成式液流分布盘，液流分布盘上集成有低压原水进水口、高压原水出水口、液流口，并在低压原水进水口和高压原水出水口上设置有异向安装的一对单向阀，所述单向阀包括弹簧、O圈和密封面。

10.一种人工海水淡化系统，其特征在于，包括权利要求1～9任一所述的一体式微型能量回收模块，其中，所述装置为海水淡化膜模块，所述海水淡化膜模块包括膜元件、膜壳、高压海水进水口、高压浓水出水口和淡水出水口，所述淡水出水口与淡水池相连，所述高压浓水出水口和高压海水进水口分别与所述一体式微型能量回收模块连通。

11.根据权利要求10所述的人工海水淡化系统，其特征在于，所述膜元件呈卷式结构，包括卷式层状结构和设置在卷式层状结构中央的集水中心管，所述卷式层状结构缠绕在集水中心管外侧，所述卷式膜元件的前端为进水端，所述卷式膜元件的后端为产水端和浓水端，所述卷式层状结构包括产水流道布、第一膜片、浓水流道布和第二膜片，所述集水中心管放置在所述产水流道布和所述第一或第二膜片之间，所述集水中心管与所述第一或第二膜片直接接触熔接；所述产水流道布放置在所述第一膜片和所述第二膜片之间，所述产水流道布的上下表面分别包括非设置集水中心管的第一边、第二边和第三边，所述产水流道布的上、下表面的第一边、第二边和第三边分别与所述第一膜片和所述第二膜片直接接触熔接以形成产水膜袋。

12.根据权利要求11所述的人工海水淡化系统，其特征在于，所述膜片朝向所述浓水流道布的一侧设置脱盐层，在所述膜片朝向所述产水流道布的一侧设置导水层。

13.根据权利要求11所述的人工海水淡化系统，其特征在于，所述第一边、第二边或第三边的焊接边线宽度在10-25000μm之间。

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