一种用于反渗透水处理系统的能量回收泵

技术领域

本发明涉及一种用于反渗透水处理系统的能量回收泵，尤其是海水淡化系统、苦咸水处理系统等高压反渗透水处理系统中。

背景技术

我国已经处于严重的水资源缺乏，而且缺水的情况还在日益恶化中，针对这一状况我国也出台了“最严格水资源管理制度”。海水淡化技术作为缓解水资源缺乏的重要手段，受到了越来越多的重视。在众多的海水淡化技术中，反渗透法由于成本更低，已经逐步成为市场主流技术手段。

反渗透海水淡化技术是利用高压泵将原料海水加压，使其压力达到反渗透操作压力5.0~7.0MPa（视海水盐度不同而定），然后使加压后的海水流向反渗透膜器中的反渗透膜，其一部分通过反渗透膜成为淡水，另一部分变成浓水排出。由于浓水中压力仍很高，如不加以利用，则每产一吨淡水所需要的耗电量在10KW.h以上。

早期采用反渗透法的海水淡化系统为降低每吨产水耗电量，多采用了提高反渗透膜前压力的方法。但这一方法受到反渗透膜最高承受压力、存难溶盐极限回收率、浓差极化极限回收率以及高压泵扬程的制约，耗电量仍在8KW.h以上。在20世纪80年代能量回收技术被大量采用，其采用的是逆转泵和佩尔顿叶轮型能量回收装置，其能够有效的回收废弃高压海水中的能量，从而使耗电量大大降低；后期又研制出水力透平型能量回收装置，使吨水功耗进一步降低；近年来随着流体直接接触正位移技术的发展，以活塞功交换器与旋转式压力交换器为代表的新一代能量回收装置能量回收效率已达到90%以上，从而使每产一吨淡水的耗电量降低至4KW.h以下。

目前常见采用的活塞功交换器技术类型有四种。第一种是等压交换式，如阿科凌公司的DWEER型活塞式功交换器为等面积活塞，使交换器内高压浓水压力与进入腔内的原水压力压力相等，从而实现压力能回收的目的；第二种是升压交换式，如天津海水淡化与综合利用研究所研制的升压式能量回收装置为单活塞杆活塞，高压浓水作用于无活塞杆一面而原水作用于有活塞杆一面，从而使原水增压后的压力比高压浓水压力更高，实现了能量回收与升压作用；第三种是差压交换式，如美国Spectra公司的Clark泵，其类似于两只活塞杆活塞缸相连，通过利用高压部分活塞面积差和低压部分压力差达到能量回收与增压的目的。以上技术中，前两种需要使用高压泵，不具有增压功能；第三种虽然不需要高压泵，但仍需要一个较高压力的原水泵。受限于活塞运动速度（太快易磨损），三种技术均有一个共同的缺点，即活塞缸体积庞大：除Clark泵外，其它均应用于大中型海水海水淡化工程中；Clark泵较其它小型海水淡化泵体积也要更大一些。

第四种是一种类似于活塞泵结构形式的能量回收泵，在增压时将浓盐水回收至活塞有连杆的一侧腔，即下作用腔，从而达到能量回收的目的。其在此基础上，美国专利US8021128B2中提出了一种采用新颖阀门与活塞的能量回收泵，并由美国Spectra公司形成Pearson泵产品。但该泵存在以下问题：

1.其进水与上作用腔、上作用腔与增压腔、上作用腔与回收腔、回收腔与下作用腔、下作用腔与排水腔之间均需要有连通及密封的功能要求；因此在其实际产品中为此设置了五层板用于实现所述功能，使得其结构及流路均较为复杂。

2.在专利文本描述及图样说明中，为了实现进水腔与排水腔、增压腔与回收腔之间的密封，进水排水阀以及增压回收阀连杆处均设置有密封件；由于进水排水阀与增压回收阀均属于单向阀类型的阀门，其对摩擦阻尼较为敏感，因此只能通过增大阀门受力面积、减少连杆及密封件尺寸、降低泵转速等方式来避免此问题，但又带来了结构尺寸增大、阀门受力情况恶劣、响应变差的问题。

3.在专利文本描述中该泵所用进水排水阀、增压回收阀未明确阀门密封面形式，专利图样说明中指出阀门密封面为平面；但两平面密封副联动时，如果存在平行度偏差，将会导致泄漏情况出现，进而导致泵性能变差甚至完全无法增压的情况出现。

4.在专利文本描述中及图样说明中，进水排水阀及增压回收阀为在装配过程中方便调整两阀芯沿阀门轴线相对位置，设置了配合面及密封件。但密封件本身抗振动能力较弱，在阀门做高速往复运动过程中，易于出现松动而使阀门相对位置发生变化，进而导致阀门内漏、泵性能变差甚至完全无法增压的情况出现。

5.该泵为避免活塞上下过大的压差，采用了活动活塞，并采用弹簧等形式加以修正。与传统活塞形式相比，其形式较为复杂、噪声较大。

发明内容

本发明提出了一种用于反渗透水处理系统的能量回收泵，包括泵体（1）、上盖（2）、底座（3）、进水排水阀（4）、增压回收阀（5）、活塞组件（6）、弹簧（7）及相关附件，泵体（1）上与进水口、排水口、增压口、回收口相连的空腔分别为进水腔（11）、排水腔（12）、增压腔（13）与回收腔（14），泵体（1）与上盖（2）之间的空腔为上作用腔（21），泵体（1）与底座（3）之间的空腔为下作用腔（31）。泵体（1）上部与上盖（2）相连，下部与底座（3）相连，中间空腔作为活塞组件（6）往复运动的缸体，两侧空腔分别作为进水排水阀（4）与增压回收阀（5）往复运动的缸体。两只弹簧（7）分别作用于进水排水阀（4）、增压回收阀（5）上的相应弹簧安装面，使其在无其它作用力情况下保持关闭。

所述活塞组件（6）在泵体（1）内往复运动。其向底座（3）方向运动时，在压力作用下进水排水阀（4）开启、增压回收阀（5）关闭。原水经进水腔（11）进入上作用腔（21），废水从下作用腔（31）经排水腔（12）排出。其向上盖（2）方向运动时，在压力作用下进水排水阀（4）关闭、增压回收阀（5）开启，原水被增压后经增压腔（13）流至外部反渗透膜组后产生淡水后，剩余的高压浓水经回收腔（14）流至下作用腔（31）。

所述进水排水阀（4）、增压回收阀（5）为双阀芯联动阀，包括上阀芯（41）、下阀芯（42）与两阀芯相连的连接件（43）及相关阀座，其中连接件（43）亦可集成于上阀芯（41）或下阀芯（42）中。上阀芯（41）或下阀芯（42）与连接件（43）存在用于调整两阀芯沿阀门轴线相对位置的配合面（44），该配合面（44）轴线与阀门轴线一致，形状为但不限于圆柱形。

本发明的创新地通过增压腔（13）与回收腔（14）设置增压回收通道（16）的方式，使泵结构得到极大简化，如图1所示。美国专利US8021128B2及其它类似专利中，上作用腔（21）位于增压腔（13）与回收腔（14）之间；上作用腔（21）与增压腔（13）、上作用腔（21）与回收腔（14）之间的密封必不可少，否则会导致泵无法增压；本发明通过改变结构将增压腔（13）与回收腔（14）直接相连后，即可取消原有与上作用腔（21）的密封，使泵的结构形式从传统的五层板简化为三层板；且三层板中仅有中间的泵体（1）为功能板，顶板（2）仅起到防止外漏作用，底板（3）也仅起到防止外漏与辅助活塞（6）的活塞杆运动的作用。在泵结构得到极大减少的同时，泵结构尺寸得到了减少，泵结构重量也得到了降低。

本发明进一步创新的，如图1所示，通过允许进水排水通道（15）与进水排水阀（13）之间、增压回收通道（16）与增压回收阀（14）之间无密封件即允许有少许泄漏的方式，使进水排水阀（13）、增压回收阀（14）避免了因密封件而产生的摩擦阻尼，可适应更高泵速，从而减小泵结构尺寸、降低泵结构重量。同时，由于进水压力与排水压力、增压压力与回收压力相差不大，在间隙较小的情况下，对淡水产水量的影响很小。

本发明进一步创新的，如图2所示，通过将进水排水阀（4）、增压回收阀（5）的两个阀密封面均设置为球面密封或球面-锥面密封的方式，有效解决了两平面密封面存在平行度偏差而导致的密封失效问题。由于两个球面副之间的约束，仅存在沿轴线转动这一可被允许的自由度，因此这一密封形式是可靠的；与之相对应的是两个阀芯平面密封之间如果存在平行度偏差而假设阀座面是完全平行时时，理论上至少有一个面是是无法达到完全密封的，即理论上会产生泄漏；与之类似的是两锥面密封、一平面一锥面密封、一平面一球面密封、一锥面一球面等情况从理论上均会产生泄漏。

本发明进一步创新的，通过采用胶接、焊接或紧固件及其组合的紧固方式固定双阀芯联动阀配合面（44），能够有效保证阀门各部件的相对位置。如前所述，美国专利US8021128B2采用密封件来保证相对位置的方式存在密封件在高速往复运动产生松动而导致的密封失效问题，而采用胶接、焊接或紧固件及其组合方式则能够避免此类问题的出现。此外，由于胶接结构或螺纹连接结构更为简单可靠，因此其不但能够提高可靠性，还能够降低成本。但由于胶接或焊接方式一般需要一次性固定，如果出现偏差则只能报废整个阀芯；因此可在此基础上在配合面（44）上增加测试用密封件或螺纹，待完成各项测试后再进行胶接或焊接。

本发明进一步创新的，如图3所示，通过采用无密封件的活塞形式，在降低活塞两侧压差的情况下使活塞结构大大简化。此类泵的机理，是活塞杆进入泵内后导致系统容积减少，使同等容积的工质以淡水形式从反渗透膜中“挤”出，在理想情况下无活塞时系统也能够工作。因此活塞之间无密封件情况下系统能够正常工作，且仿真和试验结果均证明流体通路（活塞）尺寸较小时，对泵性能的影响很小。由于不存在密封件，因此活塞结构较传统活塞结构更为简化，与美国专利US8021128B2中设置复杂的防压差装置的活塞相比更是得到了极大的简化。活塞流体通路（61）可以是在活塞组件（6）与泵体（1）中间空腔之间的间隙，或在活塞组件（6）上的与上作用腔（21）与下作用腔（31）的间隙或孔，或在泵体（1）上的与上作用腔（21）与下作用腔（31）的间隙或孔，亦可为三者的组合。

本发明进一步创新的，如图4及图7所示，通过在排水腔（12）出口即排水口处可集成或在其外部连接单向阀、孔板或两者的组合的方式，有效防止下作用腔（31）工质汽化。在活塞向上作用腔（21）运动且增压回收阀（5）未打开时，由于下作用腔（31）容积变大，其内工质压力迅速降低；当压力降低至下作用腔（31）内部出现汽化时，泵内就会产生剧烈的振动，随之系统增压压力、流量等都有所下降，严重情况下系统甚至无法增压。在排水口或外部增加单向阀、孔板或两者的组合可增加排水背压，使下作用腔（31）内的工质难以达到汽化条件，从而避免汽化现象的产生。

本发明进一步创新的，如图1及图5所示，通过设置与泵体（1）相连的分体式阀座的方式，方便安装与测试。所述分体式阀座为进水阀座（101）、排水阀座（102）、增压阀座（103）及回收阀座（104），亦可仅设置其中的一种或数种，其通过胶接、螺接、焊接、紧固件连接或其组合的方式与相关部分相连接。

本发明进一步创新的，如图6所示，通过设置进水排水阀（4）、增压回收阀（5）上的相应弹簧安装面于阀门的任何能够使其在无其它作用力情况下保持关闭的位置的方式，便于设计时根据实际结构灵活应用。

本发明进一步创新的，通过集成进水泵及安全阀的方式，使泵系统集成度更高。

本发明进一步的，可扩展至多活塞能量回收泵以增大流量和减少压力波动，如三活塞泵、五活塞泵、九活塞泵等。

除此之外，泵体（1）、上盖（2）、底座（3）、进水排水阀（4）、增压回收阀（5）、活塞组件（6）除使用常规耐海水腐蚀金属材料外，还均可使用塑料材料。所述塑料材料包括但不限于PEEK、POM、PTFE、PE。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1.在能量回收效率在90%以上的所有同类设备中，结构最简单；

2.具有与传统柱塞泵相当的可靠性；

3.成本在同类设备中最低，且具有降至与非海水淡化普通柱塞泵成本相当的可能性。

本发明能够广泛地应用于如海水淡化系统、苦咸水处理系统等高压反渗透水处理系统中。

图1为能量回收泵系统结构示意图

图2为三种双球面联动阀结构示意图

图3为三种活塞与腔体之间流体通路结构示意图

图4为集成了排水口单向阀的能量回收泵系统结构示意图

图5为集成部分阀座的能量回收泵系统结构示意图

图6为更换了弹簧位置的能量回收泵系统结构示意图

图7为采用能量回收泵的反渗透水处理系统示意图

图中：1-泵体；2-上盖；3-底座；4-进水排水阀；5-增压回收阀；6-活塞组件；7-弹簧；8-排放口单向阀；11-进水腔；12-排水腔；13-增压腔；14-回收腔；15-进水排水通道；16-增压回收通道；21-上作用腔；31-下作用腔； 61-活塞流体通路；101-进水阀座；102-排水阀座；103-增压阀座；104-回收阀座；201-进水管；202-排水管； 203-增压管；204-回收管；205-原水管；206-原水泵；207-反渗透膜组；208-产水管；209-外置单向阀。

具体实施方式

下面结合图7对本发明的具体实施方式进行说明。

反渗透水处理系统除包含能量回收泵外，还包括进水管（201）、排水管（202）、增压管（203）、回收管（204）、原水管（205）、原水泵（206）、反渗透膜组（207）、产水管（208）、外置单向阀（209）以及相关过滤器组件、阀门、管道及附件，进水管（201）、排水管（202）、增压管（203）、回收管（204）分别连接能量回收泵进水口、排水口、增压口、外置单向阀（209），外置单向阀（209）与回收口相连；外置单向阀（209）亦可集成于排水管（202）中。原水泵（206）进口与原水管（205）相连，出口与进水管（201）相连。反渗透膜组（207）进口与增压管（203）相连，产水口与产水管（208）相连，出口与回收管（204）相连。

系统工作后，原水从原水管（205）进入原水泵（206）后，经进水管（201）进入至能量回收泵内增压。增压后的原水经增压管（203）进入反渗透膜组（207），一部分变成产水自产水管（208）流出，剩余部分则变成高压浓水自回收管（204）至能量回收泵回收口回收其高压能量。高压浓水经回收后变成低压废水，然后依次经过排水口、外置单向阀（209）、排水管（202）排出系统外。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进与修改都应该在本发明的保护范围之内。