一种手动高压节能泵的概念设计

2013-09-16方振东梁恒国丁昭霞刘兆勇

净水技术 2013年2期

关键词：高压泵活塞杆淡化

方振东，师杰，方涛，马颖，梁恒国，丁昭霞，刘兆勇

(1.解放军后勤工程学院，重庆 401311；2.北京军区建筑设计研究院，北京 100042；3.海军工程设计研究院，北京 100072)

1 手动高压节能泵的提出

随着人类活动范围的扩大，在某些特殊情况（如抢险救灾、无电力或不宜使用电力）下，为了保障海岛或苦咸水地区居民饮水需求，需要一种能够提供足够高的压力、小型质轻、操作方便的水泵。

目前的水泵一般需要电力或其它非人力能源操作，有的虽然采用人力操作，但是体积与质量较大。在无电源的情况下，由人力提供海水淡化装置6 MPa左右的压力，就需要采用增力机构，这必然会增加泵的体积和质量。

手动高压节能泵在保证泵体积和质量不增加的前提下，合理利用杠杆原理和能量回收原理，靠人力便可提供较大的压力，满足反渗透膜的压力需求。

2 手动高压节能泵设计

2.1 设计原则

（1）体积尽可能小。在保证一定流量和压力的条件下，泵的体积尽可能小，从而使海水淡化装置总的体积尽可能小。（2）质量尽可能轻。在保证足够机械强度的条件下，泵的质量尽可能轻，从而使海水淡化装置总的质量轻。（3）满足人机工程要求。操作频率、手柄杆活动范围等的设计应保证常人以不同姿势（立姿、蹲姿）均可轻松操作。

2.2 设计原理

根据反渗透膜的工作原理，海水经过反渗透膜[1-3]的作用，会产生淡水和浓盐水两种产物[4]，而经反渗透处理之后的浓盐水依然具有较高的压力。在传统的反渗透处理中，浓盐水直接排掉，浪费了大量能量。

手动高压节能泵的设计基于合理回收排掉的能量，保证泵在体积和质量不增大的前提下，所需操作压力最小。手动高压节能泵的原理如图1所示。

图1 手动高压节能泵原理图Fig.1 Schematic Diagram of High Pressure and Energy-Saving Hand Pump

当手压杆向下运动时，带动活塞向右移动，活塞压缩泵右腔内海水，产生高压海水，高压海水分流为两路，一路经单向阀2和RO膜组件，另一路经换向阀，推动阀芯移动至左端位，使换向阀中的CD通道与管道连通。进入RO膜组件的高压海水经过膜的分离产生浓盐水和淡水，浓盐水通过换向阀阀芯中的CD通道流入高压泵的左腔内（相对于高压泵的活塞），推动泵的活塞向右移动，这样达到回收浓盐水高压能量的目的，当高压浓盐水压力超过允许的极限值，溢流阀打开，溢流部分高压浓盐水直接排出；当手压杆向上运动时，高压泵活塞压缩高压泵左腔内的浓盐水，经管路推动换向阀的阀芯移动至右端位，使换向阀的AB接头相通（如图示位置），浓盐水直接排出，同时高压泵的活塞左移，使高压泵的右腔内形成负压，海水经单向阀1吸入高压泵的右腔。如此往复不断运行。

2.3 手动高压节能泵设计参数确定

2.3.1 手压杆及连接轴尺寸确定

常见的手动泵是通过手臂对连杆作用，促使泵的柱塞往复移动产生高压液体，手动泵的尺寸要充分考虑与小型海水淡化装置的配套设置[5]。手动高压节能泵手压杆施力计算如图2所示。

操作人员操作手压杆的方式一般为立姿或蹲姿，为了满足不同操作者施力舒适的要求，确定人手的最大运动行程不超过850 mm。手压杆及连接轴的长度取决于杠杆比的要求和操作频率的要求，为了克服阻力需大杠杆比时，手压杆长度应加大，需要高操作频率时，则需缩短手压杆长度[6]。根据经验，操作频率宜保持在60次/min左右。

图2 泵压杆操作力计算简图Fig.2 Calculation Diagram of Force in Operation of Pump Pressure Lever

设手压杆长度为L、连接轴长度为K，活塞杆上的压力为T，操作压力为F。则由杠杆原理如下。

从上式可以看出，如要增大T，需增大F和L或减小K。而L增大，装置长度会相应增大，海水淡化装置结构尺寸难以小型化。为了保证手动泵产生足够的水量，其活塞必须移动足够的距离，因此，K的减小也是有限的。

作用在活塞杆上的压力T应满足如下条件。

式中，d为手动泵活塞杆的直径，p为作用在活塞上的压强。

由式1和式2分析可知，在保持F、L、K值固定不变的条件下，如要增大p，则需减小d，即增大手动操作压力F和减小活塞杆直径d可以产生高压。活塞杆承受的压力较大，同时进行往复运动，则活塞杆需要较大的强度。经分析和验算，取活塞杆直径为16 mm，考虑泵及配套海水淡化装置的尺寸与人机工程要求，连接轴长度值取43 mm，手压杆长度值取847 mm。手压杆设计呈弯曲状可以降低泵的高度，满足手动操作者活动范围和操作频率的要求；手压杆摆动角度设置为39.5°，满足手的运动行程和活塞行程的要求。

2.3.2 手动操作压力确定

考虑到操作的轻松灵活及人员体力承受程度的要求，手动高压节能泵的手动操作压力不宜大于150 N。根据所选用的RO膜的基本特性，单只RO膜元件上浓缩水与淡水的最高比例为5∶1。因此，确定装置的原水与淡水的比例6∶1，即产淡水率为1/6=16.7%。与此相对应，手动高压节能泵的能量回收率为（6－1）/6=83.3%。

根据小型海水淡化装置的功用目标与主要技术参数，按照每小时产淡水20 L，操作频率为1次/s计算，则高压泵活塞每行程需要提供原水量Q如下：

Q=20×6÷3 600=0.033 4 L=33.4 mL

图3为高压泵能量回收比与截面积计算图。

图3 高压泵能量回收比与截面积Fig.3 Calculation of Energy Recovery Rate and Sectional Area of High Pressure Pump

由于高压泵的能量回收率为83.3%，即活塞杆与活塞的截面积之比A2∶A1为1∶6。根据前面确定的活塞杆直径16 mm，则活塞直径D如下：

活塞行程l如下：

图4为手压杆摆动角度计算简图。

图4 手压杆摆动角度计算简图Fig.4 Calculation Diagram of Swing Angle of Hand Lever

活塞行程可以利用距离m表示（见图4a），根据三角关系，确定m的大小如下：

由上计算可知，m＞l，则手压杆摆动角度满足活塞行程的要求。

手的运动行程可以利用距离n表示（见图4b），β的大小确定为如下：

β=α=39.5°

则手的运动行程n的大小如下：

由上计算知，n＜850 mm满足手的运动行程要求，即手压杆摆动角度设置为39.5°，可以同时满足手的运动行程和活塞行程要求。

为了计算作用在活塞杆上的压力，当活塞杆直径为16 mm时，高压泵活塞右侧腔内液体压力按RO膜的最高允许工作压力7.0 MPa考虑，高压活塞左侧腔内液体的压力按6.0 MPa考虑，即考虑RO膜的阻力，高压泵活塞左右两侧泵腔内压力相差1.0 MPa。则作用在高压泵活塞杆上的压力平衡式如下：

由上可得：T+P1·A1－P2·（A1－A2）

采用杠杆原理实现增力，可以近似认为T·K=F·L，则实际高压泵最大手动操作压力F如下：

该值符合设定的F＜150 N的要求。

在高压泵正常工作时，图3中高压泵活塞右侧泵腔内液体的最高压力若按6.5 MPa控制，高压泵活塞左侧腔内液体的压力按5.5 MPa考虑，则高压泵活塞杆上的压力为T如下：

由T·K=F·L可知，在高压泵正常运行过程中，加在手柄杆一端的最大手动操作压力F如下：

如手动高压泵无能量回收系统，则在高压泵正常工作时，根据受力平衡式T=P1·A1，则作用在活塞上的力T如下：

根据杠杆原理，加在手柄杆一端的最大手动操作压力 F=（7 840.7×43）÷847=398 N，一人手动操作非常困难，且不能持久。

由上计算可知使用能量回收系统后，手动操作压力为无能量回收系统手动泵的29.4%，一人手动轻松操作。

2.4 主体结构确定

在研究手动高压泵主体结构时，考虑将高压泵与两个进出水单向阀、换向阀、溢流阀设计成一个整体，这样不仅可以降低整个装置的体积和质量，而且可以降低装置各功能部件连接的复杂程度，减少许多中间连接管路，提高装置的可靠性，如图5所示。

2.5 试验验证及结果分析

图5 手动高压泵主体结构外形Fig.5 Profile of Major Structure of High Pressure Hand Pump

在实验室条件下，对手动高压节能泵在海水淡化装置中的运行情况进行了试验研究。试验选用的RO膜为表面活性层是三维交联结构的芳香聚酰胺复合膜（TFC膜），试验原水由“自来水+海盐+粘土”配制而成，其浊度为20.5 NTU、含盐量35 000 mg/L、TDS为 35 160 mg/L、pH 为 5.5、水温为 26 ℃，结果如表1所示。

由表1可知手动高压节能的压力范围和回收率与设计数据基本吻合，随着操作频率的增大，压力范围相应增大，但其值仍在允许工作压力7.0 MPa范围内。采用手动高压节能泵的海水淡化装置出水的 TDS＜600 mg/L、脱盐率＞97%，浊度在 0.03 NTU以下，出水量及出水水质均满足设计要求，可以在小型海水淡化装置中使用。