海水淡化能量回收及压力提升一体机装置的制作方法

本发明涉及一种海水淡化能量回收及压力提升一体机装置。

背景技术：

反渗透压技术最早来源于航空航天领域的净水技术。在上世纪五六十年代，由美国太空总署集合多国科学家，花费数十亿，经过多年研究而成。最开始由于成本的局限，仅用于航空航天的污水净化这种高成本产业当中。不过随着工业技术和科学材料的发展，反渗透技术的使用成本逐渐降低，应用领域已经推广到大规模海水淡化中，并成为海水淡化领域的主流技术。

反渗透压海水淡化是一种利用反渗透原理从海水中制备淡水的技术，由压差驱动的分离技术，通过在半渗透膜一侧施加压力，驱使海水中的水溶剂通过半透膜来生产淡水资源。swro系统工作原理如图1。因为结构简单、可靠，无须热源，成为海水淡化中的主流技术，占据越来越多的市场份额，呈现逐年稳步上升的趋势。反渗透海水淡化系统中，反渗透膜组件、高压泵、能量回收装置及压力提升泵是膜法海水淡化技术的关键装置。反渗透过程能耗的降低是反渗透技术得以快速发展的重要因素，其中液体压力能回收技术能够利用反渗透膜截留下的浓盐水压力为新鲜海水加压，通过降低主海水泵能耗而降低全系统能耗。液体能量回收新技术和装置的研发因此成为反渗透压海水淡化领域的热点问题。

能量回收装置作为液体能量回收技术的实现装置，已经成为反渗透压海水淡化系统必要的组成部分，目前swro系统中大多采用旋转式压力能交换器(rpe)。旋转式压力能交换器中的转子缸体沿圆周方向均匀开有数个贯通孔道。转子缸体嵌入壳体，并与两端的定子精密配合安装，在周向间隙和端面间隙中充满高压流体实现润滑，整个结构类似于流体润滑动力轴承，几乎没有摩擦阻力的存在。在swro系统中，旋转式压力能交换器的工作过程如图2和图3所示。

高压泵和压力提升泵是反渗透压海水淡化系统中的关键组成部分，主要完成对新鲜海水提升压力，使得新鲜海水能够通过膜组件模块进行膜渗透过程。目前swro系统中高压泵主要采取离心泵，压力提升泵采取离心泵，叶片泵和轴向柱塞泵。其中轴向柱塞泵(axialpistonpump，app)作为小排量、低泄漏和具有高密封性的高压泵很符合压力提升泵的工作需求，所以选择轴向柱塞泵作为压力提升泵。柱塞泵是依靠柱塞在缸体孔内作往复运动时产生的容积变化进行吸水和压水的。由于柱塞和缸体内空都是圆柱表面，容易得到高精度的配合，密封性能好，在高压下工作仍能保持较高的容积效率和总效率。斜盘式轴向柱塞泵是采用配水盘配水，缸体旋转的轴向柱塞泵，柱塞抵在斜盘面上，斜盘端面的轴向分布引起柱塞的移动，柱塞同缸体一起转动，又相对于缸体有轴向的移动。轴向柱塞泵采用液压静力平衡的最佳水膜厚度设计，使缸体与配水盘之间处于纯液体摩擦下运转，具有结构简单、体积小、噪音低、效率高、寿命长和有自吸能力等优点。图4、图5和图6为斜盘式轴向柱塞泵工作原理图。

技术实现要素：

本发明的目的在于，给反渗透海水淡化系统提供一种能量回收装置、高压泵和压力提升泵三大设备的集成一体机装置。一体机为多通道双腔单一转子同轴结构，可实现海水淡化系统中三大关键装备(能量回收装置、高压泵和压力提升泵)的功能，使得占用空间更小，无中间连接管路与控制阀门，大幅度减少了高压动、静密封环节，本质上提高了系统的安全可靠性。

本发明的上述目的可采用如下技术方案来实现，海水淡化能量回收及压力提升一体机装置，其包括：

套筒壳体，其可与定子固定安装，侧面开孔与转子缸体径向孔道连接作为高低压浓海水的进出口。套筒壳体与转子缸体通过转子轴承完成定位，同时转子轴承实现套筒壳体和转子缸体间的密封和润滑；

主轴，其转动支撑于定子，由外置电机驱动；

具有多个柱塞孔的转子缸体，其结合于主轴上，由主轴带动其绕主动轴线转动，并且该转子缸体一侧端面与孔道压盖配合；

斜盘，其固定安装在套筒壳体上，其端面与转子缸体的多个柱塞孔轴相对设置，与柱塞组件中的滑靴滑动设置；

多个柱塞组件，柱塞组件包括滑靴、柱塞杆与柱塞，滑靴与柱塞杆上的柱塞球铰接，其柱塞一端滑动设置在转子缸体的柱塞孔内，滑靴一端滑动设置在斜盘端面上；

在本发明中，所述的转子缸体是多通道双腔单一转子结构，具有旋转式压力能交换器转子和斜盘式轴向柱塞泵缸体的双重功能。随着主轴驱动转子缸体旋转，柱塞孔内双腔中的高低压流体能够正位移做功进行压力能交换，完成能量回收功能；由于斜盘的斜度和转子缸体周向转动，柱塞往复运动，对低压流体进行做功加压，完成压力提升功能。

在本发明中，所述的转子缸体柱塞孔道与柱塞组件进行滑动设置，柱塞孔道内嵌石墨套保证柱塞滑动时的微隙密封和润滑处理。石墨套加工方式如下：将外径精加工内径粗加工的石墨套与柱塞孔过盈配合，使其嵌入柱塞孔道内，后对石墨套内径进行精细加工，使得石墨套内径与柱塞实现微隙密封，这样的加工过程保证了石墨套的稳定性。

在本发明中，所述的柱塞组件具体为球铰式柱塞组件，其包括滑靴、柱塞连杆和柱塞，在滑靴上设有球窝，柱塞杆的球头设置于滑靴球窝中与滑靴形成球铰连接，另一端通过螺纹与柱塞连接，所诉柱塞滑动设置于柱塞孔内，在该柱塞连杆和柱塞中间开有连通于柱塞孔的细孔，从而引入流体润滑滑靴球铰端的球头。

在本发明中，作为一种可选实施方式，所述柱塞连杆和柱塞分成两部分，通过螺纹连接，实现一体机加工制造和安装，柱塞连杆和柱塞分别从转子缸体两侧端面进入柱塞孔道，两者在柱塞孔道内部螺纹连接来完成柱塞组件的安装。

在本发明中，作为一种可选实施方式，所述柱塞连杆球头与滑靴球窝通过烘装实现球铰连接，对滑靴进行加热使其膨胀变形，使得柱塞连杆球头插入滑靴球窝，后对滑靴进行冷却，柱塞连杆球头与滑靴球窝能够实现稳定的球铰连接。

在本发明中，所述的滑靴端面与斜盘端面进行滑动设置，通过封水带设计和微隙密封实现润滑和密封。滑靴端面内环开设凹槽，用来储存来自于柱塞底部泄流的流体，滑靴端面外环开设封水带与斜盘端面微隙密封，凹槽中的流体不断向封水带径向泄流，实现了对斜盘和滑靴端面的润滑。

在本发明中，所述的柱塞连杆和柱塞中间开有连通于柱塞腔的细孔，可引入柱塞底部腔的原海水流体润滑滑靴球铰端的球头和滑靴端面，分别对球铰连接摩擦和端面滑动摩擦进行润滑实现润滑减阻的效果，通过控制细孔长度与孔径能够有效控制泄流压力。

采用本发明的上述结构，本发明的海水淡化能量回收及压力提升一体机装置，在主轴带动转子缸体连续转动的过程中，当某个柱塞孔双腔分别连通浓海水高压进口和原海水高压出口，此时对应柱塞腔引入高压浓海水，高压浓海水对低压原海水加压做功，实现流体间压力能交换，加压后的原海水从出口流出；之后柱塞孔双腔连通原海水低压进口和浓海水低压出口，此时对应柱塞腔引入低压原海水，另外一侧柱塞腔排出向外加压做功后的低压浓海水，此刻柱塞腔内充满待加压处理的低压原海水。通过转子缸体连续转动可以实现这个循环过程，高压浓海水与低压原海水不断地进行压力能交换，以上即该一体机装置的能量回收模块工作机制。

采用本发明的上述结构，本发明的海水淡化能量回收及压力提升一体机装置，在主轴带动转子缸体连续转动过程中，柱塞组件绕轴线旋转，由于斜盘的斜度，柱塞组件在转子缸体的柱塞孔中作往复运动，形成柱塞孔中的体积变化，并在转子缸体后端的配流盘和定子的配合下先后与低压原海水的进出口连通，实现吸入海水和压缩海水的过程，也即实现了转动机械能和液压能的转换。以上即该一体机装置的压力提升模块工作机制。

采用本发明的上述结构，本发明的海水淡化能量回收及压力提升一体机装置，可同时实现对高压浓海水的能量回收功能和对低压原海水的压力提升功能，在反渗透海水淡化系统中，实现了能量回收及压力提升模块的集成化和一体化。

本发明的海水淡化能量回收及压力提升一体机装置与现有的旋转式压力能交换器、高压泵、压力提升泵或能量回收装置和压力提升泵的集成装置相比，具有如下效果：

a)、与旋转式压力能交换器、高压泵和压力提升泵相比：在功能上实现了海水淡化系统中三大关键设备(能量回收装置、高压泵和压力提升泵)的集成，其中斜盘式轴向柱塞泵模块完成压力提升和高压功能，旋转式压力能交换器模块完成能量回收功能，微隙密封和机械密封模块解决前两个模块融合而产生的泄露和密封问题，适应了swro系统的小型化和集成化需求。具体优势如下：

1)占用空间更小，有效实现了集成，大大降低了swro系统的空间成本。

2)一体机装置融合现有旋转式压力能交换器与斜盘式轴向柱塞泵的技术优势和结构相似性，实现了整机多通道双腔单一转子同轴结构，使周向分布的转子孔道柱塞两侧空腔都成为流道，增加了转子空间利用效率。

3)转子缸体孔道与柱塞间利用石墨套进行微隙密封，在控制泄漏量的基础上，降低了柱塞滑动所受阻力，保证了密封和润滑的平衡。

4)鉴于一体机的斜盘一侧的复杂结构，为保证加工的可行性，设计转子缸体径向通道，作为转子缸体孔道内浓海水进出口，优化了转子结构。该设计从转子缸体圆周面开孔加工，降低了加工难度。

5)斜盘和滑靴端面的封水带设计，实现了利用柱塞底部腔内原海水对端面进行润滑。既保证了斜盘和滑靴端面的润滑，降低了滑动摩擦阻力，又保证了柱塞底部腔内原海水的密封，控制了泄漏量。

6)一体机装置中能量回收模块虽然采用旋转式压力能交换器结构，但是增加了活塞，有效降低了转子管道中液流体积掺混率。

7)无中间连接管路与控制阀门，大幅度减少了高压动、静密封环节，减少了swro系统中的运动部件，本质上提高了系统的安全可靠性。

b)、和能量回收装置和压力提升泵的集成装置相比，在空间和流道上进一步集成，在低占空，小体积方面做得更彻底。传统的集成装置是将串联在同一流道上的能量回收装置和压力提升泵进行集成，压力提升泵采用叶片泵或者柱塞泵的形式安装在能量回收模块的高压原海水出口完成进一步的压力提升。该一体机装置，实现了并联在不同流道上的能量回收装置、压力提升泵和高压泵的集成，其中能量回收模块与压力提升模块采取同一套结构，实现了更高阶的集成型式。同时，一体机装置融合现有旋转式压力能交换器与斜盘式轴向柱塞泵的技术优势和结构相似性，实现了整机多通道双腔单一转子同轴结构，使周向分布的转子孔道柱塞两侧空腔都成为流道，增加了转子空间利用效率；减少了swro系统的连接管路和控制阀门，大幅度减少了高压动、静密封环节，减少了swro系统中的运动部件，本质上提高了系统的安全可靠性。

附图说明

图1为现有的旋转式压力能交换器结构示意图；

图2为图1的a-a剖视图；

图3为图1的b-b剖视图；

图4为现有的斜盘式轴向柱塞泵结构示意图；

图5为图4的c-c剖视图；

图6为图4的d-d剖视图；

图7为现有的swro系统示意图；

图8为本发明的配有一体机装置的swro系统示意图；

图9为本发明的结构原理图；

图10为图9的e-e剖视图；

图11为图9的f-f剖视图；

图12为本发明的主视结构示意图；

图13为图12的g-g剖视图；

图14为定子13的右视图；

图15为柱塞组件(2、3、6)与转子缸体7的装配示意图；

图16为柱塞组件(2、3、6)滑靴2端面润滑设计示意图。

主要图号说明：

1—套筒壳体，2—滑靴，3—柱塞连杆，4—柱塞连杆石墨套，5—转子轴承，6—柱塞，7—转子缸体，8—柱塞石墨套，9—第一o型圈，10—孔道压盖，11—配流盘，12—第二o型圈，13—定子，14—主动环，15—第三o型圈，16—第四o型圈，17—补偿环，18—定子压盖，19—主轴，20—滑动轴承，21—圆柱销，22—内六角圆柱头螺钉，23—纸垫，24—圆柱螺旋弹簧，25—弹簧座，26—万向球，27—回程盘，28—斜盘，201—封水带，202—水池槽，203—滑靴中心孔，301—柱塞杆中心孔，701—转子缸体轴向孔道，702—转子缸体径向孔道，a—低压原海水入口，b—高压原海水入口，d—高压浓海水入口，e—低压浓海水入口，m－电机。

具体实施方式

参见图7和图8所示，使用本发明的海水淡化能量回收及压力提升一体机装置的swro系统，一体机装置代替了高压泵、压力提升泵和能量回收装置三大设备。在电动机输入做功下，一体机装置对60％流量的高压浓海水进行压力能回收，然后对100％流量的低压原海水进行加压做功，使其进入反渗透膜进行脱盐淡化。同时完成了能量回收和压力提升的双重功能，替代了传统三大设备，实现了swro系统的集成和简化。一体机装置有四个进出流口，分别为低压原海水进口、高压原海水出口、高压浓海水进口和低压浓海水出口，原海水与浓海水流量比为5:3。

参见图9-11所示，本发明的海水淡化能量回收及压力提升一体机装置主要包括：

主轴19；具有多个柱塞孔的转子缸体7，其结合于主轴19上，由主轴19带动其绕主动轴线转动，转子缸体7柱塞孔分轴向孔道701和径向孔道702两部分，轴向孔道701主要与柱塞和柱塞连杆滑动设置用，径向孔道702作为浓海水流体腔使用；定子18，其与主轴19通过滑动轴承20实现定位安装，固定不转动；套筒壳体1，其与转子缸体7通过转子轴承5实现定位安装，固定不转动；柱塞6和柱塞连杆3与转子缸体7的柱塞孔道滑动设置；斜盘28与滑靴2滑动设置，其与套筒壳体1通过螺纹安装，固定不转动；孔道压盖10与转子缸体7进行镶嵌安装，转子缸体轴向孔道701与孔道压盖10连接处装配第一o型圈9；配流盘11与定子18端面连接安装，设置开孔通过圆柱销21进行定位；套筒壳体1与定子18通过内六角头圆柱螺钉22紧固安装，连接处装配第二o型圈12，端面连接处设置纸垫23。

套筒壳体1侧面设置高压浓海水进口d和低压浓海水出口e，定子18设置低压原海水进口a和高压浓海水出口b，转子缸体7内柱塞孔腔在旋转过程中分别于四个进出口连通，完成流体的吸入和排出。

本发明作为海水淡化能量回收及压力提升一体机装置使用时，在能量回收模块中，电机m驱动主轴19转动，可以带动转子缸体7绕主轴线旋转，转子缸体7内的柱塞孔腔分别与低压原海水进口、低压浓海水出口和高压浓海水出口、低压原海水进口连通，柱塞孔腔内浓海水和原海水界面随着压力差轴向往复运动，从而形成了柱塞孔腔内高压浓海水对低压原海水体积压缩，实现了高压浓海水对低压原海水做功，也即实现了高压浓海水与低压原海水的压力能交换，完成了对高压浓海水的能量回收功能。

在压力提升模块中，电机m驱动主轴19转动，可以带动转子缸体7绕主轴线旋转，转子缸体7带动柱塞6和柱塞连杆3绕主轴线转动，柱塞组件相对于斜盘28滑动产生轴向往复运动，从而形成了转子缸体7的柱塞孔腔的容积变化，实现吸入原海水和压缩原海水的过程，也即实现了转动机械能与液压能之间的转换，完成了对低压原海水的压力提升功能。

在本发明中，转子缸体7中的柱塞孔腔内浓海水和原海水的界面和柱塞的往复运动是同步的，所以一体机装置的能量回收模块和压力提升模块的工作也是同步的。该一体机装置融合了能量回收模块和压力提升模块，实现了对高压泵、压力提升泵和旋转式压力能交换器的结合和集成。

参见图12-14所示，本发明的海水淡化能量回收及压力提升一体机装置可分为能量回收模块、压力提升模块和高压机械密封模块。在能量回收模块中，转子缸体7、套筒壳体1、主轴19、孔道压盖10、配流盘11和定子13构成完整的旋转式压力能交换器结构，转子缸体7的各个孔道在旋转过程中分别与四个进出口连通，通过正位移做功原理完成液体之间压力能的交换。在压力提升模块中，转子缸体7、柱塞6、柱塞连杆3、滑靴2、斜盘28、主轴19、孔道压盖10、配流盘11和定子13构成完整的斜盘式旋转柱塞泵结构，各个柱塞孔道在旋转过程中分别与吸水窗和排水窗连通，通过柱塞往复运动完成了对低压原海水的加压做功。在高压机械密封模块中，主轴19、定子13、定子压盖18、主动环14、补偿环17、第三o型圈15和第四o型圈16构成了高压机械密封结构，实现了高压工作环境下转的主轴19和定子13安装处的可靠密封。

参见图12所示，转子缸体7中孔道分为轴向孔道701和径向孔道702。其中转子缸体轴向孔道701周向均匀分布，个数为7，与柱塞杆3和柱塞6滑动设置；转子缸体径向孔道702在转子缸体7侧面与石墨套4以及套筒壳体1上的侧面孔连通，构成高低压浓海水的流道腔，其中套筒壳体1的侧面开口孔为浓海水进出口。转子缸体轴向孔道701、孔道压盖10、配流盘11和定子13构成高低压原海水的流道腔，其中孔道压盖10嵌入转子缸体7，将转子缸体7内的圆形流道调整为扇形圆环流道，由右侧压紧与转子缸体7安装，转子缸体7与孔道压盖10内的流道绕主轴转动。配流盘11、定子13与主轴19定位安装，配流盘11定位在主轴17轴肩，配流盘11和定子13通过轴承与主轴配合，有效减少了转动过程中的摩擦损耗，配流盘11与定子13内的流道固定不动。定子13内流道通过径向开孔连通定子13侧面，定子13的侧面开口为原海水进出口。在装置转动时，转子缸体7部分的流道与定子13部分的海水进出口交互连通，完成浓海水和原海水的交换，实现海水的压力能交换。

参见图13所示，滑靴2端面与斜盘28端面进行滑动设置，为保证滑靴2不脱离斜盘28端面，通过回程盘27保证滑靴2端面对斜盘28端面的紧密接触和挤压。在一体机装置中，设置圆柱螺旋弹簧24、弹簧座25和万向球26对回程盘端27面形成均匀的挤压力，实现回程盘对滑靴2肩部的挤压。其中圆柱螺旋弹簧24能够保证泵启动时，转子缸体7被紧压在配流盘11和定子13上，一般取弹簧预紧力力为300～500n。柱塞6内部开设一定内径的孔，减轻柱塞质量，降低工作过程中柱塞往复运动产生惯性。柱塞连杆3内部开设直径d0＝2mm的中心细孔直通柱塞连杆球头端，从而引入柱塞底部流体润滑柱塞连杆3球头铰链处和滑靴2端面断面连接处。

参见图13-14所示，定子13周向均匀分布6个圆孔，此处圆孔可通过螺杆。套筒壳体1、定子13和定子压盖18通过内六角圆柱头螺钉22连接，其中内螺纹设置在套筒壳体1右侧端面，内六角圆柱头螺钉22穿过定子压盖18和定子13与套筒壳体1实现螺纹连接，使得套筒壳体1、定子13和定子压盖18固定安装，形成一体机装置稳固安装的壳体。

参见图13所示，主动环14、补偿环17、第三o型圈15和第四o型圈16构成机械密封模块。其中机械密封主动环14选择1cr13堆焊钴铬钨，属于硬质合金材料，补偿环选择浸酚醛树脂石墨，适用于纯净水和海水的工作介质。

参见图15所示，柱塞连杆3和柱塞6与转子缸体7的柱塞孔道进行滑动设置，在滑动处设置柱塞连杆石墨套4和柱塞石墨套8起润滑作用，同时通过控制柱塞(3或者6)和石墨套(4或者8)的间隙下，可以控制泄漏量，保证密封效果。设该一体机装置的转子缸体7的柱塞孔个数为7，转速nb＝1500rpm，理论原海水流量qlb＝5m³/h，经过设计计算可得柱塞直径dz＝21.88mm，△pmax＝5.9mpa，在控制柱塞6与转子缸体轴向孔道701间隙精度h＝0.01mm的情况下，柱塞连杆3和柱塞连杆石墨套4产生的总泄漏量q＝4.32ml/s，柱塞6和柱塞石墨套8滑动设置处产生的总泄漏量q＝1.46ml/s，则两处发生的最大泄漏率：

根据设计计算所得的泄漏量远低于工作流量，所以石墨套微隙密封可以有效保证集成一体机的可靠性。实际工作工程中，柱塞6两侧海水压力差△p<5.9mpa，因此实际泄漏量要小于计算泄漏量q。

参见图16所示，滑靴2端面中间设置水池槽202，外围设置封水带201。可以引入经柱塞连杆3的中心孔301、滑靴中心孔203从柱塞6底部泄流出的原海水，充盈在水池槽202中。水池槽202中的原海水进入封水带201形成0.01～0.03mm厚的水膜，起润滑作用，减少滑靴2端面在工作过程中与斜盘28端面的摩擦。图11中阴影部分即封水带201，封水带201与斜盘28面保持微小的间隙，间隙中存有水膜。在控制水膜厚度δ＝0.01mm的条件下，经计算，得到封水带201内、外侧的泄漏量为0.75ml/s，远小于工作流量。