自增压能量回收高压泵的制作方法

1.本发明涉及海水反渗透能量回收泵技术领域，具体为一种自增压能量回收高压泵。


背景技术：

2.反渗透淡化技术是利用高压泵将原海水加压，使其压力达到反渗透所需的操作压力，加压后的原水流入反渗透膜压力容器中，原水透过反渗透膜形成的淡水成为产品水，而未透过反渗透膜的浓盐水则带着高压排出。
3.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其能耗所占的比重最大，所以降低能耗是降低反渗透淡化成本最有效的手段。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大型高压泵的效率高于小型高压泵；二是没有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的能量回收设备型式，或者难以选型，或者投资非常不经济。因此，提高高压泵的效率和将浓盐水的余压回收利用是降低运行成本最重要的两个方向。
4.能量回收技术就是将反渗透系统浓盐水余压能回收利用的技术，使用能量回收技术可以将浓盐水携带的能量加以利用，可节约一半以上的能耗。典型的反渗透海水淡化系统中，需要高压泵和增压泵两套设备对海水加压：高压泵用于将反渗透之前的进水直接加压到反渗透系统所需的操作压力；增压泵用于将原料海水增压至前处理工艺段需要的压力；反渗透浓水回流至高压泵前是为更好利用浓水能量，降低系统能耗。上述两部分原料海水会合后进入反渗透膜进行淡化。由于需要两套加压设备，因此系统流程复杂，投资高，运行维护难度大，不适用于小规模反渗透海水淡化系统。
5.中国专利cn102588240a公开了一种反渗透海水淡化自增压能量回收高压泵，有：在内部形成有多个内部流道的中心块；位于中心块的上方，与中心块的内部流道相连通，并设置有高压盐水孔和分别对称位于高压盐水孔两侧的第一排放孔和第二排放孔的换向控制阀；位于中心块的下方，与中心块的内部流道相连通，并设置有原海水进水孔和分别对称设置于原海水进水孔两侧的第三排放孔和第四排放孔的导向控制阀；位于中心块的左侧，与中心块的内部流道相连通，并对称设置有第一液流孔和第二液流孔的第一液压缸；位于中心块的右侧，与中心块的内部流道相连通，并对称设置有第三液流孔和第四液流孔的第二液压缸。该发明适用于小型反渗透海水淡化系统，但是其使用时高压盐水需要推动两处换向阀和一处活塞杆，能量损耗较大。


技术实现要素：

6.本发明提供一种自增压能量回收高压泵，以解决现有能量回收设备不支持小型设备、小型反渗透海水淡化系统能耗高和现有能量回收设备能量损耗大等技术问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
8.本发明涉及一种自增压能量回收高压泵，其包括：
9.第一缸体，第一缸体上设有低压原水进口和高压原水出口；
10.第二缸体，第二缸体上设有低压原水进口和高压原水出口；
11.活塞组件，包括活塞和活塞杆，活塞设置2个且分别位于第一缸体和第二缸体内，活塞杆的两端分别与2个活塞固定连接，活塞杆内部设有沿活塞杆轴向的换向孔道，换向孔道两端分别与第一缸体和第二缸体的无杆腔接通，活塞杆的侧壁上设有接通换向孔道与活塞杆外部的第一液流孔；
12.换向阀，换向阀上设有高压浓水进口和低压浓水出口，第一缸体密封安装在换向阀一端，第二缸体密封安装在换向阀的另一端，活塞杆穿过换向阀，第一液流孔位于换向阀内，换向阀受第一液流孔内流水的控制换向从而使活塞杆往复运动。
13.优选地，所述的换向阀包括阀壳和浓水导流环，高压浓水进口和低压浓水出口设在阀壳外壁上，阀壳内设有杆套，杆套套设在活塞杆上且与活塞杆滑动配合，杆套两端的侧壁上分别设有第二液流孔，第二液流孔接通杆套内部和外部，第二液流孔和第一液流孔位置对应，浓水导流环套设在杆套上且与杆套滑动配合，浓水导流环包括第一环件和位于第一环件内部的第二环件，第一环件和第二环件的中部通过环形隔板固定连接，环形隔板穿过第二环件，环形隔板的内侧滑动套设在杆套上，第一环件与阀壳之间形成高压浓水腔，高压浓水腔与高压浓水进口接通，第一环件的两端分别设有第三液流孔，第二环件与杆套之间形成换向腔，换向腔与第二液流孔连通，阀壳的两端设有端盖，端盖上设有第四液流孔，第四液流孔接通第一缸体或第二缸体的有杆腔，当浓水导流环位于右侧极限位置时，第一环件上右侧第三液流孔与右侧第四液流孔接通；当浓水导流环位于左侧极限位置时，第二环件上的左侧第三液流孔与左侧第四液流孔接通。
14.优选地，阀壳上的低压浓水出口设置2个，高压浓水进口位于2个低压浓水出口之间，第一环件的两端设有环形的止流部，当浓水导流环位于右侧极限位置时，第一环件上的右侧的止流部封堵右侧的低压浓水出口，左侧的低压浓水出口与左侧的第四液流孔接通；当浓水导流环位于左侧极限位置时，第一环件上的左侧的止流部封堵左侧的低压浓水出口，右侧的低压浓水出口与右侧的第四液流孔接通。
15.优选地，杆套还设有第五液流孔，第五液流孔位于第二液流孔的外侧，阀壳上设有低压原水出水口，第五液流孔接通杆套内部和低压原水出水口，当活塞杆上的第一液流孔与第二液流孔接通时，活塞杆上另一侧的第一导流槽同时接通同侧的第二液流孔和第五液流孔，使该侧换向腔内的水流依次通过第二液流孔和第五液流孔排向外部，减小浓水导流环的换向阻力，减小能量损失。
16.优选地，换向孔道的两端均设有仅能使液体流入换向孔道的单向阀，通过第一缸体或者第二缸体内的原水驱动浓水导流环换向；第一缸体和第二缸体上的低压原水进口上设有仅能使液体流入的单向阀，第一缸体和第二缸体上的高压原水出口上设有仅能使液体流出的单向阀。
17.优选地，所述的活塞杆外壁上设有环形的第二导流槽，第一液流孔位于第二导流槽内，用于提高第一液流孔与第二液流孔接通的容错率，使两者便于接通而不必刻意对齐第一液流孔与第二液流孔，便于使用。
18.优选地，第一环件和第二环件之间的区域被环形隔板分为左右两个第一空腔，两个第一空腔通过环形隔板上的通孔互通，端盖上向阀壳内侧延伸有环形挡圈，环形挡圈外侧与第一环件滑动配合，环形挡圈内侧与第二环件滑动配合，当浓水导流环位于右侧极限位置时，右侧的环形挡圈位于右侧第三液流孔的左侧，左侧环形挡圈位于左侧第三液流孔的左侧，当浓水导流环位于左侧极限位置时，左侧的环形挡圈位于左侧第三液流孔的右侧，右侧环形挡圈位于右侧第三液流孔的右侧。
19.优选地，端盖的内侧设有第一导流环和第二导流环，所述的第一导流环的一端与端盖接触，第一导流环的另一端设有向外侧翻折的翻折部，翻折部外侧与环形挡圈与端盖之间的连接部接触，翻折部和端盖之间形成第二空腔，第二空腔与第五液流孔接通，第一导流环内侧设有挡流环，挡流环位于第二液流孔与第五液流孔之间将第二液流孔与第五液流孔隔开；所述的第二导流环的一端与端盖接触，第二导流环的外侧壁与阀壳贴合，第二导流环的内侧壁与环形挡圈与端盖之间的连接部贴合，第二导流环的外侧壁上设有环形的第三导流槽，第三导流槽与第二空腔接通，第三导流槽接通低压原水出水口。
20.优选地，第一导流环和端盖接触的一端上开设有导流口，导流口接通第五液流孔与第二空腔；第二导流环上设有径向的第六液流孔，第六液流孔位于第三导流槽内，第六液流孔接通第二空腔与第三导流槽。
21.优选地，第二导流环上设有轴向布置的第一流道，第四液流孔通过第一流道接通低压浓水出口或高压浓水进口，端盖内侧的连接部上设有第七液流孔，第六液流孔与第七液流孔接通，第五液流孔通过导流口接通第二腔体，第二腔体通过第六液流孔与第七液流孔接通第三导流槽，第三导流槽接通低压原水出水口和低压原水出水口。
22.采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
23.1、本发明所涉及的自增压能量回收高压泵，以反渗透装置排出的高压浓水、第一缸体和第二缸体内的原水共同作为活塞杆的驱动，用以制作高压原水；以第一缸体和第二缸体内的原水作为浓水导流环换向的驱动；浓水导流环相当于一个换向阀芯，通过本发明中的巧妙液流孔道结构实现其自动换向，换向时不使用高压浓水的能量，减小高压浓水的能量消耗，具有更加高效的能量转换效率。
24.2、本发明所涉及的自增压能量回收高压泵，在活塞杆上设有第一导流槽，当活塞杆上的第一液流孔与第二液流孔接通时，活塞杆上另一侧的第一导流槽同时接通同侧的第二液流孔和第五液流孔，使该侧换向腔内的水流依次通过第二液流孔和第五液流孔排向外部，对换向腔内进行泄压，减小浓水导流环的换向阻力，进一步减小能量损耗。
25.3、本发明所涉及的自增压能量回收高压泵，使用时只需前置一台低压原海水供水泵，可以直接将原水的压力提升至反渗透系统所需的操作压力，而无需再安装额外的高压泵、增压泵，使反渗透系统设计流程更加简单，减少了小型反渗透淡化装置的体积和重量，减小了设备投资和系统能耗，本发明高压浓水余压利用的有效能量转换效率可达91％以上。
26.4、采用本发明所涉及的自增压能量回收高压泵的小型反渗透海水淡化系统，吨水能耗较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，而采用本发明所涉及的自增压能量回收高压泵的小型反渗透海水淡化装置吨水能耗在4～5kwh，能量节约率可高达67％；可用于规模在日产淡水50吨/日以内
的反渗透淡化装置上，最低可用于0.5吨/ 日的反渗透淡化装置，利于在中小型反渗透海水淡化系统中推广使用。
27.5、本发明所涉及的自增压能量回收高压泵，通过改变活塞杆面积与活塞面积之比，改变提供的压力而将本发明所作用的反渗透系统的产水率，即产出淡水的量与输入原水之比控制在8％～25％之间，设计为固定值，以便适用于不同规格反渗透系统的产水压力需求。
28.6、本发明所涉及的自增压能量回收高压泵由于为自增压模式，降低了对高压泵的要求，但仍能增压到反渗透系统操作压力，因此，整个系统更易于实现与太阳能、风能等新能源的结合。
附图说明
29.图1是本发明所涉及的自增压能量回收高压泵的立体图；
30.图2是本发明所涉及的自增压能量回收高压泵的主视图；
31.图3是本发明所涉及的自增压能量回收高压泵的剖视图；
32.图4是本发明中浓水导流环的立体图；
33.图5是本发明中端盖的立体图；
34.图6是本发明中第二导流环的立体图；
35.图7是本发明中第一导流环的立体图；
36.图8是本发明中活塞杆的立体图；
37.图9是本发明工作过程的示意图。
38.图中：1、第一缸体，11、低压原水进口，12、高压原水出口，13、无杆腔， 14、有杆腔，2、第二缸体，21、低压原水进口，22、高压原水出口，23、无杆腔，24、有杆腔，3、换向阀，31、高压浓水进口，32、低压浓水出口，33、低压浓水出口，34、低压原水出水口，35、低压原水出水口，36、高压浓水腔，4、浓水导流环，41、第一环件，42、第二环件，43、第三液流孔，44、止流部，45、第一空腔，46、换向腔，47、环形隔板，48、通孔，5、端盖，51、第四液流孔， 52、第七液流孔，53、环形挡圈，54、连接部，6、第二导流环，61、第三导流槽，62、第六液流孔，63、第一流道，7、第一导流环，71、翻折部，72、导流口，73、挡流环，74、第二空腔，8、活塞，81、组合密封件，9、杆套，91、第二液流孔，92、第五液流孔，10、活塞杆，101、第一导流槽，102、第一液流孔， 103，换向孔道，104、第二导流槽，20、单向阀。
具体实施方式
39.为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
40.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
41.请参阅图1～9，本发明涉及一种自增压能量回收高压泵，其包括：
42.第一缸体1，第一缸体1上设有低压原水进口11和高压原水出口12；
43.第二缸体2，第二缸体2上设有低压原水进口21和高压原水出口22；
44.活塞组件，包括活塞8和活塞杆10，活塞8设置2个且分别位于第一缸体1 和第二缸体2内，活塞杆10的两端分别与2个活塞8固定连接，活塞杆10内部设有沿活塞杆10轴向的换
向孔道103，换向孔道103两端分别与第一缸体1和第二缸体2的无杆腔13和无杆腔23接通，活塞杆10的侧壁上设有接通换向孔道103与活塞杆外部的第一液流孔102；活塞8上套设有常规的组合密封件81。
45.换向阀，换向阀上设有高压浓水进口31和低压浓水出口，第一缸体1密封安装在换向阀一端，第二缸体2密封安装在换向阀的另一端，活塞杆10穿过换向阀，第一液流孔102位于换向阀内，换向阀受第一液流孔102内流水的控制换向从而使活塞杆10往复运动。换向阀包括阀壳3和浓水导流环4，高压浓水进口31和低压浓水出口设在阀壳3外壁上，阀壳3内设有杆套9，杆套9套设在活塞杆10上且与活塞杆10滑动配合，杆套9两端的侧壁上分别设有第二液流孔 91，第二液流孔91接通杆套9内部和外部，第二液流孔91和第一液流孔102 位置对应，浓水导流环4套设在杆套9上且与杆套滑动配合，浓水导流环4包括第一环件41和位于第一环件内部的第二环件42，第一环件41和第二环件42的中部通过环形隔板47固定连接，环形隔板47穿过第二环件42，环形隔板47的内侧滑动套设在杆套9上，第一环件41与阀壳3之间形成高压浓水腔36，高压浓水腔36与高压浓水进口31接通，第一环件41的两端分别设有第三液流孔43，第二环件42与杆套9之间形成换向腔46，换向腔46与第二液流孔91连通，阀壳3的两端设有端盖5，端盖5上设有第四液流孔51，第四液流孔51接通第一缸体1或第二缸体2的有杆腔，当浓水导流环4位于右侧极限位置时，第一环件 41上右侧第三液流孔43与右侧第四液流孔51接通；当浓水导流环4位于左侧极限位置时，第二环件上的左侧第三液流孔43与左侧第四液流孔51接通。
46.请参阅图1～3、9，阀壳3上的低压浓水出口设置2个，本实施例包括低压浓水出口32和低压浓水出口33，高压浓水进口31位于2个低压浓水出口之间，第一环件41的两端设有环形的止流部44，请参阅图9，当浓水导流环4位于右侧极限位置时，第一环件41上的右侧的止流部44封堵右侧的低压浓水出口32，左侧的低压浓水出口33与左侧的第四液流孔51接通；与前述对应，当浓水导流环4位于左侧极限位置时，第一环件41上的左侧的止流部44封堵左侧的低压浓水出口33，右侧的低压浓水出口32与右侧的第四液流孔51接通。
47.请参阅图1～3、9，杆套还设有第五液流孔92，第五液流孔92位于第二液流孔91的外侧，本实施例中阀壳3上设有低压原水出水口34和低压原水出水口 35，杆套两侧第五液流孔92接通杆套9内部和低压原水出水口34和低压原水出水口35，请参阅图8、9，活塞杆10的左右两侧的外壁上均设有环形的第一导流槽101，当活塞杆10上的第一液流孔102与第二液流孔91接通时，活塞杆10 上另一侧的第一导流槽101同时接通同侧的第二液流孔91和第五液流孔92，使该侧换向腔46内的水流依次通过第二液流孔91和第五液流孔92排向外部，减小浓水导流环4的换向阻力，减小能量损失。换向孔道103的两端均设有仅能使液体流入换向孔道的单向阀20，通过第一缸体或者第二缸体内的原水驱动浓水导流环换向；第一缸体1和第二缸体上2的低压原水进口11和低压原水进口12 上设有仅能使液体流入的单向阀20，第一缸体1和第二缸体2上的高压原水出口12和低压原水进口22上设有仅能使液体流出的单向阀20，本实施例中的单向阀结构包括球形的阀芯和弹簧，弹簧压迫阀芯使阀芯堵住单向阀的进水口，当水压所产生的压力大于弹簧的设定压力时单向阀接通。请参阅图8、9，活塞杆10外壁上设有环形的第二导流槽104，第一液流孔102位于第二导流槽104内，用于提高第一液流孔102与第二液流孔91接通的容错率，使两者便于接通而不必刻意对齐第一液流孔与第二液流孔，便于使用。
48.请参阅图3～4、8、9，第一环件41和第二环件42之间的区域被环形隔板47 分为左右两个第一空腔45，两个第一空腔通45过环形隔板47上的通孔48互通，端盖5上向阀壳3内侧延伸有环形挡圈53，环形挡圈53外侧与第一环件41滑动配合，环形挡圈53内侧与第二环件42滑动配合，当浓水导流环4位于右侧极限位置时，右侧的环形挡圈53位于右侧第三液流孔43的左侧，左侧环形挡圈 53位于左侧第三液流孔43的左侧，与前述对应，当浓水导流环4位于左侧极限位置时，左侧的环形挡圈53位于左侧第三液流孔43的右侧，右侧环形挡圈位于右侧第三液流孔的右侧。
49.请参阅图3、6～8、9，端盖5的内侧设有第一导流环7和第二导流环6，所述的第一导流环7的一端与端盖5接触，第一导流环7的另一端设有向外侧翻折的翻折部71，翻折部71外侧与环形挡圈53与端盖5之间的连接部54接触，翻折部71和端盖5之间形成第二空腔74，第二空腔74与第五液流孔92接通，第一导流环7内侧设有挡流环73，挡流环73位于第二液流孔91与第五液流孔92 之间将第二液流孔与第五液流孔隔开；所述的第二导流环6的一端与端盖5接触，第二导流环6的外侧壁与阀壳3贴合，第二导流环6的内侧壁与环形挡圈与端盖之间的连接部54贴合，第二导流环6的外侧壁上设有环形的第三导流槽61，第三导流槽61与第二空腔74接通，两侧的第三导流槽61分别接通低压原水出水口34和低压原水出水口35，第一导流环7和端盖5接触的一端上开设有导流口 72，导流口72接通第五液流孔92与第二空腔74；第二导流环6上设有径向的第六液流孔62，第六液流孔62位于第三导流槽61内，第六液流孔62接通第二空腔74与第三导流槽61。本实施例中第二导流环6上设有轴向布置的第一流道 63，第四液流孔51通过第一流道63接通低压浓水出口或高压浓水进口31，端盖5内侧的连接部54上设有第七液流孔52，第六液流孔62与第七液流孔52接通，第五液流孔92通过导流口72接通第二腔体74，第二腔体74通过第六液流孔62与第七液流孔52接通第三导流槽61，第三导流槽61接通低压原水出水口 34和低压原水出水口35。
50.本发明所涉及的自增压能量回收高压泵的工作步骤及原理为：
51.1)将第一缸体1和第二缸体2的低压原水进口11和低压原水进口21处连接好前置的低压原水供水泵供水；将第一缸体1和第二缸体2的高压原水出口 12和高压原水出口22接通反渗透装置的入水口；将高压浓水进口31接通反渗透装置的高压浓水出口，完成系统的安装；
52.2)启动系统，参阅图3，原水先由低压原水进口21进入第二缸体2的无杆腔23内，推动活塞8向左运动，同时高压原水出口22向外输送高压原水至反渗透装置；活塞杆向左运动到左极限位置时，第一液流孔102与左侧的第二液流孔 91接通，此时第二缸体2无杆腔23内的原水通过单向阀依次经过换向孔道103、第一液流孔102、左侧的第二液流孔91进入左侧换向腔46内，推动浓水导流环 4向右运动至右极限位置，达到图9所示的状态，此时高压浓水腔36通过右侧的第三液流孔43、右侧的第一流道63和右侧的第四液流孔51接通第二杆体的有杆腔24，同时右侧止流部44封堵右侧低压浓水出口32，高压浓水腔36内的高压浓水推动右侧活塞8向右运动，左侧的低压浓水出口33与第一缸体的有杆腔14接通，有杆腔14内的低压浓水通过低压浓水出口33排出；
53.3)活塞杆经过高压浓水的推动到达右侧极限位置后，第一液流孔102与右侧的第二液流孔91接通，此时第一缸体1无杆腔13内的原水依次经过换向孔道 103、右侧第一液流孔102、右侧的第二液流孔91进入右侧换向腔46内，推动浓水导流环4向左运动，浓水导流环
4向左运动到左极限位置后，高压浓水腔36通过左侧的第三液流孔43、左侧的第一流道63和左侧的第四液流孔51接通第一杆体的有杆腔14，同时左侧止流部44封堵左侧低压浓水出口33，高压浓水腔36内的高压浓水推动左侧活塞8向左运动，右侧的低压浓水出口32与第二缸体的有杆腔24接通，有杆腔24内的低压浓水通过低压浓水出口32排出，浓水导流环完成一个循环往复运动的周期，浓水导流环与活塞组件以此循环往复运动，来回收利用反渗透装置所产生的高压浓水的压力。
54.当活塞杆10移动到左极限位置时，左侧第一液流孔102与左侧第二液流孔 91接通，与此同时右侧第二液流孔91与右侧第五液流孔92通过右侧第一导流槽101接通，右侧换向腔46内的原水依次通过右侧第二液流孔91、右侧第五液流孔92、导流口72、第二腔体74、第七液流孔52、第六液流孔62和第三导向槽61，然后经过右侧的低压原水出水口34排出，这样使浓水导流环4在右移时不会受到右侧换向腔46内原水的阻力，当活塞杆10移动到右极限位置时与此同理。活塞杆10在左移或者右移时，除了受到高压浓水的推动外还会受到活塞杆远离侧无杆腔内原水的推动，进一步节约了能量。
55.以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。