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        一種手動(dòng)高壓節(jié)能泵的概念設(shè)計(jì)

        2013-09-16 14:16:56方振東梁恒國丁昭霞劉兆勇
        凈水技術(shù) 2013年2期
        關(guān)鍵詞:高壓泵活塞桿淡化

        方振東 ,師 杰 ,方 濤 ,馬 穎 ,梁恒國 ,丁昭霞 ,劉兆勇

        (1.解放軍后勤工程學(xué)院,重慶 401311;2.北京軍區(qū)建筑設(shè)計(jì)研究院,北京 100042;3.海軍工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100072)

        1 手動(dòng)高壓節(jié)能泵的提出

        隨著人類活動(dòng)范圍的擴(kuò)大,在某些特殊情況(如搶險(xiǎn)救災(zāi)、無電力或不宜使用電力)下,為了保障海島或苦咸水地區(qū)居民飲水需求,需要一種能夠提供足夠高的壓力、小型質(zhì)輕、操作方便的水泵。

        目前的水泵一般需要電力或其它非人力能源操作,有的雖然采用人力操作,但是體積與質(zhì)量較大。在無電源的情況下,由人力提供海水淡化裝置6 MPa左右的壓力,就需要采用增力機(jī)構(gòu),這必然會(huì)增加泵的體積和質(zhì)量。

        手動(dòng)高壓節(jié)能泵在保證泵體積和質(zhì)量不增加的前提下,合理利用杠桿原理和能量回收原理,靠人力便可提供較大的壓力,滿足反滲透膜的壓力需求。

        2 手動(dòng)高壓節(jié)能泵設(shè)計(jì)

        2.1 設(shè)計(jì)原則

        (1)體積盡可能小。在保證一定流量和壓力的條件下,泵的體積盡可能小,從而使海水淡化裝置總的體積盡可能小。(2)質(zhì)量盡可能輕。在保證足夠機(jī)械強(qiáng)度的條件下,泵的質(zhì)量盡可能輕,從而使海水淡化裝置總的質(zhì)量輕。(3)滿足人機(jī)工程要求。操作頻率、手柄桿活動(dòng)范圍等的設(shè)計(jì)應(yīng)保證常人以不同姿勢(shì)(立姿、蹲姿)均可輕松操作。

        2.2 設(shè)計(jì)原理

        根據(jù)反滲透膜的工作原理,海水經(jīng)過反滲透膜[1-3]的作用,會(huì)產(chǎn)生淡水和濃鹽水兩種產(chǎn)物[4],而經(jīng)反滲透處理之后的濃鹽水依然具有較高的壓力。在傳統(tǒng)的反滲透處理中,濃鹽水直接排掉,浪費(fèi)了大量能量。

        手動(dòng)高壓節(jié)能泵的設(shè)計(jì)基于合理回收排掉的能量,保證泵在體積和質(zhì)量不增大的前提下,所需操作壓力最小。手動(dòng)高壓節(jié)能泵的原理如圖1所示。

        圖1 手動(dòng)高壓節(jié)能泵原理圖Fig.1 Schematic Diagram of High Pressure and Energy-Saving Hand Pump

        當(dāng)手壓桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)活塞向右移動(dòng),活塞壓縮泵右腔內(nèi)海水,產(chǎn)生高壓海水,高壓海水分流為兩路,一路經(jīng)單向閥2和RO膜組件,另一路經(jīng)換向閥,推動(dòng)閥芯移動(dòng)至左端位,使換向閥中的CD通道與管道連通。進(jìn)入RO膜組件的高壓海水經(jīng)過膜的分離產(chǎn)生濃鹽水和淡水,濃鹽水通過換向閥閥芯中的CD通道流入高壓泵的左腔內(nèi)(相對(duì)于高壓泵的活塞),推動(dòng)泵的活塞向右移動(dòng),這樣達(dá)到回收濃鹽水高壓能量的目的,當(dāng)高壓濃鹽水壓力超過允許的極限值,溢流閥打開,溢流部分高壓濃鹽水直接排出;當(dāng)手壓桿向上運(yùn)動(dòng)時(shí),高壓泵活塞壓縮高壓泵左腔內(nèi)的濃鹽水,經(jīng)管路推動(dòng)換向閥的閥芯移動(dòng)至右端位,使換向閥的AB接頭相通(如圖示位置),濃鹽水直接排出,同時(shí)高壓泵的活塞左移,使高壓泵的右腔內(nèi)形成負(fù)壓,海水經(jīng)單向閥1吸入高壓泵的右腔。如此往復(fù)不斷運(yùn)行。

        2.3 手動(dòng)高壓節(jié)能泵設(shè)計(jì)參數(shù)確定

        2.3.1 手壓桿及連接軸尺寸確定

        常見的手動(dòng)泵是通過手臂對(duì)連桿作用,促使泵的柱塞往復(fù)移動(dòng)產(chǎn)生高壓液體,手動(dòng)泵的尺寸要充分考慮與小型海水淡化裝置的配套設(shè)置[5]。手動(dòng)高壓節(jié)能泵手壓桿施力計(jì)算如圖2所示。

        操作人員操作手壓桿的方式一般為立姿或蹲姿,為了滿足不同操作者施力舒適的要求,確定人手的最大運(yùn)動(dòng)行程不超過850 mm。手壓桿及連接軸的長度取決于杠桿比的要求和操作頻率的要求,為了克服阻力需大杠桿比時(shí),手壓桿長度應(yīng)加大,需要高操作頻率時(shí),則需縮短手壓桿長度[6]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),操作頻率宜保持在60次/min左右。

        圖2 泵壓桿操作力計(jì)算簡圖Fig.2 Calculation Diagram of Force in Operation of Pump Pressure Lever

        設(shè)手壓桿長度為L、連接軸長度為K,活塞桿上的壓力為T,操作壓力為F。則由杠桿原理如下。

        從上式可以看出,如要增大T,需增大F和L或減小K。而L增大,裝置長度會(huì)相應(yīng)增大,海水淡化裝置結(jié)構(gòu)尺寸難以小型化。為了保證手動(dòng)泵產(chǎn)生足夠的水量,其活塞必須移動(dòng)足夠的距離,因此,K的減小也是有限的。

        作用在活塞桿上的壓力T應(yīng)滿足如下條件。

        式中,d為手動(dòng)泵活塞桿的直徑,p為作用在活塞上的壓強(qiáng)。

        由式1和式2分析可知,在保持F、L、K值固定不變的條件下,如要增大p,則需減小d,即增大手動(dòng)操作壓力F和減小活塞桿直徑d可以產(chǎn)生高壓?;钊麠U承受的壓力較大,同時(shí)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),則活塞桿需要較大的強(qiáng)度。經(jīng)分析和驗(yàn)算,取活塞桿直徑為16 mm,考慮泵及配套海水淡化裝置的尺寸與人機(jī)工程要求,連接軸長度值取43 mm,手壓桿長度值取847 mm。手壓桿設(shè)計(jì)呈彎曲狀可以降低泵的高度,滿足手動(dòng)操作者活動(dòng)范圍和操作頻率的要求;手壓桿擺動(dòng)角度設(shè)置為39.5°,滿足手的運(yùn)動(dòng)行程和活塞行程的要求。

        2.3.2 手動(dòng)操作壓力確定

        考慮到操作的輕松靈活及人員體力承受程度的要求,手動(dòng)高壓節(jié)能泵的手動(dòng)操作壓力不宜大于150 N。根據(jù)所選用的RO膜的基本特性,單只RO膜元件上濃縮水與淡水的最高比例為5∶1。因此,確定裝置的原水與淡水的比例6∶1,即產(chǎn)淡水率為1/6=16.7%。與此相對(duì)應(yīng),手動(dòng)高壓節(jié)能泵的能量回收率為(6-1)/6=83.3%。

        根據(jù)小型海水淡化裝置的功用目標(biāo)與主要技術(shù)參數(shù),按照每小時(shí)產(chǎn)淡水20 L,操作頻率為1次/s計(jì)算,則高壓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

        圖3為高壓泵能量回收比與截面積計(jì)算圖。

        圖3 高壓泵能量回收比與截面積Fig.3 Calculation of Energy Recovery Rate and Sectional Area of High Pressure Pump

        由于高壓泵的能量回收率為83.3%,即活塞桿與活塞的截面積之比A2∶A1為1∶6。根據(jù)前面確定的活塞桿直徑16 mm,則活塞直徑D如下:

        活塞行程l如下:

        圖4為手壓桿擺動(dòng)角度計(jì)算簡圖。

        圖4 手壓桿擺動(dòng)角度計(jì)算簡圖Fig.4 Calculation Diagram of Swing Angle of Hand Lever

        活塞行程可以利用距離m表示(見圖4a),根據(jù)三角關(guān)系,確定m的大小如下:

        由上計(jì)算可知,m>l,則手壓桿擺動(dòng)角度滿足活塞行程的要求。

        手的運(yùn)動(dòng)行程可以利用距離n表示(見圖4b),β的大小確定為如下:

        β=α=39.5°

        則手的運(yùn)動(dòng)行程n的大小如下:

        由上計(jì)算知,n<850 mm滿足手的運(yùn)動(dòng)行程要求,即手壓桿擺動(dòng)角度設(shè)置為39.5°,可以同時(shí)滿足手的運(yùn)動(dòng)行程和活塞行程要求。

        為了計(jì)算作用在活塞桿上的壓力,當(dāng)活塞桿直徑為16 mm時(shí),高壓泵活塞右側(cè)腔內(nèi)液體壓力按RO膜的最高允許工作壓力7.0 MPa考慮,高壓活塞左側(cè)腔內(nèi)液體的壓力按6.0 MPa考慮,即考慮RO膜的阻力,高壓泵活塞左右兩側(cè)泵腔內(nèi)壓力相差1.0 MPa。則作用在高壓泵活塞桿上的壓力平衡式如下:

        由上可得:T+P1·A1-P2·(A1-A2)

        采用杠桿原理實(shí)現(xiàn)增力,可以近似認(rèn)為T·K=F·L,則實(shí)際高壓泵最大手動(dòng)操作壓力F如下:

        該值符合設(shè)定的F<150 N的要求。

        在高壓泵正常工作時(shí),圖3中高壓泵活塞右側(cè)泵腔內(nèi)液體的最高壓力若按6.5 MPa控制,高壓泵活塞左側(cè)腔內(nèi)液體的壓力按5.5 MPa考慮,則高壓泵活塞桿上的壓力為T如下:

        由T·K=F·L可知,在高壓泵正常運(yùn)行過程中,加在手柄桿一端的最大手動(dòng)操作壓力F如下:

        如手動(dòng)高壓泵無能量回收系統(tǒng),則在高壓泵正常工作時(shí),根據(jù)受力平衡式T=P1·A1,則作用在活塞上的力T如下:

        根據(jù)杠桿原理,加在手柄桿一端的最大手動(dòng)操作壓力 F=(7 840.7×43)÷847=398 N,一人手動(dòng)操作非常困難,且不能持久。

        由上計(jì)算可知使用能量回收系統(tǒng)后,手動(dòng)操作壓力為無能量回收系統(tǒng)手動(dòng)泵的29.4%,一人手動(dòng)輕松操作。

        2.4 主體結(jié)構(gòu)確定

        在研究手動(dòng)高壓泵主體結(jié)構(gòu)時(shí),考慮將高壓泵與兩個(gè)進(jìn)出水單向閥、換向閥、溢流閥設(shè)計(jì)成一個(gè)整體,這樣不僅可以降低整個(gè)裝置的體積和質(zhì)量,而且可以降低裝置各功能部件連接的復(fù)雜程度,減少許多中間連接管路,提高裝置的可靠性,如圖5所示。

        2.5 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

        圖5 手動(dòng)高壓泵主體結(jié)構(gòu)外形Fig.5 Profile of Major Structure of High Pressure Hand Pump

        在實(shí)驗(yàn)室條件下,對(duì)手動(dòng)高壓節(jié)能泵在海水淡化裝置中的運(yùn)行情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)選用的RO膜為表面活性層是三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)的芳香聚酰胺復(fù)合膜(TFC膜),試驗(yàn)原水由“自來水+海鹽+粘土”配制而成,其濁度為20.5 NTU、含鹽量35 000 mg/L、TDS為 35 160 mg/L、pH 為 5.5、水溫為 26 ℃,結(jié)果如表1所示。

        由表1可知手動(dòng)高壓節(jié)能的壓力范圍和回收率與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)基本吻合,隨著操作頻率的增大,壓力范圍相應(yīng)增大,但其值仍在允許工作壓力7.0 MPa范圍內(nèi)。采用手動(dòng)高壓節(jié)能泵的海水淡化裝置出水的 TDS<600 mg/L、脫鹽率>97%,濁度在 0.03 NTU以下,出水量及出水水質(zhì)均滿足設(shè)計(jì)要求,可以在小型海水淡化裝置中使用。

        表1 手動(dòng)高壓節(jié)能泵在海水淡化裝置中的運(yùn)行情況Tab.1 Operation Results of Output Water

        3 結(jié)論

        (1)通過合理設(shè)計(jì)的手動(dòng)高壓節(jié)能泵,可以回收濃鹽水中所含能量的83.3%。

        (2)通過利用能量回收原理和杠桿原理,使手動(dòng)高壓節(jié)能泵的手動(dòng)操作壓力控制在117 N左右,一人手動(dòng)輕松操作。

        (3)手動(dòng)高壓節(jié)能泵能滿足RO膜淡化所需壓力要求,為小型海水淡化裝置應(yīng)用提供可靠的動(dòng)力。

        [1]孫爐鋼,郭豐澤,朱忠信RO海水淡化系統(tǒng)工程的節(jié)能[J].凈水技術(shù),2008,27(1):23-25.

        [2]王意,吳建梅,久嵐穎,等.海水及苦咸水處理與利用膜產(chǎn)品質(zhì)量抽檢狀況分析[J].凈水技術(shù),2012,31(5):59-62.

        [3]艾鋼,吳建平,朱忠信.海水淡化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].凈水技術(shù),2004,23(3):24-29.

        [4]尹芳華,鐘璟.現(xiàn)代分離技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

        [5]鄭淑玲.超高壓液壓手動(dòng)泵的研究與設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2007,28(5):6-8.

        [6]石英.人因工程學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.

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