一種手動高壓節(jié)能泵的概念設(shè)計

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)計研究院，北京 100042；3.海軍工程設(shè)計研究院，北京 100072)

1 手動高壓節(jié)能泵的提出

隨著人類活動范圍的擴大，在某些特殊情況（如搶險救災(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，就需要采用增力機構(gòu)，這必然會增加泵的體積和質(zhì)量。

手動高壓節(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 手動高壓節(jié)能泵設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

（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。在保證足夠機械強度的條件下，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）滿足人機工程要求。操作頻率、手柄桿活動范圍等的設(shè)計應(yīng)保證常人以不同姿勢（立姿、蹲姿）均可輕松操作。

2.2 設(shè)計原理

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，浪費了大量能量。

手動高壓節(jié)能泵的設(shè)計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。手動高壓節(jié)能泵的原理如圖1所示。

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

當(dāng)手壓桿向下運動時，帶動活塞向右移動，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，推動閥芯移動至左端位，使換向閥中的CD通道與管道連通。進入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)（相對于高壓泵的活塞），推動泵的活塞向右移動，這樣達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)手壓桿向上運動時，高壓泵活塞壓縮高壓泵左腔內(nèi)的濃鹽水，經(jīng)管路推動換向閥的閥芯移動至右端位，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)不斷運行。

2.3 手動高壓節(jié)能泵設(shè)計參數(shù)確定

2.3.1 手壓桿及連接軸尺寸確定

常見的手動泵是通過手臂對連桿作用，促使泵的柱塞往復(fù)移動產(chǎn)生高壓液體，手動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]。手動高壓節(jié)能泵手壓桿施力計算如圖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，確定人手的最大運動行程不超過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，手壓桿長度應(yīng)加大，需要高操作頻率時，則需縮短手壓桿長度[6]。根據(jù)經(jīng)驗，操作頻率宜保持在60次/min左右。

圖2 泵壓桿操作力計算簡圖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。為了保證手動泵產(chǎn)生足夠的水量，其活塞必須移動足夠的距離，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為手動泵活塞桿的直徑，p為作用在活塞上的壓強。

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，同時進行往復(fù)運動，則活塞桿需要較大的強度。經(jīng)分析和驗算，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)計呈彎曲狀可以降低泵的高度，滿足手動操作者活動范圍和操作頻率的要求；手壓桿擺動角度設(shè)置為39.5°，滿足手的運動行程和活塞行程的要求。

2.3.2 手動操作壓力確定

考慮到操作的輕松靈活及人員體力承受程度的要求，手動高壓節(jié)能泵的手動操作壓力不宜大于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%。與此相對應(yīng)，手動高壓節(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)，按照每小時產(chǎn)淡水20 L，操作頻率為1次/s計算，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為手壓桿擺動角度計算簡圖。

圖4 手壓桿擺動角度計算簡圖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：

由上計算可知，m＞l，則手壓桿擺動角度滿足活塞行程的要求。

手的運動行程可以利用距離n表示（見圖4b），β的大小確定為如下：

β=α=39.5°

則手的運動行程n的大小如下：

由上計算知，n＜850 mm滿足手的運動行程要求，即手壓桿擺動角度設(shè)置為39.5°，可以同時滿足手的運動行程和活塞行程要求。

為了計算作用在活塞桿上的壓力，當(dāng)活塞桿直徑為16 mm時，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）

采用杠桿原理實現(xiàn)增力，可以近似認(rèn)為T·K=F·L，則實際高壓泵最大手動操作壓力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，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，在高壓泵正常運行過程中，加在手柄桿一端的最大手動操作壓力F如下：

如手動高壓泵無能量回收系統(tǒng)，則在高壓泵正常工作時，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操作壓力 F=（7 840.7×43）÷847=398 N，一人手動操作非常困難，且不能持久。

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

2.4 主體結(jié)構(gòu)確定

在研究手動高壓泵主體結(jié)構(gòu)時，考慮將高壓泵與兩個進出水單向閥、換向閥、溢流閥設(shè)計成一個整體，這樣不僅可以降低整個裝置的體積和質(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 試驗驗證及結(jié)果分析

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

在實驗室條件下，對手動高壓節(jié)能泵在海水淡化裝置中的運行情況進行了試驗研究。試驗選用的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可知手動高壓節(jié)能的壓力范圍和回收率與設(shè)計數(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)計要求，可以在小型海水淡化裝置中使用。

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

3 結(jié)論

（1）通過合理設(shè)計的手動高壓節(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，使手動高壓節(jié)能泵的手動操作壓力控制在117 N左右，一人手動輕松操作。

（3）手動高壓節(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.超高壓液壓手動泵的研究與設(shè)計[J].煤礦機械,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.