一种手动高压节能泵的概念设计

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Conceptual Design of a Type of High Pressure and Energy-Saving Pump 、 th ManualOpe rationFang Zhendong ，Shi Jie1，Fang Tao2，M a Ying3，Liang Hengguo ，Ding Zhaoxia ，Liu Zhaoyong.LogisticalEngineeringUniversity ofPLA，Chongqing 401311，China；2.Architectural Design and Research Institute ofBeing Military Region，Beijing 100042，Chino；i Naval EnneedngOesign and Research Institute，Beijing 100072，China)Abstract Considering the specifc requirements of the sea water desalinating unit on the power equipment，a new style high pres-sure energy-saving hand pump is designed on the basis of energy recovery principle and lever principle，by which energy recoveryrate is 83.3%.During its regular work，the manual operation pressure is 1 17 N，which is 29.4% of pressure value of the same cate-gory which does not use the energy recovery system。

Keywords energy recovery manual operation operation pressure high pressure and energy -saving pump concep-tual design1 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-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-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 ，靠收稿日期2012-07-06作者简介方振东(1962-)，男，教授 ，博士，研究方向为环境科学与工程。 电话：023-86730117。

通讯作者梁恒国，电话：023-86730716；E-mail：hglhg278###sohu.coin。

2 手动高压节能泵设计2.1设计原则(1)体积旧能校在保证-定流量和压力的条件下，泵的体积旧能小，从而使海水淡化装置总的体积旧能校(2)质量旧能轻。在保证足够机械强度的条件下，泵的质量旧能轻，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 -31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。

- 种手动高压节能泵的概念设计 Vo1.32，No.2，2013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，所需操作压力最校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 HandPump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，-路经单向阀 2和 RO膜组件，另-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▲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吸人高压泵的右腔。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嘲。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-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- 58 -图 2 泵压杆操作力计算简图Fig.2 Calculation Diagram of Force in Operation of Pump PressureLever轴的长度撒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[03。根据经验，操作频率宜保持在 60次/min左右。

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

玎 TT·KF·L 即 T (1)K从上式可以看出，如要增大 ，需增大 F和 或减小K。而 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， 的减小也是有限的。

(2)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、 、 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和减蓄塞杆直径 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，阮塞杆直径为 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 净 水 技 术W ATER PURIFICATION TECHNOLOGYVo1.32，No.2，2013April 25th，2013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1/616.7%。与此相对应，手动高压节能泵的能量回收率为(6-1)/683.3%。

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2O 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 ：Q20×6÷3 6000.033 4 L33.4 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 HighPressure 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A：：A。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：D16×、/ 39.2 mm活塞行程 Z如下：z：33.4×1 00÷f! 1：27.7 mmV 2 /图4为手压杆摆动角度计算简图。

(a) (b)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：m：2Ktan ot：2x43×tan 妥 ：30.87mm 二 二由上计算可知，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)，的大小确定为如下：卢O/39.5。

则手的运动行程 n的大小如下：n：2L sin ：2×847X 8in ：572.4mm二 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 39.5o，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 ：P2(A1-A 2)Pl·Al (3)由上可得： P1·A。-尸2·(A。-A )：7.o×10 × -6.0×106×4 ： ( ： 2二Q：Q ：2 412N4采用杠杆原理实现增力，可以近似认为 T·KF吃，则实际高压泵最大手动操作压力F如下：(2 412x43)847122 N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：P2·A1-P2·(A1-A2)：6.5×106× ： ： -5.5×10 ×4型 ：2 312 N4由T·KF·L可知，在高压泵正常运行过程中，加在手柄杆-端的最大手动操作压力 F如下：(2 31243)847117 N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 Pl·A。，则作用在活塞上的力 如下：- 59 -方振东，师 杰，方 涛，等。

- 种手动高压节能泵的概念设计 Vo1.32，No.2，2013尸1.A16.5×10 ×型 竺 ：7840.7N4根据杠杆原理，加在手柄杆-端的最大手动操作压力 (7 840.7x43)847398 N，-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%，-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-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图5 手动高压泵主体结构外形Fig.5 Profile of Major Structure of High Pressure Hand Pump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表 1 手动高压节能泵在海水淡化装置中的运行情况Tab.1 Operation Results of Output Water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 O.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。

3 结论(1)通过合理设计的手动高压节能泵，可以回收浓盐水中所含能量的83-3%。

(2)通过利用能量回收原理和杠杆原理，使手动高压节能泵的手动操作压力控制在 1 17 N左右，- 人手动轻松操作。

(3)手动高压节能泵能满足 RO膜淡化所需- 60 -压力要求，为小型海水淡化装置应用提供可靠的动力。