开题报告-海水淡化余压能量回收装置设计

Xx 大学 毕业设计开题报告 题 目：

海水淡化余压能量回收装置设计 学生姓名：

xxx 学 号：

xxxxxxxxxx 专 业：

机械设计制造及其自动化 指导教师：

xxxx(工程师)2011 年 3 月 16 日 1 1 ．文献综述

毕业设计开题报告-1-1.1 海水淡化系统的发展背景及现状 地球绝大部分被水覆盖，但能够供人类使用的却很少。而且随着全球经济的迅速发展，人们对淡水资源的需求越来越大，缺水成为世界范围内的问题。发展海水淡化技术是解决水资源短缺的重要途径。

反渗透技术是 20 世纪50年代发展起来的一项膜分离技术，是近年来发展速度最高、产品水成本下降最快的海水淡化技术，具有物料无相变、能耗低、设备简单、可在常温下操作等特点。经过近半个世纪的研究开发，反渗透已经发展成为一种成熟的膜分离技术。从膜、组件到工艺已日趋成熟，已广泛的应用于海水或苦咸水淡化、电子、石油化工、食品、环境工程等各个领域。

随着海水淡化技术的发展，反渗透已成为所有海水淡化方法中最具竞争力的脱盐技术之一，但其产品水成本与传统的市政供水相比较仍较高。反渗透系统中的能耗约占海水厂总运行费用的 75%，而且随着社会的发展能量成本还在增加，减少系统能耗已成为降低反渗透淡化运行成本的有效方法之一。在淡化系统中，反渗透膜组件排出的浓盐水仍有很高的压力，如能回收这部分能量来增压进料海水，则系统能耗将大幅度降低，为了降低能耗，余压能量回收装置已成为淡化系统中必不可少的关键设备[3]。

本文主要以海水淡化水缸设计为主研究海水淡化系统的降低成本的一些方法。

2 1.2 反渗透基本原理 反渗透是一种高效节能的膜技术，以压力为驱动力将进料水中的水（溶剂）和离子（或小分子）分离，从而达到纯化和浓缩的目的。反渗透基本原理如图 1-1 所示。用半透膜分离浓度不同的两个水溶液，稀溶液测得水会自发的通过半透膜流入浓溶液侧，这种现象叫做渗透。如在浓溶液侧施加压力△P，则水的自发流动将受到抑制而减慢，当施加的压力达到某一数值时，水通过摸的净流量等于零，出现渗透平衡，浓盐水侧所施加压力称为渗透压△II。渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度，而与膜本身无关。如在浓溶液侧施加大于渗透压的外压△P，就能使水分子透过半透膜向稀溶液侧扩散渗透，上述现象是反渗透的基本原理。在实际操作中，为了提高透过水量，所加的外压一般都达到渗透压差的若干倍[4]。

△P>△Ⅱ △P<△Ⅱ

毕业设计开题报告-2-3 1.3 反渗透的分离机理 反渗透的分离机理很多，不同的膜、不同的分离体系，其分离机理各不相同。目前最有影响力的分离机理主要有两种，即优先吸附——毛细孔流理论和溶解——扩散理论。两种理论各自不同程度的解释了一部分摸得透过现象，是争论最激烈持久的两种反渗透分离机理，争论的主要焦点是膜表面有无毛细小孔问题。优先吸附——毛细孔流理论认为溶质是正吸附，水是优先吸附，反渗透膜表面有一层极薄的纯水层，膜表面还存在着毛细小孔。可以更纯水层的厚度、毛细孔直径等因素研制性能优异的反渗透膜。研究者还更具上述理论提出了传质公式，公式推导中有一些假设，在一定条件下适用。而溶解——扩散理论认为膜表面无孔，水和溶质通过摸分两步进行。该理论可以定量的描述水和盐透过膜的传递，但推导中的一些假设并不符合实际情况，另外传递过程中水、盐和膜之间的相互作用也没考虑。目前一般认为，溶解——扩散理论较好的说明了膜透过现象，但优先吸附——毛细孔流理论也能够对反渗透膜的透过机理进行解释。总之，反渗透膜分离机理还在发展和继续完善中[2]。

4 1.4 正位移式能量回收装置的工作原理 能量回收部分主要有两个水压缸（功交换器）、盐水侧电磁阀、盐水侧止回阀、可编程控制器（PLC）以及连接管路组成，水压缸中设有活塞隔离海水和淡水。初始状态时水压缸 1 充满海水，水压缸 2 充满盐水。装置开启后水压缸 1 增压电磁阀 A 打开，高压盐水流动推动海水向左移动，止回阀 a 打开。盐水能量传递给海水，海水增压后排出水压缸 1，成为增压过程。与此同时，水压缸 2 泄压电磁阀 D 打开，低压海水进料推动盐水向右运动，止回阀 d 打开，盐水泄压以较低压力（接近大气压）排除水压缸 2，成为泄压过程。下一个工作状态时水压缸 1 进行泄压过程，水压缸 2 进行增压过程，每个水压缸中的增压和泄压过程是交替进行的，一个水压缸增压同时另一个水压缸进行泄（a）渗透（b）渗透平衡（c）反渗透 图 1-1 反渗透原理图示意图

毕业设计开题报告-3-压，这样才能保证盐水和海水进料的连续，使得反渗透淡化过程连续稳定的进行。试验中阀门有规律的打开和关闭是通过 PLC 控制来实现的,如图 1-2[15]。

5 1.5 正位移能量回收装置的工艺流程 正位移式能量回收装置将高压浓盐水的余压能直接传递给进料海水，只需经过“压力能——压力能”的转化，能量传递效率较高，可达 91%-96%。

正位移式能量回收装置与高压泵并联使用，通过减少由高压泵增压的海水流量来降低总能耗。图 1-3 是该类能量回收装置在反渗透海水淡化系统中的应用工艺。

工艺流程图如图 1-4 所示。装置主要包括：多级离心高压泵、低压离心泵、低压储 图 1-2 正位移式能量回收装置工作原理示意图 d c b a D C B A 水压缸 2 水压缸 1 增压海水 低压海水 高压盐水 泄压盐水 图 1-3 正位移式能量回收装置在反渗透海水淡化系统中的应用 增压泵 反渗透膜组件 高压泵 海水 正位移式能量回收装置 浓盐水 产品水 高压泵 流量计

毕业设计开题报告-4-罐 1、高压储罐 2、水压缸 1 和 2、阀门及控制系统、数据采集系统等。经多级离心高压泵增压的流体模拟淡化系统中从膜组件中排出的浓盐水，经低压离心泵增压的流体模拟淡化系统中的低压进料海水。储罐 1 和储罐 2 分别存放低压和高压工作液。水压缸 1 和2 市功交换器，压力能传递过程都在此中进行。增压和泄压过程的交换进行是通过水缸端部阀门有规律的打开和关闭实现的[5]。

2.本课题要研究或解决的问题和拟采用的的研究手段及途径 液压系统一般都是由动力源、执行原件、控制阀及辅助元件等几部分所组成并将这几部分称为液压元件。动力源一般包括（电动机或内燃机）；执行原件是机器直接对外做功的部分（液压缸）；控制阀及辅助元件，用于实现动力（能量）的传递、转换与控制。海水淡化系统的动力源为高能海水，执行元件为液压缸，控制阀为二位五通电液换向阀，辅助元件包括管路等。本次所设计的课题是海水淡化缸的总体设计，此次课题设计从以下几个方面进行研究。

1 2.1 方向控制阀 图 1-4 工艺流程图 水缸 2 流量计 水缸 1

毕业设计开题报告-5-在液压系统中，用来控制流体方向的阀统称为方向控制阀。按用途分，方向控制阀可分为单向阀和换向阀两大类。单向阀的作用是控制液体单向流动。换向阀利用阀芯对阀体的相对运动，使油路接通、关断或变换油流的方向，从而实现液压执行元件及其驱动机构的启动、停止或变换运动方向。按阀芯相对于阀体的运动方式 ：滑阀和转阀；按操作方式：手动、机动、电磁动、液动和电液动等按阀芯工作时在阀体中所处的位置：二位和三位等。按换向阀所控制的通路数不同：二通、三通、四通和五通等。

海水淡化缸的压力为 10MPa，属于高压，因此采用电液动换向阀。电液换向阀由电磁阀和液动换向阀两部分组成。电磁阀起先导阀作用，通过它改变控制油路的液流方向，从而控制液动换向阀，实现其换向要求，因此液动换向阀为主阀。由于电液换向阀既能实现换向的缓冲(换向时间可调)，又能使电液换向阀的流量不受电磁铁限制，因此，可用较小的电磁换向阀来控制较大流量的液动换向阀的换向。所以，电液动换向阀特别适用于高压大流量以及换向精度要求较高的液压系统中[6]。

2 2.2 液压回路 管路的种类管路按其在液压系统中的作用分为主管路、泄油管路、控制管路和旁油管路。

1 2.2.1 主 管路：

包括吸油管、压油管路和回油管路，用来实现压力能的传递；泄油管路：将液压元件泄漏的油液导入回油管或油箱；控制管路：用来实现液压元件的控制或调节以及与检测仪器连接的管路；旁油管路：将通入压油管路的部分或全部压力油直接引回油箱的管路。

2 2.2.2 管路材料 液压系统的常用管路有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管。

（1）无缝钢管：无缝钢管耐压高，变形小，耐油，抗腐蚀，虽然装配时不易弯曲，但装配后能长期保持原形。

（2）有缝钢管：主油路的吸油管和回油管可以采用焊接管，价格便宜。

（3）橡胶软管：一般用于有相对运动的部件的连接，装配方便，能吸收液压系统的冲击和震动。缺点是制造困难，成本高，寿命短，刚性差。

（4）铜管：容易弯曲，安装方便，管壁光滑，摩擦阻力小，但耐压力低，抗震能力

毕业设计开题报告-6-差，价格高，应尽量不用。

（5）塑料管：耐油塑料管价格便宜、装配方便，但耐压低，可做泄压管或某些回油管。

（6）尼龙管：是一种很有发展前途的非金属管路，可用于低压系统。

综合考虑海水淡化回路用的回路管采用无缝钢管，泄油管有塑料管[10]。

3 2.3 液压缸的典型结构与组成 ①液压缸的典型结构 按照用途不同，液压缸有普通型、专用型和伺服型三种结构类型。通用型液压缸无特殊的使用要求，结构较简单，零、部件符合标准化、通用化的要求，可广泛应用于各种液压传动系统中。专用型液压缸是为某一用途而设计的液压缸，为满足该用途的要求，在结构、材料、加工精度的方面不同于通用型液压缸。某些专用型液压缸，因使用广泛形成系列产品并批量生产。伺服型液压缸简称伺服缸，它总是和电液伺服阀、反馈传感器组成一体，成为一个独立产品，应用在各种电液伺服控制系统中。

②液压缸的组成 由液压缸典型结构可看出，任何类型的液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。缓冲装置和排气装置视具体应用场合而定，其他装置是必不可少的[12]。

1 2.3.1 海水淡化缸的工作原理 以千斤顶为例，海水淡化缸的工作原理与千斤顶的工作原理相同。

如图是液压千斤顶的工作原理图。大油缸 9 和大活塞 8 组成举升液压缸。杠杆手柄1、小油缸 2、小活塞 3、单向阀 4 和 7 组成手动液压泵。如提起手柄使小活塞向上移动，小活塞下端油腔容积增大，形成局部真空，这时单向阀 4 打开，通过吸油管 5 从油箱 12中吸油；用力压下手柄，小活塞下移，小活塞下腔压力升高，单向阀 4 关闭，单向阀 7打开，下腔的油液经管道 6 输入举升油缸 9 的下腔，迫使大活塞 8 向上移动，顶起重物。再次提起手柄吸油时，单向阀 7 自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了重物不会自行下落。不断地往复扳动手柄，就能不断地把油液压入举升缸下腔，使重物逐渐地升起。如果打开截止阀 11，举升缸下腔的油液通过管道 10、截止阀 11 流回油箱，重物就向下移动。这就是液压千斤顶的工作原理。

毕业设计开题报告-7-1 杠杆手柄 2 小油缸 3 小活塞 4、7 单向阀 5 吸油管 6、10 管道 8 大活塞 9 大油缸 11 截止阀 12 油箱 图 2-1 液压千斤顶工作原理图 4 2.4 海 水淡化缸的总体设计要求 海水淡化缸是专用型液压缸，缸筒、缸盖、活塞和活塞杆及内部部件除满足使用要求和工作性能外还需要有抗海水腐蚀的功能。

1 2.4.1 缸筒 ⑴缸体的材料 常规液压缸的常用材料为 20、35、45 无缝钢管。但海水淡化缸需要有耐海水腐蚀的性能，所以采用不锈钢作为缸筒，若缸筒全是用不锈钢材料，缸的成本会很高；玻璃钢价格便宜，并且耐海水腐蚀，但要得到表面粗糙度低的玻璃钢会很难，所以为了降低成本，将缸筒设计成为内表面用不锈钢材料，外面用玻璃钢。这样既降低了成本，又提高了工艺性能。

1 F F1 重物 8 9 10 11 12 2 3 5 4

毕业设计开题报告-8-⑵缸体的技术要求 缸体内径采用 H8、H9 配合。表面粗糙度：当活塞采用橡胶密封圈时，Ra为0.1-0.4vm，当活塞用活塞环密封时 Ra 为 0.2-0.4vm。且均需绗磨。

缸体内径 D 的圆度公差值可按 9、10 或 11 级精度选取，圆柱度公差值可按 8 级精度选取。

缸体端面 T 的垂直度公差可按 7 级精度选取。

当缸体与缸头采用螺纹连接时，螺纹应采用米制螺纹。

当缸体带有耳环或销轴时，孔径 D 或轴颈 d 2 的中心线对缸体内孔轴线的垂直度公差值应按 9 级精度选取。

2 2.4.2 缸盖 ⑴缸盖的材料 常规液压缸的缸盖可选用 35、45 锻钢或 ZG35、ZG45 铸钢或 HT200、HT300、HT350 铸铁材料。海水淡化缸的缸盖选用不锈钢。

⑵缸盖的技术要求 直径 D（基本尺寸同缸径）、D 2(活塞杆的缓冲孔)、D 3（基本尺寸同活塞杆密封圈外径）的圆柱度公差值，应按 9、10、11 级精度选取。

D 2、D 3 与 d 的同轴度公差值为 0.03mm。

端面 A、B 与直径 d 轴心线的垂直度公差值，应按 7 级精度选取。

导向孔的表面粗糙度为 Ra1.25vm。

3 2.4.3 活塞 图 2-2 液压缸筒 150 T 0.1 0.4 D(H9)

毕业设计开题报告-9-⑴活塞的材料 常规液压缸活塞常用的材料为耐磨铸铁、灰铸铁（HT300、HT350）、钢（有的在外径上套有尼龙 66、尼龙 100 或夹布芬酸塑料的耐磨环）及铝合金等。

⑵活塞的技术要求 活塞外径 D 对内孔 D 1 的径向跳动公差值，按 7、8 级精度选取。

端面 T 对内孔 D 1 轴线的垂直度公差值，应按 7 级精度选取。

外径 D 的圆柱度公差值，按 9、10 或 11 级精度选取。

活塞与缸体的密封结构:活塞与缸体之间既有相对运动，又需要使两腔之间不漏油。因此在结构上应慎重考虑。

4 2.4.4 活塞杆 ⑴活塞杆的结构 活塞杆有实心杆和空心杆两种。空心杆的一端，要留出焊接和热处理用的通气孔。

⑵活塞杆的材料 实心活塞杆材料为 35、45 钢；空心活塞杆材料为 35、45 无缝钢管。海水淡化缸的活塞杆用空心结构，活塞杆应满足耐海水腐蚀的性能，所以为满足性能要求活塞杆采用内部用 35、45 无缝钢管，外部喷涂陶瓷的结构。

⑶活塞杆的技术要求 活塞杆的热处理：粗加工后调制到硬度为 229-285HBW，必要时，再经高频淬火，硬度达到 45-55HRC。

0.8 0.4 D1(H9)D T T 图 2-3 活塞

毕业设计开题报告-10-活塞杆 d 和 d 1 的圆度公差值，按 9、10 或 11 级精度选取。

活塞杆 d 的圆柱度公差值，应按 8 级精度选取。

活塞杆 d 对 d 1 的径向跳动公差值，应为 0.01mm。

端面 T 的垂直度公差值，则应按 7 级精度选取。

活塞杆上的螺纹，一般按 6 级精度加工；如载荷较小，机械振动也较小时允许用 7级或 8 级精度选取。

活塞杆上如有连接销孔时，该孔径应按 H11 级加工。该孔轴线与活塞杆轴线的垂直度公差值，按 6 级精度选取。

活塞杆上工作表面的粗糙度为 Ra0.63vm。

5 2.4.5 活塞杆的导向、密封和防尘 ⑴导向套 导向套的材料一般为铸造青铜或耐磨铸铁，海水淡化缸的导向套用不锈钢。

导向套的技术要求。导向套内径的配合，一般取 H8/f9（或 H9/f9）。其表面粗糙度为 Ra0.63-1.25vm。

⑵活塞杆的密封和防尘 如下图(部分)2.4.6 液压缸的缓冲装置 为了避免活塞在行程两端冲撞缸盖，产生噪声，影响工件精度以至损坏机件，常在图 2-4 密封和防尘装置(a)(b)(c)(d)

毕业设计开题报告-11-液压缸两端设置缓冲装置。其作用是利用油液的节流原理来实现对运动部件的制动。常用的缓冲装置、有环状间隙式、、节流口可调式、节流口可变式三种形式。

①环状间隙式：当缓冲柱塞进入与其相配的缸盖上内孔时，液压油(回油)必须通过间隙δ才能排出，使活塞速度降低。由于配合间隙不变，故缓冲作用不可调，且随活塞速度的降低，其缓冲作用逐渐减弱。

②节流口可调式：当缓冲柱塞进入缸盖上的内孔时，液压油(回油)必须经过节流阀才能排出。由于节流阀是可调的，故缓冲作用也可调，但这种调节是缓冲进行前的调节，在缓冲进行中，缓冲作用仍是固定不变的。

③节流口可变式：在活塞的轴向上开有三角沟槽，其过流断面越来越小，缓冲作用随着速度的降低而增强。缓冲作用均匀，缓冲压力较低，制动位置精度较高，解决了在行程最后阶段缓冲作用过弱的问题。［10］ 图 2-5 缓冲装置：(a)间隙缓冲(b)节流缓冲（c）轴向三角槽缓冲 2.4.7 液压缸的排气装置 关于液压缸的排气。对于长期不用的液压缸或新买进的液压缸，常在缸内最高部位聚积空气。空气的存在会使液压缸运动不平稳，产生振动或爬行。为此，液压缸上要设排气装置。

(a)(b)1 A A A-A δ(c)

毕业设计开题报告-12-图 2-6 排气装置 排气装置通常有两种形式：一种是在液压缸的最高部位处开排气孔，用长管道通向远处的排气阀排气(机床上多采用这种形式);另一种是在缸盖的最高部位直接安装排气阀，对于双作用式液压缸应设置 2 个排气阀[13]。

结束语：以上资料是我通过阅览网络和专业课本上很多关于海水淡化和液压系统的资料，总结出来的。在文中，我把相关类的一些信息汇集的一块，以便在设计海水淡化缸的时候能够想的更全面具体。通过撰写开题报告初步梳理出海水淡化余压能量回收装置的设计思路和设计方法，为自己后续工作的展开提供了方便。

1 2 3 4(a)(b)(c)

毕业设计开题报告-13-参考文献 1 王世昌主编．海水淡化工程．北京：化学工业出版社，2003,73-78 2 时钧，袁权，高从锴主编．膜技术手册．北京：化学工业出版社，2001,247-252 3 解利昕，阮国玲，张耀江主编．反渗透海水淡化技术现状与前景，中国给水排水，2000,16（3）：24-27 4 冯逸仙，杨世纯，反渗透处理工程．北京：中国电力出版社，2000 5 王越，徐世昌，王世昌，国外反渗透淡化系统余压回收技术研究概况，化工进展.2002,21（11）：868-871 6 官忠范主编．液压传动技术．北京：机械工业出版社，1989 7 张利平主编．现代液压技术应用 220 例．北京：化学工业出版社，2004 8 林建亚，何存兴主编．液压元件．北京：机械工业出版社，1988 9 王广怀编著．液压技术应用．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001 10 成大先．机械设计手册（单行本）液压传动．北京：化学工业出版社，2004 11 袁承训．液压与气压传动．第 2 版．北京：机械工业出版社，2003 12 李壮云，葛易远．液压元件与系统．北京：机械工业出版社，2000 13 黎启柏．液压元件手册．北京：机械工业出版社，2000 14 刘延俊．液压与气压传动．北京：机械工业出版社，2003 15 Abdul-Kareem Al-Sohammad,Seawater desalinating-SWCC experience and vision,Desalination,2001,135:121-139 16 Al-Sofi,Mohammad A K,Hassan,et al,Optimization of hybridized seawater desalination process,Desalination,2000,131:147-156

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