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1、华中科技大学 硕士学位论文 反渗透海水淡化用高压海水泵研究 姓名：宋克双 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：杨曙东 20070601 华中科技大学硕士学位论文 I 摘 要 反渗透海水淡化技术是海水淡化工业的发展趋势，是解决目前淡水缺乏的有效途 径之一，高压海水泵是组成反渗透海水淡化系统的重要动力元件。本文以小型反渗透 海水淡化系统用高压高效海水泵为研究对象，采用理论研究和计算机仿真分析相结合 的研究方法，结合介质特性、工作条件来进行海水泵的结构设计、选材和优化设计。 具体内容如下： 在广泛调研和查阅文献的基础上，确立了小型反渗透海水淡化用高压海水泵的基 本性能参数；结合工况条件
2、和海水的理化特性，确定了基于海水润滑的端面配流轴向 柱塞式海水泵的主体结构型式。 在此基础上，系统地建立了海水泵的运动学、动力学模型；对其关键零部件进行 结构参数设计，提出了一种出口节流的新型滑靴结构。通过 Matlab 软件仿真，讨论了 斜盘倾角、无效容积、转速、间隙等对柱塞腔过渡区压力的影响，减小无效容积可以 减小压缩损失、提高容积效率；研究了海水泵滑靴斜盘副、缸孔柱塞副、缸体配流盘 副等在不同斜盘倾角、转速下的接触应力、pv 值情况，斜盘倾角对摩擦副的触应力、 pv 值影响很大，必须合理设计；柱塞前端比后端磨损严重，增加最小留缸长度会减小 缸孔柱塞副间的接触应力及 pv 值。 最后进行了
3、海水泵结构设计、关键零部件及摩擦副材料的选择，为小型反渗透海 水淡化用高压海水泵的进一步研发奠定了一定的技术基础。 关键词： 反渗透海水淡化 海水泵 数值仿真 结构设计 柱塞腔压力 关键摩擦副 华中科技大学硕士学位论文 II Abstract Developing seawater desalination technology is an important approach to solving the problem scarcity of fresh water. Reverse osmosis seawater desalination (SWRO) will become the
4、primary desalination technology in the future. High pressure seawater pump is a key component of the SWRO system. The seawater pump for SWRO system is chose as the research obstacle in this dissertation, the method combined with theory study, computer modeling the Parameters of them are calculated a
5、nd optimized. A new type of slipper controlled the pressure in outflow is put forward. Based on the equation and the mathematics model, the pressure in cylinder chambers is simulated by Matlab.The influence of the ordinary parameters on pressure of cylinder chambers is discussed, such as angle of sw
6、ash plate, the rotation rate, the die volume, clearance, etc. The force, velocity, stress and the values of pv on key friction pairs are calculated and simulated by MATLAB. Then the structure of the pump is designed, materials are chosen for key component and friction pairs. In this paper the techni
7、cal foundation is made for the later research work of seawater pump for SWRO system. Keywords: Seawater reverse osmosis desalination Seawater pump Structure design Pressure in cylinder chambers Numerical simulation Key friction pairs 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论
8、文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名
9、： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 课题来源、目的和意义课题来源、目的和意义 1.1.1 课题的来源课题的来源 本课题是自选课题 1.1.2 课题的目的课题的目的 反渗透海水淡化技术是海水淡化工业的发展趋势16，高压海水泵是组成反渗透海 水淡化系统的重要动力元件79。本文拟以反渗透海水淡化用高压泵为研究对象，结合 海水理化特性和我国相关学科(如材料学、摩擦学、精密加工等)的发展实际，通过广泛 调查、理论分析，从摩擦副模型建立、结构设计及材料
10、选用等方面入手，着重解决海 水泵关键摩擦副(包括缸孔与柱塞、滑靴与斜盘、配流副等)的设计理论、计算方法及材 料组合等技术难题，为反渗透海水淡化用高压海水泵研发奠定一定的技术基础。 1.1.3 课题的意义课题的意义 水是生命之源，是社会经济发展的命脉，虽然地球 70%的面积被水所覆盖，但是 人们赖以生存的淡水资源仅占总水量的 2.5%3%，并且这些水资源又或存在于高山冰 雪，或冻结在寒冷的极地，或深埋于地下，或悬浮于空气中，人类直接能够应用的淡 水资源仅为总淡水储量的 0.007%，随着人类社会的进步、人口的急剧膨胀、生活水平 提高及工业的快速发展，整个世界都呈现出缺水的局面。 中国更是一个缺水
11、的国家，据统计资料显示，中国的人均水资源占有量不足世界 的 1/4，形势十分严峻。在 2000 年 7 月中国工程院提出的中国可持续发展水资源战 略研究综合报告10中指出到 2010 年中国缺水量将达到 1000 亿立方米，缺水最严重 的是东部沿海工业高速发展的地区。缺水问题已经成为整个城市经济增长和发展的障 碍，对于个别城市甚至是维持生存的关键。 为了解决缺水的问题，人类开始把目光转向拥有最广阔水资源的海洋。用各种方 法促使海水脱盐，即海水淡化。海水淡化按照淡化分离过程分类主要有蒸馏法、膜 法、结晶法、溶剂萃取法、离子交换法和太阳能电池法等。其中蒸馏法包括多极闪蒸 (MSF)、多效蒸发(ME
12、)和压汽蒸馏(VC)等；膜法海水淡化技术包括反渗透(RO)和电解 析法(ED)；结晶法包括冷冻法和水合物法11。现在已形成工业化的只有蒸馏法和膜法 中的反渗透法，其中就能量来源和装置安装方便角度来说反渗透海水淡化方法最为理 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 想，已成为现代海水淡化行业的发展趋势12。 反渗透现象是 1784 年法国的 Abble Zelkt 发现的，原理为假如用一块半透膜把稀 溶液和浓溶液隔开，那么稀溶液能够向另一侧的浓溶液渗透并保持一定压力13。反渗 透海水淡化就是根据这个原理来工作的。海水的渗透压受温度、含盐量
13、等多个参数的 影响，在温度为 25C 总可容固物 TDS 为 35000ppm 时海水渗透压为 2.7321MPa，其反 渗透操作压力为 510MPa11。在反渗透海水淡化系统中高压海水泵提供这个压力。由 于高压海水泵的效率直接影响到反渗透海水淡化装置的效率，这使得海水泵成了整个 反渗透系统的效率核心。 本文研究的高压海水泵要以海水为工作介质，海水的理化特性与常用液压油有很 大的区别。开展本课题研究有如下意义： (1)填补国内空白 文献检索显示国内还没有从事小型反渗透海水淡化用高压海水泵研究，国外相关 产品价格昂贵，为了打破国外在这些领域的垄断，须进行研究、开发具有自主知识产 权的产品。 (2
14、)装备小型反渗透海水淡化系统 本课题研究目标为体积较小、效率高的海水泵，故能够制造出功耗小、性能优越 的反渗透海水淡化系统。这种系统可广泛应用于海军潜艇、舰船、海洋平台；亦可供 陆军在野外行军时用，还能解决海岛及沿海居民用水问题1416。 (3)应用于各种海淡水液压系统 本文研究的海水泵还可以作为海淡水液压泵用。以淡水为介质时，可以为食品行 业、造纸工业等提供洁净动力源1718；以海水做介质时，可以就地取材，很好的同工 作环境相容，应用于各种海底液压井口控制系统、海底地质钻机液压控制系统、各种 潜水器液压控制系统、海底各种工程机械液压系统、水下各种采油装置液压系统、深 水液压绞车、深水液压吊车
15、、海底管道铺设及维护设备液压系统以及各种船舰甲板液 压系统等等1920。 开展本课题的研究有着重要的理论意义和实际意义。 1.2 国内外研究发展概况国内外研究发展概况 反渗透海水淡化用高压海水泵的研究是随海水淡化系统的研究而发展的，这些技 术都始于国外，根源于人类对可持续发展的需求。 1.2.1 国外研究概况国外研究概况 美国美国：1950 年美国的佛罗里达大学的 Reid 和 Hassler 提出了反渗透淡化的概念， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1953 年 Reid 等人在实验室证实醋酸纤维膜的脱盐能力，同年向美国内务部
16、提出用反渗 透淡化盐水的研究计划并获得批准21。但是直到海水泵和反渗透膜批量生产后，反渗 透方法才得以实施。美国在 1971 年研制出流量 23L/min、压力 7MPa 海水泵，1980 年 研制出流量 23L/min、压力 10MPa 海水泵，1984 年研制出 14MPa 海水泵22。美国陆 军在二次世界大战后期发展各种原水处理装置，20 世纪 70 年代在比较了各种替代方案 后决定选用反渗透（Reverse Osmosis 简称 RO）作为最适合机动部队处理原水的技 术，并於 1979 年完成了第一个军用反渗透系统 ROWPU 的设计。37.85L/min ROWPU 单元由维基尼亚州 FORT BELOVER 陆军研究与工程中心开发完成的1323。其工作流 程如图 1.1 所示： 图 1.1 600gph ROWPU 工作流程图 1.原水泵 2.絮凝剂泵 3.阻垢
