CN101392739B - 可控空鼓状活塞式浮力提水机 - Google Patents
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Abstract
可控空鼓状活塞式浮力提水机，是利用电能有序控制阀门的开与关，从而控制水的流向和可控空鼓状活塞整体比重，再利用自然界中固有的浮力和重力现象，使可控空鼓状活塞上浮提升水位或下沉运行复位。本发明重点在可控空鼓状活塞，制作该活塞材料的比重大于水，若活塞上下部阀门闭合、内部充满空气时，该活塞总体积重量的比重远小于水，所以它能上浮提升水位；若该活塞上下部阀门开启时，水能从上至下自由流动，可控空鼓状活塞即成为内部充满水的管状，故它能因重力原因下沉复位，以便通过控制再次上浮。它的提水原理完全不同于离心式水泵。加大可控空鼓状活塞高度，则提升水位更高，增大活塞顶面积，则提升水量更大。该提水机原理简单，节能，环保，有一定的实用价值。
Description
技术领域
本发明提出的“可控空鼓状活塞式浮力提水机”，是人为控制一系列阀门有序的开启和闭合，调整水的流向和压力，从而使可控空鼓状活塞上浮提水和下沉复位，将水从低处提至高处。本发明属于水利设施设备类型的技术领域。
背景技术
现实生活中使用的提水设施设备，主要是用机械能或电能驱动水泵，将水从低处提至高处，它们的优点是技术成熟，缺点是结构复杂，零部件多，操作难度大，能耗高，提水效率低。正在研究试用的太阳能和风能提水设施设备，使用的是清洁的再生能源，但美中不足的是受气候影响较大，同时也出陷入了结构复杂、提水效率低的怪圈。正在申请的发明专利“空鼓状活塞式浮力提水机”，申请号为：200810090340.2，虽然借用了自然界中永恒的重力和浮力，但每一个提水循环中，水的损失太大，实用程度不高。
发明内容
发明目的：为克服上述提水设施设备存在的缺点，本发明充分利用自然界中永恒的重力能和浮力能，用少量电能控制阀门的开启与闭合，提升水位，从而达到节能、环保、结构简单、提水效率高的目的。
技术方案：本发明的基本原理是利用大自然中永恒的重力能和浮力能，比重比水轻的物体在水中能上浮，并且能载物，比重越轻，载物越多；比重比水重的物体能下沉至水的底部。
本发明的另一个重要部件是可控空鼓状活塞，制作活塞材料的比重大于水，该活塞类似一个巨大的圆管，在圆管的顶部和底部各装配有一组电控阀门，上下底阀门同时开启时，水能在圆管的上下部自由流通，因圆管的制作材料大于水，故圆管能下沉至水的底部；若圆管上下底阀门同时闭合，在圆管中间充满空气，空气不能向上部或下部泄漏，圆管则成为一个全封闭的空鼓状活塞，该活塞总体积重量的比重小于水，故能上浮至水的表面。假设将可控空鼓状活塞约束在一个圆筒体中，如图1，圆筒体下部有与自然水体相通的连通口，圆筒体上部有高出自然水面的出水口，可控空鼓状活塞高为30米，总体积重量的比重为0.1，则可控空鼓状活塞上浮时，可将水面提高27米。若将圆筒体上部的出水口开在25米处，将提高后的水引出，则可控空鼓状活塞会继续上浮，将圆筒体内、可控空鼓状活塞上部的水全部提高至出水口，再引向需要使用水源的地方。即可控空鼓状活塞将水位提高了25米。
目前，广泛使用的离心式水泵是利用水高速旋转产生离心力来克服水的重力，使水从低处提至高处；而本发明是利用大自然固有的浮力来克服水的重力，使水从低处提至高处，提水原理完全不同于离心式水泵。
有益效果：本发明可以建设在落差较大的水库、水坝等位置，能够将水库中的水位提高以灌溉更多的良田，或引向其它需要使用水源的地方。本发明最好与水库大坝同步建设，以节约建设成本。假使水库水位落差为100米，可控空鼓状活塞高度为30米，从理论上讲，每运行一次，可提水70米。若可控空鼓状活塞直径为10米，则顶面积约78平方米，理论上每运行一次提水5460立方米(78×70)。设该设备每小时运行3次，则每天运行72次，每年运行26280次，一年可将1.4亿立方米的水提高25米。本发明所使用的能量仅仅是开关阀门的电能和少量下泄的水能，节能、环保，在水位落差较大的水库、水坝等位置，完全能取代现有大型提水设施设备。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是原理示意图；
图2是可控空鼓状活塞结构示意图；
图2-1是可控空鼓状活塞立体图；
图2-2是可控空鼓状活塞仰视图；
图2-3是可控空鼓状活塞剖面图；
图3是上浮初始化示意图；
图4是上浮提水运行示意图；
图5是下沉复位运行示意图。
图中：1.自然水面；2.提高后水面；3.出水口；4.圆筒体；5.可控空鼓状活塞；6.连通口；7.阀门A；8.阀门B；9.阀门C；10.阀门D；11.阀门E；12.阀门F。
具体实施方式
图1是原理示意图，说明可控空鼓状活塞(5)在圆筒体(4)中，能够提高水位。圆筒体(4)置于自然水体中，外侧为水库大坝，内侧下部有与自然水体相通的连通口(6)，上部高出自然水面(1)约25米处开有出水口(3)；可控空鼓状活塞(5)制作材料的比重大于水，安装在圆筒体(4)内部，位置在连通口(6)的上侧，其上部设置有阀门A(7)，下部设置有阀门B(8)，两组阀门均闭合，可控空鼓状活塞(5)内部充满空气。设可控空鼓状活塞(5)高为30米，在内部充满空气，阀门A(7)、阀门B(8)均闭合的情况下，总体积重量的比重为0.1，即整个可控空鼓状活塞(5)的重量相当于3米高水柱。根据阿基米德浮力原理：
F浮＝G排＝ρ液gV排
故圆筒体(4)中的水位将比自然水面(1)高27米，即提高后水面(2)高出自然水面(1)27米。在提高后水面(2)下侧2米处开有一出水口(3)，导出提高后的水体，则，可控空鼓状活塞(5)会不断上浮，将圆筒体(4)内、可控空鼓状活塞(5)上部的水全部提高至出水口(3)排出。综上，即可认为，可控空鼓状活塞(5)将水位提高了25米。
图2是可控空鼓状活塞结构示意图。可控空鼓状活塞(5)类似一个巨大的圆管，其上部安装有阀门A(7)，下部安装有阀门B(8)。当阀门A(7)、B(8)同时开启时，可控空鼓状活塞(5)呈管状，水能在可控空鼓状活塞(5)中上下自由流动。当可控空鼓状活塞(5)内部充满空气，阀门A(7)、B(8)同时闭合时，圆管成为一个全封闭空间，即可控空鼓状活塞(5)呈空鼓状。
图3是上浮初始化示意图，为可控空鼓状活塞(5)上浮提水作准备。为实现运行功能，在圆筒体(4)上安装了4组阀门，阀门C(9)安装在圆筒体(4)内侧，连接圆筒体(4)内部与自然水体，其上口位置在自然水面(1)下侧；阀门D(10)安装在圆筒体(4)内部，控制提高后水面(2)与圆筒体(5)内部水流的通断，位置基本与自然水面(1)平齐；阀门E(11)安装在圆筒体(4)外侧下部，连接圆筒体(4)内部与外侧自然空间；阀门F(12)安装在圆筒体(4)下侧内部，取代连通口(6)，用以控制自然水体与圆筒体(4)内部水流的通断。
可控空鼓状活塞(5)初始固定在圆筒体(4)下部，其下部与阀门E(11)、阀门F(12)的上沿齐平。顺序闭合阀门D(10)、A(7)、F(12)，开启阀门E(11)、C(9)、B(8)，则，可控空鼓状活塞(5)内部的水通过阀门B(8)、E(11)，流向圆筒体(4)外侧自然空间，外部的空气也经过阀门E(11)、B(8)充满整个可控空鼓状活塞(5)。
图4是上浮提水运行示意图，用阀门调控水的流向，使可控空鼓状活塞(5)上浮提高水位。图3中，外部空气充满可控空鼓状活塞(5)后，顺序闭合阀门B(8)、E(11)、C(9)，开启阀门D(10)、F(12)，阀门A(7)保持闭合状态不变，则，可控空鼓状活塞(5)因浮力作用会上浮，将可控空鼓状活塞(5)上部、圆筒体(4)内部的水通过阀门D(10)推高至提高后水面(2)的区域，再通过出水口(3)引向需要使用水源的地方。
图5是下沉复位运行示意图。当可控空鼓状活塞(5)运行至圆筒体(4)上部，顶部位于阀门C(9)下沿时，因阻力停止，之后，顺序闭合阀门D(10)，开启阀门A(7)、B(8)、C(9)，阀门E(11)、F(12)状态不变，分别为闭合和开启状态。由于阀门A(7)、B(8)开启，水能在可控空鼓状活塞(5)中自由流动，可控空鼓状活塞(5)中原有的空气通过阀门C(9)排向自然水面外侧的空间，可控空鼓状活塞(5)也因重力作用，下沉至圆筒体下部。
图3至图5是一个运行周期，只需周而复始，有序的控制阀门，可控空鼓状活塞就会不断的运行下去，将水从低处提至高处。
Claims (4)
1.一种可控空鼓状活塞式浮力提水机，主要由圆筒体和位于圆筒体上四组功能性阀门、可控空鼓状活塞、提高后水面、出水口组成，其特征在于：四组功能性阀门包括阀门C、阀门D、阀门E和阀门F，其中阀门C(9)安装在圆筒体(4)内侧，连接圆筒体(4)内部与自然水体，其上口位置在自然水面(1)下侧；阀门D(10)安装在圆筒体(4)内部，控制提高后水面(2)与圆筒体(4)内部水流的通断，位置基本与自然水面(1)平齐；阀门E(11)安装在圆筒体(4)外侧下部，连接圆筒体(4)内部与外侧自然空间；阀门F(12)安装在圆筒体(4)下侧内部，用以控制自然水体与圆筒体(4)内部水流的通断；可控空鼓状活塞(5)，其上部安装有阀门A(7)，下部安装有阀门B(8)，阀门A(7)、B(8)同时开启时，水能在可控空鼓状活塞(5)中上下自由流动；可控空鼓状活塞(5)初始固定在园筒体(4)下部，其下部与阀门E(11)、阀门F(12)的上沿齐平，顺序闭合阀门D(10)、A(7)、F(12)，开启阀门E(11)、C(9)、B(8)，则，可控空鼓状活塞(5)内部的水通过阀门B(8)、E(11)，流向圆筒体(4)外侧自然空间，外部的空气也经过阀门E(11)、B(8)充满整个可控空鼓状活塞(5)；外部空气充满可控空鼓状活塞(5)后，顺序闭合阀门B(8)、E(11)、C(9)，开启阀门D(10)、F(12)，阀门A(7)保持闭合状态不变，则，可控空鼓状活塞(5)因浮力作用上浮，将可控空鼓状活塞(5)上部、圆筒体(4)内部的水通过阀门D(10)推高至提高后水面(2)的区域，再通过出水口(3)引向需要使用水源的地方；当可控空鼓状活塞(5)运行至圆筒体(4)上部，顶部位于阀门C(9)下沿时，因阻力作用而停止，之后，顺序闭合阀门D(10)，开启阀门A(7)、B(8)、C(9)，阀门E(11)、F(12)状态不变，分别为闭合和开启状态；由于阀门A(7)、B(8)开启，水能在可控空鼓状活塞(5)中自由流动，可控空鼓状活塞(5)中原有的空气通过阀门C(9)排向自然水面外侧的空间，可控空鼓状活塞(5)也因重力作用，下沉至圆筒体下部的初始固定位置，完成一个运行周期。
2.根据权利要求1所述的可控空鼓状活塞式浮力提水机，其特征在于：四组功能性阀门C(9)、D(10)、E(11)、F(12)中，阀门D(10)可设置为单向阀门，只允许水从圆筒体(4)中进入提高后水面(2)的区域，不允许倒流；其余三组阀门均为双向阀门。
3.根据权利要求1所述的可控空鼓状活塞式浮力提水机，其特征在于：可控空鼓状活塞(5)类似一个圆管，在圆管的上部安装有阀门A(7)，在圆管的下部安装有阀门B(8)。
4.根据权利要求3所述的可控空鼓状活塞式浮力提水机，其特征在于：可控空鼓状活塞上部阀门A(7)和下部阀门B(8)同时开启时，该活塞呈圆管状，水能在圆管的上下部自由流通，圆管因重力原因能下沉至圆筒体(4)底部预设的位置；当圆管上部阀门A(7)和下部阀门B(8)同时闭合，在圆管中充满空气，圆管成为一个全封闭的空间，即可控空鼓状活塞呈空鼓状，该活塞总体积重量的比重小于水，能上浮提水。
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