CN107125115A - 高效节能的自动控制式提升液体管路 - Google Patents

Abstract

本发明属于供液技术领域，尤其涉及一种高效节能的自动控制式提升液体管路，包括竖直排布的多个管路单元，所述管路单元包括密闭容器和倒置放置的U形毛细管群组；所述毛细管群组的进液口位于所述密闭容器内，毛细管群组的出液口伸入上一级管路单元的密闭容器内；两上下相邻的密闭容器通过节流阀连通；最底端的所述管路单元与空压机相连。本发明提供的高效节能的自动控制式提升液体管路，通过设计倒U型毛细管，可以使毛细管中的液体溢流出管口，并在一定高度设置溢出液体盛接和蓄存装置。这样就可以提高液体的势能，通过逐层累积的方式，不断提高液体势能，最终将液体从低处送往高处。

Description

高效节能的自动控制式提升液体管路

技术领域

本发明属于供液技术领域，尤其涉及一种高效节能的自动控制式提升液体管路。

背景技术

毛细现象在一些线度小到足以与液体弯月面的曲率半径相比较的毛细管中发生的现象。毛细管中整个液体表面都将变得弯曲，液固分子间的相互作用可扩展到整个液体。日常生活中常见的毛细现象，如水因能润湿玻璃而会在细玻璃管中升高；目前生活中常用毛细现象对农作物进行灌溉，这种情况下毛细管的出液口的高度是低于进液口的高度，不需要外界动力进行维持，这样只可以将液体从高处送往低处，但是很少有相应的毛细现象产品可以通过毛细现象将低处的送至高处。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种高效节能的自动控制式提升液体管路，通过设计倒U型毛细管，可以使毛细管中的液体溢流出管口，并在一定高度设置溢出液体盛接和蓄存装置。这样就可以提高液体的势能，通过逐层累积的方式，不断提高液体势能，最终将液体从低处送往高处。

本发明提供的一种高效节能的自动控制式提升液体管路，包括竖直排布的多个管路单元，所述管路单元包括密闭容器和倒置放置的U形毛细管群组；所述毛细管群组的进液口位于所述密闭容器内，毛细管群组的出液口伸入上一级管路单元的密闭容器内，所述出液口上倾斜设置有毛细纤维块，本发明中的毛细纤维块由毛细纤维制作而成；两上下相邻的密闭容器通过节流阀连通；位于最底端的管路单元与空压机相连，本发明中下一级密闭容器通过节流阀与上一级密闭容器连通，达到节流效果，使得下一级压强大于上一级压强。直接达到顶部密闭容器，略高于(与每一级容器压强差相等)顶部容器外部大气压强。

图3中，当毛细纤维块中累积到饱和状态时，液体不能向毛细纤维顶部提升液体，因为毛细纤维块会在底部形成较大结构(相对液滴和毛细纤维细微结构)范围上的倾斜平面(倾斜角度为θ)，液体会在倾斜平面产生液面，并在重力作用下，向底部的最低处滑落。液体会在最低处形成持续流，向下面溢流而出。

图4中，液体在U形管毛细管中，因为毛细现象的作用，液面以凹形出现，产生向外的附加压强，使出口液面维持不缩回；在没有出现液面与插入的毛细纤维接触前，都能维持在液面O位置。

图5中，当出口处液面与插入的实体毛细纤维接触时，液体沿毛细纤维扩展，使液面变为凸形，在液面C处停止。

图6中，当出口液面液位凸形后，产生向里的附加压强，液面在向里的压强作用下，缩回液面；这时，吸附在毛细纤维顶部的液体形成球形并吸附在毛细纤维上，液滴向下滑落；在毛细纤维顶部球形面与出口液面之间产生空气隙，液面向毛细管内缩回，从液面A到液面B。

图7中，当液面在液面B处停止缩回，并重新形成凹形液面，产生向外的附加压强，使液面从液面B重新回到液面O处；此时，没有额外的力加入，只是固液接触面的表面张力产生的附加压强在做功。

图8中，出口液面在附加压强的作用下继续向外扩展，当液面与插入的毛细纤维接触时，液体沿毛细纤维扩展，使液面重新变为凸形。

图9中，出口液面变为凸形后，产生向内的附加压强，液体缩回液面，从液面A处缩回到液面B处；这时，毛细纤维顶部吸附的液体形成球形液滴，液滴向下滑落，毛细纤维顶部球形面与出口液面之间产生空气隙，液面向毛细管内缩回，从液面A重新回到液面B。

进一步地，所述毛细管群组包括并排贴合在一起的多个U形毛细管。

进一步地，所述毛细管群组的进液口位于本级密闭容器内的液面下方，毛细管群组的出液口伸入上一级的密闭容器内且位于上方的密闭容器的液面上方；毛细管群组可以将毛细管群组的进液口的液体抽到毛细管群组出液口。

进一步地，所述出液口上倾斜设置有毛细纤维块，毛细纤维块不断从管内吸出液体，液体因重力作用，积累到一定重量后，液体会从毛细纤维块中自然滴落成流，落入上一级蓄液池。

进一步地，每个所述密闭容器内相应的设有最高位置标记和最低位置标记，本级毛细管群组的进液口位于本级密闭容器的最低位置标记的下方，本级毛细管群组的出液口伸入上一级密闭容器内且位于上一级密闭容器的最高位置标记的上方；适时调整上下级密闭容器上的空气节流阀，调节压强差，保证密闭容器液面位置在最高位置标记和最低位置标记之间；在液体达到最高水平位置时，自动停止下一级向上一级提升液体；在液体达到最低位置标记时，自动停止向本级密闭容器中接入下一级密闭容器的空气。在每个密闭容器内，向上一级提升液体的毛细管群组入口设置在密闭容器的底部，保证密闭容器有液体就能够通过毛细现象自动向毛细管群组中提升液体；下一级提升液体的毛细管群组入口设置在本级密闭容器的顶部，防止本级向下一级倒流。

进一步地，所述毛细管群组设有液体感应装置，所述密闭容器内设有液面感应装置，所述液体感应装置和液面感应装置均与节流阀电性连接，用以控制节流阀开启程度，保证上下级容器内压强差。当密闭容器中液体处于最高位置标记和最低位置标记之间，调节上一级和下一级节流阀开关程度，使本级毛细管群组自动充满液体，并利用本级和上一级密闭容器压强差，把本级的液体压入上一级密闭容器中。上一级密闭容器的液体通过同样的方式，向再上一级密闭容器中提升液体。其中，底层的密闭容器与上一级压强差为固定值，适度调节各级节流阀，维持每一级密闭容器内的压强差大致相等，在底部的密闭容器内压强大于外部大气的压强，其压强差维持固定值。在开始阶段，所有的密闭容器积存的液体液面不等，需要等到最底层液体逐级提升上来，并保证所有密闭容器都存有液体，液面都要处于适度位置。

进一步地，位于最底端的所述管路单元与空压机之间还设有空气稳压罐，空气稳压罐由空压机提供空气，维持固定管路中的压强。

进一步地，位于最底端的所述管路单元与下蓄液池相连，位于最底端的管路单元与下蓄液池之间还设有增压泵，经过增压泵向最下端的密闭容器输入液体。

进一步地，位于最顶端的所述管路单元设有安全阀，空气稳压罐由空压机提供空气，维持固定的压强；设置安全阀，保证密闭容器不过压。其二是，在最顶部的结构设置中，只设置了承接下一级毛细管群组集群输入液体的上蓄液池，并设置较低位置的溢流口，由溢流口排出液体；同时设置安全阀，防止过压。

进一步地，位于最顶端的所述管路单元旁设有溢流口，最顶端的管路单元的毛细管群组位于溢流口的上方，溢流口与上蓄液池相连通。

本发明的有益效果为：设计倒U型毛细管(上升段远大于下降段)，毛细管自动提升液体至出口(提升高度在适度范围时)，采取增加入口和出口压强差的方式，使液体从毛细管内流出。此时，流出的液体势能增加，由于有相同容积液体初充，液面不下降，压强不需做功。液体在不同毛细管状态时增加的势能，即由不同管径毛细管提升液面高度和提升液体容量决定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明结构示意图

图2为本发明中管路单元的结构示意图；

图3为本发明中毛细纤维块溢液示意图；

图4为本发明中液面与毛细纤维刚接触的示意图；

图5为本发明中液面浸润毛细纤维的示意图；

图6为本发明中液面与毛细纤维分离时的示意图；

图7为本发明中液面停止回缩并再次弹出示意图；

图8为本发明中液面再次浸润毛细纤维的示意图；

图9为本发明中液面再次分离并停止回缩示意图。

附图中：1表示管路单元；2表示最高位置标记；3表示节流阀；4表示毛细管群组；5表示最低位置标记；6表示下蓄液池；7表示增压泵；8表示空压机；9表示空气稳压罐；10表示安全阀；11表示溢流口；12表示毛细纤维块。

具体实施方式

如图1至图2所示，本发明提供了一种高效节能的自动控制式提升液体管路，包括竖直排布的多个管路单元，管路单元包括密闭容器1和倒置放置的U形毛细管群组4；除了最顶端的密闭容器1和最底端的密闭容器1，其余密闭容器1尺寸和基本结构均相同，达到相互压强和流量配合紧密要求，毛细管群组4的进液口位于密闭容器1内，毛细管群组4的出液口伸入上一级管路单元的密闭容器1内，在出液口上倾斜设置有毛细纤维块12，本发明中的毛细纤维块12由毛细纤维制作而成；毛细纤维块12不断从管内吸出液体，液体因重力作用，积累到一定重量后，液体会从毛细纤维块12中自然滴落成流，落入上一级蓄液池6；最底端的管路单元与空压机8相连，本发明中下一级密闭容器1通过节流阀3与上一级密闭容器1连通，达到节流效果，使得下一级压强大于上一级压强。直接达到顶部密闭容器1，略高于(与每一级容器压强差相等)顶部容器外部大气压强。

本发明中的毛细管群组4包括多个并排贴合在一起的多个U形毛细管，形成了紧密排列的立体式毛细管群组4，满足增大提升液体流量的目的。

并且，毛细管群组4的进液口位于本级密闭容器1内的液面下方，毛细管群组4的出液口伸入上一级的密闭容器1内且位于上一级的密闭容器1的液面上方；毛细管群组4可以利用毛细现象将毛细管群组4的进液口的液体抽到毛细管群组4出液口。

同时，每个密闭容器1内相应的设有最高位置标记2和最低位置标记5，本级毛细管群组4的进液口位于本级密闭容器1的最低位置标记的下方5，本级毛细管群组4的出液口伸入上一级密闭容器1内且位于上一级密闭容器1的最高位置标记5的上方。适时调整上下级密闭容器1上的空气节流阀3，调节压强差，保证密闭容器1液面位置在最高位置标记2和最低位置标记5之间；在液体达到最高水平位置时，自动停止下一级向上一级提升液体；在液体达到最低位置标记5时，自动停止向本级密闭容器1中接入下一级密闭容器1的空气。在每个密闭容器1内，向上一级提升液体的毛细管群组4入口设置在密闭容器1的底部，保证密闭容器1有液体就能够通过毛细现象自动向毛细管群组4中提升液体；下一级提升液体的毛细管群组4入口设置在本级密闭容器1的顶部，防止本级向下一级倒流。

通过在毛细管群组4设有液体感应装置，密闭容器1内设有液面感应装置，液体感应装置和液面感应装置均与节流阀3电性连接，用以控制节流阀3的开启程度，保证上下级容器内压强差。当密闭容器1中液体处于最高位置标记2和最低位置标记5之间，调节上一级和下一级节流阀3开关程度，使本级毛细管群组4自动充满液体，并利用本级和上一级密闭容器1压强差，把本级的液体压入上一级密闭容器1中。上一级密闭容器1的液体通过同样的方式，向再上一级密闭容器1中提升液体。其中，底层的密闭容器1与上一级压强差为固定值，适度调节各级节流阀3，维持每一级密闭容器1内的压强差大致相等，在底部的密闭容器1内压强大于外部大气的压强，其压强差维持固定值。在开始阶段，所有的密闭容器1积存的液体液面不等，需要等到最底层液体逐级提升上来，并保证所有密闭容器1都存有液体，液面都要处于适度位置。

为了维持固定管路中的压强，在最底端的管路单元与空压机8之间还设有空气稳压罐9，空气稳压罐9则由空压机提供空气。

同时将最底端的管路单元与下蓄液池6相连，位于最底端的管路单元与下蓄液池6之间还设有增压泵7，通过增压泵7向最下端的密闭容器1输入液体。

并且，在最顶端的管路单元设有安全阀10，空气稳压罐9由空压机提供空气，维持固定的压强；设置安全阀10，保证密闭容器1不过压。其二是，在最顶部的结构设置中，只设置了承接下一级毛细管群组4输入液体的上蓄液池，并设置较低位置的溢流口11，由溢流口11排出液体；同时设置安全阀10，防止过压，在最顶端的管路单元旁设有溢流口11，最顶端的管路单元的毛细管群组4位于溢流口11的上方，溢流口11与上蓄液池相连通。

本发明的原理如下：

如图3，并结合图1与图2；当毛细纤维块12中累积到饱和状态时，液体不能向毛细纤维顶部提升液体，因为毛细纤维块12会在底部形成较大结构(相对液滴和毛细纤维细微结构)范围上的倾斜平面(倾斜角度为θ)，液体会在倾斜平面产生液面，并在重力作用下，向底部的最低处滑落。液体会在最低处形成持续流，向下面溢流而出。

如图4，并结合图1与图2；液体在U形管毛细管中，因为毛细现象的作用，液面以凹形出现，产生向外的附加压强，使出口液面维持不缩回；在没有出现液面与插入的毛细纤维接触前，都能维持在液面O位置。

如图5，并结合图1与图2；当出口处液面与插入的实体毛细纤维接触时，液体沿毛细纤维扩展，使液面变为凸形，在液面C处停止。

如图6，并结合图1与图2；当出口液面液位为凸形后，产生向里的附加压强，液面在向里的压强作用下，缩回液面；这时，吸附在毛细纤维顶部的液体形成球形并吸附在毛细纤维上，液滴向下滑落；在毛细纤维顶部球形面与出口液面之间产生空气隙，液面向毛细管内缩回，从液面A到液面B。

如图7，并结合图1与图2；当液面在液面B处停止缩回，并重新形成凹形液面，产生向外的附加压强，使液面从液面B重新回到液面O处；此时，没有额外的力加入，只是固液接触面的表面张力产生的附加压强在做功。

如图8，并结合图1与图2；出口液面在附加压强的作用下继续向外扩展，当液面与插入的毛细纤维接触时，液体沿毛细纤维扩展，使液面重新变为凸形。

如图9，并结合图1与图2；出口液面变为凸形后，产生向内的附加压强，液体缩回液面，从液面A处缩回到液面B处；这时，毛细纤维顶部吸附的液体形成球形液滴，液滴向下滑落，毛细纤维顶部球形面与出口液面之间产生空气隙，液面向毛细管内缩回，从液面A重新回到液面B。

本发明可以实现，下一级密闭容器1比上一级密闭容器1的压强差稳定在固定值，使所有密闭容器1内空气压强出现梯次分布(此时，顶部罐体内空气压强要稍高于大气压强一个固定值，才能保证顶层密闭容器1向顶层蓄液池排出液体)，每一级密闭容器1向上一级提升的液体体积与下一级提升的液体体积相一致，进一步保证每个密闭容器1内的空气压强大致不变。下蓄液池6采用增压泵7的方式向第一级密闭容器1输入液体，保持与每一级密闭容器1提升的液体体积一致。此时，每一个密闭容器1内压强就维持在稳定状态，不需要调节空气阀门和高压空气阀门，实现由最底层持续向顶层提升相同容积液体的效果，实现高效和节能的自动控制式的大管路提升液体的目的。

在实现梯次压力分布后，实现新的能量守恒。能量输出总量包含：增压泵7能量输出、空气和液体管路中能量损失、空压机能量输出、节流阀3调节时的能量损失、每一级液体由顶部落到液面的势能损失等。实现能量增加总量包括：液体势能增加转化为电能部分(排出密闭容器1后，通过管路流入底部的液轮机发电)、发电损失和管路损失部分以及其他部分能量损失。

在实现梯次压力分布后，每一级密闭容器1的压强差(固定值)的大小，决定了整体提升液体管路的效率，即决定了增压泵7输入压强和流量的大小。由于毛细管群组4毛细管自动提升液体高度限制，每一级提升的高度有限，所以上、下级密闭容器1内压强差要较小，一般不超过毛细管自动提升液体高度产生压强差的10％，即要求维持毛细管出口表面张力拉住液体不回缩；否则，破坏液面出口的表面张力结构，表面张力不再做功，需要纯粹依靠两个液面的压强差来做功，造成管道阻力变大，不能实现节省能量目的。此时，增压泵7的输出压强，只稍高于第一级密闭容器1内压强，要远小于提升液体到最终液面时总高度产生的压强值。这是因为，每一级密闭容器1固定压强差要远小于把整个压强(顶部到底部液体充满管路时在管路底部产生的压强)平均分布到每一级提升液体的压强差。即可以实现，底部增压泵7输出一定的压强和流量所需能量要低于，并远远低于增压泵7直接把等量液体提升的总高度所需能量。同时，高压空气泵输出压强相对固定，因为密闭容器1漏出的空气量很小，持续输出的空气量就小，所以输出能量很小。从而，实现节省能量、高效提升液体的目的。由于毛细管自动提升液体能力有限，流量有极限值，就决定了整体提升液体的能力有限，需要增加毛细管群组4的毛细管数量。

本结构能够节省能量的具体数值，需要依据实际应用的结构进行核算。其中，有利用毛细现象，使用毛细管中表面张力在毛细管出口出现的附加压强，实现提升液体总体重心时节省的能量。这部分节省的能量是所有的液体，都通过从底部到顶部的毛细管得到了节省，这种节省能量的累积效果需要大管路设置才能够明显体现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种高效节能的自动控制式提升液体管路，其特征在于：包括竖直排布的多个管路单元，所述管路单元包括密闭容器和倒置放置的U形毛细管群组；所述毛细管群组的进液口位于所述密闭容器内，毛细管群组的出液口伸入上一级管路单元的密闭容器内，所述出液口上倾斜设置有毛细纤维块；两上下相邻的密闭容器通过节流阀连通；

位于最底端的管路单元与空压机相连。

2.根据权利要求1所述的高效节能的自动控制式提升液体管路，其特征在于：所述毛细管群组包括并排贴合在一起的多个U形毛细管。

3.根据权利要求2所述的高效节能的自动控制式提升液体管路，其特征在于：所述毛细管群组的进液口位于本级密闭容器内的液面下方，毛细管群组的出液口伸入上一级的密闭容器内且位于上方的密闭容器的液面上方。

4.根据权利要求3所述的高效节能的自动控制式提升液体管路，其特征在于：每个所述密闭容器内相应的设有最高位置标记和最低位置标记，本级毛细管群组的进液口位于本级密闭容器的最低位置标记的下方，本级毛细管群组的出液口伸入上一级密闭容器内且位于上一级密闭容器的最高位置标记的上方。

5.根据权利要求4所述的高效节能的自动控制式提升液体管路，其特征在于：所述毛细管群组设有液体感应装置，所述密闭容器内设有液面感应装置，所述液体感应装置和液面感应装置均与节流阀电性连接。

6.根据权利要求1所述的高效节能的自动控制式提升液体管路，其特征在于：位于最底端的所述管路单元与空压机之间还设有空气稳压罐。

7.根据权利要求1所述的高效节能的自动控制式提升液体管路，其特征在于：位于最底端的所述管路单元与下蓄液池相连，位于最底端的管路单元与下蓄液池之间还设有增压泵。

8.根据权利要求1所述的高效节能的自动控制式提升液体管路，其特征在于：位于最顶端的所述管路单元设有安全阀。

9.根据权利要求1所述的高效节能的自动控制式提升液体管路，其特征在于：位于最顶端的所述管路单元旁设有溢流口，最顶端的管路单元的毛细管群组位于溢流口的上方，溢流口与上蓄液池相连通。