CN108223240A - 雨污水重力势能收集装置 - Google Patents

Abstract

雨污水重力势能收集装置，包括水轮机，屋顶排水管，二楼排水管和一楼排水管，以水轮机主轴中心轴线为中心由内向外依次套装水轮机主轴，屋顶排水管，二楼排水管和一楼排水管，水轮机沿主轴自上向下依次布置上中下叶轮，上中下叶轮最高点位置分别低于上中一楼排水管底面距离均为10mm～20mm，一楼污水导流管中心轴线与一楼排水管外壁面交点和中叶轮最高点在同一水平面上，二楼污水导流管中心轴线与二楼排水管外壁面交点和上叶轮最高点在同一水平面上。农村城镇节能减排资源回收利用领域收集零散分布、不定时不连续排放雨污水重力势能，小功率分布式能源站等可使用本发明。本发明投资少，安装方便，布置紧凑，重力势能转化转动能效率>75％。

Description

雨污水重力势能收集装置

技术领域

本发明属于农村城镇节能减排资源回收综合利用领域，尤其涉及一种适合于雨污水重力势能高效转化为转动动能的雨污水重力势能收集装置。

背景技术

全民节能减排资源回收利用与低碳生活，已成为人们关注的课题。

众多雨水污水通常聚集后被直接排入污水管道，污水先流到竖直管道，再流入水平污水管道排走。污水从高处下落时蕴藏着丰富的势能。污水从污水管道上端进入作加速下落运动到底端，有不小的动能，但是在目前的排水系统中没有被进一步利用，造成能源浪费问题。

雨污水发电是雨污水能源回收利用有效途径。目前公开的污水发电装置以单台单级水轮机居多，这些装置普遍存在运行时间短，水离开水轮机速度大，重力势能转化效率低，污水发电量小，使用价值低等缺点。如CN201520273780公开一种生活污水利用装置，该装置包括水轮机和抽水机。CN201410610057公开一种下水道污水发电装置。CN201220668834公开一种高楼污水发电机，高楼生活污水竖直下冲水能机。CN200920254486公开一种楼道绿色公共照明装置，该装置包括水轮机、大变速齿轮、小变速齿轮和微小型发电机，水轮机水轮机带动大变速齿轮转动，大变速齿轮和小变速齿轮啮合，小变速齿轮带动微小型发电机主轴转动。CN201310376624公开一种节能型液体重力发电系统，该系统基于杠杆原理，设置两个重力贮液箱。

污水管道中设置多台发电机，可以产生更多的电能，提高污水发电效率，但普遍存在设备多，系统复杂，因一楼排水管空间狭小而难以安装多台发电机。CN201420841429公开一种冲击水斗式污水发电照明系统，该系统包括多个小型水力发电装置单元，引水管为分段式结构，相邻两段之间为小型水力发电装置单元，每一段引水管末端设置喷嘴，喷嘴喷出污水流入位于喷嘴正下方的水轮机水斗内。CN201320793265公开一种高楼污水发电装置，该装置包括两台以上发电机，置于污水管道内的相邻发电机之间高度差1.5m～3m。CN201320217083公开一种分离型污水发电泵，排污管中段纵向排列多个水能发电装置，通过组合变速箱带动发电机发电。

开发设备少、系统简单、安装方便，离开水轮机时水流动速度小、运行时间长、能量转化量大、能量转化率高的雨污水重力势能收集装置，可以部分补充人们生活中所需要的高品质能源问题。

发明内容

为了克服用单级水轮机存在运行时间短、废弃雨污水速度大、发电量小、使用价值低及发电效率低，单级水轮机并联使用存在设备多、系统复杂及不便安装等诸多问题，本发明提供一种“单台水轮机，同轴多级叶轮，上小下大阶梯状布置叶轮”等结构特点，“重力势能多级转化、重力势能串联转化、重力势能冲击式转化、各层雨污水独立使用”等技术特点，“设备少、系统简单、安装方便，废弃雨污水流速小，势能转化率高、转化量大、使用价值高”等技术优势的雨污水重力势能收集装置。

雨污水重力势能收集装置，主要包括水轮机，屋顶排水管，二楼排水管和一楼排水管，一楼排水管，二楼排水管，屋顶排水管和水轮机主轴四者中心轴线重合，以水轮机主轴中心轴线为中心由内向外依次套装水轮机主轴，屋顶排水管，二楼排水管和一楼排水管，水平地平面以上发电机和水轮机同主轴，水轮机主轴竖直布置，水轮机沿自身主轴自上向下依次布置上叶轮，中叶轮和下叶轮，水轮机各叶轮在地平面以上，各叶轮离主轴中心轴线最近点均在主轴外壁面上，主轴顶端连接上叶轮且不超出上叶轮，下叶轮最低点在地平面上，下叶轮离主轴中心轴线最远点在一楼排水管内壁向下延伸圆筒面上，下叶轮最高点位置低于一楼排水管底面10mm～20mm，中叶轮离主轴中心轴线最远点在二楼排水管内壁向下延伸圆筒面上，中叶轮最高点位置低于二楼排水管底面10mm～20mm，一楼污水导流管中心轴线与一楼排水管外壁面交点和中叶轮最高点在同一水平面上，上叶轮离主轴中心轴线最远点在屋顶排水管内壁向下延伸圆筒面上，上叶轮最高点位置低于屋顶排水管底面10mm～20mm，二楼污水导流管中心轴线与二楼排水管外壁面交点和上叶轮最高点在同一水平面上。

农村城镇节能减排资源回收利用领域，回收雨污水重力势能回收转化为转动动能并发电等场所，都可以使用本发明。

本发明经济性好，节能环保效益显著。应用表明：本发明投资少，安装方便，布置紧凑，安全性高；本发明启动无需外界能量补充；雨污水重力势能转化率高达75％以上、转化量大，使用价值高。

附图说明

图1及图2分别为雨污水重力势能收集装置竖直剖视图及水平剖视图。

图1和图2中，1为水轮机，11为上叶轮，12为中叶轮，13为下叶轮，2为屋顶排水管，21为(屋顶雨水)导流管，3为二楼排水管，31为(二楼污水)导流管，4为一楼排水管，41为(一楼污水)导流管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如附图1和附图2所示，雨污水重力势能收集装置，主要包括水轮机1，屋顶排水管2，二楼排水管3和一楼排水管4。一楼排水管4顶部一楼污水进口边缘和一楼污水导流管41出口边缘无泄漏连接，导流管41中心轴线和一楼排水管4中心轴线相交。二楼排水管3顶部二楼污水进口边缘和二楼污水导流管31出口边缘无泄漏连接，导流管31中心轴线和二楼排水管3中心轴线相交。屋顶排水管2顶部屋顶雨水进口边缘和屋顶雨水导流管21出口边缘无泄漏连接，导流管21中心轴线和一楼排水管2中心轴线相交。一楼排水管4，二楼排水管3和屋顶排水管2均为圆管，管材可以是耐腐蚀金属或塑料。

一楼排水管4，二楼排水管3，屋顶排水管2和水轮机1主轴四者竖直布置且四者中心轴线重合。以水轮机1主轴为中心由内向外依次套装水轮机1主轴，屋顶排水管2，二楼排水管3和一楼排水管4，即一楼排水管4内布置二楼排水管3，二楼排水管3内布置屋顶排水管2，屋顶排水管2内布置水轮机1主轴。水平地平面以下发电机和水轮机1同主轴，水轮机1主轴竖直布置。水轮机1沿自身主轴自上向下依次布置上叶轮11，中叶轮12和下叶轮13。水轮机1各叶轮均布置在水平地平面以上，下叶轮13最低点在地平面上。下叶轮13布置在水轮机1主轴外壁面和一楼排水管4内壁面之间环形内腔向下延伸区域内，下叶轮13离主轴中心轴线最远点在一楼排水管4内壁向下延伸圆筒面上，下叶轮13最高点位置低于一楼排水管4底面10mm～20mm。中叶轮12布置在水轮机1主轴外壁面和二楼排水管3内壁面之间环形内腔向下延伸区域内，中叶轮12离主轴中心轴线最远点在二楼排水管3内壁向下延伸圆筒面上，中叶轮12最高点位置低于二楼排水管3底面10mm～20mm，一楼污水导流管41中心轴线与一楼排水管4外壁面交点和中叶轮12最高点在同一水平面上。上叶轮11布置在屋顶排水管2内壁面和水轮机1主轴外壁面之间环形内腔向下延伸区域内，上叶轮11离主轴中心轴线最远点在屋顶排水管2内壁向下延伸圆筒面上，上叶轮11最高点位置低于屋顶排水管2底面10mm～20mm，二楼污水导流管31中心轴线与二楼排水管3外壁面交点和上叶轮11最高点在同一水平面上。水轮机1各叶轮离主轴中心轴线最近点均在主轴外壁面上。主轴顶端连接上叶轮11且不超出上叶轮11。

上叶轮11布置在屋顶排水管2正下方，屋顶雨水经屋顶雨水导流管21进入屋顶排水管2，然后竖直下落，屋顶雨水自由下落，重力势能转化为转动动能，接着中速冲击上叶轮11，低速雨污水沿上叶轮11圆周方向切向飞出，平抛进入二楼排水管3内腔区域，由于二楼排水管3内壁面限制了屋顶雨水运动路线，全部落入二楼排水管3内壁面与上叶轮11之间的中叶轮12圆环状边缘区域上。中叶轮12布置在二楼排水管3正下方，二楼污水经二楼污水导流管31进入二楼排水管3后竖直下落，重力势能转化为转动动能后形成中速污水，汇入自上叶轮11切向下落的中速雨水，中速冲击中叶轮12，变为低速雨污水沿中叶轮12圆周方向切向飞出，平抛进入一楼排水管4内腔区域，由于一楼排水管4内壁面限制了雨污水运动路线，全部落入一楼排水管4内壁面与下叶轮13之间的下叶轮13圆环状边缘区域上。下叶轮13布置在一楼排水管4正下方，一楼污水经导流管21进入一楼排水管4，然后竖直自由下落，重力势能转化为转动动能后形成中速污水，汇入自中叶轮12切向下落的中速雨污水，接着中速冲击下叶轮13，变为低速雨污水沿下叶轮13圆周方向切向缓慢飞出，全部落入水轮机1底部集水槽，最终经排水管排入外界环境。

屋顶排水管2、二楼排水管3和一楼排水管4高度相等，约为一层楼高度(2.5m～3.2m)。屋顶排水管2底面与上叶轮11各叶轮最高点距离，二楼排水管3底面与中叶轮12各叶轮最高点距离和一楼排水管4底面与下叶轮13各叶轮最高点距离均控制在10mm～20mm。上叶轮11最高点与中叶轮12最高点距离和中叶轮12与下叶轮13最高点距离相等，约为一层楼高度(2.5m～3.2m)。

以水轮机1主轴为中心由内向外依次套装水轮机1主轴，屋顶排水管2，二楼排水管3和一楼排水管4，分别形成独立的屋顶雨水、二楼污水和一楼污水自由下落通道，避免了三者之间相互混合，形成高速雨水、中速污水和低速污水三种不同品质作功原动力。去掉屋顶排水管2、二楼排水管3和一楼排水管4，则屋顶雨水下落运动会受到二楼污水下落运动干扰，二楼污水下落运动会受到一楼污水下落运动干扰，两者相互撞击会减小两者竖直方向分速度，进而减少对水轮机1叶轮竖直冲击力，即降低重力势能转化率。

上叶轮11在屋顶排水管2正下方，中叶轮12在二楼排水管3正下方，下叶轮13在一楼排水管4正下方，保证屋顶雨水重力势能全部转化为转动能。屋顶雨水导流管21送来的低速屋顶雨水下落一层楼高度后形成中速雨水，垂直冲击上叶轮11，输出转动能后变成低速雨水。自上叶轮11下落的低速雨水和二楼污水导流管31送来的低速污水混合成低速雨污水，下落一层楼高度后形成中速雨污水，垂直冲击中叶轮12，输出转动能后变成低速雨污水。自中叶轮12下落的低速雨污水和一楼污水导流管41送来的低速污水混合成低速雨污水，下落一层楼高度后形成中速雨污水，垂直冲击下叶轮13，输出转动能后变成低速雨污水。垂直冲击上叶轮11、中叶轮12和下叶轮13时流体初速度相等，但质量不相等，冲击点离主轴中心轴线距离不同，使得叶轮绕主轴转动的扭矩不同。冲击下叶轮13的流体为全部雨污水，且冲击点离主轴中心轴线距离最远，转动主轴的扭矩最大。屋顶雨水重力势能梯级(串联三级)转化为转动能，二楼污水重力势能梯级(串联二级)转化为转动能和一楼污水重力势能梯级(串联一级)，延长了重力势能梯级转化为转动能时间，提高了重力势能梯级转化为转动能效率。从上叶轮11到中叶轮12再到下叶轮13，重力势能转化效率逐渐提高，需要转化的重力势能量也越多，重力势能转化为转动能过程得到有效强化。和三个单级水轮机单独使用或上中下三级叶轮之间无垂直距离相比，雨污水重力势能收集装置经过共计六次回收重力势能后，重力势能转化为转动能份额及总量有明显增加。

上叶轮11与中叶轮12之间竖直距离有一层楼高，离开上叶轮11的屋顶雨水切向下落过程到中叶轮12以重力势能转化为动能为主。中叶轮12与下叶轮13之间竖直距离有一层楼高，离开中叶轮12的二楼污水和屋顶雨水下落到下叶轮13以重力势能转化为动能为主。

在只有屋顶雨水或二楼污水或一楼污水条件下，雨污水重力势能收集装置均能正常运行，通过水轮机1主轴向外输出转动能效果均能得到保证。上叶轮11承接屋顶排水管2内下落屋顶雨水的竖直冲击，中叶轮12承接二楼排水管3内下落二楼污水的竖直冲击和自上叶轮11落下屋顶雨水的切向冲击，下叶轮13承接一楼排水管4内下落一楼污水的竖直冲击和自中叶轮12落下的二楼污水与屋顶雨水切向冲击。三层叶轮阶梯状布置，满足了不同高度楼层污水落下竖直冲击叶轮需要。雨污水重力势能收集装置输出转动能不受楼层数多少和雨水污水流量大小限制，可以单独收集雨水或污水重力势能，也可以同时雨水污水重力势能，可以收集单栋建筑雨水污水重力势能，也可以同时收集两栋及以上建筑的雨水污水重力势能。本发明为大范围收集零散分布且低能流密度的雨水污水重力势能，增大转动动能输出量，和增加本发明在广大居住小区实际应用的可能性等创造了条件。

安装雨污水重力势能收集装置时，先竖直固定水轮机1主轴，上叶轮11，中叶轮12和下叶轮13。上叶轮11，中叶轮12和下叶轮13均在水平地平面以上，下叶轮13最低点在水平地平面上。水轮机1主轴先套入屋顶排水管2内，并调整屋顶排水管2底面位置，使上叶轮11各叶轮最高点离屋顶排水管2底面距离在10mm～20mm范围；再套入二楼排水管3并调整二楼排水管3底面位置，使中叶轮12各叶轮最高点离二楼排水管3底面距离在10mm～20mm范围；再套入一楼排水管4并调整一楼排水管4底面位置，使下叶轮13各叶轮最高点离一楼排水管4底面距离在10mm～20mm范围。保证水轮机1主轴竖直度，避免出现雨污水下落过程中碰撞水轮机1主轴外壁面、屋顶排水管2内外壁面、二楼排水管3内外壁面和一楼排水管4内外壁面而损失重力势能，避免雨水及雨污水不竖直冲击水轮机1各叶轮而降低重力势能转化率。

雨污水重力势能收集装置为单台水轮机，具有多级叶轮。雨污水重力势能收集装置包括一根屋顶排水管2、一根二楼排水管3、一根一楼排水管4和一台水轮机1，占空间体积及占地面积小，设备少系统简单，适合于目前排水管网节能技改使用，投资小。而CN201420841429和CN201320793265包括多台水能发电装置和发电机，CN201320217083包括多台水能发电装置和变速箱，安装需要高的空间或大的占面面积，设备多系统复杂。雨污水重力势能收集装置包括一台水轮机1，主轴由上向下依次连接上中下三层叶轮。尽管CN201520273780，CN201410610057，CN201220668834，CN200920254486和CN201310376624涉及的水轮机数量上只有一台，但属于单级水轮机。

高层楼宇及居民住宅小区雨水污水余能回收利用，回收雨水污水重力势能并将其转化为转动动能发电使用，和聚集溪流、水渠、池塘、火电厂循环水、水电厂排水、地下水源、城市排污水、企业排污水，建设小功率分布式电站建设等场所，均可以使用本发明。

本发明经济性好，节能环保效益显著。应用表明：本发明投资少，安装方便，布置紧凑，安全性高；污水重力势能转化转动能效率高达75％以上。本发明可用于大范围收集具有零散分布、能流密度低、不定时排放和不连续排放等特点的雨水污水重力势能资源，建设小功率分布式能源；可以为小功率磨机提供原动力，替代风机水泵所用的小功率电机等；配套小功率发电机发电，能够提供额外的小区部分电能，增加居住小区电力供应的渠道。

Claims (1)

1.雨污水重力势能收集装置，主要包括水轮机，屋顶排水管，二楼排水管和一楼排水管，一楼排水管，二楼排水管，屋顶排水管和水轮机主轴四者中心轴线重合，以水轮机主轴中心轴线为中心由内向外依次套装水轮机主轴，屋顶排水管，二楼排水管和一楼排水管，水平地平面以上发电机和水轮机同主轴，水轮机主轴竖直布置，其特征在于：水轮机沿自身主轴自上向下依次布置上叶轮，中叶轮和下叶轮，水轮机各叶轮在地平面以上，各叶轮离主轴中心轴线最近点均在主轴外壁面上，主轴顶端连接上叶轮且不超出上叶轮，下叶轮最低点在地平面上，下叶轮离主轴中心轴线最远点在一楼排水管内壁向下延伸圆筒面上，下叶轮最高点位置低于一楼排水管底面10mm～20mm，中叶轮离主轴中心轴线最远点在二楼排水管内壁向下延伸圆筒面上，中叶轮最高点位置低于二楼排水管底面10mm～20mm，一楼污水导流管中心轴线与一楼排水管外壁面交点和中叶轮最高点在同一水平面上，上叶轮离主轴中心轴线最远点在屋顶排水管内壁向下延伸圆筒面上，上叶轮最高点位置低于屋顶排水管底面10mm～20mm，二楼污水导流管中心轴线与二楼排水管外壁面交点和上叶轮最高点在同一水平面上。