一种水力空气压缩机和方法与流程

本发明涉及一种水力空气压缩机和方法，是一种流体能量转换的机械装置和方法，是一种将低水头水流的能量转换为空气压缩能量的装置和方法。

背景技术：

低落差微水能资源在自然界普遍存在，如何充分地利用这一资源，一直是工程界的难题。传统的水力资源利用方式是低落差水流冲击旋转机械，将低落差水能转化为旋转机械能，带动传统的发电机发电，再通过电能转化机械能产生各种功能作用，如：驱动车辆、抽水、压缩空气等。这其中有许多的能量转换过程，每一次转换都将损失一些能量。低落差微水能资源的能量有限，往往由于能量转换过程中的损失，最终所剩无几而无法利用。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种水力空气压缩机和方法。所述的方法和压缩机直接将低落差微水能转换为空气压缩能，减少了中间环节，充分利用了自然界大量的低落差微水能源。

本发明的目的是这样实现的：一种水力空气压缩机，包括：一根水平管和与水平管倒t字形连接的竖管构成的管体，所述的水平管的一端通过进水管与带有势能的水源连接，另一端与设有动力阀的出水管连接，所述的竖管的底端与水平管连接，顶端通过脉冲阀与气缸连接，所述的竖管上靠近脉冲阀的位置的侧壁上设有进气阀，所述的气缸靠近底部的位置设有排水管，所述的排水管上设有排水阀，所述的气缸顶部设有压缩空气输出管，所述的压缩空气输出管上设有输出控制阀。

进一步的，所述的排水阀是压差控制阀，所述的排水管上设有水压表。

进一步的，所述的动力阀是常开型单向止回阀。

进一步的，所述的常开型单向止回阀是旋启式止回阀、升降式止回阀、蝶式止回阀中的一种。

进一步的，所述的脉冲阀、进气阀和输出控制阀是常闭型单向止回阀。

进一步的，所述的常闭型单向止回阀是旋启式止回阀、升降式止回阀、蝶式止回阀中的一种。

进一步的，所述的气缸是圆柱形或正多边形的筒体，筒体的上、下端面封闭。

进一步的，所述的气缸上设有液位计。

一种上述压缩机的水力空气压缩方法，所述方法的步骤如下：

引进水压力的步骤：将带有压力的水流引入进水管中；

蓄能的步骤：动力阀处于开启状态，带有压力的水流通过水平管从动力阀流出，流速不断增大，但水流的作用力小于使动力阀保持开启的外力，这时脉冲阀和进气阀处于关闭状态；

产生空气压缩的步骤：当流过动力阀的水流速度达到足以关闭动力阀的流速时，动力阀突然关闭，产生水锤作用，管体中的压力骤然增大，迫使脉冲阀打开，竖管中的流体在压力下进入气缸，如果竖管上部有空气，则竖管中的水流带着空气一同进入气缸，增加或补充气缸中的气压和水压；

回水的步骤：管体中产生负压，负压使动力阀和进气阀开启，并使脉冲阀关闭；外部空气在压差的作用下，由进气阀进入并暂时储存在竖管内；动力阀开启后，水锤效应的负压逐渐消失，水流从零流量开始逐渐增加流过动力阀，回到“蓄能的步骤”；

输出动力气压的步骤：在整个蓄能、压缩空气、回水过程中，如果气缸的压力大于工作压力，则气缸下部的水通过排水阀流出气缸，气缸上部的压缩空气经由输出控制阀作为动力气压输出；如果气缸的压力小于工作压力，则排水阀和输出控制阀处于关闭状态。

进一步的，所述的“输出动力气压的步骤”中，所使用的排水阀是压差排水阀，通过所述的压差排水阀调节气缸中的压力，即：工作压力；当气缸中的压力高于工作压力时，压差排水阀打开，排出多余的水，增大气缸中容纳气体的空间，使气压下降，直到的气缸中的气压达到工作气压为止。

本发明产生的有益效果是：本发明使用倒t形的管体和动力阀，产生水锤效应，利用水锤效应压缩空气，在出现负压时吸入外部的空气进行补充，循环往复，不断的加压，不断的补充空气，在气缸中形成了动力气源。这样产生的动力气源，不经过电能转换，直接产生空气动力源，提高了能源转换效率。这种高效率的能源转换方式，可以充分利用自然界普遍存在的低水头水能，产生动力气源，用以带动各种风动工具，或者驱动发电机发电。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述水力空气压缩机的结构示意图；

图2是本发明的实施例二、八所述水力空气压缩机的结构示意图；

图3是本发明的实施例九所述方法的整体过程示意图；

图4是本发明的实施例九所述方法的蓄能过程示意图；

图5是本发明的实施例九所述方法的压缩空气过程示意图；

图6是本发明的实施例九所述方法的回水过程示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种水力空气压缩机，如图1所示。本实施例包括：一根水平管101和与水平管倒t字形连接的竖管102构成的管体1，所述的水平管的一端通过进水管2与带有势能的水源3连接，另一端与设有动力阀4的出水管5连接，所述的竖管的底端与水平管连接，顶端通过脉冲阀6与气缸7连接，所述的竖管上靠近脉冲阀的位置的侧壁上设有进气阀8，所述的气缸靠近底部的位置设置排水管9，所述的排水管上设有排水阀10，所述的气缸顶部设有压缩空气输出管11，所述的压缩空气输出管上设有输出控制阀12。

本实施例所述的水力空气压缩机由四个主要部分组成：带有一定势能的水源、管体、动力阀、气缸。

水源具有一定落差，或具有一定势能，即：管体的位置应当低于水源的位置。可以在河道上拦截水流获得水源，也可在河道上设置围墙，将河道中的水引入围墙（围墙可以淹没在河道的水中），形成具有一定势能的蓄能池，用水管将蓄能池中的水引入管体，即可以产生带有势能的水流。

管体是水力空气压缩机的重要部件。管体可以简单的描述为一个三通管，或者倒t形管。倒t形管由水平管和竖管构成。水平管一端与水源相连，另一端与设置动力阀的出水管相连，其主要作用是输送水流。竖管上设有脉冲阀和进气阀，其主要作用是向气缸输送高压水和空气，利用水锤效应的负压吸气。

动力阀为单向止回阀，图1所示采用的旋启式止回阀的形式。动力阀不限于旋启式止回阀，还可采用升降式止回阀、蝶式止回阀等，但不能使用缓闭式止回阀。动力阀的作用是，1）在重力或其他外力的作用下，动力阀处于开启状态；由于水源与动力阀之间存在水位差，水由水源地向水力空气压缩机流动，并经由动力阀排出。流动的水会对动力阀产生推力，其趋势是使动力阀关闭。当水流推力大于使动力阀开启的作用力时，动力阀迅速关闭。2）当水力空气压缩机出现回水时，动力阀开启。动力阀应当是常开型阀门并且是单向止回阀门。所谓“常开”是指阀瓣在没有外力的自由状态时，处于打开的状态。所谓“单向止回”是指流体只能从一个方向流过阀瓣，不能反向流动。应当注意的是，这只是一般意义上的止回阀，在一些特殊场合，如水锤泵上的出水阀，以及本实施例所述的水力空气压缩机中的动力阀，阀门的作用不是阻止水流反向运动，而是为了产生水锤效应，只是结构上与止回阀类似，而称为“止回阀”。这种止回阀的特点是，阀瓣在没有水流的情况下，或者借助重力（大多数借助重力，本实施例中的动力阀也借助重力常开），或者借助弹簧的作用力，处于常开状态，水流的倾向是推动阀瓣关闭，一旦关闭，即出现水锤效应，水锤效应的后半段，水流又促使阀瓣打开。

管体的水平管连接水源和动力阀，当动力阀开启时，水由水源地经动力阀排出水力空气压缩机；动力阀关闭时，脉冲阀开启，水进入竖管，并将上一循环吸入水力空气压缩机并暂时储存在脉冲阀附近的空气，携带进入气缸。

管体的竖管连接气缸，且需要有一定的长度（高度），其作用是，提升进气阀的高程，避免进气阀被淹没在水中，影响吸气。竖管中还要暂时储存由进气阀进入竖管的空气，为避免空气进入水平管，竖管要有一定的高度，也可以考虑在竖管中设置一段短粗的管段，作为“气囊”。这些存储在竖管中的气体在脉冲阀开启时，进入气缸，补充或增加气缸中的气压。

进气阀为单向阀（一般意义上的止回阀，流体流向竖管内），向水力空气压缩机方向开启。进气阀的作用是，在水力空气压缩机产生回水、出现负压时，将外界的空气吸入水力空气压缩机，吸入的气体暂时存储在脉冲阀下侧。

当动力阀突然关闭时，管体中发生水锤效应，压力迅速增加。脉冲阀下侧压力大于气缸压力时，脉冲阀开启。脉冲阀开启后，水涌入气缸，脉冲阀处的气体也进入气缸。脉冲阀也是单向止回阀（即一般意义上的止回阀）。脉冲阀可以是旋启式止回阀、升降式止回阀或蝶式止回阀，但不能使用缓闭式止回阀。脉冲阀向气缸方向开启。

气缸是具有一定容积的封闭结构，上部是压缩空气动力源的空气，下部是承载一定压力的水。气缸需要一定的承压能力，可以使用的材质是铁质或钢质。气缸的体型可以是圆柱形，截面形状可以是圆型、正多边形，气缸也可以是球型。气缸的侧面，可以安装有透明的液位计，用于观测气缸的液位。气缸的顶部连接一管道作为压缩空气输出管，并在压缩空气输出管安装出气阀作为输出控制阀，湿润的压缩空气由此排出气缸，用于生产实践。气缸顶部也可以设置气压控制阀，以及压力表（气压表），用于控制气缸中的空气压力，即控制输出的动力压缩空气的压力。

气缸的下侧，安装有排水管，并配置排水阀和压力表（水压表）。排水阀可以是压差控制阀，压差控制阀的作用是，使气缸内的压力维持在某一设定值，只有在压力大于设定值时，压差控制阀才会打开，气缸下侧的水流出气缸，当气缸压力小于设定值时，阀门关闭，水不会流出。这样，就保证了气缸内的气压。压力表的作用是，显示气缸内的压力，这个压力包括水压和气压。

检测水压的优点在于，水压比较稳定，在脉冲阀打开和关闭的循环中，不会对压力表产生较大的冲击，水压表可以进行不间断的测量，而气压表不能连续测量，只能在脉冲阀关闭时测量气缸内的气压，十分不方便。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于排水阀的细化。本实施例所述的排水阀是压差控制阀，所述的排水管上设置压力表901，如图2所示。

本实施例所述的压差控制阀是指，阀瓣在一定的压力下才开启，所以压差控制阀是一种具有控制压力大小的阀门，所以也称为压力控制阀。

压差控制阀是一种较为特殊的单向止回阀，这种单向止回阀的阀瓣开启力大小可以调节，也就是说，由于可以调节阀门一侧的流体压力，在本实施例中，就是调节气缸中的压力。

排水管上安装的压力表是压差控制阀气缸一侧的压力，这个压力主要是水的压力，由于气缸是封闭的，因此，水的压力也代表了气缸中空气的压力，而气缸中空气的压力，实际就是输出压缩空气的压力。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于动力阀的细化。本实施例所述的动力阀是常开型单向止回阀。

本实施例所述的单向止回阀在自由状态下，处于常开状态，即：在没有外部作用力的情况下，阀瓣和阀座分离，流体可以通过阀瓣与阀座之间的空隙流动。阀瓣的自由状态可以是受到重力的作用，处于常开状态，也可以是受到弹簧的作用，而处于常开状态。如果阀瓣是上下运动的，阀瓣处于阀座的下方，则在自由状态下，阀瓣受到重力的作用与阀座分离，即常开状态。为使系统简化，使用没有弹簧的常开阀是比较理想的。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于常开型单向止回阀的细化。本实施例所述的常开型单向止回阀是旋启式止回阀、升降式止回阀、蝶式止回阀中的一种。

如实施例一所述，本实施例所述使用的止回阀不是一般意义上的止回阀，而是一种流体运动方向与阀瓣关闭（而不是开启）的运动方向一致的特殊止回阀，其作用不是阻止水流的单向运动，而是产生水锤效应，因此，动力阀是产生压缩空气的关键性部件。

所述的旋启式止回阀和升降式止回阀是两种利用重力使阀瓣处于常开状态的阀门，而蝶式止回阀是一种利用弹簧使阀瓣处于常开状态的阀门，因此，旋启式止回阀和升降式止回阀更加适应作为产生水锤效应的阀门。

所谓旋启式是指阀瓣绕一个铰链旋转开启的方式，升降式是指阀瓣上下运动开启的方式。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于脉冲阀、进气阀的细化。本实施例所述的脉冲阀、进气阀和输出控制阀是常闭型单向止回阀。

本实施例所述的常闭型单向止回阀是通常意义上的止回阀，是专门使流体单向流动的阀门，如：进气阀使空气只能从外部进入竖管，而竖管中的水和空气不能流出竖管。脉冲阀只能使竖管中的水和空气进入气缸，而气缸中的水不能进入竖管。

所述的常闭型是指阀瓣在自由状态下，阀瓣和阀座结合，流体不能通过阀门，阀瓣开启的运动方向和流体通过阀门的运动方向一致（与动力阀相反），只有在流体的压力大于阀瓣开启的力时，阀瓣才开启，使流体通过阀门。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于常闭型单向止回阀的细化。本实施例所述的常闭型单向止回阀是旋启式止回阀、升降式止回阀、蝶式止回阀中的一种。

本实施例所述的旋启式止回阀、升降式止回阀、蝶式止回阀是通常意义上的单向阀门。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于气缸的细化。本实施例所述的气缸是圆柱形或正多边形的筒体，筒体的上、下端面封闭。

由于气缸是压力容器，因此，需要有一定的承载内部压力的能力，承载内部压力最好的形状为球型，但球型制造成本较高。而圆柱形的成本最低，并且是除球体外最适合承载内部压力的容器形状，因此，本实施例选择使用最常见的压力容器形状：竖直的圆柱形筒体，将筒体上下两端面封闭，形成成本低廉的压力容器。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于气缸的细化。本实施例所述的气缸上设有液位计701，如图2所示。

由于气缸是压力容器，因此，在气缸上设置液位计必须十分小心。在动力气压要求较低的情况下，可以使用连通管液位计，而连通管需要使用增强玻璃或增强塑料，以保证应有的强度。在压力较大的情况下，如使用风镐等风动工具时的压力，就必须在气缸体内部安装电子液位计，并用导线引出，避免破坏气缸的整体结构。

实施例九：

本实施例一种使用上述压缩机的水力空气压缩方法。

本实施例的基本思路是利用水锤效应，产生压缩空气，实现压缩空气的动力源输出。

本实施例所述方法的具体步骤如下，整体过程如图3所示：

（一）引进水压力的步骤：将带有压力的水流引入进水管中。

通过设置水坝等水工设施，使水流产生一定的落差，并使用水管将具有势能的水流引入到管体的水平管中。

（二）蓄能的步骤：动力阀处于开启状态，带有压力的水流通过水平管从动力阀流出，流速不断增大，但水流的作用力小于使动力阀保持开启的外力，这时脉冲阀和进气阀处于关闭状态。

本步骤是蓄能过程，如图4所示，包括如下几个状态：

1）脉冲阀和进气阀处于关闭状态，动力阀处于开启状态。水源地的水经由动力阀下泄，流速不断增大，但水流的作用力小于使动力阀保持开启的外力。

2）气缸的压力大于压差控制阀设定的压力，下侧的水通过压差控制阀流出，压缩空气经由出气阀排出，用于生产实践。

3）上一个循环的回水过程，所吸入系统的空气暂时存储在脉冲阀附近。

4）该过程结束的时间点是，水流对动力阀的推力大于自身重力，动力阀突然关闭。

（三）产生空气压缩的步骤：当流过动力阀的水流速度达到足以关闭动力阀的流速时，动力阀突然关闭，产生水锤作用，管体中的压力骤然增大，迫使脉冲阀打开，竖管中的流体在压力下进入气缸，如果竖管上部有空气，则竖管中的水流带着空气一同进入气缸，增加或补充气缸中的气压和水压。

本步骤是压缩空气过程，如图5所示，包括如下几个状态：

1）由于动力阀突然关闭，系统边界条件发生变化，产生水锤作用，压力增大，并迫使脉冲阀打开。之后，水携带脉冲阀附近的气体进入气缸，气泡在浮力的作用下，浮出水面，位于气缸上部，水处于气缸下部。这样，起到了补充气体和维持气缸压力的作用。此时，进气阀依然处于关闭状态。

2）由于水进入气缸，气缸的压力增大，脉冲阀下侧的压力减小，当脉冲阀上侧压力大于下侧时，脉冲阀关闭，意味着该过程的结束。

3）气缸的压力大于压差控制阀设定的压力，下侧的水通过压差控制阀流出，压缩空气经由出气阀排出，用于生产实践。

（四）回水的步骤：管体中产生负压，负压使动力阀和进气阀开启，并使脉冲阀关闭；外部空气在压差的作用下，由进气阀进入并暂时储存在竖管内；动力阀开启后，水锤效应的负压逐渐消失，水流从零流量开始逐渐增加流过动力阀，回到“蓄能的步骤”。

本步骤是回水的过程，如图6所示，包括如下几个状态：

1）压缩空气过程结束后，水力空气压缩机中的水，会流向水源地，竖管、水平管和动力阀会出现负压，负压使动力阀和空气阀开启，而脉冲阀处于关闭状态。

2）空气在压差的作用下，由进气阀进入水力空气压缩机，储存在竖管内。

3）动力阀开启，当水再次由动力阀流出水力空气压缩机时，意味着该时间段的结束。

4）气缸的压力大于压差控制阀设定的压力，下侧的水通过压差控制阀流出，压缩空气经由出气阀排出，用于生产实践。

（五）输出动力气压的步骤：在整个蓄能、压缩空气、回水过程中，如果气缸的压力大于工作压力，则气缸下部的水通过排水阀流出气缸，气缸上部的压缩空气经由输出控制阀作为动力气压输出。如果气缸的压力小于工作压力，则排水阀和输出控制阀处于关闭状态。

由于管体中不断有将气体压入气缸中，气缸中不断的聚集气体，形成了气缸中的压力。气缸中的气压压力就是作为动力源的气源压力，气缸通过压缩空气输出管，将压缩空气传输至各种传动工件上，或者输出到出气罐上。

实施例十：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于“输出动力气压的步骤”的细化。本实施例所述的“输出动力气压的步骤”中，所使用的排水阀是压差排水阀，通过所述的压差排水阀调节气缸中的压力，即：工作压力；当气缸中的压力高于工作压力时，压差排水阀打开，排出多余的水，增大气缸中容纳气体的空间，使气压下降，直到的气缸中的气压达到工作气压为止。

通过调节压差排水阀的阀瓣开闭压力，可以调节气缸中的水压和气压，实际调节的是输出压缩空气的压力。气缸中压缩空气的压力可以使用气压表显示，也可以使用水压表显示。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如动力阀的形式、管体的形式、各种阀门的安全位置，步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。