一种提升水位装置及方法与流程

1.本发明涉及资源环境技术领域，具体而言，尤其涉及一种提升水位装置及方法。


背景技术：

2.现实生活中常有处于野外无电力或其他动力的情况下，需要提升一定的水，以便灌溉和其他用途(比如温室大棚、水渠附近高处的苗圃、农田，以及停电情况下仍需持续供水的活动等)。
3.现有的提升水位方法有几类：一类是利用盛水工具进行人力、畜力、及其他动力搬运，这种最原始的方法目前仍有地区普遍使用；第二类是采用人力、畜力的简单的轮式水车提水，杠杆原理下简易的人工动力提升装置，活塞式抽水机进行人力、畜力取水；第三类是利用水流冲击力提供动力的简易轮式水车提水。
4.其中第一类和第二类提水方式有一个共同的不足之处是需要大量的人力或其他动力附加；第三类方法则受限条件比较苛刻，只能在水有流动的条件下才可行。
5.针对以上现有技术取水方式的不足之处，有待发明一种可以不受条件制约、自动提升水位的装置和方法。本发明就是在无电或其他动力情况下解决以上不足之处的全新方法。


技术实现要素：

6.根据上述现有技术的不足之处，提供一种提升水位的装置及方法。本发明主要利用通过密封气体在竖管中交替往复运动，把来自自然的水体，在密闭气体上部提升到需要的高度后再引流到所需之处以使用，从而起到自动提升水位的目的。
7.本发明采用的技术手段如下：
8.一种提升水位装置，包括：第一竖管和第二竖管，所述第一竖管和第二竖管的下端插入密封耐压罐体内部的水面以下；所述第一竖管和第二竖管的上端与第一容器相连接；所述第一竖管上端设置有第一单向阀，所述第二竖管上端设置有第二单向阀，所述一竖管和第二竖管与第二容器连接，所述第二容器低于第一容器，所述第一竖管内设置有第一密封气体，所述第二竖管内设置有第二密封气体，所述第一密封气体在第一竖管中上下往复运动，所述第二密封气体在第二竖管中上下往复运动，所述第一密封气体与第二密封气体交替运动将所述第一密封气体和第二密封气体上部的来自第二容器的水提升至第一容器中。
9.进一步地，所述密封耐压罐体通过第三连通管与第三容器相连，所述第三容器通过第四连通管与第二容器连接，所述第二竖管通过第二连通管与第二容器的连接，所述第一竖管通过第一连通管与第二连通管连接。
10.进一步地，所述第二容器与蓄水装置相连，所述第二容器内液面高度不因连通管内水体体积变化而变化。
11.进一步地，所述第一竖管内设置有用以限制第一密封气体位置的第一限位器，所
述第一竖管内设置有用以对第一密封气体进行缓冲的第一弹簧，所述第二竖管内设置有用以限制第二密封气体位置的第二限位器，所述第二竖管内设置有用以对第二密封气体进行缓冲的第二弹簧。
12.进一步地，所述第二单向阀下方设置有第四开闭阀，所述第二单向阀与第四开闭阀间设置有外部加压装置，所述外部加压装置内设置有第五单向阀。
13.进一步地，所述第一连通管上设置有第四单向阀，所述第二连通管上设置有第三单向阀和第三开闭阀。
14.本发明还提供了一种提升水位方法，基于上述的装置实现，包括如下步骤：
15.开启第三开闭阀，使第二容器的水流充到第一密封气体和第二密封气体的上部；
16.关闭第二单向阀，打开第四开闭阀，使外部加压装置内的水流入至第二竖管内；
17.向外部加压装置中加水，使第一密封气体的位置移动到往复范围的最上方；使第二密封气体的位置移动到往复范围的最下方；
18.关闭第四开闭阀然后打开第二单向阀，使外部加压装置中高出第一容器液位位置的多余水体流入第一容器；
19.打开第四开闭阀，使水体自第二容器中分别通过第一竖管和第二竖管上部，交替式地被提升至第一容器中。
20.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
21.本发明通过密封气体在竖管中交替往复运动，把来自自然的水体，在密闭气体上部提升到需要的高度后再引流到所需之处，从而节省体力劳动。综上，应用本发明的技术方案在无电情况下相比活塞式人工抽水进一步大量节省体力。因此，本发明的技术方案解决了现有技术中进一步的节省体力的问题。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明第一规律图。
24.图2为本发明第二规律图。
25.图3为本发明第三规律图。
26.图4为本发明第一水位提升的试验构造图。
27.图5为本发明第二水位提升的试验构造图。
28.图6为本发明第三水位提升的试验构造图。
29.图7为本发明水位提升的试验第一过程图。
30.图8为本发明水位提升的试验第二过程图。
31.图9为本发明水位提升的试验第三过程图。
32.图10为本发明水位提升的试验第四过程图。
33.图11为本发明水位提升装置图。
34.图中：101、第一容器；102、第二容器；103、水体；104、第三容器；105、密封耐压罐
体；106、第二密封气体；116、第一密封气体；201、第一竖管；202、第二竖管；203、第二连通管；204、第四连通管；205、第三连通管；206、外部加压装置；207、第一连通管；301、第一单向阀；302、第二单向阀；303、第四单向阀；304、第三单向阀；305、第二限位器；306、第二弹簧；307、第三开闭阀；308、第一弹簧；309、第一开闭阀；310、限制器；311、第五单向阀；312、第四开闭阀；313、第一限位器；。
具体实施方式
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
38.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
39.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
40.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并
且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
41.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
42.本发明提供了一种提升水位装置，如图11所示，包括：第一竖管201和第二竖管202，所述第一竖管201和第二竖管202的下端插入密封耐压罐体105内部的水面以下；所述第一竖管201和第二竖管202的上端与第一容器101相连接；所述第一竖管201上端设置有第一单向阀301，所述第二竖管202上端设置有第二单向阀302，所述一竖管201和第二竖管202与第二容器102连接，所述第二容器低于第一容器101，所述第一竖管内设置有第一密封气体116，所述第二竖管202内设置有第二密封气体106，所述第一密封气体116在第一竖管201中上下往复运动，所述第二密封气体106在第二竖管202中上下往复运动，所述第一密封气体116与第二密封气体106交替运动将所述第一密封气体116和第二密封气体106上部的来自第二容器102的水提升至第一容器101中。第一密封气体116和第二密封气体106可替换成密度小于水的其他物质。
43.所述密封耐压罐体105通过第三连通管205与第三容器104相连，所述第三容器104通过第四连通管204与第二容器102连接，所述第二竖管202通过第二连通管203与第二容器102的下端连接，所述第一竖管201通过第一连通管207与第二连通管203连接。所述第二容器102与蓄水装置相连，所述第二容器102内液面高度不因连通管内水体体积变化而变化。所述第一竖管201内设置有用以限制第一密封气体116位置的第一限位器313，所述第一竖管201内设置有用以对第一密封气体116进行缓冲的第一弹簧308，所述第二竖管202内设置有用以限制第二密封气体106位置的第二限位器305，所述第二竖管202内设置有用以对第二密封气体106进行缓冲的第二弹簧306。所述第二单向阀302下方设置有第四开闭阀312，所述第二单向阀302与第四开闭阀312间设置有外部加压装置206，所述外部加压装置206内设置有第五单向阀311。所述第一连通管207上设置有第四单向阀303，所述第二连通管203上设置有第三单向阀304和第三开闭阀307。
44.本专利还提供了一种提升水位方法，基于上述装置实现，包括如下步骤：
45.开启第三开闭阀307，使第二容器102的水流充到第一密封气体116和第二密封气体106的上部；
46.关闭第二单向阀302，打开第四开闭阀312，使外部加压装置206内的水流入至第二竖管202内；
47.向外部加压装置206中加水，使第一密封气体116的位置移动到往复范围的最上方；使第二密封气体106的位置移动到往复范围的最下方；
48.关闭第四开闭阀312，然后打开第二单向阀302，使外部加压装置206中高出第一容器101液位位置的多余水体流入第一容器101；
49.打开第四开闭阀312，使水体自第二容器102中分别通过第一竖管201和第二竖管202上部，交替式地被提升至第一容器101中。
50.如图1，u型管路以对称轴左右对称，里面注入一定量水，左侧有一个气泡在水中。气泡的高度是h1，整个管路水体处于在静平衡状态。根据计算得知以下规律：
51.规律1、有气泡一侧水平面高于无气泡一侧的水平面。
52.规律2、两个水平面的高差与气泡的高度相等。
53.如图2、图3所示，u型管路以对称轴左右对称，里面注入一定量水，左右两侧管路水中均有一段气泡，则有以下规律：
54.规律3、若两端管路中气泡上部水体的长度一致，则气泡长度大的一端管路中水平面高度较高，高差是两段气泡的长度差值，遵循规律1。
55.规律4、若两端管路中气泡长度一致，并且其上部水体高度一致，则水位线相平。
56.规律5、若两端管路中气泡长度一致，但其上部水体高度不一致，则水平面相平，气泡的高度位置出现高差，气泡上部水体高度小的一侧气泡相对位置高，高差值与其上部水体高差值一致。
57.根据以上发现，若确保管路存有气体，并保持气体位置始终处于受控状态，便可以利用相关设施来提升水位高度，服务于生产活动。
58.图4、图5是利用以上五个规律，在重力和浮力共同作用下，进行水位提升的试验构造图。进行以下实验并得出结论：管路中密封气泡可以促使其上部水体实现一次水平面抬升，抬升高度值与气泡长度一致。
59.实验过程与步骤：设备准备如图4所示，密封耐压罐体105通过第四连通管204与第二容器102相通。第二竖管202下部插入密封耐压罐体105中，并相连通。第二竖管202与第二容器102相通，并在其中设置一处第一单向阀304，使水体只能自第二容器102流入第二竖管202中。第二竖管202下端设置一处第一开闭阀309，第一开闭阀309上方装入一段第一第二密封气体106，确保第二密封气体106上部的水体不会流到其下部，并不会因受上部水压力出现明显体积变化。确保与密封耐压罐体105接触的管路在接触部位密封；确保第二容器102当中水容量足够多
‑‑
即不因管路内水体体积变化而使水平面出现明显变化，实验中可以及时向第二容器102当中加水来保持其液面高度，以下同。
60.首先关闭第一开闭阀309，向第二容器102注水至图4所示：第二容器102水体流入第二竖管202中，并被第二密封气体106密封在其上方；第二容器102水体经第四连通管204流入密封耐压罐体105中，并淹没第一开闭阀309。水体静止以后，如图4所示，达到静平衡状态，此状态下第二竖管202与第二容器102水平面同高，均在水平面b位置。此时打开第一开闭阀309。第二竖管202中第二密封气体106在浮力作用下，逐渐上升，其顶部在水平面c位置停止上升并保持不动。第二密封气体106上方的水体同时升高，至水平面a保持位置不动，如图5所示。实验结束。
61.图4状态时平衡分析：在第二竖管202中水平面f位置所受压力可以通过其上部水体产生的压力得知，数值为2ρgh1；密封耐压罐体105内部气压值，可以通过第四连通管204及其相连通设备内水体产生的压力得知，数值是3ρgh1；虽然在水平线f位置的第二竖管202内外两侧压力不一致，但由于第一开闭阀309处于关闭状态，水体不能流通，所以整体水系处于静平衡状态。
62.图5状态时平衡分析：在图4状态下打开第一开闭阀309，使得密封耐压罐体105内部水体与第二竖管202连通，导致第二密封气体106上下两端产生压力差ρgh1，方向向上。在此压力差作用下，产生下上运动趋势。迫使其上部水体上升；由于第一单向阀304的制约，导致水体不能流回第二容器102，只能在第二竖管202中持续上升。在上升h1高度后，第二竖管202中水体下端的压强达到3ρgh，与密封耐压罐体105内部压力保持一致，达到新平衡状态。
63.此实验遵循规律1和规律2。同时说明，一段密封气体可以在特定条件下，把其上方的水体提升至与其本身高度相等的高度，实现水位高度的提升。但只能实现一次提升。在此原理下进行设备的改进与完善，可以做到水体的二次以及多次提升。
64.如图6，在图4基础上增设第一竖管201，及与第二竖管202内部一致的相应设置，并在其顶端设置第三单向阀301，设置第一容器101，在其中部设置连通第二容器102的第二连通管203及第四单向阀303、第三开闭阀307。在第一竖管201中部设置第一限位器313和第一弹簧308，限制器安装高度在图5中第一密封气体116能上升的最高处。同样在第二竖管202当中相应位置增设与第一竖管201相一致的设备，并在第一竖管201下端设置限制器310，在第二竖管202下端设置第一开闭阀309。增设密封耐压罐体105，并用第三连通管205连通密封耐压罐体105和第三容器104。所有管路及密闭容器均保持密封并按照图6所示连通。
65.关闭第一开闭阀309，打开第三开闭阀307，自第二容器102注水至图7所示。此时是整体水系保持静平衡状态：管路和容器分别充满水和气体，其中第二密封气体106和第一密封气体116分别处于不同高度，水平面相平，均保持在b处。其中h5是密封气体长度，h3《h5，h6+h7》h5。此时在密封耐压罐体105内部空气受压值是ρg(h4+h5+h6)。第一密封气体116受压值是ρg(h4+h5)。第一弹簧308受压值是不小于ρg(h5)，受压收缩状态。第二密封气体106受压值是ρg(h4+h5)，第二弹簧306处于自由状态。第一开闭阀309在第二竖管202内侧受压值是ρg(h4+h5)、在密封耐压罐体105一侧受压值是ρg(h4+h5+h6+h7)，两侧存在压力差，差值为ρg(h6+h7)，压力方向是沿第二竖管202内部向上。
66.过程一：
67.如图7所示，当打开第一开闭阀309时，第二密封气体106受压上浮，上浮值是h6+h7。因第二密封气体106上浮，导致密封耐压罐体105内部压力值减小，在大气压作用下，第二容器102中水体优先自第一竖管201中补入水量，以维持密封耐压罐体105内部压力不变。同时因第一密封气体116下部水体下降，第一弹簧308伸长。第一竖管201补充的水体量是h6+h7，与第二密封气体106上升高度值一致。并且在上升过程中的每一时刻，分别流进第一竖管201和第二竖管202的水体量都相等，产生的压强值也相等，所以对第二密封气体106上升运动的阻力影响互相抵消，因此第二密封气体106上升的动力大小保持不变。并且第二竖管202中水体在进入第一容器101中后导致第二竖管202中上部水体重量减小，致使第二密封气体106上升速度进一步加快。第二密封气体106上升至接触到第二弹簧306的高度时，第二弹簧306开始受压收缩变形，因第二弹簧306的反作用力，水体流速逐渐减小，最终停止流动，第二单向阀302自动关闭部分水体被提升。如图8所示。
68.此过程中补入第二竖管202中的水优先来自第一竖管201中的原因：第二竖管202下端口水的压强值比密封耐压罐体105中的气压值大。
69.此过程中，因第一单向阀304、第二单向阀302的限制，第二密封气体106上方的水体只能在第二竖管202中上升，最终流入第一容器101中。因第二限位器305和第二弹簧306限定了高度为h5，h6+h7》h5，所以水体提升高度为h5。
70.在过程一水体停止流动以后，各部位水体受压状况分析：
71.如图8所示，此时第二单向阀302自动关闭，第三开闭阀307、第一开闭阀309仍是开启状态。第一密封气体116处于高度线d以下部位，其水平面在高度线b处；而第二密封气体106处于高度线d以上部位，其高度线b处水压为0，即第一竖管201、第二竖管202中水体在高
度线b处的压力值都与大气压相等。
72.密封耐压罐体105内部空气受压值仍是ρg(h4+h5+h6)，没有变化，密封耐压罐体105水体在高度线g处的水压值是ρg(h4+h5+h6+h9)。第二密封气体106上端压强值是ρg(h4)+弹簧施加的压强ρg(h5)。第二弹簧306处于压缩状态，对第二密封气体106存有压力，方向向下。第二密封气体106上下两端压强值相同ρg(h4+h5)。第一密封气体116上端受压值是ρg(h4+h5)，下端受压值是ρg(h4+h5+h6+h9)。第一弹簧308受压值是0。
73.由此可见第一密封气体116的上下两端存在压力差，差值为ρg(h6+h9)，压力方向向上。所以第一竖管201和第二竖管202中水体在过程一结束以后，保持不住静平衡状态、立即返流。
74.过程二：
75.图8、图9所示，因水体返流导致第二单向阀302自动关闭。由于第一密封气体116的上下两端压力差是ρg(h6+h9)，所以第一竖管201中液面上升高度是h6+h9。反流过程与过程一相同，第二弹簧306伸长；水体经第二连通管203、阀门304补充至第二竖管202中；同样，因第三单向阀301、第四单向阀303的存在，使水体只能在第一竖管201中继续上升，并促使部分水体流入第一容器101当中。在第一弹簧308及第一限位器313的减速作用下，第一密封气体116最终停止上升，水流停止流动，第三单向阀301自动关闭，部分水体被提升。过程二结束，如图9。
76.过程二使得水体再次得到同样的提升。
77.与过程一开始之前相对比，过程二结束后系统各部位的位置关系相同：从此次液面可上升的高度量(h6+h9)大于实际上升高度量(h5)对比可知，第一密封气体116和第二密封气体106均回到过程一开始之前的初始位置。第一弹簧308、第二弹簧306恢复到过程一开始之前的状态。即部分水体在经过过程一和过程二的两次提升后，整个系统仍处于过程一开始之前的初始状态。在进一步分析过程二结束时系统各部位的受压情况并对比初始状态，得知：
78.整个系统重复进入过程一、过程二的可能性得到确定。
79.综上所述，所示整个系统的设计，可以满足部分水体自b水平面提升至a水平面。即在本方案的特定条件下可以实现水体在高度方向的多次提升。
80.由于不可避免的摩擦力存在、阀门的自动开启和关闭、及水体流动等均存在一定的阻力，所以整个系统在运行一段时间以后会逐渐停止运行，如图10所示。为了能使整个系统重新启动并运行，在第二竖管202上端加装第四开闭阀312，并连接外部加压装置206和第五单向阀311(使水体可以自外部加压装置206中单向流入第二竖管202中)。在系统停止运行以后，手动关闭第二单向阀302，打开第四开闭阀312，并向外部加压装置206中加水，促使第一密封气体116、106顶端位置均移动到过程一开始之前的初始位置。然后关闭第四开闭阀312、松开第二单向阀302，外部加压装置206中高出水平面a位置的水体流入第一容器101，然后打开第四开闭阀312，整个系统自过程一开始重新运行，如图10所示。
81.通过分析得知：
82.h5值越大，h3就越大，水位提升高度就越高；其比值越大，水流速就越大，摩擦阻力的影响就越小。
83.第一密封气体116、第二密封气体106在实际应用中是有本身物体重量的，所以h5
的计算高度需按照其浮力与其自重的差值计算。
84.以抽水灌溉的情况为例。采用图11方式的组合，手动关闭第二单向阀302，打开第四开闭阀312，并向外部加压装置206中加水，促使第二密封气体116、第一密封气体106顶端位置均移动到过程一开始之前的初始位置。然后关闭第四开闭阀312、松开第二单向阀302，外部加压装置206中高出水平面a位置的水体流入第一容器101，然后打开第四开闭阀312。水体自容器102中分别通过第二竖管202、第一竖管201上部，交替式地被提升至第一容器101中。再从第一容器101中引流之用水处。待系统停止运行后再次重复本次操作过程即可。
85.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。