一种基于空气储能的高楼给排水一体化气媒能量回流系统

摘要

一种基于空气储能的高楼给排水一体化气媒能量回流系统。包括能量收集模块、增扭传动模块和能量回流模块，能量收集模块由气体导出管、下水管道和水斗式水轮机组成，增扭传动模块包括减速器和曲柄连杆机构，减速器的动力输入齿轮与水斗式水轮机同轴，减速器的动力输出齿轮安装在曲柄连杆机构的曲柄轴上；能量输出模块包括活塞、气筒、气体暂存罐和二次供水压力罐，活塞连接在曲柄轴的端部，气筒的气体出口单向连通至气体暂存罐后单向连通至二次供水压力罐再单向连通至气体导出管。本发明将高楼废水的势能收集，以高压气体势能的形式在储气装置中存储，并用于现有居民区二次供水系统，以实现供水能量部分回流辅助供水，减少高楼供水的能量消耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种流体驱动的能量回收装置，尤其是一种基于空气储能的高楼给排水一体化气媒能量回流系统。

背景技术

进入21世纪以来，能源和环境对人类生活、社会发展的影响越来越大。而居民住宅日趋高楼化，这对人民日常生活中的必需品：自来水提出了更高的要求。一方面过高的楼层使绝大多数居民小区建设了二次供水系统，以满足供水的水压要求；另一方面用于将自来水供至高楼的能量也大大增加。相应的，居民的废水排放所伴随的能量流失更加严重。

针对这部分能量，当前的相关研究集中在将废水动能向电能的转化：

如下水管道发电装置系统，首先对废水进行暂存然后再集中发电，通过在下水管道上设置储水箱对废水暂存，当储水箱中的废水达到一定量时集中释放，使得发电装置可进行连续发电，从而将生活废水的重力势能转化为了电能。还有，一种基于建筑排水管道的发电装置，利用管道中排下的雨水或家庭废水，经蓄能后通过重力开关释放，冲击水轮机发电，达到势能转变为电能的目的。再者，现有一种采用管道发电机等装置，利用输水管道中的水能来带动发电机运转发电实现对水能的应用。张立等的高楼废水势能回收发电系统发明专利，包括回收管道、引水渠、水力发电装置和下水管道，所述回收管道安装于各楼层，回收管道的一端连通后连接引水渠，引水渠的出口端连接下水管道，在所述引水渠和下水管道之间的流道内安装有水力发电装置，实现发电的目的。但是，上述能量在向电能转化过程中损耗大，而且收集的电能存在存储难度大、再利用效率低等问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种基于空气储能的高楼给排水一体化气媒能量回流系统，该系统收集的能量全程保持机械能的状态，未经形式转化，利用效率较高；且能量取自排水，用于供水，可以缓解供水能耗压力；能量始终在内部流通，可实时使用，可短期储存，无需长途输运，损耗率低，能够有效降低供水能耗；可以减轻二次供水系统电机负担，优化电机选型。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括能量收集模块、增扭传动模块和能量回流模块；所述的能量收集模块由气体导出管、下水管道和水斗式水轮机组成，在下水管道的下部侧方预置有切口以供水斗式水轮机的叶轮探入，气体导出管的出气口正对水斗式水轮机的叶轮进行驱动；所述的增扭传动模块包括减速器和曲柄连杆机构；减速器包括输入轴、前级小齿轮、前级大齿轮、中间轴、后级小齿轮、后级大齿轮，前级小齿轮与水斗式水轮机共同安装在输入轴上，前级小齿轮与前级大齿轮相啮合，前级大齿轮与后级小齿轮共同安装在中间轴上，后级小齿与后级大齿轮啮合；曲柄连杆机构包括曲柄轴、曲柄和连杆，后级大齿轮安装在曲柄轴上；所述的能量输出模块包括活塞、气筒、气体暂存罐和二次供水压力罐，活塞安装在连杆的端部，活塞设置在气筒内部并与气筒采用过渡配合，气筒上开有一个气体进口和一个气体出口，气体进口和气体出口处皆装有单向阀，气筒的气体进口通向外界，气体暂存罐以气体导管连通至气筒的气体出口；二次供水压力罐通过气体导管连通至气体暂存罐，在二次供水压力罐与气体暂存罐之间安装单向阀，此单向阀导通方向指向二次供水压力罐，气体暂存罐又与气体导出管的进气口连通，在气体暂存罐与气体导出管的进气口之间设置单向阀，该单向阀导通方向指向气体导出管。

相比现有技术，本发明的一种基于空气储能的高楼给排水一体化气媒能量回流系统，通过增扭传动模块实现减速增扭和能量传递的功能，增扭传动模块中能量向气体中的传递是靠一个水平放置、与曲柄轴等高放置的活塞和气筒实现的，活塞的往返运动使空气的压力上升从而具备较高的势能，并单向传递到能量回流模块。能量回流模块的二次供水压力罐应用了空气储能技术，以高压空气蓄能进行供水水压的维持，从而收集的能量能直接用于供水系统，可见，本发明的能量回流过程，无需对废水进行暂存，系统收集的能量全程保持机械能的状态，未经形式转化，利用效率较高；且能量取自排水，用于供水，缓解了供水能耗压力，能量始终在内部流通，可实时使用也可短期储存，不经长途输运，损耗率低，有效降低供水能耗，减轻二次供水系统电机负担，优化了电机选型。

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是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是本发明一个实施例的传动原理图。

图中，1、气体导出管，2、下水管道，3、水斗式水轮机，4、输入轴，5、中间轴，6、前级大齿轮，7、前级小齿轮，8、棘轮机构，9、后级大齿轮，10、曲柄轴，11、曲柄，12、连杆，13、活塞，14、气筒，15、气体暂存罐，16、二次供水压力罐，17、后级小齿轮。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1和图2示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图中的一种基于空气储能的高楼给排水一体化气媒能量回流系统，包括能量收集模块、增扭传动模块和能量回流模块；所述能量收集模块由气体导出管1、下水管道2和水斗式水轮机3组成，水斗式水轮机3安装在下水管道2的下方并探入下水管道2内，气体导出管1也以驱动水斗式水轮机3的方位安装；所述增扭传动模块包括减速器和曲柄连杆机构，减速器的动力输入齿轮与水斗式水轮机3同轴安装，减速器的动力输出齿轮与安装在曲柄连杆机构的曲柄轴10上；所述能量输出模块包括活塞13、气筒14、气体暂存罐15和二次供水压力罐16，活塞13连接在曲柄连杆机构的连杆12的端部并安装在气筒14内部，气筒14上设有气体进口和气体出口，气体出口单向连通至气体暂存罐15，气体暂存罐15又单向连通至二次供水压力罐16，二次供水压力罐16再单向连通至气体导出管1。由于二次供水压力罐16中本就应用了空气储能技术，以高压空气蓄能进行供水水压的维持，以减少水泵的工作时间，故以本方法收集的能量能直接用于供水系统，进一步减少水泵的工作时间和开动次数，降低水泵电机的工作压力，优化选型，延长寿命，降低能耗。

具体地，在所述能量收集模块的下水管道2的下部侧方预置有切口以供水斗式水轮机3的叶轮探入，气体导出管1的出气口正对水斗式水轮机3的叶轮进行驱动。

其中，所述增扭传动模块的减速器包括输入轴4、前级小齿轮7、前级大齿轮6、中间轴5、后级小齿轮17、后级大齿轮9，前级小齿轮7与水斗式水轮机3共同安装在输入轴4上，前级小齿轮7与前级大齿轮6相啮合，前级大齿轮6与后级小齿轮17共同安装在中间轴5上，后级小齿与后级大齿轮9啮合；曲柄连杆机构包括曲柄轴10、曲柄11和连杆12，连杆12铰接在曲柄11的上端部，后级大齿轮9安装在曲柄轴10上，活塞13的运动路线为一直线，与曲柄的装置位置等高。

实施例中，所述能量输出模块的活塞13在气筒14内部与之采用过渡配合，气筒14上开有一个气体进口和一个气体出口，气体进口和气体出口处皆装有单向阀，气筒14的气体进口通向外界，气体暂存罐15以气体导管连通至气筒14的气体出口；二次供水压力罐16通过气体导管连通至气体暂存罐15，在二次供水压力罐16与气体暂存罐15之间安装单向阀，此单向阀导通方向指向二次供水压力罐16，气体暂存罐15又与气体导出管1的进气口连通，在气体暂存罐15与气体导出管1的进气口之间设置单向阀，该单向阀导通方向指向气体导出管1。气体流通的方向由单向阀控制，气筒14中的气体靠对内导通的单向阀(即气体进口处的单向阀)补充，而单向导通向能量回流模块的单向阀确(及气体出口处的单向阀)保气体不会回流。

若单向阀无法控制气体倒流时，作为本实施例的优选设计方案，构成所述增扭传动模块的减速器还包括一个棘轮机构8，该棘轮机构8安装在中间轴5上，并与前级大齿轮6与后级小齿轮17保持同步运动。增扭传动模块的棘轮机构8会锁住增扭传动模块，制止倒转。

本发明的能量回流原理：利用空气作为媒介，采集排水动能作为动力驱动活塞13运动，具体是下水管道2中的废水冲击水斗式水轮机3旋转，动力经减速器传递至活塞13，进而活塞13对气筒14内气体加压，使能量以气体势能的形式暂存于气体暂存罐15；当二次供水压力罐16压低于气体暂存罐15时，能量以高压气体的形式回到供水系统，辅助供水；在二次供水压力罐16中气体量明显上升时，气体导出管1将多余气体导出，驱动水斗式水轮机3的叶轮，二次回收气体能量，并对本系统产生清洁作用。

本发明的系统运行过程：

1)居民用水，二次供水压力罐16气压降低，废水排放，废水从下水管道2中冲击水斗式水轮机3的叶轮，驱动能量收集模块；

2)增扭传动模块随之运动，通过曲柄连杆机构与减速器的运作将水轮的单向旋转转化为平稳的往复直线运动；

3)活塞13压缩气筒14内空气，将气体压入气体暂存罐15中暂存，最后统一将高压气体压入高楼供水所用的二次供水压力罐16中，协助现行供水系统进行高楼给水，从而减少外界能量输入；

4)能量回流模块在残余高压气体与增扭传动模块的带动下回复至初始阶段，进入下一个工作循环周期；

5)整体系统多次运转，二次供水压力罐16中的气体积聚，压力达到一定值时，通过电磁装置控制排气装置，将多余气体通过气体导出管1排出，并作用在水斗式水轮机3的叶轮上，实现能量的二次利用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所作出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。