【软轴泵】“无能耗水泵”技术的介绍和前景分析


从现在的水利开发现状可以看到，一方面是社会对水利能巨大的需求，另一方面是现有的水利能开发技术在水利能开发中造成的环境破坏和耗资巨大使水利能开发得不偿失。难道没有两全其美的水利能开发技术设备吗？有，“无能耗水泵”的出现，对水利能源开发提供了广阔的前景。下面就是“无能耗水泵”技术的介绍和前景分析。
一、“无能耗水泵”技术简介


以水利能收集转换利用新理论——“香蕉理论”为理论基础所产生的——“微水头能增压实用技术”是一种新兴的水力开发技术。“无能耗水泵”是“微水头能增压实用技术” 应用到具体工作中的产品之一。下面就以“无能耗水泵”为主题介绍一下“香蕉理论”的具体内容、“微水头能增压实用技术”的相关技术、“无能耗水泵”的构造等。它的工作原理是教科书上不曾提及的，但又可以根据教科书理论推导出来。“无能耗水泵”技术应用的主要领域是传统水力开发技术无法开发的微水头能领域（微水头能指落差低于3米的水蕴能），具体指“微水头能水力发电技术”、“微水头能泵水技术”、以及微水头能转换而来的“气体动力传输转换”等。


二、水利能收集转换利用新理论——“香蕉理论”为理论基础所产生的——“微水头能增压实用技术”及其实用产品“无能耗水泵”的遭遇。


以下是该项技术的详细内容：要对水利能收集转换利用新理论——“香蕉理论”为理论基础所产生的——“微水头能增压实用技术”及其实用产品“无能耗水泵”有所了解，就需要了解以下的一些问题（欢迎关注微信公众号：泵管家）。






1、 “水利能收集转换利用”的意义


现有的水力发电技术、水车抽水技术、水锤泵抽水技术等就是水利能收集转换利用技术。没有水利能收集转换利用，工农业发展就会面临能源的紧缺，社会发展将无从谈起。（去年年底，我国燃煤机组发电容量5.82亿千瓦，天然气2100万千瓦，水电1.73亿千瓦，核电900万千瓦，风电800万千瓦。可以看出，水电已占全国电力总装机的21.6%，为经济社会发展提供了大量清洁电力。至2020年底，我国水力发电容量将达3.3亿千瓦左右，核电1亿千瓦左右，风电1.3亿千瓦左右。也就是说10年之后，单是采用传统水利开发技术，水利能资源的开发也将是现在的2倍。）


2、“水利能收集转换利用技术”的现状


（1）、水利能的现状


世界上利用现有的水力技术可开发的水力资源为9．8万亿度／年，平淘只开发利用了13．3％。在工业化国家中，水力资源利用率平均为30．5％，最高的是瑞士98％其次是法国95％，意大利84％。发展中国家拥有的可开发的水能资源占世界65％，而开发利用率仅4％。中国的开发率不到10%。而地球上水力能总的蕴藏量是利用现有的水力技术可开发的水力资源的上成百千倍。


（2）、水利能的优势


水利能收集转换利用技术以其成本低，可再生、无污染，开发潜力巨大等优势成为目前前景最好的新能源。


a、成本低，可再生。相比较于太阳能、风能、温差能等可再生能源，水利能具有能量集中、相对稳定等优势，开发成本较低，使水电占到了中国电能的20%以上


b、无污染、没有化石能源那种二氧化碳的排放，以及水利能在地球上的巨大蕴藏量，使各国政府都在水利能开发新技术上投入数额巨大的研究资金以及开发资金。各种各样的水电站就是很好的例子。


c、开发潜力巨大。海浪潮汐能、河道低落差水利能、平缓的水流能等潜在微水头水利能的蕴藏量大于已经开发的大落差水利能的几十上百倍。


3、水利能收集转换利用技术的应用领域主要有：水力发电、水力抽水、水力直接提供动能等


4、水利能开发技术的现状。


(1)、现有的水力开发技术中，不可避免的流速水头动能的损失有进水口、出水口、叶轮涡流、管道涡流等等，总计损失要达流速水头的几倍到几十倍。


以落差3米，无压管路发电损失流速水头10倍为例计算，则水头最大流速为（2*10*3/10）开平方≈2.45米/秒，此流速下要想达1000转/分，叶轮直径最大2.45*60/1000/3.14≈0.047米。再说，用0.047米直径的管道水力发电达到0.1kw的发电量成本是多少可自己算算。落差3米用有压管路发电，则可以用较小流速水头，但做到一定规模的发电量一般要用直径1米左右的叶轮，转速很慢很慢，只能间接传动，而间接传动的效率很低,并且有一定的技术问题要解决。所以现在的微水头发电效率很低（多在10%以下，最高不超过20%，且投资很大）。为了减小水力发电水头流速动能的损失，现在的发电技术只好让水头流速动能占水力发电水头落差能很小的比例。水头流速太小了，传动方式问题没法解决。既然水头流速不能小，而又满足“水头流速动能占水力发电水头落差能很小的比例”，只好增加落差能来有压管路发电了——这就是为什么大型水力发电要求落差要在40米以上。但是，高落差就需要拦坝截流蓄水，造价高投资大不说，带来的负面效应甚至超过了所带来的效益（中国的三门峡水电站和埃及的阿斯旺大坝就是很好的例子。采用传统水利开发技术的农村小水电，更是反对声不断）。


三门峡位于黄河中游下段的干流上，大坝的主要功能是防洪、防凌、蓄水、供水、发电。库区淹没农田325万亩，移民87万人。1960年三门峡水库使用后，水库由于淤积泥沙造成潼关高程抬高，渭河下游两岸农田受淹没和浸没，土地盐碱化。2003年8月24日至10月5日，渭河流域发生了50多年来最为严重的洪灾。有1080万亩农作物受灾，225万亩农作物绝收。这次洪水造成了多处决口，数十人死亡，515万人口受灾，直接经济损失达23亿元。但是这次渭河洪峰仅相当于三五年一遇的洪水流量，可谓 “小水酿大灾”。 水利部副部长索丽生说：“三门峡水库建成后取得了很大效益，但这是以牺牲库区和渭河流域的利益为代价的。渭河变成悬河，主要责任就是三门峡水库。” 2004年3月5日，在陕西的全国政协委员联名向全国政协十届二次会议提案，建议三门峡水库立即停止蓄水发电，以彻底解决渭河水患。


阿斯旺大坝在开罗以南600英里处的尼罗河，历经10年，大坝建成。大坝水位落差产生的巨大电力也成为埃及迈向现代工业文明的重要动力。 阿斯旺大坝是埃及现代化的起点。30多年来，它为埃及的工农业建设立下了汗马功劳，经济效益极大。但事物总是有利有弊。从建设之初至今，埃及国内对阿斯旺大坝的争论从没停止过，最大的争论点就是阿斯旺大坝对生态环境的影响。 阿斯旺大坝在拦截河水的同时，也截住了河水携带而来的淤泥，下游的耕地失去了这些天然肥料而变得贫瘠，加之沿尼罗河两岸的土壤因缺少河水的冲刷，盐碱化日益严重，可耕地面积逐年减少，因而抵销了因修建大坝而增加的农田。 与此同时，由于没有了淤泥的堆积，自大坝建成后，尼罗河三角洲正在以每年约5毫米的速度下沉。专家估计，如果以这个速度下沉，再过几十年，埃及将损失15％的耕地，1000万人口将不得不背井离乡。 此外，由于纳赛尔湖库区沉淀了大量富含微生物的淤泥，浮游生物大量繁殖，水库及水库下游的尼罗河水水质恶化，以河水为生活用水的居民的健康受到危害。埃及有位学者曾说过：“建造阿斯旺大坝的埃及总统纳赛尔是位伟人，但是拆除阿斯旺大坝的人，要比纳赛尔更伟大。”


三门峡水电站和埃及的阿斯旺大坝自建成后，政府就对他们进行了不遗余力的多次更改，但是它们的负面效应问题就是无法解决，以至于最后不得不考虑将它们拆除——这是高水头有压管路发电所无法克服的问题，有压管路高水头落差发电是否有社会效益成为水力能开发的悬念。


(2)、如今，环保问题越来越多的受到全世界人们的重视，化石能源的二氧化碳的排放，则是环保问题要解决的首要问题之一。水利能无有害气体排放的优势，使它尽管有很多缺点，各国也不得不争相进行水利能开发。那一项水利开发技术能解决以上的水利开发缺点，必将得到全世界的广泛采用。




三、水利能收集转换利用新理论——“香蕉理论”为理论基础所产生的——“微水头能增压实用技术”及其实用产品“无能耗水泵”的问世


1、技术背景


从现在的水利开发现状可以看到，一方面是社会对水利能巨大的需求，另一方面是现有的水利能开发技术在水利能开发中造成的环境破坏和耗资巨大使水利能开发得不偿失。难道没有两全其美的水利能开发技术设备吗？（欢迎关注微信公众号：泵管家）






2、发明内容


在综合分析了以上的水利开发技术的优缺点后，本技术采用教科书上没有的水利能收集转换利用新技术——微水头能增压技术，降低了水利能开发的投资，缩短了工程建设的工期，提高了微水头能开发中的能量利用率，从而达到了可以达到在对环境不改变或改变很小的情况下做到水利能开发的“低投资高效益”运行。其具体技术原理为：紊流水中，水流有自动分离其内的气泡为较小气泡的趋势；气泡有自动融合为较大气泡的趋势。


如果某状态下，水流分离气泡为小气泡的趋势强于气泡融合为大气泡的趋势，气泡体积就处于非平衡状态，气泡将渐次分离为较小气泡。随着气泡体积的减小，“气泡所受到的浮力／气泡与水流之间的摩擦力”的比值会减小到小于1。这时，气泡所受的合力为“气液接触面的摩擦力可使气泡克服所受浮力的影响而随水流运动”；此‘水流——气泡体积’状态下，气泡将随水流运动。此时，如果让某需排气处气体进入水流，则气体被分离为小气泡被水流运走，可达到排气目的。


如果某状态下，水流分离气泡为小气泡的趋势弱于气泡融合为大气泡的趋势，气泡体积就处于非平衡状态，气泡将渐次融合为较大气泡。随着气泡体积的增大，“气泡所受到的浮力／气泡与水流之间的摩擦力 ” 的比值会增大到大于1。这时，气泡所受的合力为“气液接触面的摩擦力不足以克服气泡所受浮力的影响而气泡上浮溢出水流外”；此‘水流——气泡体积’状态下，气泡将上浮溢出水流外。溢出的气体如收集于某需气体处，则气体可利用。


上述排气体、收集气体过程伴有能量的流动和气体气压的变化，能量来自水流。如利用“气体气压的变化”来做功，就是水蕴能转换为气压差能了。再利用气压差能可以管道传输，传程远损耗小；和蒸汽机可以转换气压差能成为机械能的优势，转换气压差能为其它可利用的能源（如下述的“不耗油、电，抽水到高处，或转换为机械能带动发电机发电等”）。


为了对这项原理技术的叙述方便，以下称这项原理技术为“香蕉”方法。


对“香蕉”原理用一句话解释就是：水流内被裹挟的气体随水流状态的变化，可以伴随水流运动或是溢出水流外，这个过程中伴有能量的转换。收集水利能转换得到的气压差能，利用管道传输给蒸汽轮机或是类似转子马达式的气压差动力机，就可以把水利能转换为机械动力能了。水利能转换而来的机械动力能可以进一步利用来作为动力源来使用。比如用来发电、抽水、或直接提供工业用动力等。






4、技术优势


本发明涉及一种将水蕴动能、势能收集并转换为气压差能供进一步利用的装置。现有的水力开发技术中，不可避免的流速水头动能的损失有进水口、出水口、叶轮涡流、管道涡流等等，总计损失要达流速水头的几倍到几十倍。所以现在的微水头能利用效率很低（多在10%以下，最高不超过20%，且投资很大）；而高水头能的利用效率虽然高，但拦坝蓄水的社会负效益太大。风力发电则不同，因为气体密度很小，只有水的近千分之一，一点点压差发电就可把风速动能的做功和浪费的风速头动能忽略不计。


普通的风力发电，只是用的风速的动能，因为自然风力几乎没有压差，单靠风的动能做功，而气体的密度很小，所以风叶的旋转直径都很大。实例计算：截面1平方米，流速20米/秒的风速动能（相当于8级风）1*20*1.3*20*20/2=5200w=5.2kw。也就是说,此时单靠风速动能风力发电，全转换为电能才5.2kw，要想达到1000kw的发电量，风叶的旋转直径就得有15米多。如果是截面1平方米，有0.5个大气压的压差下的流速20米/秒的风速，则压差做功50000*20=1000000w=1000kw。可以看到，二者的面积相差200多倍。）（蒸汽轮机是把热能转换为气压差能，再把气压差能转换为机械动力能的机械，蒸汽轮机把气压差能转换为机械动力能的效率在90%以上。


把水蕴能转换为气压差能发电，不知是技术原因还是理论原因（我个人认为，更多的是想不到二者可组合发电的原因），在国际发电史上还是空白。也有利用水蕴能转换为气压差能利用的先例，如人工喷泉等，但转换率很低且不能连续运作。本发明很高效的完成了水蕴能转换为气压差能，并能连续运转。粗略的试验就可把流速水头能的30%——40%转换为气压差能，精确一些我认为会更高的多（要知道，我的试验用具手工制作，极其不配套，所有数据我都取小不取大）。剩下把气压差能的90%转换为动力机械能是任何蒸汽轮机厂和转子马达场都可做到的。我自行设计的“压差气体发动机”更是可以高效低成本的完成气压差能到机械能的转换。 


香蕉理论微水头能增压装置可说不论水头大小，可转换水蕴能的10%~40%为气压差能，而蒸汽轮机可以把90%的压差能转化为动力电能，也就是说香蕉方法可9%~36%的转换水蕴能为电能，而不是传统方法那种再大投资也不能把微水头能的转换率提高到可利用程度。剩下要解决的问题就是投资和回报问题，而不是微水头能能不能开发的问题。做为一项新技术，社会发展证明，只要技术可行，成本总会下降的。（何况，新闻报道的无能耗水泵，已经让落差0.1米的水头能可有价值开发了。比传统的3米落差才有开发价值的可开发水力发电范围大了多少啊。）






四、技术对比


现在的水利能开发中，可以达到有使用效益的技术是涡轮水力发电技术和水锤泵水利能抽水技术。


1、涡轮水力发电技术如果达到具有水利能开发盈利的目的，要求落差至少要在3米以上，且每千瓦的发电功率投资要在3000元——15000元之间（以每千瓦的发电功率投资5——9千元居多），且拦坝蓄水带来的社会负效益还不计算在投资之内。


而采用“香蕉理论微水头能增压装置”技术开发水利能，因为采用的是纯管道结构收集传输水利能，所以落差达到0.05米就有开发价值。每千瓦的发电功率投资可控制在500元以内，且无需拦坝蓄水，所以对生态环境几乎没有影响。


2、水锤泵水利能抽水技术要求的落差为1.5——7米，且以落差4米为最佳。因为利用水锤技术收集利用水利能，水锤泵制造上对材料强度要求很高，且对安装环境要求高，安装施工挖方动土很多，故除本身制作水锤泵机械本身所需成本外，安装施工的费用要达到水锤泵机械本身所需成本的数倍。（水锤泵六十年代就出现，是目前效率最好的利用水利能抽水的设备。水锤泵以流水为动力，通过机械作用，产生水锤效应，将低水头能转换为高水头能的高级提水装置）。