Гідротаран.
Гідротараном називають насос заснований на явищі гідравлічного удару. Принцип роботи насоса такої.
Вода тече по похилій трубі самопливом і вільно витікає через клапан 1. Якщо різко закрити клапан, то вода, що має кінетичну енергію руху, витратить свою енергію на стиск води і на розширення стінок труби. У початковий момент часу підвищений тиск виникне в кінці труби у клапана 1. Потім зона підвищеного тиску буде поширюватися на початок труби зі скроростью С. Через проміжок часу t, що дорівнює
стрибок ущільнення дійде до початку труби, і вся вода в трубі зупиниться. Починаючи з цього моменту, стисла вода на початку труби розшириться. Адже початок труби відкрито. Тиск знизиться, і до кінця труби, до клапану 1, побіжить стрибок зниженого тиску. Потім ці процеси будуть повторюватися. У трубі виникнуть затухаючі коливання. Ми розглянули процеси в трубі з одним клапаном.
У гідротаране варто клапан 2, який відкривається при підвищенні тиску в трубі і потік рідини по інерції проходить крізь клапан 2 в повітряний акумулятор. Від повітряного акумулятора відходить водопровід, який подає воду в накопичувальну ємність на висоту h2. Тиск в акумуляторі в момент відкриття клапана 2 дорівнює тиску стовпа рідини в водопроводі. Тиск в основній трубі повинно бути більше тиску стовпа рідини в водопроводі. Інакше вода в акумулятор не піде. Стрибок тиску менший за величиною, ніж в розглянутому вище випадку, поширюється до початку труби з тією ж швидкістю С. Потім з кінця труби до клапану 2 побіжить хвиля розрядження. Клапан 2 закривається, клапан 1 відкривається, і вода, розігнавшись в трубі до номінальної швидкості, зачинив клапан 1, і процес повторюється.
Тиск в основній трубі під час гідроудару значно перевищує атмосферний. Тому насос, що використовує явище гідравлічного удару, піднімає воду на значно більшу висоту, ніж перепад висот в основній трубі. Гідротаран має привабливість своєю простотою. Він не потребує підводі електроенергії, В ньому немає обертових частин. Труба з двома клапанами живиться від струмка або покладена на дно річки. Що може бути простіше?
Роль повітряного акумулятора в тому, що вода, проходить через клапан 2 спочатку в ємність розташовану безпосередньо на самій трубі. Без повітряного акумулятора проходу води з труби заважав би нерухомий стовп води в вертикальному водопроводі. На розгін цього стовпа води йшло б час, який зростає із збільшенням висоти підйому, тому продуктивність установки різко б знизилася. Крім того, повітряний дзвін значно згладжує скачки тиску, що дозволяє застосовувати труби з меншою товщиною стінки.
Теорію гідравлічного удару розробив Н.Е, Жуковський, той самий «батько російської авіації», як його назвав В.І. Ленін. Після серії незрозумілих розривів труб на московському водогоні на початку того століття він досліджував цю проблему і вивів розрахункові формули. Насос на принципі гідроудару, був винайдений набагато раніше і широко використовувався через його простоти, але пояснення процесів, що відбуваються і осмислений підхід до проектування подібних пристроїв стали застосовувати після дослідження Жуковського.
Підвищення тиску в трубі одно
# 961 - щільність рідини;
v - швидкість рідини в трубі;
с - швидкість поширення ударної хвилі;
E1 - модуль пружності рідини;
E2 - модуль пружності стінок труби;
D1 - внутрішній діаметр труби;
b - товщина стінок труби.
Модулі пружності різних матеріалів
вода - 2 х 10 9 Н / м 2;
чавун - 1 х 10 11 Н / м 2;
сталь - 2 × 10 11 Н / м 2;
мідь - 1,23 × 10 11 Н / м 2;
алюміній 0,71 х 10 11 Н / м 2;
полістирол 0,032 × 10 11 Н / м 2;
скло 0,7 × 10 11 Н / м 2;
Якщо порахувати значення С для звичайних труб з відношенням діаметра до товщини стінки рівним 12,5, то швидкість поширення ударної хвилі буде наступна
Сталеві труби тисяча триста тридцять три м / с
Алюмінієві труби тисяча двісті двадцять одна м / с
Пластикові труби 476 м / с.
Якщо товщина стінок дуже велика, то С наближається до свого можливого межі 1414 м / с.
Довжина труби в формулу тиску не входить. Довгі труби і короткі труби будуть працювати теоретично однаково. У коротких труб буде лише коротше робочий цикл. На практиці це не зовсім так. Формула тиску виведена в припущенні, що клапан 1 спрацьовує моментально. Якщо запрограмований час клапана обмежена, то тиск наростає поступово в міру закриття клапана. Гранично допустимий час закриття одно 2l / c, тобто часу проходу стрибка тиску до кінця труби і назад. На практиці час закриття клапана має бути значно менше періоду коливань в системі.
Клапана мають якийсь час спрацьовування. У довгій і в короткій трубі час спрацьовування 1 клапана буде однаково. У коротких трубах час спрацьовування становитиме велику частку робочого періоду, ніж в довгих. Через це тиск в коротких трубах буде менше, Тому короткі труби будуть працювати менш продуктивно.
Для побудови компактних, дешевих установок необхідно вирішити проблему швидкодіючих клапанів.
Вимога швидкодії стосується і клапанів повітряного акумулятора. Щоб пропустити воду, клапан 2 повинен піднятися над сідлом. При зниженні тиску він опускається назад і вода, укладена в просторі вертикального ходу клапана, видавлюється з акумулятора вниз в трубу. При коротких трубах час циклу може бути настільки мало, що клапан буде тільки встигати підніматися і опускатися, а надходження води в акумулятора вистачатиме буде зовсім. Тому дешевий простий пластинчастий клапан викликає необхідність в багаторазовому збільшенні довжини труби. Пластинчастий клапан на вході в гідроакумулятор можна використовувати. Тут є над чим подумати винахідникам.
Швидкість течії води в трубі залежить від її нахилу, перетину і діаметра
Для труб діаметром менше 100 мм
Для труб діаметром більше 100 мм
Ось тепер ми вже можемо оцінити наші перспективи. Ухил, який можна отримати від струмка відомий. Його легко поміряти. Ухил річки поміряти складніше. Він дуже маленький. Можна скористатися грубої оцінкою. Припустимо, місце установки насоса має глибину дна 1,1 метра і швидкість потоку 0,4 м / с. Труба у нас буде внутрішнім діаметром 0.12 метра. Еквівалентний діаметр річки приймемо рівним глибині річки. Він більший за діаметр труби в 1,1 / 0,12 = 9,2 рази. Кубічний корінь з 9,2 дорівнює 2,1. Такою сумою раз сповільниться вода в трубі. Швидкість води в трубі буде приблизно 0,2 м / с. Скачок тиску в сталевій трубі буде 266 000 Па, в пластмасовій 95 000 Па. Для підйому на 1 метр висоти необхідно тиск 10 000 Па. З урахуванням неминучих втрат сталева труба забезпечить підйом води десь на 13 метрів, пластмасова - на 5 метрів.
Тут треба зробити зауваження. Ухил, про який ми говоримо, це ухил водної поверхні річки. Якщо ми трубу під водою покладемо клапаном 1 на дно, а початок труби піднімемо до поверхні, то геометричний нахил збільшиться, а гідравлічний - немає.
Швидкість руху води в міру занурення падає незначно і лише у самого дна стрибком зменшується. Тому трубу укладати на дно можна. Дуже великі будуть втрати.
Витрата води, тобто кількість кубометрів води протікає в секунду по трубі одно
Входячи в повітряний акумулятор, вода витрачає частину своєї енгергіі на подолання тиску повітря, яке дорівнює тиску стовпа рідини. Тому швидкість її сповільнюється.
Для розглянутого вище числового прикладу зі сталевою трубою в річці і висотою підйому 13 метрів v1 = 0,084 м / с. Надходження води в акумулятор за один цикл дорівнює
При довжині труби 10 метрів всього 14 грам. Це не дивно, тому що тривалість одного періоду дорівнює 2L / с = 0,015 с. Додатково необхідно якийсь час на відкриття 1 клапана, час, необхідний на прискорення води. Ухил труби h1 / L дуже маленький 0,005, тому прискорення теж буде дуже маленьке і час розгону t = v / 0,005g = 4 секунди. Продуктивність гідротарана буде 3,5 г / с або 302 літра на добу. Кількість води, що пройшло через основну трубу буде в 140 разів більше.
Теоретично бачиться і третій спосіб. Організувати підпір перед входом в трубу на 5 см і скоротити довжину труби в десять разів, до 1 метра. Тоді ухил зросте в 10 разів. Приблизно в стільки ж разів зросла б продуктивність. Але все впирається в швидкодію клапанів. У 10 метрової труби рахунок йшов на соті Секун, в метрової труби рахунок піде - на тисячні.
Розрахунок продуктивності виявив ще одну складність. Тривалість існування підвищеного тиску 0,015 с, а вода рухається в повітряний акумулятор зі швидкістю 0,084 м / с. Отже вода встигне пройти шлях лише 1,3 мм. Ця цифра пояснює невдачі самодельщиков, які намагаються побудувати гідротаран при малих ухилах, малих діаметрах, малих довжинах труб. По-перше, клапан 1 повинен бути жорсткий. Якщо він прогнеться на 1,3 мм, то він забере на себе весь потік і надходження води в акумулятор не буде. Навіть прогин на 0,13 мм означає зниження продуктивності на 10%. По-друге, Якщо клапан 2 підніметься на 1,3 мм, то вийшла кільцева щілина буде в 23 рази менше за площею, ніж перетин труби. Це означає, що вода повинна прискорився в 23 рази, щоб пройти в акумулятор. Енергії на розгін ми витратимо небагато. Всього 1%. Суть тут в іншому. Якщо клапан підвівся на 1,3 мм, то воді нема чого йти в акумулятор, Вода свій шлях зробила. Вода за час гідроудару якраз і проходить шлях 1,3 мм. Тому клапан опуститься на місце, виштовхне в розгінну трубу воду і продуктивність насоса будьте нульова. Сам клапан повинен бути нерухомий і тільки вузенька смужка (рахунок йде на міліметри) по периметру клапана повинна бути гнучка. І сам периметр неполхо б збільшити, збільшивши діаметр клапана або зробивши клапан "багатоповерховим".
Вода, що рухається по трубі, повинна безперешкодно продовжувати рух в повітряний акумулятор. Тому перетин вхідного отвору має дорівнювати перерізу труби. У міру надходження води повітря стискається, тиск його зростає. Якщо тиск повітря перевищить гранично можливий тиск в трубі, то вода в повітряний акумулятор надходити не буде. Тому обсяг повітря повинен бути достатній
Це обчислений об'єм повітря вже стислий стовпом води у водопроводі, а первинний об'єм повітря в сухому гідротаране, тобто ємність повітряного акумулятора над клапаном 2 повинна бути не менше
g - прискорення вільного падіння;
p0 - атмосферний тиск 101000 Па;
# 961 - щільність води.
Водопровідна труба повинна бути достатнього перетину, щоб не обмежувати продуктивність установки. Тиск, необхідне для продавлювання води через трубу одно
Воно повинно складати невелику частину від тиску в основній трубі. Час циклу і масу води, накачувану за цикл, точно не розрахувати. Тому з водопровідною трубою доведеться визначатися після виготовлення гідротатарана і визначення його продуктивності. Власне не обов'язково вимірювати час циклу. Можна виміряти масу води отриману за довільний час. Дріб m / t ц від цього не зміниться.
Ось коротко і все основні співвідношення, які необхідно знати, щоб узгодити характеристики окремих елементів установки. У гідротаране параметри окремих частин повинні відповідати один одному. Тому самодельщики скаржаться на невдачі.
У Своїх доводах Ви абсолютно праві, за деяким винятком.
1. Для отримання мінімального часу спрацьовування, розгінний клапан встановлений під кутом 45 градусів до потоку. Його робочий перетин дійсно має дорівнювати перерізу розгінної труби. Клапан спрацьовує за рахунок гідродинамічної підйомної сили.
2. Робочий клапан акумулятора повинен мати якомога більшу прохідний перетин при мінімальному ході. Такому умові задовольняють клапани нагадують зябра риби.
3. Практика показала, що від довжини розгінної труби багато в чому залежить продуктивність насоса.
4. У тарана є ще недолік - повітря в акумуляторі розчиняється в воді і тому необхідно вживати заходів для його заповнення.
5. Правильно виконаний насос практично не стукає. Необхідно вживати заходів для пом'якшення ударів клапанів про обмежувачі.
6. Вхідний відкритий циклон практично повністю запобігає потраплянню риби в трубу. В не робочому стані в трубах люблять селитися раки, а потім вилітають з труби. Це буває.
7. Дефлектор на розгінний клапані підвищує ефективність роботи тарана навіть на малих ухилах.
8. Наведені Вами параметри абсолютно вірні для класичної схеми тарана, але не є максимальними.
Додам, що думка про розчинення повітря в воді навіть не прийшла в голову. Вирішити її можна гнучкою мембраною або помістивши в повітряний акумулятор надутий великий м'яч.