Пролог
Существует такое остроумное приспособление как гидротаранный насос. Его ещё называют гидроударный насос или hydraulic ram. Это, пожалуй, единственный в технике пример, когда гидроудар приносит пользу, а не вред. Как по мне, дак это довольно удивительно. К слову, не всякий сантехник знает про существование этого гаджета.
В этом тексте я расскажу о своём опыте конструирования экземпляра гидроударного насоса. Итак, танцуем от печки...
Теория
Гидроударный насос это чисто механический прибор, который преобразует кинетическую энергию потока жидкости в потенциальную энергию жидкости. Происходит это благодаря искусственно создаваемым гидроударам.
Этот насос состоит всего из двух клапанов. Сливной клапан и нагнетательный клапан.
Когда вода набирает скорость сливной клапан захлопывается. Кинетическая энергия воды преобразовывается в давление. Давление подскакивает. Создается гидроудар. Высокое давление открывает нагнетательный клапан и вода уходит к потребителю по трубке в линию доставки. Образуется область пониженного давления которая открывает сливной клапан и цикл повторяется заново. Этот процесс является периодическим. Период зависит от жесткости пружины.
В сущности, устройство преобразует низкий напор и высокий расход в высокий напор и низкий расход.
Для оценки силы гидравлического удара есть формула (1)
тут
переменная | Параметр | единицы измерения |
l | длина трубы | м |
v | скорость жидкости | м\с |
t | время закрытия калапана | c |
Тут есть аналогия из электроники. Это повышающие DC-DC преобразователи. Они повышают напряжение за счет уменьшения силы тока.
Практическая часть
Что надо из оборудования?
Если коротко, то нужно два клапана, трубки, фиттигни, штуцеры, пружина и несколько custom made деталей.
Название детали | Назначение | |
T-fitting (Tee) | тройник | для крепления нагнетательного клапана |
threaded elbow | отвод | для крепления сливного клапана |
threaded pipe | труба | для соединения фиттингов |
hose | шланг 30мм | питающая труба |
hose | шланг 10мм | отводящая труба |
Check valve | Обратный клапан 1/2" Unipump 73008 (с пружиной) | сливной клапан |
Check valve | обратный клапан с пружиной 10 мм | нагнетательный |
переходник с трубы 30-10 мм | для крепления нагнетающего клапана | |
Thread seal tape | Лента-фум | для гидроизоляции резьбовых трубных соединений |
Hose clamp | хомуты | для крепления шланга |
-- | штуцер | для крепления шланга к клапану |
Electrical tape | изолента | для починки шлангов |
Bolt | болты M5 | для сборки регулятора жесткости пружины |
Spring | пружина на сжатие | для регулирования коэффициент жесткости заводской пружины |
Nut | гайки M5 | для сборки регулятора жесткости пружины |
Washer | шайбы M5 | для сборки регулятора жесткости пружины |
Вот внешний вид основной сборки. Всё просто за исключением одного момента.
Как это обычно бывает, не всё удалось купить в строительных магазинах. Дело в том, что коэффициент жесткости пружины сливного клапана 73008 не соответствует напору, который образуется в каждом отдельном случае. Вот такие вот порожки с капустой. Понимаете?
Поэтому мне пришлось придумать регулятор жесткости пружины. Выглядит он так. По сути это пружина, которая компенсирует пружину внутри сливного клапана. Жесткость результирующей пружины можно плавно подстраивать обыкновенной плоской отвёрткой, просто меняя высоту установки всей конструкции этого импровизированного регулятора.
Для этого пришлось начертить и изготовить три детали из легированной стали и алюминия: фланец, поршень и мембрану. Без этого для поддержания насоса в рабочем состоянии мне приходилось придерживать поршень клапана рукой, что не очень удобно, так как вода очень холодная. К слову, мембрана специально сделана с отверстиями для жидкости.
А это поршень, который с одной стороны держит пружину, а с другой приклеивается к поршню обратного клапана. Это деталь подвижная. Поэтому я заказал изготовить её из лёгкого алюминия.
Фланец нужен чтобы неподвижно закрепить регулятор жесткости пружины на обратном клапане.
Сам изначальный перепад высот я создал искусственно, просто установив канистру на тумбу высотой 40-50см
Этот насос с лёгкостью смог накачивать воду до уровня глаз с высоты 50см на высоту 170см.
Вот видео-демонстрация работы моего гидротаранного насоса
Достоинства гидроударных насосов
1++ Не нужно электричество или топливо.
2++ Можно накачать жидкость с меньшей высоты на большую высоту.
3++ Для сборки не нужно сварки.
Недостатки гидроударных насосов
1--Низкий коэффициент полезного действия. Много воды выливается впустую.
2--Надо калибровать жесткость пружины для каждого конкретного напора.
3--Надо заводить насос "с толкача". При запуске надо приоткрыть сливной клапан, чтобы позволить воде немного вытечь.
4--Насос издает стучащий звук.
Приложения гидроударных насосов
1--Для орошения местности в окрестностях ручьев, плотин. Для отбора воды из горных ручьёв. Можно поставить несколько подряд идущих гидротаранных насосов. Если ручей обладает медленным течением, то можно сузить ручей и тогда, по закону Бернулли скорость потока увеличится и можно будет применить этот насос.
4--Можно во время дождя отбирать воду от сливных труб от крыш и перекачивать её в водонапорную башню.
2--Из гидроударного насоса можно сделать своеобразный городской фонтан. Давление будет подбрасывать порции воды высоко вверх.
3--Как всякая контр-интуитивная вещь, гидроударный насос может дополнить демонстрации в музеях техники и учебных заведениях, типа московского Экспериментариума.
Итоги
Мне удалось собрать работающий экземпляр гидротаранного насоса. Гидроутаранный насос подчинён воле российского человека! В качестве улучшения можно попробовать установить манометр и оценить скачки давления.
Надеюсь, что этот текст поможет кому-нибудь, кто счастливо живёт рядом с источником постоянно текущей воды сделать свой гидроударный насос для орошения или аккумулирования гравитационного потенциала энергии.
URLs
Гидравлический таранный насос — чудеса физики
Гидротаран Качалыч. Демонстрация
Водяные насосы Гидротаран Рогозина Г.В. https://www.youtube.com/@user-eh5lf6ck8y/featured
https://latex.codecogs.com/eqneditor/editor.php
Я.И Перельман. Знаете ли вы физику?, 1994 г, Екатеринбург, ISNB 5-87799-045-4, страницы 79-81
Гидротаран работа клапанов https://www.youtube.com/watch?v=5WxjD9SAnQA
Hydraulic Ram Pump Build https://www.youtube.com/watch?v=9zC6PuVjB4g
How to build a RAM PUMP https://www.youtube.com/watch?v=enBEMgDR3-A&t=553s
6" Water Ram https://www.youtube.com/watch?v=rvpbnag4NYs
Hydraulic ram pump 8 inches in Cambodia (Video I) https://www.youtube.com/watch?v=5MiLas_FCfQ
Waste Valve Adjustments - Hydraulic Ram Pump https://www.youtube.com/watch?v=4q0uMz35R5Y
Largest Ram Pump in the World https://www.youtube.com/watch?v=pORYUjKoSuA
2" Ram Pump Video 1 https://www.youtube.com/watch?v=_tzg1_Uy_ro
