Челябинские ученые придумали, как качать воду в гору с помощью маятника и гидроудара

Принцип действия гидротарана:

Ниже на рисунке изображена принципиальная схема гидротарана.

• 1. Питающая труба
• 2. Отбойный клапан
• 3. Напорный клапан
• 4. Воздушный колпак
• 5. Напорный трубопровод
• 6. Устройство забора воды

Питающая труба (1) имеет относительно большую длину. Высота уровня воды в месте её забора и в месте установки отбойного клапана должна быть не менее 0,5 м (от перепада напрямую зависит производительность и высота напора).

Гидравлический таран работает следующим образом. При открытом отбойном клапане (2) вода, двигаясь по питающей трубе (1), сливается наружу. При достижении определенной скорости потока, вода подхватывает отбойный клапан (2) и ускоренно перемещает его верх. Клапан (2) резко перекрывает поток воды. Передние слои воды, упираясь в клапан (2), останавливаются, в то время как остальные слои столба воды в питающей трубе (1) по инерции продолжают движение. Вследствие этого, происходит резкое повышение давления в зоне отбойного клапана (2), и весь столб воды в трубе (1) останавливается. Процесс повышения давления в трубе (1) сопровождается упругим сжатием воды. После остановки воды в трубе (1) возникает обратная, отраженная волна давления в сторону устройства забора воды (6), приводящая к понижению давления у отбойного клапана (2), вплоть до разряжения. Отбойный клапан (2) открывается, и процесс повторяется снова. В моменты повышения давления в области отбойного клапана (2) вода через напорный клапан (3) поступает в полость воздушного колпака (4) или, иначе, пневмогидроаккумулятора. Далее вода, практически без пульсации, по напорному трубопроводу (5) поступает к месту назначения.

Описанное явление, когда разогнанный массивный столб воды в длинной питающей трубе (1) ударяет по внезапно закрытому отбойному клапану (2), называют гидравлическим ударом.

Расчёт

Расчёт коэффициента полезного действия гидравлического таранa очень прост, если ограничиться главными обстоятельствами явления. Пусть из пруда вытекает в единицу времени V1{\displaystyle V_{1}} единиц объёма воды и падает с малой высоты h{\displaystyle h}. А поднимаются в резервуар водопровода V2{\displaystyle V_{2}} единиц на большую высоту H{\displaystyle H}. Обозначим η{\displaystyle \eta } коэффициент полезного действия машины. Он равен отношению работы, совершённой машиной к работе падающей воды:

Для определения η{\displaystyle \eta } в разных случаях было сделано много опытов ещё в 1805 г. Эйтельвейном, позднее Мореном и др. Выяснилось, что коэффициент этот тем больше, чем ближе к единице отношение Hh{\displaystyle H:h}. По Эйтельвейну, когда H{\displaystyle H} в 20 раз больше h{\displaystyle h}, η=,2{\displaystyle \eta =0,2}; при H=8h{\displaystyle H=8h} η=,5{\displaystyle \eta =0,5}; при H=3h{\displaystyle H=3h} η=,7{\displaystyle \eta =0,7}. По данным начала XX века, полезное действие больше при больших падениях, чем при малых; так, при малых h{\displaystyle h} η=,4{\displaystyle \eta =0,4}, при средних 0,55, а при больших 0,7. Влияние же отношения высоты падения к высоте подъёма воды признается малым. Поэтому из V1=20{\displaystyle V_{1}=20}(литров) можно рассчитывать, например, поднять 2 л на 7 метров, 1 л на 14 метр, и только пол-литра на 28 м, если при данном H{\displaystyle H} η{\displaystyle \eta } = 0,1 для взятого тарана, труба, приводящая воду, должна быть достаточной длины, чтобы масса заключающейся в ней воды была значительна: по Эйтельвейну, она должна превышать H{\displaystyle H} на число футов, равное отношению H{\displaystyle H} к h{\displaystyle h}, и во всяком случае быть не короче, чем пятикратная высота подъёма, так что при коротких расстояниях её приходится намеренно изгибать. Диаметр клапана б должен быть равен диаметру приводной трубы, а этот последний в футах равен 260(V1+V2){\displaystyle 2{\sqrt {60(V_{1}+V_{2})}}}, где V1{\displaystyle V_{1}} и V2{\displaystyle V_{2}} даны в кубических футах. Объём колпака г делают равным объёму приводной трубы. Оба клапана должны быть как можно ближе один к другому. В настоящее время гидравлический таран употребляется довольно часто для поднятия небольшого количества воды для хозяйственных целей.

Изменение давления определяется по формуле Жуковского:
Δp=ρ(v−v1)v{\displaystyle \Delta p=\rho (v_{0}-v_{1})v},

где ρ — плотность жидкости, v{\displaystyle v_{0}} и v1{\displaystyle v_{1}} — средние скорости воды до и после закрытия клапана, v — скорость распространения ударной волны в жидкости. Эту скорость можно рассчитать по формуле:

v=1ρβ+DρEd,{\displaystyle v={\frac {1}{\sqrt {\rho \beta +{\frac {D\rho }{Ed}}}}},},

где E — модуль упругости стены, β{\displaystyle \beta } — сжимаемость жидкости, d — толщина стен трубы, а D — её диаметр.

Коэффициенты упругости различных материалов:

• вода — 2⋅109 Н/м²;
• чугун — 100⋅109 Н/м²;
• сталь — 200⋅109 Н/м²;
• медь — 123⋅109 Н/м²;
• алюминий — 71⋅109 Н/м²;
• полистирол — 3,2⋅109 Н/м²;
• стекло — 70⋅109 Н/м²;

Предел значения V равен 1414 м/с (скорость звука в воде).

КПД гидротаранного насоса зависит от отношения H/h, где h — высота попадающей в резервуар А воды, а H — требуемая высота поднятия.

Применение резервуарного гидротаранного электрогенератора:

1. Как индивидуальная миниэлектростанция одного индивидуального дома или коттеджа и как источник экологически чистой электроэнергии для электроавтомобиля, городского электробуса, дирижабля, самолета, подводного аппарата, надводного судна при малом диаметре D.

2. В виде электростанции для электроснабжения жилого дома при достаточно большом диаметре D.

См. также:

https://yandex.ru/patents/doc/RU2007111256A_20081010 ; https://yandex.ru/patents/doc/RU2006106647A_20070927 ; https://yandex.ru/patents/doc/RU2006123570A_20080110 ; https://yandex.ru/patents/doc/RU2005129637A_20060610 ; https://yandex.ru/patents/doc/RU2006120556A_20080220 ; http://easpatents.com/8-20688-gidrotaran-v-gidrotarane.html ; http://easpatents.com/8-19159-gidrotarannyjj-elektrogenerator.html ; http://easpatents.com/5-10732-podvodnyjj-gidravlicheskijj-taran.html.

Примечание: Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

карта сайта

гидротарангидротаран своими рукамигидротаран купитьнасос гидротарангидротаран замкнутого циклагидротаран своими руками замкнутого циклагидротарана марухинагидротаран в стоячей водегидротаран видеогидротаран чертежгидротаран колодцеустройство гидротаранагидротаран своими руками чертежигидротаранв колодце с водойгидротаран марухина кутьенковагидротаран своими руками видеонасос гидротаран своими рукамигидротаран расчетгидротаран генераторгидротаран качалычгидротаран конструкциягидротараны рфпринцип действия гидротаранагидротаран своими руками замкнутого цикла видеогидротаран сегодня марухина чертежи 2016 годгидротаран купить украинагидротаран без сбросакупить подводный гидротарангидротаран производительностькомплекс гидротарангидротаран мухина прототипгидротаран его характеристикигидротаран в колодце с водой видеоустройство клапанов гидротаранаводяной насос гидротаран без электричестваявление гидротарана

Коэффициент востребованности
7 551

Водяной насос без питания своими руками

Проток мгновенно закроется, произойдет гидроудар. Динамическое давление воды откроет обратные клапаны, вода поступит в воздушный колпак 11 и далее — в сеть потребителя и в гидроаккумулятор 12, а затем — в цилиндр 2. Под действием этого давления поршень начнет движение влево — процесс повторится и будет повторяться автоматически уже без участия пусковой емкости 1, которая пополнится при заполнении цилиндра 2.

Этой машине не нужен слив «лишней» воды, что не только повышает экономичность и удобство эксплуатации, но и делает машину почти универсальной — она может работать на любой реке.

Гидротаранные насосы заводского изготовления

Разумеется, такие простые и надёжные устройства не могли миновать претензий на серийное производство. В настоящий момент их производят как отечественные, так и зарубежные фирмы. Однако из-за своей специфики работы (часть воды сбрасывается через клапан) они имеют довольно узкую область применения — в городском хозяйстве они практически бесполезны, зато незаменимы в отдалённых, неосвоенных районах, экопоселениях и фермерских хозяйствах.

На сегодняшний день в России только одна фирма выпускает эти экологически чистые и эффективные устройства — производственная артель «Урал». Модельный ряд представлен насосами «Качалыч» ГТ-01 (190 у. е.) и ГТ-03 (110 у. е.), а также их разновидностями.

Изготовление насоса своими руками обойдётся несколько дешевле, даже если приобретать все детали. Однако реальная экономия достигается при наличии подручных средств — в этом случае насос будет практически бесплатным, при этом его производительность может быть существенно выше за счёт более объёмного фидера и пропускной способности всей системы.

Любой прибор или устройство на основе действий естественных сил заслуживает пристального внимания и разработки. Игнорируя бесплатную энергию, данную самой природой, мы рискуем внезапно остаться беспомощными в отсутствие бензина и электричества. Перевод подсобного хозяйства на альтернативные источники энергии — залог спокойствия и гармонии с окружающей средой.

Сборка гидротарана: некоторые нюансы

Для удобства работы с гидротаранным насосом на первый обратный клапан стоит установить дополнительный кран, хотя можно обойтись и обычной заглушкой. Пока она закрыта, вода через насос проходить не будет. На фотопримере ниже можно увидеть уже собранную конструкцию, на которой сверху установлен расширитель.

ФОТО: YouTube.comТак выглядит собранный гидротаран

Теперь стоит разобраться, по какому принципу он работает.

Принцип действия гидротаранного насоса

Подача воды в сам гидротаран производится по чёрному шлангу из резервуара. Если требуется забор из реки или озера, необходимо обустроить всё так, чтобы сам насос находился не менее, чем на метр ниже уровня поверхности воды. Если это условие не соблюдено, работать гидротаран не будет.

Поступающая вода проходит через обратный клапан, направленный вверх, попадая в расширитель, который помогает в перекачке. Далее она поступает через запорную арматуру в более тонкий шланг, по которому уже может подняться на более высокий уровень. Подобную систему можно использовать не только для полива, но и для душевой, если вода в реке достаточно чиста. А вот использование стационарного резервуара здесь будет нерентабельным. Часть воды будет вытекать на землю через обратный клапан, направленный вниз.

ФОТО: YouTube.comВода поступает через чёрный шланг на обратный клапан, направленный вверх

Далее можно увидеть верхнюю часть гидротарана и отходящий более тонкий шланг.

ФОТО: YouTube.comВода будет подаваться на более высокий уровень по тонкому шлангу

Первый запуск гидротаранного насоса

Если все необходимые параметры по уровням соблюдены, то при открытии первого обратного клапана (направление вниз) из него толчками начнёт вытекать вода. Именно эта пульсация и позволяет перекачивать жидкость на более высокий уровень. Если гидротаран расположить возле реки или озера, эти излишки будут стекать обратно в водоём.

При необходимости использования подобного насоса для летнего душа стоит продумать отвод воды в сторону. В противном случае вытекающая из клапана и стекающая в реку вода будет поднимать грязь. А мыться под таким душем вряд ли кому понравится.

ФОТО: YouTube.comЕсли вывернуть заглушку первого обратного клапана, гидротаран начнёт работать

Рассмотренный сегодня пример представлен лишь для того, чтобы читателю стал понятен принцип работы гидротарана, поэтому и в качестве водоёма была использована обычная металлическая ёмкость.

ФОТО: YouTube.comЗабор воды гидротараном из подобного резервуара нерентабелен – половина окажется на земле

Как повысить эффективность установки

Производительность устройства напрямую зависит от силы возникающего гидроудара. А она, в свою очередь, определяется рядом факторов. В частности, тем, какие использованы трубы. Их стенки не должны быть эластичными. Иначе объем трубы в месте резкой остановки воды увеличивается, и сила гидроудара снижается.

Если полость, по которой движется жидкость, заполнена воздухом и он не успевает во время выйти, то также не стоит рассчитывать на максимально мощный гидроудар. Задержавшийся воздух выступает в роли амортизатора.

Давление в нем постепенно увеличивается, создается сопротивление движущейся воде, и та замедляет свой ход. Этот принцип оказывается полезным, если нужно защитить от повреждения обычный трубопровод. Но в случае с гидротараном воздух оказывается ненужным препятствием.

И еще два фактора, сдерживающих силу гидравлического удара, – недостаточная скорость движения потока и плавное его перекрытие. Стоит помнить, что при одинаковом расходе воды скорость уменьшается при увеличении диаметра трубы, и наоборот. Как перекрывается движение жидкости, зависит от работы клапана.

Таким образом, мощнейший гидроудар получается при использовании наиболее жесткой и прочной трубы, сильнейшем разгоне потока перед остановкой и резком его перекрытии клапаном. При соблюдении указанных условий гидротаран будет выполнять свое предназначение и обеспечит объект максимально возможным количеством воды.

Плюсы и минусы

Преимущества этого агрегата очевидны:

• Для его функционирования не требуются мускульные усилия. В конструкции нет двигателя, работающего на электричестве или бензине. А значит, отсутствуют дополнительные материальные затраты.
• Простота применения. Насос-гидротаран достаточно установить один раз, и он будет исправно работать без особого присмотра и обслуживания.
• Минимальные условия для приведения в действие такого насоса. Достаточен перепад уровней в несколько десятков сантиметров и небольшой расход воды. Причем она может накапливаться до совершения рабочего цикла. Способностью работать в таких условиях не могут похвастаться другие гидротехнические устройства, такие как турбины, водяные колеса.
• Длительная служба. Ее обеспечивает незамысловатая конструкция с минимумом деталей. Устройство может эксплуатироваться до 20 лет или пока не пересохнет питающий водоток.
• Несложная сборка. Смонтировать конструкцию можно, не обладая специальными навыками. Единственное, составные элементы должны быть высокопрочными.

Но, наряду с полезными качествами, насос этого типа имеет и существенные недостатки. Из-за них предпочтение чаще отдается электрическим и бензиновым аналогам. Минусов в работе гидротарана несколько.

Во-первых, поток, проходящий через нагнетательную трубу, должен иметь хорошую скорость, как минимум метр в секунду. Поэтому обязателен достаточный перепад высот. Значит, с помощью классического гидротарана не получится забирать воду из пруда, озера или реки с очень спокойным течением из-за незначительного уклона местности.

Установленный гидротаран в реке с уклоном

Во-вторых, за время гидравлического удара вода, находящаяся за отбойным клапаном, должна успеть уйти. Нужно, чтобы после открытия «заслонки» ничто не мешало новой порции жидкости как следует разогнаться. Только при высокой скорости потока клапан снова захлопнется и произойдет очередной гидравлический удар.

Если вода останется, разгон воды будет осуществляться гораздо дольше. Это приводит к потере жидкости, которая могла бы оказаться полезной, и снижению производительности установки

Важно, чтобы отбойный клапан располагался на достаточной высоте по сравнению с местом, куда после него стекает вода

В-третьих, устройство гидротарана позволяет добывать воду исключительно за счет энергии потока, но в то же время наблюдаются значительные потери жидкости. Ее гораздо больше уходит, чем поднимается для использования по назначению.

В итоге количество получаемой жидкости может оказаться ничтожным. Для более эффективной работы агрегата необходимо правильно рассчитать длину и диаметр нагнетательной трубы, сечения клапанов и другие параметры. Требуется индивидуальная настройка под условия, в которых будет находиться установка.

В-четвёртых, воздух из колпака может растворяться в воде, нагнетаемой вследствие гидравлического удара. Причиной этому является повышенное давление. Необходима подкачка воздуха, которую технически сложно осуществить. Одно из решений – применение в роли такого колпака мембранного гидроаккумулятора.

В-пятых, принцип гидротарана действует только при больших размерах такого оборудования. Протяженность нагнетательной трубы в 10 и больше метров нужна для того, чтобы обеспечить мощный гидроудар после воздействия на отбойный клапан большой массы воды.

Линейные размеры насоса можно уменьшить, применив спиралевидную трубу, но вес не изменится. Нужно учитывать, что чем больше установка, тем толще стенки ее элементов, а сами детали массивней. Это требуется для обеспечения необходимой прочности конструкции.

Резервуарный гидротаранный электрогенератор:

Резервуарный гидротаранный электрогенератор представляет собой герметичный резервуар с прочным металлическим корпусом цилиндрической формы, в котором размещены «подводный гидротаран» и генератор электрического тока в виде встроенного специального преобразователя электрической энергии.

Подводный гидротаран для обеспечения своей работы не требует какого-либо ископаемого топлива или какой-либо дополнительной подведенной энергии.

Резервуарный гидротаранный электрогенератор работает в вертикальном положении с допустимым отклонением от вертикальной оси, не превышающем 50о.

Резервуарный гидротаранный электрогенератор при использовании специального преобразователя кинетической энергии выходной струи воды в электрическую энергию не содержит каких-либо ломающихся вращающихся и возвратно-поступающих деталей. В связи с этим резервуарный гидротаранный электрогенератор может работать и генерировать экологически чистую электроэнергию в течение не менее 10 лет. Работоспособность резервуарного гидротаранного электрогенератора не зависит от времени суток, климатических и погодных условий, наличия солнца и ветра.

Зависимость выходной мощности генерируемого электрического тока N от диаметра резервуарного гидротаранного электрогенератора D приведена ниже.

S=0,785D2 (m2)

L=5D (m)

N/S = 39800 (KW/m2)

Резервуарный гидротаранный электрогенератор диаметром 200 мм будет иметь мощность генерируемой электроэнергии до 1250 КВт при выходном напряжении 200 – 50 000 вольт, массе не более 230 кг и длине 0,8 м. Резервуарный гидротаранный электрогенератор диаметром 40 мм будет иметь мощность до 50 КВт при массе не более 1,8 кг и длине 200 мм.

История

В 1772 году англичанин Джон Уайтхёрст изобрёл и построил «пульсирующий двигатель», прообраз гидравлического тарана, и спустя три года опубликовал его описание. Устройство Уайтхёрста управлялось вручную. Первый автоматический гидротаранный насос изобрёл знаменитый француз Жозеф-Мишель Монгольфье совместно с Ами Арганом (A. Argand) в 1796 году. В 1797 году при помощи своего друга Мэтью Боултона Монгольфье получил британский патент на своё изобретение. В 1816 году сыновья Монгольфье запатентовали доработанную версию этого насоса.

В США гидротаранный насос впервые запатентовали Серно (J. Cerneau) и Халлет (S.S. Hallet) в 1809 году. В 1834 году американец Строубридж (H. Strawbridge) начал производство гидротаранных насосов.

В 1930 году профессор С. Д. Чистопольский в работе «Гидравлический таран» опубликовал метод теоретического расчёта таких устройств, основанный на теории гидравлического удара, созданной профессором Н. Е. Жуковским в 1897—1898 годах.

Принцип действия

Этот механизм действует при помощи запаса механической работы, содержащегося в воде, текущей по трубе. В оригинальном приборе Монгольфье, устроенном в Сен-Клу, близ Парижа, вода притекает по длинной трубе AB{\displaystyle AB} (рис. 1) из невысоко расположенного пруда и может свободно вытекать через край K{\displaystyle K}, пока клапан V{\displaystyle V} опущен.

Рис. 1. Гидравлический таран Монгольфье

С того момента, как вода, наполняющая AB{\displaystyle AB}, получила возможность течь, работа силы тяжести пойдет на увеличение её скорости до некоторой наибольшей величины, обусловленной высотой h{\displaystyle h} уровня воды в пруде над отверстием K{\displaystyle K}, размерами и свойством (см. ниже) трубы AB{\displaystyle AB}. Вместе с тем будет возрастать и гидравлическое давление воды на нижнюю поверхность клапана V{\displaystyle V}, вес которого так подобран, чтобы он поднялся и закрыл выходное отверстие, как только скорость воды в трубе достигнет своей наибольшей величины. В этот момент гидростатическое давление воды на внутреннюю поверхность трубы AB{\displaystyle AB} и её продолжения CS{\displaystyle CS} станет возрастать, так как движение воды будет замедляться, пока весь запас работы, заключенный в её массе в виде живой силы, не истратится на растяжение этих стенок, на сжатие самой воды и на внутреннее трение. Но часть этих стенок сделана подвижною: в колоколообразном придатке S{\displaystyle S} замкнуто водой некоторое количество воздуха и помещены клапаны W{\displaystyle W}, открывающиеся в колокол R{\displaystyle R}, тоже содержащий воздух над водой и снабженный подъемной трубой DE{\displaystyle DE}. Поэтому после закрытия клапана V{\displaystyle V} живая сила воды начинает сжимать воздух в S{\displaystyle S}, пока не поднимутся клапаны W{\displaystyle W}; тогда вода станет входить в R{\displaystyle R}, частью сжимать находящийся в нём воздух, а частью подниматься по трубе DE{\displaystyle DE} на высоту H{\displaystyle H}. На все это скоро истратится вся живая сила воды, давление в R{\displaystyle R} перевесит давление в S{\displaystyle S}, клапаны W{\displaystyle W} закроются, V{\displaystyle V} откроется, и весь процесс начнется снова. Возрастание давления будет тем больше, чем быстрее захлопывается клапан V{\displaystyle V} и чем неподатливее стенки сосуда, заключающего воду в движении. Такого «гидравлического удара» тщательно стараются избегать при устройстве водопроводов, чтобы не лопались трубы, поэтому Монгольфье и устроил колпак S{\displaystyle S}; упругая податливость воздуха, в нём заключенного, ослабляет силу удара; воздух же в колпаке R{\displaystyle R} служит регулятором для трубы DE{\displaystyle DE} и поддерживает в ней движение воды в тот период, когда клапаны W закрыты. При повышенном давлении в воде растворяется больше воздуха, чем при атмосферном давлении, поэтому количество воздуха в S{\displaystyle S} и R{\displaystyle R} уменьшалось бы во время непрерывной работы. Чтобы пополнять эту убыль, служит клапан H{\displaystyle H}, отворяющийся внутрь: как только клапаны W{\displaystyle W} захлопнутся, упругость воздуха в S{\displaystyle S} заставит воду в CBA{\displaystyle CBA} отхлынуть назад; с приобретенною скоростью она перейдет своё положение равновесия и произведет на очень короткое время под S{\displaystyle S} давление, меньшее атмосферного. В этот момент через H{\displaystyle H} входит немного воздуха.

В продаже существуют готовые типы таран, английские фирмы Дулас, французские Декер и др. При испытании в Парижской консерватории искусств и ремёсел таран, устроенные Декером (Decoeur), дали полезное действие от 0,6 до 0,9. На рисунке 2 видны особенности его устройства: оба клапана расположены один над другим и снабжены пружинами и винтами, чтобы регулировать их натяжение во время самой работы, изменяя число ударов от 40 при падении в 0,3 м до 220 при падении в 2 м; высота подъёма во всех опытах была 9м 15 см.

Рис. 2. Гидравлический таран Декера

При впускании воздуха через боковой клапан, не изображённый на рис. 2, таран работает без шума, но полезное действие и наибольшая возможная высота подъёма уменьшаются. Хорошие результаты действия Таранa настолько зависят от своевременного закрывания выпускного («стопорного») клапана, что для больших машин Персалль (Pearsall) нашёл выгодным устроить для этой цели особую машину, приводимую в движение сжатым воздухом из-под колпака. Такой тип Таранa действует совершенно плавно, дает большой коэффициент полезного действия и может быть устроен в больших размерах. На том же принципе, Персалль устраивает гидравлический Таран для получения струи сжатого воздуха.