Просто и удобное устройство для полива речной водой, засаженных чем-либо угодий, было придумано человеком еще в прошлом столетии.
Люди уже веками применяют энергию падающей воды в своих механических изобретениях, а так же и для получения электроэнергии. Непрерывный цикл работы имеется у гидростанций, которые простроены на некоторых крупных реках. Из-за скептических суждений, многие люди полагают, что создание принципиально новых устройств получения энергии от воды уже невозможно.
Со стороны обыкновенного человека, происходящее превращение энергии воды потенциальной в кинетическую, которая необходимо для вращения чего-либо, происходит без непосредственного участия людей. Ведь для такого преобразования достаточно применить природную или же созданную искусственно разницу высот реки. Всем так же предельно ясно, что вода должна направляться именно вниз, по уклону. Понятно и то, что в зависимости от перепада высоты течения будет меняться и сила воды. О применении энергии падающих вод уже давно создана наука – «гидроэнергетика».
Однако, помимо источника бесплатной энергии от падения воды, «матушка» Природа одарила нас очень простым методом изменения трансформации энергии гравитации. Согласно законам физики, аккумулированной гравитационной энергией воды является ее потенциальная энергия. Все знают, что окружающий мир зеркально симметричен и всякие физические явления существуют в двух противоположных друг другу формах. Например, наряду с отрицательно заряженными частицами существуют и положительно заряженные; есть магнитное притяжение и отталкивание. Следовательно, очень вероятно и возможность использования потенциальной энергии воды не только для ускорения при ее падении, но и при поднятии. То есть, при существовании уже известного преобразования энергии, который основан на падении воды, должен быть и другой – никому не известный метод трансформации, который позволил бы без затраты дополнительной энергии поднимать воду. Как обнаружили ученые, путь к получению данного метода преобразования был намечен еще в 1775 году в статье Джозефа Уайтхеста о его новом изобретении, с описанием устройства. Созданный изобретателем еще в 1772 году, прибор давал возможность подъема воды с маленькой на более значительную, без применения дополнительных энергоресурсов, а благодаря «гидравлическому удару» и высвобождающейся от него потенциальной энергии. Однако, изобретение не могло работать полностью в автоматическом режиме и в 1776 году этот недостаток был устранен создателем воздушного шар жителем Франции – Монгольфье. В 1797 году ученый запатентовал на данное изобретение. В этом же году, на очень схожее устройство получил патент англичанин Балтон, затем в 1809 году американские ученые Церни и Халлет получили свой аналогичный потент. В 1834 же году американцем Страубриджом был запущен промышленный образец данного изобретения для массового производства. Получившее впоследствии название «гидравлический таран» все же признается изобретением именно француза Монгольфье.
Работа «гидравлического тарана» состоит в следующем: из питательной емкости(1) вода поступает в открытый ударный клапан(3) через нагнетательную трубу(2) и течет наружу с увеличением скорости. На некоторой скорости воды нагрузка на ударный клапан превосходит силу, которая удерживает клапан в открытом положении (такой силой может выступить сила пружины), заграждает вытекание воды наружу, замыкая его. В результате и получается «гидравлический удар», создаваемый из-за резкой остановки движущейся воды. В нагнетательной трубе(3) и до нагнетательного клапана(5) практически мгновенно возрастает до величины напора(Н) давление воды. Происходит открытие нагнетательного клапана. Некоторую часть скорости вода тратит на создание давления, а с оставшейся течет в воздушный колпак(4) через открытый клапан. Возникающая от клапана(3) волна, двигаясь по трубе(2) возвращается в бак(1), а затем там, отражаясь от спокойной воды, снова двигается в ударный и нагнетательный клапаны. Данных отражений зачастую бывает несколько. В период многочисленных отражений волн, происходит сжатие в воздушном колпаке остающегося объема воздуха до давления напора(Н). В это же время, с сохранением того же давления, вода по отводящему патрубку(6) доставляется на высоту(Н) к пользователю. Через определенный период времени первоначальная скорость воды благодаря таким отражениям полностью обеспечивает поддержание в водопроводе необходимого давления. Затем давление жидкости под клапанами спадает до атмосферного. Благодаря этому завышенное давление воздушного колпака перекрывает нагнетательный клапан, а низкая нагрузка на ударный клапан и устройство открытия открывает данный клапан. После этого весь механизм автоматически приводится в исходное состояние, а процесс может повторяться заново. Как итог, при правильном производстве всех деталей, мы получаем возможность поднятия воды на необходимую высоту(Н) автоматически на протяжении многих лет. Клапаны, которые являются движущимися частями тарана, разрабатываются таким образом, чтобы при повышении давления закрывать ударный и открывать напорный клапаны, а процесс понижения давления действовал бы на них в обратном порядке. Смысл принципа работы изобретения заключается в поднятии некого объема воды(qH) на определенную высоту(Н), за счет энергии находящегося на высоте(h) объема воды(q). Это устройство привлекало своей простотой и необычностью долгое время умы теоретиков и практиков. На протяжении Х|Х века было произведено большое количество теоретических исследований, однако они не давали верных результатов из-за отсутствия знаний в области «гидравлического удара» до окончания 1900 года. Немецкий ученый Эйтелвейн за 1804 год провел почти 1000 опытов, опубликовав большое количество выводов и формул, правда, далеко не все из них были пригодны для проектирования. Хотя существование самого явления «гидравлического удара» было известно еще в восемнадцатом веке, теорию которого впервые разработал русский ученый Николай Жуковский. Проверил и подтвердил свою теорию Жуковский в специальных опытах, которые проводил с 1897 по 1898 годы. В 1898 году в издание «Бюллетени Политехнического общества» впервые опубликовали статьи русского профессора. В 1901 году эту теорию публикует итальянец Алиеви, однако уже применительно к трубопроводам разных силовых установок. Однако эти публикации не нашли всеобщего признания. Ученые и энтузиасты продолжали ставить различные опыты и вычисляли разнообразные формулы, которые не были обобщены между собой. Во многих западных странах «гидравлический таран», как устройство бесплатной перекачки воды на высоту, начали использовать в мелиорации и для разнообразных хозяйственных нужд. Так же присвоили устройству новое имя – «ram-pump». Даже в настоящее время существует много фирм, которые производят и продают «ram-pump», многие из которых при создании своих механизмов применяют собственные же формулы. Во всемирной сети с помощью различных поисковых систем можно отыскать не только фирмы, производящие и продающие «гидравлические тараны», но и в большом количестве различные статьи на эту тематику.
Рисунок 1 – Рисунок и схема работы «гидравлического тарана»
Очень простой, но в тоже самое время и «хитрый» механизм - «ram- pump», совершенно не нуждается в дополнительных источниках энергии и способен поднимать воду на несколько десятков метров. Устройство может целыми месяцами эксплуатироваться без присмотра, не требуя ни регулировки, ни обслуживания.
Работа гидротарана основана на так называемом гидравлическом ударе, то есть резком повышении давления в трубопроводах, когда заслонка резко перекрывает идущий поток воды. Чтобы избежать разрыва трубопровода, который может произойти из-за большого давления, перекрывается поток постепенно кранами и вентилями.
Принцип работы гидротарана представлен на рисунке 1.
Из водоема (1) по подводящему трубопроводу (2) внутрь поступает вода, которая затем вытекает через отбойный клапан (3). Скорость движения потока будет нарастать, будет увеличиваться напор и достигнет величины, которая превысит вес клапана. Из-за этого клапан перекроет движущийся поток, что приведет к увеличению давления в трубе – возникнет гидроудар. Давление, которое выросло, откроет напорный клапан (4) и через него вода начнет поступать в напорный колпак (5), производя сжатие в нем воздуха. Давление постепенно в трубопроводе начинает снижаться, закрывая тем самым напорный клапан, в свою очередь начнет открываться отбойный. Процесс повторится снова. Находящийся под давлением воздух будет гнать по трубе воду в верхнее хранилище (7), находящееся на высоте от 10 до 15 метров.
Первыми создателями гидротарана были изобретатели знаменитого воздушного шара братья Этьен и Жозеф Монгольфье, который был создан в городе Сен-Клу недалеко от Парижа в 1796 году. Саму теорию гидротарана в 1908 году разработал Николай Жуковский, работы которого способствовали модернизации конструкции этого устройства и повышению коэффициента полезного действия.
Схема конструкции гидротарана настолько на столько проста, что данное устройство можно абсолютно спокойно создать самостоятельно, собрав весь механизм из применяемых в водопроводе деталей. Создание деталей, которых не хватает для полноценной работы устройства, затребует незначительного применения токарного и сварочного оборудования.
Рисунок 2 Элементы конструкции гидротарана
Основной деталью устройства (рисунок 2) будет являться тройник, сделанный из стали или чугуна (лучшим вариантом будет применение крестового соединения, с закрытием нижнего заглушкой), имеющий внутреннюю резьбу 1 - 2 дюйма. В тройник вкручиваются переходные ниппеля (2), имеющие длину наружной резьбы в виде сгона. К первому присоединяют трубопровод, который подводит воду и имеющий минимальный диаметр 50 миллиметров и максимальную длину в 20 метров. К другому – присоединяют колено (3) с условием, чтобы далее при установке гидротарана его незанятый торец стоял горизонтально, для последующей монтировки на нем отбойного клапана. На третьем сгоне устанавливают напорный колпак совместно с клапаном. Прежде чем собрать всю конструкцию необходимо резьбовые соединения очистить щеткой по металлу от грязи и ржавчины, а затем обмотать для герметизации паклей.
Напорный колпак (4) можно изготовить из обрезка трубы (металлической или пластмассовой) с диаметром 15-20 сантиметров. Объем напорного колпака должен быть приблизительно равен объему в подводящем трубопроводе. Отверстия трубы закрываются крышкой(5) и переходной закраиной(6) с резиновыми прокладочками(7) и кольцеобразной(7а). Колпак крепят выполненными из стали шпильками(8).
В роли напорного клапана может применяться обратный клапан итальянского водяного насоса фирмы «Бугатти» и немецкого производителя «Ценнер», которые продаются во многих сантехнических магазинах. Так же можно самому сделать клапан-лепесток из обыкновенного кусочка листовой резины или использовать сливной клапан туалетных бачков. Конструкция клапана определяет форму и величину переходного фланца, является ориентиром при выборе места и способа крепления напорной трубы(9). Различные варианты возможной конструкции показаны на рисунке.
Отбойный клапан состоит из корпуса(10а) и заслонки(10б). Корпус вытачивается из стали или бронзы. Сверху проделано отверстие с диаметром от 15 до 20 миллиметров. Полость внутри заканчивается конусом, имеющим приблизительный угол в 45 градусов. Корпус клапана соединяется со сгоном ниппеля(2). Заслонка, выполненная из стали или бронзы в форме усеченного конуса, имеет массу 100-150 грамм и 20-25 миллиметром в диаметре. Для создания гидравлического удара клапан должен мгновенно перекрывать поток воды, а для этих целей верхний конус у заслонки обязан иметь такой же угол, который на полости корпуса. В верхней части имеются центрирующие спицы, которые ввернуты плотно, но без трения с верхним отверстием корпуса. В нижней части ввернут винт. Настраивается гидротаран изменением массы заслонки за счет одевания на винт свинцовых шайб. Чтобы запустить гидротаран, необходимо приподнять заслоночку, чтобы предоставить свободное вытекание воды из отбойного клапана.
Для защиты всего механизма от грязи на гидротаран лучше поставить на впускное отверстие простой фильтр. Для перекрывания воды на зиму рекомендуется оборудовать гидротаран дополнительно заслонкой. Для слития воды из корпуса и колпака в нижнее отверстие вводится спица, которой и открывают напорный клапан. Гидротаран устанавливается как стационарно, так и съемно, однако необходимо предусматривать отводящий канал, текущей воды из отбойного клапана.
С появлением и развитием гидрогазодинамики как науки, уже многие годы люди предпринимают большое количество попыток точного решении гидродинамических уравнений, с помощью которых можно объяснить суть происходящего процесса и найти оптимальные характеристики применения устройств, работающих на принципах этих уравнений. Но ввиду необходимости расчетов численными методами «нестационарного» течения воды в гидротаране, которые требуют большого числа неизвестных данных решения, все попытки ученых оказывались бесполезны. В качестве подтверждения может служить факт выдачи большого числа патентов модернизации гидротарана, которые не затрагивали принцип работы устройства. Однако, в изложении теории гидротарана ученым Чистопольским, вполне просматриваются параметры и факторы, влияющие на работу устройства, а также с помощью которых можно провести всесторонний анализ. Именно теория Чистопольского, многократно подтверждающаяся в практическом применении и не раз дополнялась другими авторами, стала основой доказательства принципа гидродинамической схемы разгона воды и доказательства устройства подъема воды, у которого отсутствие слива воды совершенно не влияет на работу устройства.
Представляем себе закрытую с обеих сторон и соединенную с основанием резервуара, наполненного водой, трубу, которая с одной стороны имеет глухое днище, а стороной, на которой резервуар с водой, с тонкостенной мембраной, которая сдерживает воду. Под определенным давлением воды мембрана рвется, а в трубу устремляется вода, движущаяся с увеличением скорости. При отсутствии в трубе воздуха или при свободном его выдавливании потоком воды, то при попадании воды на дно трубы, или же в сужение трубы на ее конце, так же возникает гидроудар. Как и в гидротаране, при установке на дно трубы клапана, срабатывающего при большом давлении, факт гидроудара станет обеспечивать накачивание воды. «Ударная волна» устремится к водному потоку навстречу при повышенном давлении, будет растягивать за счет избыточного давления стенки трубы и обеспечит проникновение воды сквозь нагнетательный клапан. При отражении «ударной волны» от имеющейся в резервуаре воды она устремится обратно ко дну. Как и в гидротаране, движение «ударной волны» в направлении клапана нагнетания, в промежутке “вход трубы-фронт «ударной волны»” станет наблюдаться падение статического давления. Это движение, которое происходит с повышением и падением давления, будет повторятся многократно до момента, пока уровень жидкости в трубе не израсходует свою кинетическую энергию. За время этого процесса в колпак(4) попадет определенный объем воды. При установке в трубе вместо мембраны открывающегося клапана процесс по своему принципу не изменится.
Рисунок 3 - Новейшая принципиальная схема устройства подъема воды
При установке «обратного» клапана, который будет закрываться со стороны трубы(7), соприкосновение с первоначальной «ударной волной», которая движется на поток жидкости и создает зону с повышенным давлением, клапан будет закрываться из-за разницы давления и перекрывать водный поток. Изучение данной гидродинамической схемы с введением в механизм клапанов, способных к открытию и закрытию, а так же учитывая инертность таких клапанов, продемонстрировало, что создав клапан с определенной конструкцией и при учтенных исходных данных, который сумеет своевременно закрыться и останется таковым, даже при большом давлении в трубе(7), находясь под клапаном нагнетания(5), может привести к условиям полного отсечения водяного потока. После этих действий столб жидкости в трубке(7), при наборе определенной скорости движения, продолжит движение в колпак(4). При этом получится, что сила потока, необходимая для накачки воды в колпак, заменится на эквивалентную силу инерции. Но в отличие от гидротарана, объем воды, попадающий в колпак, обязан вызвать невосполнимую потерю всего объема столба воды, так как клапан(3) будет закрыт. Ввиду этого в трубе(7), со стороны этого клапана, с началом движения отраженной от него новой волны появится разраженная зона, в которой давление близко к нулю. В этой зоне будет располагаться лишь небольшая часть газов, которые растворены в воде.
По результатам закачки жидкости в колпак, величина разности кинетических энергий начала процесса и его конца, преобразуется в потенциальную, которая поступила в колпак воды, как и в гидротаране. В результате, под очень большим давлением, находящимся в колпаке, произойдет запирание нагнетательного клапана. При этом практически отсутствующее давление в трубе(7) при исчезновении водяного столба, если он к этому моменту в трубе вообще еще сохранится, будет обязано высвободить и раскрыть клапан(3), который с другой стороны находится под неподвижным напором жидкости с боку трубы(2). Сквозь приоткрывающийся клапан(3) в трубу(7) снова будет попадать жидкость, имеющая объем за время попадания абсолютно такой же, как и объем в зоне низкого давления, которая в гидрогазодинамике имеет определение – зона «отрыва». Попадающая вода, которая будет смешиваться с уже находящейся в трубе жидкостью, будет иметь параметры, которые определяются законом сохранения импульса и законом сохранения энергии.
{odnaknopka}