Гидравлический таран , таран-насос или гидрам — это циклический водяной насос , работающий на гидроэнергии . Он всасывает воду с одним « гидравлическим напором » (давлением) и расходом, а выводит воду с более высоким гидравлическим напором и более низким расходом. Устройство использует эффект гидравлического удара для создания давления, которое позволяет поднять часть входной воды, которая питает насос , в точку выше, чем та, где вода изначально начала подниматься. Гидравлический таран иногда используется в отдаленных районах, где есть как источник гидроэнергии с низким напором , так и необходимость перекачивания воды в пункт назначения, расположенный выше источника. В этой ситуации таран часто полезен, так как ему не требуется внешний источник энергии, кроме кинетической энергии текущей воды.
Альгамбра , построенная Насридом Султаном Ибн аль-Ахмаром из Гранады в 1238 году, использовала гидрам для подъема воды. Через первый резервуар, заполненный каналом из реки Дарро , вода стекала через большой вертикальный канал во второй резервуар ниже, создавая водоворот, который , в свою очередь, толкал воду через гораздо меньшую трубу на шесть метров, в то время как большая часть воды стекала во вторую, немного большую трубу. [1]
В 1772 году Джон Уайтхерст из Чешира , Англия , изобрел управляемый вручную предшественник гидравлического тарана, названный «пульсационный двигатель», и установил первый в Оултоне, Чешир, чтобы поднять воду на высоту 4,9 метра (16 футов). [2] [3] В 1783 году он установил еще один в Ирландии . Он не запатентовал его, и подробности неясны, но известно, что он имел воздушный сосуд.
Первый самодействующий поршневой насос был изобретен французом Жозефом Мишелем Монгольфье (наиболее известным как соавтор воздушного шара ) в 1796 году для подъема воды на его бумажной фабрике в Вуароне . [4] Его друг Мэтью Болтон получил британский патент от его имени в 1797 году. [5] Сыновья Монгольфье получили британский патент на улучшенную версию в 1816 году, [6] и он был приобретен, вместе с конструкцией Уайтхерста, в 1820 году Джозайей Истоном, инженером, родившимся в Сомерсете , который только что переехал в Лондон.
Фирма Истона, унаследованная его сыном Джеймсом (1796–1871), выросла в девятнадцатом веке и стала одним из важнейших производителей машиностроения в Англии с крупным заводом в Эрите , Кент . Они специализировались на системах водоснабжения и канализации по всему миру, а также на проектах по осушению земель . У Истона был хороший бизнес, он поставлял таранов для водоснабжения больших загородных домов , ферм и деревенских общин. Некоторые из их установок все еще сохранились по состоянию на 2004 год, одним из таких примеров является деревня Толлер Велме в Дорсете . Примерно до 1958 года, когда появилась водопроводная вода, в деревне Ист-Дандри к югу от Бристоля было три рабочих тарана — их шумный «стук» каждую минуту или около того разносился по долине днем и ночью: эти тараны обслуживали фермы, которым требовалось много воды для их молочного стада.
Фирма закрылась в 1909 году, но бизнес по производству таранов продолжил Джеймс Р. Истон. В 1929 году ее приобрела компания Green & Carter [7] из Винчестера , Хэмпшир , которая занималась производством и установкой таранов Vulcan и Vacher.
Первый патент США был выдан Жозефу Серно (или Кюрно) и Стивену (Этьену) С. Халлету (1755-1825) в 1809 году. [8] [9] Интерес США к гидравлическим таранам возрос около 1840 года, поскольку были выданы новые патенты, и отечественные компании начали предлагать таранам на продажу. К концу 19-го века интерес угас, поскольку электричество и электрические насосы стали широко доступны.
Гидравлический таран Пристли , построенный в 1890 году в Айдахо, был «чудесным» изобретением, по-видимому, независимым, которое поднимало воду на 110 футов (34 м) для обеспечения орошения. Таран сохранился и занесен в Национальный реестр исторических мест США . [10] [11]
К концу двадцатого века интерес к гидравлическим таранам возродился из-за потребностей в устойчивых технологиях в развивающихся странах и энергосбережения в развитых. Примером может служить Aid Foundation International на Филиппинах , который выиграл премию Эшдена за свою работу по разработке насосов для таранов, которые можно было бы легко обслуживать для использования в отдаленных деревнях. [12] Принцип гидравлического таранов использовался в некоторых предложениях по использованию энергии волн , одно из которых обсуждалось еще в 1931 году Гансом Гюнтером в его книге In hundert Jahren . [13]
Некоторые более поздние конструкции таранов в Великобритании, называемые составными таранами, были разработаны для перекачивания очищенной воды с использованием неочищенного источника приводной воды, что позволяет преодолеть некоторые проблемы, связанные с получением питьевой воды из открытого ручья. [14]
В 1996 году английский инженер Фредерик Филипп Селвин запатентовал более компактный гидравлический поршневой насос, в котором сбросной клапан использовал эффект Вентури и был расположен концентрически вокруг входной трубы. [15] Первоначально запатентованный как усилитель давления жидкости из-за своей другой конструкции, в настоящее время он продается как «Papa Pump». [16] В дополнение к этому также производится крупногабаритная версия под названием «Venturo Pump» [17] .
Традиционный гидравлический таран имеет только две подвижные части: подпружиненный или нагруженный грузом «сбросной» клапан, иногда называемый «клак-клапаном», и «нагнетательный» обратный клапан , что делает его недорогим в изготовлении, простым в обслуживании и очень надежным.
Гидравлический таран Пристли , подробно описанный в Британской энциклопедии 1947 года , не имеет движущихся частей. [10]
Упрощенный гидравлический таран показан на рисунке 2. Первоначально сливной клапан [4] открыт (т. е. опущен) из-за собственного веса, а нагнетательный клапан [5] закрыт под давлением, вызванным столбом воды из выпускного отверстия [3]. Вода во впускной трубе [1] начинает течь под действием силы тяжести и набирает скорость и кинетическую энергию, пока увеличивающаяся сила сопротивления не поднимет вес сливного клапана и не закроет его. Импульс потока воды во впускной трубе против теперь закрытого сливного клапана вызывает гидравлический удар , который повышает давление в насосе сверх давления, вызванного столбом воды, давящим вниз из выпускного отверстия. Этот перепад давления теперь открывает нагнетательный клапан [5] и заставляет часть воды течь в нагнетательную трубу [3]. Поскольку эта вода нагнетается вверх по нагнетательной трубе дальше, чем она падает вниз от источника, поток замедляется; когда поток меняет направление, обратный клапан подачи [5] закрывается. Между тем, гидравлический удар от закрытия сливного клапана также создает импульс давления, который распространяется обратно вверх по впускной трубе [18] к источнику, где он преобразуется в всасывающий импульс, который распространяется обратно вниз по впускной трубе. [19] Этот всасывающий импульс под действием груза или пружины на клапане снова открывает сливной клапан и позволяет процессу начаться снова.
Сосуд под давлением [6], содержащий воздух, смягчает гидравлический удар давления, когда сливной клапан закрывается, а также повышает эффективность перекачки, обеспечивая более постоянный поток через нагнетательную трубу. Хотя насос теоретически мог бы работать без него, эффективность резко упала бы, и насос был бы подвержен чрезвычайным нагрузкам, которые могли бы значительно сократить его срок службы. Одна из проблем заключается в том, что сжатый воздух будет постепенно растворяться в воде, пока не останется ничего. Одним из решений этой проблемы является отделение воздуха от воды эластичной диафрагмой (похожей на расширительный бак ); однако это решение может быть проблематичным в развивающихся странах, где трудно найти замену. Другое решение — это клапан для вдыхания, установленный близко к приводной стороне нагнетательного клапана. Он автоматически вдыхает небольшое количество воздуха каждый раз, когда нагнетательный клапан закрывается и возникает частичный вакуум. [20] Другое решение — вставить камеру автомобильной или велосипедной шины в сосуд под давлением с некоторым количеством воздуха в ней и закрытым клапаном. Эта трубка по сути то же самое, что и диафрагма, но она реализована из более широко доступных материалов. Воздух в трубке смягчает удары воды так же, как и воздух в других конфигурациях.
Типичная энергоэффективность составляет 60%, но возможно до 80%. Это не следует путать с объемной эффективностью, которая связывает объем поданной воды с общим объемом воды, взятой из источника. Доля воды, доступная в подающей трубе, будет уменьшена на отношение напора подачи к напору подачи. Таким образом, если источник находится на 2 метра (6,6 фута) выше таранной трубы, а вода поднимается на 10 метров (33 фута) выше таранной трубы, то может быть доступно только 20% поданной воды, остальные 80% сбрасываются через сливной клапан. Эти соотношения предполагают 100% энергоэффективности. Фактически поданная вода будет дополнительно уменьшена на коэффициент энергоэффективности. В приведенном выше примере, если энергоэффективность составляет 70%, поданная вода составит 70% от 20%, т. е. 14%. Если предположить соотношение напора подачи к напору подачи 2 к 1 и эффективность 70%, то доставленная вода составит 70% от 50%, т. е. 35%. Очень высокие соотношения подачи к напору подачи обычно приводят к снижению энергоэффективности. Поставщики плунжеров часто предоставляют таблицы с ожидаемыми объемными соотношениями на основе фактических испытаний.
Поскольку и эффективность, и надежная цикличность зависят от эффектов гидравлического удара, конструкция приводной трубы важна. Она должна быть в 3–7 раз длиннее вертикального расстояния между источником и плунжером. Коммерческие плунжеры могут иметь входной фитинг, предназначенный для обеспечения этого оптимального наклона . [21] Диаметр подающей трубы обычно соответствует диаметру входного фитинга на плунжере, который, в свою очередь, основан на его производительности. Приводная труба должна иметь постоянный диаметр и материал и быть как можно более прямой. Там, где необходимы изгибы, они должны быть плавными, с большим диаметром кривых. Допускается даже большая спираль, но следует избегать колен . ПВХ будет работать в некоторых установках, но предпочтительнее стальная труба, хотя она намного дороже. Если используются клапаны, они должны быть типа свободного потока, например шаровой кран или задвижка .
Труба подачи гораздо менее критична, поскольку сосуд под давлением препятствует прохождению по ней эффектов гидравлического удара. Ее общая конструкция будет определяться допустимым падением давления на основе ожидаемого потока. Обычно размер трубы будет примерно в два раза меньше размера трубы подачи, но для очень длинных участков может быть указан больший размер. Труба из ПВХ и любые необходимые клапаны не являются проблемой.
Недавно введенный в эксплуатацию или прекративший циклирование таран должен запускаться автоматически, если вес сливного клапана или давление пружины отрегулированы правильно, но его можно перезапустить следующим образом: [18] Если сливной клапан находится в поднятом (закрытом) положении, его необходимо вручную опустить в открытое положение и отпустить. Если поток достаточный, он затем совершит цикл по крайней мере один раз. Если он не продолжает цикл, его необходимо многократно опускать, пока он не будет непрерывно циклировать сам по себе, обычно после трех или четырех ручных циклов. Если таран останавливается с сливным клапаном в нижнем (открытом) положении, его необходимо поднять вручную и удерживать так долго, сколько необходимо для того, чтобы подающая труба заполнилась водой, а все пузырьки воздуха поднялись по трубе к источнику. Это может занять некоторое время, в зависимости от длины и диаметра подающей трубы. Затем его можно запустить вручную, нажав на него несколько раз, как описано выше. Наличие клапана на подающей трубе на таране облегчает запуск. Закройте клапан, пока таран не начнет цикл, затем постепенно откройте его, чтобы заполнить подающую трубу. Если открыть слишком быстро, цикл остановится. После того, как труба подачи заполнится, клапан можно оставить открытым.
Недостаточная подача воды может быть вызвана неправильной регулировкой сливного клапана, недостаточным количеством воздуха в сосуде под давлением или просто попыткой поднять воду выше уровня, на который способен таран.
Таран может быть поврежден замерзанием зимой или потерей воздуха в сосуде под давлением, что приведет к избыточному напряжению в деталях таранного штока. Эти неисправности потребуют сварки или других методов ремонта и, возможно, замены деталей.
Нередко работающий таран требует периодических перезапусков. Цикл может прекратиться из-за плохой регулировки сливного клапана или недостаточного потока воды в источнике. Воздух может попасть, если уровень подаваемой воды не превышает хотя бы несколько дюймов над входным концом подающей трубы. Другие проблемы — это засорение клапанов мусором или неправильная установка, например, использование подающей трубы неравномерного диаметра или материала, имеющей резкие изгибы или грубую внутреннюю поверхность, или слишком длинной или короткой для перепада или изготовленной из недостаточно жесткого материала. Подающая труба из ПВХ подойдет для некоторых установок, но стальная труба лучше.
Гидравлический таранный насос ... структура параллельна конструкции повышающего преобразователя, что делает его гидравлическим аналогом
Действительно, этот самодействующий насос может многое предложить в параллельном исследовании со своим электрическим собратом.