Гідравлічний таран, зроби сам
Людство століттями використовує силу падаючої води в різних механічних пристроях і, в тому числі, для отримання електричної енергії. Гідростанції, побудовані на деяких річках, безперервно працюю десятки років. Мабуть тому, більшість людей заперечують навіть можливість існування або створення принципово нового енергоджерела «від води».
З обивательської точки зору, перетворення потенційної енергії води в кінетичну (необхідну, щоб щось оберталося), відбувається само собою. Для цього досить використовувати природну різницю висот річки або штучно її створити там, де це можливо. При цьому всім зрозуміло, що вода повинна текти обов'язково вниз, тобто по ухилу. Зрозуміло й те, що сила води залежить від перепаду висот течії. Давно існує ціла наука «гідроенергетика» про використання енергії падаючої води.
Мал. 1. Схема гідравлічного тарану і принцип його роботи
Нескладний і дотепний механізм - гідравлічний таран, не потребуючи в джерелі енергії і не маючи двигуна, піднімає воду на висоту декількох десятків метрів. Він може місяцями безперервно працювати без нагляду, регулювання та обслуговування, забезпечуючи водою невелике селище або ферму.
В основі роботи гідротарана лежить так званий гідравлічний удар - різке підвищення тиску в трубопроводі, коли потік води миттєво перекривається зас ЛОНкой. Сплеск тиску може розірвати стінки труби, і, щоб уникнути цього, крани та вентилі перекривають потік поступово.
Гідравлічний таран працює наступним чином (рис. 1). З водойми 1 вода по трубі 2 надходить всередину пристрою і витікає через відбійний клапан 3. Швидкість. потоку наростає, його натиск збільшується і досягає величини, що перевищує вагу клапана. Клапан миттєво перекриває потік, і тиск в трубопроводі різко по підвищується - виникає гідравлічний удар. Збільшений тиск відкриває напірний клапан 4, через який вода надходить в напірний ковпак 5, стискаючи в ньому повітря. Тиск в трубопроводі падає, напірний клапан закривається, а відбійний - відкривається, і цикл повторюється знову. Стиснутий в ковпаку повітря жене воду по трубі б в верхній резервуар 7 на висоту до 10-15 метрів.
Перший гідравлічний таран побудували в місті Сен-Клу під Парижем брати Жозеф і Етьєн Монгольф'є в 1796 році, через 13 років після свого знаменитого повітряної кулі. Теорію гідравлічного тарану створив в 1908 році Микола Єгорович Жуковський. Його роботи дозволили удосконалити конструкцію цього пристрою і підвищити його ККД.
Гідравлічний таран настільки простий, що його можна без праці виготовити самостійно, майже повністю зібравши з готових деталей, що застосовуються у водопровідних мережах. Відсутні деталі вимагають нескладних токарних і зварювальних робіт.
Мал. 2. Деталі конструкції гідравлічного тарану.
Основним елементом пристрою (рис. 2) служить сталевий або чавунний трійник 1 (а ще краще - крестовое з'єднання, тоді четверте, нижнє, отвір закривають різьбовій заглушкою) з внутрішнім різьбленням 1 1/2 - 2 дюйма. У трійник ввинчивают перехідні ніпеля ( «барила») 2 з довгою зовнішнім різьбленням-зжене. До одного згону під'єднують підвідний трубопровід діаметром не менше 50 мм і довжиною не більше 20 метрів. до другого
- під'єднують коліно (куточок) 3 так, щоб при установці тарана його вільний торець був горизонтальним: на ньому буде змонтований відбійний клапан. На третьому ніпель монтують напірний ковпак з клапаном. Всі з'єднання перед складанням очищають металевою щіткою від бруду та іржі і обмотують клоччям.
Напірний ковпак 4 роблять з відрізка металевої або пластмасової труби діаметром 15-20 сантиметрів. Його обсяг повинен бути приблизно дорівнює обсягу трубопроводу, що підводить. Торці труби закривають кришкою 5 і перехідним фланцем 6 з гумовими прокладками 7 і 7а (кільце). Ковпак стягують сталевими шпильками 8.
Напірним клапаном може служити зворотний клапан, що випускається для водяних насосів італійською фірмою «Бугатті» (з зовнішньою різьбою 1 1/2 дюйма) і німецькою фірмою «Ценнер» (діаметром від 15 до 40 мм) - вони продаються в магазинах сантехнічного обладнання, саморобний клапан -лепесток зі шматка листової гуми або зливний клапан від туалетного бачка. Конструкція клапана визначить розміри і форму перехідного фланця, місце і спосіб кріплення напірної труби 9 діаметром 1/2 дюйма. Варіанти конструкції показані на малюнку.
Відбійний клапан зібраний з двох деталей: корпуса 10а і заслінки 106.Корпус виточують зі сталі або з бронзи. У верхній його частині просвердлити отвір діаметром 15 - 20 мм. Внутрішня порожнина закінчується конусом з кутом близько 45 °. Корпус клапана нагвинчується на зганяння ниппеля 2. Сталева або бронзова заслінка має форму подвійного усіченого конуса діаметром 20-25 мм і масою 100-150 г. Верхній конус заслінки повинен мати той же кут, що й порожнину корпусу: тільки тоді клапан зможе миттєво перекрити потік , створивши гідравлічний удар. У верхню частину заслінки вкручені три центруючі спиці так, щоб вони входили щільно, але без тертя в верхній отвір корпусу. У нижню - ввернуть гвинт. Налаштовують гідравлічний таран, змінюючи масу заслінки.
Для цього на нижній гвинт надягають свинцеві шайби. Для запуску гідротарана досить підняти заслінку, даючи воді вільно витікати через відбійний клапан.
Впускний отвір трубопроводу, що підводить необхідно обладнати простим фільтром, що захищає гідротаран від бруду, і заслінкою, що перекриває воду на зиму. Щоб злити воду з корпусу тарана і ковпака, через нижній отвір вводять спицю, відкриваючи нею напірний клапан. Гідравлічний таран можна встановити стаціонарно або зробити знімним, передбачивши відвідний канал для води, що тече з відбійного клапана.
Уявімо собі приєднану до основи резервуара з водою закриту з двох сторін трубу, у якій з одного боку є глухе дно, а з іншого (там, де резервуар з водою), встановлена стримуюча воду тонкостінна мембрана. При певному тиску води мембрана проривається, і в трубу з резервуара спрямовується потік води з наростаючою швидкістю. Якщо в трубі відсутній повітря (або будь-яким чином вільно витісняється водою), то при досягненні водяним потоком дна труби (або істотного звуження в кінці труби), виникне теж явище «гідравлічного удару».
Так само як в «гідравлічному тарані», при наявності у дна труби відкривається при певному тиску клапана, процес «гідравлічного удару» почне забезпечувати ту ж накачування. «Ударна хвиля» із зоною підвищеного тиску піде назустріч водяному потоку, розтягуючи надлишковим тиском стінки труби і забезпечуючи цим надходження води через нагнітальний клапан. Відбившись від знаходиться в резервуарі води, «ударна хвиля» рушить назад - на дно труби. При русі «ударної хвилі» в бік нагнітального клапана, так само як і в «гідравлічному тарані», в зоні від входу труби до фронту «ударної хвилі» буде спостерігатися зниження статичного тиску.
Такий рух (з періодичним збільшенням і зниженням тиску) багаторазово повториться доти, поки стовп води в трубі, що не вичерпає свою кінетичну енергію. При цьому за певний час в ковпак 4 надійде певна кількість води. Такий же процес буде відбуватися, якщо замість мембрани на вході в трубу встановити, як це показано на Рис.2 відкривається клапан 3.
(Рис.2) Принципова схема нового водопідіймального пристрої
Однак якщо цей клапан зробити «зворотним» (тобто закривається з боку труби 7), при зіткненні з першої «ударною хвилею», що рухається
назустріч потоку води і створює за собою зону підвищеного тиску, він отримає тенденцію закритися (від дії різниці тиску). При цьому почне перекривати протікає через нього водяний потік. Наше дослідження такої гідродинамічної схеми, введення в теорію механізму відкриття і закриття клапанів з урахуванням їх інерційності, показує, що при певній конструкція клапана 3 і певних вихідних параметрах, клапан встигне не тільки закритися
від першої хвилі, але залишиться закритим, поки діє надлишковий тиск в трубі 7 під нагнітальним клапаном 5. В результаті, можуть створитися умови, коли клапан на деякий час повністю відсіче водяний потік. При цьому відсічений стовп води в трубі 7, набравши певну швидкість, зобов'язаний продовжити свій рух в ковпак 4 вже по інерції. Таким чином, сила напору для закачування води в ковпак може бути замінена еквівалентною силою інерції. Однак на відміну від
«Гідравлічного тарану», кожна порція води, закаченная в ковпак, повинна викликати непоправні втрати маси всього стовпа води (оскільки клапан 3 закритий). Внаслідок цього в трубі 7, з боку закритого клапана 3, з моменту початку руху першої відбитої від нього «ударної хвилі», повинна з'явитися зона розрядження з тиском близьким до нуля. У ній може знаходитися тільки деяка мала частина розчинених у воді газів.
Отже, в результаті закачування води в ковпак, різниця початкової і кінцевої кінетичної енергії перейде в потенційну енергію надійшла в ковпак води (як і в «гідравлічному тарані»). При цьому надлишковий тиск в ковпаку має замкнути нагнітальний клапан, а майже повна відсутність тиску в трубі 7 при руйнуванні стовпа води (якщо такий ще в трубі залишиться), має відкрити клапан 3, що знаходиться під статичним напором води з боку труби 2. Через відкривається клапан 3 в трубу 7 знову почне надходити вода, обсяг якої за час надходження в точності буде дорівнювати обсягу зони «нульового» тиску або, як прийнято говорити в гідрогазодинаміки, зони «відриву». При цьому параметри води в трубі при змішуванні будуть визначатися відповідними законами збереження енергії та імпульсу.