Как вода воду поднимает
Какими силами можно поднять воду на значительную высоту? Над этой технической задачей, весьма важной в хозяйственной деятельности, человек ломает голову с древнейших времен. И надо сказать, находит любопытные решения. Вот одно из них — вы видите его на рисунке 1, взятом из книги механика XVI века Агриколы. Так откачивали воду из глубоких шахт. Надеемся, вы разберетесь, что здесь к чему.
| Рис. 1 |  |
А вот еще одно решение (рис. 2). Его предложил в 1797 году механик Монгольфье из французского городка Сен-Клу, что близ Парижа. Данное устройство, названное гидравлическим тараном, способно поднимать воду без каких-либо колес или поршней. Весь список его подвижных деталей ограничивается парой клапанов, практически не подверженных износу.
| Рис. 2 |  |
Дабы лучше понять принцип работы конструкции, советуем проделать такой опыт. Для него потребуется: воронка, шланг и небольшая пробка с отверстием диаметром 3 мм при диаметре шланга миллиметров десять. Соединив воронку со шлангом, налейте в нее воду и попробуйте медленно опускать свободный конец трубки. Постепенно образуется небольшая струйка. Высота ее не превысит уровня воды в воронке. Если же шланг опускать быстро, то в первое же мгновение из отверстия в пробке вылетит фонтанчик воды выше воронки. Оба результата объясняет закон сохранения энергии. В первом случае струйка поднимается вверх за счет энергии, приобретенной водой при падении из воронки. Силы трения не позволяют ей подняться выше уровня, с которого она «упала». При резком же опускании шланга происходит перераспределение энергии между массами воды. Небольшая часть жидкости забирает некоторое количество кинетической энергии у пришедшей в движение основной массы и за счет этого достигает приличной высоты.
Монгольфье, к слову сказать, подобного опыта не проводил, ему оказалось достаточно наблюдений. В одной из водолечебниц применялись краны, подобные самоварным. Но если в самоваре при закрывании крана никаких эксцессов не наблюдается, то в длинных трубах лечебницы при аналогичной операции ощущался резкий удар, водопровод трясло словно в лихорадке. А из щелей плохо установленных уплотнений выбрасывались сильные струйки воды.
Как это часто случается, изобретатель решил обратить вред на пользу, придумав свой гидравлический таран. На рисунке 2 его устройство приведено в разрезе. Действие основано на довольно тонкой игре скоростей и сил. Жидкость поступает из водоема по левой трубе А. Правый клапан И при этом закрыт. Под действием напора воды открывается клапан С и происходит наполнение бачка D до определенного уровня, допускаемого сжатием воздуха. После чего клапан С закрывается под собственным весом.
Для запуска такого подъема рабочий должен быстро надавить на клапан В, из которого тотчас начнет хлестать поток воды. Дальше вмешательство человека не потребуется. Вода сама захлопнет клапан, причем в этот момент давление в трубопроводе значительно возрастет. Жидкость снова откроет клапан С, хлынет в резервуар Д и сильно сожмет воздух под колпаком. Этого давления вполне достаточно для того, чтобы вода поднялась значительно выше уровня водоема.
Гидравлический таран из-за своей простоты не забыт и по сей день. Говорят, что его использовали в некоторых районах Кавказа, где из-за военной обстановки часты перебои с электричеством. А в последнее время гидротараном стали интересоваться изобретатели, совершенствующие бытовую технику. Они предлагают на его основе миниатюрные устройства, повышающие давление воды, вытекающей из крана. Образующаяся при этом тонкая, но мощная струйка облегчает и ускоряет мытье посуды, позволяет делать массаж десен, улучшить чистку зубов.
«А стоит ли возвращаться к столь архаичной технике? — скажет иной читатель. — Не проще ли поставить миниатюрный электрический насос?»
Что же, может быть, и проще. Но электричество опасно, особенно в сочетании с водой. И от греха подальше лучше уж пользоваться чисто гидравлическими устройствами. Да к тому же, быть может, они найдут применение в других областях. Стоит подумать.
Источник
Насосы для питьевой воды: выбираем тип устройства под конкретные нужды
Любое загородное жилище нуждается в системе водоснабжения, а она, в свою очередь, почти никогда не обходится без насоса. Вот почему при отсутствии корпоративного водопровода домовладельцу придется приобретать погружной или поверхностный насос. Но даже при наличии централизованного водоснабжения используют циркуляционный насос в системе ГВС, а для повышения давления воды перед стиральной и посудомоечной машинами — нагнетательный
Варианты водоснабжения частного дома
Напомним, что вариантов водоснабжения частного дома может быть четыре — центральное, централизованное, автономное или комбинированное. В первом случае оно осуществляется круглогодично от городской распределительной магистрали, и вода в ней является питьевой.
Во втором — источником служит корпоративная артезианская скважина с водонапорной башней и разводкой труб по участкам. Ее сооружение и покупка оборудования обойдутся недешево, причем, в соответствии с российским законодательством, потребуется еще согласование проекта в архитектурно-строительном управлении, курирующем данный земельный участок, и обязательно — разрешение на бурение скважины. При оформлении договора с буровой компанией всегда следует уточнить, кому придется заниматься этой процедурой. Как правило, фирмы-старожилы берут ее на себя.
Качество, дебет и уровень воды в артезианской скважине постоянны. Основными проблемами данного варианта водоснабжения корпоративной сети могут стать недостаточный напор в магистрали, нехватка воды в часы пик, частые перебои с подачей и периодическое появление «ржавой» воды. Зато чаще всего вода бывает питьевой, а кроме того, успевает прогреться при поверхностной прокладке труб, поэтому ее можно сразу применять для полива. Но с наступлением холодов такой сезонный водопровод отключают во избежание замерзания в нем воды.
Источники автономного водоснабжения
При третьем варианте водоснабжения — автономном — используют один из двух источников, который придется соорудить на своем участке, — колодец или скважину. Вода из них может быть питьевой или потребуется ее очистка, но в любом случае она будет холодной и для полива подойдет только после предварительного подогрева. Наиболее дешевым источником считается колодец. При утеплении труб такая система сможет работать круглогодично, но вот уровень воды в колодце не всегда стабилен, в особенности с весны по осень. В засуху он может опуститься слишком низко, а весной талая вода подмешивается к колодезной, делая ее мутной и потому непригодной для питья без дополнительной очистки. Тем не менее обычный колодец в условиях средней полосы России при глубине от 7 до 15 м вполне способен обеспечить суточный дебет в 3–4 м³ воды, что достаточно для семьи из 4–5 человек.
Дороже обойдется песчаная скважина из ближнего к поверхности земли водного горизонта, которая может иметь глубину от 8 до 40 м (для Московской области). Но со временем такая скважина заиливается, поэтому срок ее службы ограничен, а вот уровень воды в ней меняется в течение года не так значительно, как в колодце.
Больше всего средств потребуется вложить в бурение артезианской скважины на своем участке. Качество, дебет и уровень воды будут соответствующими, но все расходы, связанные с ее пуском и оформлением, придется нести в одиночку.
Комбинированное водоснабжение позволяет своевременно переключаться с корпоративного источника на собственный (колодец, неглубокая скважина) и обратно, что может осуществляться вручную или автоматически
Погружной или поверхностный?
После создания собственного источника водоснабжения возникает следующая задача — выбор насоса. На этом оборудовании не стоит экономить — ведь оно, по сути, представляет собой сердце автономной системы. Наиболее распространены насосы двух типов — погружные и поверхностные.
Погружной находится в воде источника, а поверхностный — за его пределами. Для работы первого нужен постоянный уровень воды (не меньше метра, иначе он начнет всасывать со дна ил и песок, которые довольно быстро выведут агрегат из строя). Второй может качать воду с глубины от нескольких десятков сантиметров до 7–8 м. Уровень шума у погружного насоса не превышает 22 дБА, что сравнимо с шелестом листвы, а у поверхностного — 45 дБА и более. Это необходимо учитывать, устанавливая поверхностный насос в помещении.
При покупке насоса любого типа нужно обратить внимание на две его основные характеристики: напор, влияющий на высоту подъема воды (измеряется в метрах водного столба, реже в барах), и подачу — литров в минуту или кубометров в час. (Термин «подача», заменивший понятия «расход» или «производительность», введен ГОСТ 17398-72 в редакции 1991 г.) Второй показатель говорит об объеме воды, который насос сможет перекачивать в течение часа от источника ко всем точкам водоразбора, имеющимся в доме и на участке, для их одновременного функционирования. Так, подачи воды должно хватить не только на снабжение дома (кухня, душ, туалет, раковины, бытовые приборы), но также и на полив сада-огорода, работу бани, бассейна, фонтанов и т. д. Эту величину довольно просто подсчитать, и ее с успехом обеспечит как погружной, так и поверхностный насос при условии правильного выбора агрегата.
Если проживание в доме сезонное и источником питьевой воды является колодец, а для полива участка используется пруд, то возможный вариант — дренажный насос, который можно легко перенести, переставить шланг или переключить шланг водозабора с первого на второй источник. Однако у такого насоса при достаточной величине подачи слабый напор, так что его лучше применять для набора воды в емкость — например, из неглубокого колодца в бочку на участке. Для этих же целей подойдет и диафрагменный погружной насос (типа «Малыш» или «Ручеек»). Он дешев, малошумен, но не слишком долговечен и с небольшой подачей. Кроме того, он поднимает со дна песок.
При круглогодичном проживании в коттедже придется организовывать водопроводную систему. Определившись с типом источника, необходимо подобрать насосное оборудование с соответствующей подачей — погружной скважинный насос (при наличии скважины) либо погружной или поверхностный насос (для колодца).
Поверхностный насос
Поверхностные насосы делятся на три группы — с нормальной (1–7 м), увеличенной (7–9 м) и большой глубиной всасывания (9–45 м). Первые способны поднимать воду с указанной глубины без специальных устройств, вторые получили наибольшее распространение из-за увеличения глубины всасывания за счет встроенного в корпус струйного насоса (эжектора). Последняя группа агрегатов предусматривает принудительную циркуляцию воды через внешний эжектор, который опускают в источник. Применение таких насосов не всегда оправданно, поскольку значительная доля энергии идет именно на циркуляцию воды, и их КПД не превышает 30%.
Обычно поверхностный насос служит для подъема воды с глубины до 8 м, но на практике, с учетом горизонтальной части водопровода, эта величина уменьшается до 6–7 м. Глубина измеряется от зеркала воды до поверхности земли. Перед запуском агрегат нужно заполнить водой через специальное заливное отверстие с пробкой для создания непрерывного водного потока, внутри которого действует закон взаимосвязи скорости и давления (закон Бернулли). На входной ветви устанавливают обратный клапан, препятствующий сливу остатков воды назад в колодец, что исключает необходимость повторения этой процедуры при каждом последующем пуске.
При подборе поверхностного насоса следует учесть, что для его воздушного охлаждения должен быть обеспечен свободный доступ воздуха
Теперь о мощности. Обычно хватает порядка 0,6–0,8 кВт, но при удалении агрегата от источника, скажем, на 20 м придется увеличить диаметр трубы всасывающей магистрали, а мощность насоса — до 1 кВт и более.
Большинство производителей выпускают укомплектованные водоподъемные станции на базе самовсасывающих насосов. В комплект обычно входят сам насос, мембранный напорный бак (как правило, емкостью от 24 до 60 л), манометр, реле управления и, реже, устройства защиты, например, от «сухого хода» и перегрева. Реле срабатывает в случае падения давления в системе и автоматически включает насос. Напорный бак обеспечивает снижение частоты циклов включения-выключения электродвигателя, а также исключает гидроудары и кавитационные явления. Последние не только вызывают шум в трубах, но и способны повредить насос. При запуске станции насос включится, начав качать воду потребителю. После закрытия кранов он продолжит заполнять бак, расширяя его мембрану и повышая давление в системе водоснабжения до тех пор, пока оно не достигнет такого значения, при котором реле остановит насос. Возобновление водоразбора приведет к поступлению воды потребителю из бака под действием давления, начинающего постепенно уменьшаться. Как только оно упадет до определенного значения, реле включит насос, и цикл повторится. Она автоматически включится при давлении за насосом ниже 2 бар или при подаче воды 1,2 л/мин., а затем выключится при прекращении водоразбора.
Следует упомянуть о высоком уровне шума работающего агрегата (55 дБА и более). Однако появились и малошумные установки, снабженные водяным охлаждением мотора, которые можно устанавливать в жилой зоне, обычно на кухне
Погружной насос
Погружной насос может быть скважинным или колодезным. Первый отличается небольшим диаметром, поскольку предназначен для скважин с обсадными трубами диаметром 3″ или 4″ (75 или 100 мм). Он может поднимать воду с глубины до 200 м. Колодезный насос конструктивно очень похож на скважинный, но не имеет ограничения по диаметру и рассчитан на подъем воды с глубины порядка 20 м. Агрегат оптимален для глубоких колодцев, где поверхностный насос бессилен.
Схема компоновки наружной части водопровода
Сначала определимся с подачей обоих видов погружных насосов. Достаточный уровень комфорта в быту обеспечивается потреблением 1000 л (1 м³) воды в сутки на человека с учетом приема им душа днем и вечером. Для семьи из четырех человек простым умножением получим суточный расход 4000 л, при этом становится важной еще одна характеристика — максимальная величина подачи. Она ограничивает одновременное водопотребление из нескольких точек водоразбора. Например, если четыре человека будут в одно и то же время пользоваться душем (ванной) — 12–15 л/мин., краном на кухне — 6 л/мин., туалетом — 6 л/мин. и моющим пылесосом — 4 л/мин., то суммарная подача воды составит 28–31 л/мин., что обеспечит не каждый погружной насос.
Статистика свидетельствует, что для семьи из 4–5 человек вполне достаточна максимальная подача воды до 30 л/мин. (1,8 м³/ч) при суточном водопотреблении до 3000 л (3 м³). Расход воды на полив в значительной степени зависит от размеров участка и погодных условий. Для участка в 12 соток с учетом площади, занимаемой постройками, — обычно требуется 2000 л/сут. (из расчета 250 л/сут. на 1 сотку посадок). Воду запасают в специальных емкостях, причем в то время, когда водоразбор в доме невелик, например ночью. При отстое вода заодно и прогреется, а ее объем можно исключить при расчете необходимой величины подачи насоса.
Трубы системы водоснабжения круглогодичного использования прокладывают вне дома ниже глубины промерзания, а ввод в дом утепляют
Для ориентировочного определения минимально необходимого напора насоса нужно взять высоту коттеджа в метрах, прибавить еще 6 м (учет разводки труб по дому) и умножить сумму на 1,15 (коэффициент потерь напора в трубах). Например, при высоте строения 10 м искомая величина составит (10 + 6) × 1,15 = 18,4 м. Колодезный насос должен обладать напором 18,4 м при ранее подсчитанной максимальной подаче в 30 л/мин. Для скважинного агрегата к этому напору надо добавить глубину до зеркала воды в скважине. Скажем, если это расстояние равно 30 м, то требуется насос с напором 30 + 18,4 = 48,4 м и той же подачей в 30 л/мин. При удалении источника водоснабжения от дома следует учесть, что на 10 м длины горизонтального трубопровода теряется примерно 1 м напора насоса, иными словами, при удаленности в 20 м придется искать колодезный или скважинный агрегат с напорной характеристикой на 2 м больше.
На практике важнее правильно выбрать напор насоса, а подачу определить в 15–20 л/мин., поскольку одновременно пользуются всеми точками водоразбора редко, и подстраховать себя на этот случай можно с помощью емкости мембранного бака
Высокотехнологичные модели насосов снабжены частотно-регулируемым приводом (ЧРП) на базе инвертора. Их главное преимущество заключается в автоматическом поддержании заданного напора с точностью ± 2% в водопроводных трубах независимо от количества одновременно задействованных точек водоразбора. Это достигается путем плавного изменения частоты вращения двигателя практически во всем диапазоне скоростей, начиная с нуля. Кроме того, исключаются гидроудары при пуске и остановке двигателя, а также большие пусковые токи. Такое управление обеспечивает экономию электроэнергии, повышает ресурс и надежность оборудования за счет частичной работы при меньшей частоте вращения двигателя. Дополнительным преимуществом является защита от «сухого» хода и от перегрузки по току и напряжению.
Основные составляющие автоматической системы водоснабжения могут быть как выносными, так и находиться в одном корпусе с двигателем
Циркуляционный насос
Такой насос обычно служит дополнительным элементом системы ГВС частного дома. Он актуален для коттеджей с обширной и разветвленной водопроводной сетью, а также для построек выше одного этажа. Как правило, охлаждение его подшипников вращения осуществляется протекающей через агрегат жидкостью, поэтому конструкция получила название «мокрый ротор». Насос может быть укомплектован термостатом, таймером, таймером и термостатом одновременно или функцией Autoadapt для автоматического включения/выключения и поддержания заданной температуры. Прибор имеет небольшие габариты и вес, работает практически бесшумно, потребляет мало электроэнергии.
Практика показывает, что напор и подача циркуляционного насоса должны быть подобраны таким образом, чтобы в течение часа через него протекал трехкратный объем системы водоснабжения
Нагнетательный насос
Пример использования нагнетательного насоса
Довольно распространенной проблемой в частных домах является недостаточный напор в системе водоснабжения, что осложняет жизнь садоводам и огородникам, которым это мешает при поливе, и затрудняет подачу воды выше первого этажа. Из-за слабого напора нельзя не только нормально принять душ, но и использовать бытовую технику — стиральные и посудомоечные машины, проточные газовые колонки. Данная проблема может быть решена достаточно просто — монтажом в систему водоснабжения нагнетательного (бустерного) насоса для повышения давления в том ее месте, после которого напор воды нужно увеличить. Поскольку агрегат устанавливают в существующую сеть, его конструкция имеет ряд особенностей. Во-первых, нагнетательный насос очень компактен, во-вторых, обладает малым весом, в-третьих, прост в монтаже. Он практически не создает шума, поскольку охлаждается потоком протекающей через него воды и в дополнительном охлаждении не нуждается. Система автоматики включает и выключает насос при открытии/закрытии крана благодаря датчику потока, который защитит и от «сухого» хода. После установки такой насос не требует какого-либо особого внимания.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен, чтобы ничего не пропустить!
Источник
