Проектная работа на тему "Гидравлический насос -таран"

Муниципальная  научно-практическая конференция учащихся

 «Я познаю мир»

Гидравлический насос -таран

                                                   Автор работы: Гиниятуллин Ильназ Ильхамович

                                                                          МБОУ «Тимершикская средняя

                                                                        общеобразовательная школа

                                                                      Сабинского муниципального

                                                        района РТ», 7 класс

                                                   Руководитель: Валиева Ландыш Аглямзяновна

                                                                          учитель физики

                                                                              МБОУ «Тимершикская средняя

                                                                          общеобразовательная школа

                                                                          Сабинского муниципального

                                                                          района РТ»

2015 год

Оглавление

Введение                                                                                          3

Энергия падающей воды           5

Достоинства и недостатки гидравлического тарана           6

Теоретические сведения          10

Эскизная праработка базового варианта          10

Материалы           12

Технология изготовления          12

Принцип работы гидравлического тарана          14

Заключение        15

Литература         16

Введение

Дом в которой мы живем, работаем и отдыхаем, должна быть удобной, уютной и энергосберегающий. Чтобы достигнут энергосбережения, вовсе нет необходимости затрачивать большие средства. Для этого надо необходимо многое сделать своими руками.

 В нашем цивилизованном обществе вокруг нас имеются механизмы, которые облегчают нашу повседневную жизнь. И у меня тоже появилась идея разработки давно забытого гидронасоса, который работает без потребления электрической энергии, а за счет энергии протекающей воды речки или родника. Точнее гидравлический таран (далее гидротаран) действует только за счет импульса движущегося столба воды, без какого-либо двигателя. Можно применить в сельском хозяйстве, для водоснабжения небольших строек, дач и т.д.

Идея возникла в прошлом году, когда мой дед рассказал, что в детстве у них в деревне родниковую воду перекачивал хитроумное устройство американского производства под названием «гидро-таран». Мне стало интересно, начал искать при помощи интернета информацию. Нашел некоторую историю и информацию по принципу работы данного устройства.

В 1775 году англичанин Джозеф Уайтхёст (J.Whitehurst) впервые опубликовал описание подобного насоса, изобретённого и построенного им тремя годами ранее (1772). Однако его конструкция не была полностью автоматической, поэтому в 1776 году её доработал и на следующий год получил патент на своё изобретение француз Монгольфье (J.Montgolfier — тот самый, что изобрёл воздушный шар). Затем в течение нескольких лет были получены ещё несколько патентов на аналогичные конструкции (M.Bulton — Англия, 1797; J.Cernay, S.Hallet — США, 1809). В 1834 году промышленное производство таких насосов начал американец Стрoубридж (H.Strawbridge).

Вплоть до самого конца XIX века расчёт подобных устройств основывался на эмпирических закономерностях, подходящих лишь для частных случаев. И только создание в 1897-1898 годах профессором Н.Е.Жуковским теории гидравлического удара позволило поставить расчёты на научную основу. Однако лишь в 1930 году профессором С.Д.Чистопольским в работе «Гидравлический таран» был наконец опубликован метод теоретического расчёта этих устройств, который до сих пор считается надёжным. Такое «отставание» теории объясняется тем, что при работе гидравлического тарана происходит несколько тесно связанных нестационарных процессов, которые нельзя просчитать методами математического анализа (интегралы, которые при этом необходимо взять, относятся к категории неберущихся — даже в случае простейшего расчёта заполнения трубы).

   Главное в этом проекте то, что изделие можно сделать самостоятельно, соблюдая точность и аккуратность. В процессе изготовления данного прибора используются в основном подручные материалы и средства, которые можно приобрести в торговых точках.

Цель моей работы: -определить понятие и принцип действия гидравлического тарана с точки зрения физики;

-выявить его достоинства и недостатки;

-сделать гидронасос своими руками;

Энергия падающей воды

Человечество столетиями использует силу падающей воды в различных механических устройствах и, в том числе, для получения электрической энергии. Гидростанции, построенные на некоторых реках, непрерывно работают десятки лет. Видимо поэтому, большинство людей отрицают даже возможность существования или создания принципиально нового энергоисточника «от воды».

С обывательской точки зрения, преобразование потенциальной энергии воды в кинетическую (необходимую, чтобы что-то вращалось), происходит само собой. Для этого достаточно использовать природную разницу высот реки или искусственно ее создать там, где это возможно. При этом всем понятно, что вода должна течь обязательно вниз, то есть по уклону. Ясно и то, что сила воды зависит от перепада высот течения. Давно существует целая наука «гидроэнергетика» об использовании энергии падающей воды.

Однако Природа подарила нам в падающей воде не только источник бесплатной энергии, но и простейший способ преобразования естественной гравитационной энергии. Ведь с точки зрения физики, потенциальная энергия воды и есть аккумулированная в ней гравитационная энергия. Этот способ является, прежде всего, физическим явлением. Раз так, то следует вспомнить, что в окружающем нас зеркально симметричном мире каждое физическое явление существует, как бы в двух взаимно противоположных формах. Например, кроме отрицательного электрического заряда существует заряд положительный. У протона имеется его антипод — антипротон. Наряду с магнитным притяжением существует и магнитное отталкивание. Есть геометрическая симметрия. Наконец, существуют даже антивещество. Поэтому логично ожидать, что потенциальную энергию воды можно использовать не только для ускорения движения воды при ее падении, но и для ее подъема. Иными словами, как антипод известному способу преобразования энергии, основанному на использовании падающей воды, должен существовать и другой — неизвестный способ преобразования, позволяющий также просто и естественно, без подвода какой-либо внешней энергии, поднимать воду. И, оказывается, путь к поиску такого способа преобразования, был намечен давно.

Достоинства и недостатки гидравлического тарана

Гидравлические тараны обладают несколькими важными достоинствами, которые в своё время и обеспечили их довольно широкое распространение.

Прежде всего, для их работы не нужно ни каких-либо двигателей, ни мускульных усилий. Будучи один раз установленным и запущенным, гидротаран может работать до пересыхания питающего потока (осушения питающего резервуара) или до механического износа деталей, которые в нём можно пересчитать по пальцам.

Во-вторых, для работы достаточно минимального перепада уровней, начиная с десятка-другого сантиметров, и относительно небольшого расхода воды (обычно от долей литра до нескольких литров в секунду).

В-третьих, несложные накопительные устройства в питающем резервуаре позволяют гидравлическому тарану работать и с ещё меньшим расходом воды, дожидаясь, пока она накопится в необходимом количестве и только тогда совершая рабочий цикл. Благодаря этому гидротараны могут максимально эффективно использовать энергию потока как при большом расходе воды (в паводок), так и при очень малом (в межень). И водяные колёса, и турбины предназначены для работы с непрерывным потоком и в таких условиях не смогут работать . В принципе — энергии накопленной порции воды, достаточной для гидравлического тарана, им может не хватить даже для того, чтобы сдвинуться с места, а их микро варианты, рассчитанные на минимальный расход воды, будут выдавать такую же мизерную мощность и тогда, когда питающий поток вновь станет полноводным.

В-четвёртых, простота конструкции и минимум деталей обеспечивают выдающуюся надёжность и долговечность устройства — непрерывная работа без ремонта в течение 10 лет считалась вполне обычным делом.

Наконец, классический гидравлический таран можно собрать буквально «на коленке», практически в любой сельской мастерской, где чинят трактора и плуги. При этом он прощает многие ошибки в расчётах и изготовлении — за них придётся заплатить меньшей эффективностью и долговечностью, но не полной потерей работоспособности, — насос всё же будет действовать. Единственное безусловное требование — это высокая прочность всех деталей.

Однако при всех своих положительных качествах гидравлический таран имеет и недостатки, которые по мере распространения относительно недорогого и удобного электричества и моторизованной техники в конечном счёте привели к почти полному вытеснению этих безмоторных насосов обычными насосами с электрическим или бензиновым приводом. Часть этих недостатков может быть компенсирована достаточно легко, но устранить другие не представляется возможным, поскольку, как это часто бывает, они являются прямым продолжением достоинств.

Во-первых, для обеспечения разгона потока после очередного открытия отбойного клапана за ним уже не должно быть воды, прошедшей туда в предыдущем цикле. Если она по какой-либо причине не уйдёт за время гидравлического удара, то она помешает разгону новой порции воды в нагнетательной трубе, которая не наберёт скорости, достаточной для закрытия отбойного клапана. В самом лучшем варианте поток будет набирать нужную скорость гораздо дольше, чем это произошло бы при отсутствии воды за отбойным клапаном — а это непроизводительные потери воды через отбойный клапан и снижение эффективности работы установки. Естественным путём вода может уйти только при наличии стока, поэтому слив нагнетательного трубопровода (точнее, место расположения отбойного клапана) не может находиться ниже уровня сливного водоёма, иначе прошедшая вода не сможет освободить отбойный клапан.

Во-вторых, для разгона потока в нагнетательном трубопроводе до хорошей скорости (хотя бы метр в секунду) необходимо обеспечить перепад высот как минимум в несколько сантиметров на участке длиною в несколько метров.

По этим причинам гидравлические тараны не могут работать в водоёмах с постоянным уровнем поверхности, таких, как пруды и озёра, а также на равнинных участках рек, где на сотни метров, а то и на километры течения приходится разность уровней в сантиметр-другой.

В-третьих, существенная часть воды «теряется» через слив нагнетательной трубы. Причём «теряемый» объём обычно во много раз больше поднимаемого объёма. Конечно, эта вода «теряется» не напрасно, а делает своё дело — её энергия идёт на подъём другой части потока. Однако когда общее количество доступной воды невелико, эта «расточительность» может оказаться неприемлемой. В общем случае эффективность работы таких насосов определяется правильным выбором длины и объема нагнетательной трубы, соотношения сечений отбойного и напорного клапанов и усилий, нужных для их открытия и закрытия, в зависимости от необходимой высоты подъема и скорости потока в нагнетательном трубопроводе, то есть, в конечном счете, рабочего перепада уровней и расхода воды. Поэтому в идеале каждый экземпляр такого насоса надо настраивать индивидуально под конкретные условия установки.

В-четвёртых, при использовании «классического» накопительного колпака 5 с воздухом, воздух может постепенно растворяться в нагнетаемой воде, чему способствует повышенное давление. Поэтому воздух необходимо периодически пополнять. Решить эту проблему поможет использование в качестве такого колпака расширительного бака, в последние годы ставшего неотъемлемой частью автономных водопроводных систем в коттеджах и на дачах. Другой способ решения этой проблемы — при близком расположении отбойного и напорного клапанов и сильных рабочих гидроударах с отрывом жидкости от отбойного клапана можно попытаться организовать автоматическую подкачку воздуха через эти клапаны, хотя при этом потребуется преодолеть ряд технических проблем.

Наконец, в-пятых, гидравлический таран имеет немалые размеры. Так, обычно считается, что оптимальная длина нагнетательной трубы 2 лежит в диапазоне от 10 до 14 и более метров. Это обусловлено тем, что масса движущейся, а затем останавливающейся воды должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить хорошую энергию рабочего гидроудара. Поскольку масса воды прямо пропорциональна её объёму, это накладывает неизбежные ограничения на минимальные размеры более-менее производительных конструкций. Да и длительность гидроудара тоже должна быть достаточной для того, чтобы напорный клапан 4 успел открыться и пропустить заметный объём воды, а это время тоже прямо пропорционально расстоянию от отбойного клапана 3 до питающего водоёма или резервуара 1. Впрочем, свернув нагнетательную трубу в спираль, можно в несколько раз уменьшить линейные размеры установки. Но вот вес, определяемый необходимой прочностью и жёсткостью конструкции, существенно уменьшить вряд ли удастся.

С другой стороны, производительность гидротарана ограничена его размерами. Слишком большие размеры гидравлического тарана также вызовут проблемы, поскольку все элементы конструкции в зоне рабочего гидроудара должны обладать не только достаточной прочностью, но и максимальной жёсткостью. По мере роста линейных размеров обеспечение необходимой жёсткости может потребовать слишком толстых стенок и, как следствие, слишком массивных деталей.

Тем не менее, классический гидравлический таран остаётся чрезвычайно простым, неприхотливым и очень необычным устройством, которое совершенно незаслуженно почти забыто в последнее время.

Теоретические сведения

Изделие, которое я решил изготовить, как указано выше должно быть аккуратным, красивым и прочным. Гидротаран я решил изготовить из подручных материалов, которое можно приобрести в торговых точках и в меллаломе.

После возникновения идеи создания данного устройства я решил познакомиться с подобными идеями. Мои поиски дали некоторые положительные результаты. Нашлись люди, которые интересуются такими устройствами. Были даже действующие макеты. Все обдумав, решил устройство сделать из современной полипропиленовой трубы.

Эскизная праработка базового варианта

1 — питающий резервуар (верхний уровень естественного потока); 2 — нагнетательная (ускорительная) труба; 3 — отбойный (ударный) клапан; 4 — напорный (нагнетательный) клапан; 5 — воздушный колпак; 6 — напорная (отводящая) труба. H — высота подъёма воды относительно уровня слива; h — уровень питающего резервуара относительно уровня слива.

В фазе разгона потока отбойный клапан в открытом состоянии обычно удерживается с помощью пружины, для закрытия напорного клапана при показанной на рисунке компоновке может вполне хватить разницы давлений и его собственного веса.

На рисунке показано чуть более сложное устройство — оно содержит воздушный колпак 5, играющий ту же роль, что и гидро аккумуляторные баки с резиновой мембраной в современных автономных водопроводных системах. Этот колпак накапливает воду под давлением и сглаживает пульсации потока нагнетаемой воды, хотя теоретически максимальная высота подъёма при этом несколько уменьшается, поскольку в отводящую трубу 6 уже поступает не резкий импульс от гидравлического удара, возникающий при закрытии клапана 3, а усреднённое давление, сглаженное «пневматическим амортизатором» — воздухом в колпаке 5. Однако чуть дальше мы увидим, что сглаживание пульсаций — лишь дополнительный «бонус» воздушного колпака. Главная его функция заключается в другом, и без такого узла подъём воды по более-менее длинному напорному каналу будет весьма затруднён.

Очевидно, что ни о какой «сверхъединичности» или дополнительной энергии речь здесь не идёт — значительная часть воды сливается через отбойный клапан в фазе разгона, пока поток наберёт нужную скорость. Энергии, которую эта вода получает при спуске от уровня питающего резервуара, с избытком хватает на поднятие нагнетаемой части воды по отводящей трубе. Тем не менее, этот насос позволяет весьма эффективно использовать перепад уровней даже в десяток сантиметров, вполне достаточный для разгона потока до заметной скорости, а расход воды при этом должен лишь обеспечить заполнение сечения нагнетательной трубы. Ни одно широко распространённое гидротехническое устройство (водяные колёса, а тем более турбины) не может использовать столь малые перепады уровня при столь малом расходе с такой эффективностью, как гидравлические тараны.

Материалы

При изготовлении данного изделия лучше всего использовать:

 1.Полипрпиленовую трубу диаметром 32 и 50мм.                  

 2.Водяные клапаны диаметром 32мм. и 40мм.

 3.Трубные соединители.  
4.Расширительный бак на 25-30литров.

Технология изготовления

Принцип работы гидравлического тарана

Передача жидкостью производимого на неё давления и практическая не сжимаемость её используются в устройстве различных гидравлических машин. Принцип работы гидравлического тарана основывается на использовании энергии гидравлического удара, который возникает в результате внезапной остановки воды, текущей по трубопроводу, для образования давления нагнетания. Напорная вода в трубопроводе протекает вокруг открытой заслонки разрядного вентиля (который выдерживает гидростатическое давление воды), пока не наберет достаточно скорости, чтобы открыть клапан и закрыть выпуск воды. Возникший гидравлический удар приоткроет обратный вентиль, и определенное количество воды проникнет в воздухоотвод (вантуз). Когда энергия гидравлического удара израсходуется, в трубопроводе восстановится нормальное давление и заслонка разрядного вентиля благодаря собственной массе опять упадет. Вода снова начнет вытекать из трубопровода, пока скорость ее не увеличится до такой степени, что заслонка закроется, и процесс повторится. Через определенное время давление воздуха в воздухоотводе возрастет настолько, что поднимет воду в резервуар, расположенный намного выше. Из этого напорного резервуара вода распределяется и используется по назначению. Производительность оборудования зависит от перепада высот, притока воды и высоты ее подачи в распределительный резервуар. Можно поднимать воду на высоту до 20-30 метров и откачивать воду на расстоянии до 500 метров, в зависимости потока воды и диаметра водосборочной трубы. При использовании можно регулировать количество подачи воды при помощи клапана.

Заключение

       В ходе исследовательской работы   я узнал много интересного из курса физики.   Понял то, что физические законы, физические величины тесно связаны с  повседневной жизнью. Научился  искать информации  в интернете.

Думаю, что я достиг поставленных целей и в дальнейшем продолжу свои исследования , для познания физики.

Гидронасос можно использовать в сельском хозяйстве, без применения электроэнергии. Гидронасос не вредит окружающей среде. Гидронасос-таран предназначен для водоснабжения, не применяя посторонних энергетических ресурсов. Не требует  постоянного ухода, дополнительных зданий и сооружений. Может работать в разных климатических условиях.

Литература

1. Перышкин А.В. Физика-7 – М.: Дрофа
2. Перышкин А.В., Крауклис В.В., Курс физики, часть 1, М-«Просвещение»,1970
3. Рыженков А.П., Физика Человек Окружающая среда, М-«Просвещение»,1996
4. Кириллова И.Г. ,Книга для чтения по физике, М-«Просвещение»,1986
5. Перельман Я.И., Занимательная физика, книга 2, М-Наука,1979
6. Веб-сайты:  WWW. WIKIPEDIA.RU