Гидравлический домкрат
Гидравлический плунжерный насос , плунжерный насос или гидрам — это циклический водяной насос, приводимый в действие гидроэнергией . Он всасывает воду с одним « гидравлическим напором » (давлением) и расходом, а выводит воду с более высоким гидравлическим напором и меньшим расходом. Устройство использует эффект гидроудара для создания давления, которое позволяет части входящей воды, питающей насос, подниматься до точки выше, чем первоначальное место подачи воды. Гидравлический таран иногда используется в отдаленных районах, где есть как источник малонапорной гидроэлектроэнергии , так и необходимость перекачивать воду в пункт назначения, расположенный выше по высоте, чем источник. В этой ситуации таран часто бывает полезен, поскольку для него не требуется никакого внешнего источника энергии, кроме кинетической энергии текущей воды.
История
[ редактировать ]
Альгамбра из Гранады , построенная Насридом Султаном Ибн аль-Ахмаром в 1238 году, использовала гидрам для подъема воды. Через первый резервуар, заполненный каналом из реки Дарро , вода сливалась через большой вертикальный канал во второй резервуар, расположенный ниже, создавая водоворот, который, в свою очередь, продвигал воду через гораздо меньшую трубу на шесть метров, в то время как большая часть воды стекала во второй резервуар. , труба чуть большего размера. [ 1 ]
В 1772 году Джон Уайтхерст из Чешира , Англия , изобрел прототип гидроцилиндра с ручным управлением, названный «пульсирующим двигателем», и установил первый в Оултоне, Чешир, для подъема воды на высоту 4,9 метра (16 футов). [ 2 ] [ 3 ] В 1783 году он установил еще один в Ирландии . Он не запатентовал его, подробности неясны, но известно, что у него был 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 Бултон получил от его имени британский патент в 1797 году. [ 5 ] Сыновья Монгольфье получили британский патент на улучшенную версию в 1816 году. [ 6 ] и он был приобретен вместе с проектом Уайтхерста в 1820 году Джозайей Истоном , инженером из Сомерсета , который только что переехал в Лондон.
Фирма Истона, унаследованная его сыном Джеймсом (1796–1871), в девятнадцатом веке выросла и стала одним из наиболее важных производителей машиностроения в Англии с крупным заводом в Эрите , Кент . Они специализировались на системах водоснабжения и канализации по всему миру, а также на проектах дренажа земель . У Истонса был хороший бизнес по поставке баранов для водоснабжения крупных загородных домов , ферм и деревенских общин. Некоторые из их инсталляций все еще сохранились по состоянию на 2004 год, один из таких примеров находится в деревне Толлер Вельм в Дорсете . Примерно до 1958 года, когда появилась водопроводная вода, в деревне Ист-Дандри , расположенной к югу от Бристоля, работало три барана – их шумный «стук» каждую минуту или около того разносился по долине днем и ночью: эти бараны обслуживали фермы, которым требовалось много воды для молочные стада.
Фирма закрылась в 1909 году, но таранный бизнес продолжил Джеймс Р. Истон . В 1929 году его приобрела компания Green & Carter. [ 7 ] из Винчестера , Хэмпшир , которые занимались производством и установкой Vulcan и Vacher Rams.
Первый патент в США был выдан Жозефу Серно (или Курно) и Стивену (Этьену) С. Халле (1755-1825) в 1809 году. [ 8 ] [ 9 ] Интерес США к гидроцилиндрам возрос примерно в 1840 году, когда были выданы новые патенты и отечественные компании начали предлагать цилиндры на продажу. К концу XIX века интерес угас, поскольку электричество и электрические насосы стали широко доступны.
Гидравлический таран Пристли , построенный в 1890 году в Айдахо, был «чудесным» изобретением, очевидно независимым, который поднимал воду на 110 футов (34 м) для обеспечения орошения. Баран выжил и внесен в Национальный реестр исторических мест США . [ 10 ] [ 11 ]
К концу двадцатого века интерес к гидроцилиндрам возродился из-за потребностей устойчивых технологий в развивающихся странах и энергосбережения в развитых странах. Примером может служить организация Aid Foundation International на Филиппинах, получившая премию Эшдена за работу по разработке плунжерных насосов, которые можно было бы легко обслуживать для использования в отдаленных деревнях. [ 12 ] Принцип гидравлического тарана использовался в некоторых предложениях по использованию энергии волн , одно из которых обсуждалось еще в 1931 году Ханнсом Гюнтером в его книге «In hundert Jahren» . [ 13 ]
Некоторые более поздние конструкции плунжеров в Великобритании, называемые составными плунжерами, были предназначены для перекачивания очищенной воды с использованием источника неочищенной приводной воды, что позволяет решить некоторые проблемы, связанные с получением питьевой воды из открытого ручья. [ 14 ]
В 1996 году английский инженер Фредерик Филип Селвин запатентовал более компактный гидроцилиндр, в котором перепускной клапан использовал эффект Вентури и был расположен концентрически вокруг впускной трубы. [ 15 ] Первоначально запатентованный как усилитель давления жидкости из-за другой конструкции, в настоящее время он продается как «Papa Pump». [ 16 ] В дополнение к этому крупномасштабная версия под названием «Насос Вентуро». [ 17 ] также производится.
Конструкция и принцип работы
[ редактировать ]Традиционный гидроцилиндр имеет только две движущиеся части: подпружиненный или грузоподъемный «сливной» клапан, иногда известный как «щелкающий» клапан, и «напорный» обратный клапан , что делает его дешевым в изготовлении, простым в обслуживании и очень надежным.
Гидравлический таран Пристли , подробно описанный в Британской энциклопедии 1947 года , не имеет движущихся частей. [ 10 ]
Последовательность действий
[ редактировать ]
1. Впускно-приводной патрубок
2. Свободный поток через сливной клапан.
3. Выход – напорная труба
4. Сливной клапан
5. Обратный клапан подачи
6. Сосуд под давлением
Упрощенный гидроцилиндр показан на рисунке 2. Первоначально сливной клапан [4] открыт (т.е. опущен) под действием собственного веса, а нагнетательный клапан [5] закрыт под давлением, создаваемым столбом воды из выпускного отверстия. [3]. Вода во впускной трубе [1] начинает течь под действием силы тяжести и набирает скорость и кинетическую энергию до тех пор, пока возрастающая сила сопротивления не поднимет вес сливного клапана и не закроет его. Импульс , потока воды во впускной трубе, направленный на теперь уже закрытый сливной клапан, вызывает гидроудар который поднимает давление в насосе выше давления, вызванного давлением столба воды вниз из выпускного отверстия. Этот перепад давления теперь открывает нагнетательный клапан [5] и заставляет некоторое количество воды течь в напорную трубу [3]. Поскольку эта вода поднимается по напорной трубе дальше, чем падает вниз от источника, поток замедляется; при изменении направления потока обратный клапан нагнетания [5] закрывается. Между тем, гидроудар при закрытии 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 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 удар гидравлического давления при закрытии сливного клапана, а также повышает эффективность откачки, обеспечивая более постоянный поток через напорную трубу. Хотя теоретически насос может работать и без него, эффективность резко упадет, и насос будет подвергаться чрезвычайным нагрузкам, которые могут значительно сократить его срок службы. Одна из проблем заключается в том, что сжатый воздух постепенно растворяется в воде, пока ее не останется. Одним из решений этой проблемы является отделение воздуха от воды эластичной диафрагмой (аналогично расширительному баку ); однако это решение может быть проблематичным в развивающихся странах, где трудно обеспечить замену. Другим решением является переливной клапан, установленный рядом со стороной привода нагнетательного клапана. Он автоматически вдыхает небольшое количество воздуха каждый раз, когда нагнетательный клапан закрывается и создается частичный вакуум. [ 20 ] Другое решение — вставить камеру автомобильной или велосипедной шины в сосуд под давлением с небольшим количеством воздуха в нем и закрыть клапан. Эта трубка по сути аналогична диафрагме, но изготовлена из более широко доступных материалов. Воздух в трубке смягчает удары воды так же, как воздух в других конфигурациях.
Эффективность
[ редактировать ]Типичный уровень энергоэффективности составляет 60%, но возможен и до 80%. Его не следует путать с объемным КПД, который связывает объем подаваемой воды с общим количеством воды, забранной из источника. Доля воды, доступная в напорной трубе, будет уменьшена на соотношение напора на подаче к напору подачи. Таким образом, если источник находится на высоте 2 метров (6,6 футов) над домкратом, а вода поднята на высоту 10 метров (33 фута) над домкратом, может быть доступно только 20% подаваемой воды, а остальные 80% выливаются через сточные воды. клапан. Эти соотношения предполагают 100% энергоэффективность. Фактическая подача воды будет дополнительно снижена на коэффициент энергоэффективности. В приведенном выше примере, если энергоэффективность составляет 70 %, подача воды составит 70 % от 20 %, т. е. 14 %. При соотношении напора к напору 2:1 и эффективности 70% подаваемая вода составит 70% от 50%, т.е. 35%. Очень высокое соотношение подачи к напору обычно приводит к снижению энергоэффективности. Поставщики домкратов часто предоставляют таблицы с ожидаемыми соотношениями объемов, основанными на реальных испытаниях.
Конструкция приводного и напорного трубопровода
[ редактировать ]Поскольку эффективность и надежность работы зависят от воздействия гидроудара, конструкция приводной трубы имеет важное значение. Оно должно быть в 3–7 раз длиннее вертикального расстояния между источником и плунжером. Коммерческие домкраты могут иметь входную арматуру, рассчитанную на такой оптимальный уклон . [ 21 ] Диаметр подающей трубы обычно соответствует диаметру входного патрубка гидроцилиндра, что, в свою очередь, зависит от его производительности. Приводная труба должна иметь постоянный диаметр и материал, а также быть как можно более прямой. Там, где необходимы изгибы, они должны представлять собой плавные изгибы большого диаметра. Допускается даже большая спираль, но локтей следует избегать . В некоторых случаях подойдет ПВХ, но предпочтительнее стальная труба, хотя она намного дороже. Если используются клапаны, они должны быть со свободным потоком, например, шаровой кран или задвижка .
Напорная труба гораздо менее критична, поскольку сосуд высокого давления предотвращает распространение по ней гидроударов. Его общая конструкция будет определяться допустимым перепадом давления в зависимости от ожидаемого расхода. Обычно размер трубы составляет примерно половину размера подающей трубы, но для очень длинных участков может быть указан больший размер. Труба ПВХ и вся необходимая арматура – не проблема.
Начало работы
[ редактировать ]Поршень, вновь введенный в эксплуатацию или остановивший работу, должен запуститься автоматически, если вес перепускного 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 будет циклически повторяться хотя бы один раз. Если он не продолжает работать, его необходимо несколько раз нажимать вниз, пока он не начнет работать самостоятельно, обычно после трех или четырех циклов вручную. Если плунжер останавливается, когда сливной клапан находится в нижнем (открытом) положении, его необходимо поднять вручную и удерживать в таком положении столько времени, сколько необходимо, чтобы подающая труба наполнилась водой и пузырьки воздуха переместились вверх по трубе к источнику. Это может занять некоторое время, в зависимости от длины и диаметра питающей трубы. Затем его можно запустить вручную, нажав несколько раз вниз, как описано выше. Наличие клапана на напорной трубе у гидроцилиндра облегчает запуск. Закрываем клапан до тех пор, пока плунжер не начнет работать, затем постепенно открываем его, чтобы заполнить напорную трубу. Если открыть слишком быстро, цикл остановится. Когда напорная труба заполнится, клапан можно оставить открытым.
Распространенные эксплуатационные проблемы
[ редактировать ]Невозможность подачи достаточного количества воды может быть связана с неправильной регулировкой сливного клапана, недостатком воздуха в сосуде под давлением или просто попыткой поднять воду выше уровня, на который способен подъемник.
Подъемник может быть поврежден в результате замерзания зимой или потери воздуха в сосуде под давлением, что приводит к чрезмерной нагрузке на детали подъемника. Эти неисправности потребуют сварки или других методов ремонта и, возможно, замены деталей.
Операционная память нередко требует периодических перезапусков. Цикл может прекратиться из-за плохой регулировки сливного клапана или недостаточного расхода воды в источнике. Воздух может проникнуть, если уровень подаваемой воды не превышает хотя бы несколько дюймов над входным концом подающей трубы. Другими проблемами являются засорение клапанов мусором или неправильная установка, например, использование питающей трубы неодинакового диаметра или материала, имеющей резкие изгибы или неровную внутреннюю поверхность, либо слишком длинной или короткой для падения, либо слишком длинной или короткой для падения. изготовлен из недостаточно жесткого материала. В некоторых случаях подойдет подающая труба из ПВХ, но стальная труба лучше.
См. также
[ редактировать ]- Повышающий преобразователь – электронно-гидравлический аналог гидроцилиндра. [ 22 ] [ 23 ]
- Фонтан Цапли
- Импульсный насос , аналогичное устройство, сделанное из тромпа , соединенного с эрлифтным насосом.
- клапан Тесла
- Водяная ракета
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Скрытый мир под древней крепостью Альгамбра . Би-би-си 2020. Фильм Гренада , BBC и YouTube
- ^ Уайтхерст, Джон (1775). «Отчет о машине для подъема воды, выполненный в Оултоне, графство Чешир, в 1772 году» . Философские труды Королевского общества . 65 : 277–279. дои : 10.1098/rstl.1775.0026 .
- ^ Описания насосов Уайтхерста и Монгольфье можно найти в: Джеймс Фергюсон и Дэвид Брюстер, Лекции по избранным предметам , 3-е изд. (Эдинбург, Шотландия: Стерлинг и Слэйд и др., 1823 г.), т. 1, с. 2, стр. 287–292 ; тарелки, с. 421.
- ^ де Монгольфье, Ж.М. (1803). «Заметка о гидроцилиндре и методе расчета его воздействия» ( PDF) . Journal des Mines, 13 (73) (на французском языке). стр. 42–51.
- ^ (Редакция) (1798). «Описание патента, выданного Мэтью Бултону из Сохо, в графстве Стаффорд, эсквайру; за изобретение усовершенствованного аппарата и методов поднятия воды и других жидкостей... Датировано 13 декабря 1797 года» . Репертуар искусств и мануфактур . 9 (51): 145–162.
- ^ См., например: «Новые патенты: Пьер Франсуа Монгольфье», «Анналы философии» , 7 (41): 405 (май 1816 г.).
- ^ Грин и Картер – изобретатели и патентообладатели гидравлических поршневых насосов , www.greenandcarter.com , по состоянию на 2 декабря 2022 г.
- ^ См.:
- Исполнительные документы Палаты представителей на второй сессии XXI Конгресса , том. 2 (Вашингтон, округ Колумбия: Дафф Грин, 1831 г.), страницы 328 и 332 .
- Письмо Стивена С. Халлета президенту США Джеймсу Мэдисону от 9 сентября 1808 года. Доступно в Интернете по адресу: Национальный архив США .
- ↑ См. также гидравлический насос Роберта Фултона: письмо Томасу Джефферсону, 28 марта 1810 г. Доступно в Интернете по адресу: Национальный архив США .
- ^ Jump up to: а б Томас Б. Ренк (22 февраля 1974 г.). «Национальный реестр исторических мест, инвентарь / номинация: Гидравлический таран Пристли» . Служба национальных парков . Проверено 15 ноября 2019 г. С сопроводительными двумя фотографиями 1973 года.
- ^ ПРИМЕЧАНИЕ. Утверждается, что этот насос не имеет движущихся клапанов и использует воздух под высоким давлением, поэтому на самом деле это может быть импульсный насос .
- ^ «Премия Эшдена Фонда AID 2007» . Архивировано из оригинала 28 мая 2008 г. Проверено 9 июля 2008 г.
- ^ Ханс Гюнтер (Вальтер де Хаас) (1931). Через сто лет . Космос.
- ^ Доска интерпретации в Затерянных садах Хелигана , Корнуолл.
- ^ Фредерик Филип Селвин, pdfpiw.uspto.gov. Архивировано 3 февраля 2017 г. в Wayback Machine , «Усилитель давления жидкости», патент США №. 6 206 041 (подана: 2 апреля 1997 г.; выдана: 27 марта 2001 г.).
- ^ «Папа Насос» . Водные технологии . 7 июня 2021 г. Проверено 2 декабря 2022 г.
- ^ «Насос Вентуро» . Водные технологии . Проверено 2 декабря 2022 г.
- ^ Jump up to: а б Самодельный гидроцилиндр для подачи воды для скота 2 сентября 2019 г., lgpress.clemson.edu , по состоянию на 2 декабря 2022 г.
- ^ DTU Ram Pump Program warwick.ac.uk , по состоянию на 2 декабря 2022 г.
- ^ «Практические ответы: гидроцилиндры» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 6 августа 2009 г. Проверено 3 июня 2007 г.
- ^ «Гидравлические поршневые насосы, Джон Перкин» . Архивировано из оригинала 11 июня 2017 г. Проверено 22 апреля 2013 г.
- ^ Кипрурос, Хавьер А.; Лонгория, Рауль Г. (29 января 2004 г.). «Синтез модели для проектирования переключаемых систем с использованием формулировки системы с переменной структурой». Журнал динамических систем, измерений и управления . 125 (4): 618–629. дои : 10.1115/1.1636774 . ISSN 0022-0434 .
Гидравлический насос ... по конструкции параллелен конструкции повышающего преобразователя, что делает его гидравлическим аналогом.
- ^ Лонгория, РГ; Кипрурос, Дж.А.; Рейнтер, Х.М. (1997). «Граф связи и модели рассеяния волн при коммутируемом преобразовании мощности». 1997 Международная конференция IEEE по системам, человеку и кибернетике. Вычислительная кибернетика и моделирование . Том. 2. стр. 1522–1526. дои : 10.1109/ICSMC.1997.638209 . ISBN 978-0-7803-4053-4 . S2CID 58941781 .
Действительно, этот самодействующий насос может многое предложить в параллельном исследовании со своим электрическим аналогом.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Кроули, Калифорния (август 1937 г.). «Гидравлические тараны обеспечивают водоснабжение загородных домов» . Популярная механика : 306–311.
- Кроули, Калифорния (сентябрь 1937 г.). «Гидравлические тараны обеспечивают водоснабжение загородных домов» . Популярная механика : 437–477.
- Зуб против Брайса , 25 Atlantic Reporter, стр. 182–190.
- Иверсен, HW (июнь 1975 г.). «Анализ гидроцилиндра». Журнал гидротехники . 97 (2): 191–196. дои : 10.1115/1.3447251 .
- Гидравлический домкрат: ремонт и работа . Поступления от мастер-классов спонсоров. Том. II. Лондон: Спон. 1921. стр. 457–465.
- Гидравлические цилиндры – сравнительное исследование (JHPM Tacke) . Сообщения по гидротехнике и геотехнике. Том. Отчет 88-1. Делфтский технологический университет, факультет гражданского строительства. 1988. ISSN 0169-6548 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
