СИФОННЫЙ ВОДОПОДЪЕМНИК
SIPHON WATER-ENGINE

Изобретение относится к устройствам для подъема воды, работающим за счет энергии потока воды в каком-либо русле. Изобретение может быть применено в системах водоснабжения, когда бывает достаточно небольшой, но постоянной подачи воды на высоту, большую чем у имеющегося протекающего возле потребителя водоисточника. Такие условия имеют место в агропромышленном комплексе (на небольших фермах, при орошении небольших участков в горных условиях).
Известен сифонный водоподъемник, содержащий трубопровод с восходящей и нисходящей ветвями (сифон), герметическую камеру, сообщенную посредством труб с ветвями и приемником водопотребителя и снабженную поплавком (Авторское свидетельство SU №90459 A1, кл. F04F 10/02).
Недостатком этого устройства является сложная конструкция и невысокая производительность из-за слива значительной части накопленного объема воды через вспомогательную трубу для зарядки сифона.
Наиболее близким техническим решением является сифонный водоподъемник, содержащий трубопровод с восходящей и нисходящей ветвями (сифон), герметическую камеру, снабженную поплавком и сообщенную посредством труб с ветвями и приемником водопотребителя. Для повышения его эффективности и производительности работы он снабжен дозатором, установленным на трубе, соединяющей герметическую камеру с нисходящей ветвью и клапанным устройством, выполненным в виде закрепленных на концах штока запорных органов, один из которых снабжен контргрузом, поплавок частично заполнен водой и соединен шарнирно-рычажной системой с клапанным устройством, а на трубах, сообщающих камеру с восходящей ветвью и приемником водопотребителя, установлены обратные клапаны, кроме того, шток клапанного устройства снабжен держателем и выступом, взаимодействующим с рамкой шарнирно-рычажной системы, его запорные органы имеют гнезда, причем гнездо запорного органа, связанного с нисходящей ветвью, сообщено с герметической камерой посредством отверстия в держателе (Авторское свидетельство SU №1068627 A1, кл. F04F 10/02 - прототип).
Недостатками этого сифонного водоподъемника являются сложная конструкция, низкая надежность и невысокий уровень подъема воды. Этот водоподъемник не может поднимать воду выше гребня сифона, а механизмы механического переключения, участвующие в устройстве, как обычно, имеют низкую надежность при малых расходах протекающей в них воды и из-за многочисленных движущихся и трущихся деталей.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции сифонного водоподъемника, повышение надежности в работе и увеличение уровня подъема воды много выше, чем уровень гребня сифона.
Поставленная цель достигается тем, что в сифонном водоподъемнике, содержащем сифон, герметичные камеры, кран-дозатор, гидравлические каналы связи, узел формирования импульсов и открытые камеры потребителя, герметичные камеры и открытые камеры потребителя выполнены попарно и установлены друг от друга по вертикали на равных расстояниях, равных расстоянию от уровня воды верхнего бьефа до верхнего уровня воды в первой открытой камере потребителя, верхние полости всех герметичных камер соединены между собой и сообщены с гребнем сифона через кран-дозатор, открытые камеры потребителя в каждой паре установлены ниже нижнего уровня своих герметичных камер, нижняя полость герметичной камеры каждой пары через петлеобразный сливной канал связи соединена с верхней полостью своей открытой камеры потребителя, верхняя часть каждой герметичной камеры через петлеобразный высасывающий канал связи сообщена с нижней частью предыдущей открытой камеры, кроме первой герметичной камеры, верхняя часть который соединена с верхним бьефом через всасывающий гидравлический канал с фильтром и снабжена стаканом, установленным вверх дном, при этом дно стакана установлено ниже гребня сифона и соединено с узлом формирования импульсов, кроме того, узел формирования импульсов выполнен в виде двух открытых емкостей, расположенных друг на друге и сообщенных между собой микросифоном, при этом верхняя емкость сообщена с верхним уровнем первой открытой камеры потребителя, а нижняя емкость сообщена с дном стакана первой герметичной камеры через сифонообразный гидравлический канал связи.
Сущность предлагаемого изобретения приведена на фигурах, где Фиг. 1 - Принципиальная гидравлическая схема сифонного водоподъемника, Фиг. 2 - Конструктивная схема узла формирования импульсов понижения давления ниже атмосферного в герметичных камерах, Фиг. 3 - Сифонный водоподъемник после первой зарядки, Фиг. 4 - Сифонный водоподъемник в режиме работы после первого запуска, Фиг. 5 - Сифонный водоподъемник в режиме работы в период импульса понижения давления ниже атмосферного в герметичных камерах, Фиг. 6 - Сифонный водоподъемник в режиме работы в период импульса повышения давления в герметичных камерах (восстановление атмосферного давления) и Фиг. 7 - Сифонный водоподъемник в режиме работы в период импульса понижения давления в герметичных камерах.
0
0
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
1
1
1
1
2
2
n
n
1
1
1
Сифонный водоподъемник (Фиг. 1) содержит сифон 1, соединяющий верхний и нижний бьефы русла реки и работающий с рабочим напором h, герметичные камеры 2, 2…2, открытые камеры потребителя 3, 3…3, пневматические каналы связи 4, 4…4, высасывающий гидравлический канал связи 5 с фильтром 6, петлеобразные высасывающие гидравлические каналы связи 5…5 и петлеобразные сливные гидравлические каналы связи 7, 7…7. Верхние части герметических камер 2, 2…2 через соответствующие пневматические каналы связи 4, 4…4 соединены между собой и сообщены через кран-дозатор 8 с гребнем сифона 1. Открытая камера потребителя 3 снабжена узлом формирования импульсов 9 (Фиг. 2). Узел формирования импульсов 9 выполнен в виде расположенных друг на друге двух открытых емкостей 10 и 11, сообщенных между собой микросифоном 12, при этом верхняя емкость 11 сообщена с верхним уровнем первой открытой камеры потребителя 3 через патрубок 13, а нижняя емкость 10 сообщена с верхней частью первой герметичной камеры 2 через сифонообразный гидравлический канал связи 14. Герметичные камеры и открытые камеры потребителя выполнены попарно следующим образом (2-3), (2-3), …(2-3) и совместно с соответствующими высасывающими и сливными гидравлическими каналами связи образуют ступени подъема сифонного водоподъемника. Ступени подъема сифонного водоподъемника установлены на равных расстояниях h друг от друга по вертикали (Фиг. 7). Значение h, превосходящее многократно h, измеряется от уровня воды верхнего бьефа до верхнего уровня воды в первой открытой камере потребителя 3. Расстояние h между двумя соседними ступенями подъема воды измеряется расстоянием между двумя верхними уровнями воды в соседних открытых камерах. Открытые камеры потребителя в каждой паре установлены ниже нижнего уровня своих герметичных камер. Нижняя часть полости герметичной камеры каждой пары через петлеобразный сливной канал связи соединена с верхней частью полости своей открытой камеры потребителя, верхняя часть каждой герметичной камеры через петлеобразный высасывающий канал связи сообщена с нижней частью предыдущей открытой камеры, кроме герметичной камеры 2, верхняя часть который соединена с верхним бьефом через всасывающий гидравлический канал связи 5 с фильтром 6 и снабжена стаканом 15, установленным вверх дном, при этом дно стакана установлено ниже гребня сифона 1 и соединено с открытой емкостью 10 узла формирования импульсов 9.
Для нормальной работы сифонного водоподъемника необходимо соблюдать следующие условия:
- взаиморасположение элементов сифонного водоподъемника по вертикали должно быть выполнено по приведенной гидравлической схеме (Фиг. 1); - (1)
1
1
- объем герметичной камеры 2 должен быть больше суммарного объема открытой камеры потребителя 3 и открытой емкости 11; - (2)
- объем открытых камер потребителя каждой пары должен быть много больше суммарного объема своих петлеобразных высасывающих и сливных гидравлических каналов связи; - (3)
1
2
n
1
2
n
- суммарный объем герметичных камер 2, 2…2 должен быть много больше суммарных объемов пневматических каналов связи 4, 4…4; - (4)
- рабочий объем открытой емкости 11 должен быть больше объема сифонообразного гидравлического канала связи 14; - (5)
1
2
n
1
- расход отсоса воздуха из герметичных камер 2, 2…2 сифоном 1 через кран-дозатор 8 должен быть много меньше расхода поступления атмосферного воздуха в герметичную камеру 2 через сифонообразную трубку 14 - (6).
1
2
n-1
1
2
n
Для подготовки сифонного водоподъемника к работе необходимо заполнить водой открытые камеры потребителя 3, 3…3, открытую емкость 10 и сливные петлеобразные гидравлические каналы связи 7, 7…7 (Фиг. 3).
0
Для работы сифонного водоподъемника необходимо закрыть кран-дозатор 8 и запустить сифон 1 в работу таким образом, чтобы вода непрерывно сливалась через него из верхнего бьефа в нижний бьеф под рабочим напором h (Фиг. 4). Далее необходимо медленно открывать кран-дозатор 8 и впустить атмосферный воздух в полость сифона 1 таким образом, чтобы вакуум в нем не сорвался и поток воды через него оставался неразрывным.
Сифонный водоподъемник работает следующим образом.
0
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n-1
1
2
n
1
2
n
1
1
2
n-1
2
n
1
2
1
1
2
n
1
2
n-1
2
2
n
1
2
n-1
1
2
n
1
2
n
1
1
2
n
1
2
n
1
1
2
n
1
2
n
1
2
n
2
n
2
1
1
1
1
2
n
1
1
1
2
n
Вода, сливаясь из верхнего бьефа в нижний бьеф через сифон 1 под рабочим напором h, создает в его гребне вакуум, благодаря чему начинается отсос воздуха из герметичных камер 2, 2…2 через пневматические каналы связи 4, 4…4 и кран-дозатор 8 в гребень сифона 1 и далее сброс в нижний бьеф, так как попаданию атмосферного воздуха в герметические камеры препятствуют колени высасывающих и сливных гидравлических каналов связи и колено сифонообразного гидравлического канала связи 14, расположенные на особых высотах по отношению герметичных камер 2, 2…2 и сливных камер потребителя 3, 3…3 (условие (1)). Разрежение воздуха (вакуум) в герметичных камерах 2, 2…2 и в сифонообразной трубке 14 одновременно и равномерно возрастает (режим импульса понижения давления в ступенях водоподъемника ниже атмосферного) и при достижении определенной величины герметичные камеры 2, 2…2 начинают заполняться водой соответственно из верхнего бьефа через высасывающий гидравлический канал связи 5 с фильтром 6 и открытых камер потребителя 3, 3…3 через высасывающие гидравлические каналы связи 5…5 (начало цикла подъема воды). При этом под действием вакуума в герметичной камере 2 столб воды из открытой емкости 10 поднимается в восходящей ветви сифонообразной трубки 14 лишь до нижнего уровня герметичной камеры 2 и тем самым предотвращает попадание атмосферного воздуха в герметичную камеру 2 и срыв вакуума в ней (Фиг. 4). Дальнейшее повышение вакуума в герметичных камерах 2, 2…2 приводит к их полному заполнению водой, полному опорожнению открытых камер потребителя 3, 3…3 и повышению уровня воды в восходящей ветви сифонообразной трубки 14 до верхнего уровня герметичной камеры 2 (Фиг. 5). Далее под действием нарастающего вакуума уровень воды в высасывающих гидравлических каналах связи 5…5 опускается ниже дна соответствующих открытых камер потребителя 3, 3…3, но остаются всегда выше уровня колен, а в сливных петлеобразных гидравлических каналах связи 7, 7…7 под действием нарастающего вакуума в герметичных камерах 2, 2…2 также происходит снижение уровня воды, который никогда не достигает уровня соответствующего колена согласно условию (1) (конец цикла подъема воды). При достижении вакуума определенного значения вода в восходящей ветви сифонообразной трубки 14 поднимается выше ее петли и резко сливается (срабатывает как сифон) через нисходящую ветвь в стакан 15. Происходит резкое опорожнение емкости 10 и сообщение герметичной камеры 2 с атмосферой (режим импульса повышения давления в герметичных камерах, восстановление атмосферного давления). Вакуум в герметичных камерах 2, 2…2 и в пневматических каналах связи 4, 4…4 исчезает и устанавливается атмосферное давление, так как поступление атмосферного воздуха в герметичную камеру 2 через сифонообразную трубку 14 много больше, чем отсос воздуха сифоном 1 через кран-дозатор 8 (условие (6)). Начинается слив воды из герметичных камер 2, 2…2 в соответствующие открытые камеры потребителя 3, 3…3 через сливные петлеобразные гидравлические каналы связи 7, 7…7 (начало цикла слива воды) (Фиг. 6). После опорожнения герметичных камер 2…2 соответственно в открытые камеры потребителя 3…3n слив воды из герметичной камеры 2 в открытую камеру потребителя 3 пока продолжается (условие (2)). После заполнения открытой камеры потребителя 3 вода через патрубок 13 начинает поступать в открытую емкость 11. При заполнении открытой емкости 11 срабатывает микросифон 12 и резко сливает накопленный объем воды в открытую емкость 10. Конец восходящей части сифонообразной трубки 14 затапливается водой, прекращается поступление атмосферного воздуха в герметичные камеры 2, 2…2 (условие (5)) и слив воды из герметичной камеры 2 в открытую камеру потребителя 3 (конец цикла слива воды), что приводит к новому нарастанию вакуума в герметичных камерах 2, 2…2 (режим импульса понижения давления в ступенях водоподъемника ниже атмосферного) и новому циклу подъема воды (Фиг. 7).
0
0
1
2
n
1
2
n
n
Таким образом, используя разницу уровней верхнего и нижнего бьефов и незначительный рабочий напор h сифона 1, создается постоянно действующий вакуум в гребне сифона и постоянный отсос воздуха из герметичных камер 2, 2…2 через пневматические каналы связи 4, 4...4 и кран-дозатор 8, что позволяет посредством узла формирования импульсов 9 создать в ступенях сифонного водоподъемника чередующие друг друга импульсы понижения и повышения давления, которые приводят к подъему воды из верхнего бьефа в открытую камеру потребителя 3, расположенную на высоте H=n∗h>>h. При этом при каждом понижении давления в ступенях происходит подъем воды из нижестоящей открытой камеры потребителя в вышестоящую герметичную камеру, а при повышении давления происходит слив воды из герметичных камер каждой ступени в свою открытую камеру потребителя. Выполнение подъемной части сифонного водоподъемника ступенчатой, высасывающих и сливных гидравлических каналов связи с петлями - с особыми расположениями их концов по отношению к герметичным камерам и открытым камерам потребителя (условие (1)), создание импульсов понижения и повышения давления в ступенях гидравлическим способом позволили отказаться от механических переключателей потока воды, обратных клапанов, трущихся и движущихся деталей, что позволило повысить надежность работы сифонного водоподъемника и повысить уровень подъема воды много выше, чем уровень гребня сифона.
В условиях мастерских ФГБНУ ВНИИ «Радуга» в 2013 году был изготовлен экспериментальный образец предлагаемого сифонного водоподъемника, состоящий из двух ступеней. Испытания экспериментального образца в лабораторных условиях показали высокую надежность и удобство в эксплуатации.
Применение предлагаемого изобретения в народном хозяйстве повысит надежность и эффективность систем водоснабжения в условиях, когда бывает достаточно небольшой, но постоянной подачи воды на высоту, большую чем у имеющегося протекающего возле потребителя водоисточника.