ГИДРОТАРАН

Устройство относится к гидроэнергетике, в частности к устройствам для подъема воды, с одновременным ее нагревом и может быть использовано в гидротранспортных системах, системах отопления зданий и сооружений, подачи подогретой воды потребителям в сельском хозяйстве, промышленности и строительстве.
Известен гидротаранный пневмокомпрессор (Авторское свидетельство СССР №1317187, кл. F 04 F 7/02, 1985 г.), содержащий подающую трубу с установленным в ней ударным клапаном, воздушный колпак, разделенный упругой диафрагмой на газовую и жидкостную полости, жидкостная полость которой сообщена с подающей трубой Г-образным патрубком, ориентированным в ней вдоль потока в сторону ударного клапана, а газовая полость снабжена всасывающим и нагнетательным патрубками с обратными клапанами.
В вышеописанном гидротаранном компрессоре происходит передача энергии в виде давления потоку газа для его дальнейшего транспортирования, или использования для совершения работы. Недостатком устройства является узкий диапазон использования, поскольку в качестве рабочей среды в нем используются только газообразные продукты.
Известен гидротаран (SU 1742525, кл. F 04 F 7/02, 1992., прототип), содержащий подающую трубу с установленным в ней ударным клапаном и сборником жидкости на выходе, диафрагменный насос, нагнетательный патрубок с воздушным колпаком, верхняя полость насоса через обратные клапаны сообщена со сборником жидкости и нагнетательным патрубком,
нижняя полость насоса сообщена с подающей трубой Г-образным патрубком, ориентированным в ней в сторону ударного клапана.
В выше описанном гидротаране в качестве рабочей среды могут быть использованы как воздух, так и вода, причем в этой конструкции при работе на воде на подъем используется часть сброшенной жидкости, что обуславливает более высокую величину соотношения полезного и сбрасываемого объемов. Однако, при традиционном варианте его использования этот гидротаран подает потребителю только холодную воду.
Исторически сложилось, что населенные пункты образовывались вблизи источников водоснабжения: реки, озера, ручьи, родники. При установке гидравлических таранов на родниках обеспечивается круглосуточная непрерывность подачи воды к месту ее потребления. Зачастую энергетические параметры источника превышают востребуемые объемы, тогда излишки воды по дренажной ветке отводятся в родник. В этом случае энергия источника используется не полностью. С другой стороны, к месту потребления вода подается только в холодном виде и для повышения потребительских качеств ее следует нагреть. Кроме того, водоисточник с перепадом высот можно рассматривать в качестве источника энергии, которую можно преобразовать в различные формы, в том числе и в тепловую для отопления жилья, теплиц, и т. д. В этом случае целесообразно от гидротарана к потребителю воду подавать в двух видах - горячей и холодной. Однако, известные конструкции гидротаранов не приспособлены для подъема воды с одновременным ее подогревом.
Задача предлагаемого технического решения - обеспечение подогрева части поднимаемой воды. Она решается за счет того, что в гидротаран, содержащий подающую трубу с установленным в ней ударным клапаном и сборником жидкости на выходе, диафрагменный насос, нагнетательный патрубок с воздушным колпаком, верхняя полость насоса через обратные клапаны сообщена со сборником жидкости и нагнетательным патрубком, нижняя полость насоса сообщена с подающей трубой Г-образным патрубком,
ориентированным в ней в сторону ударного клапана, вводится теплогенератор, подсоединенный входным патрубком к нагнетательному патрубку диафрагменного насоса, а выходным через редукционный клапан давления к его всасывающему патрубку, причем всасывающий патрубок насоса сообщен со сборником жидкости через дополнительный обратный клапан, а нижняя полость насоса, через обратный клапан на ней, сообщена с напорным патрубком и дополнительным воздушным колпаком.
В качестве теплогенератора могут быть использованы теплогенераторы любой конструкции, но наибольший интерес представляет вихревой гидравлический теплогенератор вследствие его автономности, так как он работает только за счет энергии гидравлического потока. Он имеет высокий коэффициент полезного действия, поскольку в рабочем процессе проявляются особые физические вихревые эффекты. Особое его качество в том, что рабочей средой в нем, также как в гидротаране, является вода. Следовательно, согласующиеся по многим параметрам, гидротаран и тепловой гидрогенератор образуют автономную, простую по конструкции, надежную, недорогую, высокопроизводительную энергетическую установку гидравлического типа.
Кроме решения задачи по теплоснабжению в данной конструкции предусматривается отбор горячей воды из контура теплогенератора на бытовые нужды. В этом случае для пополнения ушедшего объема воды из теплогенератора между всасывающим патрубком диафрагменного насоса и сборником жидкости предусмотрен дополнительный обратный клапан. При использовании в контуре теплогенератора рабочей среды другого типа источником пополнения жидкости может быть специальная емкость или устройство.
Чтобы сохранить для потребителя поставку холодной воды, в конструкции гидротарана имеется дополнительная напорная магистраль с воздушным колпаком, обратным клапаном и задвижкой, присоединенная к нижней полости диафрагменного насоса.
Сущность технического решения поясняется чртежами, где:
Фиг.1. Общий вид гидротарана в разрезе с теплогенератором.
Фиг.2. Схема эксплуатации гидротаранной установки.
Гидротаран содержит подающую трубу 1, с установленным в ней ударным клапаном 2 и сборником жидкости 3 на выходе, диафрагменный насос 4, верхняя полость 5 которого через обратные клапаны 6 и 7 сообщена всасывающим патрубком 8 через дополнительный обратный клапан 9 со сборником жидкости 3, нагнетательным патрубком 10, снабженным воздушным колпаком 11, с входным патрубком 12 теплогенератора 13. Выходной патрубок 14 теплогенератора 13 через редукционный клапан давления 15 подсоединен к всасывающему патрубку 8 диафрагменного насоса 4. Нижняя полость 16 диафрагменного насоса 4, отделенная диафрагмой 17 от верхней полости 5, сообщена с подающей трубой 1 Г-образным патрубком 18, ориентированным в ней в сторону ударного клапана 2. Кроме того полость 16, через обратный клапан 19, сообщена с напорным патрубком 20, оборудованным дополнительным воздушным колпаком 21 и задвижкой 22. Теплогенератор 13 имеет отводящий трубопровод 23 с задвижкой 24, а один из его патрубков 12 или 14 заведен, путем удлинения, в жилое помещение 25 и снабжен радиатором 26. Установлен такой гидротаран на источнике 27, расположенном на небольшом удалении от обогреваемого объкта 25.
1
Работа предлагаемого гидротарана происходит следующим образом. При открытии ударного клапана 2 (фиг.1), путем перевода его в нижнее положение, вода за счет перепада высот H (фиг.2) между источником 27 и ударным клапаном 2 подающей трубы 1 начинает по ней разгоняться и достигает скорости, при которой сила гидродинамического сопротивления клапана 2 становится больше его веса, и клапан 2 мгновенно закрывается, вызывая гидравлический удар. Гидравлический удар влечет за собой мгновенное и многократное повышение давления в подающей трубе 1, что обеспечивает приток воды в нижнюю полость 16 диафрагменного насоса 4,
прогиб диафрагмы 17 и вытеснение рабочей жидкости из верхней полости 5 через обратный клапан 7 в нагнетательный патрубок 10, далее в воздушный колпак 11 и во входной патрубок 12 теплогенератора 13.
Всвязи с перетеканием части воды из подающей трубы 1 в диафрагменный насос 4, а так же за счет прихода волны разрежения, разность давлений на ударном клапане 2 снижается, и он под действием силы тяжести вновь открывается, вызывая новый поток воды из родника 27 по подающей трубе 1. Возрастающая при этом скорость потока вызывает за счет эжекции на Г-образном патрубке 18 глубокое снижение давления в нижней 16 и верхней 5 полостях диафрагменного насоса 4, что приводит к открытию всасывающего обратного клапана 6.
Разность давлений в воздушном колпаке 11 и верхней полости 5 диафрагменного насоса 4 обеспечивает движение воды по контуру: воздушный колпак 11 - теплогенератор 13 -редукционный клапан давления 15 - всасывающий патрубок 8 - верхняя полость диафрагменного насоса 5, с заполнением последней. Воздушный колпак 11 при этом обеспечивает плавность подачи воды в теплогенератор 13, то есть ее непрерывность как при фазе нагнетания, так и при фазе всасывания.
В теплогенераторе 13 происходит нагрев жидкости путем либо непосредственной теплопередачи, например от электрического бойлера, либо путем преобразования формы энергии. В рассматриваемом случае происходит переход гидравлической энергии в тепловую, который к тому же происходит с наивысшей, по сравнению с другими вариантами, эффективностью (Усаковский В.М. Водоснабжение и водоотведение в сельском хозяйстве. - М.: Колос, 2002. - с.305).
По мере дальнейшего увеличения скорости воды в подающей трубе 1 сила гидродинамического сопротивления клапана 2 вновь возрастает и при ее значении большем веса клапана 2, поток воды его мгновенно закрывает. Происходит последующий гидравлический удар, повышение давления и теплая вода из верхней полости 5 вновь через обратный клапан 7
устремляется в напорный патрубок 10. Рабочий цикл повторяется, что обеспечивает непрерывную циркуляцию рабочей жидкости в контуре диафрагменный насос - теплогенератор и ее дальнейший нагрев, причем с каждым циклом до более высоких температур.
Нагретая таким образом вода или другая рабочая жидкость может быть поднята к потребителю и использована для отопления при условии выполнения нагнетательного патрубка 10 в виде петли, заведенной на обогреваемый объект 25 (Фиг.2) и снабжения ее радиатором 26.
Кроме выполнения функции отопления предлагаемое устройство используется для горячего водоснабжения - для этого от теплогенератора 13 вода поднимается по нагнетательному трубопроводу 23 и ее расход регулируется задвижкой 24. При этом отбор горячей воды вызовет уменьшение давления в воздушном колпаке 11, что приведет к сокращению разности давлений вначале и конце контура, уменьшению расхода в нем и дефициту воды во всасывающем патрубке 8. В этом случае срабатывает дополнительный обратный клапан 9, и во время фазы всасывания диафрагменного насоса 4 при открытом ударном клапане 2 произойдет пополнение контура диафрагменный насос - теплогенератор водой из сборника жидкости 3. В качестве источника пополнения может быть использована также вода из родника 27, доставляемая по отдельной трубе, либо особая рабочая жидкость, хранящаяся в специальном резервуаре (на Фиг.1 и Фиг.2 не показано).
Причем, подъем горячей воды от родника 27 до жилого объекта 25 может осуществляться на высоту, не превышающую гидравлические потери в контуре диафрагменный насос - теплогенератор, иначе горячая вода будет циркулировать только в контуре, то есть двигаться по линии наименьшего сопротивления. Поэтому для высот, превышающих номинальное давление перед теплогенератором (≈60 м), в устройстве предусмотрен редукционный клапан давления 15, повышение гидравлических сопротивлений на котором, обеспечит увеличение высоты подъема горячей воды.
Подача холодной воды потребителю осуществляется путем открытия задвижки 22 напорного патрубка 20. В этом случае давление в напорном патрубке 20 снижается и становится меньше суммарных потерь от упругой диафрагмы 17 и гидравлических сопротивлений в контуре диафрагменный насос - теплогенератор, что обеспечит во время фазы гидравлического удара подачу жидкости через дополнительный обратный клапан 19, воздушный колпак 21, по напорному патрубку 20 к потребителю 26.
Использование предлагаемого гидротарана выгодно отличает его от насосов и аналогов. Во - первых, та энергия, которую получает потребитель традиционным способом с гидроэлектростанций, приходит от источника (реки) до стадии потребления с коэффициентом полезного действия около 20-30%. Такое низкое значение К.П.Д. обусловлено многократными изменениями форм энергии на пути от выработки до ее реализации, каждое из которых происходит с потерями.
Например, для электрического нагрева воды цепочка преобразования энергии выглядит следующим способом:
- падение воды с плотины;
- взаимодействие потока воды с лопатками турбины;
- механическое вращение турбины;
- получение электроэнергии на генераторе;
- передача электроэнергии по ЛЭП;
- преобразование электроэнергии в электродвигателе в механическую форму;
- преобразование механической энергии в насосе в гидравлическую;
- движение воды по трубам к потребителю;
- нагрев воды электронагревательными элементами. Следовательно, 70-80% вырабатываемой в мире электроэнергии уходит в потери. В обычном же гидротаране для доставки воды к потребителю происходит однократное преобразование энергии с К.П.Д., достигающим 90%.
Во - вторых, зачастую этот высокий К.П.Д. оказывается не востребуемым, поскольку излишек поставляемой воды просто по дренажу безвозвратно сливается обратно в водоисточник. В предлагаемом техническом решении потребителем берется лишь необходимое количество воды, а не востребуемая в таком виде энергия поставляется с высокой эффективностью в виде тепла для обогрева и горячего водоснабжения. То есть в рассматриваемом случае имеет место эффективное производство энергии с одновременной ее экономной реализацией.