Jakiś czas temu pisałem o młotku wodnym, zjawisku hydraulicznym, które może prowadzić do poważnych problemów w rurociągach. Następnie napisałem o młotku parowym, nieco pokrewnym zjawisku związanym z systemami rurociągów parowych, które może być bardzo niebezpieczne. A następnie, po młotku wodnym, napisałem o przejściowych zjawiskach podciśnieniowych, które mogą powodować zapadanie się rur, jeśli nie są one zaprojektowane i eksploatowane prawidłowo. Ale nawet po tych wpisach okazuje się, że nie opowiedziałem pełnej historii. Bo chociaż młot wodny jest generalnie problemem dla inżynierów, istnieje sposób, aby wykorzystać ten normalnie niepokojący efekt do korzystnych zastosowań. Hej, jestem Grady, a to jest Practical Engineering. W dzisiejszym odcinku rozmawiamy o hydraulicznych pompach ramowych.
Taran hydrauliczny to sprytne urządzenie wynalezione ponad 200 lat temu, które może pompować wodę pod górę bez żadnego innego zewnętrznego źródła zasilania poza wodą płynącą do niego. Nie, nie jest to urządzenie wolnej energii, ale jeśli się rozejrzeć, znajdziesz wiele wspaniałych implementacji tego stylu pompy na YouTube, głównie od ludzi robiących homesteading i off-grid vlogów stylu życia. I, to jest łatwe do zobaczenia, dlaczego pompy barana mają taką popularność wśród tych grup. Bo jeśli masz kawałek ziemi z obfitym źródłem wody, pompa baran pozwala uzyskać, że woda do zbiornika lub miejsce na wyższej wysokości z naprawdę eleganckiej konstrukcji, która nie wymaga energii elektrycznej lub paliwa i tylko dwie ruchome części. Oczywiście, zbudowałem własną, więc możesz zobaczyć, jak to działa, ale najpierw musimy zbudować tylko trochę podstawowej wiedzy na temat zachowania płynów. I jest to coś, co każdy może zrozumieć.
Istnieją trzy rodzaje energii, które może mieć płyn, a w inżynierii lądowej zazwyczaj przeliczamy je na ich odpowiedniki jako wysokość statycznej kolumny. Odległość ta nazywana jest głowicą. Zrozumienie energii w płynie jest sposobem, w jaki rozwiązujemy wiele problemów inżynierskich, ponieważ w większości scenariuszy ilość energii pozostaje taka sama, a jedyną rzeczą, która się zmienia, jest forma, jaką przyjmuje. Pierwszym rodzajem jest energia pochodząca od potencjału grawitacyjnego. Nie ma on odpowiednika w postaci statycznej kolumny, ponieważ jest to kolumna statyczna. Głowica jest po prostu odległością od arbitralnego punktu odniesienia. Łatwo to zademonstrować na przykładzie zbiornika i rurki. Mogę poruszać tą rurką gdziekolwiek chcę, ale poziom w rurce i zbiorniku zawsze będzie taki sam. Oba są wystawione na działanie ciśnienia atmosferycznego na swojej powierzchni i nie poruszają się, więc nie ma żadnej prędkości. Jest to tylko czysty potencjał grawitacyjny.
Drugim rodzajem energii jest głowica ciśnienia. W tym przypadku głowica to ciśnienie podzielone przez grawitację i gęstość cieczy. Tak więc, jeśli zamknę górną część mojego zbiornika i dodam trochę ciśnienia powietrza, poziom w rurce podniesie się. Nowa wysokość jest głowicą ciśnieniową, równoważną statyczną kolumną związaną z ciśnieniem w zbiorniku. Dla danego ciśnienia gęstszy płyn, taki jak rtęć, będzie miał niższą wysokość w porównaniu z lżejszym płynem, takim jak woda, ponieważ mają one różne masy jednostkowe. Dobrym przykładem pomiaru ciśnienia głowicy jest barometr. Żyjemy na dnie oceanu powietrza i chcemy śledzić ciśnienie powietrza na dole. Jednym z najprostszych sposobów, aby to zrobić jest zmierzenie jak wysoko ciśnienie może wypchnąć statyczną kolumnę płynu, w większości przypadków rtęci.
Ostatnim rodzajem energii jest prędkość głowicy, która odnosi się do energii kinetycznej płynu. Mogę zademonstrować równoważny słup wody używając narzędzia zwanego rurką pitota. Przelicznik dla głowicy prędkości to prędkość podniesiona do kwadratu podzielona przez 2 razy przyspieszenie grawitacyjne. To dużo wyjaśnień, ale są one ważne dla zrozumienia funkcji pompy taranowej. Ponieważ bez zewnętrznego źródła energii, nawet jeśli możesz przejść z jednego rodzaju energii do drugiego, nie możesz uzyskać więcej energii niż miałeś na początku. Na przykład, mogę przekształcić statyczny słup wody w taki z pewną prędkością, ale nigdy nie uda mi się doprowadzić płynu do wyższej wysokości niż ta, na której się rozpoczął… z jednym wyjątkiem. Wyjątkiem, z którego pięknie korzysta hydrauliczna pompa taranowa.
Pompa taranowa to w zasadzie tylko dwa jednokierunkowe zawory zwrotne, jeden zwany zaworem upustowym, a drugi zaworem tłocznym. Aby ją uruchomić, wystarczy chwilowo otworzyć zawór odpływowy, aby umożliwić przepływ wody. Po tym pracuje na własną rękę, aby pompować wodę pod górę powyżej wysokości źródła. Całkiem niesamowite, jak sądzę. Przejdźmy się po ścieżce wody, aby zrozumieć jak to działa. Po pierwsze, gdy otwiera się zawór odpływowy, woda wpływa do pompy i natychmiast wypływa z zaworu. Jednak w miarę zwiększania prędkości, płynąca woda w końcu zmusza zawór odpływowy do zatrzaśnięcia się. Teraz woda zatrzymuje się w pompie. Miała energię kinetyczną… ale teraz jej nie ma. Oznacza to, że energia kinetyczna została zamieniona na coś innego, w tym przypadku na ciśnienie. To jest właśnie definicja uderzenia wodnego. Zatrzaśnięcie zaworu przekształca całą tę energię kinetyczną niemal natychmiast, tworząc ogromny skok ciśnienia, który może prowadzić do naprężeń i uszkodzeń w systemach rurowych i podłączonym sprzęcie.
W przypadku pompy taranowej ten skok ciśnienia ma jednak inny skutek. Otwiera on drugi zawór zwrotny i wtłacza wodę z pompy do przewodu tłocznego. Jak widać na moim cyfrowym ciśnieniomierzu, proces ten jest cykliczny, pompując część wody i marnując resztę za każdym razem, gdy zawór się zamyka. Można zobaczyć, co dzieje się tutaj w czasie rzeczywistym: pompa odbiera część energii kinetycznej z przepływu i przekazuje ją mniejszej objętości wody. Jest to redystrybucja energii, zamieniająca niskie ciśnienie i wysoki przepływ na wysokie ciśnienie i niski przepływ. A ten typ pompy może naprawdę wytworzyć dużą wysokość podnoszenia. I prowadził mój przewód tłoczny do dobrze powyżej dachu mojej szopie, a moja pompa jest nadal w stanie uzyskać wody tam. Czasami komora powietrzna jest włączona do pompy, aby wygładzić te ostre skoki ciśnienia i zapewnić bardziej równomierne tempo przepływu z rury tłocznej, zmniejszając zużycie komponentów pompy.
Jeśli lubisz myśleć w kategoriach nowoczesnych urządzeń elektrycznych, wyobraź sobie, że zainstalowaliśmy turbinę hydroelektryczną na rurze, aby obracać generator, a następnie użyliśmy tej energii elektrycznej do zasilania pompy, aby poruszyć wodę wychodzącą z turbiny. Oczywiście nie byłbyś w stanie przepompować całej wody, a w każdym razie byłoby to dość skomplikowane ustawienie dla czegoś, co pompa rampowa może zrobić z kilkoma bardzo prostymi częściami hydraulicznymi z półki. W rzeczywistości istnieje rodzaj pompy, która działa z turbiny zasilanej wodą. Może zbuduję jedną z nich w następnej kolejności. Na razie jednak uważam, że pompa ramowa to pomysłowy sposób na wykorzystanie właściwości cieczy. Wszyscy potrzebujemy wody z wielu powodów, więc możliwość przenoszenia jej tam, gdzie jest nam potrzebna bez żadnych wymyślnych urządzeń czy zewnętrznych źródeł zasilania to całkiem niezłe narzędzie, które warto mieć w swojej skrzynce z narzędziami. Dziękuję i dajcie mi znać, co myślicie!