Hydraulický RAM - Hydraulic ram

Tento článek je o vodním čerpadle poháněném vodou. Pokud jde o motorem poháněné čerpadlo, viz Pístové čerpadlo . Nástroj pro extrakci vozidla najdete v části Hydraulické záchranné nástroje . Pístový pohon viz hydraulický válec .
Obrázek 1: Hydram Johna Blakea, který pohání kašnu v Centru alternativní technologie

Hydraulický válec , nebo hydram , je cyklický vodní čerpadlo poháněno vodní energie . Odebírá vodu jedním „ hydraulickým tlakem“ (tlakem) a průtokem a vydává vodu vyšším hydraulickým tlakem a nižším průtokem. Zařízení využívá efekt vodního rázu k vyvinutí tlaku, který umožňuje zvednutí části vstupní vody, která pohání čerpadlo, do bodu výše, než kde voda původně začala. Hydraulický beran se někdy používá v odlehlých oblastech, kde je jak zdroj nízkohlavé vodní energie, tak potřeba čerpat vodu na místo vyšší nadmořské výšky, než je zdroj. V této situaci je beran často užitečný, protože nevyžaduje žádný vnější zdroj energie kromě kinetické energie tekoucí vody.

Dějiny

Beranové čerpadlo ve Vognu , Nordjylland , Dánsko
Hydraulický beran v Kajny , Warmia , Polsko

V roce 1772 John Whitehurst z Cheshire ve Spojeném království vynalezl ručně ovládaný předchůdce hydraulického beranu zvaný „pulzační motor“ a nainstaloval první v Oultonu v Cheshire, aby zvedal vodu do výšky 4,9 metru (16 ft). V roce 1783 instaloval další v Irsku . Nechal si to patentovat a detaily jsou nejasné, ale je známo, že měl leteckou loď.

První samočinnou beranovou pumpu vynalezl Francouz Joseph Michel Montgolfier (nejlépe známý jako spoluvynálezce horkovzdušného balónu ) v roce 1796 za účelem získávání vody ve své papírně ve Voironu . Jeho přítel Matthew Boulton vzal jeho jménem britský patent v roce 1797. Synové Montgolfiera získali britský patent na vylepšenou verzi v roce 1816, a ten spolu s Whitehurstovým designem získal v roce 1820 Josiah Easton , rodák ze Somersetu. inženýr, který se právě přestěhoval do Londýna.

Eastonova firma, zděděná jeho synem Jamesem (1796–1871), se během devatenáctého století rozrostla a stala se jedním z nejvýznamnějších strojírenských výrobců ve Spojeném království s rozsáhlými závody v Erith v Kentu . Specializovali se na systémy zásobování vodou a kanalizace po celém světě a také na projekty odvodňování půdy . Eastons měl dobré podnikání a dodával berany pro účely zásobování vodou do velkých venkovských domů , farem a vesnických komunit. Některé z jejich instalací ještě přežily v roce 2004, jedním z takových příkladů byla osada Toller Whelme v Dorsetu . Asi do roku 1958, kdy dorazila voda z rozvodné sítě, měla vesnička East Dundry jižně od Bristolu tři pracovní berany - jejich hlučné „bušení“ každou minutu rezonovalo nocí a dnem údolím: tito berani sloužili farmám, které pro svůj život potřebovaly hodně vody. mléčná stáda.

Firma byla uzavřena v roce 1909, ale v podnikání berana pokračoval James R. Easton . V roce 1929 jej získala společnost Green & Carter z Winchesteru , Hampshire , která se zabývala výrobou a instalací Vulcan a Vacher Rams.

Hydraulický beran, System Lambach nyní v skanzenu Roscheider Hof

První americký patent byl vydán Josephu Cerneauovi (nebo Curneauovi) a Stephenovi (Étienne) S. Halletovi (1755-1825) v roce 1809. Zájem USA o hydraulické berany se zvýšil kolem roku 1840, protože byly vydány další patenty a domácí společnosti začaly nabízet berany na prodej. Ke konci 19. století zájem opadal, protože elektřina a elektrická čerpadla se staly široce dostupné.

Kněžský hydraulický beran , postavený v roce 1890 v Idahu, byl „úžasný“ vynález, zjevně nezávislý, který zvedl vodu o 110 stop (34 m) a zajišťoval zavlažování. Beran přežije a je uveden v americkém národním registru historických míst .

Na konci dvacátého století se zájem o hydraulické berany opět obnovil, a to kvůli potřebám udržitelné technologie v rozvojových zemích a zachování energie v rozvinutých zemích . Příkladem je Aid Foundation International na Filipínách, která získala Cenu Ashden za svou práci při vývoji beranových pump, které by bylo možné snadno udržovat pro použití v odlehlých vesnicích. Princip hydraulického beranu byl použit v některých návrzích na využití vlnové energie , o jednom z nich již v roce 1931 hovořil Hanns Günther ve své knize In hundert Jahren .

Některé pozdější návrhy beranů ve Velké Británii nazývané složené berany byly navrženy k čerpání upravené vody pomocí neupraveného zdroje pohonné vody, což překonává některé problémy s pitnou vodou získávanou z otevřeného proudu.

V roce 1996 si anglický inženýr Frederick Philip Selwyn nechal patentovat kompaktnější hydraulické pístové čerpadlo, kde odpadní ventil využíval Venturiho efekt a byl uspořádán soustředně kolem vstupního potrubí. V současné době se prodává jako „Papa Ram Pump“.

Uspořádání ventilů hydraulického pístového čerpadla Papa

Konstrukce a princip činnosti

Tradiční hydraulický beran má pouze dvě pohyblivé části, pružinový nebo závaží zatížený „odpadní“ ventil, někdy známý jako „klapkový“ ventil a „dodávkový“ zpětný ventil , takže je jeho konstrukce levná, snadno se udržuje a je velmi spolehlivý.

Kněžský hydraulický beran , podrobně popsaný v encyklopedii Britannica z roku 1947 , nemá žádné pohyblivé části.

Sekvence provozu

Obrázek 2: Základní součásti hydraulického beranu:
1. Vstup - hnací potrubí
2. Volný průtok na odpadním ventilu
3. Výstup - výtlačné potrubí
4. Odpadní ventil
5. Zpětný zpětný ventil
6. Tlaková nádoba

Zjednodušený hydraulický beran je zobrazen na obrázku 2. Zpočátku je odpadní ventil [4] kvůli své vlastní hmotnosti otevřený (tj. Spuštěný) a pod tlakem způsobeným vodním sloupcem z výstupu je zavírací ventil [5] [3]. Voda ve vstupním potrubí [1] začne proudit pod gravitační silou a nabírá rychlost a kinetickou energii, dokud rostoucí odporová síla nezvedne váhu odpadního ventilu a nezavře ji. Hybnost průtoku vody v přívodním potrubí proti nyní uzavřen odpadního ventilu způsobuje vodní ráz , který zvyšuje tlak v čerpadle za tlaku způsobeného vodního sloupce lisovací dolů ze zásuvky. Tento tlakový rozdíl nyní otevírá výtlačný ventil [5] a nutí trochu vody proudit do výtlačného potrubí [3]. Protože je tato voda tlačena do kopce výtlačným potrubím dále, než klesá dolů ze zdroje, tok se zpomaluje; když se tok obrátí, zavírá se zpětný ventil dodávky [5]. Mezitím vodní kladivo ze zavírání odpadního ventilu také vytváří tlakový puls, který se šíří zpět vstupním potrubím ke zdroji, kde se převádí na sací puls, který se šíří zpět dolů vstupním potrubím. Tento sací impuls, se závažím nebo pružinou na ventilu, vytáhne odpadní ventil zpět a umožní proces začít znovu.

Tlaková nádoba [6] obsahující vzduch tlumí hydraulický tlakový ráz při zavírání odpadního ventilu a také zlepšuje účinnost čerpání tím, že umožňuje konstantnější průtok výtlačným potrubím. Ačkoli by čerpadlo teoreticky mohlo fungovat bez něj, účinnost by drasticky klesla a čerpadlo by bylo vystaveno mimořádnému namáhání, které by mohlo výrazně zkrátit jeho životnost. Jedním z problémů je, že stlačený vzduch se postupně rozpustí ve vodě, dokud žádný nezůstane. Jedním z řešení tohoto problému je nechat vzduch od vody oddělit elastickou membránou (podobnou expanzní nádrži ); toto řešení však může být problematické v rozvojových zemích, kde je obtížné získat náhrady. Dalším řešením je prosévací ventil instalovaný v blízkosti pohonné strany výtlačného ventilu. To automaticky vdechne malé množství vzduchu pokaždé, když se zavírá výtlačný ventil a vyvíjí se částečné vakuum. Dalším řešením je vložit vnitřní trubici automobilu nebo jízdního kola pneumatiky do tlakové nádoby s nějakým vzduchu v ní a ventil je uzavřen. Tato trubice je ve skutečnosti stejná jako membrána, ale je implementována s více široce dostupnými materiály. Vzduch v trubici tlumí vodní šok stejně jako vzduch v jiných konfiguracích.

Účinnost

Typická energetická účinnost je 60%, ale je možné až 80%. To by nemělo být zaměňováno s objemovou účinností, která souvisí s objemem vody dodané do celkové vody odebrané ze zdroje. Část vody, která je k dispozici na výtlačném potrubí, se sníží o poměr výtlačné hlavy k přívodní hlavě. Pokud je tedy zdroj 2 metry nad beranem a voda je zvedána do 10 metrů nad beran, může být k dispozici pouze 20% dodávané vody, přičemž dalších 80% se vylije přes odpadní ventil. Tyto poměry předpokládají 100% energetickou účinnost. Skutečná dodaná voda bude dále snížena o faktor energetické účinnosti. Pokud je ve výše uvedeném příkladu energetická účinnost 70%, bude dodaná voda 70%z 20%, tj. 14%. Za předpokladu poměru 2: 1 dodávka-hlava-dodávka-hlava a 70% účinnosti by dodávaná voda byla 70% z 50%, tj. 35%. Velmi vysoké poměry dodávky k dodávce mají obvykle za následek snížení energetické účinnosti. Dodavatelé beranů často poskytují tabulky s očekávanými objemovými poměry na základě skutečných testů.

Konstrukce potrubí pohonu a dodávky

Protože účinnost i spolehlivé cyklování závisí na účincích vodního rázu, je konstrukce hnacího potrubí důležitá. Měla by být 3 až 7krát delší než svislá vzdálenost mezi zdrojem a beranem. Komerční berany mohou mít vstupní tvarovku navrženou tak, aby vyhovovala tomuto optimálnímu sklonu . Průměr přívodního potrubí by normálně odpovídal průměru vstupního šroubení na beranu, což je zase založeno na jeho čerpací kapacitě. Hnací potrubí by mělo mít konstantní průměr a materiál a mělo by být co nejrovnější. Tam, kde jsou ohyby nutné, by měly být hladké křivky velkého průměru. Je povolena i velká spirála, ale loktům je třeba se vyhnout. V některých instalacích bude fungovat PVC, ale upřednostňuje se ocelová trubka, i když mnohem dražší. Pokud se používají ventily, měly by být typu s volným průtokem, jako je kulový ventil nebo šoupátko .

Dodávací trubka je mnohem méně kritická, protože tlaková nádoba brání efektům vodního rázu, aby se po ní pohybovaly. Jeho celková konstrukce by byla určena přípustným poklesem tlaku na základě očekávaného průtoku. Typicky bude velikost potrubí přibližně poloviční než u přívodního potrubí, ale u velmi dlouhých běhů může být uvedena větší velikost. PVC potrubí a případné potřebné ventily nejsou problém.

Zahájení provozu

Beran nově uvedený do provozu nebo který přestal cyklovat, by se měl automaticky spustit, pokud je správně nastavena hmotnost odpadního ventilu nebo tlak pružiny, ale lze jej restartovat následujícím způsobem: Pokud je odpadní ventil ve zvednuté (zavřené) poloze, musí být zatlačte ručně dolů do otevřené polohy a uvolněte. Pokud je průtok dostatečný, bude se alespoň jednou cyklovat. Pokud nepokračuje v cyklu, musí být opakovaně tlačen dolů, dokud se sám cykluje nepřetržitě, obvykle po třech nebo čtyřech ručních cyklech. Pokud se beran zastaví s odpadním ventilem v dolní (otevřené) poloze, musí být zvednut ručně a držen tak dlouho, jak je nutné, aby se přívodní potrubí naplnilo vodou a aby případné vzduchové bubliny putovaly potrubím nahoru ke zdroji. V závislosti na délce a průměru přívodního potrubí to může nějakou dobu trvat. Poté jej lze spustit ručně několikrát zatlačením dolů, jak je popsáno výše. Díky ventilu na výtlačném potrubí u beranu je startování snazší. Zavřete ventil, dokud se beran nezačne cyklovat, a poté jej postupně otevřete, aby se naplnilo výtlačné potrubí. Pokud se otevře příliš rychle, cyklus se zastaví. Jakmile je výtlačné potrubí plné, může být ventil ponechán otevřený.

Běžné provozní problémy

Nedostatek dostatečného množství vody může být způsoben nesprávným nastavením odpadního ventilu, příliš malým množstvím vzduchu v tlakové nádobě nebo jednoduše pokusem zvednout vodu výše, než je úroveň, kterou je beran schopen.

Beran může být poškozen mrazem v zimě nebo ztrátou vzduchu v tlakové nádobě, což vede k nadměrnému namáhání částí beranu. Tyto poruchy budou vyžadovat svařování nebo jiné způsoby opravy a případně výměnu dílů.

Není neobvyklé, že operační beran vyžaduje občasné restartování. Cyklus se může zastavit kvůli špatnému nastavení odpadního ventilu nebo nedostatečnému průtoku vody u zdroje. Vzduch může vstoupit, pokud hladina přívodní vody není alespoň několik palců nad vstupním koncem přívodního potrubí. Dalšími problémy jsou ucpání ventilů úlomky nebo nesprávná instalace, například použití přívodního potrubí nestejnoměrného průměru nebo materiálu, které má ostré ohyby nebo drsný interiér, nebo potrubí, které je příliš dlouhé nebo krátké na pokles, nebo je z nedostatečně tuhého materiálu. V některých instalacích bude fungovat přívodní trubka z PVC, ale ocelová trubka je lepší.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy