Как сделать автоматический полив дождевой водой без насосов и электричества своими руками

Описание гидротарана:

Гидротаран (гидравлический таран) – это несложный и остроумный механизм, который, не нуждаясь в источнике энергии и не имея двигателя, поднимает воду на высоту нескольких десятков метров.

Он может месяцами непрерывно работать без присмотра, регулировки и обслуживания, снабжая водой небольшой экопосёлок, родовое поселение, общину или ферму.

В основе работы гидравлического тарана лежит так называемый гидравлический удар — резкое повышение давления в трубопроводе.

Как и почему работает гидротаран

Главная особенность данного насоса — он использует кинетическую энергию воды, которая уже находится в потоке. То есть, для подачи воды на высоту необходим перепад уровней. Он может быть минимальным — 0,5 м, но чем этот показатель больше, тем эффективнее работа насоса.

Мы нарочно не приводим гидравлический расчёт — он крайне сложен и сводится лишь к оптимальной пропорции перепада высоты между точкой забора воды, рабочей частью насоса и верхней точкой слива. Поскольку это устройство будет установлено в конкретных условиях, все величины разумно определить по месту.

Вода, попадая в фидер, под действием гравитации стремится к нижней точке, создавая избыточное давление, на которое реагирует гидроклапан. В момент его срабатывания вода блокируется в закрытой системе и происходит явление гидроудара, который проталкивает воду через обратный клапан в расширительный бак.

Принцип работы гидротаранного насоса на видео

После сброса давления в расширительный бак гидроклапан снова открывается и цикл возобновляется. Подача воды происходит импульсами. Многие уже догадались, что работа насоса становится возможна за счёт разности плотности сред — несжимаемой воды и воздуха, который легко аккумулирует давление.

Конструкция с описанием

Вот так он выглядит. Все делано из труб ПВХ.

В данном случае конструкция имеет вид прямой трубы с различными клапанами и краниками, с ответвлением в центре более толстого диаметра трубы.

Самая толстая чать — это буфер или ресивер для накопления и стабилизации давления. Слева и справа установлены входные и выходные шаровые краны.

Я буду рассматривать насос справа на лево. Так как правая сторона — это вход для воды, а левая — выход.

Вообщем, уяснили, что вода подается на шаровый кран справа. Далее идет на тройник. Тройник, разделяет потоки. Вверх подает к клапану, который закрывается при достаточном давлении. А прямой поток подается на клапан, который открывается при достижении нужного давления.

Затем, идет опять тройник на ресивер и уже на выход. А, ещё манометр, но его может и не быть, не столь важен.

Высокая скорость процесса

Прежде всего, следует учесть высокую скорость процесса. Поскольку скорость перемещения границ зон с различным давлением при высокой жёсткости трубы и заглушки определяется скоростью распространения упругих деформаций в жидкости, т.е. скоростью звука, всё происходит за очень короткое время.

Скорость звука в жидкостях обычно составляет порядка 1000…1500 м/с (для воды при 4°С — 1.435 км/с, при 45°С ­ 1.51 км/с (максимум), при 100°С — 1.46 км/с), поэтому в трубе с водой длиной 15 метров процесс распространения ударной волны от заглушки до входа или обратно займёт примерно 10 миллисекунд.

Это означает, например, что в горизонтальной трубе за такое время пустота в зоне отрыва не успеет сколько-нибудь существенным образом перераспределиться и останется «сконцентрированной» именно возле заглушки, а не превратится в относительно небольшое снижение уровня жидкости на значительной части длины трубы.

Многие другие эффекты, скажем, испарение заметного количества жидкости с границы зоны отрыва в область разрежения и, как следствие, существенное повышение там давления, также не смогут проявиться в полной мере из-за краткости отпущенного им времени.

Гидроклапан

Заводская модель этого устройства может оказаться дорога за счёт материала, прокладок и пружины, выставленной на определённое давление. В нашем случае, когда мы используем бесплатную энергию, которую просто нет смысла экономить или учитывать, достаточно самого факта блокировки потока воды. Для этого вполне подойдёт гидроклапан собственного изготовления.

Насос с самодельным гидроклапаном — видео установки с комментариями

Идеальное место установки такого насоса — пороги реки с их значительными перепадами или ручьи.

Гидротаран – гидравлический таран.

 Гидротаран (гидравлический таран) – это несложный и остроумный механизм, который, не нуждаясь в источнике энергии и не имея двигателя, поднимает воду на высоту нескольких десятков метров.

Гидротаран. насос, качающий воду для полива без электричества и топлива

Схема и описание гидротарана. Если кратко, то это простое устройство работает так: вода, при своем течении на перепаде высот создает напор в трубе, закрывая один клапан и открывая другой. При открытии нагнетательного клапана и наполнении воздушной емкости, создается понижение давления в системе, которое открывает основной (отбойный) клапан с кратковременным вытеканием воды.

На этой анимации более понятен принцип работы. Т.е. мы забираем тот поток воды, который выходит с воздушной емкости. Он гораздо меньше того, что показан справа на схеме, но вода в нем под пульсирующим давлением, и способна подняться на приличную высоту.

Изобретение принципа работы гидротарана появилось в конце 18в. от англичанина Д. Уайтхёст и француза Монгольфье. Но они делали устройства, основываясь на эмпирические закономерности. Лишь Н.Жуковский в конце 19 в. подвел теоретические расчеты под этот процесс гидроудара.

На западе это устройство известно под названием ram-pump (таранный насос). В СССР достаточную известность получили разработки гидротаранов Рогозина Г.В. Под его началом в Кыргызстане изготавливалось много подобных насосов и устанавливались в каналах и горных реках для подъема воды для полива на полях:

И сейчас некоторые производители продолжают выпуск подобных установок для мелиорации и водоснабжения, основываясь на наработки советского инженера Рогозина:

Проект перекачки воды с ручья в Кызыле. Посмотрите, на какую высоту перекачивается вода без использования электричества. Используя только законы гидравлики и перепад давления в потоке.

На этом принципе не так давно создавались опытные образцы для выработки электроэнергии:

Почему они не пошли в серию – большой вопрос. Ведь в этих модификациях используется уже не перепад высоты в русле реки, а перепад давления на поверхности и на глубине, если я правильно понял. У этой установки есть проблема: автоколебания могут затухать из-за растворимости воздуха в воде воздушной емкости. Но это решаемо.

Представьте, поселок находится у большого и глубокого озера. Совместно устанавливается, опускается на дно на платформе такой агрегат и питает электроэнергией дома. Не нужен ни газ, ни дрова. Оплата только за обслуживание. Золотой век независимости от энергетических монополий!

Но это все большие установки, которые могут перекачивать тысячи литров в час и импульсной подачей жидкости приводить к вращению генераторы. Для частного сектора и их нужд иногда достаточно и менее продуктивного устройства. Такие гидротараны давно делают как кулибины, так и небольшие фирмы. Вот конструкция, сделанные из распространенных деталей, которые можно приобрести в любом магазине:

Детали

Все детали разложены перед сборкой. Я использую ПВХ трубы, они клеются на клей, но вполне можно использовать и полипропилен.

Клапан.

Изготовление водяного насоса

Итак, для начала я расскажу как устроен насос, а потом его принцип действия и работа в реальных условиях.

Испытания насоса

Пришло время установить и испытать насос. Хочу немного оговориться и сказать, что насос не то чтобы качает воду, а скорее усиливает её напор. Я имею в виду, что для работы насоса необходимо начальное давление.

Для этого установим насос в небольшом ручье. Подключим длинную трубу в несколько метров (это обязательно условие) и будем забирать воду с небольшого возвышения. В итоге к насосу вода будет течь сама.

Ставим ресивер вертикально, латунный клапан должен быть на открытом воздухе.

И насос, щелкая клапанами начинает подавать воду выше уровня забора. Гораздо выше уровня забора воды вначале трубы.

Конструкция гидротарана

Привычные помпы состоят из нагнетающего устройства (закрытая крыльчатка, поршень, мембрана), активатора (ДВС, электромотор, иной привод), трубопровода и системы клапанов. Схема гидротаранного насоса предельно проста, его уникальность заключается в том, что активатором и поршнем выступает сам агент (вода).

Основа насоса — сплошная трубка с тремя отводами, которую можно собрать из обычных фитингов и трубы, имеющихся в любом магазине сантехники.

Первый отвод. К нему подключается питающая труба (фидер), о ней расскажем отдельно.

Второй отвод. Через ниппели и муфты к нему подключается обратный клапан, расширительный бак с мягкими стенками и выходной патрубок. В качестве расширительного бачка вполне пригодна пластиковая бутылка, на заводских моделях устанавливают полноценные баки в металлическом корпусе с резиновой мембраной.

Третий отвод. Здесь должен быть установлен главный элемент — проточный гидроклапан. Это элемент запорной арматуры, который перекрывает поток воды при критическом увеличении давления. Его работа регулируется пружиной. Такие клапаны до 1,5″ можно пробрести в магазине, но при большем диаметре их стоимость может быть довольно велика (20 у. е. и выше).

Конструкция гидротарана “качалыч”:

• 1. Питающая труба
• 2. Корпуса отбойного и напорного клапанов
• 3. Воздушный колпак
• 4. Напорный клапан
• 5. Клапанный узел
• 6. Скоба крепления
• 7. Отбойный клапан

Особенности явления гидроудара

Гидроудар в силу своей природы имеет несколько существенных особенностей, о которых нельзя забывать.

Повторные циклы

Как уже было сказано выше, после фазы 7 (разрежения) снова следует фаза 1 — пустая (или разреженная) часть трубы снова заполняется жидкостью под давлением. В результате при гидроударе происходит своеобразный колебательный процесс, естественно, довольно быстро затухающий.

При этом весьма важно знать, что же является главным фактором для возникновения повторного удара — разгон жидкости, заполняющей пустоту, возникшую при отрыве её от заглушки в фазе разрежения или упругая реакция внешней среды на возмущения, вызванные отбойным движением жидкости от заглушки ко входу в фазах 4–6.

Ответ на этот вопрос определяет, является ли отрыв жидкости от заглушки в фазе 7 необходимым условием возникновения повторных циклов или они будут иметь место даже если отрыва не происходит?

Понадобится

Предварительно следует приготовить следующие материалы:

• полиэтиленовую трубу на 32 мм;
• стальной сгон на 1 дюйм длиной 150 мм;
• две гайки дюймовые на 1 дюйм;
• две силиконовые прокладки под гайки на 1 дюйм;
• два отвода с внутренней резьбой 1 дюйм × 32 мм;
• два уголка на 90 градусов 32×90 мм.

Для работы понадобится только коронка сверлильная по металлу 32 мм, держатель для коронки с хвостовиком и сверлом, и дрель.

Преимущества гидротарана:

– длительный срок службы,

– лёгок в использовании и неприхотлив в обслуживании,

– работает без топлива, электричества, газа и ручной силы, экономит финансы в колоссальных объёмах,

– может обеспечивать хозяйство до одного миллиона литров воды в год.

Применение гидротарана:

Гидротараны устанавливаются на реки, ручьи, водопады и ключи, а также на любые скопления воды, где есть возможность установить запруду с перепадом высоты от 0,5 метров.

Самодействующие насосы-гидравлические тараны не предназачены для колодцев, скважин и озёр!

Принцип действия гидротарана:

Ниже на рисунке изображена принципиальная схема гидротарана.

• 1. Питающая труба
• 2. Отбойный клапан
• 3. Напорный клапан
• 4. Воздушный колпак
• 5. Напорный трубопровод
• 6. Устройство забора воды

Питающая труба (1) имеет относительно большую длину. Высота уровня воды в месте её забора и в месте установки отбойного клапана должна быть не менее 0,5 м (от перепада напрямую зависит производительность и высота напора).

Гидравлический таран работает следующим образом. При открытом отбойном клапане (2) вода, двигаясь по питающей трубе (1), сливается наружу. При достижении определенной скорости потока, вода подхватывает отбойный клапан (2) и ускоренно перемещает его верх. Клапан (2) резко перекрывает поток воды.

Передние слои воды, упираясь в клапан (2), останавливаются, в то время как остальные слои столба воды в питающей трубе (1) по инерции продолжают движение. Вследствие этого, происходит резкое повышение давления в зоне отбойного клапана (2), и весь столб воды в трубе (1) останавливается.

Процесс повышения давления в трубе (1) сопровождается упругим сжатием воды. После остановки воды в трубе (1) возникает обратная, отраженная волна давления в сторону устройства забора воды (6), приводящая к понижению давления у отбойного клапана (2), вплоть до разряжения.

Отбойный клапан (2) открывается, и процесс повторяется снова. В моменты повышения давления в области отбойного клапана (2) вода через напорный клапан (3) поступает в полость воздушного колпака (4) или, иначе, пневмогидроаккумулятора. Далее вода, практически без пульсации, по напорному трубопроводу (5) поступает к месту назначения.

Описанное явление, когда разогнанный массивный столб воды в длинной питающей трубе (1) ударяет по внезапно закрытому отбойному клапану (2), называют гидравлическим ударом.

Принцип работы водяного насоса

Все это кажется по истине удивительным и невероятным, но тут нет никакого секрета. Такие водяные насосы ещё называют гидроударными и работают они так:

Когда подается вода, то она сразу устремляется в открытый клапан.

Как только вода наберет небольшой разбег этот клапан резко закроется. А так как столб воды в трубе имеет инерцию как и любая физическая масса, то произойдет гидроудар, который создаст избыточное давление, способное открыть второй клапан. И вода устремится в ресивер, где будет сжимать воздух.

Как только избыточное давление будет погашено и станет меньше исходящего — средник клапан закроется и откроется верхний. В результате чего вода опять побежит через верхний клапан.

Далее цикл повторяется.

Процесс изготовления автополива

Держатель с коронкой за хвостовик зажимаем в патрон дрели и немного ниже верха бочки сверлим отверстие в ее стенке. Вставляем в просверленное отверстие сгон. С наружной и внутренней стороны стенки бочки на сгон устанавливаем по одной силиконовой прокладке и плотно зажимаем их гайками с применением рожковых ключей. На концы сгона накручиваем и затягиваем два пластиковых уголка с внутренней резьбой, предварительно уплотнив фум-лентой.

К уголкам подсоединяем отводы. К внутреннему отводу крепим отрезок пластиковой трубы, немного не доходящий по длине до дна бочки, а к наружному подсоединяем поливную полиэтиленовую трубу необходимой длины.

В ней напротив каждого кустика или дерева сверим небольшие отверстия для полива.

Работает наша простая система полива за счет незначительного перепада гидростатического давления. Во время дождя бочка заполняется дождевой водой доверху, создавая избыточное давление благодаря столбу жидкости от верха емкости до сгона. В результате вода поднимается по внутренней вертикальной трубе и попадает в поливную магистраль с отверстиями.

Даже если дождь прекращается, и вода в бочке опускается ниже сгона, полив растений не прекращается, так как в вертикальной внутренней трубке создается разряжение, и вода будет всасываться в нее, пока емкость полностью не опорожнится.

Конец всасывающей трубки в бочке желательно снабдить съемным сетчатым фильтром для удержания мелкого сора и предотвращения закупорки отверстий в поливной трубе.

Также можно выполнить систему полива на основе большого куба с нижней раздачей, регулировочными кранами и разветвленной прокладкой труб.

Размер имеет значение

С увеличением размеров трубы сила гидроудара значительно возрастает, причём для одного и того же давления у входа в трубу этот рост обычно круче линейной зависимости. Здесь мы рассмотрим качественные причины такого поведения (количественные результаты автоматически следуют из расчётов, приведённых в следующих разделах этой страницы).

Дело в том, что энергия гидроудара определяется его длительностью, зависящей от длины и жёсткости трубы, и мощностью, которая прямо зависит от скачка давления, в свою очередь линейно зависимого от скорости потока в момент остановки. Поэтому при той же скорости потока скачок давления будет тем же, но длительность гидроудара, а значит и его общая энергия, возрастут в соответствии с увеличением длины трубы.

Однако при увеличении линейных размеров масса (и, следовательно, кинетическая энергия при той же скорости) возрастает пропорционально объёму, т.е. кубу их изменения, а потери на трение о стенки трубы — пропорционально площади соприкосновения, то есть квадрату изменения размеров.

В результате при одном и том же внешнем давлении мы получаем сильный гидроудар в большой трубе и слабый — в маленькой. При этом слишком большое удлинение трубы без увеличения её диаметра также ослабит гидроудар за счёт того, что возрастающее гидравлическое сопротивление снизит скорость потока к моменту остановки.

Отсюда следует вывод, что имеется некоторая оптимальная (или, может быть, наоборот — фатальная) длина трубопровода, при которой гидроудар имеет максимальную силу. При меньшей длине поток не успевает разогнаться до максимальной скорости либо длительность гидроудара получается слишком маленькой, при большей — гидравлическое трение отбирает слишком много энергии у движущегося потока, снижая его скорость до «безопасных» величин.

Кроме того, если при увеличении диаметра трубы толщина её стенок не увеличится, то жёсткость, а следовательно, скорость ударной волны и скачок давления при гидроударе снижаются. Правда, на столько же возрастает его длительность, — так что общую энергию гидроудара снижение толщины стенок не уменьшает, а вот шансы разрыва трубы увеличиваются!

Для слишком узких трубок большое значение начинают играть поверхностные эффекты, в том числе поверхностное натяжение. Все они препятствуют разгону потока и потому также снижают силу гидроудара. Чтобы получить в капиллярной трубке сколь-нибудь заметный гидравлический удар, надо сильно постараться!

Сборка

Собираю. Второй клапан по середине и выглядит немного иначе. Разница этих двух клапанов в том, что изначально латунный клапан будет всегда открыт, а клапан из ПВХ изначально всегда закрыт.

Собираем буфер-ресивер.

Конечная часть насоса.

Почти готовый образец.

Добавим манометр для замера давления в работе.

Водяной насос с манометром готов к испытаниям.

Технические характеристики гидротаранов “качалыч”:

Гидротаранные насосы заводского изготовления

Разумеется, такие простые и надёжные устройства не могли миновать претензий на серийное производство. В настоящий момент их производят как отечественные, так и зарубежные фирмы. Однако из-за своей специфики работы (часть воды сбрасывается через клапан) они имеют довольно узкую область применения — в городском хозяйстве они практически бесполезны, зато незаменимы в отдалённых, неосвоенных районах, экопоселениях и фермерских хозяйствах.

На сегодняшний день в России только одна фирма выпускает эти экологически чистые и эффективные устройства — производственная артель «Урал». Модельный ряд представлен насосами «Качалыч» ГТ-01 (190 у. е.) и ГТ-03 (110 у. е.), а также их разновидностями.

Изготовление насоса своими руками обойдётся несколько дешевле, даже если приобретать все детали. Однако реальная экономия достигается при наличии подручных средств — в этом случае насос будет практически бесплатным, при этом его производительность может быть существенно выше за счёт более объёмного фидера и пропускной способности всей системы.

Любой прибор или устройство на основе действий естественных сил заслуживает пристального внимания и разработки. Игнорируя бесплатную энергию, данную самой природой, мы рискуем внезапно остаться беспомощными в отсутствие бензина и электричества. Перевод подсобного хозяйства на альтернативные источники энергии — залог спокойствия и гармонии с окружающей средой. 

Условия отрыва жидкости. сильные и слабые гидроудары

В фазе разрежения отрыв жидкости от заглушки происходит не всегда. Для этого скорость потока должна быть достаточно высокой, а стенки трубы — достаточно жёсткими, чтобы удар получился резким. Если удар окажется слишком слабым (или слишком плавным), то пустой области у заглушки не образуется, хотя в любом случае в фазе разрежения давление внутри трубы, в том числе непосредственно у заглушки, будет меньше, чем давление окружающей жидкости снаружи.

Для того, чтобы жидкость смогла оторваться от заглушки и появилась область отрыва, обратное давление (в идеале, без учёта потерь, равное максимальному повышению давления при сжатии) должно превышать давление среды снаружи. Таким образом, отрыв жидкости с образованием вакуума возможен при выполнении условия

ΔPуд > P0 ΔPh ΔPT (1),

Если пренебречь потерями, то для строго горизонтальной трубы критерий возникновения области вакуума будет ещё проще:

ΔPуд > P0 (2).

Может возникнуть вопрос: как же повышение давления при гидроударе может превысить давление на входе в трубу? Однако здесь нет парадокса, так как скачок давления зависит лишь от резкости остановки потока и набранной им к этому моменту кинетической энергии, поэтому жёсткая труба и малосжимаемая жидкость могут обеспечить сильный удар даже при не слишком высокой скорости потока.

Таким образом, гидроудары можно разделить на «сильные», когда образуется область вакуума в зоне отрыва, и «слабые», когда мощности удара для этого не хватает. При этом следует помнить, что речь именно о мощности удара, а не о его энергии, поскольку здесь определяющую роль играет резкость остановки.

Фазы развития гидроудара

Как же развивается явление гидроудара? Рассмотрим самый простой пример — внезапное заполнение жидкостью пустой трубы постоянного сечения, погружённой на некоторую глубину. Один конец этой трубы закрыт жёсткой заглушкой, а другой свободно сообщается с окружающей жидкостью.

Кстати, практически то же самое будет, если рассматривать резкое перекрытие установившегося потока в такой же трубе, только там будет отсутствовать первая фаза — заполнение пустой трубы, — а роль заглушки будет играть перекрывшая трубу заслонка.Схема возникновения гидравлического удара при заполнении жидкостью пустой трубы.Голубым цветом обозначена внешняя среда с исходным давлением, светло-голубым — область пониженного давления, синим — область повышенного давления (зона гидроудара).

Синие стрелки показывают перемещение вещества среды (жидкости), красные — перемещение границы зоны повышенного давления (без существенного перемещения вещества). H— глубина (напор) на входе трубы; h — перепад высот трубы, L — длина трубы от входа до заглушки. Цифрами обозначены фазы развития явления.

Таблица 1. Фазы развития гидравлического удара

Факторы, влияющие на силу гидроудара

Эластичные стенки трубопровода значительно снижают силу гидроудара, достаточно легко увеличивая объём трубы или шланга в месте остановки жидкости. Если труба заполнена воздухом и по мере продвижения жидкости он не успевает покинуть трубу с нужной скоростью, это также способно предотвратить сильный гидроудар, поскольку в этом случае воздух играет роль пневматического амортизатора, в котором плавно повышается давление, и потому он оказывает всё большее сопротивление движению жидкости, постепенно замедляя её. Именно эти принципы использует большинство устройств для защиты трубопроводов от гидроударов.

Следует чётко понимать, что эти факторы лишь растягивают процесс гидроудара во времени, но общая энергия гидравлического удара при этом остаётся прежней. Однако за счёт увеличения времени процесса, снижается его мощность, а значит, и максимальное давление, и максимальное усилие, воздействующее на стенки трубы. Но именно это и является целью защиты от гидроудара — ведь теперь трубу уже не разорвёт!

И, конечно, силу гидроудара снижает более плавное перекрытие потока и уменьшение рабочей скорости движения жидкости в трубе (если необходимо сохранить расход, то для этого придётся увеличить диаметр трубы — скорость уменьшится пропорционально увеличению площади её просвета).

Если же силу гидроудара надо увеличить, то тут рекомендации обратные — как можно более жёсткая (и прочная!) труба, как можно более резкое перекрытие потока и как можно больший разгон жидкости перед остановкой потока.

Фидер

Представляет собой закрытый канал, соединяющий точку водозабора и точку гидроудара. В идеале это длинная ровная труба, расположенная под уклоном. Вода, находящаяся в трубе, и есть тот самый поршень, который создаёт избыточное давление — причину гидроудара.

В заборной части фидера рекомендуем установить раструб для лучшего улавливания воды.

Оптимальные соотношения диаметров гидротаранного насоса

В последнем случае при длине фидера 10 м и перепаде в 1,5 м вода будет подаваться на высоту в 10 м со скоростью около 1500 л/час.

Фидер и гидроклапан

Эти два элемента — основные в конструкции, которую планируется создать своими руками. От их размеров и устройства зависит вся работа агрегата.