История насосной техники
Когда мы думаем о "насосах", то первое,
что приходит нам в голову, - это то, что человек уже в древние времена
искал технические средства, с помощью которых он мог бы поднять жидкости,
в особенности воду. Причиной этого поиска было как орошение полей, так
и заполнение водой оборонительных рвов вокруг городов и замков.
Простейший ковш - человеческая рука;
а с помощью двух рук можно сделать намного больше! Таким образом, наши
исторические предки пришли к идее придать глиняным сосудам форму ковшей.
Так был сделан первый шаг к изобретению кувшина.
Затем несколько таких кувшинов подвешивались
на цепь или на колесо. Люди или животные использовали свою силу для
того, чтобы привести эти устройства в движение и поднять воду.
Археологические находки доказывают существование
таких ковшовых механизмов в Египте и Китае уже в X веке до н. э. На
рисунке 1 представлена схематическая реконструкция китайского черпального
колеса. Речь идёт о колесе, к которому прикреплены глиняные горшки,
из которых выливается вода, когда они достигают высшей точки подъёма.
Рисунок 1: Китайское
черпальное колесо. Большие колёса с прикреплёнными к ним глиняными горшками
поднимают воду. В движение они приводятся человеком или животными [1].
Эта идея была развита гениальным образом
в 1724 году Я. Лёйпольдом, который прикрепил к колесу изогнутые трубки.
При вращении колеса поднималась до его средней оси (Рисунок 2). Данное
подъёмное устройство приводится в движение также за счёт течения реки.
В этой конструкции бросается в глаза форма изогнутых трубок. Они имеют
поразительное сходство с каналами рабочего колеса современного циркуляционного
насоса.
Рисунок 2: Насосная
установка из труб (1724 год). Поток воды приводит колесо в движение.
По трубам вода поднимается до центра колеса [1].
Архимед, величайший математик и учёный
древности, описал в 250 году до н. э. названный его именем винт Архимеда
(рисунок 3). Вода поднималась наверх за счёт вращения спирали в трубе
или резервуаре. Но в любом случае небольшое количество воды стекало
назад по дну трубы, так как в то время ещё не были известны надёжные
уплотнения.
Так возникла зависимость между наклоном
винта и мощностью
Рисунок 3: Винт
Архимеда. Шнековый механизм поднимает воду в резервуаре или по трубе.
Угол наклона составлял от 37° до 45° достигался напор от 2
до 6м [1].
насоса. Эти винтовые насосы конструировались таким образом, что при
их эксплуатации можно было выбирать между большим количеством перекачиваемой
среды и большим напором. Чем больше угол наклона насоса, тем больший
напор достигается при уменьшении объёма перекачиваемой среды.
И снова же наблюдается разительное сходство
с современными циркуляционными насосами в поведении во время эксплуатации.
При рассмотрении рабочей характеристики насоса, чем мы займёмся позднее,
наблюдается та же зависимость между напором и подачей. Используя различные
исторические источники, можно установить, что эти винтовые насосы использовались
с углом наклона 37° и 45°. При этом достигался напор в 2 м и
6 м, а максимальная подача составляла приблизительно 10 м3/ч.
Элементы перекачивающей
системы
На рисунке 4 схематически представлены
элементы перекачи- вающей системы, задачей которой является перекачивание
жидкости из ёмкости, расположенной на более низком уровне (ZB), в ёмкость,
расположенную на более высоком . уровне (HB). Насос всасывает воду из
нижней ёмкости и подаёт её под давлением на необходимую высоту.
Рисунок 4: Насосная
установка с различным уровнем жидкости: Р перекачивающий насос; ZB емкость,
из которой забирается перекачиваемая среда; НВ емкость, в которую поступает
перекачиваемая среда; ZL питающая линия; StL нагнетательный
трубопровод; S поплавковый клапан; Hgeo геодезическая высота.
Напор насоса = геодезическая высота + требуемое давление у потребителя
+ потери на трении в трубопроводе.
При этом недостаточно только лишь рассчитать
подачу насоса, необходимую для данной высоты. Так как в месте последнего
водозабора, например, в душе на последнем этаже гостиницы, давление
должно оставаться достаточно высоким. При выборе насоса также необходимо
учитывать потери, возникающие из-за трения в трубопроводе.
Для обеспечения возможности проведения
ремонтных работ на трубопроводе в определённых местах должна быть установлена
запорная арматура. Прежде всего это относится к насосам, так как иначе
в случае ремонта или замены насоса будет необходимо сливать большой
объём воды из нагнетательного трубопровода.
Как в нижней ёмкости, так и в верхней
точке разбора следует установить поплавковые вентили и другие регулирующие
элементы для предотвращения возможного переполнения. В нагнетательном
трубопроводе в соответствующем месте может быть установлено реле давления,
отключающее насос в том случае, если все места водозабора закрыты.
Развитие отопительной техники
В Германии были найдены сохранившиеся
ещё с римских времён остатки систем напольного отопления. Речь идёт
о ранней форме систем напольного отопления. Дымовые газы открытого огня
направлялись в пустые пространства, находившиеся под полом, и разогревали
его.
В течение последующих столетий здания,
в особенности дворцы и крепости, отапливали с помощью каминов, при этом
камины располагали не строго вертикально в зданиях. Тёплые дымовые газы
пропускали по специальным газоходам, расположенным в стенах жилых помещений;
таким образом, была создана первая система центрального отопления. Также
в то время было изобретено системное деление посредством разделения
каменных камер в подвале стенами. С помощью огня разогревали воздух,
который затем напрямую направляли в бытовые помещения.
С распространением паровых котлов во второй
половине XVIII века стало развиваться паровое отопление: пар, который
не сконденсировался полностью в паровой машине, направляли посредством
теплообменников в бюро и жилые помещения.
Следующие знания, приобретённые людьми,
касались того, что не обязательно пропускать воду в виде пара, разогретого
до температуры свыше 100°С, через систему отопления, если необходимо
разогреть помещение лишь до 20°С. Воду нагревали до температуры
~90°С (то есть чуть ниже температуры кипения). По трубопроводам
очень большого диаметра горячая вода поднималась наверх. После того,
как вода отдавала часть своего тепла, под воздействием силы притяжения
она снова стекала в подвал. Такую систему отопления называли отоплением
за счёт силы притяжения. В период между 1920 и 1930 годами наконец было
изобретено "устройство принудительной циркуляции" для водяного отопления,
которое лучше и проще прогоняло горячую воду под давлением через трубопроводы.
Однако, в то время ещё не использовалось понятие "насос". Данное обозначение
появи лось позднее. С помощью устройст ва принудительной циркуляции
можно было подавать в трубопроводы воду при более низкой температуре.
В настоящее время известны различные отопительные системы, самые современные
из которых работают с водой при очень низкой температуре. Такая отопительная
техника была бы немыслимой без сердца отопительной установки, то есть
без циркуляционного насоса.
Элементы отопительной системы
На рисунке 6 схематически представлены
функциональные различия между отопительной установкой и перекачивающей
установкой [3]. В данном случае речь идёт о циркуляционной системе в
чистом виде. Ещё легче понять этот принцип, если представить себе, что
вода в трубопроводе должна постоянно находиться в движении. Отопительную
систему можно разделить на следующие составные части: элементы, производящие
тепло, система переноса тепла и распределения тепла, потребители тепла
и регулирующие элементы.
Рисунок 6: Пример
циркуляционной системы (отопительная установка): Р циркуляционный насос;
V входящий трубопровод; R обратный трубопровод; WE элемент, производящий
тепло; WV потребитель тепла; DA расширительный бак; RВ регулирующий
элемент.
Под элементами, производящими тепло
здесь следует понимать отопительные котлы, работающие на газу, на жидком
или твёрдом топливе, а также циркуляционные водонагреватели. Здесь также
необходимо назвать электрические теплонакопительные устройства с централизованным
нагревом воды, теплопередающие станции и тепловые насосы.
Система переноса тепла и распределения
тепла включает в себя все трубопроводы, распределительные и накопительные
станции и, конечно же, циркуляционный насос.
При расчёте производительности насоса
в отопительной установке следует учитывать только потери на трение в
трубопроводе. Высота здания не имеет значения, так как вода, которая
подаётся насосом в подающий трубопровод, толкает воду в обратном трубопроводе
в направлении котла. Возможное остаточное давление на всасывающем патрубке
насоса негативно сказывается на продолжительности эксплуатации насоса.
Под потребителями тепла следует понимать
отопительные поверхности в отапливаемых помещениях (радиаторы, конвекторы,
пластинчатые отопительные элементы и т.п.). Как известно, тепловая энергия
перетекает из точек с более высокой температурой в точки с более низкой
температурой, и тем быстрее, чем больше разница температур. Эта передача
осуществляется тремя различными физическими процессами, а именно:
- Теплопередачей;
- Конвекцией и
- Тепловым излучением.
Без достаточного регулирования сегодня
невозможно решить ни одну техническую проблему. Таким образом, само
собой разумеется, что в любой отопительной установке также имеются регулирующие
системы. Проще всего назвать здесь термостатические вентили для поддержания
постоянной температуры в помещении. Но также и в отопительных котлах,
смесителях и, конечно же, в насосах имеются современные механические,
электрические и электронные регулирующие устройства.
|
