PUMPE ZA VODU KOJE KORISTEENERGIJU VODENOG TOKA

Masovnom primenom električne energije, kao i fosilnih goriva, ljudi su gotovo zaboravili na neka stara i jednostavna rešenja koja su se nekada koristila, a koja ne zahtevaju nikakav izvor energije. Pumpe koje će biti prikazane jednostavne su konstrukcije, lake za upotrebu i održavanje. Ovde neće biti reči o ručnim pumpama, već o pumpama koje funkcionišu bez intervencije čoveka, a koriste energiju vodenog toka (reke, potoci, kanali, slapovi...).

Iako sve ove pumpe na prvi pogled podsećaju na mnogo puta viđane perpetuum mobile, one to svakako nisu. Za sve njih je zajedničko da koriste energiju vodenog toka za dizanje samo jednog dela vode (a ne cele količine), tako da su u pitanju ozbiljne naprave, koje ljudi izrađuju od davnina i koje danas nezasluženo padaju u zaborav. Ove pumpe su pouzdane i dugotrajne i ne zahtevaju gotovo nikakvo održavanje

Od mnoštva pumpi za vodu ovog tipa izdvojio bih nekoliko najjednostavnijih konstrukcija, koje vekovima provereno funkcionišu.

1

HIDRAULIČNI OVAN

(Hidraulic Ram pump, Hydraulischer Widder, Гидротаран)

Ova pumpa je krajnje jednostavna. Osim dva ventila, nema drugih pokretnih delova, pa je može napraviti svako ko poseduje elementarnu vodoinstalatersku veštinu. Najpogodnija je za korišćenje na slapovima, ali uz malo mašte može se upotrebiti i na drugim vodenim tokovima. Naziv je dobila po udarnom efektu vode, koji koristi za naglo povećanje pritiska, kojim se voda pumpa na visinu veću od visine vodenog toka.

Princip rada će biti objašnjen uz oslonac na sledeću sliku:

Slika 1

Dovodna cev se postavi pod odgovarajućim uglom, tako da gornji kraj bude uronjen u vodu, a donji kraj napaja pumpu. Pumpa je konstruisana tako da najpre pušta vodu da teče mimo potrošača, kako bi dobila dovoljno veliku brzinu, odnosno kinetičku energiju. Dakle, jedan deo vode mora da se izgubi. Kada voda dostigne potrebnu brzinu, zatvori se tzv. udarni ventil, kroz koji je voda maločas isticala. Treba zapaziti da je voda imala određenu kinetičku energiju pre zatvaranja ovog ventila. Nakon zatvaranja ventila, pritisak vode dostiže veoma veliku vrednost, otvara se nepovratni ventil prema hidroforskoj posudi, pa jedan deo vode odlazi u hidroforsku posudu i sabija vazduh u njoj. Na taj način se kinetička energija vode pretvara u potencijalnu energiju komprimovanog vazduha. Komprimovani vazduh zatim potiskuje vodu iz hidroforske posude prema potrošaču. Kada pritisak u dovodnom delu padne, zatvori se nepovratni ventil, otvori se udarni ventil i ciklus kreće iz početka.

Na sledećoj slici je prikazana jedna od mogućih praktičnih realizacija ove pumpe. Tekstualno su propraćeni samo oni elementi koji su neophodni za rad. Ostali elementi koji nisu

2

označeni tekstom (ventili, holenderi, manometar...) nisu bitni za funkcionisanje pumpe, ali je praktično imati i njih radi lakšeg održavanja i praćenja rada. Ventil na dovodnoj cevi bi trebao biti kuglasti, da ne bi pravio preveliki pad pritiska, a ako je moguće, najbolje je izostaviti ga. Vidi se da je dovodna cev (sa desne strane) većeg prečnika od odvodne cevi. Dovodna cev mora biti i izuzetno kruta, kako ne bi apsorbovala udare pritiska koji moraju biti što jači, radi efikasnog funkcionisanja pumpe.

Slika 2: Jednostavan hidraulični ovan - udarni ventil se može napraviti od nepovratnogventila uklanjanjem opruge, strelica treba da bude na dole

Svi elementi sa slike 2 su standardni, koji se mogu nabaviti u svakoj prodavnici sa vodovodnim materijalom. Izuzetak je udarni ventil, koji se mora napraviti. Na svu sreću, on se jednostavno može izvesti prepravkom nepovratnog ventila, tako što mu se izvadi opruga, a umesto nje se postavi teg odgovarajuće mase. Poenta je da ventil bude otvoren, a da ga zatvara voda koja kroz njega ističe, kada dostigne dovoljno veliku brzinu. Da bi se imao ispravan rad, udarni ventil treba što energičnije da zatvara. Od njega u velikoj meri zavisi krajnji pritisak koji pumpa može da ostvari. Drugi faktor koji utiče na funkcionalnost je dovodna cev. Osim što mora biti dovoljno velikog prečnika (radi što veće mase vode, tj njene kinetičke energije), njena unutrašnjost bi trebala biti glatka, kako bi voda proticala sa minimalnim trenjem.

3

Slede tehnički podaci bitni za realizaciju:

Visinska razlika između vodenog toka, iz kojeg se uzima voda i pumpe, koja je na slici 1 označena sa H1, bi trebala biti što veća, ali se ne preporučuje da bude veća od 15 m. Ako je situacija takva da je ta visina npr 30m, onda se preporučuje da se koriste dve pumpe, kaskadno, tj da voda koja prođe kroz udarni ventil prve pumpe (koja se postavlja na 15 m) služi kao dovodna voda za drugu pumpu.

Kada ne bi bilo gubitaka energije, odnos protoka odlazne i dolazne vode Q2/Q1 bi bio jednak recipročnoj vrednosti odnosa visina vodenog stuba, tj. H1/H2 . S obzirom da postoje gubici, koji su utoliko veći što je veći odnos H2/H1, mora se uzeti u obzir i stepen iskorišćenja η, koji je dat u sledećoj tabeli:

H1/H2 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 1:7 1:8 1:10 1:12 1:15

η 0,7 0,58 0,5 0,45 0,4 0,36 0,35 0,28 0,24 0,2

Q2/Q1

(%)35 19 12,5 9 6,6 5 4,2 2,8 2 1,3

Tabela 1

Nagib dovodne cevi treba da bude minimalno 1:9, a maksimalno 1:4.

Dužina dovodne cevi treba da bude 150-1000 puta veća od unutrašnjeg prečnika cevi.

Optimalni prečnici cevi se biraju iz sledeće tabele:

količina pogonske vode (lit/min)

2-7 5-16 10-28 15-45 30-65 50-115 70-180 120-280

unutrašnji prečnik dovodne cevi (mm)

20 25 32 40 50 65 80 100

unutrašnji prečnik odvodne cevi (mm)

10 15 15 20 25 25 30 40

Tabela 2

Prema nekim izvorima, maksimalna visina pumpanja može biti i do 300 m.

Na sledećim slikama se mogu videti neki komercijalni modeli, izrađeni od livenog gvožđa, kako bi se imala maksimalna krutost, od koje zavisi maksimalni pritisak koji pumpa može da ostvari.

4

Slika 3: Muzejski eksponat

Slika 4: Slična pumpa u eksploataciji

5

Slika 5: Pumpa jednog nemačkog proizvođača - još se proizvode

Slika 6: Model pumpe koji služi kao učilo - vide se nepovratni ventil i udarni ventil,delovanje udarnog ventila podešava se tegom

6

SPIRALNA PUMPA(Spiral wheel pump )

Ove pumpe pripadaju grupi manometarskih pumpi. Pogodne su za ravnije terene, jer nisu neophodni veliki padovi, već samo dovoljna brzina vodenog toka. Po svojoj konstrukciji podsećaju na vodenički točak.

Princip rada će biti objašnjen pomoću sledeće slike:

Slika 7: Izgled spiralne pumpe

Vodeni tok dejstvuje na lopatice turbine i okreće turbinsko kolo. Na kolo je učvršćena cev, savijena u Arhimedovu spiralu. Na početku cevi se nalazi posuda za zahvatanje vode. Ona treba da zahvati toliko vode da u jednom navojku cevi bude polovina dužine ispunjena vodom, a polovina vazduhom (tada se ima maksimalna efikasnost). Drugi kraj cevi se pripaja šupljoj osovini (koja se najčešće izrađuje od pocinkovane cevi). Osim što nosi točak, osovina služi i za odvođenje vode. Jedan kraj osovine, odnosno cevi je zatvoren, a na drugi se postavlja okretna spojnica. Na spojnicu se dalje nadovezuje cev za odvođenje vode. Spojnica treba da podnosi pritisak za koji je predviđena pumpa, da se lako okreće i da dobro zaptiva. Na izlazu se naizmenično smenjuju slojevi vode i vazduha, tako da ova pumpa ne daje kontinualan, već

7

isprekidan mlaz. Kad je potrebno imati kontinualan mlaz vode, praktikuje se da se vodom puni rezervoar postavljen na dovoljno velikoj visini, pa se iz njega slobodnim padom voda odvodi ka potrošačima.

Pritisak koji pumpa može da ostvari zavisi od prečnika cevne spirale i od broja navojaka. Kada se izabere prečnik turbine i željena visina pumpanja, broj navojaka se izračunava na osnovu izraza:

n=2H/(D1+Dn),

gde je: H - željena visina pumpanjaD1 - prečnik prvog navojkaDn - prečnik poslednjeg navojka

Kada se odredi n, preporučuje se da se ova vrednost uveća za još 20%.

Sada će biti dati opisi tri praktične realizacije, sa svim dimenzijama i tehničkim karakteristikama.

Primer 1:

Spirala pumpe izrađena je od polietilenske cevi ("okiten" crevo) 5/4". Prečnik spirale je D1=1,8 m. Posuda za zahvatanje vode je zapremine 1,5 litara. Namotano je 13 navojaka creva. Predviđena je za visinu pumpanja H=12 m. Na sledećoj slici se vidi kako izgleda pumpa (bez lopatica), napravljena za potrebe testiranja:

Slika 8: Izgled pumpe sa spiralom od "okiten" creva

Rezultati testiranja su prikazani u sledećoj tabeli:

8

brzina(obrt./min)

ukupanbroj

obrtaja

količinaisporučen

evode

(litara)

izmerenaobimna

sila(N)

utrošenaenergija

(kJ)

dobijenaenergija

(kJ)

stepenefikasnosti

(%)

pritisakna

izlazupumpe(bar)

protok(lit./min)

2 6 13,9 116 4 1,66 41 2,25 3,73 9 20,5 116 6 2,45 41 2,25 6,84 12 27,7 116 8 3,31 41 2,18 9,26 18 41,3 116 12 4,94 41 2,15 13,88 24 55,5 116 16 6,63 41 2,12 18,512 12 30,6 116 7,9 3,65 45 2,08 30,6

Tabela 3: Rezultati testiranja za crevo 5/4" i broj navojaka n=13,točak prečnika 1,8 m

Primer 2:

Sve je isto kao u prethodnom primeru, samo je izabrano tanje crevo 3/4", pa je na isti točak D1=1,8 m stalo više navojaka n=21. Pošto je tanje crevo, manje je zapremine i posuda za zahvatanje vode: 0,6 litara. U ovom slučaju je pumpa testirana na dve visine pumpanja: 12 m i 18 m. U sledećoj tabeli su prikazani rezultati testiranja:

brzina(obrt./min)

ukupanbroj

obrtaja

količinaisporučen

evode

(litara)

visinapumpanja

(m)

utrošenaenergija

(kJ)

dobijenaenergija

(kJ)

stepenefikasnosti

(%)

pritisakna

izlazupumpe(bar)

2 20 14,2 18 6,6 2,5 39 2,74 20 14,2 18 6,6 2,5 39 2,65 20 13,2 18 6,6 2,4 36 2,66 prelivanje2 20 18 12 5,5 2,1 39 2,24 20 17 12 5,5 2 37 2,16 20 17 12 5,5 2 37 2,18 20 16,7 12 5,5 2 37 2,110 20 17 12 5,5 2 37 212 20 17 12 5,5 2 37 2

Tabela 4: Rezultati testiranja za crevo 3/4" i broj navojaka n=21,točak prečnika 1,8 m

Vidi se da je pri visini pumpanja 18 m i pri brzini 6 o/min došlo do pojave prelivanja. To se dešava kada visina vodenog stuba unutar pumpe premašuje najvišu tačku, pa se voda preliva

9

u sledeći navojak spirale. To je nepoželjna pojava, koja se sprečava pravilnim projektovanjem pumpe. Zato se za broj navojaka uzima 20 % veća vrednost od proračunate.

Primer 3:

Evo slika jedne pumpe koja je prečnika 4 m, a predviđena je za pumpanje vode na 8 m visine. Ima dve spirale, radi većeg protoka, u svakoj ima 3 navojka. Spirale su od polietilenske cevi Ø 50 mm. Za sat vremena podigne 3697 litara na 8 m visine. Postavljena je na kanal širine 1,93 m, a izmerena brzina vode u kanalu je 1m/sec. Ima 16 lopatica, dimenzije 600x600 mm. Turbina se okreće brzinom 3,2 o/min:

Slika 9: Izgled pumpe prečnika 4 m

10

Slika 10: Način priključenja izlaza spiralne cevi na šuplju osovinu

Slika 11: Okretna spojnica

Spiralna pumpa uz male modifikacije može da služi i kao kompresor, s obzirom da osim vode zahvata i vazduh.

11

PULSER PUMPA(Pulser pump, Trompe )

Ova pumpa je najjednostavnije konstrukcije. Nema nijedan pokretni deo i veoma je pouzdana. Princip rada će biti objašnjen pomoću sledeće slike:

Slika 12: Principska šema pulser pumpe

Sa slike je očigledno kako pumpa funkcioniše. Iz gornjeg rezervoara se voda, zajedno sa mehurićima vazduha, slobodnim padom pušta kroz separator, u kojem se odvaja vazduh od vode. Što je veća dubina na kojoj je smešten separator, odnosno što je veći pritisak vode, efikasnije je odvajanje vazduha od vode. U separator je priključena odvodna cev. Kroz odvodnu cev odlaze vazduh i voda, koji se smenjuju u slojevima, slično kao kod spiralne pumpe. Pritisak u odvodnoj cevi je niži nego u dovodnoj, jer je ukupna visina vodenog stuba (kada se saberu visine svih vodenih segmenata) manja. Zato se vazduh i voda kreću naviše. Maksimalna visina pumpanja se ima kada se ukupna visina vodenog stuba izjednači sa visinom vodenog stuba dovodne cevi. Zato, ako se zahteva veća visina pumpanja, treba obezbediti da u odvodnoj cevi budu što tanji slojevi vode, a što deblji slojevi vazduha.

12

I ova pumpa može da posluži kao kompresor za vazduh. Štaviše, ovaj sistem se u prošlosti više koristio kao kompresor (Trompe), nego kao pumpa. Najviše se koristio u kovačnicama, za snabdevanje kovačkih vatri vazduhom i u livnicama za dovod vazduha livačkim pećima.

Pošto je teško uticati na međusobni odnos vode i vazduha, često se koristi ovakva izvedba:

Slika 13: Dobijanje komprimovanog vazduha, koji se zatim koristi za crpljenje vode iz bunara

Sa ovakvim rešenjem se može jednostavnom ugradnjom ventila u dovod vazduha regulisati odnos vode i vazduha. Celina sa desne strane je kompresor (Trompe), koji se od prethodne varijante razlikuje po tome što se odvodna cev ne uranja duboko u separator, već u sam vrh, kako bi se sprečilo da u cev ulazi voda. Sa leve strane je vazdušna pumpa (Airlift), koja može da funkcioniše i u kombinaciji sa bilo kojim drugim izvorom komprimovanog vazduha, dovoljno velikog pritiska.

Jedinstveno u svetu ovakvo postrojenje za proizvodnju komprimovanog vazduha je Ragged Chutes, nalazi se u Kanadi, nedaleko od gradića Kobalt, na reci Montreal. Izgrađeno je 1910. godine, a služilo je za potrebe lokalne industrije. Vertikalni presek ovog sistema je prikazan na sledećoj slici:

13

Slika 14: Vertikalni presek stanice za proizvodnju komprimovanog vazduha Ragged Chutes

Projektovani radni pritisak komprimovanog vazduha je 8,6 bar. Voda se dovodi vertikalnom cevi na dubinu 107 m. Na dnu dovodne cevi se nalazi betonski konus obložen čelikom, koji ima za cilj da ublaži udarno dejstvo vode. Voda zatim odlazi u horizontalni tunel dug 306 m, koji predstavlja separator. U najvišoj tački separatora se nagomilava vazduh, a sa samog vrha vazdušne komore se sabijeni vazduh odvodi pomoću cevi prečnika 61 cm. Pored ove cevi postoji još jedna, prečnika 30 cm, koja služi za regulisanje nivoa razgraničenja između vode i vazduha u separacionom tunelu, odnosno kroz nju se odvodi višak vazduha. Ako je donji kraj te cevi uronjen u vodu, deo vode odlazi kroz nju, što je energetski gledano isto kao da je otišla kroz cev za odvod vode. Međutim, ako nema potrošnje vazduha, nivo razgraničenja voda-vazduh opada, u cev za odvod vazduha sada ulazi vazduh i on se pod pritiskom oslobađa na drugom kraju cevi, pri čemu se stvara na površini gejzir visine 30 m, što se vidi na slici 15.

14

Slika 15: Oslobađanje viška vazduha u periodu male potrošnje

Vazduh koji se dobijao iz ovog postrojenja bio je veoma suv, što je važno za sve pneumatske alate. Odvajanje vlage bilo je postignuto time što su mehurići vazduha veoma sitni, a na tako velikoj dubini je temperatura vrlo niska, pa se vlaga iz vazduha kondenzovala i ostajala u vodi.

Tokom 70 godina eksploatacije, ovo postrojenje je zaustavljano radi remonta samo dva puta. Danas nije u pogonu, jer se smatra da nije rentabilno.

15