Без кейворда
Кожен, хто коли-небудь піднімав (або намагався підняти) п’ятигалонний контейнер, повний води, знає, що вода важка. Насправді, вона важить близько 8,5 фунтів на галон. Якби вам довелося підняти цей п’ятигалонний контейнер з водою з підлоги до верху вашого бака, це вимагало б від вас неабияких зусиль. Отже, не дивно, що те ж саме стосується водяного насоса, який намагається перекачувати воду з низького рівня, наприклад, з відстійника, на більш високий рівень, наприклад, в бак. Якщо взяти приклад з відстійником і резервуаром і відокремити відстійник і резервуар, піднявши резервуар на більш високий рівень, резервуар в кінцевому підсумку досягне рівня, на якому насос більше не зможе підняти воду вище. Висота цього нерухомого водяного стовпа називається максимальним напором або висотою водяного стовпа, який може підтримувати насос. Якщо бак опустити нижче цієї максимальної висоти водяного стовпа, вода знову почне надходити в бак. При подальшому опусканні бака до рівня відстійника швидкість потоку буде збільшуватися і досягне свого максимуму. Максимальна швидкість потоку для насоса досягається, коли він випускає свій вміст на тому ж або близькому до нього рівні, що і всмоктування. Підвищення рівня нагнітання насоса відносно рівня всмоктування призведе до зменшення його продуктивності і, врешті-решт, до повної зупинки, коли різниця висот дорівнюватиме максимальному напору насоса. На рисунку №1 показано графічне зображення цієї залежності між витратою насоса та його напором.
Різні насоси мають власні криві залежності подачі від напору. Ці криві зазвичай додаються до документації насоса або легко доступні у виробника. Для тих з вас, хто знає тільки максимальний напір і швидкість потоку для вашого насоса, ви можете припустити, що швидкість потоку змінюється в лінійній залежності від напору і отримати результати, які будуть майже точними. Якщо відома залежність між витратою і напором або висотою перекачування, все, що необхідно – це вибрати насос, який відповідає нашим вимогам по витраті на необхідній висоті. На жаль, не все так просто. Необхідно враховувати інші фактори, і поняття висоти перекачування або напору необхідно уточнити.
Щоб краще зрозуміти, які фактори можуть впливати на подачу насоса, спочатку потрібно ввести поняття тиску. Тиск – це сила, поділена на площу, до якої вона прикладена, і часто виражається в фунтах на квадратний дюйм, або psi, для стислості. Як приклад, лоток, наповнений галоном води глибиною в дюйм, але шириною 10 дюймів і довжиною 23 дюйми, матиме тиск на дно близько 0,037 фунтів на квадратний дюйм (8,5 фунтів / (площа дна лотка або 230 квадратних дюймів). Така ж кількість води, але в трубі, площа поперечного перерізу якої становить один квадратний дюйм, але висотою 230 дюймів, буде мати тиск на дно трубки 8,5 фунтів на квадратний дюйм (8,5 фунтів / 1 квадратний дюйм). Причиною різного тиску, незважаючи на те, що вага води однакова в обох випадках, є те, що в першому прикладі вага підтримується великою площею, і тому сила на будь-яку малу ділянку є низькою. Але в другому прикладі вся вага води припадає на невелику площу, і тому її ефективний тиск, відповідно, вищий. Отже, максимальний напір або висота водяного стовпа, який може підтримувати насос, насправді є мірою максимального тиску води, який насос може створити. При зменшенні тиску на виході насоса, його витрата буде збільшуватися. Ось чому максимальна швидкість потоку для насоса досягається при перекачуванні при нульовому напорі або без зміни висоти; тиск, проти якого він повинен перекачувати, мінімальний.
Зміна висоти над рівнем моря може спричинити не тільки втрати тиску на виході насоса, але й втрати через опір потоку води в водопроводі також можуть мати вплив. Як аналогія, якщо сильно, але повільно дмухати в соломинку, то вона не потребує особливих зусиль. Але якщо спробувати дмухати в неї дуже швидко, то це набагато складніше, оскільки в соломині виникає більший опір потоку повітря. Ті ж самі явища відбуваються, коли ви намагаєтесь швидко перекачати воду через трубу або НКТ; чим швидше потік, тим більший опір або тиск на насос, що зменшить швидкість подачі насоса. Інші фактори, такі як шорсткість внутрішньої поверхні труби або НКТ, а також те, чи рухається вода по прямій лінії, чи по вигнутій траєкторії, також впливатимуть на цю втрату тиску (чим сильніше викривлення, тим більша втрата). Найпростіший спосіб обмежити зменшення швидкості потоку – зменшити швидкість води, що протікає через нього, і найпростіший спосіб зробити це – збільшити ефективний діаметр водопроводу. Втрата тиску при більшій швидкості потоку пояснює, чому насоси з більшою швидкістю потоку зазвичай мають більший діаметр входів і виходів; насоси спроектовані таким чином, щоб швидкість води була меншою при більшій швидкості потоку. Пам’ятайте, що швидкість потоку означає, наскільки швидко рухається певний об’єм води. Якщо діаметр труби або трубки більший, то вона може переміщати більший об’єм води з меншою швидкістю і підтримувати таку ж ефективну швидкість потоку, як і при меншому діаметрі водопроводу і більшій швидкості води. Існує позитивний аспект цієї втрати швидкості потоку, який полягає в тому, що контроль легко досягається за допомогою зручного використання клапанів для регулювання швидкості потоку насоса.
Клапан зменшує ефективний діаметр води, що протікає через нього, і, таким чином, збільшує ефективний опір потоку або тиск на насос, і, відповідно, зменшує його вихідну швидкість потоку.
Необхідний насос, який забезпечить швидкість потоку не менше 500 галонів на годину (галонів на годину) між відстійником і резервуаром, рівень води в якому розташований на 4 фути вище рівня води в відстійнику (див. малюнок 2). Зверніть увагу на рисунок №2, що ефективна висота перекачування, як показано, вимірюється не від вхідного отвору насоса до рівня вихідного отвору в резервуарі, а скоріше від рівня води у відстійнику до рівня води в резервуарі. Причина полягає в тому, що рівень води у відстійнику фактично викликає підвищення тиску на вході насоса, що сприяє збільшенню швидкості потоку насоса і змушує його працювати так, ніби насос і його вхідний отвір дійсно знаходяться на одному рівні з поверхнею води у відстійнику. На виході з насоса рівень води в резервуарі фактично викликає більш високий тиск на виході насоса, створюючи враження, що насос фактично нагнітає воду біля поверхні резервуара. Загалом, фактичний напір насоса визначається різницею між найвищим рівнем води, відкритим до атмосфери на вході насоса, та аналогічним рівнем води, пов’язаним з його виходом (на рисунку №3 показані додаткові приклади). Якщо припустити, що графік на рисунку №1 представляє залежність витрати від напору даного насоса, то при напорі в 4 фути витрата становить 850 GPH (що вище, ніж вимагалося).
Якщо використовувати максимальну швидкість потоку та напір і припустити лінійну залежність, то розрахункова швидкість потоку становитиме 700 GPH, що, хоча і нижче, але не надто відрізняється від опублікованої документації виробника. Спроба оцінити питомі втрати напору або тиску в самому трубопроводі може бути зроблена, але це дуже складно і, ймовірно, не є необхідним за більшості обставин. Якщо до входу і виходу насоса підібрані водопровідні труби правильного діаметру, кількість колін або крутих поворотів обмежена, а довгих ділянок труб або трубок уникають, то втрати в трубопроводах, як правило, не перевищують 2-3 футів еквівалентного напору. Це означає, що у наведеному вище прикладі фактичні ефективні втрати напору або висоти будуть ближчими до 7 футів, ніж до 4 футів після врахування додаткових втрат потоку в сантехніці. Розглядаючи криву на діаграмі №1, при висоті напору 7 футів швидкість потоку становить 600 га/год; рівень все ще перевищує бажані 500 га/год. Завжди намагайтеся вибирати насос з дещо більшою швидкістю потоку, ніж потрібно, оскільки завжди можна використовувати клапан, щоб зменшити її до потрібного рівня. Це також дає деяку свободу дій на випадок, якщо швидкість потоку з часом знизиться через забруднення всередині водопроводу або зниження продуктивності насоса внаслідок зносу. Може бути доцільно просто використовувати дуже великий насос з клапаном для регулювання до бажаних вимог. Якби швидкість потоку була єдиним критерієм вибору, це було б можливо зробити саме так. Однак, інші фактори також можуть впливати на вибір насоса.
Спочатку розглянемо деякі інші фактори, які можуть вплинути на вибір насосів: вартість, енергоспоживання (також впливає на експлуатаційні витрати), безпека для використання в акваріумі (особливо з солоною водою), надійність, рівень шуму при роботі, тепловіддача в акваріум, розмір і обмеження по установці. Цей список далеко не повний, але він дає певне уявлення про те, на що слід звернути увагу при виборі насоса. Загалом, більші насоси коштуватимуть дорожче в покупці та експлуатації, створюватимуть більше шуму, передаватимуть більше тепла в акваріум і їх важче встановлювати. Фактор “безпечність для використання в акваріумі” обговорювався в першій частині цієї серії статей, і в першу чергу стосується того, щоб переконатися, що насос виготовлений з безпечних для акваріума матеріалів. Надійність також важлива при виборі насоса, оскільки Ви не хочете, щоб він вийшов з ладу і, можливо, спричинив аварію всієї Вашої системи. При виборі насоса (насосів) поцікавтеся досвідом інших акваріумістів з подібними пристроями, а також перевірте, чи є конкретний насос, про який йде мова, вже давно рекомендованим для використання в акваріумі.
Хоча наявність хорошого насоса допомагає підвищити надійність Вашої системи, найкращий спосіб зменшити ймовірність того, що поломка насоса завдасть шкоди Вашій системі, – це мати резервний насос. Хоча один великий насос може виконати роботу, два менших насоси можуть виконати те ж саме завдання, і ймовірність того, що обидва менших насоса вийдуть з ладу одночасно, як правило, набагато менша. Встановлення декількох насосів складніше і, можливо, дорожче, але душевний спокій, який дає впевненість у тому, що ваші тварини в безпеці, може бути вартим того.
Ще одним важливим критерієм вибору, про який ми ще не згадували, є вибір занурювального або незанурювального (зовнішнього) насоса.
У першій частині цієї серії я зазначав, що основними перевагами занурювальних насосів є простота установки і, як правило, більш компактний розмір. Вони можуть найкраще підходити для насосів внутрішньої циркуляції і називаються напірними головками. Силові головки, як правило, невеликі (що дозволяє розміщувати їх всередині резервуарів у непомітних місцях), забезпечують низьку або помірну швидкість потоку, але, як правило, мають невелику здатність до тиску. Я розгляну більше про компроміси в установці та дизайні системи в заключній частині цієї серії, але є один особистий коментар, який я хотів би зробити зараз. У всіх акваріумних системах, крім найменших, я вважаю за краще мати як зовнішні насоси, так і внутрішні циркуляційні насоси для переміщення води з відстійників або інших зовнішніх фільтруючих систем. Цей подвійний підхід дозволяє мені використовувати менші зовнішні насоси, оскільки не всі мої вимоги до циркуляції повинні бути забезпечені ними, і це дає мені ще одну форму резервування насосів для підвищення загальної надійності системи. Як згадувалося в частині 1, якщо вас не турбує передача тепла в бак, то кращим вибором, ймовірно, є незанурювальний насос.
Що стосується надійності та безпеки, більшість відцентрових водяних насосів не призначені для роботи всуху (тобто без води), і будуть пошкоджені, якщо це станеться. Вода в насосі необхідна для того, щоб діяти як мастило, так і охолоджуюча рідина. Використання поплавкових вимикачів у відстійниках або резервуарах, які вимикають насоси при відсутності води, є хорошим способом переконатися, що ви помилково не запустите насос всуху. Також заслуговує на увагу використання контролерів насосів або хвилеутворювачів. Насоси зазвичай працюють від електродвигунів, складних електричних навантажень, які потрібно безпечно вимикати та вмикати. Якщо контролер або насос не спроектовані належним чином і не здатні надійно вмикати і вимикати двигуни багаторазово, один або обидва ці пристрої можуть бути пошкоджені при перемиканні. Якщо ви плануєте використовувати насоси і хвилевід таким чином, я рекомендую вам переконатися, що вони безпечно працюють разом, або зв’язавшись з виробником агрегатів, або знайшовши когось іншого, хто вже використовує подібну конфігурацію. Нарешті, я настійно рекомендую вам використовувати електричні ланцюги, обладнані пристроями захисту від замикання на землю (ПЗВ), коли ви використовуєте будь-яке електричне обладнання біля води, щоб зменшити небезпеку ураження електричним струмом як для вас, так і для вашого резервуару.
Наступна і остання частина цієї серії статей про акваріумні водяні насоси буде присвячена процедурам встановлення насосів, а також обговоренню деяких ідей щодо того, як використовувати насоси для різних застосувань, пов’язаних з акваріумом.
Source: reefkeeping.com