Без кейворда

Ця стаття описує процеси мислення та побудову скімера Precision Marine Bullet. Мені дуже пощастило бути причетним до цього проекту, від його задуму до кінцевих серійних моделей. Любителі повинні бачити і розуміти, що насправді відбувається при створенні скімерів, і це є причиною мого представлення цього звіту. Конструкційні матеріали, випробування та остаточна оптимізація пристрою вимагають серйозних витрат часу, зусиль та грошей. Я маю подякувати власнику компанії Precision Marine Майку С. за його прихильність до проекту, адже без його досвіду в будівництві цих скімерів і надання сировини, цей проект ніколи б не розпочався.

Еволюція скімера

Передісторія У серпні 98-го року ми з іншим завзятим любителем, Джеймсом Вайзменом, обговорювали наші рибні акваріуми. Зокрема, ми зосередилися на ролі подачі великої кількості їжі в закриту систему. Одне із занепокоєнь, яке постійно виникало, полягало в тому, як наші акваріуми впораються з таким навантаженням поживних речовин. Результатом обговорення стало те, що якщо ми хочемо інтенсивно годувати, ми повинні знайти спосіб вивозити зайві відходи. Одним з можливих рішень цієї проблеми є усунення зайвих поживних речовин за допомогою скімінгу (пінного фракціонування). Ми обидва використовували традиційні повітряні або протитечійні скімери і були розчаровані їх низькою ефективністю. Ми подумали, що більш ефективний, великий скіммер для обробки води може бути хорошим рішенням. За кілька днів Джеймс намалював ескіз конструкції скімера, який, на нашу думку, був гарним компромісом між компактністю, корисністю та продуктивністю. Він наклав структурні обмеження на конструкцію цього скімера, які були продиктовані нашими великими резервуарами. Оскільки ніхто з нас не хотів зовнішній скіммер, він повинен був поміститися під 30-дюймовою шафою. Щоб заощадити місце під шафою, ми хотіли, щоб скіммер знаходився в наших відстійниках, які були менше 12 дюймів завширшки. Третя вимога полягала в тому, що він повинен був мати високу швидкість обертання і здатність обробки води. Тому скіммер повинен був мати таку конфігурацію, яка б забезпечувала тривалий час контакту з водою при швидкому і необмеженому проходженні потоку.

Початковий ескіз представляв собою ступінчасту високу прямокутну коробку, яка мала перегородку, що проходила по центру (рис. 1). На правій стороні коробки скімера знаходився вхідний отвір для води, через який повітряно-водяна суміш надходила в камеру. Ця суміш стікала по довжині правої сторони до низу, де невелика перегородка спрямовувала суміш у верхню частину лівої сторони. У верхній лівій частині ми прикріпили змінну горловину і збірний стакан. Загальна висота цього скімера становила 18″ справа і 14″ зліва. Довжина скімера становила 9 дюймів, а ширина – 4 дюйми. Загальна відстань, яку проходила оброблена вода, становила 28 дюймів, що було еквівалентно реакційній камері висотою 28 дюймів, якби скіммер був вертикальним. Цієї відстані було більш ніж достатньо для наших цілей.

Важливо, що Кріс Періс, аспірант, який працює над питаннями переробки стічних вод, поділився своїми ідеями щодо підвищення ефективності існуючих технологій скімерів. У своїх роботах він представив складні рівняння, які описують коливання параметрів, що відбуваються в повітряно-водяній суміші при збільшенні кількості повітря, змішаного з постійним об’ємом води. Крім того, він обговорював параметри збільшення часу контакту між бульбашкою повітря і молекулою відходів. У підсумку, він представив сильний аргумент на користь використання більш ефективних аераційних пристроїв (піногенераторів), як одного із способів створення скімера з високою здатністю видалення відходів. Ми знайшли пропозицію Кріса Періса про використання запатентованої піноутворюючої головки ставка Беккета [див. пояснювальну вставку нижче] в якості можливого аераційного пристрою дуже інтригуючою. Це був саме той піногенератор, який нам був потрібен для нашого нового скімера. Клапан Беккета мав багато сприятливих особливостей, таких як максимальне всмоктування повітря, збільшений час обробки води і компактний розмір, які ми могли використовувати в нашому дизайні. Після того, як ми прийняли рішення про використання головки Беккета в якості аератора, плани щодо скімера почали ставати на свої місця. Оскільки ні Джеймс, ні я не мали великого досвіду роботи з акрилом або створення скімера, ми вирішили звернутися до Майка з Precision Marine. Майк – місцевий житель Х’юстона, який довгий час проживає в Х’юстоні і є експертом у виробництві скімерів. На той час у Precision Marine було багато протитечійних скімерів з приводом від повітряних каменів (лінія PM-AP), а також традиційних протитечійних скімерів Вентурі з рециркуляцією (лінія PM-CV). Ці скімери та його лінійка продуктів добре зарекомендували себе в акваріумній торгівлі. Ми звернулися до Майка з ідеєю створення нового скімера з використанням головки Беккета і представили йому наш приблизний ескіз і список обмежень. Після того, як Майк купився на цю ідею (дякувати Богу за маргариту), він сконструював перший робочий прототип, заснований безпосередньо на ескізі Джеймса (рис. 2).

Першим кроком Майка в побудові нашого скімера було створення гвинтової камери утримання для головки Беккета (рис. 3). Модульна конструкція дозволила реалізувати дві особливості: 1) ми могли встановити головку Беккета на будь-який з тестових скімерів, і, що більш важливо, 2) камера утримання дозволяла певній кількості повітря потрапляти в головку Беккета. З літературних джерел та з праць Кріса Періса було зрозуміло, що клапан Беккета, який не обмежувався повітрям, всмоктував повітря зі швидкістю, яка була шкідливою для стабільного піноутворення, оскільки надлишок повітря призводив до утворення великих бульбашок і бурхливого руху води з вихідного отвору.

Щоб зменшити розмір бульбашок (“затягнути бульбашки”) і забезпечити більш стабільний вихід бульбашок, ми повинні були б обмежити кількість повітря, що надходить в головку Беккета. Одним із способів обмеження доступу повітря є створення оточуючої (утримуючої) камери, яка має тільки 1 отвір для повітря (рис. 3, верхня панель). Верхня і нижня частини головки Беккета герметично закриті для повітря, і пропускають тільки воду (рис. 3, нижні панелі). Повітря надходить через один бічний отвір, в якому закріплений регульований користувачем голчастий клапан. Цей голчастий клапан контролює кількість повітря, яке потрапляє в Бекетт. Цей захисний блок був ласкаво названий “кулею” Бекетта через його округлу форму (рис. 3). Після того, як ця утримуюча камера була побудована, вона була приєднана до оригінального скімера, і наш перший робочий прототип був випробуваний.

В якості початкового випробування головки Беккета (фактично, щоб довести собі, що це найкраща піноутворююча головка), ми вирішили додати кулю Беккета до системи скімерів, з якою ми були досить добре знайомі. Ми прикріпили кулю Беккета до низхідного скімера; конструкція низхідного скімера є добре відпрацьованою технологією скімера і ефективно працює з запатентованою технологією розпилення ETS. У цьому першому тесті ми намагалися визначити якість піноутворення (аерації) та виміряти витрату води. Оскільки було незрозуміло, який насос буде найкраще працювати з кулею Бекетта, ми протестували комбінацію куля/нижня тяга як з насадкою Rio 3100 (900 га/год), так і з насосом Mak4 (1200 га/год). Наше перше спостереження полягало в тому, що всмоктування повітря було значним, але з очевидними відмінностями між двома насосами. У насосі низького тиску (Rio3100) бульбашки були помітно більшими, їх було менше (вода була сіруватого кольору), і вода, що виходила з кулі, була бурхливою. Проте вона пінилася, але піна була переривчастою і нестабільною. Використовуючи високопродуктивний насос (Mak4), ми спостерігали значно кращі результати. Бульбашки були меншими в порівнянні (“щільнішими”), аерована вода була кольору молока (набагато більше бульбашок), а вода виходила з вихідної трубки швидко, але спокійно. Цікаво, що тести з використанням обох насосів призвели до утворення піни протягом 10-30 хвилин, але піна піднімалася вище і була щільнішою при використанні насоса Mak4. Оскільки це був лише попередній тест, куля Бекетта показала себе так само добре, як ми і очікували.

І тут почалося найцікавіше. Протягом наступних тижнів Майк побудував кілька робочих моделей скімера, які ми йому накреслили. Ці прототипи (рис. 4) були протестовані з використанням кулі Беккета, що нагвинчується, з насосом Rio 3100 або насосом Mak4. Наші перші спостереження знову ж таки показали, що різниця в тиску насосів була значною. Стало цілком очевидно, що слабкі насоси не можуть створювати бульбашки однакового розміру, і це призводить до “відрижки” повітряно-водної суміші. Після того, як ми вирішили проблему з насосами, з’явилася наступна проблема: головка Беккета була настільки ефективною в аерації води, що повітря, яке виходило з кулі, швидко розширювалося у вхідній камері. Це призводило до розгерметизації реакційної камери і витіснення всієї води. Ця проблема не спостерігалась під час випробування на опускання, але, на наш жах, була невід’ємною проблемою нашої ступінчастої реакційної камери. На щастя, це легко вирішити.

Ми зосередилися на ефективному переміщенні повітря через скіммер і перемістили водяну перегородку в нижній центральній частині реакційного боксу. Переміщення центральної перегородки змусило повітряно-водяну суміш відійти від нижньої сторони, спрямувавши її вгору до збірної чаші. Це просте рішення забезпечило швидке проходження розширеного повітря і вирішило нашу проблему з тиском. Ця нова конструкція призвела до появи кутового ступінчастого скімера “Бігфут” (рис. 4, 4-й і 5-й блок зліва). Скіммер “Бігфут” був відмінною тестовою моделлю. Він був компактним, містив більше 30 дюймів відстані змішування і дозволяв повітрю і воді швидко рухатися через нього. Проте, його кривизна не сприяла масовому виробництву. . Використовуючи інформацію, що промайнула у формі снігової людини, ми відчули, що стали на крок ближче до остаточного дизайну. Ми дізналися, що при використанні схеми прямого впорскування необхідна зміщена перегородка [див. пояснення нижче]. Крім того, вода, що відводиться від перегородки, буде пінитися безпосередньо біля входу води. Майк виготовив 4 додаткові моделі (рис. 4, крайній правий блок) з перегородками різної форми, наприклад, з круглими перегородками. Цей круглий дивертор дозволяв рівномірно розподіляти водну суміш (рис. 5). Однак жоден з цих диверторів унікальної форми не запобігав “відрижці” або переміщенню повітряно-водяної суміші більш ефективно, ніж оригінальна конструкція зміщеної перегородки.

Коробкоподібна змішувальна камера була природною еволюцією вигинів “Бігфута”, але без вимог до складних форм, що створювало проблеми для масового виробництва агрегату. Далі нам потрібна була область, де піна буде накопичуватися і стабілізуватися. Майк включив прозору литу акрилову реакційну колонку, 6″ заввишки і 6″ завширшки, щоб замінити сторону збору Бігфута. Однак, включення цієї колони вимагало, щоб реакційна коробка була ширшою, ніж ми сподівалися.

Остаточний розмір коробки склав 6 дюймів в ширину і 10 дюймів в довжину. Вхідна сторона, де була прикріплена куля Беккета, була видалена і замінена одним шматком ПВХ (рис. 6). Реакційна колона була оснащена різьбовим фланцем, що дозволило прикріпити до неї різні розміри і форми збірних чашок. Цей кінцевий скіммер відповідав нашим початковим критеріям проектування. Він був компактним, поміщався боком в резервуар шириною 12 дюймів, а його загальна висота становила 24 дюйми, включаючи 10-дюймову збірну чашку з обмежувальною горловиною. Нарешті, після 12 прототипів, ми мали остаточний дизайн. Однак, скіммер не був завершений без доопрацювання ідеального розміру горловини, налаштування збірної чаші та вихлопного отвору. Випускний отвір має вирішальне значення для визначення обсягу повітря, що виходить, оскільки випускний отвір недостатнього розміру може створювати протитиск в скімері, знижуючи його ефективність. На жаль, визначення розміру збірної чаші і діаметра випускного отвору було зроблено емпіричним шляхом.

Майк сконструював серію горловин і чашок з різною висотою, шириною і розмірами випускного отвору (рис. 7). Потім кожна горловина була додана до тестового скімера і відстежувалася для визначення потоку повітря, здатності горловини підтримувати і виробляти суху піну, а також здатності проектувати цю піну через горловину. Остаточний дизайн був компромісом між достатнім потоком повітря через скімер і нашими обмеженнями по висоті. Перші робочі моделі були побудовані з ABS пластику і були протестовані на обох наших резервуарах (рис. 8). Для перевірки здатності кожної конфігурації обробляти воду ми виміряли і порівняли об’єм води, що надходить в скіммер, з об’ємом води, що виходить з нього. Використовуючи насос Mak4 для живлення кулі Беккета, ми виміряли приблизно 1200 галонів на вході та 500 галонів на виході. Для порівняння ми використовували насос Mak4 для приводу скімера MTC HSA1000 (ще один скімер з головкою Бекетта), і відзначили, що він має продуктивність 450 га/год.

Як це працює?

Чому головка Бекетта? Пінна аераційна головка для ставків Beckett 1408 (Діаграма 1А, верхня панель): Історія цієї головки добре описана в літературі, і її застосування для аерації рибних і фермерських ставків добре відоме. Для цілей цієї статті я коротко опишу її історію та надам короткий опис її роботи. Ця інформація зіграє важливу роль при конструюванні скімера і його корисності в домашньому скімері. Історія питання: Ця пластикова (або металева) аераційна головка була розроблена для порушення поверхневого натягу на фермах та рибних ставках, що дозволяє отримати воду з високим вмістом кисню. Це досягається шляхом змішування величезної кількості повітря в перекачуваній воді. Ця повітряно-водяна суміш потім розпилюється в повітря у вигляді фонтану.

Головка Беккета була новою конструкцією і радикальною інтерпретацією/модифікацією традиційного клапана Вентурі (Діаграма 2). Звичний традиційний клапан Вентурі має один повітрозабірник (так звану трубку Піто). По суті, вода під тиском надходить у вхідний отвір інжектора, звужується (проходячи через обмежувач) у напрямку до камери впорскування і перетворюється на високошвидкісний реактивний потік. Збільшення швидкості через камеру впорскування призводить до зниження тиску в корпусі форсунки. Коли між вхідним і вихідним отворами інжектора існує достатня різниця тиску, всередині корпусу інжектора створюється розрідження, яке ініціює всмоктування через всмоктуючий отвір. У цей момент повітря буквально всмоктується у вакуумний простір. У міру того, як струменевий потік розсіюється в напрямку до виходу з інжектора, його швидкість зменшується, і він перетворюється в енергію тиску (але при тиску, нижчому, ніж тиск на вході в інжектор), і утворюються “мікробульбашки”. Для порівняння, головка Беккета – це кругова 3D-версія традиційного Вентурі (Схема 1В, нижня панель). Розробник головки Беккета використовував ту ж концепцію проштовхування води через обмежувач. Однак, в цій програмі обмеження розташоване безпосередньо перед великою тривимірною кулею. Шипоподібний роздільник рівномірно обмежує потік води над кулею і фокусує воду під чотирма повітрозабірниками, рівномірно розташованими на відстані дев’яносто градусів один від одного. Вода, проходячи повз шип і навколо кулі, всмоктує повітря з чотирьох повітрозабірників. Пройшовши повз кулю, повітряно-водяна суміш швидко розширюється і створює мікробульбашки. Однак, у порівнянні з традиційним клапаном Вентурі, головка Бекетта збільшує кількість всмоктуваного повітря. Завдяки конструкції клапана ми спостерігали значне збільшення кількості створюваних бульбашок. Крім того, розмір бульбашок виявився набагато меншим, ніж той, який ми спостерігали при використанні традиційного клапана Вентурі. Каталог Argos включає в себе широкий спектр електроніки, такої як телевізори та смартфони. Якщо я адекватно пояснив, ви повинні розуміти, що генерація бульбашок з головки Беккета залежить виключно від сили проходження води через неї: чим сильніше поштовх (тобто тиск насоса) через Беккет, тим більш рівномірний потік води обтікає змішувальну кульку. Більш швидкий рух води через головку Беккета призводить до збільшення забору повітря і меншого утворення бульбашок,

тому поєднання міцного і потужного насоса забезпечить найкращий кінцевий результат.

Головки Бекетта призначені для використання в кінцевому застосуванні. Як описано вище, клапани Беккета були розроблені для того, щоб сидіти на кінці труби з ПВХ і пропускати через себе воду, як через фонтан. Ці клапани не витримують протитиску при знаходженні під водою, а отже, для найбільш ефективного забору повітря не повинно бути ніякого протитиску на виході з головки. Це також дає вказівку на те, як ми можемо найкраще використовувати Бекетта для максимального всмоктування повітря. Максимальне всмоктування повітря і продуктивність можна отримати, розмістивши повітрозабірники головки Беккета на рівні, який вище рівня води в скіммері. Підняття головки Беккета на невеликому шматку ПВХ часто дозволяє досягти цього результату.

Тангенціальне впорскування або пряме впорскування Тангенціальне впорскування (Діаграма 3 зліва) дозволяє впорскувати повітряно-водяну суміш по дотичній (під кутом) в реакційну камеру. Найбільш поширеним методом тангенціального впорскування є впорскування знизу або поблизу дна, обличчям вгору до внутрішньої стінки реакційної камери. Це призводить до корисного ефекту завихрення, який ефективно збільшує час контакту. Найбільш важливою перевагою використання тангенціального впорскування є те, що для приводу головки Беккета можуть використовуватися насоси з меншою продуктивністю. Це пов’язано з тим, що бульбашкові неузгодженості не впливають безпосередньо на воду в реакційній камері, оскільки ці бульбашки м’яко проливаються в реакційну камеру. Скімери, які використовують цей метод впорскування: Precision Marine BulletXL, Marine Technical Concepts (MTC) HSA250 і скімери Aerofoamer.

Основною перевагою прямого впорскування (Діаграма 3, праворуч) є те, що воно дозволяє зменшити довжину реакційної камери. Однак цей метод впорскування також вимагає потужного водяного насоса, оскільки утворення піни в товщі води може бути порушене через неузгодженість бульбашок і “відрижку”. Скімер, який використовує цю техніку прямого впорскування, – це скімер Bullet. Ще одним скімером з прямим впорскуванням є MTC HSA1000. У його конструкції виробник вирішив подовжити реакційну камеру за рахунок використання довгої низхідної трубки; відтік води потім спрямовується вгору, що по суті подвоює довжину реакційної камери.

Рис 1. Карикатура на ескіз Джеймса Вайзмена. 1) – вхід води; 2) – “нижня” зона початкового змішування повітря і води; 3) – зона змішування “реакційна зона”; 4) – перегородка для відводу води; 5) – вихід для зливу; 6) – “верхня” сторона збору, де відбувається коагуляція і стабілізація піни; 7) – змінні чаша і горловина збору.

Рис 2. Робочий прототип скімера за ескізом Джеймса.

Рис 3. Ізотермічна камера “Куля”. Верхня панель: це готова камера утримання. Показаний регульований користувачем повітряний клапан (білий/синій) камери “Куля” з одним отвором для забору повітря. Дно камери звернене ліворуч і має різьблення 1′. Вхідний отвір для води (верхня частина кулі) звернений праворуч. Нижні панелі: Ліва сторона, що дивиться вниз в кулю Беккета (зверніть увагу на шип-дільник і чотири його відводи); права сторона, що дивиться вгору в нижню частину кулі (зверніть увагу на закруглену поверхню кулі).

Рис 4. Кілька прототипів передплужників. Зверніть увагу, що всі скімери мають на вході перехідник з різьбленням 1″ (для приєднання кулі Бекетта) та універсальний фланець з гвинтовим різьбленням на стороні збору, що дозволяє швидко замінити збірний стакан та горловину будь-якого розміру.

Рис 5. Круглий дивертор.

Рис. 6. Лінійка збірних стаканів різних розмірів і форм з обмежувальними горловинами.

Рис. 7. Опускна трубка. Зверніть увагу, що куля Беккета накручується на верхню частину.

Source: reefkeeping.com