Без кейворда

Каждый, кто когда-либо поднимал (или пытался поднять) пятигаллоновую емкость, наполненную водой, знает, что вода тяжелая. Фактически, она весит около 8,5 фунтов на галлон. Если бы вы подняли этот пятигаллоновый контейнер с водой с пола до верха вашего бака, это потребовало бы от вас изрядных усилий. Поэтому не стоит удивляться, что то же самое происходит и с водяным насосом, пытающимся перекачать воду с небольшой высоты, например, из отстойника, на более высокий уровень, например, в резервуар. Если взять пример с отстойником и баком и разделить отстойник и бак еще дальше друг от друга, подняв бак на более высокий уровень, то в конечном итоге бак достигнет такого уровня, что насос уже не сможет поднимать воду выше. Высота этого стационарного столба воды называется максимальным напором, или высотой столба воды, которую может поддерживать насос. Если бак опустить ниже этой максимальной высоты, вода снова начнет поступать в бак. По мере дальнейшего опускания резервуара, пока он не окажется на одном уровне с отстойником, скорость потока увеличится и достигнет максимального значения. Максимальная скорость потока для насоса достигается, когда он выбрасывает свое содержимое на том же или почти на том же уровне, что и его всасывание. Повышение уровня нагнетания насоса относительно уровня всасывания приведет к снижению его производительности и, в конечном итоге, к полной остановке, когда разница высот будет равна максимальному напору насоса. На рисунке №1 показано графическое представление этой зависимости между расходом насоса и его напором.

Различные насосы имеют свои собственные кривые зависимости расхода от напора. Эти кривые обычно прилагаются к документации насоса или легко доступны у производителя. Для тех из вас, кто знает только максимальный напор и расход для вашего насоса, можно предположить, что расход изменяется в линейной зависимости от напора, и получить результаты, которые будут почти точными. Если известна зависимость между расходом и напором или высотой перекачки, все, что необходимо, – это выбрать насос, который соответствует нашим требованиям по расходу на необходимой высоте. К сожалению, все не так просто. Необходимо учитывать другие факторы, и понятие высоты или напора насоса должно быть уточнено.

Чтобы лучше понять, какие факторы могут влиять на расход насоса, сначала нужно ввести понятие давления. Давление – это сила, деленная на площадь, к которой она приложена, часто указывается в фунтах на квадратный дюйм, или, сокращенно, psi. Например, лоток, заполненный галлоном воды глубиной в дюйм, но шириной 10 дюймов и длиной 23 дюйма, будет иметь давление на дно около 0,037 psi (8,5 фунтов / (площадь дна лотка или 230 квадратных дюймов). То же количество воды, но в трубе, площадь поперечного сечения которой составляет один квадратный дюйм, но высотой 230 дюймов, будет иметь давление на дно трубы 8,5 фунтов на квадратный дюйм (8,5 фунтов / 1 квадратный дюйм). Причина разного давления, даже если вес воды одинаков в обоих случаях, заключается в том, что в первом примере вес поддерживается большой площадью, поэтому сила, действующая на любой маленький участок, мала. Но во втором примере весь вес воды опирается на небольшую площадь, поэтому эффективное давление соответственно выше. Следовательно, максимальный напор или высота водяного столба, который может поддерживать насос, на самом деле является мерой максимального давления воды, которое может создать насос. При уменьшении давления на выходе насоса его расход увеличивается. Именно поэтому максимальный расход для насоса достигается при нулевом напоре или отсутствии изменения высоты; давление, против которого он должен работать, минимально.

Не только изменение высоты может вызвать потери давления на выходе насоса, но и потери из-за сопротивления потоку воды в водопроводе. В качестве аналогии: если дуть в соломинку с силой, но медленно, это не потребует больших усилий. Но если вы попытаетесь дуть в нее очень быстро, это будет гораздо труднее, поскольку сопротивление потоку воздуха в соломинке больше. То же самое происходит, когда вы пытаетесь быстро перекачать воду по трубе или трубке; чем быстрее поток, тем больше сопротивление или давление на насос, что снижает его скорость потока. Другие факторы, такие как шероховатость внутренней поверхности трубы или трубки, а также то, движется ли вода по прямой или по кривой траектории, также влияют на потерю давления (чем сильнее кривизна, тем больше потери). Самый простой способ ограничить снижение скорости потока – уменьшить скорость протекающей воды, а самый простой способ сделать это – увеличить эффективный диаметр водопровода. Потеря давления при увеличении скорости потока объясняет, почему насосы с большим расходом обычно имеют входы и выходы большего диаметра; насосы сконструированы таким образом, чтобы при больших расходах скорость воды была меньше. Помните, что скорость потока означает скорость перемещения заданного объема воды. Если диаметр трубы или трубопровода больше, то он может перемещать больший объем воды с меньшей скоростью и поддерживать тот же эффективный расход, что и при меньшем диаметре водопровода и большей скорости воды. У этой потери скорости потока есть и положительный аспект, который заключается в том, что контроль легко достигается благодаря удобному использованию клапанов для регулировки скорости потока насоса.

Клапан уменьшает эффективный диаметр для проходящей через него воды и, таким образом, увеличивает эффективное сопротивление потоку или давление на насос, соответственно уменьшая его выходной расход.

Необходим насос, который обеспечит расход не менее 500 галлонов в час (gph) между отстойником и резервуаром, уровень воды в котором расположен на 4 фута выше уровня воды в отстойнике (см. рисунок №2). Обратите внимание на рисунке №2, что эффективная высота перекачки, как показано на рисунке, измеряется не от входа насоса до уровня выхода в резервуаре, а от уровня воды в отстойнике до уровня воды в резервуаре. Причина в том, что уровень воды в отстойнике фактически вызывает повышение давления на входе насоса, что способствует увеличению скорости потока насоса и делает его работу такой, как будто насос и его вход действительно находятся на одном уровне с поверхностью воды в отстойнике. На выходной стороне насоса уровень воды в резервуаре фактически вызывает более высокое давление на выходе насоса, создавая впечатление, что насос действительно нагнетает воду у поверхности резервуара. В общем, фактический напор насоса определяется разницей между самым высоким уровнем воды, открытым для атмосферы, на входной стороне насоса и аналогичным уровнем воды, связанным с его выходом (на рисунке №3 показаны дополнительные примеры). Если предположить, что график на рисунке №1 представляет собой зависимость расхода от напора данного насоса, то при напоре в 4 фута расход составит 850 GPH (что выше требуемого).

Если использовать максимальный расход и напор и предположить линейную зависимость, то расчетный расход составит 700 GPH, что, хотя и ниже, но не слишком далеко от опубликованной производителем документации. Попытка оценить удельный напор или потери давления в самом водопроводе может быть выполнена, но это очень сложно и, вероятно, не нужно в большинстве случаев. При условии, что к входу и выходу данного насоса подбирается водопровод соответствующего диаметра, количество колен или крутых поворотов ограничено, а длинные отрезки труб или трубок избегаются, потери в водопроводе обычно не превышают 2-3 футов эквивалентного напора. Это означает, что в приведенном выше примере фактический эффективный напор или потеря высоты будет ближе к 7 футам, а не к 4 футам после учета дополнительных потерь потока в водопроводе. Если рассмотреть кривую на диаграмме №1, то при напоре в 7 футов расход составит 600 гал/мин, что все еще выше желаемого уровня в 500 гал/мин. Всегда старайтесь выбирать насос с несколько большим расходом, чем требуется, поскольку всегда можно использовать клапан для снижения расхода до желаемого уровня. Это также дает некоторую свободу действий на случай, если скорость потока со временем снизится из-за загрязнений в водопроводе или снижения производительности насоса в результате износа. Возможно, целесообразно использовать только очень большой насос с клапаном для регулировки в соответствии с желаемыми требованиями. Если бы расход был единственным критерием выбора, можно было бы поступить именно так. Однако на выбор насоса, скорее всего, повлияют и другие факторы.

Сначала рассмотрим некоторые другие факторы, которые могут повлиять на выбор насоса: стоимость, энергопотребление (также влияет на эксплуатационные расходы), безопасность для использования в аквариуме (особенно в соленой воде), надежность, уровень шума при работе, теплопередача в аквариум, размер и ограничения по установке. Этот список далеко не полный, но он дает некоторое представление о том, о чем еще следует подумать при выборе насоса. В целом, более крупные насосы стоят дороже при покупке и эксплуатации, издают больше шума, передают больше тепла в резервуар и сложнее в установке. Фактор “безопасность для использования в аквариуме” обсуждался в первой части этой серии, и в первую очередь он касается того, чтобы убедиться, что насос изготовлен из безопасных для аквариума материалов. Надежность также важна при выборе помпы, поскольку вы не хотите, чтобы она вышла из строя и, возможно, привела к поломке всей системы. При выборе насоса (насосов) поспрашивайте у других аквариумистов и узнайте, какой опыт использования подобных устройств у них был, а также проверьте, давно ли данный насос рекомендован для использования в аквариуме.

Хотя наличие хорошего насоса помогает повысить надежность системы, лучший способ снизить вероятность того, что отказ насоса нанесет вред вашей системе, – это резервирование. Хотя один большой насос может справиться с задачей, два небольших насоса могут выполнить ту же задачу, и вероятность того, что оба небольших насоса одновременно выйдут из строя, обычно намного меньше. Установка нескольких насосов более сложна и, возможно, более затратна, но душевное спокойствие, которое дает уверенность в том, что ваши питомцы находятся в большей безопасности, может стоить того.

Еще один важный критерий выбора, о котором еще не упоминалось, – выбор погружного или непогружного (внешнего) насоса.

В первой части этой серии я отметил, что основными преимуществами погружных насосов являются простота установки и, как правило, более компактные размеры. Они могут лучше всего подходить для насосов внутренней циркуляции и называются силовыми головками. Обычно головки имеют небольшие размеры (что позволяет размещать их в резервуарах в незаметных местах), обеспечивают низкую или умеренную скорость потока, но обычно не обеспечивают большого давления. В заключительной части этой серии я подробнее расскажу о компромиссах при установке и проектировании системы, но сейчас я хотел бы сделать одно личное замечание. Во всех аквариумных системах, кроме самых маленьких, я предпочитаю использовать как внешние насосы, так и внутренние циркуляционные насосы для перемещения воды из отстойников или других внешних фильтрующих систем. Такой двойной подход позволяет мне использовать внешние насосы меньшего размера, поскольку не все мои потребности в циркуляции должны обеспечиваться ими, и это дает мне еще одну форму резервирования насосов для повышения общей надежности системы. Как уже упоминалось в части 1, если вас не беспокоит теплопередача в резервуар, предпочтительным выбором, вероятно, будет непогружной насос.

Что касается надежности и безопасности, большинство центробежных водяных насосов не рассчитаны на работу всухую (т.е. без воды) и будут повреждены, если это произойдет. Вода в насосе должна выступать как в качестве смазки, так и в качестве охлаждающей жидкости. Использование поплавковых выключателей в отстойниках или резервуарах, которые отключают насосы при отсутствии воды, является хорошим способом убедиться в том, что вы по ошибке не запустите насос всухую. Использование контроллеров насосов или волнорезов также заслуживает упоминания. Насосы обычно работают от электродвигателей, что требует безопасного выключения и включения. Если контроллер или насос спроектированы неправильно и не способны надежно включать и выключать электродвигатели многократно, один или оба этих устройства могут быть повреждены при переключении. Если вы планируете использовать насосы и волновод таким образом, я рекомендую вам убедиться, что они безопасно работают вместе, либо связавшись с производителем устройств, либо найдя кого-то другого, кто уже использует подобную конфигурацию. И наконец, я настоятельно рекомендую вам использовать электрические цепи, оборудованные прерывателем замыкания на землю (GFI), при использовании любого электрического оборудования вблизи воды, чтобы уменьшить опасность поражения электрическим током как вас, так и вашего аквариума.

В следующей и последней части этой серии статей о водяных насосах для аквариумов мы рассмотрим процедуры установки насосов, а также обсудим некоторые идеи по использованию насосов в различных аквариумных приложениях.

Source: reefkeeping.com