Повітряні водопідіймачі (ерліфти).

Повітряні водопідіймачі (часто їх називають ерліфтами) відносяться до насосів-апаратів в яких енергія рідині передається безпосередньо від потоку стисненого повітря. Раніше ці водопідіймачі широко використовувалися для підйому води із свердловин. Зараз для цього більше використовуються відцентрові свердловинні насоси. Сьогодні ерліфтами часто користуються для відкачки із свердловин води з піском після буріння свердловини перед установкою занурювальних відцентрових насосів (для прокачки свердловин). Як головне насосне обладнання свердловини їх застосовують в тих випадках, коли із води слід видалити гази. Останнім часом ерліфти стали застосовувати для транспортування активного мулу на очисних спорудах каналізації.

В основу дії ерліфтів покладено закон сполучених посудин.В водопідйомну трубу 3 (рисунок 69) по трубі 4 через форсунку 2 подають стиснене повітря. Роздрібнене форсункою повітря змішується з водою і створює водоповітряну емульсію. Сполученими посудинами тут є заповнена водою свердловина і водопідйомна труба, яка заповнена емульсією. Оскільки густина емульсії менша за густину води, то її верхній рівень підніметься над рівнем води.

Водоповітряна емульсія буде підніматися по водопідйомній трубі на висоту  Н_г в тому випадку, якщо

r _в gh = r _ем g(H_г + h),

де: r _в - густина води; r _ем - густина емульсії; g - прискорення сили ваги; h - глибина занурення форсунки під динамічний рівень; Н_г - геодезична висота підйому емульсії.

Таким чином, висота підйому води Н_г залежить від відношення густин води і емульсії, а також від глибини занурення форсунки.

Піднявшись до верха труби 3, емульсія попадає в бак-сепаратор 6, де за допомогою відбивача 8 вода відділяється від повітря. Далі вода по трубі 5 рухається до споживача, а повітря через трубу 7 виходить в атмосферу.

Рисунок 69. Схема установки повітряного водопідіймача. 1-свердловина;2-форсунка; 3-водопідйомна труба;4-труба подачі стисненого повітря; 5 - труба до споживача; 6 - приймальний бак-сепаратор; 7 - випуск повітря; 8 - відбивач.

 

Повітряні водопідіймачі серійно не випускаються. Їх розраховують і конструюють індивідуально і виробляють на замовлення. Розрахунок повітряного водопідіймача зводиться до визначення глибини занурення форсунки, витрати повітря, яка необхідна для забезпечення потрібної витрати води, а також подачі, тиску і потужності компресора.

Глибину занурення форсунки визначають за коефіцієнтом занурення К = Н / Н_г. Значення цього коефіцієнта наведено в таблиці:

Таблиця залежності коефіцієнта занурення і коефіцієнта корисної дії ерліфта від висоти підйому.

Нижній кінець водопідйомної труби повинен бути на 3 - 6 метрів нижче форсунки.

Необхідну витрату повітря визначають через, так звану, питому витрату. Питома витрата повітря - це кількість повітря в м³, яка необхідна для підйому 1 м³ води при заданому К.К.Д. ерліфта (h _ер) і атмосферному тиску. Питома витрата повітря визначається по формулі

 

Ця формула отримана на основі аналізу роботи, яку компресор виконує при ізотермічному стисненні повітря.

Кількість повітря, яку слід подати для підйому води витратою Q  буде дорівнювати W = q Q.

Наведені формули дійсні для нормального атмосферного тиску і температури повітря 15°С. При інших значеннях температури і тиску повітря в них слід вводити поправки. Для України поправочний коефіцієнт дорівнює 1,2, тобто: W_{компресора} = 1,2 W.

Робочий тиск повітря, необхідний для роботи водопідіймача:

Р_пов=0,1(Н-Н_г+ S h_пов) кГс/см² » 0,01(Н - Н_г + S h_пов) МПа.,

де: S h_пов -сума втрат напору в трубах від компресора до форсунки.

Розміщення водопідйомної та повітряної труб може бути паралельним або центральним. При паралельному розміщенні повітряна труба проходить в свердловині рядом з водопідйомною, а при центральному - всередині водопідйомної.

Для видалення із повітря від компресора масла і парів води на повітряній лінії влаштовують повітряний резервуар - ресивер.

Переваги повітряних водопідіймачів у простоті конструкції, надійності в роботі, можливості підйому води з піском, можливості використання викривлених і невертикальних свердловин малого діаметру. Головний недолік - низький коефіцієнт корисної дії (20 - 25%).

Гідравлічні тарани.

Гідравлічний таран - це водопідіймач, який працює на принципі використання явища гідравлічного удару в трубах. Його схема зображена на рисунку 70.

В гідротарані вода піднімається за рахунок кінетичної енергії маси рідини в трубі живлення 1. Їх доцільно застосовувати в місцевості, де є відповідний топографічний рельєф (наприклад в гірській місцевості). Для роботи гідротарану необхідне джерело живлення 7 з напором Н₁ не менше ніж 1-2 метри.

Перед початком роботи гідротарана засувка на трубі 1 закрита. Випускний клапан 2 під дією власної ваги (або ще і пружини) знаходиться у відкритому положенні і може випускати воду із труби 1 назовні, а напірний клапан 3 закритий. При відкриванні засувки вода із джерела 7 по трубі живлення 1 під напорм Н₁ через клапан 2 почне витікати в атмосферу із зростаючою швидкістю. При підвищенні швидкості до деякої величини гідродинамічний тиск на клапан 2 знизу вверх зросте настільки, що пересилить вагу клапана (або вагу клапана і силу пружини) і закриє його. При цьому в трубі живлення виникне

Рисунок 70. Схема установки гідравлячного тарана. 1-труба живлення; 2-випускний (ударний) клапан; 3 - напірний клапан; 4 - повітряний ковпак; 5 - напірний трубопровід; 6 - напірний бак;   7 - джерело.

 

гідравлічний удар і тиск в ній різко зросте. Як тільки цей тиск стане більшим за тиск у повітряному ковпаці 4, напірний клапан 3 відкриється і вода почне поступати через нього в повітряний ковпак. Коли напір в повітряному ковпаку стане більше величини Н₂,вода із нього буде витікати через напірну трубу 5 в резервуар 6. З миті виникнення гідравлічного удару (тобто з моменту закриття клапана 2) хвиля високого тиску почне розповсюджуватися по трубі 1 в напрямі джерела живлення 7. Коли ця хвиля досягне джерела, від нього в зворотньому напрямі почне розповсюджуватися рівна їй відбита хвиля пониженого тиску. До того часу поки хвиля пониженого тиску не досягне клапана 3 він буде відкритим і вода через нього надходитеме в повітряний ковпак. Коли ця хвиля дійде до клапанів, то тиск під ними знизиться і стане менше атмосферного. Внаслідок цього клапан 3 закриється, а клапан 2 під дією зовнішнього атмосферного тиску відкриється. Надалі описаний робочий цикл буде повторюватися. Гідравлічний таран діє автоматично в пульсуючому режимі. Частота пульсацій залежить від довжини труби 1. Якщо цю трубу зробити занадто короткою, то клапани не будуть встигати зпрацьовувати. Мінімальний (без урахування часу розгону води в трубі) період робочого циклу гідротарана в секундах приблизно можна визначити по формулі: Т_г.т.» 4L₁ /1000,    де: L₁ - довжина трубопроводу 1 в метрах.

Через гідротаран повинна витікати кількість води, яка в декілька разів перевищує його подачу. Висота підйому гідротарана Н₂ залежить від висоти Н₁ (точніше кажучи від швидкості води в трубі 1, з якою вона витікає через клапан 2)

В літературі описано конструкції гідротаранів з подачею до 65 м³/годину і з напорами до 150 метрів водяного стовпа. Іноді їх застосовують для сезонного водопостачання гірських пасовиськ.