Промышленный водоструйный компрессор

Водоструйный насос
— простейший, но очень полезный агрегат, позволяющий без лишних затрат получить сразу как разрежение на одном конце, так и повышенное давление на другом. Достоинства и недостатки известны — относительно небольшой КПД и необходимость в интенсивном потоке жидкости, но вместе с тем крайняя простота (изготовить его можно при нужде можно буквально на коленке, из подручных средств), несравненная надежность и нулевые усилия на обслуживание.

Применяется он обычно в лабораториях, где ставить большой механический насос дорого и невыгодно.

Но существует несколько трюков, позволяющих значительно (в 2-3 раза) поднять КПД насоса по сравнению с наивной конструкцией, поэтому и в промышленном масштабе водоструйный насос может быть с успехом применен, составляя достойную конкуренцию другим типам насосов…

В общем виде насос представляет из себя сопло, откуда струя жидкости выбрасывается с высокой скоростью, захватывая воздух из воздухозаборника и поступая в камеру смешения, где происходит дальнейшее сжатие и разделение жидкостно-воздушной эмульсии с выходом пузырьков сжатого воздуха, и выходной патрубок.

Усовершенствования, полученные эмпирическим путем, и направленные на увеличение как объема отсасываемого воздуха, так и его давления, таковы:

- желательно измельчить струю как можно сильнее и обеспечить как можно большую поверхность контакта движущихся частиц струи с воздухом, отсюда вывод, что много мелких сопел отсасывают больше воздуха, чем одно большое

- очевидно, что для использования давления водяного столба большой насос нужно делать вертикальным, причем камера смешения должна быть как можно большей высоты для получения как можно большего давления

-приемную воздушную камеру желательно выполнить в виде сужающегося конфузора для более устойчивой работы насоса при меньшем давлении струи

- диаметр камеры смешения должен быть точно подходящим под размер разлета струи, чтобы исключить потери на обратные турбулентные потоки эмульсии и обеспечить надежный захват инжектируемого воздуха струей

- стенки камеры смешения должны быть достаточно гладкими для уменьшения потерь на трение

- при выходе из трубы насоса для плавного торможение потока и уменьшения потерь на удар и кавитацию нужно предусмотреть расширяющийся диффузор, а внутри него по центру конусообразный разделитель потока

В результате получится нечто вроде этого:

Самым первым известным промышленным применением такого насоса стала каталонская водотрубная воздуходувка, которая также называлась водяным барабаном, или тромпой.

Тромпа состояла из большого деревянного бассейна В объёмом около 10 м3, деревянного «духового» ящика С и двух (или более) вертикальных водопроводных труб АА, которыми ящики соединялись. Водопроводные трубы изготовлялись из чугуна или выдолбленных стволов деревьев, их длина составляла от 3,5 до 8 м.

Вверху в трубы вставлялись воронки из деревянных брусков с. Непосредственно под воронками в стенках труб проделывались небольшие отверстия е (с наклоном около 40…50°). Они имели диаметр около 7…8 см и служили для притока воздуха. Деревянный духовой ящик С имел в разрезе трапецеидальную или цилиндрическую форму. В верхней крышке ящика помещалась прямоугольная труба р для отвода воздуха. На некотором расстоянии от крышки труба с помощью уплотняющей манжеты из бараньей кожи r соединялась с соплом s, сделанным из железа или красной меди. В нижней части одной из боковых стенок духового ящика находилось отверстие n, служившее для выпуска воды. Размеры этого отверстия должен был быть таким, чтобы вода в духовом ящике постоянно оставалась на одном и том же уровне. Под нижними отверстиями водопроводных труб АА располагалась доска, или «скамейка» l, верхняя сторона которой закрывалась чугунной плитой, предохранявшей от разрушения дерево, постоянно подвергавшееся воздействию падающей с большой высоты воды.

Тромпа применялась в комплексе так называемым с каталонским сыродутным горном и водяным молотом особой конструкции. В таком виде процесс производства кричного железа оставался конкурентоспособным по отношению к более прогрессивной технологической схемой, включавшей доменную и пудлинговую печи, вплоть до середины XIX в. Специалисты характеризовали тромпу как «весьма остроумное и простое устройство, вполне способное производить ровное и непрерывное дутьё». Управление силой дутья было тоже очень простым — достаточно потянуть за ручку и поднять или опустить подвешенную над водяным отверстием бассейна пробку.

Несмотря на все её преимущества, примитивность конструкции позволяла применять тромпу только в местности, имеющей достаточный естественный перепад высот — то есть в горах.

А как же быть на равнине?

Над этим вопросом в середине XIX века задумался Джозеф Палмер Фриззелл, известный канадско-американский инженер-гидравлик, работавший у того самого Джеймса Френсиса, который изобрел знаменитую гидротурбину своего имени.

Результатом раздумий и экспериментов стал патент, определивший конструкцию, которая не меняется вот уже полтора века.

Конструкция в общем и целом, повторяла принцип тромпы за одним исключением. Труб было две: входная B, служившая собственно насосом, и выходная F, дававшая напор, позволяющий накапливать в подземном резервуаре D большое количество воздуха под серьезным давлением. Воздух этот по трубе подавался потребителю, а если резервуар переполнялся и воздух окончательно вытеснял воду из резервуара, излишек воздуха отводился по отдельной предохранительной трубке. Перепад высот между входным бассейном A и выходным G был совсем небольшой — для набора струей энергии, обеспечивающей устойчивую работу насоса, достаточно всего нескольких метров.

Но патент этот, видимо, остался малоизвестным, потому что в дальнейшем несколько инженеров независимо переоткрывали эту конструкцию с небольшими изменениями.

Самым плодовитым из первооткрывателей был канадец же Чарльз Хэвлок Тэйлор, который построил несколько таких насосов, снабжавших сжатым воздухом шахты в США и Канаде. Крупнейший гидравлический компрессор был построен им в местечке Ragged Chutes на реке Монреаль в 1910 году.

Компрессор Тэйлора имел сопловый ввод и подачу воздуха в виде множества керамических труб, камеру смешения в виде колодца высотой в 342 фута и снабжал все окрестные шахты сжатым воздухом давлением примерно в 10 атмосфер. Несмотря на то, что все шахты давно закрыты, компрессор находится в исправном состоянии и выдает привлекающие туристов фееричные фонтаны из предохранительной трубки до сих пор, и за все время бессменной работы в режиме 24/7 его НИ РАЗУ не ремонтировали!

Гидравлический воздушный компрессор просто до безобразия прост, железобетонно надежен (хотя металла в своей конструкции может не иметь вообще) и при добросовестной постройке не требует абсолютно никакого обслуживания. Именно эти качества делают его идеальным для попаданца. По сути дела, требуется только выкопать два колодца, соединить их подземной галереей и вывести трубу к потребителю. Потенциально требуется только камень или известковый раствор для облицовки и несложная керамика. Максимальное давление, которое можно получить, зависит только от местной геологии и трудолюбия копателей колодцев.