V súčasnej dobe málokto rozumie slovu vodný trkač/watter hammer, hydraulischer Widder, gidravličeskoj taran/. Mladší sa smejú, stredná generácia ťažko hľadá súvislosť. Je to vodná pumpa z 18. st., ktorá pracuje na jednoduchom fyzikálnom zákone, bez nároku na inú energiu. Pri práci využíva vodný ráz, ktorý vzniká vo vodnom potrubí, pri okamžitom prerušení tečúcej vody ako kinetická energia. Premení sa na tlakovú potenciálnu energiu, priteká do vzdušníka, ktorý ju vytláča do vyššie položeného zásobníka na vodu. Výpočet množstva čerpanej vody je založený na účinnosti trkača s pripočítaním rýchlostnej straty vody na prívodnom aj výtlačnom potrubí, sacom koši, uzáver a plavák a uhlu oblúka potrubia/160°/.
Funkčný princíp :
Proti vodným rázom v potrubí sa bránime ale v niektorých prípadoch môžeme prakticky využiť. Príkladom je vodný trkač.
Z nádrže 1 priteká gravitačne voda potrubím 2 , z ktorého voľne odteká otvorom okolo ventila 3 . Prúd vody tlačí na dolnú vodorovnú plochu ventila 3 a zdvíha ho, až úplne uzatvorí výtokový otvor, čím vznikne v potrubí ráz. Zvýšením tlaku sa otvorí klapka 4 , voda vniká do vzdušníka 5 a stláča v ňom vzduch nad hladinou uzavretý. Tým nastane zníženie tlaku v potrubí 2, ventil 3 i spätná klapka 4 vlastnou váhou klesnú , voda začne znova prúdiť potrubím 2 a celý proces sa opakuje. Stlačený vzduch vo vzdušníku vytláča časť vody potrubím 6 do vyššie položeného zásobníka na vodu 7.
Tlakové pomery so stratami v prívodnom aj výtlačnom potrubí i straty sú na priloženom obrázku. Pre návrh využitia vodného rázu v potrubí platí hydraulický vzťah:
qH = ƞ(Q – q) h
z ktorého určíme účinnosť ƞ % ak poznáme H/h ; pomer celkovej výtlačnej výšky H /m/ do zásobnej nádrže z trkača v množstve q=[lit‧s-1 ] a výškový rozdiel gravitačného prívodu h/m/ vody do trkača Q=[lit.‧ s-1]. Potom pre teoretický výpočet účinnosti ƞ % platí jednoduchá rovnica:
ƞ=0,7E – 3 ‧ (H/h)2 – 0,0475 ‧ (H/h) + 0,897 /%/.
Príklad: Gravitačný prívod vody do vzdušníka h=4 m. Výška nádrže na vodu H=20 m, potom H/h =20/4. Podľa rovnice účinnosť vodného trkača ƞ=0,68% . Výdatnosť zdroja a spotreby vody si podľa tabuliek zistíme priemer potrubia.
Pomer H/h=10 je na hranici účinnosti ƞ=50%. Ďalšie zvyšovanie výtlačnej výšky H /m/ je vysoko nerentabilné pokiaľ nevieme zabezpečiť zdroj vody s vysokou výdatnosťou Q /lit.‧s-1 /.
Účinnosť ƞ /%/ pri pomere 15 a viac prudko klesá.
|
pomer H/h /m/ |
4 |
8 |
10 |
15 |
20 |
|
účinnosť ƞ /%/ |
0,72 |
0,56 |
0,49 |
0,35 |
0,23 |
|
vzťah q/Q /lit./ |
0.18 |
0,070 |
0,049 |
0,023 |
0.012 |
Teoretická účinnosť trkača môže dosiahnuť 72 % ,pri pomere celkovej výtlačnej výšky H ku výške gravitačného prívodu h v pomere 4 ; napr. 8:2. Ale 16 m výtlačná výška H si vyžaduje už gravitačný prívod vody h=4 m /16:4/ pre dosiahnutie 72% účinnosti. Pri konštantnom gravitačnom prítoku vody do trkača h= 2 m poklesne účinnosť o 16% a dosiahne 56 % účinnosti.
Napr. : pri gravitačnom prítoku vody z nádrže h=2 m do vodného trkača v množstve q= 1,0 lit. vytlačí do zásobníka vody vo výške H=8 m za čas vodného rázu 0,70—0,72 litra vody. Pri výtlačnej výške H=16 m umiestneného zásobníka vody a gravitačnom prívode h=2 m je pomer H/h=8 , vytlačí 0,56 litra vody.
Pre efektívny návrh vodného trkača uvádzame vstupnú tabuľku základných údajov pre rozmery potrubia.
|
priemer Ds/mm/ |
priemer Cól/“/ |
polomer r/m/ |
polomer d/m/ |
Plocha potrubia P/m2 / |
| 10 |
3/8 |
0,005 |
0,010 |
0,00010 |
|
40 |
6/4 |
0,02 |
0,040 |
0,00130 |
|
50 |
2 |
0,025 |
0,050 |
0,0020 |
Prietok vody potrubím /gravitačným i výtlačným/ navrhneme jednoduchým vzťahom ako plochu potrubia a rýchlosti prítoku vody Q alebo q= P‧ v [m3 ‧s-1 ]. Pre efektívne využitie maximálneho obsahu vody v gravitačnom potrubí Q navrhneme potrubie q výtlačné takého istého priemeru alebo menšej dimenzie, ako prívodné gravitačné potrubie Q=q [m3 ‧s-1]. Z ekonomických dôvodov môžeme navrhnúť výtlačné potrubie q s menším priemerom max. o 25 % , za podmienky konštantnej výdatnosti zdroja. Výtlačné potrubie nikdy nenavrhujeme menšieho priemeru nakoľko jeho zmenšovaním narastajú rýchlostné straty vody vo výtlačnom potrubí v pomere Z=v2/2ց. Na prívodnom aj výtlačnom potrubí sa vyhýbame akýmkoľvek oblúkom, spojom, odbočkám prevýšeniam a zabudovaním mechanických častí /uzávery, merače /. Pri známom množstve prítoku vody do trkača a množstve vytlačenej vody, sa určí aj impulz premeny kinetickej energie na mechanickú prácu čiže vodný ráz v potrubí-počet otvárania ventilov za minútu. Optimálna gravitačná rýchlosť vody do vzdušníka v≈ 0,5 ÷ 1,5 m‧s-1
Jeho nedostatočné využívanie je spôsobené hlučným ťukaním, ktoré spôsobujú spätné klapky pri neustálom otváraní a zatváraní potrubia a vzdušníka. Hlučnosť sa dá čiastočne odstrániť zabudovaním vzdušníka do proti hlučnej bariéry ,alebo ak to dovoľujú miestne pomery, zabudovať do podzemnej šachty.
Prehľadná tabuľka pre jednoduchý výpočet priemeru potrubia:
|
priemer potrubia d/m/ |
plocha potrubia P=/m2 / |
gravitačná rýchlosť v=[m‧s-1 ] |
prietok vody /lit.‧s-1/ |
prietok vody /m3‧ h-1/ |
prítok do nádrže q pri ƞ=0,72 |
prítok do nádrže q pri ƞ=0,56 |
prítok do nádrže q pri ƞ=0,49 |
|
0,01 |
0,0001 |
0,5 1,5 2,5 3,0 |
0,1 0,2 0,3 0,3 |
0,36 0,72 1,1 1,1 |
0,003 m3 0,005 0,792 0,792 |
0,002 m3 0,004 0,006 0,006 |
0,002 m3 0,004 0,005 0,005 |
|
0,04 |
0,0013 |
1,0 1,5 2,0 |
1,3 1,9 2,5 |
4,5 6,8 9,0 |
0,032 0,049 0,065 |
0,025 0,038 0,050 |
0,022 0,033 0,044 |
|
0,05 |
0,002 |
1,0 1,5 2,0 |
2,0 2,9 3,0 |
7,1 10,6 14,1 |
0,051 0,076 0,100 |
0,040 0,059 0,079 |
0,035 0,052 0,069 |
Navrhnutý spôsob riešenia je jednoduchý, stačí do obyčajnej kalkulačky vložiť známe hodnoty výškového prevýšenia gravitačného prívodu vody a výtlačnú výšku v metroch. Výsledok z rovnice je účinnosť trkača. Podľa ekonomických parametrov a vodného zdroja je do 50 % vypočítanej účinnosti ešte rentabilný.
Alojz Malíšek