Насосы
Ворот и журавль для подъема воды можно рассматривать скорее как дань традиции, поскольку в современных условиях все стремятся минимизировать нагрузки, в том числе и в водоснабжении. Поэтому чаще всего люди оборудуют свои колодцы насосами, которые имеют разную конструкцию и разные принципы действия. Кроме того, если ведро или бадья предназначены для порционного извлечения воды, то для непрерывного процесса в большей степени подходят насосы.
До некоторой степени решат проблему подъема воды из колодца ручные насосы, которые бывают двух типов:
• штанговыми;
• поршневыми.
Штанговый насос комплектуется насосным цилиндром, колонной водоподъемных труб, комплектом штанг, поршнем, ручным приводом в составе штока и балансира.
Сначала скважину оборудуют водоподъемными трубами, которые фиксируют у ее устья либо фланцем, либо стальными хомутами. На их верхнем конце устанавливают сальник. В трубы, образующие колонну, опускают насосный цилиндр, причем он должен находиться ниже стабильного уровня воды, поскольку всасывающий дисковый или шариковый клапан при подъеме не должны оказаться выше нее.
Далее на штангах, которые наверху соединяют со штоком, опускают вниз поршень, причем от нижнего клапана цилиндра он должен отстоять на 50–60 мм. Шток, в свою очередь, проходит через сальник и шарнирно взаимодействует с балансиром или шатуном верхнего привода механизма.
Поршень – это металлический толстостенный цилиндр, в центре которого проходит канал (проточка), прикрытый сверху клапаном (дисковым или шариковым). На наружной его стороне стоит резиновая муфта. Когда поршень опускается вниз, по его каналу вверх поднимается вода, находящаяся под ним. При этом поршневой клапан открыт, а всасывающий закрыт.
При движении вверх поршень тянет за собой воду, под ним возникает разреженное пространство, которое заполняется водой из скважины. При этом поршневой и всасывающий клапаны занимают прямо противоположное предыдущему положение, т. е. первый закрыт, а второй открыт. Таков принцип работы штангового насоса.
Поршневой насос напоминает описанный выше, но обладает рядом отличий.
В комплект поршневого насоса входят цилиндр, поршень, клапаны – нагнетательный и всасывающий. Насос, который применяют при глубине колодца не более 7–10 м, монтируют в верхней части колонны водоподъемных труб таким образом, чтобы от земли он находился на высоте 700–1000 мм. Конструктивно насос – это цилиндр, в который помещен поршень, оснащенный поршневым и дисковым клапанами (последний занимает место в низу цилиндра).
При движении поршня вниз дисковый клапан закрывается, поршневой клапан открывается и позволяет воде заполнить пространство над поршнем. При движении поршня вверх, поршневой клапан захлопывается, и вода заполняет водоприемник. При этом под поршнем образуется разреженное воздушное пространство, благодаря которому дисковый клапан открывается, и вода поступает в пустое пространство под поршнем. Для обеспечения возвратно-поступательного движения поршня предназначается шток, шарнирно связанный с балансиром. Чтобы откачать воду из колодца, предусмотрен обратный клапан, за счет которого поршневой насос может функционировать в связке с электронасосом.
Если нет подходящего по диаметру бревна, то ворот для колодца можно сделать и из бруса сечением 200 Ч 200 мм. К его торцам прикладывают обычную тарелку нужного диаметра, обводят и отсекают все лишнее, например электрорубанком.
После того как магазины стали предлагать большой выбор всевозможных водяных электрических насосов и помп, ручные насосы отошли на второй план. Однако такой насос на участке совсем не лишний. Скажем, в ситуации, когда отключена электроэнергия или когда электричество еще не проведено, такие устройства могут оказать незаменимую услугу. Кроме того, когда нужно набрать пару-тройку ведер воды, вовсе не обязательно включать на секунду мощный электронасос (ему это вряд ли на пользу). Да и небольшая физическая нагрузка для здоровья полезна.
Более того, умельцы могут самостоятельно собрать ручной насос, тем более что и литературу на эту тему найти нетрудно.
Электрические водяные насосы классифицируют по их назначению:
• водоподъемными (для подъема воды из колодцев разного типа). Эта группа насосов по способу установки представлена двумя разновидностями – поверхностными и погружными насосами (впрочем, это относится и к другим типам насосов);
• циркуляционными, с помощью которых обеспечивается стабильная циркуляция воды в системе водоснабжения;
• дренажными, находящими применение при откачивании воды из подвалов и т. п.
• Нас интересует оборудование только первой группы, поскольку речь идет об извлечении воды из колодцев.
• Как следует из названия, поверхностный насос функционирует без погружения в воду. Его устанавливают на поверхности, а в колодец бросают водозаборный шланг. Насосы этого типа имеют как достоинства, так и недостатки. Главные плюсы поверхностного насоса:
• прост в обслуживании;
• доступен по цене;
• способен долго работать без остановки и при этом не перегреваться;
• практически бесшумен;
• монтируется как непосредственно на колодце, так и около него;
• легко контролируется.
К минусам следует отнести его неспособность поднять воду с глубины более 10 м, поэтому его можно приобретать для мелких колодцев или скважин (закачивая воду из таких источников, поверхностный насос отлично справится с поливом грядок или откачивает воды из погреба); невозможность работать в автономном режиме, т. е. их вручную включают и выключают, следят за давлением в системе.
Однако поверхностные насосы могут поднимать воду из глубоких колодцев, если дополнительно оборудовать их специальным устройством, называемым эжектором. Его надевают на конец всасывающего шланга и опускают в колодец. Когда насос начинает работать, часть воды, которая поднимается по дополнительному каналу, попадает в эжектор, вследствие чего давление на входе возрастает. Это означает, что вода, поднимаемая вверх, еще и подталкивается снизу. Эжектор монтируют внутри насоса или снаружи. Первые применяются для бытовых потребностей, и максимальная высота, которую они обеспечивают, в среднем не бывает более 8 м. Вторые же способны поднять воду на высоту до 30 м.
Все бы хорошо, но нельзя не сказать и о существенном недостатке: производительность системы снижается по мере увеличения глубины, в то время как потребляемая мощность и уровень сложности конструкции, напротив, возрастают. В результате поверхностный насос с эжектором будет работать столько же (или почти столько же), как и глубинный насос, речь о котором пойдет далее.
Поверхностные насосы бывают центробежными и вихревыми. Первые имеют второе название – самовсасывающие поверхностные насосы. Глубина всасывания у них больше, чем у вихревых, – примерно 9 м, поэтому их можно рекомендовать для забора воды из колодцев, ключей и т. п. В корпусе центробежного насоса стоят колеса, которые, вращаясь за счет рабочего вала, установленного на подшипники, нагнетают давление. В результате на входе и на выходе вода имеет разные скорость и давление. Перед тем как запустить центробежный насос, его заполняют водой через специальное отверстие с пробкой.
Вторые не предназначены для подъема воды из мелких колодцев, поскольку глубина всасывания у них незначительная. Как правило, насосы этого типа устанавливают для того, чтобы регулировать уровень давления в водопроводе. Конструкция вихревого насоса напоминает центробежный. В его корпусе закреплена ось с рабочим колесом, оснащенным лопатками, которые сообщают воде энергию, создаваемую вращающейся осью.
Принимая решение оборудовать колодец поверхностным насосом, нельзя ошибиться с выбором. Для этого следует учесть несколько факторов:
• важно сразу определить, как именно предполагается использовать насос. Если с его помощью будет подаваться вода для полива сада-огорода, то достаточно, чтобы производительность насоса составляла 1 м3/ч. Если цель – устроить в доме автономную водопроводную систему, то этого параметра будет недостаточно. Определить необходимую производительность насоса нетрудно. В небольшом загородном доме вода необходима для бытовых и хозяйственных нужд. В соответствии со СНиПом 1 человек в сутки потребляет 200 л воды (по другим данным – 350 л), поэтому умножив этот показатель на количество жильцов, можно установить потребность в воде. Максимальный расход определяется возможностью «одновременного пользования несколькими точками потребления воды». Если, например 1 человек принимает ванну (8–10 л/мин), 1 человек моет посуду на кухне (6 л/мин), 1 человек посещает туалет (6 л/мин), то максимальный расход – 20–22 л/мин. На полив 1 м2 огорода нужно 3–6 л в сутки, иногда и 10 л (в зависимости от растений);
• не менее важный параметр – глубина всасывания. В среднем максимум, с которого поверхностный насос поднимет воду, равен примерно 8–9 м. Для поверхностного насоса характерно такое соотношение «вертикаль – горизонталь» – 1: 4, т. е. если вертикаль равна 8–9 м, то горизонталь – 32–36 м. Зная такую характеристику насоса, можно определить, какую наибольшую глубину всасывания насос сможет обеспечить, чтобы его можно было эксплуатировать на данном участке;
• максимальный напор, который сможет обеспечить поверхностный насос – еще один момент, без учета которого нельзя правильно подобрать насос. Чтобы установить это, надо вычислить расстояние от точки, где насос будет установлен, до места на участке, наиболее удаленного, куда нужно будет подавать воду. Разность между ними и есть искомая величина. При расчете горизонтального участка надо помнить, что на каждых 10 м длины трубопровода потеря напора составляет 1 м;
• для поверхностных насосов важен и тип всасывающего шланга, так как его диаметр и форма внутреннего сечения могут отрицательно сказаться на производительности агрегата. Чем больше диаметр шланга, тем его гидравлическое сопротивление меньше. Изнутри шланг должен быть гладким, а снаружи гофрированным. Хорошо себя зарекомендовали армированные всасывающие шланги;
• помня о том, что напряжение в наших электрических сетях не всегда соответствует норме и имеет обыкновение падать, то при покупке насоса, лучше взять более мощный, чтобы при низком напряжении производительность насоса сохранялась;
• нужно внимательно читать прилагаемую инструкцию, в которой производитель обязательно указывает максимально допустимый размер частиц примесей (песка и пр.), поскольку при перекачке загрязненной сверх меры воды насос быстро сломается, причем ремонт придется делать за свой счет.
Одним из вариантов ворота является диск от колеса автомобиля, насаженного на ось. Он прост в изготовлении, но есть и минус: во время морозов в колодце плюсовая температура, поэтому диск покрывается конденсатом, и в колодец капает вода с ржавчиной.
Название погружных насосов говорит о том, что это устройство функционирует при полном или частичном погружении в нашем случае в водную среду. В связи с такими условиями работы к электродвигателю насоса присоединяется специальный электрокабель, проводка покрыта прочной и надежной изоляцией, вся электроника защищена от контакта с водой. Да и сами материалы, из которых изготавливают погружные насосы, устойчивы к воде. Это полимеры, нержавеющая сталь и др. В процессе функционирования прокачиваемая вода охлаждает двигатель, поэтому последний даже при длительной эксплуатации не перегревается.
Погружные насосы бывают двух типов – скважинные, или глубинные, и колодезные.
Скважинные насосы предназначены для подъема воды из артезианских скважин, которые, как известно, могут достигать очень значительной глубины. Условия работы в ограниченном пространстве требуют от оборудования определенных материалов, размеров и формы корпуса. Обычно глубинные насосы имеют цилиндрическую форму и корпус диаметром не более 100 мм, выполненный из нержавеющей стали.
В соответствии со специфическими условиями работы глубинные насосы должны обладать высокой производительностью и большим напором, что и предусмотрено их конструкцией, в частности для них характерна многоступенчатая система всасывания. В основе работы глубинных насосов лежит принцип, гласящий, что необходимое для подъема воды давление легче обеспечить снизу, чем стараться поднять ее сверху, откачивая воздух.
Глубинные насосы относятся к центробежным, так как работают на основе центробежной силы, которая образуется в их корпусе. В нем находится рабочее колесо в виде дисков, соединенных изогнутыми лопастями. Вода, заполняя пространство между лопастями, испытывает воздействие центробежной силы, возникающей от работающего колеса. В результате в центре создается низкое давление, а на периферии – высокое. Благодаря такой разнице вода из колодца втягивается в корпус насоса и выбрасывается под напором наружу через выходной патрубок.
Габариты колодезных насосов, в отличие от глубинных, не столь жестко ограничены, поэтому у них есть возможность использовать ресурс двигателя более эффективно. Однако при этом глубина воды под насосом не должна быть менее 1 м. В противном случае происходит всасывание частиц песка и ила, что может вывести насос из строя. Поэтому система оборудуется поплавковым выключателем, благодаря которому работа происходит в автоматическом режиме, и как только уровень воды падает до критической отметки, механизм срабатывает и двигатель прекращает работать.
Колодезный насос способен поднять воду с глубины до 50 м. Принцип действия такого агрегата вибрационный, т. е. внутри цилиндра стоит резиновая мембрана. По одну сторону от нее находится камера для откачиваемой воды, по другую – вибрирующий элемент, под воздействием которого мембрана приходит в движение и деформируется. При изгибании мембраны рабочий объем внутри водяной камеры то увеличивается, то уменьшается, соответственно и давление в корпусе то возрастает, то падает. При снижении давления впускной клапан открывается, вода заполняет камеру, при увеличении давления открывается выпускной клапан, через который вода под напором выталкивается наружу.
Чтобы грамотно выбрать погружной насос, необходимо внимательно прочитать паспорт скважины. Знание параметров скважины позволит эксплуатировать погружной насос в максимально благоприятных для него условиях.
Итак, нужно принять во внимание необходимый напор; предполагаемое водопотребление; динамический уровень воды; дебит; высоту, на насос сможет поднимать воду; расстояние от мест потребления воды или до бака с водой, т. е. дополнительно к тем вычислениям, что производятся при выборе поверхностного насоса, надо дополнительно учесть глубину, с которой насос должен будет поднимать воду.
Помимо этого, необходимо соотнести производительность скважины и производительность насоса (производительность первой должна быть выше производительность второго). Если последнее, а именно объем воды в кубических метрах, который насос перекачивает за единицу времени, обычно за 1 ч, представлено в инструкции к нему, то для определения первого надо произвести несложные расчеты.
Наименьшая необходимая производительность системы подачи воды складывается из количества кранов, имеющихся на участке, и умножается на 500 л/ч. Если предполагается строить поливочную систему для сада-огорода (она приравнивается к работе дополнительного смесителя), то к полученному произведению надо прибавить еще 500 л/ч. Итоговый результат и есть та минимальная производительность погружного насоса, которой будет достаточно для водоснабжения дома и участка. К ней желательно добавить 10–15 % – запас прочности, чтобы и уже не новый насос справлялся со своими функциями.
Принять во внимание нужно и максимальную высоту подъема воды и напор, т. е. давление в трубопроводе. Номинальный столб воды (это тот минимум, который требуется для конкретного устройства), на который рассчитан погружной насос, указан в его техпаспорте. Он формируется так: глубина погружения насоса плюс пятая часть длины трубы от входа в скважину до ввода в домашний трубопровод плюс 15 % запаса прочности (от последнего зависит, как долго насос прослужит).
Кроме того, желательно, чтобы корпус насоса был выполнен из нержавеющей стали, а также надо обращать внимание на бесшумность работы, легкость установки. Имеет значение и цена (хотя насос, предусматривающий защиту от непредвиденных ситуаций, обходится дороже, он этого стоит).
Водяные насосы могут оснащаться различной автоматикой, которая предотвращает две основные неприятности – перегрев и сухой ход. Такая защита предупреждает преждевременный выход агрегата из строя.
Причинами перегрева являются продолжительное непрерывное функционирование и работа в грязной воде. От перегрева насос защищает термодатчик (термореле), автоматически отключающий насос при критической температуре. Модели, оснащенные таким образом, предпочтительны, если прогнозируются ситуации, когда насос должен будет подавать воду в экстренном режиме (при высоких нагрузках) или продолжительно и непрерывно.
При обычной эксплуатации насос конструктивно защищен от перегрева. Для этого, кроме внешнего корпуса, у насосов имеется внутренний. Когда нанос погружен на рабочую глубину, вода заполняет пространство между ними и предупреждает перегрев двигателя. Защиты такого рода достаточно, если насос работает с незначительными перегрузками.
Сухой ход – это такой режим работы включенного насоса, при котором через агрегат не прокачивается вода. Такие условия не только нежелательные – это аварийная ситуация, которая значительно сокращает срок службы насоса. Вода, которую насос пропускает через себя, выступает одновременно в роли смазывающей и охлаждающей жидкости. При ее отсутствии, т. е. при сухом ходе, рабочие детали вследствие трения могут разрушаться или деформироваться, а двигатель – сгореть. Поэтому нельзя допускать таких условий эксплуатации насоса. Причины возникновения сухого хода различны:
• отсутствие воды. Это возможно независимо от того, откуда происходит забор воды: в баке она может просто закончиться, а в колодце или скважине ее уровень может оказаться ниже положения погружного насоса (если это происходит с трубчатым колодцем, то это значит, что насос находится выше динамического уровня воды или что его производительность превышает дебит источника);
• засор всасывающей трубы, из-за чего объем поступающей воды падает; нарушение герметичности трубы, вследствие чего происходит подсос воздуха, который создает пробку. Это характерно для поверхностных насосов;
• сухой ход возникает, даже если насос подключен к системе централизованного водоснабжения, если в трубопроводе упало давление или если он где-то перекрыт и вода вообще отсутствует.
Резиновый шланг, применяющийся для выкачивания воды с помощью поверхностного насоса, из-за возникающего разрежения сжимается, что сказывается на работе агрегата. Поэтому его можно заменить тонкой металлической трубой.
Таким образом, можно сказать, что основная причина сухого хода – это отсутствие воды, и неважно по какой причине это случилось. Если насос эксплуатируется в присутствии человека или если он установлен в неиссякаемый источник (например, речку), необходимости в защите от сухого хода нет. Но насос, работающий в автоматическом режиме, надо защищать.
С этой целью насосы оснащаются датчиками или реле сухого хода, датчиками потока, поплавковыми датчиками и иным оборудованием, которые реагируют на ненормальную ситуацию и выключают насос либо отключают питание заранее. Обнаружить сухой ход можно, установив один из следующих параметров:
• уровень воды. На этом принципе основываются поплавковые датчики и реле уровня. Первый размещается выше погружного насоса или всасывающего патрубка поверхностного насоса. Как только уровень воды оказывается ниже него, электрическая цепь размыкается, насос останавливается. Запустить его снова можно вручную.
• Более современный прибор – реле уровня. Один из его двух датчиков (бывает и три) находится на минимальном уровне воды, второй на максимальном. Когда уровень воды оказывается ниже минимального, насос перестает работать, когда уровень повышается и достигает максимального, насос снова включается.
• Благодаря названным устройствам насос перестает работать еще до возникновения сухого хода;
• давление на выходном патрубке. Если давление оказывается ниже критического, т. е. 0,5 бар и менее, следовательно, насос прекратил подавать воду и его надо отключить;
• поток воды через насос. Для его измерения предназначен датчик потока. При падении интенсивности потока ниже критического питание насоса отключается.
Второй и третий способы, в отличие от первого, допускают непродолжительную работу насоса в режиме сухого хода. Это можно рассматривать в качестве их недостатка, хотя для повреждения насоса требуется больше времени.
Для оптимизации работы водяные погружные насосы оборудуются регуляторами мощности и автоматикой для плавного пуска.
В последние годы рынок предлагает не только насосы разного типа, но и автоматические насосные станции. В принципе это тоже насос, в котором, помимо электродвигателя, установлено немало дополнительных устройств, благодаря которым агрегат может работать практически без участия человека. В комплектацию входят гидроаккумулирующий бак, реле давления, соединительный шланг, электрический кабель.
Автоматическая насосная станция способна поднимать воду из колодцев всех типов, а также из открытых источников. Кроме того, ее подключают, если требуется перекачать воду из резервуара или поднять давление воды, которая поступает из централизованной системы водоснабжения.
Мощные насосные станции (причем речь идет не о промышленных установках, а о бытовых агрегатах) могут подавать 8 м3/ч и поддерживать давление в магистральном водопроводе до 3 бар. Это означает, что водонагреватель, стиральная и посудомоечные машины, система автополива и многое другое станут доступными.
Немаловажным является такое достоинство насосной станции, как возможность самостоятельной работы (разумеется, в источнике должна быть вода, а в сети электрический ток). Принцип ее действия таков:
• гидроаккумулятор (это мембранный напорный бак с водой) создает в водопроводе необходимое давление;
• когда открывают кран, происходит расходование воды из бака, давление в системе падает до заранее установленного уровня (как правило, до 2 бар);
• реле давления фиксирует это значение и включает насос, который подает воду и восстанавливает объем;
• после закрытия крана насос продолжает работать, чтобы заполнить гидроаккумулятор и одновременно поднять давление до первоначальной отметки (примерно до 3 бар);
• реле давления опять реагирует и отключает насос.
Как и при покупке насоса, при выборе насосной станции надо иметь представление о некоторых моментах.
Прежде всего о производительности. Главными параметрами станции являются напор и подача (т. е. расход). Ее наибольший расход должен примерно равняться расходу воды, который происходит, если открыть все имеющиеся водоразборные краны.
Напор станции должен быть таким, чтобы была возможность подавать воду от поверхности источника до точек водоразбора. Как уже было сказано выше, напор складывается из расстояния по вертикали от зеркала воды до максимально высокой точки водопровода в доме; величины необходимого рабочего давления в системе (не менее 2 бар или примерно 20 м напора); потерь напора на всей линии водопровода, зависящих от длины водопроводной сети, материала труб и пр. Если при обращении в магазин представить консультанту сведения о планируемом объеме потребления воды, параметры труб и схему водопроводной сети, то рассчитывать производительность оборудования самостоятельно и не придется.
При покупке автоматической насосной станции надо учесть объем бака, мощность насоса, материал бак и корпуса, наличие дополнительных функций. Экономить не стоит, однако и переплачивать за ненужные приспособления тоже не надо.
Базовые комплектующие насосной станции (тип насоса, емкость гидроаккумулятора и др.) смогут дать представление о ее надежности и долговечности. Обычно в насосных станциях устанавливают струйно-центробежные самовсасывающие насосы с эжектором – встроенным или выносным. Первые обеспечивают напор до 40 м, подают воду с глубины до 8 м. Они нечувствительны к присутствию воздуха в системе, поэтому не нуждаются в предварительном заполнении водой всасывающей трубы, можно ограничиться только корпусом насоса. Такой насос сам прокачивает воздух, после чего начинает поднимать воду. Всасывающий патрубок оснащен обратным клапаном, поэтому при каждом включении не приходится ждать, пока вода из источника заполнит насос.
Станции с выносными эжекторами предназначены для подъема воды с глубины 25–45 м. Сам агрегат находится на поверхности, а эжектор опускается в колодец. КПД таких станций небольшой, они плохо реагируют на присутствующий воздух или песок. Но они удобны, если колодец располагается в 20–40 м от дома.
Если производительность насосной станции намного превосходит объем реального потребления, то насос приходится постоянно включать и отключать, и только отдельные типы поверхностных насосов рассчитаны на частые запуски. У большинства насосов это разрушает пусковую автоматику и сокращает срок службы агрегата. Поэтому в насосных станциях устанавливают гидроаккумулирующий бак емкостью 8–60 л.
Кроме гидроаккумуляторов, от кратковременных и частых включений насосную станцию защищает автоматика, о которой подробно говорилось выше, поэтому только перечислим: реле давления (как механические, так и электронные), защита от засорения, перегрева и сухого хода и др.
Главное – помнить, что оптимальный набор всех комплектующих – залог бесперебойной, надежной и долговечной работы как насосов, так и автоматических насосных станций.
