Pump on water

ВИСОКА ТЕХНИЧКА ШКОЛА СТРУКОВНИХ СТУДИЈА- Niš Naučno istraživački rad:

PNV Pumpa Rezime/Abstract:

Širom sveta preduzimaju se brojne mere za prevazilaženje naraslih problema sa korišćenjem vode ,energije, proizvodnjom hrane i zaštitom životne sredine. U ovom radu prikazana je pumpa za vodu i mogućnosti njene inovacije. Pumpa za svoj rad ne koristi nikakav spoljni izvor energije (tj. sama stvara sebi potrbnu energiju za rad). Upotreba ovakve pumpe je moguća kod melioracionih sistema, poljoprivredne proizvodnje, snabdevanja manjih naselja vodom, i sl... Pumpa prepumpava vodu na određnu visinu koristeći energiju protoka vode iz prirodnog vodotoka i radi praktično bez ikakvih troškova, što je čini izuzetno ekonomičnom. U praksi se nailazi na lokacije na kojima vlasnici žele da efikasnije reše vodosnabdevanje svojih imanja i privrednih objekata, a na samoj lokaciji imaju struju. Njihova želja i potreba da mogu da kontrolišu rad pumpe čak i sa daljinje navela nas je da potražimo mogućnost inoviranja pumpe u tom pravcu. Кључне речи: хидрауличка пумпа, енергетска ефикасност, препумпавање воде

All around the world people are taking a number of measures to overcome the problems accrued from the use of water, energy, food production and environmental protection. In this text, is presented water pump and the potential of innovate it. This pump for its work does not use any external power source (that itself producing needed energy to work). The use of these pumps is possible in reclamation systems, agricultural production, water supply for smaller settlements etc... The pump, pumped water to a certain height using the flow energy from natural watercourses and works with no cost, which makes it very economical. In practice, we meet with the locations where the owners want more efficiently to solve their water supplying of their land, fields and commercial properties, and have electricity at site. Their desire and need to be able to control the pump even from long distance has led us to look for the possibility of innovating the pump in that direction.Keywords: hydraulic pump, energy efficiency, water pumping

1.UVOD

Nagli tehnološki i industrijski razvoj, buran demografski rast i brza urbanizacija, naročito u poslednjih nekoliko decenija, suočavaju čovečanstvo sa četiri krupna problema: voda, hrana, energija i životna sredina. Problem vode je posebno izražen, jer je implicitno prisutan u ostala tri problema, odnosno proizvodnja hrane i energije odlučujuće zavise od vode. Iako proizvodnja hrane iz godine u godinu raste, glad je globalni problem planete. Prema podacima Organizacije Ujedinjenih nacija za poljoprivredu i hranu iz avgusta 2011. godine preko milijardu ljudi u svetu gladuje. Glad je i uzrok i simptom siromaštva. Smanjenje siromaštva znači intenzivniji razvoj, ali će on uticati na povećanje potrošnje energije. Međutim u pogledu količine energije i sirovina na Zemlji sadašnje procene jasno pokazuju da izvori energije i sirovina nisu neiscrpni i da se raspolaganje prirodnim dobrima u budućnosti mora zasnivati na velikoj racionalnosti. Za stručnjake je ključno rešenje da se odvoji razvoj od povećanja potrošnje energije, pre svega poboljšanjem energetske efikasnosti.

U ovom radu su prikazane mere i akcije koje treba preduzeti za otklanjanje probleme pri navodnjavanju kap po kap, prehrani stoke, snabdevanje sela vodom... Pri planiranju ovih mera posebna pažnja je poklonjena energetskoj efikasnosti, jer je za obezbeđenje sanitarne vode

Aleksandar Živković RG 17/12 e-mail:[email protected] Page 1

predviđena pumpa koja ne koristi nikakav spoljnji izvor energije, koji se sastoji od pumpe, rezervoara i razvodnih cevovoda. Šematski prikaz sistema snabdevanja vodom dat je na (slici 1).

Pumpa kroz potisni cevovod prečnika D = 50 mm potiskuje vodu u rezervoar cilindričnog oblika kapaciteta 1600 litara, koji je postavljen na relativnoj koti +10 m od terena. Voda iz rezervoara se filtrira kroz brzi filter i gravitaciono dovodi posebnim cevovodom D = 25 mm u zeljeni deo gde se koristi za potrebe radnika a, D = 50 mm u rezervni bazen iz koga se koristi za pojilište.

Obzirom da na lokaciji nema dovoljno električne energije, za prepumpavanje vode iz reke do rezervoara izabrana je specijalna hidraulička pumpa koja ne koristi spoljne izvore energije(Slika 2).

2.Hidraulička pumpa PNV

Hidrauličke mašine se obično definišu kao tehničke naprave u kojima se obavlja transformacijamehaničke energije pokretnih delova takve naprave u strujnu energiju fluida ili obratno. Postoje i kombinovane mašine koje mogu da rade u oba smera ( turbina – pumpa ). PNV pumpu bi najbliže definisali kao strujnu hidrauličku mašinu gde se kinetička energija jednog fluida ( vode ) koristi za povećanje strujne energije osnovnog fluida, u našem slučaju opet vode. Kad kažemo da PNV koristi za svoj rad pojavu koja je poznata kao hidraulički udar biće jasno da je njen princip rada kao pumpe specifičan. Kao i drugi tipovi pumpi i PNV ima funkciju da određenu količinu vode prebaci sa jednog, nižeg, nivoa na drugi, viši. Specifičnost PNV je u tome što za svoj rad ne koristi eksterni izvor energije, odnosno sama stvara enrgiju koja je potrebna za pumpanje vode i u tom procesu vrši i funkciju pumpanja.

2.1.Princip rada

Hidraulički udar javlja se u cevovodima kada dođe do naglog prekida uspostavljenog tečenja usled naglog zatvaranja zatvarača ( tubina) ili prestanka rada pumpe (vodovodi). Nad pritisak koji se u takvim slučajevima javlja je štetan za sve elemente sistema pa se preduzimaju mere da se on ograniči na prihvatljivu meru. Povećanje visine pritiska nalazi se istovremenim rešavanjem jednačine elastičnog talasa i uobiča jenom jednačinom proticaja. Dinamičko dejstvo koje proističe iz naglog smanjivanja brzine vode u cevi prvi je analizirao Žukovski a zatim je italijanski naučnik Alijevi izvršio opštu i savršeniju ana-


lizu, nazivajući pojavu opisno, mada malo pogrešno, vodenim udarom.Sama PNV (slika 2) je mehanički gledano jednostavna, nema pokretnih delova i sastoji se od sledećih elemenata :

Poprečni presek PNV pumpe (Slika2) Fizički izgled radnog modela PNV pumpe

1. Dovodna cev2. Prekidni ventil3. Ekspanzioni sud

4. T-račva5. Odvodni ventil6. Odvodna cev

Da bi mogla da se primeni PNV zahteva određene uslove a to je pre svega postojanje izvora vode sa visinskom razlikom. Naj češće se voda zahvata iz potoka ili reka a zahvat je postavljen tako da postoji visinska razlika do pumpe od 1,5 ili više metara. Sa druge strane na odvodnom ventilu jepriključena odvodna cev ( cevovod ) do rezervoara iz koga se snabdeva potrošač. Pumpa radi u ciklično i broj ciklusa se kreće od 25 do 60 ciklusa u minuti. Početno stanje je kadase zahvaćena voda upušta u dovodnu cev i uspostavlja se tečenje kroz prekidni ventil. Voda dostižeodređenu brzinu kretanja kroz prekidni ventdil pri kojoj dolazi do naglog zatvaranja tog ventila. Nagli prekid toka kroz dovodnu cev izaziva pojavu nad pritiska- hidraulički udar. Nad pritisak se sada kreće, prateći elestični talas u cevi, od prekidnog ventila ka slobodnoj površini vode na zahvatu. Povećani pritisak u tom trenutku otvara ventil u T račvi i voda koja se kretala kroz dovodnu cev ka prekidnom ventilu sada ulazi u ekspanzioni sud. Kada elastični talas dođe do slobodne površine na zahvatu javlja se rasterečenje i pritisak se smanjuje ispod početnog. Tako smanjeni pritisak se sada prostire od zahvata ka prekidnom ventilu. U trenutku kada dođe do T račve jednosmerni ventil se zatvori a potom dolazi i do prekidnog ventila koji se otvori. Tada počinje tečenje voda kroz prekidni ventil i uspostavlja se početno stanje ciklusa. Voda koja je pod pritiskom ušla u ekspanzioni sud sa-bija deo prostora ispunjenog vazduhom i gura vodu kroz odvodni ventil u odvodnu cev prema rezervoaru. Pumpa jednom podešena prema zadatim uslovima radi tako bez prekida ponavljajući cikluse i pumpajući vodu.


2.2.Mogućnosti pumpe

Iako je jednostvana PNV zahteva da se za svaki slučaj primene odrede potrebni parametri delova od kojih je napravljena kako bi dobili optimalno iskorišćenje. Treba odrediti koristan pad za dovo-dnu cev, njenu dužinu, prečnik i materijal od koga je napravljena. Treba dimenzionisati i prečnikeprekidnog ventila, T račve, i ventila na ulazu i u ekspanzioni sud. Prema udaljenosti rezervoara u koji se pumpa voda treba odrediti i prečnik odvodne cevi i gubitke tečenja u njoj (Slika 3).

(Slika3)

1. Zahvat vode. Obično manja vodojaža na vodotoku ili bazen. ( catchment tank )2. H – visinska razlika između zahvata vode i pumpe ( working fall )3. L – dužina dovodne cevi ( drive pipe lent)4. D – unutrašnji prečnik dovodne cevi ( inside diameter drive pipe )5. Q – proticaj u dovodnoj cevi ( flow in drive pipe )6. l – dužina odvodne cevi ( delivery pipe lent )7. h – visinska razlika između pumpe i rezervoara vode ( pump heead )8. d – unutrašnji prečnik odvodne cevi ( inside diameter delevery pipe )9. q – proticaj u odvodnoj cevi ( flow in delevery pipe )

Svi elementi pumpe trebaju biti usaglašeni kako bi ona ispravno i optimalno radila. Za brzo i približno sračunavanje izdašnosti pumpe možemo koristiti sledeći obrazac

q = f x HxQ /h f – koeficijent efikasnosti koji se kreće oko 60%

U želji da se olakša izbor pumpe urađene su i tabele sa ovim parametrima koji definišu u krajnjem i sam kapacitet pumpe. Standardno postavljen zahtev se odnosi na količinu vode koju pumpa može da isporuči na neku potrebnu visinu

Tabela 1 : performance pumpe za dimenzije D = 100mm i d = 50 mm


Tabela 2 : Performanse pumpe za jedinični proticaj od Qj = 0,01667 litara/sekundi sa podacima za ukuno ispumpanu količinu vode za 24 sata

Radna visina H (m)Visina pumpanja h (razlika nivoa pumpe i rezervoara u metrima5 7.5 10 15 20 30 40 50 60 80 100 125

1.0 144 77 65 33 29 19.5 12.51.5 135 96.5 70 54 36 19 152.0 220 156 105 79 53 33 25 19.5 12.52.5 280 200 125 100 66 40.5 32.5 24 15.5 123.0 260 180 130 87 65 51 40 27 17.5 123.5 215 150 100 75 60 46 31.5 20 144.0 255 173 115 86 69 53 36 23 1601.05.00 310 236 155 118 94 71.5 50 36 236.0 282 185 140 112 93.5 64.5 47.5 34.57.0 216 163 130 109 82 60 488.0 187 149 125 94 69 559.0 212 168 140 105 84 6210.0 245 187 156 117 93 6912.0 295 225 187 140 113 8314.0 265 218 167 132 9716.0 250 187 150 11018.0 280 210 169 12420.0 237 188 140

Primer 1. Za sledeće parametre izračunati q u litrima u sekundi i u metrima kubnim na dan.

Za H = 3 m ; Q = 8 l/sek ; L = 7m ; D = 100 mm ; d = 50 mm ; h = 15 m ; l = 50 m.

Propračun Q/Qj = 8/0,0167 = 480 ; ∑q = 180 x 480 = 86400 lit/dan ( 86,4 m3/dan ) ili q = 1 l/s

Postavljaju se u praksi ograničenja dužine dovodne cevi. Ovo iz razloga što se za dovodnu cev upotrebljava PVC materijal koji relativno sporo prenosi elestični talas u odnosu na čelične cevi pase vreme ciklusa povećava i pumpa postaje ne efikasna. Što se tiče odvodne cevi ona bi trebala daima što manji koeficijent trenja kako bi se smanjili linijski gubici tečenja. U ovom slučaju je najbo- lje upotrebiti PVC materijal za odvodne cevi. Za T -račvu uobičajeno je da se prečnici odnose 2:1u odnosu na dovodnu cev. Broj ciklusa u minuti može da se podesi zatezanjem opruge na prekidnom ventilu ali on je generalno zavisan od brzine uspostavljanja potrebne brzine tečenja u dovodnojcevi i prekidnom ventilu. Nad pritisak koji se javlja kod pojave hidrauličkog udara direktno i najviše zavisi od brzine vode u dovodnoj cevi. Tako se u praksi dešava da veći broj ciklusa u minuti daje često manje efikasnu pumpu. U pravilu veći prečnici dovodne cevi zahtevaju manji broj ciklusa.


2.3.Oblast primene

Pumpa se primenjuje na mestima gde za to postoje prirodni uslovi. To su najčešće mesta sa protočnom vodom, potoci i manje reke, a postoji potreba za korišćenjem vode. Vodosnabdevanje, napaja-nje stoke na farmama, navodnjavanje ili neka privredna delatnost gde proces proizvodnje zahtevakontinirano napajanje. Pošto pumpa za svoj rad ne zahteva električnu energiju obično su to i mestagde je njena primena pogodna. Razvojem intenzivne poljoprivredne proizvodnje i upotrebom sis-tema navodnjavanja kap po kap ukazuje se šansa za masovniju primenu ovog tipa pumpe. Kapacitetpumpe pre svega zavisi od radne visine na dovodnoj cevi. Ukoliko zahtevi premašuju mogućnosti jedne pumpe moguće je upariti dve ili više pumpi u zajednički rad. Time se znatno povećava kapa-citet celog sistema a koriste se standarni uređaji. Instalacija pumpe je jednostavna i ne zahteva veće građevinske radove. Za instalaciju se mogu koristiti lokalni radnici. Održavanje je jednostavno a jednom podešena pumpa radi dalje bez ljudskognadzora i upravljanja. Na mestu zahvatanja vode može se postaviti koanda čelični filter koji spreča- va ulazak vučenog nanosa i plivajućih tela u dovodni cevovod. Kako se na taj način eleiminišu iz vode sve čestice krupnije od 1mm neće se dešavati zastoji u radu pumpe.

3.Inovacija

Do sada su korišćene pumpe koje su imale različita mehanička rešenja ali u suštini svi modeli i re-šenja su zasnovana na prekidnom ventilu koji kontroliše vreme trajanja ciklusa. Podešavanje prekidnog ventila se vrši ručno težeći da se dobije približno tačna vrednost vremana njegovog otvaranja i zatvaranja. Kako pumpa ne koristi dodatnu energiju koju bi plaćali to se nije obraćala pažnja na ovučinjenicu. Sam proces uspostavljanja uslova traje kratko i meri se desetinkama sekunde. Iako se činida se ciklusi ravnomerno ponavljaju praktično se oni međusobno razlikuju. To je i normalno jer nipočetni uslovi nikada nisu indentični. U praksi se nailazi na lokacije na kojima vlasnici žele da reše vodosnabdevanje svojih imanja iliprivrednih objekata a na samoj lokaciji imaju struju. Njihova želja i potreba da mogu da kontrolšu rad pumpe navela nas je da potražimo mogućnost inoviranja pumpe u tom pravcu. Ideja je da se prekidni ventil zameni elektromagnetnim ventilom(slika4) koji bi u sprezi sa senzorima za pritisak i proticaj uz PLC softver određivao režim rada pumpe. Precizan rad prekidnog ventila, njegovo brzo i tačno zatvaranje a takođe i regulisano otvaranje u trenucima kada se dobiju podaci o pritiscima koji trenutno vladaju rezultiralo bi većom efikasnošću pumpe. Ona bi praktično u svakom ciklusu bila idealno ( ponovo ) podešena. Korisnik bi mogao sa udaljene lokacije da prati rad celog sistema i da ga po potrebi uključi ili isključi (slika5) Za izradu rada korišćena literatura: ;H.Raus : Tehnička hidraulika, Beograd 1969; Mitchell Silver : Use of hydraulic rams in Nepal, UNICEF 1977; The University of Georgia,Agriculture and Environmental Sciences Athines 1998


(Slika4) (Slika5)


Pump on water

Food