Особливості свердловини без насосного встаткування. Як підняти воду з річки.

ВИКОРИСТАННЯ ВОДНОЇ ЕНЕРГІЇ

З моменту переходу до осілого способу життя людина прагнула використати енергію поточного, падаючого водного потоку та його натиск.

Підйом води

Мабуть, першим водопідйомним пристроєм була противага система типу колодязного «журавля» (у деяких країнах мала назву «шадуф» або «чадуф», «чадуфон»). Вона була одним із найдавніших і найпростіших водопідйомних пристроїв. Зображення шадуфа зустрічаються на давньоєгипетських папірусах та барельєфах.

При необхідності підняти воду на велику висоту використовувалася система шадуфів, в якій вода подавалася нагору в кілька прийомів - з щаблі на щабель.

Поливка садових дерев за допомогою шадуфу (гробниця Іпуї)

Конструкція шадуфа виявилася настільки простою, але водночас зручною та ефективною, що використовувалася у всі часи практично всіма відомими цивілізаціями. Вона використовується і досі.

У стародавніх цивілізаціях: єгипетської, шумерської, китайської, бенгальської (тобто в 4 000 – 3 000 років до н. е.) для піднесення води та подачі її на поля вже використовувалися водопідйомні колеса (рис.).

Водопідйомні колеса

а – з черпаками; б – з лопатками

1 – колесо; 2 – черпак; 3 – лопаті; 4 – водовідвідний лоток

Вони влаштовувалися з черпаками або лопатками по обіду. Біля колеса з черпаками (мал. а) вода піднімалася до верхньої точки колеса, виливалася з черпаків у приймальний резервуар і надходила потім у зрошувальний канал. Біля колеса з лопатками (мал. б) вода піднімалася по жолобу вгору на необхідну висоту і далі виливалася в канал. Водопідйомні колеса приводилися у обертання рабами, верблюдами чи волами. Раби, перебуваючи на колесі, крокували спеціальними сходами і створювали обертальний момент.

Водопідйомне колесо з лопатями:

1 – привід, 2 – колесо, 3 – лопаті, 4 – приймальний пристрій

Водопідйомне колесо із черпаками:

1 – лоток, 2 – черпак, 3 – колесо

Водопідйомне колесоу стародавньому Китаї

Водопідйомні колесау Сирії в місті Хама. 1960-ті роки

Старі водопідйомні колеса в Сирії в місті Хама

На останньому малюнку наведено схему водопідйомного колеса і систему водопостачання (I століття до н. е.): колесо діаметром близько трьох метрів занурене у водойму. Поперечинами, встановленими по обіду колеса, йшла людина, ніби піднімаючись сходами. Але виходило так, що він був на місці, а колесо оберталося за допомогою його ніг. До обода колеса було прикріплено ковші. При зануренні ковша у водойму він наповнювався водою, а коли він піднімався нагору, вода виливалася в резервуар і далі текла трубами до басейну і фонтану.

Досі в Сирії збереглися у працездатному стані 22 водяні колеса віком близько 3000 років. Це величезні дерев'яні колеса діаметром до 21 м та вагою до 20 тонн. Вони рухаються течією води в річці або каналі і забирають воду за допомогою дерев'яних жолобів, прикріплених під кутом до кола колеса. Коли жолоб проходить через найвищу точку колеса, вода виливається у водовідвідний жолоб. Схожі колеса тільки з бамбукових трубок використовувалися в Китаї.

а – з черпаками; б – з дисками

1 – ведений вал; 2 – ланцюг із черпаками (з дисками); 3 – провідний вал; 4 – лоток для відведення води; 5 – труба

Норії - водопідйомні пристрої у вигляді нескінченного вертикального ланцюга з черпаками або дисками (мал.). Принцип підйому та виливу води тут той же, що й у водопідйомних коліс. Різниця лише в тому, що замість жорсткого обода колеса використовується гнучкий ланцюг. У норії з дисками на ланцюг замість черпаків одягнені диски, частина шляху яких при обертанні ланцюга проходить через трубу, піднімаючи воду до лотка, що відводить.

Норія для підйому рідини

Один із різновидів норії називався «чигирем». Чигир – це, як правило, величезне та важке колесо-барабан, з'єднане з горизонтальним валом, що обертався або людьми, або тваринами. Довжина горизонтального валу доходила до 8 м. На барабані між його ободами розташовувалися один або два канати - "нескінченний ланцюг", до якого кріпилися черпаки. Вода з перекиданих черпаків надходила у відвідний лоток і потім – до споживачів. Діаметри барабанів сягали 6 м.

Інша назва чигиря – перське колесо.

Мабуть, назва прийшла в російську мову із Середньої Азії (Хорезма), де таке водопідйомне колесо називалося «чікір». Досить давно такий пристрій з'явився на півдні Росії – в Астрахані, Криму. Слово увійшло до язика козаків: «чигірати воду», «чигірне поливання».

Кінь або воли крутять стоячий вал, за допомогою шестерень обертання передається колесу-барабану над колодязем; через колесо перекинуто круглий ланцюг з ковшами; вони черпають і виливають воду перекидкою через колесо в корито або жолоб, звідки вона розтікається канавками по баштані; головне мистецтво – розташувати канавки.

Чигирі використовувалися на півдні Європейської частини Росії до кінця XIX ст. У країнах Центральної Азії та Перської затоки (Афганістан, Іран, Ірак) використовуються досі.

Для підйому води на невелику висоту використовувалися архімедів гвинт, коміри, чоткові витяги, противагові системи у вигляді «журавля». Архімедів гвинт являв собою вал із навитою на нього гвинтовою поверхнею, встановлений у похилій трубі, нижній кінець якої занурений у воду. При обертанні осі вода піднімається вгору, оскільки прагне зберегти найнижче місце між поверхнею гвинта і поверхнею циліндра.

Архімедів гвинт з ручним приводом:

1 – гвинтові сходи; 2 – труба; 3 – рукоятка обертання; 4 - лоток, що відводить;

5 – регулюючий пристрій

Архімедів гвинт, що рухається вітряком:

1 – двигун, 2– гвинт, 3– кожух

Для підйому води використовувалися і ворота, що рухалися також дією води (рис).

Водопідйомна машина з реверсивним водяним колесом

Чітковий водопідйомник складається з труби з широким розтрубом у нижній частині, поставленій у колодязь. Через комір у трубу запускався запассований на комір канат з великою кількістю вантажів розміром, що дорівнює внутрішньому діаметру труби. При обертанні воріт грузики-поршні входили в трубу і піднімали воду. З верхнього обрізу труби вода виливалася в ємності для подальшого використання.

Чітковий підйомник:

1 - лоток, що відводить; 2 – труба; 3 – колодязь;

4 - канат з грузиками-поршнями; 5 – воріт

Багато варіантів пристроїв для підйому води вигадав і зобразив у своїх записках Леонардо да Вінчі: архімедові гвинти, водяні колеса.

Ще один спосіб підйому води, запропонований Леонардо, полягав у застосуванні водяного колеса з чашами, які зачерпували воду з нижньої ємності і виливали її у верхню.

На власній ділянці землі, в першу чергу, треба подбати про забезпечення його водою для поливу, пиття та інших потреб. Для цього достатньо, щоб була споруджена свердловина, і з неї завжди можна буде видобувати необхідну кількість необхідної вологи будь-якої пори року. Але для підйому рідини, як відомо, потрібен насос, який працює від електрики. А що робити, якщо ділянка знаходиться далеко від цивілізації, і на ній немає електроенергії? У такому випадку можна обійтися без насоса, скориставшись іншими способами. Про ці способи зараз і йтиметься розмова.

Типи колодязів

Бурові колодязі можуть бути двох типів: піщані та артезіанські. Перший тип має й іншу назву – фільтрова свердловина. Бурить вона до найближчого водоносного шару в піщаному грунті. Глибина може досягати 30 метрів, а ширина обсадної труби може бути близько 13 см. Особливість будови такого джерела полягає в тому, що на стінках труби робиться сітчастий фільтр. Для видобутку води із неї потрібен глибинний або поверхневий агрегат. Прослужити вона може близько 15 років. Але термін служби насамперед залежить від глибини залягання водоносного шару та від того, наскільки інтенсивно вона використовується.

Другий тип – артезіанська свердловина. Вода в ній видобувається з великої глибини, вона може досягати 200-метрової позначки. У неї підвищена продуктивність і високоякісна вода. Служить вона набагато довше за перший тип — понад 50 років. Відповідно, повинен використовуватися потужніший апарат для підйому вологи на поверхню. Для буріння такої ями потрібен дозвіл у органах самоврядування.

Чи можливо з цих колодязів видобути воду без використання електричного насоса? Так, цілком можливо, причому із шахт обох типів. Але при цьому важливо зважати на кілька нюансів. Багато що залежить від ручних пристроїв, які застосовуватимуться при цьому. Зазвичай вони не дають достатнього тиску на глибині понад 30 метрів. Тому така система актуальна переважно для піщаної криниці. Але для початку давайте розберемося, як можна підняти рідину з такої споруди без насоса, і що для цього знадобиться.

Видобуток води тиском повітря

Цей незвичайний спосіб чудово підійде для видобутку води із шахти без насоса. Тобто можна використовувати будь-який ручний шланговий насос, що працює без електрики. Зробити таку систему досить легко. Для початку необхідно повністю загерметизувати верх колодязя. У ньому проходить два отвори: в одне вставляється шланг від насоса, в друге - труба для подачі води. При роботі таким приладом у шахті створюється тиск, який виштовхує назовні рідину.

Якщо напір повітря, що надходить у шахту, потужний, то можна обійтися без електричного насоса. Але при цьому має враховуватися, що такий тиск штовхатиме воду не лише нагору, а й униз у водоносний шар. Чим це загрожує, буде описано нижче. Цей метод можна використовувати разом із стандартними підходами. Особливо він актуальний, якщо тиск у ямі недостатньо сильний, навіть для електричного насоса.

Видобуток води гідротаранним способом

Це ще один нестандартний спосіб видобутку води без насоса: у цьому випадку застосовується гідравлічний таран - пристрій, призначений для механічного підйому рідини з будь-якої криниці, навіть артезіанської.

Працює такий пристрій на енергії, що отримується з потоку води. За рахунок підняття води на велику висоту та опускання її вниз, рідина виштовхується нагору. Складається така конструкція з наступних компонентів:

відбійний клапан;

поворотний клапан;

живильна труба;

труба, що відводить;

повітряний ковпак.

За рахунок відкриття та закриття клапанів у певній послідовності і відбувається циркуляція рідини. Вона розганяється по живильній трубі і створюється гідроудар, що зганяє рідину назовні, в трубу, що відводить. Такий пристрій складно зробити самостійно, але легко придбати. І це буде найвірнішим рішенням для ділянок, на яких відсутня електрика.

Важливі моменти

При видобутку води методом збільшення тиску всередині шахти необхідно враховувати кілька важливих факторів. По-перше, враховується геологічне будова місцевості, де розташована свердловина.

Також важливим є дебет шахти для видобутку рідини із землі та продуктивність водоносного шару.

Ну і, звісно, береться до уваги глибина залягання водоносного горизонту.

Якщо все це не врахувати, то через надмірний тиск свердловина може вийти з ладу. Простіше кажучи, рідина із водоносного шару перестане надходити до шахти. Це відбувається через те, що повітря, що утворилося всередині, штовхатиме практично всю воду вниз, вдавлюючи її в землю. Тому подача повітря має бути оптимальною. Його має вистачати лише те що, щоб підштовхувати воду назовні і створювати надлишковий тиск.

Ви скажіть, що зупинити потік води або навіть змусити підніматися його вгору неможливо і будете неправі! Немає нічого неможливого, використовуючи знання науки та останні, широко поширені технологічні пристрої. Сьогодні навіть каміння може змусити літати, як у істаляції.

Якийсь Brusspup (http://www.youtube.com/user/brusspup) , розмістив відео, на якому за допомогою нехитрої саморобної установки та фотоапарата, що працює в режимі зйомки відео, автор змушував зупинятися потік води зі шланга і, що найнеймовірніше – змусив його підніматися нагору. Першого ж дня, відеоролик набрав мільйон переглядів.

Чарівне відео магічного руху (знерухомлення) води представлене нижче.

Фізична суть ефекту полягає в синхронній роботі відеокамери разом із коливаннями струменя води. Повторити даний експеримент цілком під силу кожному, для цього необхідно:
1. Встановити сабвуфер на краю міцної поверхні.
2. Закріпити легкий і гнучкий шланг до дифузора динаміка, наприклад, за допомогою липкої стрічки, а краще використовувати молярний скотч, так як липка стрічка може зіпсувати дифузор динаміка. Шланг повинен закінчуватися на відстані 2-3 сантиметри від краю динаміка. Природно, шланг повинен бути спрямований вниз. У принципі це найважливіша частина експерименту – шланг має стосуватися дифузора.
3. Підключіть сабвуфер до підсилювача, а підсилювач підключіть до джерела звуку, наприклад, генератора звукових частот або комп'ютера. Використання комп'ютера є більш прийнятним варіантом, тому що для нього простіше знайти програму, за допомогою якої можна задати потрібну звукову частоту.
4. Увімкніть камеру або переведіть смартфон у режим відеозйомки.
5. Запустіть програму генератора звукових частот на комп'ютері та встановіть ту частоту, з якою здійснюватиметься відеозйомка на вашій відеокамері. Таку інформацію легко знайти в паспорті або в інтернеті за типом вашої відеокамери. Найпоширенішими параметрами є 24 або 30 кадрів на секунду, відповідно до програми генератора необхідно встановити таке саме значення.
6. Пустіть воду шлангом і подивіться на потік води через вашу камеру. Якщо частота, з якою здійснюється відеозйомка, збігається з частотою виставленої в програмі генератора, то ви будете спостерігати нерухомий потік води.
7. Регулюючи рівень гучності, можна отримати різноманітну форму потоку води.
8. Змінивши частоту звукових коливань у програмі однією герц більше (якщо було 24Гц, то встановивши 25Гц) отримаємо ефект руху води вперед.
9. Змінивши частоту звукових коливань у програмі однією герц менше (якщо було 24Гц, то встановивши 23Гц) отримаємо ефект руху води назад, назад у шланг.
10. Не забудьте встановити ємність, куди стікатиме вода.

Таким чином, ви можете отримати чарівні ефекти та створити незабутні відеоролики, які не соромно буде показати друзям та знайомим.

Відомо, що теоретично насос, що всмоктує, не здатний підняти воду з глибини більше 8-9 метрів. На практиці ця відстань ще менша – 6-7 м, а для створення достатнього напору в системі водопостачання буде кращим, якщо дзеркало води знаходиться на відстані 5 м від поверхні. Існує кілька способів вирішення проблеми підйому води для насосної станції. Розглянемо один із них.

Збільшення тиску всередині свердловини

Збільшення тиску всередині свердловини зумовить мимовільний підйом води по трубі навіть за відсутності насоса. Якщо загерметизувати гирло обсадної колони оголовком і подати повітря в свердловину за допомогою компресора, вода почне підніматися нагору, відчуваючи відсутність тиску у водопідйомній трубі. Правда, фахівці попереджають, що при такому способі видобутку води необхідно враховувати наступні фактори:

глибину залягання водонасиченого пласта;
продуктивність водоносного горизонту;
дебіт свердловини;
особливості геологічної будови ділянки.

В іншому випадку можна порушити роботу свердловини, так як надлишковий тиск в обсадній колоні не дозволить воді з водонасиченого пласта надходити в свердловину. Тобто повітряна подушка між оголовком і дзеркалом води почне штовхати водяний стовп до повного його витіснення з обсадної колони назад у водоносний пласт. Оптимальніше використовувати компресор у тандемі з насосною станцією. Навіть незначне зростання тиску у свердловині збільшить потужність всмоктування насоса.

З недоліків такого способу доставки води слід відзначити гучну роботу компресорної установки. З огляду на те, що сама насосна станція відрізняється підвищеною шумністю, потрібно розмістити обладнання в приміщенні з гарною звукоізоляцією. Слід пам'ятати ще одну особливість роботи автоматичної насосної станції: двигун включається автоматично, як тільки тиск у гідроакумуляторі впаде нижче за заданий.

Електроживленням керує реле тиску, на якому і виставляється рівень тиску увімкнення та вимкнення насоса. При вимкненому двигуні вода витрачається з накопичувального резервуару гідробака і при зменшенні тиску реле знову включає насос. Звідси випливає, що насосну станцію та повітряний компресор необхідно об'єднати в одну електричну схему, щоб по команді реле тиску електроживлення одночасно подавалося і на насос, і компресор.

У давнину і епоху середньовіччя перед людьми нерідко стояло завдання підйому води на висоту. Вона реалізовувалась у різний спосіб, які може згадати будь-який домовласник, залишений на земельній ділянці на довгий час без електрики. У разі великої глибини джерела водозабору та гострої потреби у воді використання стародавніх способів принесе певну користь у розширенні кругозору, зміцненні здоров'я та отриманні додаткових інженерно-будівельних навичок.

Якщо ви вирішуєте, як підняти воду на висоту, вам не обійтися без насоса. Тільки для підйому доведеться використовувати не електричні, а ручні саморобні пристрої, для роботи яких потрібно застосування м'язової сили або енергія поточного водного потоку.

Архімедів гвинт

Винахід гвинтового пристрою для подачі води на висоту з метою наповнення зрошувальних каналів було зроблено Архімед приблизно в 250 році до нашої ери.

Рис.1 Принцип дії гвинтового насоса Архімеда

Пристрій складається з порожнистого циліндра, всередині якого обертається гвинт, під час роботи воно опускається в джерело водозабору під кутом. При обертанні лопаті гвинта захоплюють воду і гвинт піднімає її вгору трубою, у верхній точці труба закінчується і вода виливається в ємність або зрошувальний канал.

У давнину робоче колесо обертали раби або тварини, в наш час з цим можуть бути проблеми і доведеться будувати вітряне колесо для приведення гвинта в обертання або самостійно зміцнювати мускулатуру.

Рис.2 Різновид колеса Архімеда – насос із трубки

Пристрій є аналогом сучасних шнекових насосів, може мати різні модифікації: гвинт обертається разом з циліндром або має форму порожнистої трубки, намотаної на шток.

Метод гідротарану Монгольф'є

Механік Монгольф'є в 1797 вигадав пристрій, названий гідравлічним тараном. У ньому використовується кінетична енергія води, що тече зверху донизу.

Рис. 3 Принцип дії гідроударного водяного насосу

Принцип дії пристрою заснований на тому, що при різкому перекритті водного потоку в твердій трубі вода через зворотний клапан під тиском витісняється у верхній гідробак. У його нижній частині розташований штуцер, на який одягається вихідний шланг для води, що йде до споживача. Зворотний клапан не дозволяє воді витекти назад - таким чином відбувається постійне циклічне наповнення бака і безперервне піднесення і подача води.

Запірний клапан пристрою працює автоматично, тому присутність людини та організації її роботи, крім установки обладнання, не потрібна.

Рис. 4 Зовнішній вигляд промислового гідроударного насосу

Слід зазначити, що такі пристрої немає необхідності робити самостійно, вони випускаються промисловим способом у невеликих обсягах.

Аероліфт

Родоначальником методу є німецький гірничий інженер Карл Лошер, який вигадав спосіб у 1797 році.

Рис. 5 Принцип дії аероліфтового насоса та його різновиди

Аероліфт (ерліфт) - різновид струменевого насоса, для підйому води використовується повітря. Пристрій є порожнистою вертикальною трубою, опущеною у воду, до нижньої частини якої підключений шланг. При подачі через шланг в трубу повітря під тиском його бульбашки змішуються з водою, і отримана піна внаслідок легкої питомої маси піднімається вгору.

Повітря можна подавати за допомогою звичайного ручного насоса через ніпель, що перешкоджає його виходу назад.

Рис. 6 Автоматична подача води аероліфтом з використанням компресора

Подібний пристрій для подачі води за відсутності насоса досить просто зробити своїми руками і автоматизувати процес, якщо є компресор, що подає повітря.

Підйом води поршневим насосом

Рис. 7 Принцип дії саморобного поршневого насоса

Можна зробити пристрій для подачі води на висоту шляхом всмоктування за допомогою поршня. Пристрій є трубою із системою зворотних клапанів, всередині циліндричної поверхні якої рухається поршень. При зворотному русі вода всмоктується в корпус циліндра, при поступальному переміщенні поршня зворотні клапани закриваються і виштовхується вода назовні.

Рис. 8 Поршнева помпа у створенні ручного водопостачання.

Поршневий насос з довгою трубою для підйому води з великих глибин тримати в руках і качати воду - заняття для підготовлених культуристів, його зручніше пристосувати для підйому води з тонкої свердловини, закріпивши на зовнішній колонці з ручкою.

Для швидкого підйому води з невеликих глибин із вузьких ущелин можна використовувати найпростіший промисловий пристрій. Для цього береться ручна помпа для води та на її вхідний клапан одягається довга пластикова трубка. Саморобний насос опускається у воду довгим кінцем трубки і вона хитається за допомогою багаторазових натискань на кнопку помпи.

Рис. 9 Ручний помпа для підйому води

Методи підйому води без електронасоса малоефективні і вимагають серйозних витрат і зусиль для виготовлення працездатного та зручного пристрою, непорівнянних не лише з вартістю найдешевшого електронасоса, але й дорогих моделей. Їхнє застосування виправдане при проживанні в районах з повною відсутністю електроенергії, що можна віднести до екстремальних способів виживання.