также подходит для новых панелей управления центральными шарнирами, где автоматический перезапуск является программируемой функцией.

Предупреждение:

Поскольку подшипники постоянно находятся под водой, эти насосы могут потребовать более высокого уровня обслуживания.

Насосы глубинные турбинные

Турбинные насосы для глубоких скважин адаптированы для использования в обсаженных скважинах или там, где водная поверхность ниже практических пределов центробежных насосов. Турбинные насосы также используются в системах поверхностного водоснабжения.

Поскольку всасывающий патрубок турбинного насоса постоянно находится под водой, заливка не вызывает беспокойства. КПД турбинных насосов сравним или выше, чем у большинства центробежных насосов. Обычно они дороже центробежных насосов и их сложнее проверять и ремонтировать.

Турбинный насос состоит из трех основных частей: узла головки, узла вала и колонны и узла стакана насоса, как показано на рис. 4 . Головка обычно чугунная и предназначена для установки на фундамент. Он поддерживает узлы колонны, вала и чаши и обеспечивает слив воды. Он также поддерживает электродвигатель, угловую зубчатую передачу или ременную передачу.

Рис. 4. Глубинный турбинный насос.

Узел вала и колонны обеспечивает соединение между головкой и корпусом насоса.Линейный вал передает мощность от двигателя к крыльчаткам, а колонна переносит воду на поверхность. Трансмиссионный вал турбинного насоса может смазываться водой или маслом.

Насос с масляной смазкой имеет полый вал, в который капает масло, смазывая подшипники. Насос с водяной смазкой имеет открытый вал. Подшипники смазываются перекачиваемой водой. Если возможна перекачка мелкого песка, выберите насос с масляной смазкой, потому что он не допускает попадания песка в подшипники.

Если вода предназначена для домашнего использования или домашнего скота, в ней не должно быть масла, и должен использоваться насос с водяной смазкой. В некоторых штатах, например, в Миннесоте, у вас нет выбора; Насосы с водяной смазкой необходимы во всех новых ирригационных колодцах .

Подшипники линейного вала обычно размещаются на 10-футовых центрах для насосов с водяной смазкой, работающих на скоростях ниже 2200 об / мин, и на 5-футовых центрах для насосов, работающих на более высоких скоростях. Подшипники с масляной смазкой обычно размещаются на 5-футовых центрах.

Бачок насоса закрывает рабочее колесо. Из-за своего ограниченного диаметра каждое рабочее колесо имеет относительно низкий напор. В большинстве турбинных установок для глубоких скважин несколько стаканов устанавливаются последовательно друг над другом. Это называется постановкой. Сборка барабана с четырьмя ступенями содержит четыре рабочих колеса, все прикрепленные к общему валу, и будет работать с четырехкратным напором нагнетания одноступенчатого насоса.

Рабочие колеса, используемые в турбинных насосах, могут быть полуоткрытыми или закрытыми, как показано на Рис. 5 .Лопатки полуоткрытых рабочих колес открыты снизу и вращаются с небольшим допуском по отношению к дну чаши насоса.

Рис. 5. Вид в разрезе двух закрытых рабочих колес в их корпусах насоса.

Допуск имеет решающее значение и должен быть отрегулирован на новом насосе. Во время начального периода обкатки муфты трансмиссионного вала будут затягиваться; поэтому примерно через 100 часов работы необходимо проверить регулировку крыльчатки.После обкатки допуск необходимо проверять и регулировать каждые три-пять лет или чаще при перекачивании песка.

Оба типа рабочих колес могут вызвать неэффективную работу насоса, если они не отрегулированы должным образом. Если полуоткрытые рабочие колеса установлены слишком низко, а лопатки трутся о дно чаш, это может привести к механическому повреждению. Регулировка закрытых крыльчаток не столь критична; однако их все же необходимо проверять и настраивать.

Регулировка рабочего колеса выполняется путем затягивания или ослабления гайки в верхней части узла головки.Регулировка крыльчатки обычно выполняется путем опускания крыльчатки на дно чаши и перемещения ее вверх. Величина регулировки вверх определяется тем, насколько вал линии растягивается во время перекачивания. Регулировку необходимо производить исходя из минимально возможного уровня откачки в скважине.

Изготовитель насоса часто обеспечивает надлежащую процедуру регулировки. Процедура регулировки для многих распространенных марок глубинных турбин описана в публикации Nebraska Cooperative Extension Service EC 81-760, озаглавленной «Как отрегулировать вертикальные турбинные насосы для достижения максимальной эффективности».”

Эксплуатационные характеристики

Испытания определяют рабочие характеристики глубинных турбинных насосов. Характеристики во многом зависят от конструкции барабана, типа рабочего колеса и частоты вращения вала рабочего колеса. Расход, TDH, BHP, КПД и частота вращения аналогичны указанным для центробежных насосов. Вертикальные турбинные насосы обычно рассчитаны на определенную настройку частоты вращения.

Вертикальная кривая турбинного насоса показана на Рис. 6 . Эта кривая насоса похожа на кривую центробежного насоса, за исключением того, что вместо кривых для различных оборотов, кривые приведены для рабочих колес разного диаметра.

Рис. 6. Кривая скважинного турбинного насоса. Тормозная мощность и общий напор указаны для одной ступени. Если насос имел пять ступеней, умножьте мощность торможения и общий напор на пять. Галлоны в минуту останутся неизменными независимо от того, сколько ступеней добавлено.

Уменьшение диаметра крыльчатки называется «обрезкой». Производители подгонят рабочие колеса до нужного размера, чтобы они соответствовали требованиям TDH и скорости потока для конкретной оросительной установки.

Кривые для турбинных насосов обычно показаны для одноступенчатого насоса, поэтому полученная TDH будет определена путем умножения указанного напора на кривой насоса на количество ступеней. Требуемую тормозную мощность также необходимо умножить на количество ступеней. Обратите внимание, что скорость потока не изменится, независимо от того, сколько ступеней добавлено.

Использование кривой насоса

В качестве примера предположим, что кривая насоса на Рис. 6 предназначена для пятиступенчатого насоса с 7.Рабочее колесо 13 дюймов, обеспечивающее скорость 800 галлонов в минуту. Какими будут значения TDH и BHP?

Решение: Следуйте пунктирной вертикальной линии от 800 галлонов в минуту до точки пересечения с кривой рабочего колеса 7,13 дюйма в верхней части
диаграммы. Следуйте горизонтальной пунктирной линией влево до отметки 26 футов TDH. Умножение 26 на 5 дает 130 футов TDH. Затем проследуйте по вертикальной пунктирной линии от 800 галлонов в минуту до кривой BHP с рабочим колесом 7,13 дюйма в нижней части диаграммы, а затем по горизонтальной пунктирной линии влево до точки 6.5 л.с. Умножение 6,5 л.с. на 5 (пять ступеней) дает 32,5 л.с. для этого насоса. Также обратите внимание, что насос работает с максимальной эффективностью 80 процентов. При такой эффективности расчетное забойное давление (уравнения 1 и 2) составляет 32,8.

Установка вертикальных турбинных насосов

Глубинные турбинные насосы должны иметь правильную центровку между насосом и силовой установкой. Использование узла головки, подходящего для двигателя и узла колонки / насоса, упрощает выполнение правильной центровки.

Очень важно убедиться, что колодец прямой и ровный. Узел колонны насоса должен быть выровнен вертикально так, чтобы никакая часть не касалась обсадной трубы скважины. К колонне насоса обычно прикрепляются распорки, чтобы насос в сборе не касался обсадной трубы скважины.

Если колонна насоса коснется обсадной трубы, вибрация приведет к износу отверстий в обсадной колонне. Смещение колонны насоса по вертикали также может вызвать чрезмерный износ подшипников.

Головка в сборе должна быть установлена ​​на хорошем основании на высоте не менее 12 дюймов над поверхностью земли.Бетонный фундамент (, рис. 7, ) обеспечивает постоянный и беспроблемный монтаж. Фундамент должен быть достаточно большим, чтобы можно было надежно закрепить головку в сборе.

Рис. 7. Рекомендуемое бетонное основание со сливной трубой для измерения уровня воды и хлорирования.

Фундамент должен иметь по крайней мере 12 дюймов опорной поверхности со всех сторон колодца. В случае скважины с гравийной набивкой зазор в 12 дюймов измеряется от внешнего края гравийной набивки.

Труба для доступа к скважине диаметром не менее 1,5 дюймов должна проходить через фундамент в обсадную трубу скважины. Труба доступа служит двум целям. Первый — это измерение статического уровня и уровня откачиваемой воды в скважине, а второй — разрешение хлорирования скважины.

Полиэтиленовая трубка диаметром ¾ дюйма с закрытым нижним концом, вставленная в патрубок доступа и доходящая до уровня насоса, значительно упростит измерение уровня воды. В трубке необходимо просверлить небольшие отверстия, чтобы вода могла легко входить и выходить из трубки.

Более подробную информацию о техническом обслуживании скважин можно найти в публикации NDSU «Уход и техническое обслуживание ирригационных колодцев».

Погружные насосы

Погружной насос — это турбинный насос, тесно связанный с погружным электродвигателем, как показано на Рис. 8 . И насос, и двигатель подвешены в воде, что исключает необходимость в длинном приводном валу и держателях подшипников, необходимых для глубинного турбинного насоса. Поскольку насос находится над двигателем, вода поступает в насос через экран между насосом и двигателем.

Рисунок 8. Погружной насос, установленный в скважине.

В погружном насосе используются закрытые рабочие колеса, потому что вал электродвигателя расширяется, когда он становится горячим, и толкает крыльчатки вверх. Если бы использовались полуоткрытые рабочие колеса, насос потерял бы эффективность. Кривая для погружного насоса очень похожа на кривую для глубинного турбинного насоса.

Погружные двигатели меньше в диаметре и намного длиннее обычных двигателей.Из-за своего меньшего диаметра они имеют меньший КПД, чем те, которые используются для центробежных или глубинных турбинных насосов.

Погружные двигатели обычно называют сухими или мокрыми. Сухие двигатели герметично закрыты маслом с высокой диэлектрической проницаемостью для предотвращения попадания воды в двигатель. Мокрые двигатели открыты для колодезной воды, при этом ротор и подшипники работают в воде.

Если циркуляция воды мимо двигателя ограничена или недостаточна, двигатель может перегреться и сгореть.Следовательно, длина стояка должна быть достаточной для того, чтобы узел чаши и двигатель всегда были полностью погружены в воду. Кроме того, обсадная труба колодца должна быть достаточно большой, чтобы вода могла легко проходить мимо двигателя.

Малые погружные насосы (до 5 лошадиных сил) используют однофазное питание. Однако большинству погружных насосов, используемых для орошения, требуется трехфазное электрическое питание. Электропроводка от насоса к поверхности должна быть водонепроницаемой, а все соединения герметичными. Электрическая линия должна быть прикреплена к трубе колонны через каждые 20 футов, чтобы предотвратить ее наматывание на трубу колонны.

Напряжение на выводах двигателя должно быть в пределах плюс-минус 10 процентов от напряжения двигателя, указанного на паспортной табличке. Если в кабеле погружного насоса происходит падение напряжения на 5 процентов, напряжение на поверхности не должно быть менее 95 процентов номинального напряжения.

Поскольку насос находится в скважине, молниезащита должна быть подключена к блоку управления. Удары молнии в скважины с помощью погружных насосов — основная причина отказов насосов.

Вы можете выбрать погружные насосы, чтобы обеспечить широкий диапазон комбинаций расхода и TDH.Погружные насосы диаметром более 10 дюймов обычно стоят дороже, чем глубинные турбины сопоставимых размеров, потому что двигатели более дорогие.

Погружные бустерные насосы выпускают многие производители. Эти насосы обычно устанавливаются в трубопроводе горизонтально. Преимущество использования погружного в качестве подкачивающего насоса вместо центробежного — снижение шума. Это желанный атрибут в жилых помещениях и рядом с полями для гольфа.

Погружные устройства также использовались в качестве подкачивающих насосов во всасывающих линиях центробежных насосов.Это приложение используется в ситуациях, когда уровень воды будет значительно колебаться в течение сезона. Наличие погружного устройства во всасывающей линии изменит напор на входе центробежного насоса с всасывающего на положительный.

Пропеллерные насосы

Пропеллерные насосы используются в условиях низкого подъема и высокого расхода. Они бывают двух типов: осевые и смешанные. Разница между ними заключается в типе крыльчатки. В насосе с осевым потоком используется крыльчатка, которая выглядит как обычный винт лодочного мотора и, по сути, представляет собой насос с очень низким напором.

Одноступенчатый гребной насос обычно поднимает воду не более чем на 20 футов. Добавив еще одну ступень, можно получить напор от 30 до 40 футов. В насосе смешанного потока используются полуоткрытые или закрытые рабочие колеса, аналогичные турбинным насосам.

В стационарных установках пропеллерные насосы устанавливаются вертикально, как показано на Рисунок 9 . Для переносных насосных платформ они устанавливаются на прицепах или понтонах для использования в качестве плавучих водозаборов.

Рисунок 9а.Пропеллерный насос с приводом от вала отбора мощности (ВОМ), используемый для перемещения больших объемов воды в условиях низкой подъемной силы.

Рисунок 9б. Пропеллерный насос.

Переносные пропеллерные насосы обычно устанавливаются почти в горизонтальном положении (под малыми углами), чтобы их можно было легко перекачивать в трубопроводы, а также поддерживать в источнике воды. Переносные гребные насосы обычно приводятся в действие от коробки отбора мощности (ВОМ) тракторов. На многих фермах пропеллерные насосы используются для откачки лагун для хранения отходов.

Требования к мощности пропеллерного насоса увеличиваются непосредственно с TDH, поэтому необходимо обеспечить достаточную мощность для приведения насоса в действие с максимальной подъемной силой. Пропеллерные насосы не подходят в условиях, когда необходимо дросселировать нагнетание для уменьшения расхода. Очень важно точно определить максимальную TDH, при которой будет работать этот тип насоса.

Пропеллерные насосы не подходят для работы на высоте всасывания. Рабочее колесо должно быть погружено в воду, а насос должен работать на соответствующей глубине погружения.Глубина погружения будет варьироваться в зависимости от рекомендаций различных производителей, но, как правило, чем больше диаметр насоса, тем глубже погружение.

Соблюдение рекомендуемых значений глубины погружения гарантирует, что скорость потока не снизится из-за завихрений. Кроме того, несоблюдение необходимой глубины погружения может вызвать сильные механические вибрации и быстрое повреждение лопастей гребного винта.

Критерии выбора насоса

Выбор насоса для поливной воды почти полностью основан на соотношении между эффективностью насоса и TDH, который насос будет обеспечивать при определенной скорости потока.Как было показано ранее, эти параметры также являются основой характеристической кривой насоса. Используйте Таблица 2 , чтобы сузить выбор типа насоса для широкого диапазона расходов и общих динамических напоров.

Один элемент, не включенный в значения TDH в Таблица 2 — высота всасывания. Если ваше приложение должно подавать воду к насосу, вам придется использовать центробежный насос.

Таблица 2. Диаграмма, показывающая наиболее подходящие типы насосов для использования в заданном диапазоне расходов и общих динамических напоров.

Дополнительные источники информации

«Уход и техническое обслуживание ирригационных колодцев», доступная публикация NDSU Extension.

«Center Pivot Design», Ассоциация орошения, Фоллс-Черч, Вирджиния.

MWPS-30, Спринклерные оросительные системы, MWPS, Университет штата Айова, Эймс.

Фото Томаса Шерера

Системы автоматизации насосов | Festo USA

Пневматическое решение с ножевыми задвижками

Festo предлагает безопасное и энергоэффективное решение для насосных станций, заменяющее механические обратные клапаны: автоматические задвижки с пневматическими линейными приводами.Клапаны процесса подключаются через централизованный или децентрализованный ПЛК.

Энергоэффективная работа насосов

Важным аргументом в пользу пневматической автоматической ножевой задвижки является то, что насос больше не должен работать против гидравлического сопротивления, создаваемого заслонкой. Экономия энергии в результате работы насоса намного превышает энергозатраты на дополнительный контроллер и создание сжатого воздуха.

Долговременная стабильная система

Клапаны NAMUR, которые устанавливаются непосредственно на линейный привод и управляются централизованным или децентрализованным ПЛК, гарантируют, что ножевые задвижки открываются и закрываются одновременно с насосом. Если возникает нежелательная кавитация, газ выходит из пузырька сразу после открытия задвижки, что не влияет на работу насоса. И в результате контролируемой функции закрытия гидравлический удар больше не создается в системе трубопроводов.Кроме того, снижен износ автоматической ножевой задвижки и улучшено уплотнение, что значительно продлевает срок службы системы.

Повышенная эксплуатационная безопасность

Даже в случае сбоев питания ваша система остается надежной и переходит в безопасное положение; при падении напряжения автоматически включается воздушный резервуар компрессора. Пневматические приводы имеют три аварийные функции: открывать, закрывать, останавливать.Правильное функционирование технологических клапанов гарантируется в любое время.

Проблем с темпами работы с решениями

Задача 1:
Тиму требуется 1,5 часа, чтобы косить лужайку. Линда может косить тот же газон за 2 часа. Сколько времени Джон и Линда будут работать вместе, чтобы косить лужайку?
Решение проблемы 1:
Сначала вычисляем темп работы Джона и Линды
Иоанн: 1 / 1,5 и Линда 1/2
Пусть Джон и Линда косят лужайку.Работа, проделанная одним только Джоном, дана

Задача 2:
Насос A, используемый отдельно, заполняет резервуар водой за 6 часов.Насос B, используемый отдельно, заполняет тот же резервуар за 8 часов. Мы хотим использовать три насоса: A, B и еще один насос C, чтобы заполнить резервуар за 2 часа. Какой должна быть скорость насоса C? Сколько времени потребуется насосу C, используемому отдельно, для заполнения бака?

Решение проблемы 2:
Расход насосов A и B можно рассчитать следующим образом:
A: 1/6 и B: 1/8
Пусть R будет скоростью насоса C. При совместной работе в течение 2 часов мы имеем

Задача 3:
Резервуар можно заполнить по трубе A за 5 часов и по трубе B за 8 часов, каждый насос работает самостоятельно. Когда резервуар полон и дренажное отверстие открыто, вода сливается за 20 часов. Если изначально резервуар был пуст и кто-то запустил два насоса вместе, но оставил дренажное отверстие открытым, сколько времени потребуется для заполнения резервуара?

Решение проблемы 3:
Давайте сначала найдем показатели насосов и дренажной ямы.
насос A: 1/5, насос B: 1/8, дренажное отверстие: 1/20
Пусть t будет временем, когда насосы заполнят резервуар.Насосы добавляют воды в резервуар, однако дренажное отверстие сливает воды из резервуара, следовательно,
т (1/5 + 1/8 — 1/20) = 1
Решить для t
t = 3,6 часа.

Задача 4:
Бассейн можно заполнить по трубе A за 3 часа и по трубе B за 6 часов, каждый насос работает самостоятельно. В 9 часов утра запускается насос А. В какое время будет наполнен бассейн, если насос B будет запущен в 10 часов утра?

Решение проблемы 4:
показатели двух насосов равны
насос A: 1/3, насос B: 1/6
Совместная работа. Если насос A работает t часов, то насос B работает t — 1 час с момента запуска на 1 час позже.Следовательно

Использование низкодоходных скважин

Что такое дебит скважин?

Частные скважины часто бурятся в сельской местности для подачи воды в индивидуальные дома или фермы. Максимальная скорость в галлонах в минуту (галлонов в минуту), с которой скважина может быть закачана без понижения уровня воды в скважине ниже забора насоса, называется дебитом скважины.Низкопродуктивные колодцы обычно считаются колодцами, которые не могут удовлетворить пиковую потребность в воде для дома или фермы.

Пиковая потребность

Работа с низкодебитными скважинами требует понимания пикового спроса. Скважина, которая дает только 1 галлон воды в минуту, может производить 1440 галлонов воды в день. Однако использование воды в доме или на ферме в течение дня происходит неравномерно. Бывают часы пик использования, обычно утром и / или вечером, когда потребность в воде очень высока. Эти периоды пикового спроса обычно длятся от 30 минут до 2 часов.Соответствующая система водоснабжения должна обеспечивать достаточное количество воды, чтобы удовлетворить пиковую потребность как минимум в течение 2 часов.

Давайте рассмотрим пример того, как низкодоходная скважина может не удовлетворить пиковый спрос. Семья из четырех человек живет в доме с колодцем, который дает около 1 галлона в минуту. В типичное субботнее утро может быть двухчасовой период пикового спроса, когда вода используется для нескольких загрузок белья, посуды для завтрака, душа, туалетов и раковин. Без водосберегающих устройств и приспособлений потребление воды в течение этого двухчасового периода может превысить 300 галлонов.Скважина на 1 галлон в минуту могла обеспечить только 120 галлонов воды в период пикового спроса, что намного меньше того, что было бы необходимо.

В идеале пиковый спрос определяется для дома или фермы до того, как будет пробурена скважина. Таким образом, колодец и система водоснабжения могут быть спроектированы для удовлетворения пикового спроса. Проконсультируйтесь с Water Facts # 2, Планирование водной системы — оценка водопользования и Перед тем как пробурить скважину, чтобы узнать больше о шагах, которые необходимо предпринять для планирования новой скважины.

Итак, что можно сделать, если существующая скважина не удовлетворяет пиковую потребность в воде? Варианты обычно делятся на две категории: сокращение пикового потребления воды или увеличение запасов в водной системе.

1) Снижение пикового водопотребления

Пиковое водопотребление в скважине можно снизить, изменив время водопотребления или уменьшив количество используемой воды. Примеры изменения времени использования воды включают распределение белья в течение недели вместо выполнения всех загрузок за один день и принятие душа некоторыми членами семьи ночью, а не всем принятием душа утром.

Сокращение количества используемой воды подразумевает экономию воды. Это может включать изменения в поведении в отношении водопользования, например, более короткий душ или отказ от мытья машины.Изменение режима водопользования для распределения пикового водопотребления временами может быть неудобным, но это не требует дополнительных затрат. Более постоянным, но дорогостоящим решением для экономии воды является установка водосберегающих устройств, таких как стиральные машины с фронтальной загрузкой или туалеты с низким смывом. Использование одной только стиральной машины с фронтальной загрузкой позволит сэкономить более 20 галлонов воды на каждую загрузку белья. Исследования показали, что установка водосберегающих устройств и приборов может сократить потребление воды в домашних условиях до 30 процентов, а также сэкономить сотни долларов в год на энергии, используемой для нагрева воды.Примеры типичной экономии воды с помощью различных приборов и приспособлений приведены в таблице 1.

Первоначальная стоимость модернизации дома всеми этими водосберегающими устройствами, вероятно, будет стоить от 1500 до 2000 долларов. Чтобы узнать больше об экономии воды и энергии за счет экономии воды в домах, обратитесь к публикации, озаглавленной «Экономия воды в домах».

2) Увеличение запаса воды

Недостатки в дебите воды из скважины также можно компенсировать увеличением количества воды, хранящейся в системе водоснабжения.Дополнительное хранение может быть достигнуто в резервуаре высокого давления, большом резервуаре для хранения (промежуточное хранилище) или в пробуренной скважине.

Резервуар высокого давления

Резервуар высокого давления позволяет водяной системе работать автоматически. Это в некотором смысле резервуар для хранения, но его емкость очень ограничена. Его основное предназначение — создавать и поддерживать давление на воду в трубопроводе.

Когда вода из источника закачивается в резервуар, воздух в пространстве над водой сжимается.Когда давление на поверхности воды достигает примерно 40 фунтов на квадратный дюйм (psi), активируемый давлением переключатель останавливает насос. Когда кран открыт, давление воздуха выталкивает воду из резервуара по трубопроводу, пока давление не упадет примерно до 20 фунтов на квадратный дюйм. Затем регулятор давления отключает выключатель и запускает насос, который нагнетает такое же количество воды обратно в резервуар под давлением.

Около 20 процентов от емкости бака под давлением содержит полезную воду.Резервуар емкостью 42 галлона нагнетает около 8 галлонов до запуска насоса; (бак на 82 галлона — 16 галлонов; бак на 120 галлонов — около 24 галлонов). Таким образом, большие напорные резервуары сами по себе обеспечат немного большее количество хранимой воды, но увеличенного объема недостаточно для решения проблем с низкопродуктивной скважиной.

Если экономии воды недостаточно для снижения пиковой потребности в воде до удовлетворительного уровня, система промежуточного накопления воды может обеспечить рентабельное и разумное решение проблемы.

Промежуточное хранение

Система промежуточного хранения — это просто резервуар для хранения, который добавляется для приема воды из колодца для удовлетворения пикового спроса на воду в доме или на ферме. Типичная система показана на Рисунке 1. Системы промежуточного хранения основаны на концепции, согласно которой многие низкодебитные скважины могут обеспечивать постоянный, но ограниченный приток 24 часа в сутки без заметной депрессии. В этом случае обычный скважинный насос может вызвать падение уровня воды до критической точки в периоды интенсивного использования, и насос не сможет получить воду, необходимую для пополнения резервуара высокого давления с той скоростью, с которой она забирается. .

Эту проблему можно решить путем установки промежуточного резервуара-хранилища между скважиной и системой распределения под давлением. Этот резервуар затем служит основным источником питания для нагнетательного насоса.

Рис. 1. Принципиальная схема, показывающая типичные компоненты промежуточной системы хранения.

Для системы промежуточного накопления воды требуются два насоса и большой сборный бак или резервуар. Насос в колодце качает воду в резервуар; нагнетательный насос перекачивает воду из резервуара в резервуар высокого давления и в распределительную систему.

Промежуточный накопительный бак — это негерметичный бак или цистерна, обычно устанавливаемая примерно на той же высоте, что и здание, в котором будет использоваться вода. Глубина воды, хранящейся в резервуаре для хранения без давления, регулируется либо поплавковым выключателем, либо датчиком уровня воды, который контролирует включение-выключение скважинного насоса.

Емкость резервуара для хранения

Существует много типов резервуаров для хранения, которые могут быть установлены для промежуточного хранения воды. Большинство резервуаров изготавливаются из пластика или бетона.В некоторых случаях может быть желательно установить два промежуточных резервуара для хранения параллельно, а не одну большую единицу. Такая компоновка обеспечивает некоторую гибкость в том, что один бак можно вывести из эксплуатации для очистки и обслуживания, в то время как другой поддерживает работу системы водоснабжения.

Для домашних систем водоснабжения резервуар (и) необходимо защитить от замерзания, закопав их ниже линии замерзания или поместив в отапливаемый гараж или подвал. Емкость накопительного бака для жилого дома должна соответствовать количеству людей, проживающих в доме.В идеале резервуар (-ы) для хранения будет содержать достаточно воды, чтобы обеспечить водопотребление на целый день. Затем резервуары можно медленно наполнять в течение ночи из низкопродуктивной скважины. Как правило, размер резервуара должен составлять 100 галлонов воды на каждого человека в доме. Таким образом, семье из пяти человек потребуется 500 галлонов хранилища в одном или нескольких резервуарах. Дополнительная мощность должна быть обеспечена, если вы предвидите увеличение потребности в воде в будущем. Резервуар на 300–500 галлонов будет стоить от 250 до 500 долларов. Резервуары промежуточного хранения для сельскохозяйственных работ обычно намного больше, и их размер будет зависеть от ежедневного использования воды на ферме.Как минимум, резервуар (и) для хранения должен быть достаточно большим, чтобы удовлетворить 2 часа пикового потребления воды, но в идеале резервуары должны быть достаточно большими, чтобы хранить воду в течение всего дня. Кроме того, было бы разумно спланировать дополнительное водохранилище для использования в чрезвычайных ситуациях, например, для противопожарной защиты. Если объем водопользования в хозяйстве неизвестен, его можно оценить, используя данные из информационного бюллетеня «Планирование водной системы, оценка потребностей в воде». Министерство сельского хозяйства США рекомендует емкость промежуточного хранилища не менее 2000 галлонов.Стоимость больших резервуаров для хранения варьируется от 500 долларов (1000 галлонов) до 1500 долларов (3000 галлонов). Резервуары для хранения воды с фермы также должны быть защищены от замерзания, если использование воды не является достаточно продолжительным, чтобы предотвратить замерзание.

Вне зависимости от того, используются ли они для систем водоснабжения дома или на ферме, промежуточные накопительные баки также могут помочь в процессах очистки воды. Если для дезинфекции водопровода используется хлор, резервуар для хранения может увеличить время контакта воды с хлором, необходимое для уничтожения болезнетворных бактерий и уменьшения необходимого количества хлора.Хранилище также служит резервуаром для обработки, в котором растворенные соединения железа, окисленные хлором, осаждаются из раствора и оседают на дно. Чистая вода, оставшаяся в верхней части бака, перекачивается в напорный бак и распределительную систему.

Емкость нагнетательного насоса

Напорный насос обычно добавляется после промежуточного резервуара (ов), если система не может быть подана самотеком в дом или сарай. Напорный насос подает воду в напорный бак для распределения в доме или на ферме.Производительность нагнетательного насоса может быть определена путем оценки общей суточной потребности в воде из скважины (см. Таблицу 2 в разделе «Планирование водной системы — оценка водопользования»). Насосы большего давления требуются для хозяйств, где потребность в воде выше.

Пропускная способность скважинного насоса

Скважинный насос для системы промежуточного накопления воды должен иметь номинальную производительность, немного меньшую, чем производительность скважины. При необходимости следует ожидать, что насос будет работать более или менее непрерывно, чтобы резервуар-хранилище был заполнен.Обычно аварийный выключатель при низком уровне воды, управляемый датчиками уровня воды в колодце, должен быть подключен к реле на распределительной коробке насоса. Сигнал о низком уровне воды, передаваемый на главный выключатель, должен блокировать другие органы управления насосом и останавливать насос, если уровень воды упадет до критически низкого уровня, при котором воздух или осадок могут попасть в систему.

Схематическое изображение всей промежуточной системы хранения воды показано на рисунке 1. Обратите внимание, что эта схема включает хлоратор между колодцем, резервуар для хранения без давления и датчики уровня воды в резервуаре.Для защиты скважинного насоса необходимо установить чувствительное устройство для аварийного выключателя низкого уровня воды в скважине. Типичная стоимость бытовой системы промежуточного хранения (без хлоратора), вероятно, будет менее 1500 долларов, в зависимости от количества рабочей силы. Система промежуточного хранения на более крупной ферме будет стоить около 3000 долларов, но может быть значительно дороже, если необходимо хранить очень большое количество воды.

Скважинное хранилище

Последний метод более эффективного использования низкодебитной скважины — увеличение запаса воды внутри скважины.Скважина может вместить несколько сотен галлонов воды для удовлетворения пикового водопотребления. В идеале, дополнительное хранилище в скважине добавляется к скважине с низкой текучестью, когда она впервые пробурена, чтобы удовлетворить ожидаемую потребность дома или фермы в воде (см. Планирование водных систем — Оценка водопользования для получения более подробной информации о планировании системы водоснабжения).

Количество воды, хранящейся в скважине, может быть увеличено за счет расширения или углубления ствола скважины. Например, типичная скважина диаметром 6 дюймов и 100 футов воды в скважине может хранить 147 галлонов воды.Если бы 6-дюймовый колодец был заменен колодцем диаметром 10 дюймов, объем хранилища резко увеличился бы до 408 галлонов воды. Дополнительных 261 галлона накопленной воды может хватить для обслуживания дома на одну семью, даже если дебит скважины очень низкий. Само по себе увеличение диаметра не должно повлиять на качество воды из колодца, поскольку он по-прежнему забирает воду из того же водоносного горизонта. Однако увеличение диаметра само по себе опасно, потому что его успех зависит от относительно постоянной глубины воды в скважине.В действительности, глубина воды в колодце может сильно различаться во время влажных и засушливых периодов, что приводит к значительным изменениям в хранении. Например, колодец, который обычно имеет 100 футов воды, может иметь менее 20 футов запаса воды во время засухи. В результате увеличение диаметра этого колодца с 6 дюймов до 10 дюймов увеличило бы запас воды только примерно на 50 галлонов во время засухи — намного меньше, чем необходимо для удовлетворения пикового спроса на воду.

В скважинах, где уровень воды значительно меняется в засушливые периоды, углубление скважины может быть лучшей альтернативой для увеличения емкости скважины.Бурение существующей скважины диаметром 6 дюймов на 100 футов глубже увеличит запас воды на 147 галлонов. Однако качество воды может существенно измениться по мере того, как вы углубите существующий колодец. Более глубокая скважина может получить доступ к подземным водам с естественными или искусственными загрязнителями, что может потребовать добавления оборудования для очистки воды. Консультации с местным опытным бурильщиком, а также с владельцами близлежащих скважин будут полезны при определении риска бурения существующей скважины в более глубокие грунтовые воды.

Стоимость — очевидное соображение при увеличении диаметра или глубины существующей скважины. Компоненты скважины, такие как насос, проводка, трубопровод и обсадная труба, необходимо будет удалить, прежде чем можно будет повторно пробурить существующую скважину. Дальнейшие затраты будут основаны на стоимости бурения за фут от подрядчика. Некоторые бурильщики могут предпочесть просто пробурить новую скважину в соответствии с новыми спецификациями, а не изменять существующую. В любом случае, бурение более широкой и / или более глубокой скважины обычно обходится дороже, чем покупка водосберегающих устройств или установка промежуточной системы хранения.

Последнее слово

Низкопродуктивная скважина не обязательно должна вызывать постоянное беспокойство домовладельца или фермера. Методы, описанные в этом информационном бюллетене, часто можно использовать для обеспечения того, чтобы эти колодцы удовлетворяли пиковые потребности в воде. Простых изменений в привычках водопользования может быть достаточно для удовлетворения пиковых потребностей в воде, когда нехватка воды случается нечасто.

Если требуется большая экономия воды, водосберегающие устройства и устройства предлагают большую экономию воды и простую установку при умеренных затратах.Более серьезные случаи, когда водоснабжение обычно не позволяет удовлетворить пиковую потребность в воде, требуют установки промежуточной системы хранения. Увеличение объема скважинного хранилища также может быть вариантом, но этот метод менее предсказуем и во многих случаях более дорогостоящий. Местный подрядчик по водозаборным скважинам может предоставить рекомендации и смету расходов на увеличение запасов в скважине.

Приложения термодинамики: тепловые насосы и холодильники

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите использование тепловых двигателей в тепловых насосах и холодильниках.
• Продемонстрируйте, как тепловой насос работает для обогрева внутреннего пространства.
• Объясните разницу между тепловыми насосами и холодильниками.
• Рассчитайте коэффициент полезного действия теплового насоса.

Рис. 1. Практически в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не осознают, что они тоже делят свои дома с тепловым насосом. (кредит: Id1337x, Wikimedia Commons)

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холода к горячему.Это тепловые двигатели, работающие задом наперед. Мы говорим «в обратном направлении», а не в обратном направлении, потому что, за исключением двигателей Карно, все тепловые двигатели, хотя они и могут работать в обратном направлении, не могут быть полностью реверсированы. Передача тепла происходит из холодного резервуара Q _c и в горячий. Для этого требуется рабочая мощность Вт , которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача к горячему резервуару составляет Q _h = Q _c + W . (Обратите внимание, что Q _h , Q _c и W положительны, их направления указаны на схемах, а не знаком.) Тепловой насос предназначен для передачи тепла Q _h в теплую среду, например, в доме зимой. Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла Q _c происходила из прохладной окружающей среды, такой как охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем окружающая среда. (На самом деле тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и нагревательный элемент одновременно. В этом разделе мы сконцентрируемся на его режиме обогрева.)

Рис. 2. Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Показанный здесь основан на (реверсивном) двигателе Карно. (а) Принципиальная схема, показывающая передачу тепла из холодного резервуара в теплый резервуар с помощью теплового насоса. Направления W , Q _h и Q _c противоположны направлениям в тепловом двигателе. (b) диаграмма для цикла Карно, аналогичная показанной на рисунке 3, но в обратном порядке по пути ADCBA.Площадь внутри цикла отрицательная, что означает, что имеется сетевой ввод. Имеется передача тепла Q _c в систему из холодного резервуара по пути DC и передача тепла Q _h из системы в горячий резервуар по пути BA.

Тепловые насосы

Большим преимуществом использования теплового насоса для поддержания тепла в доме, а не просто сжигания топлива, является то, что тепловой насос подает Q _h = Q _c + W .Теплоотдача происходит от наружного воздуха даже при температуре ниже нуля в помещении. Вы платите только за Вт и получаете дополнительную теплоотдачу Q _c извне бесплатно; во многих случаях в отапливаемое пространство передается как минимум вдвое больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все. Недостатком является то, что затраты на работу (требуемые вторым законом термодинамики) иногда дороже, чем просто сжигание топлива, особенно если работа выполняется за счет электроэнергии.

Основные компоненты теплового насоса в режиме нагрева показаны на рисунке 3. Используется рабочая жидкость, например хладагент, не содержащий CFC. В наружных змеевиках (испарителе) теплопередача Q _c происходит к рабочему телу из холодного наружного воздуха, превращая его в газ.

Рис. 3. Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор. В режиме обогрева теплопередача Q _c происходит к рабочему телу в испарителе (3) из более холодного наружного воздуха, превращая его в газ.Компрессор с электрическим приводом (4) увеличивает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (1) внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура в комнате, передача тепла от газа к комнате происходит, когда газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, поскольку она течет обратно через расширительный клапан (2) к змеевикам испарителя наружного блока.

Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность W ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, которые находятся внутри отапливаемого пространства.Поскольку температура газа выше, чем температура внутри комнаты, происходит передача тепла в комнату, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через редукционный клапан к змеевикам испарителя наружного блока, охлаждаясь за счет расширения. (В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла Q _ч происходит в теплое пространство, по сравнению с тем, сколько работы требуется Вт .Исходя из соотношения того, что вы получаете к затраченным средствам, мы определяем коэффициент полезного действия теплового насоса ( COP _л.с. ) как [латексный] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ latex].

Поскольку эффективность теплового двигателя составляет [латекс] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex], мы видим, что [латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex], важный и интересный факт. Во-первых, поскольку КПД любого теплового двигателя меньше 1, это означает, что COP _л.с. всегда больше 1, то есть тепловой насос всегда имеет большую теплопередачу Q _ч , чем затраченная работа. Это.Во-вторых, это означает, что тепловые насосы лучше всего работают при небольших перепадах температур. Эффективность идеального двигателя, или двигателя Карно, равна [латексному] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ left (\ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \ справа) \\ [/ латекс]; таким образом, чем меньше разница температур, тем меньше КПД и больше COP _л.с. (потому что [латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex] ). Другими словами, тепловые насосы не так хорошо работают в очень холодном климате, как в более умеренном.

Трение и другие необратимые процессы снижают эффективность теплового двигателя, но они приносят пользу работе теплового насоса. Тепловой насос.

Рис. 4. Когда реальный тепловой двигатель работает в обратном направлении, часть запланированной работы ( W ) идет на передачу тепла до того, как он попадет в тепловой двигатель, тем самым снижая его коэффициент полезного действия.На этом рисунке W ′ представляет собой часть W , которая идет в тепловой насос, в то время как оставшаяся часть W теряется в виде тепла трения ( Q _f ) в холодный резервуар. Если бы весь W пошел в тепловой насос, то Q _h было бы больше. В лучшем тепловом насосе используются адиабатические и изотермические процессы, поскольку теоретически не должно быть диссипативных процессов, снижающих передачу тепла к горячему резервуару.

Пример 1. Лучший [латексный] COP _ {\ text {hp}} \\ [/ latex] теплового насоса для домашнего использования

Тепловой насос, используемый для обогрева дома, должен использовать цикл, который производит рабочую жидкость при температурах выше, чем типичная температура в помещении, чтобы могла происходить передача тепла внутрь. Точно так же он должен производить рабочую жидкость при температурах ниже, чем температура наружного воздуха, чтобы передача тепла происходила извне. Следовательно, его горячая и холодная температуры в резервуаре не могут быть слишком близкими, что ограничивает его COP _л.с. .(См. Рис. 5.) Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для такого теплового насоса, если температура горячего резервуара составляет 45,0 ° C, а температура холодного резервуара —15,0 ° C?

Стратегия

Перевернутый двигатель Карно будет работать с максимальной производительностью в качестве теплового насоса. Как отмечалось выше, [latex] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex], поэтому нам нужно сначала вычислить эффективность Карно, чтобы решить эту проблему.

Решение

Эффективность Карно по абсолютной температуре определяется по формуле:

[латекс] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \\ [/ latex].

Температура в кельвинах составляет T _h = 318 K и T _c = 258 K, так что

[латекс] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ frac {258 \ text {K}} {318 \ text {K}} = 0,1887 \\ [/ latex].

Таким образом, из обсуждения выше,

[латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} = \ frac {1} {0,1887} = 5,30 \\ [/ latex], или [латекс] COP _ {\ text {hp} } = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} = \ frac {1} {0.1887} = 5.30 \\ [/ latex], так что Q _h = 5.30 W.

Обсуждение

Это означает, что теплопередача тепловым насосом равна 5.В 30 раз больше, чем вложено в это дело. Это будет стоить в 5,30 раза больше для той же теплопередачи от электрического комнатного обогревателя, чем для теплопередачи, производимой этим тепловым насосом. Это не нарушение сохранения энергии. Холодный окружающий воздух обеспечивает 4,3 Дж на 1 Дж работы от электрической розетки.

Рис. 5. Передача тепла снаружи внутрь, а также работа, выполняемая для запуска насоса, происходит в тепловом насосе из приведенного выше примера. Обратите внимание, что холодная температура, создаваемая тепловым насосом, ниже, чем температура наружного воздуха, поэтому происходит передача тепла рабочей жидкости.Компрессор насоса создает температуру выше температуры в помещении для передачи тепла в дом.

Рис. 6. В жаркую погоду теплопередача происходит от воздуха внутри помещения к воздуху снаружи, охлаждая помещение. В прохладную погоду происходит передача тепла от воздуха снаружи к воздуху внутри, нагревая комнату. Это переключение достигается за счет изменения направления потока рабочей жидкости на противоположное.

Настоящие тепловые насосы работают не так хорошо, как идеальные в предыдущем примере; Их значения КС _л.с. колеблются примерно от 2 до 4.Этот диапазон означает, что теплопередача Q _h от тепловых насосов в 2–4 раза больше, чем вклад в них W . Однако их экономическая осуществимость все еще ограничена, поскольку W обычно получают за счет электроэнергии, которая стоит больше на джоуль, чем передача тепла путем сжигания топлива, такого как природный газ. Кроме того, первоначальная стоимость теплового насоса выше, чем у многих печей, поэтому тепловой насос должен работать дольше, чтобы окупить его стоимость.Тепловые насосы, скорее всего, будут экономически лучше там, где зимние температуры мягкие, электричество относительно дешево, а другие виды топлива относительно дороги. Кроме того, поскольку они могут охлаждать и обогревать помещение, они имеют преимущества там, где также желательно охлаждение в летние месяцы. Таким образом, одни из лучших мест для тепловых насосов — теплый летний климат с прохладной зимой. На рис. 6 показан тепловой насос, называемый в некоторых странах «обратным циклом » или «охладителем сплит-системы » .

Кондиционеры и холодильники

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде. Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуется дополнительная работа, а это дорого. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько тепла Q _c происходит из холодной окружающей среды, по сравнению с тем, сколько работы требуется Вт . То, что считается преимуществом теплового насоса, в холодильнике считается отходящим теплом.Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия ( COP _ref ) кондиционера или холодильника как

[латекс] {COP} _ {\ text {ref}} = \ frac {Q _ {\ text {c}}} {W} \\ [/ latex].

Еще раз отмечая, что Q _h = Q _c + W , мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос, потому что [латекс] {COP} _ { \ text {hp}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ latex] и Q _h больше Q _c .В задачах и упражнениях этого модуля вы покажете, что COP _ref = COP _л.с. — 1 для теплового двигателя, используемого либо в качестве кондиционера, либо в качестве теплового насоса, работающего между двумя одинаковыми температурами. Настоящие кондиционеры и холодильники обычно работают замечательно, имея значения COP _ref в диапазоне от 2 до 6. Эти числа лучше, чем значения COP _л.с. для упомянутых выше тепловых насосов, поскольку разница температур составляет меньше, но они меньше, чем у двигателей Карно, работающих между теми же двумя температурами.

Был разработан тип рейтинговой системы COP , называемый «рейтинг энергоэффективности» ( EER ). Этот рейтинг является примером того, что единицы, не относящиеся к системе СИ, по-прежнему используются и актуальны для потребителей. Чтобы упростить жизнь потребителю, Австралия, Канада, Новая Зеландия и США используют рейтинг Energy Star из 5 звезд — чем больше звездочек, тем более энергоэффективным является устройство. EER с выражены в смешанных единицах британских тепловых единиц (БТЕ) ​​в час нагрева или охлаждения, разделенных на потребляемую мощность в ваттах.Комнатные кондиционеры легко доступны с EER в диапазоне от 6 до 12. Эти EER , хотя и не то же самое, что только что описанный COP , подходят для сравнения — чем больше EER , тем дешевле кондиционер должен работать (но тем выше, вероятно, будет его покупная цена).

EER кондиционера или холодильника можно выразить как

[латекс] \ displaystyle {EER} = \ frac {\ frac {Q _ {\ text {c}}} {t_1}} {\ frac {W} {t_2}} \\ [/ latex],

, где Q _c — количество теплопередачи из холодной среды в британских тепловых единицах, t ₁ — время в часах, W — потребляемая работа в джоулях и t ₂ — время в секундах.

Стратегии решения проблем термодинамики

1. Изучите ситуацию, чтобы определить, участвует ли тепло, работа или внутренняя энергия . Ищите любую систему, в которой основными методами передачи энергии являются тепло и работа. Тепловые двигатели, тепловые насосы, холодильники и кондиционеры являются примерами таких систем.
2. Определите интересующую систему и нарисуйте помеченную диаграмму системы, показывающую поток энергии.
3. Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные) .Письменный список полезен. Максимальная эффективность означает, что задействован двигатель Карно. Эффективность — это не то же самое, что коэффициент полезного действия.
4. Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (укажите известные). Обязательно отличите теплопередачу в системе от теплопередачи из системы, а также затраты на работу от результатов работы. Во многих ситуациях полезно определить тип процесса, например изотермический или адиабатический.
5. Решите соответствующее уравнение для количества, которое необходимо определить (неизвестное).
6. Подставьте известные величины вместе с их единицами измерения в соответствующее уравнение и получите численные решения с указанием единиц.
7. Проверьте ответ, чтобы узнать, разумен ли он: имеет ли он смысл? Например, КПД всегда меньше 1, тогда как коэффициенты производительности больше 1.

Сводка раздела

• Артефакт второго закона термодинамики — это способность обогревать внутреннее пространство с помощью теплового насоса.Тепловые насосы сжимают холодный окружающий воздух и при этом нагревают его до комнатной температуры без нарушения принципов консервации.
• Чтобы рассчитать коэффициент полезного действия теплового насоса, используйте уравнение [latex] {\ text {COP}} _ {\ text {hp}} = \ frac {{Q} _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ латекс].
• Холодильник — тепловой насос; он забирает теплый окружающий воздух и расширяет его, чтобы охладить.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, почему тепловые насосы не работают в очень холодном климате так же хорошо, как в более мягком.То же самое и с холодильниками?
2. В некоторых странах Северной Европы дома строятся без каких-либо систем отопления. Они очень хорошо изолированы и согреваются теплом тела жителей. Однако, когда жителей нет дома, в этих домах все равно тепло. Какое возможное объяснение?
3. Почему холодильники, кондиционеры и тепловые насосы работают наиболее рентабельно для циклов с небольшой разницей между T _h и T _c ? (Обратите внимание, что температура используемого цикла имеет решающее значение для его COP .)
4. Менеджеры продуктовых магазинов утверждают, что летом общее потребление энергии меньше, если в магазине поддерживается низкая температура. Приведите аргументы в поддержку или опровержение этого утверждения, учитывая, что в магазине множество холодильников и морозильников.
5. Можно ли охладить кухню, оставив дверцу холодильника открытой?

Задачи и упражнения

1. Каков коэффициент полезного действия идеального теплового насоса с теплопередачей при температуре холода −25?От 0ºC до горячей температуры 40,0ºC?
2. Предположим, у вас есть идеальный холодильник, который охлаждает окружающую среду до –20,0ºC и передает тепло в другую среду при 50,0ºC. Каков его коэффициент полезного действия?
3. Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия гипотетического холодильника, который может производить жидкий азот при температуре –200ºC и имеет теплопередачу в окружающую среду при температуре 35,0ºC?
4. В очень мягком зимнем климате тепловой насос передает тепло из окружающей среды на 5.От 00ºC до единицы при 35,0ºC. Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для этих температур? Ясно покажите, как вы следуете шагам, указанным в Стратегиях решения проблем термодинамики.
5. (a) Каков наилучший коэффициент полезного действия теплового насоса с температурой горячего резервуара 50,0 ° C и температурой холодного резервуара -20,0 ° C? (б) Сколько тепла происходит в теплой среде, если в нее вложено 3,60 × 10 ⁷ Дж работы (10,0 кВт · ч)? (c) Если стоимость этих работ составляет 10.0 центов / кВт · ч, какова его стоимость по сравнению с прямой теплопередачей, достигаемой за счет сжигания природного газа по цене 85,0 центов за тепло? (Термины — это общепринятая единица измерения энергии для природного газа, равная 1,055 × 10 ⁸ Дж.)
6. (a) Каков наилучший коэффициент полезного действия холодильника, который охлаждает окружающую среду до –30,0ºC и передает тепло в другую среду при 45,0ºC? (б) Сколько работы в джоулях необходимо сделать для передачи тепла 4186 кДж из холодной среды? (c) Какова стоимость этого, если работа стоит 10.0 центов за 3,60 × 10 ⁶ Дж (киловатт-час)? (d) Сколько кДж теплопередачи происходит в теплую среду? (e) Обсудите, какой тип холодильника может работать при этих температурах.
7. Предположим, вы хотите эксплуатировать идеальный холодильник с температурой холода -10,0ºC и хотите, чтобы он имел коэффициент полезного действия 7,00. Какова температура горячего резервуара у такого холодильника?
8. Рассматривается идеальный тепловой насос для обогрева помещения с температурой 22.0ºC. Какова температура холодного резервуара, если коэффициент полезного действия насоса должен составлять 12,0?
9. 4-тонный кондиционер удаляет 5,06 × 10 ⁷ Дж (48 000 британских тепловых единиц) из холодной среды за 1 час. (a) Какая энергия в джоулях необходима для этого, если кондиционер имеет рейтинг энергоэффективности ( EER ), равный 12,0? (b) Какова стоимость этого, если работа стоит 10,0 центов за 3,60 × 10 ⁶ Дж (один киловатт-час)? (c) Обсудите, насколько реалистична эта стоимость.Обратите внимание, что рейтинг энергоэффективности ( EER ) кондиционера или холодильника определяется как количество британских тепловых единиц теплопередачи из холодной среды в час, деленное на потребляемую мощность в ваттах.
10. Покажите, что коэффициенты производительности холодильников и тепловых насосов связаны соотношением COP _ref = COP _л.с. — 1. Начнем с определений COP s и отношения сохранения энергии между Q _h , Q _c и W .

Глоссарий

тепловой насос: машина, передающая тепло от холода к горячему

КПД: для теплового насоса, это отношение теплопередачи на выходе (горячий резервуар) к произведенной работе; для холодильника или кондиционера это отношение теплоотдачи от холодного резервуара к произведенной работе

Избранные решения проблем и упражнения

1. 4.82

3.0,311

5. (а) 4,61; б) 1,66 × 10 ⁸ Дж или 3,97 × 10 ⁴ ккал; (c) Для передачи 1,66 × 10 ⁸ Дж тепловой насос стоит 1 доллар США, природный газ — 1,34 доллара.

7. 27,6ºC

9. (а) 1,44 × 10 ⁷ Дж; (б) 40 центов; (c) Эта стоимость кажется вполне реальной; там говорится, что работа кондиционера в течение всего дня будет стоить 9,59 доллара (если он будет работать непрерывно).

Самый мощный водяной насос в мире

Взгляните на самый мощный в мире водяной насос:

Как вы думаете?

Довольно массивно, правда?

Посмотрите на насос под другим углом:

Обратите внимание на человека внизу справа?

А вот и насос в сравнении с грузовиком:

Ладно, помпа явно огромная (особенно по сравнению с помпой мойки высокого давления).Но сколько воды он может перекачать?

Как быстро он сможет заполнить ваш бассейн на заднем дворе? Самый большой бассейн в мире? Великий Каньон?

Вы найдете ответы на эти и другие вопросы на этой странице.

Но сначала давайте узнаем больше о насосе…

Также читайте: Полное руководство по настройке прицепа для мойки высокого давления

Самый мощный в мире водяной насос был построен по индивидуальному заказу для насосной станции Эймёйден в Нидерландах.Pentair Fairbanks Nijhuis произвела две модели в 2004 году в рамках модернизации, чтобы сделать ее крупнейшей насосной станцией в Европе. Его функция заключается в предотвращении «перманентного наводнения, которое ранее вызывало постоянные проблемы в западной части Нидерландов […]»

Он расположен на западном конце канала Северного моря, как вы можете видеть на карте:

• Модель : Pentair Fairbanks Nijhuis HP1-4000.340
• Тип : пропеллерный насос
• Производительность : 60 м3 / сек (60 000 л / сек)
• Головка : 0.5-5 метров
• Идеальная мощность : 4000 кВт (5364 л.с.)
• Награды : обладатель мировых рекордов Гиннеса. Самый мощный в мире водяной насос с производительностью 60 000 литров в секунду

Посмотрите, насколько велик Airbus A380 по сравнению с автомобилями:

Как вы думаете, сколько времени понадобится самому мощному водяному насосу, чтобы наполнить его водой?

Ответ: 18.9 секунд

Представьте, что на экваторе вокруг Земли наматывается шланг для мойки высокого давления — сколько воды вмещает этот шланг?

Мы посчитали и обнаружили, что у него чуть больше 5 миллионов литров.

Сколько времени требуется самому быстрому насосу в мире, чтобы переместить такое количество воды?

Ответ: 1 минута 25 секунд

В мире всего 4 супертанкера TI-класса, и они являются 4-мя крупнейшими по валовой вместимости, массе груза и водоизмещению.Взгляните на один в порту — он затмевает все:

Взгляните на объем супертанкера TI-класса по сравнению с Airbus A380:

Сколько времени, чтобы самый мощный насос заправил цистерну водой?

Ответ: 2 часа 19 минут 44 секунды

Давайте наполним Эмпайр-стейт-билдинг водой. Превратите его в действительно глубокий бассейн.

Сколько времени потребуется нашему насосу, чтобы завершить работу?

Ответ: 4 часа 51 минута

Великая пирамида — не самое высокое сооружение, но она имеет большой объем в форме пирамиды.

Хотя он намного короче, чем Эмпайр-стейт-билдинг, его объем более чем в два раза больше. Столько времени потребуется самому мощному водяному насосу в мире, чтобы наполнить его водой:

Ответ: 11 часов 57 минут

Туннель под Ла-Маншем — это туннель длиной 50,45 км (31,35 мили) с двумя рельсами, разделенными служебным туннелем.Вы можете увидеть относительный диаметр каждого туннеля по сравнению с поездом на изображении ниже:

Как вы думаете, какой общий объем трубок?

Сколько времени потребуется насосу, чтобы наполнить их водой?

Ответ: 1 день 1 час 26 минут 24 секунды

Завод Boeing Everett — самое большое здание в мире по объему.

Вот как выглядит его объем по сравнению с супертанкером TI-класса и Airbus 380:

Чтобы иметь такой огромный объем, требуется огромная занимаемая площадь.Его площадь составляет 98,7 акра. Внутри вы можете разместить полноразмерное поле для гольфа пар 72. Я примерно измерил площадь поля для гольфа Walter Hall в 100,54 акра (поле для гольфа находится в нескольких минутах ходьбы от завода).

Итак, сколько времени нужно самому быстрому водяному насосу в мире, чтобы заполнить завод Boeing водой?

Ответ: 2 дня 13 часов 32 минуты 10 секунд

Шахта Бингхэм-Каньон (также известная какKennecott Copper Mine) — крупнейшие по объему рукотворные раскопки на Земле. В приведенной ниже таблице я пытаюсь представить его объем как конус, а затем добавить 10%, чтобы учесть тот факт, что он шире идеального конуса.

Трудно дать масштаб — вот попытка показать огромные самосвалы, проезжающие по проезжей части шахты:

Представьте, что однажды было решено превратить шахту в озеро. Вряд ли, поскольку Rio Tinto приносит сотни миллионов долларов в год, но давайте представим.Сколько времени потребуется нашему мощному водяному насосу, чтобы завершить работу?

Ответ: 2 года 54 дня 18 часов

Гранд-Каньон огромен.

Вот приблизительный план Гранд-Каньона на вершине Нью-Йорка, а затем Парижа:

А вот и вершина Швейцарии, а затем Йеллоустонский национальный парк:

Это тоже очень глубоко. Максимальная высота — 1857 метров (6093 фута).

Вот Skywalk, чтобы показать некоторый масштаб:

Итак, сколько времени понадобится самому мощному и лучшему в мире водонасосу, чтобы превратить Гранд-Каньон в озеро?

Официальная оценка объема Гранд-Каньона Службой национальных парков составляет 5 единиц.45 триллионов кубических ярдов или 4 167 кубических километров. Что означает, что на наполнение водой требуется столько времени:

Ответ: 2201 год

Эта инфографика дает вам представление о различных объемах бассейнов трех размеров:

И прежде чем мы узнаем, сколько времени требуется насосу, чтобы заполнить или опорожнить их. Посмотрите на самый большой в мире бассейн (фиолетовый контур) рядом с Центральным парком (кстати, бассейн находится в Сан-Альфонсо-дель-Мар, Чили).

Тоже довольно красивый бассейн:

Время опорожнения / наполнения: 1 час 9 минут 36 секунд

Время опорожнения / наполнения: 41,6 секунды

Время опорожнения / наполнения: 1,5 секунды

Начнем с трех самых маленьких водоемов: водохранилища Центрального парка, гавани Сиднея и озера Тахо.

Вот инфографика, которая поможет визуализировать их различные объемы:

Так сколько времени, по вашему мнению, требуется самому быстрому водяному насосу в мире, чтобы опорожнить или заполнить эти объемы?

Ответ: 17 часов 34 минуты 48 секунд

Ответ: 108 дней 8 часов 9 минут 36 секунд

Ответ: 79.75 лет

Озеро Байкал — самое глубокое и объемное озеро в мире. В нем намного больше воды, чем в 5 Великих озерах вместе взятых.

Чтобы заполнить Байкал, потребуется 156 баллов озера Тахо.

Вот рисунок, который поможет визуализировать его огромный объем:

Как вы думаете, сколько времени потребуется самому мощному водяному насосу в мире, чтобы переместить столько воды, сколько есть в Байкале?

Ответ: 12 464 года

Вот инфографика, показывающая огромный объем воды в Мексиканском заливе:

А вот и озеро Байкал над Мексиканским заливом:

Сколько времени потребуется самому быстрому водяному насосу в мире, чтобы переместить столько воды?

Ответ: 1,32 миллиона лет

Тихий океан — самый большой океан на Земле. На его долю приходится 49,4% объема воды в океане Земли.

Вот инфографика для сравнения объема воды Тихого океана с Мексиканским заливом, озером Байкал (самое большое озеро в мире) и озером Тахо:

• 264 Мексиканский залив вписывается в Тихий океан
• 27 966 Озеро Байкал вписывается в Тихий океан
• 4,37 миллиона жителей озера Тахо

Как долго наш водяной насос сможет переместить воду, эквивалентную количеству воды в Тихом океане?

Ответ: 348,58 миллиона лет

Вам также может понравиться наша инфографика, посвященная обнаружению необычайных объемов.

1. Брошюра по насосам Voith. www.voith.com.
2. Pentair Fairbanks Nijhuis. Linkedin.com.
Краткое описание проекта модернизации насосной станции
3. в Эймёйдене. www.geonet.nl.
4. Pentair Fairbanks Nijhuis Брошюра с обзором продукции. www.jung-pumpen.de.
5. Канал Северного моря. Википедия.орг.
6. Имиджевый кредит супертанкера класса TI. www.marineinsight.com.
Изображение
7. для сравнения размеров Великой пирамиды.
8. Самая мощная в мире установка насосов Изображения Кредитные ссылки: Изображение 1, Изображение 2, Изображение 3, Изображение 4.
9. Имиджевый кредит крупнейшего в мире пула. www.snopes.com.

Об авторе: Джейми тестировал и пересматривал мойки высокого давления в течение 7 лет. Он проработал коммерческим аппаратом для мытья под давлением на заводе по переработке отходов в течение 3 лет, и все это время использовал аппараты для мытья под давлением в коммерческих и бытовых целях более 15 лет.Он также является инженером-механиком и, работая в горнодобывающей промышленности, разработал под ключ несколько подушек для мытья легких промышленных транспортных средств.

1 Введение | Системы распределения питьевой воды: оценка и снижение рисков

EPA. 2002c. Анализ пробелов в инфраструктуре чистой воды и питьевой воды. Вашингтон, округ Колумбия: EPA.

EPA. 2005a. Обследование потребностей инфраструктуры питьевого водоснабжения. EPA 816-R-05-001. Вашингтон, округ Колумбия: Управление водных ресурсов EPA.

EPA.2005b. Фактоиды: статистика питьевой и подземных вод за 2003 год. EPA 816-K-05-001. Вашингтон, округ Колумбия: Управление водных ресурсов EPA.

Фудзивара М., Дж. М. Манваринг и Р. М. Кларк. 1995. Питьевая вода в Японии и США: цели конференции. In: Управление качеством питьевой воды. Р. М. Кларк и Д. А. Кларк (ред.). Ланкастер, Пенсильвания: Technomic Publishing Company Inc.

Григг, Н. С. 2005a. Письмо в редакцию: проектирование систем водораспределения будущего.J. Amer. Водопроводные работы доц. 97 (6): 99–101.

Григг, Н.С. 2005b. Оценка и обновление систем распределения воды. J. Amer. Водопроводные работы доц. 97 (2): 58–68.

Гриндлер, Б. Дж. 1967. Вода и права на воду: трактат о законах воды и смежных проблемах: восточный, западный, федеральный. Том 3. Индианаполис, Индиана: Компания Аллана Смита.

Ханке, С. Х. 1972. Ценообразование на городскую воду. Стр. 283–306 In : Государственные цены на общественные товары. С. Мушкин (ред.). Вашингтон, округ Колумбия: Городской институт.

Офис страховых услуг. 1980. График пожарной безопасности. Нью-Йорк: Управление страховых услуг.

Якобсен, Л. 2005. Водный район долины Лас-Вегаса. 18 апреля 2005 г. Представлено в комитет СРН по системам распределения коммунального водоснабжения. Вашингтон.

Jacobsen, L., and S. Kamojjala. 2005. Полные системные модели и интеграция с ГИС. In: Proceedings of the AWWA Annual Conference and Exposition, San Francisco, CA.

Jacobsen, L., S. Kamojjala и M. Fang. 2005. Интеграция гидравлических моделей и моделей качества воды с другими коммунальными системами: тематическое исследование. In: Proceedings of the AWWA Information Management and Technology Conference, Denver, CO.

Йоханнесен, Дж., К. Киннер и М. Велардес. 2005. Двойные системы распределения: опыт водного района на ранчо Ирвина. 13 января 2005 г. Представлено в комитет СРН по системам распределения коммунального водоснабжения. Ирвин, Калифорния.

Кирмейер, Г., У. Ричардс и К. Д. Смит. 1994. Оценка систем распределения воды и связанных с этим исследовательских потребностей. Денвер, Колорадо: AwwaRF.

ЛеШевалье, М., Р. Гуллик и М. Карим. 2002. Потенциал риска для здоровья от проникновения загрязняющих веществ в систему распределения из-за скачков давления. Черновик белой книги о системе распространения. Вашингтон, округ Колумбия: EPA.

Ли, С. Х., Д. А. Леви, Г. Ф. Краун, М. Дж. Бич и Р. Л. Кальдерон. 2002 г. Эпиднадзор за вспышками болезней, передающихся через воду, в США, 1999–2000 гг.MMWR 51 (№ SS-8): 149.

Леви Ю., С. Пернетт, О. Вейбл и Л. Киен. 1997 г. Демонстрационная установка спутниковой обработки в системе распределения с использованием ультрафильтрации и нанофильтрации. Стр. 581–595 In : Материалы конференции AWWA по мембранной технологии. Новый Орлеан, Луизиана.

Mayer, P., W. B. DeOreo, E. M. Opitz, J. C. Kiefer, W. Y. Davis, B. Dziegielewski, and J. O. Nelson. 1999. Конечное использование воды в жилых домах. Денвер, Колорадо: AwwaRF.

Мале, J.W., and T. M. Walski. 1991. Системы распределения воды: Руководство по поиску и устранению неисправностей. Челси, Мичиган: Lewis Publishers, Inc.

Мур, Б. К., Ф. С. Кэннон, Д. Х. Мец и Дж. Де Марко. 2003. Структура пор GAC в Цинциннати во время полномасштабной обработки / реактивации. J. Amer. Водопроводные работы доц. 95 (2): 103–118.