ΑΚΑ ΗΜΙΑΑ ΕΜΠΟΡΙΚΟΥ ΝΑΥΤΙΚΟΥ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

Transcript

1 ΑΚΑ ΗΜΙΑΑ ΕΜΠΟΡΙΚΟΥ ΝΑΥΤΙΚΟΥ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΤΙΤΛΟ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΣ ΚΡΙΟΣ. ΜΙΑ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΤΛΙΑ ΧΩΡΙΣ ΚΑΥΣΙΜΟ. ΣΠΟΥ ΑΣΤΗΣ: ΓΙΑΝΝΟΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ Α.Γ.Μ.: 2302 ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: ΜΑΝΙΑ ΑΚΗ ΚΥΡΙΑΚΗ ΧΑΝΙΑ 2016

2 ΥΔΡΑΥΛΙΚΟΣ ΚΡΙΟΣ. ΜΙΑ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΤΛΙΑ ΧΩΡΙΣ ΚΑΥΣΙΜΟ. ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΕΜΠΟΡΙΚΗΣ ΝΑΥΤΙΛΙΑΣ ΑΚΑ ΗΜΙΑ ΕΜΠΟΡΙΚΟΥ ΝΑΥΤΙΚΟΥ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: Υ ΡΑΥΛΙΚΟΣ ΚΡΙΟΣ. ΜΙΑ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΤΛΙΑ ΧΩΡΙΣ ΚΑΥΣΙΜΟ. ΣΠΟΥ ΑΣΤΗΣ ΓΙΑΝΝΟΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΑΡ. ΜΗΤΡΩΟΥ 2302 ΗΜ/Μ ΑΝΑΘΕΣΗΣ: ΗΜ/Μ ΚΑΤΑΘΕΣΗΣ: ΗΜ/Μ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ: ΒΕΒΑΙΩΝΕΤΑΙ ΟΤΙ Η ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΟΥ ΣΠΟΥ ΑΣΤΗ ΕΙΝΑΙ ΠΛΗΡΗΣ/ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗ ΜΑΝΙΑ ΑΚΗ ΚΥΡΙΑΚΗ Ρ. ΦΥΣΙΚΟΣ ΧΑΝΙΑ 2016

3 ΑΚΑ ΗΜΙΑ ΕΜΠΟΡΙΚΟΥ ΝΑΥΤΙΚΟΥ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: Υ ΡΑΥΛΙΚΟΣ ΚΡΙΟΣ. ΜΙΑ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΤΛΙΑ ΧΩΡΙΣ ΚΑΥΣΙΜΟ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία πραγµ µατεύεται τη διασαφήνιση του όρου του υδραυλικού κριού καθώς και τον ικανοτήτων της αντλίας αυτής. Με την εργασία αυτή επιχειρείται µια σύντοµη αναδροµή στην ύπαρξη του υδραυλικού κριού στο παρελθόν καθώς και την πιθανή εφαρµογή της αντλίας αυτής στη σηµερινή µας κοινωνία. Όλα τα επίπεδα εφαρµογής της αντλίας αυτής παρουσιάζονται λαµβάνοντας υπόψη: τόσο την υπάρχουσα βιβλιογραφία σε θεωρητικό επίπεδο όσο και την εφαρµογή του σε παραδείγµατα κατασκευής του. Αναλυτικότερα, εστιάζεται στην παρουσίαση και ανάλυση αυτού του φαινοµένου κατασκευής, καθώς αποτελεί µια οικολογική αντλία χωρίς καύσιµα. Παρουσιάζει δε τις δυσκολίες που αντιµετωπίζουν οι αντλίες αυτές καθώς και λύσεις που έχουν βρεθεί από ειδικούς για τα προβλήµατα αυτά. Αναφέρει τις κατάλληλες συνθήκες για την λειτουργία της αντλίας αυτής καθώς περιγράφει και των κύκλο λειτουργίας της αντλίας ΣΠΟΥ ΑΣΤΗΣ: ΓΙΑΝΝΟΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ Α.Γ.Μ.:2302 ΑΚΑ ΗΜΑΙΚΟ ΕΤΟΣ: ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΜΑΝΙΑ ΑΚΗ ΚΥΡΙΑΚΗ

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... 1 ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ Η ΑΝΤΛΙΑ ΤΟΥ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΥ ΚΡΙΟΥ 1.1. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΤΟΠΟΘΕΣΙΑ (ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΚΑ) ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΥ ΚΡΙΟΥ... 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΥΤΕΡΟ Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΑΝΤΛΙΑΣ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΥ ΚΡΙΟΥ 2.1. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΜΙΑΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΥ ΚΡΙΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΑΝΤΛΙΑΣ Υ ΡΑΥΛΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ΚΑΙ ΕΞΑΜΕΝΕΣ ΑΝΑΠΑΛΣΗΣ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ RAM PUMP ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑ ΤΗΣ ΑΝΤΛΙΑ ΤΥΠΟΥ RAM ΤΕΧΝΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΙΑΣ RAM PUMP ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ ΣΧΕ ΙΑΖΟΝΤΑΣ ΜΙΑ ΑΝΤΛΙΑ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΥ ΚΡΙΟΥ 3.1. ΜΕΘΟ ΟΣ ΣΧΕ ΙΑΣΗΣ ΜΙΑΣ ΑΝΤΛΙΑΣ ΤΥΠΟΥ RAM ΣΚΕΨΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟ ΕΝΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΑΝΤΛΙΑ RAM ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΕΣ ΕΚΤΙΜΗΣΕΙΣ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΖΩΗΣ, ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΣΚΕΥΗΣ ΓΕΝΙΚΕΣ ΕΚΤΙΜΗΣΕΙΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΥΞΗΣΗ ΤΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΜΙΑΣ ΑΝΤΛΙΑΣ RAM ΑΠΟΦΥΓΗ ΠΛΗΜΜΥΡΑΣ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΥ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ ΤΟΜΗ RESTER

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΟ ΣΗΜΕΡΑ 4.1. Υ ΡΑΥΛΙΚΟΙ ΚΡΙΟΙ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΩΝ Υ ΡΑΥΛΙΚΩΝ ΚΡΙΩΝ. 27 ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ/ΙΣΤΟΤΟΠΟΣ

6 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΣ ΚΡΙΟΣ. ΜΙΑ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΤΛΙΑ ΧΩΡΙΣ ΚΑΥΣΙΜΟ. Η υδραυλική αντλία Ram είναι µια αντλία η οποία χρησιµοποιεί την ενέργεια της πτώσης µιας ποσότητας νερού για να αντλήσει και να ανυψώσει ένα τµήµα του νερού αυτού σε ένα άλλο σηµείο υψηλότερο από εκείνο της αρχικής του πηγής. Είναι απαραίτητο να υπάρχει τουλάχιστον 1 µέτρο ύψος της αρχικής ποσότητας νερού το οποίο µπορεί να είναι είτε από φυσική πηγή (ποτάµι, ρυάκι) είτε από ένα φράγµα. Καµία άλλη πηγή ενέργειας δεν απαιτείται για τη λειτουργία της αντλίας και όσο υπάρχει συνεχόµενη ροή πτώσης του νερού, τόσο η αντλία θα λειτουργεί αυτόµατα και συνεχόµενα. Η επαρκής τροφοδοσία νερού στον αγροτικό πληθυσµό ήταν ένα κύριο πρόβληµα ακόµα και στις πιο προηγµένες χώρες. Καύσιµη ύλη, συντήρηση αλλά και το κόστος της λειτουργίας του συµβατικού αντλητικού συστήµατος έκανε απαγορευτική την χρήση του. Οι υδραυλικές αντλίες Ram είναι ένας εναλλακτικός µηχανισµός άντλησης νερού ο οποίος χρησιµοποιεί σχετικά απλή τεχνολογία και η ανανεώσιµη ενέργειά του το κάνει ανθεκτικό στον χρόνο. Η Ram έχει µόνο δύο κινούµενα µέρη τα οποία µπορούν εύκολα να συντηρηθούν. Στις µέρες µας χρησιµοποιούνται στις αγροτικές περιοχές των ανεπτυγµένων χωρών όπου το ηλεκτρικό ρεύµα είναι οικονοµικά δυσπρόσιτο. Οι Ram βρίσκουν εφαρµογή στην τροφοδοσία της κτηνοτροφίας, σε σπίτια, σε κοινότητες και σε µικρής κλίµακας αρδευτικές περιοχές. Η ποσότητα του νερού που θα διανεµηθεί αλλά και το ύψος αυτού εξαρτάται από την πηγή του νερού αλλά και από τη µορφολογία του εδάφους. 3

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ Η ΑΝΤΛΙΑ ΤΟΥ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΥ ΚΡΙΟΥ 1.1. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ Το 1772 ο John Whitehurst από το Ηνωµένο Βασίλειο εφηύρε µια χειροκίνητη αντλία πρόδροµο του υδραυλικού εµβόλου που την ονόµασε "µηχανή παλµού». Η πρώτη είχε εγκατασταθεί το 1772 στο Oulton, και έθεσε το νερό σε ύψος 16 πόδια (4,9m). εν κατάφερε να αποκτήσει δίπλωµα ευρεσιτεχνίας, και τα στοιχεία που έχουµε είναι ασαφή, αλλά είναι γνωστό ότι στην κατασκευή του υπήρχε δοχείο αέρος, σηµαντικό κοµµάτι σε µια αντλία αυτού του τύπου. Η πρώτη λειτουργική αντλία RAM εφευρέθηκε από τον Γάλλο Michel Joseph Montgolfier (πιο γνωστό ως συν-εφευρέτη του αερόστατου ) το 1796 για την αύξηση του νερού σε εργοστάσιο χαρτοποιίας στην Voiron). Οι γιοι του Montgolfier σε συνδυασµό µε τον σχεδιασµό Whitehurst, έλαβαν ένα αγγλικό δίπλωµα ευρεσιτεχνίας για µια βελτιωµένη έκδοση της αντλίας το Η εταιρεία Easton, αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια του δέκατου ένατου αιώνα σε έναν από τους πιο σηµαντικούς κατασκευαστές µηχανικής στο Ηνωµένο Βασίλειο, µε µεγάλα έργα στο Erith, Kent. Καθώς ήταν εξειδικευµένη στην παροχή νερού και αποχέτευσης των συστηµάτων παγκοσµίως, η Eastons είχε µια καλή επιχείρηση προµήθευσης αντλιών ram για σκοπούς παροχής νερού σε µεγάλες εξοχικές κατοικίες, καθώς και στα αγροκτήµατα και τις αγροτικές κοινότητες. Μια σειρά από εγκαταστάσεις τους εξακολουθούσε να επιβιώνει έως και το

8 Η εταιρεία τελικά έκλεισε το 1909, αλλά η επιχείρηση αντλιών συνεχίστηκε από τον James R Easton. Το 1929 εξαγοράστηκε από την Green & Carter του Winchester, Hampshire, οι οποίοι ασχολήθηκαν µε την κατασκευή και την εγκατάσταση του γνωστού τύπου Vulcan και Vacher Rams. Το πρώτο αµερικάνικο δίπλωµα ευρεσιτεχνίας εκδόθηκε για τους J. Cerneau και SS Hallet το Το ενδιαφέρον των ΗΠΑ για υδραυλικά έµβολα διήρκησε µέχρι το 1840, καθώς και περαιτέρω διπλώµατα ευρεσιτεχνίας εκδόθηκαν και εγχώριες εταιρείες ξεκίνησαν να προσφέρουν αντλίες RAM προς πώληση. Προς το τέλος του 19ου αιώνα, το ενδιαφέρον αυτό µειώθηκε λόγω της ηλεκτρικής ενέργειας και οι ηλεκτρικές αντλίες έγιναν ευρέως διαθέσιµες. Κατά τα τέλη του εικοστού αιώνα, το ενδιαφέρον σε υδραυλικά έµβολα αναβίωσε, λόγω των αναγκών της βιώσιµης τεχνολογίας σε αναπτυσσόµενες χώρες, και την εξοικονόµηση ενέργειας σε ανεπτυγµένες. Ένα καλό παράδειγµα είναι η ενίσχυση του ιεθνούς Ιδρύµατος στις Φιλιππίνες, το οποίο κέρδισε ένα Ashden Βραβείο για το έργο ανάπτυξης αντλιών ram που θα µπορούσε εύκολα να διατηρούνται για χρήση σε αποµακρυσµένα χωριά ΤΟΠΟΘΕΣΙΑ (ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΚΑ) Η επιλογή της τοποθεσίας της πιθανής τοποθεσίας, τοποθεσίας. πρέπει να γίνει σε δύο στάδια, µια προκαταρτική αξιολόγηση και µια πλήρης έρευνα για την επιλογή της κατάλληλης 5

9 Εν συντοµία η προκαταρτική έρευνα πρέπει να περιέχει τα ακόλουθα στοιχεία: ιαβούλευση για σχετικούς χάρτες και υδρολογικές µελέτες. Επίσκεψη στην πιθανή τοποθεσία για την δηµιουργία προκαταρτικής αξιολόγησης και τη συµβουλή από ντόπιους κατοίκους. Επιλογή ενός η περισσοτέρων τόπων µε υψηλό δυναµικό που θα ερευνηθούν πλήρως. Η πλήρης έρευνα της επιλεχθείσας τοποθεσίας πρέπει να είναι επαρκής, λεπτοµερής και να παρέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για µια ακριβή σχεδίαση του συστήµατος. Οι παρακάτω πληροφορίες είναι απαραίτητες για τη µελέτη : Παροχή του νερού της πηγής: Η µελέτη πρέπει να γίνει µε τη µικρότερη ροή του νερού της πηγής σε έναν κανονικό χρόνο και η µέτρηση πρέπει να υπολογιστή κατά την διάρκεια της ξηρής εποχής. Προκειµένου να διασφαλίσουµε το αντιπροσωπευτικό ποσοστό για την ελάχιστη ροή, απαιτείται η συµβουλή των ντόπιων κατοίκων για το ιστορικό της παροχής τα τελευταία χρόνια. Κάποια ένδειξη για την µέγιστη αναµενόµενη ροή πρέπει να λαµβάνεται. Κεντρική ροή : Πρέπει να υπολογιστεί η µέγιστη πιθανή ροή του τόπου ή ο µέσος όρος γωνίας του αγωγού από την πηγή έως την αντλία. Ροή κατάθλιψης : Το ύψος της πηγής του νερού από το σηµείο που θα διανεµηθεί πρέπει να υπολογιστεί. Αυτό θα παρέχει µια πρόχειρη εκτίµηση της ροής αλλά για περισσότερη ακρίβεια η κεντρική ροή θα πρέπει να προστεθεί στο ποσό αυτό για να δώσει την πραγµατική ροή κατάθλιψης. Απαίτηση νερού: Αυτή η ένδειξη πρέπει να υπολογιστεί αναφορικά µε τον πληθυσµό που θα εξυπηρετεί (επιτρέποντας και την ανάπτυξη) ή την περιοχή που θα αρδεύσει ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΥ ΚΡΙΟΥ Οι αντλίες τύπου Ram σε ορισµένες συνθήκες έχουν πολλά πλεονεκτήµατα σε σχέση µε άλλες µορφές ανύψωσης, αλλά σε άλλες, µπορεί να είναι εντελώς ακατάλληλες. Τα κύρια πλεονεκτήµατα της αντλίας Ram είναι: Χρησιµοποιεί ανανεώσιµες πηγές ενέργειας εξασφαλίζοντας χαµηλό κόστος συντήρησης. Αντλώντας µόνο µια µικρή αναλογία από την διαθέσιµη ροή έχει χαµηλές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Η απλότητα και η αξιοπιστία δίνουν χαµηλές απαιτήσεις συντήρησης Υπάρχουν πολλές δυνατότητες για την τοπική παραγωγή στην αγροτική περιοχή. 6

10 Αυτόµατα, η συνεχής λειτουργία δεν απαιτεί καµία επίβλεψη ή την ανθρώπινη παρουσία. Οι βασικοί περιορισµοί είναι οι εξής: Περιορίζονται σε λοφώδεις περιοχές µε την ετήσια κυκλοφορία του νερού. Αντλείται µόνο ένα µικρό µέρος της διαθέσιµης ροής και ως εκ τούτου απαιτείται πηγή νερού µε µεγάλα αποθέµατα ροής από αύτα που στην πραγµατικότητα θα παραδοθούν. Μπορεί να έχουν υψηλό κόστος κεφαλαίου σε σχέση µε άλλες τεχνολογίες Περιορίζονται σε εφαρµογές µικρής κλίµακας, συνήθως µέχρι 1 KW, αλλά αυτό απαιτεί οικονοµικές ή άλλες σκοπιµότητες. Ειδικές περιπτώσεις στις οποίες οι άλλες τεχνολογίες µπορεί να αποδειχθούν πιο κατάλληλες είναι οι εξής: Σε έδαφος όπου ρέµατα πέφτουν πολύ γρήγορα, µπορεί να είναι δυνατό να εξαχθεί νερό σε ένα σηµείο πάνω από τον τόπο παράδοσης ή άρδευσης και να τον τροφοδοτεί λόγω της βαρύτητας. Αν οι ανάγκες σε νερό είναι µεγάλες και υπάρχει µια µεγάλη πηγή πτώσης νερού κοντά στην περιοχή, ένας συνδυασµός στροβίλου αντλίας µπορεί να προσφέρει την καλύτερη λύση. Πολλές αντλίες ram θα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν παράλληλα για να δώσουν την απαιτούµενη απόδοση, αλλά σε ενέργεια πάνω από 2KW ένα σύστηµα µε στρόβιλο-αντλία είναι συνήθως φθηνότερο. Σε µικρής κλίµακας εγχώριας παροχής νερού, η επιλογή µπορεί συχνά να είναι µεταξύ µιας αντλίας Ram σε ένα ρεύµα ή µε τη χρήση των υπόγειων υδάτων. Επιφανειακά ύδατα θα πρέπει συχνά να φιλτράρονται ή να υφίστανται επεξεργασία για ανθρώπινη κατανάλωση, αυξάνοντας το κόστος ενός συστήµατος και απαιτούν τακτική συντήρηση των φίλτρων. Υπό αυτές τις συνθήκες, πριν να επιλεγεί µια αντλία Ram πρέπει να εξεταστούν τα οικονοµικά κριτήρια σε σχέση µε άλλες τεχνολογίες. 7

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΥΤΕΡΟ Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΑΝΤΛΙΑΣ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΥ ΚΡΙΟΥ 2.1. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΜΙΑΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΥ ΚΡΙΟΥ Αναφορικά µε το Σχ, 1 η ορµή του υγρού που παρέχεται στο σύστηµα αναγράφεται ως (Qs),(Ηs) ονοµάζουµε το µανοµετρικό ύψος της πηγής µε την αντλία, (q) ένα µέρος του νερού που αντλείται, (Hd) το ύψος του αγωγού που µεταφέρει το αντλούµενο νερό, (Qw) είναι το µη χρησιµοποιηθέν νερό και τέλος το (h) είναι το κερδισµένο ύψος από την κατάθλιψη της αντλίας. Οι αντλίες Ram βρίσκουν εφαρµογή σε µέρη όπου υπάρχει σταθερή και σίγουρη πηγή νερού και επαρκής πτώση αυτού για την λειτουργία της. Οι εµπορικές αντλίες Ram οι οποίες κυρίως κατασκευάζονται σε ανεπτυγµένες χώρες είναι γνωστές για πολλά χρόνια. Παρόλα αυτά οι εµπορικές αντλίες είναι ακριβές αλλά υπάρχει µια αυξανόµενη τάση στην ανάπτυξη και στον σχεδιασµό µικρότερων, ελαφρύτερων και χαµηλού κόστους. Η υδραυλική αντλία Ram αν και απλή στην σχεδίαση έχοντας µόνο δυο κινούµενα µέρη, η λειτουργία της δεν είναι τόσο εύκολα κατανοητή. Σαν αποτέλεσµα, έχει προσελκύσει πολλούς ερευνητές οι οποίοι προσπαθούν να αναπτύξουν αναλυτικά µοντέλα για την λειτουργία της. 8

12 Επειδή όµως οι ερευνητές έχουν έδρα τις αναπτυγµένες χώρες, οι χώρες αυτές δεν παρέχουν εύκολη πρόσβαση σε αυτές τις πληροφορίες και η τεχνολογία της αντλίας δεν είναι ευρέως γνωστή στην χρήση ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΑΝΤΛΙΑΣ Έχει ήδη αναφερθεί ότι η αντλία Ram είναι µια µοναδική συσκευή η οποία χρησιµοποιεί την ενέργεια της ροής από την πτώση µιας ποσότητας νερού, από ένα επίπεδο, και ως κινητήρια δύναµη ένα µέρος της ποσότητας αυτής το καταθλίβει σε ένα πιο υψηλό επίπεδο από την αρχική πηγή του. Με την συνεχή ροή του νερού η αντλία λειτουργεί αυτόµατα και συνεχώς χωρίς καµία άλλη εξωτερική πηγή ενέργειας. Θα ακολουθήσουν λειτουργικά και κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της αντλίας σε αυτό το κεφάλαιο. Η αντλία Ram είναι πολύ απλή δοµικά αποτελούµενη από δύο κινητά µέρη: από την βαλβίδα αποβλήτων (waste valve) και από την βαλβίδα µεταφοράς (delivery valve).το σύστηµα περιέχει επίσης έναν θάλαµο αέρα (air chamber) και µια βαλβίδα αέρος (sifter valve). Η λειτουργία της αντλίας είναι διακοπτόµενη λόγω του κυκλικού ανοίγµατος και κλεισίµατος της βαλβίδας αποβλήτων και της βαλβίδας µεταφοράς. Το κλείσιµο της βαλβίδας αποβλήτων δηµιουργεί υψηλή πίεση η οποία αυξάνεται στο σωλήνα αναρρόφησης (drive pipe). Ένας θάλαµος αέρος είναι απαραίτητος για την πρόληψη της υψηλής διαλείπουσας ροής κατά το συνεχόµενο ρεύµα ροής. Η βαλβίδα αέρος επιτρέπει αέρα µέσα στην αντλία για να αντικαθιστά τον αέρα που απορροφάται από το νερό λόγω της υψηλής πίεσης και µίξης στον θάλαµο του αέρα. 9

13 10

14 2.3. Υ ΡΑΥΛΙΚΟ ΠΛΗΓΜΑ ΚΑΙ ΕΞΑΜΕΝΕΣ ΑΝΑΠΑΛΣΗΣ Για να εξηγήσουµε την αρχή λειτουργίας µιας αντλίας Ram, βοηθά σε µεγάλο βαθµό να έχουµε µια εικόνα για τη λειτουργία µιας δεξαµενής από ένα σύστηµα παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας. Σε µια εγκατάσταση υδροηλεκτρικής ενέργειας, κάθε φορά που υπάρχει µια απότοµη απόρριψη φορτίου από την ισχύ του συστήµατος, οι χειριστές του υδροστροβίλου ρυθµίζουν την είσοδο του νερού στο στρόβιλο σε λίγα δευτερόλεπτα, ώστε να αποφεύγεται η µεταβολή της συχνότητας. Το ξαφνικό κλείσιµο της βαλβίδας δηµιουργεί υψηλές διακυµάνσεις της πίεσης στον αγωγό προσαγωγής που συχνά συνοδεύεται από επαναλαµβανόµενο θόρυβο σαν σφυρηλάτηση µετάλλου γνωστό ως υδραυλικό πλήγµα ή φαινόµενο κριού. Για την αποφυγή του υδραυλικού πλήγµατος, µια δεξαµενή έχει εγκατασταθεί µεταξύ του φράγµατος και του εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρικού ρεύµατος στην είσοδο του νερού του αγωγού πτώσης. Η κύρια λειτουργία της δεξαµενής κύµατος είναι η προστασία του συστήµατος της χαµηλής πίεσης αγωγού / σήραγγα από τις υψηλές εσωτερικές πιέσεις. Η δεξαµενή αυτή, ως εκ τούτου, µας δίνει τη δυνατότητα να χρησιµοποιούµε αγωγούς ή σήραγγες µικρότερου πάχους και συνήθως λειτουργεί για λίγα χιλιόµετρα από το µήκος, καθιστώντας το σύστηµα λιγότερο ακριβό. Ωστόσο, αναπόφευκτα, ο αγωγός πτώσης πρέπει να είναι σχεδιασµένος για να αντέχει την υψηλή πίεση που θα δηµιουργηθεί από το υδραυλικό πλήγµα, και απαιτεί τη χρήση σωλήνων µε χοντρά τοιχώµατα. Στην εφαρµογή αυτή, το υδραυλικό πλήγµα έχει αρνητικό αντίκτυπο. Παρόλα αυτά, αυτό το ίδιο φαινόµενο χρησιµοποιείται για την ανύψωση σε µια Ram. 11

15 2.4. ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ RAM PUMP Ο κύκλος λειτουργίας των αντλιών µπορεί να διαιρεθεί σε τρεις φάσεις: την επιτάχυνση, την παράδοση και την ανάκρουση. Επιτάχυνση - Όταν η βαλβίδα αποβλήτων είναι ανοικτή, το νερό επιταχύνει κάτω από το σωλήνα κίνησης (drive pipe) και το καταθλίβει µέσω της ανοικτής βαλβίδας. Καθώς η ροή αυξάνεται, η ταχύτητα φτάνει σε σηµείο όπου η δύναµη αντίστασης να είναι επαρκής για να ξεκινήσει το κλείσιµο της βαλβίδας. Μόλις αρχίσει να κινείται, η βαλβίδα κλείνει πολύ γρήγορα. Παράδοση - εδοµένου ότι η βαλβίδα αποβλήτων κλείνει ερµητικά, σταµατά η ροή του νερού µέσα από αυτό. Το νερό που έρχεται στο σωλήνα κίνησης έχει σηµαντική δυναµική (ενέργεια) ώστε να προχωρήσει στο σωλίνα. Για ένα κλάσµα του δευτερολέπτου, το νερό στο σώµα της αντλίας είναι συµπιεσµένο προκαλώντας ένα µεγάλο κύµα πίεσης. Αυτό το είδος της αύξησης της πίεσης είναι γνωστό ως υδραυλικό πλήγµα. Καθώς η πίεση ανεβαίνει υψηλότερα από ότι στον αεροθάλαµο, ωθεί το νερό µέσω της βαλβίδας διανοµής (βαλβίδα αντεπιστροφής). Η βαλβίδα διανοµής παραµένει ανοιχτή µέχρι το νερό στο σωλήνα κίνησης να έχει σχεδόν εντελώς επιβραδυνθεί και η πίεση στο σώµα της αντλίας να πέσει κάτω από την πίεση παράδοσης. Η βαλβίδα παροχής κλείνει στη συνέχεια, διακόπτοντας οποιαδήποτε αντιστροφή ροής από το δοχείο αέρα στην αντλία και το σωλήνα κίνησης. 12

16 Ανάκρουση - Η υπολειπόµενη ροή στο σωλήνα κίνησης ανακρούει στην κλειστή βαλβίδα παράδοσης - όπως σαν µια µπάλα που αναπηδά πίσω. Αυτό προκαλεί την πίεση στο σώµα της αντλίας να πέσει αρκετά χαµηλά και η βαλβίδα αποβλήτων να ανοίξει εκ νέου. Ο αέρας βρίσκεται κάτω από τη βαλβίδα παράδοσης µέχρι την εποµένη του κύκλου. Αυτό εξασφαλίζει ότι το δοχείο του αέρα παραµένει γεµάτο αέρα. Όταν η ενέργεια ανάκρουσης έχει τελειώσει, το νερό αρχίζει να επιταχύνει κάτω από το σωλήνα κίνησης και έξω από την ανοιχτή βαλβίδα απόβλητων, αρχίζοντας τον κύκλο ξανά. Καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου η πίεση στο δοχείο αέρα ωθεί σταθερά το νερό προς το σωλήνα παράδοσης. Το δοχείο αέρα οµαλοποιεί τη ροή µέσα από την βαλβίδα παράδοσης σε µια ακόµη εκροή µέχρι το σωλήνα παράδοσης. Ο αντλητικός κύκλος συµβαίνει πολύ γρήγορα, συνήθως 40 µε 120 φορές το λεπτό. Κατά τη διάρκεια κάθε αντλητικού κύκλου, µόνο µια µικρή ποσότητα νερού µπορεί να αντληθεί. Εντούτοις, κύκλο µε τον κύκλο που συνεχίζεται για 24 ώρες, ένα σηµαντικό ποσοστό νερού που µπορεί να αντληθεί. Ενώ η αντλία Ram λειτουργεί, το νερό που ρέει από τη βαλβίδα αποβλήτων πιτσιλά επάνω στο πάτωµα ή στο σώµα της αντλίας και αυτό θεωρείται απόβλητο νερό. Ο όρος "απόβλητο", πρέπει να γίνει κατανοητός. Παρά το γεγονός ότι τα απόβλητα νερά δεν καταθλίβονται από την αντλία Ram, η ενέργεια του απόβλητου νερού αντλεί το νερό που έχει παραδοθεί ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑ ΤΗΣ ΑΝΤΛΙΑ ΤΥΠΟΥ RAM 13

17 Ακολουθία 1: Το νερό από την πηγή ρέει µέσω του σωλήνα κίνησης (Α) στο σώµα της αντλίας Ram, γεµίζει αυτήν και αρχίζει να βγαίνει µέσα από την βαλβίδα αποβλήτων (ωθητική)(β). Η βαλβίδα αντεπιστροφής (C) παραµένει σε κλειστή θέση τόσο από το ελατήριο όσο και από την πίεση του νερού στη δεξαµενή (D) και του σωλήνα παράδοσης (E). ( εν υπάρχει νερό στη δεξαµενή πριν από την εκκίνηση) Σε αυτό το σηµείο εκκίνησης, δεν υπάρχει πίεση στην δεξαµενή (D) και καµία ποσότητα νερού δεν παρέχεται µέσω του σωλήνα εξόδου (E), στην δεξαµενή προορισµού. Ακολουθία 2: Το νερό εισέρχεται στην αντλία µέσω του σωλήνα κίνησης (Α). Το νερό κατευθύνεται έξω από την βαλβίδα αποβλήτων (Β), µε αποτέλεσµα να κλείσει ξαφνικά. Αυτό δηµιουργεί µια στιγµιαία υψηλή πίεση "υδραυλικό πλήγµα" που µε τη σειρά του ωθεί τη βαλβίδα αντεπιστροφής (C) για να ανοίξει επιτρέποντας υψηλής πίεσης νερό να εισαχθεί στη δεξαµενή πίεσης, (D). Ο όγκος του αέρα στη δεξαµενή πίεσης είναι συµπιεσµένος προκαλώντας στο νερό να αρχίσει να ρέει προς το σωλήνα παράδοσης (Ε) και την ίδια στιγµή το κλείσιµο της βαλβίδας (C)όποτε δεν επιτρέπεται στο νερό µια διαδροµή πίσω στο σώµα της αντλίας. εδοµένου ότι ο όγκος του αέρα στη δεξαµενή πίεσης (D) συνεχίζει να µεγαλώνει εκ νέου, το νερό αναγκάζεται να κινηθεί προς το σωλήνα παράδοσης (Ε) και τη δεξαµενή παράδοσης. 14

18 Ακολουθία 3: Το νερό έχει σταµατήσει να ρέει µέσω του σωλήνα κίνησης (Α) ως «ωστικό κύµα» που δηµιουργείται από το "υδραυλικό πλήγµα» ταξιδεύει πίσω στον αγωγό κίνησης για τη δεξαµενή τροφοδοσίας (απεικονίζεται νωρίτερα). Η βαλβίδα αποβλήτων (Β) είναι κλειστή. Όγκος του αέρα από τη δεξαµενή πίεσης (D) συνεχίζει να επεκτείνεται για να εξισωθεί η πίεση, ωθώντας µια µικρή ποσότητα νερού από το αγωγό παράδοσης (E). 15

19 Ακολουθία 4: Το "ωστικό κύµα" φτάνει στη δεξαµενή παράδοσης. Η βαλβίδα αποβλήτων (Β) ανοίγει και το νερό στον αγωγό κίνησης (Α) αρχίζει να εισρέει στην αντλία και έξω από την βαλβίδα αποβλήτων (Β). Η ανεπίστροφη βαλβίδα (C) παραµένει κλειστή. Ο όγκος του αέρα από τη δεξαµενή πίεσης (D) έχει σταθεροποιηθεί και το νερό έχει σταµατήσει να ρέει από το σωλήνα παράδοσης (E). Σε αυτό το σηµείο η ακολουθία 1 αρχίζει ξανά από την αρχή ΤΕΧΝΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΙΑΣ RAM PUMP Μεταβολή του χρόνου και της ταχύτητας στον αγωγό κίνησης. Για την ανάλυση, ο αντλητικός κύκλος µιας Ram χωρίζεται σε τέσσερις κύριες περιόδους, µε βάση τη θέση της βαλβίδας αποβλήτων και τον µέσο όρο χρόνου- ταχύτητας στον αγωγό κίνησης. Η βαλβίδα αποβλήτων είναι ανοιχτή και το νερό αρχίζει να ρέει από την πηγή και να διαφεύγει µέσω της βαλβίδας αποβλήτων. Η ροή επιταχύνει υπό την επίδραση της παροχής, µέχρι ταχύτητα. Η βαλβίδα αποβλήτων συνεχίζει να κλείνει και, τέλος, κλείνει πλήρως. Για έναν καλό σχεδιασµό µιας Ram, το κλείσιµο της βαλβίδας πρέπει είναι ταχύ ή ακαριαίο. Η βαλβίδα αποβλήτων είναι πλήρως κλειστή και παραµένει κλειστή. Το ξαφνικό κλείσιµο δηµιουργεί υψηλή πίεση στην αντλία και στη βαλβίδα ελέγχου που βρίσκεται πάνω από τη στατική πίεση παράδοσης. Η βαλβίδα ελέγχου αναγκάζεται να ανοίξει και η άντληση παίρνει µέρος έως ότου η ταχύτητα να γίνει µηδέν και η άντληση σταµατά, υπό την καθυστερηµένη επίδραση της πίεσης παράδοσης. Η βαλβίδα παράδοσης κλείνει. Η πίεση κοντά στη βαλβίδα ελέγχου είναι πολύ υψηλότερη 16

20 από τη στατική πίεση της προσφοράς και η ροή αντιστρέφεται προς την κατεύθυνση της προσφερόµενης πηγή. Η δράση αυτή ονοµάζεται ανάκρουση. Η δράση της ανάκρουση δηµιουργεί ένα κενό στην αντλία, αναγκάζοντας προσωρινά µια µικρή ποσότητα αέρα να απορροφηθεί στην αντλία µέσω της βαλβίδας αέρος. Η πίεση στην κάτω πλευρά της βαλβίδας αποβλήτων, µειώνεται και µαζί µε τη δράση του βάρους της, η βαλβίδα αποβλήτων ανοίγει αυτόµατα. Το νερό του σωλήνα κίνησης επιστρέφει στην στατική πίεση της προσφοράς, όπως και πριν αρχίσει τον επόµενο κύκλο. Η δράση αυτή επαναλαµβάνεται αυτόµατα µε συχνότητα από λίγους παλµούς έως σε περισσότερες από 300 παλµούς ανά λεπτό ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ Ο σχεδιασµός ενός συστήµατος υδραυλικού κριού γίνεται µε βάση την επιθυµητή παροχή και την υψοµετρική διαφορά. Η µαθηµατική σχέση για τον υπολογισµό της παροχής του νερού προς τη δεξαµενή αποθήκευσης (q σε λίτρα/δευτερόλεπτο) βασίζεται στην παροχή του νερού από την πηγή (Q σε λίτρα/δευτερόλεπτο), την κατακόρυφη πτώση από την πηγή µέχρι τον υδραυλικό κριό (F σε µέτρα) και την κατακόρυφη ανύψωση από τον υδραυλικό κριό µέχρι τη δεξαµενή αποθήκευσης (L σε µέτρα), και είναι: όπου, ε είναι η αποδοτικότητα του συστήµατος. Για παράδειγµα, έστω ότι ένας υδραυλικός κριός σχεδιάζεται να χρησιµοποιηθεί για την άντληση νερού από µία πηγή, µε µέση παροχή Q=20 λίτρα/δευτερόλεπτο, προς µία δεξαµενή η οποία βρίσκεται σε απόσταση 20 µέτρων από τον υδραυλικό κριό. Εάν η κατακόρυφη απόσταση από τον υδραυλικό κριό µέχρι την πηγή είναι 0,4 µέτρα και θεωρήσουµε την αποδοτικότητα του συστήµατος ίση µε 0,6, τότε η παροχή του νερού που καταλήγει στη δεξαµενή είναι: 0,24 λίτρα/δευτερόλεπτο ή 20,74 κυβ. µέτρα/ηµέρα δηλαδή ποσότητα νερού δεκαπλάσια από αυτή που χρειάζεται για την κάλυψη των υδρευτικών αναγκών µίας κατοικίας. 17

21 Ανύψωση νερού µε υδραυλικό κριό. Στο παραπάνω διάγραµµα, σχεδιάσθηκε η παροχή q και οι υπόλοιπες παράµετροι του συστήµατος. Ο υδραυλικός κριός µπορεί να λειτουργήσει αποτελεσµατικά χωρίς συντήρηση, και χωρίς καύσιµο, έως και µερικές δεκαετίες. Αξίζει να σηµειωθεί, ωστόσο, ότι κατά την εγκατάσταση πρέπει να ληφθεί µέριµνα για την δηµιουργία µιας σταθερής κατασκευής από µπετόν, καθώς τα αλλεπάλληλα «χτυπήµατα» από τα επαναλαµβανόµενα πλήγµατα κριού δηµιουργούν ένα σηµαντικό φορτίο κρούσης, το οποίο µπορεί να δηµιουργήσει προβλήµατα στις συνδέσεις των σωληνώσεων. Η διαστασιολόγηση των σωληνώσεων εξαρτάται, τόσο από το µήκος τους, όσο και από την παροχή που µεταφέρεται από την πηγή και γίνεται µε τέτοιο τρόπο ώστε οι απώλειες κατά τη µεταφορά του νερού να µην είναι πολύ µεγάλες, µε κίνδυνο το νερό να µην φθάσει ποτέ στον προορισµό του. Ωστόσο θα µπορούσε ενδεικτικά να αναφερθεί ότι µία συνήθης διάµετρος των σωληνώσεων από τον υδραυλικό κριό µέχρι τη δεξαµενή αποθήκευσης είναι η µισή σε σχέση µε τη διάµετρο από την πηγή µέχρι τον υδραυλικό κριό. Εάν απαιτείται, µπορούν να τοποθετηθούν περισσότεροι του ενός υδραυλικοί κριοί, τοποθετηµένοι σε σειρά, για την αύξηση της δυναµικότητας του συστήµατος. 18

22 Ενδεικτικές τιµές παροχής q ενός συστήµατος υδραυλικού κριού για διάφορες τιµές της παροχής από την πηγή (Q) και των λόγων των αποστάσεων (L / F) για αποδοτικότητα ε = 0,6. 19

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ ΣΧΕ ΙΑΖΟΝΤΑΣ ΜΙΑ ΑΝΤΛΙΑ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΥ ΚΡΙΟΥ 3.1. ΜΕΘΟ ΟΣ ΣΧΕ ΙΑΣΗΣ ΜΙΑΣ ΑΝΤΛΙΑΣ ΤΥΠΟΥ RAM ΣΚΕΨΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟ ΕΝΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΑΝΤΛΙΑ RAM Οι ακόλουθοι παράγοντες πρέπει να παρθούν υπόψη για τον σχεδιασµό ενός συστήµατος Ram. Καταλληλότητα της περιοχής Ροή νερού και ανάγκη µιας πηγής Εξέταση περιοχής για πληµµύρες Σχεδιασµός συστήµατος Τοποθέτηση αντλίας ροµολόγηση αγωγόυ παράδοσης Σύστηµα διανοµής ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΕΣ ΕΚΤΙΜΗΣΕΙΣ Πρέπει να γίνει µια επιλογή ανάµεσα στη χύτευση και τις µεθόδους συγκόλλησης της κατασκευής Χυτές αντλίες ram είναι λιγότερο ευαίσθητες στη διάβρωση και έχουν µεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Από την άλλη πλευρά, χυτές αντλίες ram είναι δαπανηρές και δεν µπορούν, να κατασκευαστούν σε ένα απλό αγροτικό εργαστήριο. Συνήθως, για τις χαµηλές και µεσαίου µεγέθους αντλίες ram προτιµάται η µέθοδος της κατασκευής µε συγκόλληση λόγω της απλότητας και του µικρότερου κόστους ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΖΩΗΣ, ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΣΚΕΥΗΣ Τα κρίσιµα σηµεία που απαιτούν συχνή συντήρηση είναι οι κοχλίες και τα παξιµάδια. Ως εκ τούτου συνήθως προτιµούνται ανοξείδωτες βίδες και παξιµάδια παρόλο το υψηλό κόστος και την δυσκολία εύρεσης αυτών ΓΕΝΙΚΕΣ ΕΚΤΙΜΗΣΕΙΣ Το σχήµα της αντλίας έχει µικρή επιρροή στην λειτουργία της. Ο σωστός σχεδιασµός των βαλβίδων έχει σηµαντική επίπτωση στην συνολική λειτουργία µιας αντλίας τύπου Ram. Ως εκ τούτου χρειάζεται συγκεκριµένη εκτίµηση στον καθορισµό του πάχους του σώµατος της αντλίας και του θαλάµου αέρος. 20

24 3.2. ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΥΞΗΣΗ ΤΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΜΙΑΣ ΑΝΤΛΙΑΣ RAM Όπως αναφέρθηκε µια αντλία τύπου Ram χρησιµοποιεί την ξαφνική διακοπή της ροής σε έναν αγωγό δηµιουργώντας ένα υψηλής πίεσης κύµα. Εάν η ροή του σε έναν ανελαστικό σωλήνα σταµατήσει στιγµιαία, η θεωρητική αύξηση της πίεσης που µπορεί να αποκτηθεί δίνεται από την εξίσωση: (1) Όπου: DH = η µεταβολή της πίεσης V =είναι η ταχύτητα του υγρού µέσα στον αγωγό (m/s) C =είναι η ταχύτητα του ακουστικού κύµατος της ροής (m/s) g =είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας = 9,81 m/ Σύµφωνα µε τους David και Edward η ταχύτητα του ακουστικού κύµατος της ροής δίνεται από την εξίσωση : (2) Όπου: = είναι το µεγαλύτερο µέτρο ελαστικότητας, που εκφράζει την συµπιεστότητα του ρευστού. Είναι ο λόγος της µεταβολής της πίεσης µε την αντίστοιχη µεταβολή του όγκου ανά µονάδα όγκο. Για το νερό, µια τυπική τιµή του Εν είναι 2, N/, και έτσι η ταχύτητα του κύµατος πίεσης στο νερό είναι C = 1.440m / s. ρ = είναι η πυκνότητα του νερού (kg/ ) Η εξίσωση (1) αντιπροσωπεύει τη µέγιστη δυνατή αύξηση. Η πραγµατική αύξηση θα είναι χαµηλότερη από αυτήν που δίνεται στην εξίσωση αυτή, δεδοµένου ότι όλες οι σωληνώσεις έχουν κάποια ελαστικότητα και είναι αδύνατο να γίνει στιγµιαία διακοπή της ροής σε ένα σωλήνα. 21

25 Λόγω του υψοµετρικού (Η) το νερό επιταχύνει µέσα στον αγωγό κίνησης και διαφεύγει µέσω την βαλβίδας αποβλήτων. Αυτή η επιτάχυνση δίνεται από την εξίσωση: (3) Όπου: Η = το µανοµετρικό ύψος (m) f (L/D) /(2 g) = είναι το απώλεια του ύψους στον αγωγό (m) f = ο συντελεστής τριβής Σ(K /(2 g)) = το άθροισµα των τοπικών απωλειών Κ = είναι ο συντελεστής απωλειών για τη συστολή ή τη διεύρυνση L = το µήκος του αγωγού κίνησης (m) D = η διάµετρος του αγωγού κίνησης (m) V = η ταχύτητα της ροής στον αγωγό (m/s) t = ο χρόνος (s) Οι τιµές των Κ και f µπορεί να βρεθούν από οποιοδήποτε βιβλίο της µηχανικής των ρευστών. Τελικά, η ροή αυξάνεται έως ότου αρχίσει να κλείνει η βαλβίδα αποβλήτων. Αυτό συµβαίνει όταν η δύναµη που οφείλεται στην πίεση του νερού γίνει ίση µε το βάρος της βαλβίδας αποβλήτων. Η µεταφερόµενη δύναµη δίνεται από τη εξίσωση: (4) Όπου: = αντίσταση ρευστού στην βαλβίδα αποβλήτων (Ν) = είναι η διατοµή της βαλβίδας αποβλήτων [ ] = η πυκνότητα του νερού = 1000kg/ = είναι ο συντελεστής οπισθέλκουσας της βαλβίδας αποβλήτων Ο συντελεστής οπισθέλκουσας Cd εξαρτάται από τον αριθµό Reynolds της ροής και το σχήµα του αντικείµενου. Για κυκλικούς δίσκους, =1,12. Εφαρµόζοντας το θεώρηµα του Bernoulli για σηµεία στην είσοδο και έξοδο παίρνουµε την εξίσωση: 22

26 (5) Όπου: = είναι η πίεση σε σηµείο 0 (είσοδος) ίση µε µηδέν (ατµοσφαιρική)[n/ ] = είναι η πίεση στο σηµείο 3 [N/ ](έξοδος) = είναι η ταχύτητα του ρευστού στο σηµείο 0 (είσοδος) ισούται µε µηδέν [m/s] = είναι το ύψος του σηµείου 0 (είσοδος) = h [m] = είναι η ταχύτητα του ρευστού στο σηµείο 3 (έξοδος), ίσο µε το µηδέν [m/s](τη στιγµή της ροής ξαφνικής και πλήρους διακοπής. = είναι το ύψος του σηµείου 3 (έξοδος), ίσο µε το µηδέν (δεδοµένο)[m] = είναι οι απώλειες (m) Με τις παραπάνω υποδείξεις, η εξίσωση (5) δίνει την εξίσωση (6). (6) Η δύναµη που επιταχύνει το ρευστό µπορεί να γραφεί, µε τη βοήθεια της εξίσωσης του Νεύτωνα, εξίσωση (7) (7) Όπου: F = η επιταχύνουσα δύναµη (Ν) m = η επιταχυνόµενη µάζα (kg) a = η επιτάχυνση της µάζας (m/s ) A = η διατοµή του αγωγού κίνησης ( ) L = το µήκος του αγωγού κίνησης (m) 23

27 3.3. ΑΠΟΦΥΓΗ ΠΛΗΜΜΥΡΑΣ Ένα σηµαντικό στοιχείο στην όλη µελέτη είναι πώς αλλάζει η ροή του νερού (υδατορεύµατα) κατά την διάρκεια µιας πληµµύρας. Αν και κατά την διάρκεια της άνοιξης το σύστηµα είναι λιγότερο ευπαθές σε υπερβολικές πληµµύρες, είναι όµως σηµαντικό να ερευνήσουµε και να γνωρίζουµε τα πιθανά προβλήµατα που θα δηµιουργηθούν στην διάρκεια µιας πληµµύρας την εποχή της άνοιξης. Σε καιρούς πολύς βαριάς βροχόπτωσης, τα υδατορεύµατα µπορούν να φουσκώσουν πολλές φορές κατά τη ροή τους ακόµα και σε πολύ µικρό χρονικό διάστηµα. Σχεδιάζοντας το σύστηµα σωληνώσεων πρέπει να πάρουµε υπόψη τις χειρότερες καιρικές συνθήκες, ακόµα και αν αυτές κρατούν µόνο λίγες ώρες το χρόνο. Σηµαντική πηγή πληροφοριών για αυτές τις συνθήκες είναι οι τοπικοί κάτοικοι οι οποίοι δίνουν πληροφορίες σχετικά µε το πόσο ψηλά φτάνει το νερό κατά τη διάρκεια µιας πληµµύρας. Παρόλα αυτά πρέπει να κρατήσουµε το όλο σύστηµα πάνω από το µέγιστο επίπεδο του νερού για να αποφύγουµε ανεπιθύµητες καταστροφές ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΥ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ Το υδραυλικό πλήγµα απασχολεί ήδη τους µηχανικούς µελετητές υδραυλικών εγκαταστάσεων παγκοσµίως και έχουν ήδη γίνει κάποιες κινήσεις για την καθιέρωση αντιπληγµατικών εξαρτηµάτων στις µελέτες ύδρευσης δικτύων και σε οικιακές εφαρµογές. Ο κανονισµός PDI 201 του Ινστιτούτου Υδραυλικών και Αποχέτευσης Αµερικής ο οποίος είναι αποδεκτός από την ιεθνή Ένωση Μηχανικών, καθορίζει ότι σε δίκτυα ύδρευσης στα οποία η πληγµατική πίεση ξεπερνά τα 10bar πρέπει να αντιµετωπίζεται µε τα απαραίτητα 4 24

28 αντιπληγµατικά εξαρτήµατα. H SIOUX CHIEF INC. Αµερικής, µε µεγάλη τεχνογνωσία και ειδίκευση στην καταπολέµηση του υδραυλικού πλήγµατος κατασκευάζει και διαθέτει στην παγκόσµια αγορά µια πλήρη σειρά αξιόπιστων αντιπληγµατικών εξαρτηµάτων γνωστά ως RESTER. Με την εγκατάσταση ενός κατάλληλου µεγέθους αντιπληγµατικού εξαρτήµατος RESTER στην κατάλληλη θέση της υδραυλικής εγκατάστασης, το δίκτυο προστατεύεται ισοβίως απο το υδραυλικό πλήγµα ΤΟΜΗ RESTER Το RESTER, είναι ένας ειδικά σχεδιασµένος χάλκινος σωληνοθάλαµος ο οποίος περιέχει ένα στρώµα αέρα και ένα απόλυτα στεγανό διπλό έµβολο που διαχωρίζει πλήρως το στρώµα αυτό από το νερό. Το RESTER εκµεταλλεύεται πλήρως το γεγονός ότι ο αέρας είναι συµπιεστό ρευστό και απορροφά την ενέργεια του υδραυλικού πλήγµατος, καθώς το έµβολο υποχωρεί προς την κορυφή του αεριοθάλαµου, συµπιέζει τον αέρα και δεν επιτρέπει να αναπτυχθούν µεγάλες στατικές πιέσεις στα τοιχώµατα των σωληνώσεων. Η ενέργεια του υδραυλικού πλήγµατος που απορροφάται από την κίνηση του εµβόλου και τη συµπίεση προκάλει συµπίεση του αέρα του αεριοθαλάµου και είναι αυτή που επαναφέρει το έµβολο στην αρχική του θέση και ο αεριοθάλαµος αποσυµπιέζεται. 4 25

29 Έτσι, µε την απορρόφηση του υδραυλικού πλήγµατος προστατεύονται οι σωληνώσεις του δικτύου και οι συσκευές που είναι συνδεδεµένες σε αυτό. Τη δράση του RESTER, µπορούµε να παρακολουθήσουµε στα παρακάτω σχήµατα: (Εικόνες, 1, 2, 3) Τα RESTER µπορούν να λειτουργήσουν σε θερµοκρασίες έως και 121 C και είναι δοκιµασµένα σε πίεση αντοχής 207bar. Είναι ειδικά σχεδιασµένα για να αντιµετωπίζουν υδραυλικά πλήγµατα άνω των 10 bar (ενεργοποιείται η λειτουργία τους όταν παρουσιάζεται πληγµατική πίεση στο δίκτυο άνω των 10 bar) και είναι δοκιµασµένα για πίεση ασφαλούς λειτουργίας έως και 25bar. Υπάρχουν τρεις κατηγορίες αντιπληγµατικών εξαρτηµάτων RESTER που κατασκευάζει η SIOUX CHIEF. Το MINI RESTER το οποίο διαθέτει σπείρωµα ½ και έχει µικρό όγκο αεριοθαλάµου. Είναι σχεδιασµένο για να τοποθετείται ένα πριν από κάθε διακόπτη (γραµµής ζεστού και κρύου νερού). Το HYDRA RESTER κατασκευάζεται σε 6 διαφορετικά τυποποιηµένα µεγέθη αεριοθαλάµων και µπορεί να εξυπηρετήσει περισσότερους υδραυλικούς υποδοχείς σε µία γραµµή ζεστού ή κρύου νερού ανάλογα µε τον όγκο αεριοθαλάµου του. Το MEGA RESTER το οποίο απευθύνεται κυρίως σε εµπορικές και βιοµηχανικές εφαρµογές δηλαδή σε µεγάλα υδραυλικά συστήµατα µε όγκους αεριοθαλάµου που ξεκινάνε από 100 in³ έως και 400 in³ και σπειρώµατα από 2 έως

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΟ ΣΗΜΕΡΑ 4.1. Υ ΡΑΥΛΙΚΟΙ ΚΡΙΟΙ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α Σήµερα στην Ελλάδα µας υπάρχουν τουλάχιστον δύο υδραυλικοί κριοί. Ο ένας µε κανονική λειτουργία στην Ιερά Μονή Ξενοφώντος στο Άγιο Όρος και ο άλλος πειραµατικός, εγκατεστηµένος από το 1988 στο Εργαστήριο Ήπιων Μορφών Ενέργειας του ΤΕΙ Πειραιά, κατασκευασµένος από σπουδαστές του τµήµατος µηχανολογίας στα πλαίσια της πτυχιακής τους εργασίας Ο δεύτερος είναι κατασκευασµένος από κοινά υλικά του εµπορίου και άρα πολύ φθηνός (µε σηµερινές τιµές το κόστος υπολογίζεται στα 200 ευρώ) και αντλεί το 1/3 της ποσότητας του νερού τροφοδοσίας σε ύψος 15 µέτρων (δέχεται 30 λίτρα το λεπτό και αποδίδει τα 9) ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΩΝ Υ ΡΑΥΛΙΚΩΝ ΚΡΙΩΝ Ο υδραυλικός κριός λειτουργεί µε την κινητική ενέργεια που έχει το νερό ενός ποταµού και χρησιµοποιείται µέσα στον ποταµό. Η κινητική, λοιπόν, ενέργεια του νερού του ποταµού που τρέχει όλο το χρόνο είναι αέναη. Είναι µια ενέργεια η οποία είναι ανώτερη και από αυτή του αέρα γιατί δεν έχει µεταβολές, δε σταµατάει µε την άπνοια του αέρα ή ακόµα και από τον ήλιο, καθώς ο ήλιος είναι µόνο την ηµέρα και εξαρτάται και από τη συννεφιά αλλά και άλλους παράγοντες. Πρόκειται για µία χρυσή πηγή ενέργειας, καθώς δεν χρησιµοποιείται µόνο για ανύψωση νερού µε σκοπό την ικανοποίηση αναγκών άρδευσης ή ύδρευσης, αλλά µπορει να το αποθηκευτεί µέχρι 120 µέτρα υψοµετρικό. Έπειτα το αποθηκευµένο νερό επαναφέρεται στον ποταµό χρησιµοποιώντας µία νεροτουρµπίνα, και µε αυτό τον τρόπο αξιοποιείται η προαναφερόµενη αποθηκευµένη ποσότητα νερού για την παραγωγή ρεύµατος. Στην περίπτωση των υδραυλικών κριών, που δεν έχουν καθόλου έξοδα λειτουργίας και συντήρησης (δεν ξοδεύουνε καύσιµα ή ρεύµα), είναι πάρα πολύ απλές µηχανές και αεικίνητες και µπορούν να λειτουργήσουν για 20 συνεχόµενα χρόνια χωρίς καµία συντήρηση ή επισκευή. Τέτοιες µηχανές καλό είναι να αξιοποιούνται από το κράτος. Οσον αφορά το σωλήνα παροχής νερού του υδραυλικού κριού είναι ανάλογος της ποσότητας του νερού που ανυψώνεται. Οσον αφορά τη διατοµή όπως και το µήκος του σωλήνα είναι και αυτά ανάλογα της πίεσης που χρειάζεται να αναπτύξει ο υδραυλικός κριός. Συστοιχίες υδραυλικών κριών µπορούν σε κάθε περίπτωση να χρησιµοποιηθούν για µεγαλύτερες ποσότητες αξιοποιήσιµου νερού. 4 27

31 Συµπεράσµατα - Προτάσεις Ήδη πολλές πόλεις στον κόσµο, έστω και πειραµατικά, µπορούν και καλύπτουν τις ενεργειακές τους ανάγκες µέσω φωτοβολταïκών και ανεµογεννητριών. Οι κατασκευές υδραυλικών κριών µπορεί να έχουν κάποιο αυξηµένο κόστος παραγωγής και εγκατάστασης, µπορούν όµως να παράξουν µεγάλες ποσότητες ηλεκτρικού ρεύµατος, χωρίς την κατανάλωση οποιουδήποτε µη-ανανεώσιµου φυσικού πόρου. Θα πρέπει τα κράτη ανά τον κόσµο να προσλάβουν ειδικούς και να εγκαταστήσουν διάφορα τέτοια συστήµατα παραγωγής ενέργειας ανάλογα µε το κλίµα και την µορφολογία των διάφορων χωρών. Για παράδειγµα, έχοντας η Ελλάδα Μεσογειακό κλίµα, µε σταθερούς άνεµους στα νησιά και έντονη ηλιοφάνεια, µερικές φορές υπαρκτή ακόµα και τον χειµώνα, θα µπορούσε εύκολα να βασίσει τις ενεργειακές της ανάγκες στη χρήση φωτοβολταïκών και ανεµογεννητριών. Παράδειγµα προς µίµηση µπορεί να αποτελέσει η Αγγλία για το περίφηµο αιολικό πάρκο «London Array» ικανό να παράξει τεράστια ποσά ενέργειας και να καλύψει τις αυξηµένες ανάγκες της χώρας αυτής. Συνεπώς, η παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιµους πόρους σίγουρα τα επόµενα χρόνια θα αποτελέσει επένδυση για πολλές επιχειρήσεις. Αισίως, µπορεί οι µελλοντικές κοινωνίες να γίνουν πιο φιλικές προς το περιβάλλον. Παράλληλα µπορεί να µας εισάγουν σε ένα κόσµο, όπου οι άνθρωποι δεν θα βλάπτουµε την φύση σε τέτοιο βαθµό, και να σταµατήσει η ραγδαία καταστροφή της από τους ρύπους που προκαλούν οι µηχανές µας και τη µόλυνση που προκαλούµε στα οικοσυστήµατα

32 4 ΕΠΙΛΟΓΟΣ Υ ΡΑΥΛΙΚΟΣ ΚΡΙΟΣ. ΜΙΑ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΤΛΙΑ ΧΩΡΙΣ ΚΑΥΣΙΜΟ. Εν κατακλείδι, µετά την ολοκλήρωση της µελέτης µια αντλίας κριού (Ram pump) σε θεωρητικό αλλά και σε πρακτικό επίπεδο διαµορφώθηκε µια εικόνα για την λειτουργικότητα αλλά και για τον τρόπο χρήσης της αντλίας. Συµπερασµατικά, η αντλία Ram βρίσκει εφαρµογή σε συγκεκριµένες τοποθεσίες και χρειάζονται κάποιες προϋποθέσεις που πρέπει να ληφθούν, όπως η µορφολογία του εδάφους και η ροή των υδατορευµάτων κατά την διάρκεια µιας πληµµύρας, για να είναι λειτουργική και αποτελεσµατική στην χρήση της. Η µη χρήση καµίας πηγής ενέργειας παρά µόνο η µόνιµη και σταθερή πτώση του νερού σε αυτήν, την κάνει οικονοµική και οικολογική στην χρήση της εξασφαλίζοντας της παράλληλα και χαµηλό κόστος για την συντήρηση της. Ακόµα οι πολλές δυνατότητες της στις αγροτικές περιοχές όπου υπάρχει έλλειψη σε ηλεκτρικό ρεύµα ή ακόµα αν είναι οικονοµικά δυσπρόσιτο, της δίνει µεγάλο εύρος χρήσης. Από την άλλη πλευρά υπάρχουν και κάποιοι περιορισµοί στην χρήση της που πρέπει να υπολογιστούν σε περίπτωση επιλογής της. Αυτοί είναι ο περιορισµός της σε λοφώδεις περιοχές µε ετήσια κυκλοφορία νερού, η άντληση µόνο ενός µικρού µέρους της διαθέσιµης ροής οπότε χρειάζονται µεγάλα αποθέµατα ροής και µπορεί να έχει υψηλό κόστος κεφαλαίου σε σχέση µε άλλες τεχνολογίες. 29

33 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Jeffery, TD «Υδραυλικές αντλίες Ram - Ένας οδηγός για την Προµήθεια Ram Αντλίες Νερού Σύστηµα», Μέσο Τεχνολογία Εκδόσεις, «Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας για την υδροδότηση αγροτικών περιοχών στις αναπτυσσόµενες χώρες» Hofkes και Visscher - ιεθνές Κέντρο Αναφοράς για την Ύδρευση και αποχέτευση της Κοινότητας, στη Χάγη, Κάτω Χώρες «Μηχανική Ρευστών και υδραυλικά µηχανήµατα» από RKBansal, Laxmi δηµοσίευση Pvt Ltd Κυριακάκης Κ. (2016). Υδραυλικός Κριός... Μια οικολογική αντλία νερού χωρίς καύσιµο, idraulikos-kriosmia- oikologiki-antlia-nerou-xwris-kausimo Μαχαίρας Α. (2007). Υδραυλικό πλήγµα: Ο αδυσώπητος εχθρός των δικτύων ύδρευσης : &catid=7:-&itemid=65 Παπακώστα Κ., χχ, Πλήγµα Κριού-Ανάλυση, osta%20chapte r%201.pdf ΙΣΤΟΤΟΠΟΣ ΦΤΙΑΧΝΩ Υ ΡΑΥΛΙΚΉ ΑΝΤΛΊΑ ΝΕΡΟΎ (ΧΩΡΊΣ ΜΗΧΑΝΉ) Ή RAM PUMP, PUMP.HTML