Накопитель-дозатор жидкости | Perpetuum mobile: «свободная энергия» и вечные двигатели.

Не так уж редко возникает необходимость накопить определённое количество жидкости и потом разом использовать её. При этом довольно слабый непрерывный поток превращается в периодические сбросы относительно большого объёма жидкости. Может показаться, что для этого требуется сложный прибор, содержащий большое количество хитрых деталек — клапанов, поплавков, тяг и т.д., а то и компьютерное управление. Конечно, в каких-то случаях, скажем для высокоточного дозирования, без этого не обойтись. Однако зачастую бывает вполне достаточно простейшего устройства, которое можно собрать за несколько минут. Для дозы в несколько литров вполне подойдёт пустая канистра, любой достаточно прочный стержень для оси (палка, кусок трубы, арматура и т.п.), крепёж (несколько полосок металла и болтов с гайками), а также подходящий груз — камень или какая-нибудь железяка. И ни одного клапана, ни одного поплавка, ни одной тяги! Впрочем, и в этом элементарном устройстве есть свои хитрости.

Конструкция накопителя-дозатора

Принцип работы

Конструкция установки очень проста и представляет собой асимметрично установленный на качающейся оси резервуар с упорами, на котором в определённом месте жёстко закреплён противовес. Этот резервуар имеет два отверстия в противоположных углах — вверху заливное, внизу-сбоку сливное.

Конструкция накопителя-дозатора жидкости. Слева стадия накопления (тонкой голубой линией показан максимально возможный уровень), справа стадия слива.
1 — резервуар (канистра), 2 — поступление жидкости, 3 — заливное отверстие, 4 — сливное отверстие, 5 — упор-ограничитель для резервуара на стадии слива, 6 — ось качания, 7 — упор-ограничитель для резервуара на стадии наполнения, 8 — груз-противовес.

Ось установлена асимметрично таким образом, что расстояние до сливного отверстия существенно больше, чем до противоположной стенки резервуара. В результате сначала жидкость сосредоточена в дальней от слива части резервуара, но по мере заполнения она приближается к сливному отверстию и в конце концов опрокидывающие моменты с обеих сторон оси становятся равными, а затем момент со стороны слива становится больше, резервуар опрокидывается и опорожняется. После этого под действием противовеса он снова возвращается в исходное положение и начинается следующий рабочий цикл.

Конфигурация резервуара, расположение оси и противовес выбираются таким образом, чтобы, с одной стороны, при накоплении опрокидывающий момент возник прежде, чем уровень жидкости внутри резервуара достигнет нижнего края сливного отверстия, а с другой стороны, груз должен возвращать пустой резервуар в положение накопления. Нарушение первого условия приведёт к тому, что резервуар никогда не опрокинется, а «лишняя» жидкость просто будет вытекать из сливного отверстия такой же струйкой, какой она поступает в заливное. Нарушение второго условия приведёт к тому, что устройство каждый раз надо будет «заряжать» вручную. Впрочем, бывают ситуации, когда нужен именно такой «однократный» режим работы.

Если подать наполняющую струю таким образом, чтобы она попадала внутрь ёмкости только на стадии наполнения, а на стадии слива проходила мимо, то можно получить достаточно точную дозировку жидкости, практически не зависящую от силы наполняющей струи (из рисунка видно, что для этого струю надо сместить как можно дальше от слива, а заливное отверстие можно уменьшить).

Следует заметить, что опрокидывание резервуара для слива сопровождается энергичным перемещением всей жидкости к сливному отверстию, а это вызывает гидравлический удар (обычно весьма умеренный) и способствует более быстрому и эффективному опорожнению накопительной ёмкости.

Размещение противовеса

При выборе места крепления груза следует исходить из двух условий. Во-первых, при любом рабочем положении резервуара груз должен быть выше оси качания так, чтобы резервуар всегда находился в неустойчивом состоянии и при сливе гарантировано не мог остановиться в промежуточном равновесном положении. Во-вторых, груз всегда должен оставаться с одной и той же стороны от оси качания, иначе после слива он в принципе не сможет вернуть резервуар обратно.

Правильно размещённый груз обладает «триггерным» эффектом — проекция его плеча на горизонталь, определяющая его отклоняющее воздействие на резервуар, всегда меняется таким образом, что усиливает начавшееся движение резервуара — как опрокидывание, так и возврат в режим наполнения. Чтобы дополнительно увеличить этот эффект, а заодно и снизить массу груза, можно разместить его на выносе-рычаге, установленном вертикально или под небольшим наклоном в сторону, противоположную сливу.

Противовес можно сделать из куска дерева или кирпича. Однако эти материалы обладают высокой пористостью и способны впитывать в себя достаточно большое количество воды. Поэтому если они будут периодически намокать (из-за дождя или разбрызгивания заливной струи) и высыхать (на солнышке и ветерке), их вес будет меняться весьма заметно. А это может привести к тому, что в какой-то момент не только существенно изменится объём дозы, но вообще устройство станет временно неработоспособным — пока влажность такого противовеса вновь не приблизится к тем значениям, с которыми настраивался дозатор. Противовес из невпитывающих влагу материалов (плотный камень типа гранита, металл и т.п.) не сможет преподнести подобный неприятный «сюрприз». Решить проблему может и специальный кожух, защищающий противовес от случайных брызг.

Увеличение использования объёма при накоплении

При использовании прямоугольных резервуаров и канистр в соответствии с первым рисунком максимальный накапливаемый объём составляет примерно 1/3 от внутреннего объёма канистры. Однако при смещении оси к стороне, противоположной сливу, можно увеличить угол наклона на стадии накопления и приблизить заполнение резервуара к 100%. Но при этом необходимо увеличивать вынос противовеса, а при сливе недопустим сколько-нибудь заметный отрицательный уклон, иначе центр тяжести груза слишком приблизится к оси качания или даже пересечёт её, и тогда противовес не сможет вернуть резервуар в режим наполнения. К тому же амплитуда качания резервуара значительно возрастает, поэтому следует подумать об эффективной амортизации ударов резервуара при сливе и возврате обратно. Если резервуар лёгкий и не очень прочный, а груз достаточно тяжёлый, при возврате в положение наполнения следует амортизировать противовес, а не сам резервуар.

Максимальное использование объёма резервуара в режиме наполнения с заливкой через сливное отверстие.
Жёлтыми крестиками отмечены ось качания и центр тяжести противовеса, серыми линиями — вертикальная и горизонтальная проекции оси качания.

Обратите внимание на трубку в верхней части резервуара напротив сливного отверстия. Она необходима для поступления воздуха внутрь во время слива, в противном случае сливная струя будет сильно «булькать», что существенно замедляет опорожнение резервуара и вызывает разбрызгивание, а если сливное отверстие невелико или к нему присоединён длинный шланг, то возникшее внутри резервуара разрежение может вообще практически заблокировать слив. Диаметр трубки должен быть достаточным, чтобы поступающий по ней воздух обеспечил плавное истечение сливной струи. Можно обойтись просто отверстием без трубки, — в том месте, где находится её открытый конец, однако тогда при гидроударе в начале слива в это отверстие бесполезно выплеснется некоторое количество жидкости. Использование трубки предотвращает эти потери. В варианте, показанном на первом рисунке, воздух при сливе поступает через заливное отверстие, и такая трубка там не нужна.

Кажется, что можно поднять ось качания ещё намного выше, придав резервуару во время наполнения вертикальное положение и полностью использовать его объём. Однако это не так, потому что в таком случае центр тяжести груза окажется ниже оси качания, и наклон для слива будет происходить не резко, а плавно, с высокой вероятностью «застревания» в промежуточном положении. Следует заметить, что геометрически невозможно фиксированно разместить груз так, чтобы он был выше центра оси качания при вертикальном заполнении резервуара и в то же время не пересекал эту ось при сливе в горизонтальном положении.

Увеличение угла поворота резервуара увеличивает использование его внутреннего объёма, но, к сожалению, делает невозможным постоянное попадание заполняющей струи внутрь накопителя, — во время слива она неизбежно будет течь мимо заливного отверстия. Впрочем, во многих случаях это не критично — ведь слив происходит быстро и такие потери невелики. Кроме того, совсем необязательно заливать жидкость свободной струёй — можно использовать для этих целей гибкий шланг, постоянно подключённый к накопительной ёмкости.

Минимизация перепадов уровня

Не всегда имеется возможность заполнять резервуар сверху свободной струёй. Иногда на счету каждый сантиметр напора. В таком случае следует выбрать небольшой угол качания, смирившись с тем, что объём одной дозы составит лишь 20-30% от внутреннего объёма резервуара (при его прямоугольной форме), а то и меньше — чем меньше угол качания, тем меньше перепад уровней, но тем менее эффективно используется объём резервуара.

Подачу жидкости в резервуар в этом случае надо осуществлять не сверху, а сбоку или снизу по гибкому шлангу. Шланг должен быть достаточно гибким, чтобы не оказывать существенного влияния на рабочее движение резервуара, при этом следует предусмотреть петлю, компенсирующую изменение его длины при наклоне ёмкости. Ввод шланга в резервуар вблизи оси качания (или подача жидкости непосредственно по полой оси) позволит свести перемещения шланга к минимуму и избежать его износа в течение длительного времени.

Обеспечение минимальной потери напора (уровня свободно текущей жидкости).
1 — резервуар, 2 — исходный уровень жидкости, 3 — гибкий заливочный шланг, 4 — сливное отверстие, 5 — упор-ограничитель для резервуара на стадии слива, 6 — ось качания, 7 — упор-ограничитель для резервуара на стадии наполнения, 8 — груз-противовес, 9 — положение резервуара при сливе.

Таким образом, потери перепада уровня между источником и сливом можно свести к минимуму — вплоть до пары сантиметров, а то и меньше. Однако это не значит, что слив будет происходить вяло — гидравлический удар, вызванный перемещением жидкости при наклоне резервуара, способен обеспечить заметное повышение давления и интенсивную струю из сливного отверстия в начале слива. В этом случае такое устройство можно будет считать разновидностью гидравлического тарана. Правда, как и в «классическом» гидротаране, поднять весь объём сливаемой жидкости выше исходного уровня вряд ли удастся...

Рекомендации по изготовлению накопителя-дозатора

Во многих случаях в качестве резервуара удобно использовать пластиковые 5- или 10-литровые канистры. Безусловно, необходимо учитывать, что именно находилось в них прежде. Для полива и прочих технических целей после тщательной промывки вполне подойдут канистры из-под тосола, бытовых пеномоющих средств и т.п. Естественно, для питьевой воды такой вариант не желателен. Канистры из-под технических масел, бензина, олифы и прочей «химии» следует использовать только для работы с теми же веществами, что находились в них изначально.

Регулировать дозу жидкости обычно удобнее всего с помощью изменения веса груза и его положения относительно оси качания. Прежде чем закрепить ось на канистре, необходимо выбрать её оптимальное расположение. Для этого необходимо установить противовес и заполнить канистру, установив её на заготовку оси, но не фиксируя жёстко, а придерживая руками. Затем, смещая линию качания вперёд-назад, надо добиться необходимого заполнения канистры перед началом опрокидывания. После этого следует отметить на корпусе канистры это положение оси и зафиксировать её с помощью крепежа. Положение оси следует выбирать для максимально возможной дозы.

При необходимости уменьшить дозу в большинстве случаев наиболее удобно заранее предусмотреть возможность уменьшения массы противовеса. Для этих целей в качестве противовеса хорошо подойдёт пластиковая банка или флакон с широким горлом, заполненные сухим песком. Широкое горло позволит легко удалить оттуда необходимое количество песка, а плотная крышка надёжно защитит песок от намокания даже при размещении дозатора под открытым небом. Использовать жидкость в качестве заполнения противовеса не стоит, так как при изменении положения дозатора она обязательно совершит хотя бы несколько колебаний, а это может повлиять на чёткость срабатывания дозатора и возврат его в исходное положение. Песок в гораздо меньшей степени подвержен подобным колебаниям, а заполнение свободного пространства внутри противовеса поролоном, тряпками или смятой бумагой практически гарантирует отсутствие нежелательного перемещения песка.