Общие сведения о гидротаране. История насоса

В 1775 году англичанин Джозеф Уайтхёст (J.Whitehurst) впервые опубликовал описание подобного насоса, изобретённого и построенного им тремя годами ранее (1772). Однако его конструкция не была полностью автоматической, поэтому в 1776 году её доработал и на следующий год получил патент на своё изобретение француз Монгольфье (J.Montgolfier — тот самый, что изобрёл воздушный шар). Затем в течение нескольких лет были получены ещё несколько патентов на аналогичные конструкции (M.Bulton — Англия, 1797; J.Cernay, S.Hallet — США, 1809). В 1834 году промышленное производство таких насосов начал американец Стрoубридж (H.Strawbridge).

Вплоть до самого конца XIX века расчёт подобных устройств основывался на эмпирических закономерностях, подходящих лишь для частных случаев. И только создание в 1897-1898 годах профессором Н.Е.Жуковским теории гидравлического удара позволило поставить расчёты на научную основу. Однако лишь в 1930 году профессором С.Д.Чистопольским в работе «Гидравлический таран» был наконец опубликован метод теоретического расчёта этих устройств, который до сих пор считается надёжным. Такое «отставание» теории объясняется тем, что при работе гидравлического тарана происходит несколько тесно связанных нестационарных процессов, которые нельзя просчитать методами математического анализа (интегралы, которые при этом необходимо взять, относятся к категории неберущихся — даже в случае простейшего расчёта заполнения трубы).

Общее описание устройства гидравлического тарана. Принцип работы

Работа гидротарана основана на использовании явления гидравлического удара — кратковременного резкого повышения давления при внезапной остановке потока жидкости в жёсткой трубе.

Принцип работы «гидравлического тарана» — насоса, использующего явление гидроудара. Слева фаза разгона потока, справа — фаза нагнетания (момент гидравлического удара).

1 — питающий резервуар (верхний уровень естественного потока);
2 — нагнетательная (ускорительная) труба;
3 — отбойный (ударный) клапан;
4 — напорный (нагнетательный) клапан;
5 — воздушный колпак;
6 — напорная (отводящая) труба.
H — высота подъёма воды относительно уровня слива;
h — уровень питающего резервуара относительно уровня слива.

Вот как описана работа этого устройства в энциклопедии: ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН, устройство, которое за счет гидравлического удара поднимает воду на высоту, значительно превышающую уровень источника. Вода от источника (1) самотеком подается по длинному напорному трубопроводу (2), идущему с небольшим понижением. Под действием нарастающего динамического напора воды закрывается отбойный клапан (3), расположенный на нижнем конце трубопровода, и вследствие инерции движущейся воды и ее несжимаемости давление здесь резко повышается. Кратковременного повышения давления достаточно для подъема небольшой части воды через напорный клапан (4) на высоту более 50 м. Затем отбойный клапан открывается, и все повторяется сначала.

Гидравлический таран действует только за счет импульса движущегося столба воды, без какого-либо двигателя. Применяется в сельском хозяйстве, для водоснабжения небольших строек и т.д.

В фазе разгона потока отбойный клапан в открытом состоянии обычно удерживается с помощью пружины, для закрытия напорного клапана при показанной на рисунке компоновке может вполне хватить разницы давлений и его собственного веса.

На рисунке показано чуть более сложное устройство — оно содержит воздушный колпак 5, играющий ту же роль, что и гидроаккумуляторные баки с резиновой мембраной в современных автономных водопроводных системах. Этот колпак накапливает воду под давлением и сглаживает пульсации потока нагнетаемой воды, хотя теоретически максимальная высота подъёма при этом несколько уменьшается, поскольку в отводящую трубу 6 уже поступает не резкий импульс от гидравлического удара, возникающий при закрытии клапана 3, а усреднённое давление, сглаженное «пневматическим амортизатором» — воздухом в колпаке 5. Однако чуть дальше мы увидим, что сглаживание пульсаций — лишь дополнительный «бонус» воздушного колпака. Главная его функция заключается в другом, и без такого узла подъём воды по более-менее длинному напорному каналу будет весьма затруднён.

Очевидно, что ни о какой «сверхъединичности» или дополнительной энергии речь здесь не идёт — значительная часть воды сливается через отбойный клапан в фазе разгона, пока поток наберёт нужную скорость. Энергии, которую эта вода получает при спуске от уровня питающего резервуара, с избытком хватает на поднятие нагнетаемой части воды по отводящей трубе. Тем не менее, этот насос позволяет весьма эффективно использовать перепад уровней даже в десяток сантиметров, вполне достаточный для разгона потока до заметной скорости, а расход воды при этом должен лишь обеспечить заполнение сечения нагнетательной трубы. Ни одно широко распространённое гидротехническое устройство (водяные колёса, а тем более турбины) не может использовать столь малые перепады уровня при столь малом расходе с такой эффективностью, как гидравлические тараны.

Плюсы и минусы.
Достоинства

Гидравлические тараны обладает несколькими важными достоинствами, которые в своё время и обеспечили их довольно широкое распространение.

Прежде всего, для их работы не нужно ни каких-либо двигателей, ни мускульных усилий. Будучи один раз установленным и запущенным, гидротаран может работать до пересыхания питающего потока (осушения питающего резервуара) или до механического износа деталей, которые в нём можно пересчитать по пальцам.

Во-вторых, для работы достаточно минимального перепада уровней, начиная с десятка-другого сантиметров, и относительно небольшого расхода воды (обычно от долей литра до нескольких литров в секунду).

В-третьих, несложные накопительные устройства в питающем резервуаре позволяют гидравлическому тарану работать и с ещё меньшим расходом воды, дожидаясь, пока она накопится в необходимом количестве и только тогда совершая рабочий цикл. Благодаря этому гидротараны могут максимально эффективно использовать энергию потока как при большом расходе воды (в паводок), так и при очень малом (в межень). И водяные колёса, и турбины предназначены для работы с непрерывным потоком и в таких условиях не смогут работать в принципе — энергии накопленной порции воды, достаточной для гидравлического тарана, им может не хватить даже для того, чтобы сдвинуться с места, а их микроварианты, рассчитанные на минимальный расход воды, будут выдавать такую же мизерную мощность и тогда, когда питающий поток вновь станет полноводным.

В-четвёртых, простота конструкции и минимум деталей обеспечивают выдающуюся надёжность и долговечность устройства — непрерывная работа без ремонта в течение 10 лет считалась вполне обычным делом.

В-пятых, классический гидравлический таран можно собрать буквально «на коленке», практически в любой сельской мастерской, где чинят трактора и плуги. При этом он прощает многие ошибки в расчётах и изготовлении — за них придётся заплатить меньшей эффективностью и долговечностью, но не полной потерей работоспособности, — насос всё же будет действовать. Единственное безусловное требование — это высокая прочность всех деталей.

Однако при всех своих положительных качествах гидравлический таран имеет и недостатки

Часть этих недостатков может быть компенсирована достаточно легко, но устранить другие не представляется возможным, поскольку, как это часто бывает, они являются прямым продолжением достоинств.

Во-первых, для обеспечения разгона потока после очередного открытия отбойного клапана за ним уже не должно быть воды, прошедшей туда в предыдущем цикле. Если она по какой-либо причине не уйдёт за время гидравлического удара, то она помешает разгону новой порции воды в нагнетательной трубе, которая не наберёт скорости, достаточной для закрытия отбойного клапана. В самом лучшем варианте поток будет набирать нужную скорость гораздо дольше, чем это произошло бы при отсутствии воды за отбойным клапаном — а это непроизводительные потери воды через отбойный клапан и снижение эффективности работы установки. Естественным путём вода может уйти только при наличии стока, поэтому слив нагнетательного трубопровода (точнее, место расположения отбойного клапана) не может находится ниже уровня сливного водоёма, иначе прошедшая вода не сможет освободить отбойный клапан.

Во-вторых, для разгона потока в нагнетательном трубопроводе до хорошей скорости (хотя бы метр в секунду) необходимо обеспечить перепад высот как минимум в несколько сантиметров на участке длиною в несколько метров.

По этим причинам гидравлические тараны не могут работать в водоёмах с постоянным уровнем поверхности, таких, как пруды и озёра, а также на равнинных участках рек, где на сотни метров, а то и на километры течения приходится разность уровней в сантиметр-другой.

В-третьих, существенная часть воды «теряется» через слив нагнетательной трубы. Причём «теряемый» объём обычно во много раз больше поднимаемого объёма. Конечно, эта вода «теряется» не напрасно, а делает своё дело — её энергия идёт на подъём другой части потока. Однако когда общее количество доступной воды невелико, эта «расточительность» может оказаться неприемлемой. В общем случае эффективность работы таких насосов определяется правильным выбором длины и объёма нагнетательной трубы, соотношения сечений отбойного и напорного клапанов и усилий, нужных для их открытия и закрытия, в зависимости от необходимой высоты подъёма и скорости потока в нагнетательном трубопроводе, то есть, в конечном счёте, рабочего перепада уровней и расхода воды. Поэтому в идеале каждый экземпляр такого насоса надо настраивать индивидуально под конкретные условия установки.

В-четвёртых, при использовании «классического» накопительного колпака 5 с воздухом, воздух может постепенно растворяться в нагнетаемой воде, чему способствует повышенное давление. Поэтому воздух необходимо периодически пополнять. Решить эту проблему поможет использование в качестве такого колпака мембранного гидроаккумуляторного бака, в последние годы ставшего неотъемлемой частью автономных водопроводных систем в коттеджах и на дачах. Другой способ решения этой проблемы — при близком расположении отбойного и напорного клапанов и сильных рабочих гидроударах с отрывом жидкости от отбойного клапана можно попытаться организовать автоматическую подкачку воздуха через эти клапаны, хотя при этом потребуется преодолеть ряд технических проблем.

Наконец, в-пятых, гидравлический таран имеет немалые размеры. Так, обычно считается, что оптимальная длина нагнетательной трубы 2 лежит в диапазоне от 10 до 14 и более метров. Это обусловлено тем, что масса движущейся, а затем останавливающейся воды должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить хорошую энергию рабочего гидроудара. Поскольку масса воды прямо пропорциональна её объёму, это накладывает неизбежные ограничения на минимальные размеры более-менее производительных конструкций. Да и длительность гидроудара тоже должна быть достаточной для того, чтобы напорный клапан 4 успел открыться и пропустить заметный объём воды, а это время тоже прямо пропорционально расстоянию от отбойного клапана 3 до питающего водоёма или резервуара 1. Впрочем, свернув нагнетательную трубу в спираль, можно в несколько раз уменьшить линейные размеры установки. Но вот вес, определяемый необходимой прочностью и жёсткостью конструкции, существенно уменьшить вряд ли удастся.

С другой стороны, производительность гидротарана ограничена его размерами. Слишком большие размеры гидравлического тарана также вызовут проблемы, поскольку все элементы конструкции в зоне рабочего гидроудара должны обладать не только достаточной прочностью, но и максимальной жёсткостью. По мере роста линейных размеров обеспечение необходимой жёсткости может потребовать слишком толстых стенок и, как следствие, слишком массивных деталей.

Тем не менее, классический гидравлический таран остаётся чрезвычайно простым, неприхотливым и очень необычным устройством, которое совершенно незаслуженно почти забыто в последнее время.

Продолжение этой статьи можно дочитать здесь.
Статья в википедии
Еще статья.

Однако, располагая водоструйным компрессором с давлением в несколько атмосфер, наш попаданец легко может построить простой и компактный вихревой холодильник, способный как охлаждать большие объемы воздуха, так и поддерживать почти криогенную температуру в небольшом замкнутом объеме. Относительно доступных альтернатив такое устройство обладает неоспоримыми преимуществами. Это достойный (по крайней мере, по сравнению с альтернативами) КПД и холодопроизводительность, относительная простота изготовления и дешевизна. Кроме того, такой холодильник, включая и компрессор, не имеет ни единой движущейся детали — там просто нечему ломаться и капризничать! Единственный минус — сильный шум. Но этот недостаток легко исправить, поместив холодильник в глубокий подвал и снабдив звукоизоляцией.

Cхема устройства также довольно проста — она содержит водоструйный компрессор, который одновременно служит источником вакуума и высокого давления, а также предварительным охладителем и осушителем воздуха перед подачей во второй каскад, две вихревых трубы, теплообменники и один клапан.
Как нетрудно догадаться, холодильник двухкаскадный.

На первом каскаде не важна сильная разница температур, а больше интересна максимальная холодопроизводительность. Поэтому здесь применена двойная вакуумируемая труба со стопроцентной долей холодного потока. Она присоединяется к всасывающему воздухозаборнику компрессора и питается через многосопловые вводы от атмосферы. Холодильные вихревые трубы довольно чувствительны к влажности рабочего воздуха (высокая влажность из-за выделяемого при фазовых превращениях воды тепла отнимает несколько процентов КПД). Вакуумируемые ВТ, в которых поток не сжат, а наоборот, особенно эффективны в качестве холодильника.

Предположим, что окружающий воздух имеет температуру  в 30-35°C, а вода в речке градусов 20°C. На вход первой трубы воздух можно подавать через противоточный водяной теплообменник, после которого он будет охлажден до 20-25°C. На выходе же с первого каскада весь воздух будет иметь либо слабую плюсовую, либо уже примерно нулевую температуру. Тепло горячего потока этой трубы поглощается охлаждающей водяной рубашкой. Используется поток воздуха с этого каскада в первом из двух воздушных противоточных теплообменников, для предварительного охлаждения сжатого потока, который подается из компрессора на второй каскад.

Нагревшийся в теплообменнике поток от первой трубы подается на вход компрессора, где он сжимается и осушается с одновременным поглощением тепла сжатия и конденсации водой. Сжатый поток охлаждается в этом самом теплообменнике от холодного потока первого каскада почти до 0°C, затем еще ниже во втором теплообменнике от отработанного потока из холодильной камеры, и подается на вход второй трубы.

На втором каскаде уже не получится применить охлаждаемую трубу — наружная вода будет теплее горячего потока.
Поэтому здесь применяется обычная адиабатная труба, работающая на избыточном давлении примерно в 3 атмосферы с выхода компрессора.

У этой трубы три режима работы.
Первый режим предназначен для максимально быстрого охлаждения холодильной камеры от исходной плюсовой температуры. Доля холодного потока в таком режиме составляет примерно 60%, температура -15…-20°C.
Второй режим предназначен для более глубокой заморозки. Доля холодного потока в нем составляет примерно 30%. Именно при таком соотношении на холодном конце получается самая низкая температура -30…-40°C.
Эти два режима выставляются заслонкой на горячем конце трубы.
И наконец, третий режим, предназначенный для термостатирования уже хорошо замороженных небольших объектов. В этом режиме к потребителю подается только в районе 3% от общего потока, которые отдельно выводятся из самого центра холодного и имеют очень низкую температуру — до -60°C. Этот режим переключается клапаном смешения центральной и боковой частей холодного потока.
Горячий поток с противоположного конца трубы подается в воздушный эжектор, где он дополнительно подсасывает холодный поток, проходящий через  холодильную камеру и теплообменник, ускоряя в них теплообмен.

Конечно, подобный холодильник может работать только на относительно небольшой объем — целый подвал или ледник им на жаре быстро не заморозить. Но вот поддерживать в таком подвале температуру, аналогичную современным бытовым холодильникам, при которой долго хранятся продукты — запросто.

А при более глубокой заморозке хорошо теплоизолированной камеры уже становится доступным изготовление того же мороженого и технологические шаги производства, требующие обработки холодом.

И еще один плюс такого холодильника — его не надо размораживать и чистить ото льда. В нем почти не будет наледи, потому что охлаждающий поток очень сухой.

В реальной истории этому уровню соответствует где-то начало-середина XIX века. Все, что появилось позже, для попаданца табу и «рояль».
Но оказывается, существуют малоизвестные широкой публике явления и технологии, которые были открыты или разработаны совсем недавно, уже в индустриальную эпоху, но отличаются простотой и вышеописанных ограничений не имеют. Такое «отложенное» открытие часто не случайно — несмотря на простоту, для своего открытия подобные вещи требуют в виде предпосылок либо существования продвинутых технологий, либо высокоразвитой науки, являясь, так сказать, «побочным продуктом» развития цивилизации. Возьмем вот водоструйный насос. Штука вроде бы простая до упора, но чтобы додуматься до принципа и получить эффективное устройство, нужно действовать целенаправленно, в соответствии с некой теоритической базой.
Именно это сочетание простоты и исчезающе малой вероятности, что для чего-то подобного додумаются аборигены, делает такие технологии для попаданца очень лакомым кусочком.

Вихревой эффект — как раз таки одно из таких недавно открытых и довольно-таки загадочных явлений. Теоретический аппарат, объясняющий это явление, так до конца и не разработан, но это не мешает с успехом его использовать. Причем именно уникальное сочетанием свойств — крайней простоты, дешевизны, технологичности, стопроцентной надежности и полного отсутствия требований к обслуживанию — часто обеспечивает выбор в пользу вихревых устройств даже при наличии гораздо более эффективной, но более дорогой и капризной альтернативы.

Суть явления одновременно очень проста и удивительна. При создании в открытой с двух сторон трубе с помощью тангенциального ввода потока сжатого газа 1 сильного кругового движения (вихря), происходит его разделение на два противоположных по направлению потока, один из которых(внутренний приосевой 2) относительно входного потока охлажден, а другой(внешний 3) нагрет. То есть такая труба начинает одновременно работать с одного конца холодильником, а с другого — нагревателем!

Вихревой эффект был открыт абсолютно случайно в 1931 году французским инженером Жозефом Ранком при опытах с промышленными циклонами. Он же разработал конструкцию вихревой трубы и взял первый патент. Несмотря на то, что труба реально работала, французские академики научное сообщение Ранка чуть ли не высмеяли. Очень уж эта штука напоминала пресловутую научную байку — так называемого «демона Максвелла», который обладает волшебным свойством разделять быстро и медленно двигающиеся молекулы.

Лишь после Второй Мировой, в 1946 году, Роберт Хилш опубликовал свои проведенные с немецкой педантичностью опыты, попутно предложив усовершенствования конструкции трубы, и явление получило известность по всему миру. Он же ввел классические критерии и величины, которые используются в рассчетах до сих пор. Часто вихревую трубу по имени своих создателей называют трубой Ранка, или Ранка-Хилша. Ученые в разных странах взялись за исследования и эксперименты. Одной из ведущих и самых плодовитых школ была советская, и как это ни странно, до сих пор все еще остается таковой российская. Честно говоря, я был удивлен обилием дельных российских патентов на эту тему и количеством производящих такие установки заводов, фирм и институтов.

На практике работа трубы выглядит примерно так:

Оригинальная труба Ранка представляла из себя обычный металлический цилиндр с простым тангенциальным односопловым вводом и диффузором или конфузором на конце для усиления соответствующего температурного эффекта.
За годы исследований и опытов были оптимизированы конструкция и режимы работы устройства. Близка к оптимальной схема, разработанная советским конструктором Владимиром Ивановичем Метениным.
Сжатый газ подается через тангенциальное сопло 1 в улитку 2, где устанавливается интенсивное круговое течение. При этом возникает неравномерное поле температур. Слои газа, находящиеся вблизи оси, оказываются на ΔT_х более холодными, чем входящий газ, а периферийные слои закрученного потока нагреваются на ΔT_г. Часть газа μ в виде холодного потока отводится через диафрагму 3, насадок 4 и щелевой диффузор 8, а другая часть (1-μ) нагретого газа отводится через насадок 5 и лопаточный диффузор 6 с сеткой 7. Работу вихревой трубы можно регулировать дроссельной заслонкой на теплом потоке.

При использовании в качестве холодильника еще одна важная характеристика трубы — холодильный КПД:

η_t = μΔT_х/ΔT_s,

где ΔT_х — реальная разница температур, μ — доля холодного потока, ΔT_s — максимально возможная разница температур в идеальном процессе раширения газа с отдачей работы.

В общем и целом вихревой эффект работает из-за того, что внешний поток отнимает энергию у внутреннего. На рисунке заметно, что камера смешения имеет выраженную конусность в 1-3°. Это улучшает условия теплообмена потоков по всей длине трубы, а значит, и разность выходных температур. Существуют и дальнейшие, иногда тоже совсем неочевидные усовершенствования. Например, выяснилось, что сложное турбулентное закручивание входного потока и возбуждение в нем поличастотных звуковых колебаний увеличивают температурный эффект. Поэтому и на входное сопло, и в выходной диффузор горячего потока часто устанавливают различные развихрители и турбулизаторы. Обратите внимание, что рабочий на фото в наушниках. Труба во время работы действительно здорово шумит.

Кроме того, ввод оказалось лучше делать многосопловым, строго по касательной к стенке. На поверхности камеры разделения или улитки можно предусмотреть продольные пазы, также увеличивающие температурный эффект в ту или иную сторону в зависимости от формы. Можно использовать энергию и давление горячего потока для подсасывания дополнительного воздуха в холодный или его ускоренного эжектирования через теплообменную камеру. Можно разделить приосевой поток на фракции, подавая к потребителю только самую холодную (при некоторых условиях аж до -130°С) его часть.

Можно подогревать или охлаждать входной поток отработанным выходным через теплообменник. Если высокое входное давление позволяет, трубы можно соединять каскадами, комбинируя в сложную схему с теплообменниками для оптимизации нужного эффекта.
Все это относится к неохлаждаемым, или адиабатным, трубам.

Но оказывается, что если камеру обмена охлаждать (лучше всего водой), то бишь дополнительно отнимать тепло у внешнего горячего потока, то это приведет к дополнительному охлаждению холодного. Причем, чем меньше доля холодного потока μ, тем сильнее увеличится ΔT_х. Соединив горячие выходы камер двух таких труб, получим трубу со стопроцентным холодным потоком и увеличенной холодопроизводительностью.

Как показывает опыт, такая труба почти не чувствительна к температуре охлаждающей воды (то есть отлично работает даже в тропиках) и не требует большой поверхности обмена — не нужен сложный радиатор.

Ровно такой же, но противоположный по знаку эффект имеет место при дополнительном нагреве трубы.

Подобные усовершенствования выводят КПД трубы на уровень 0.4 и даже выше — совсем неплохо для такого простого и дешевого аппарата!

В общем, разработка технологии активно продолжается, что обеспечивает вихревым устройствам все более широкие возможности для конкуренции.

ВТ сейчас широко используют для кондиционирования (все помнят такие маленькие поворотные сопла в самолетах или междугородных автобусах?), для подогрева или охлаждения лопастей турбин и вертолетов при работе, в небольших холодильниках для транспорта с бортовой пневмосетью, для начального подогрева пара с одновременным охлаждением конденсатора при пуске сверхмощных паровых турбин, для подогрева/охлаждения при понижении давления природного газа на газораспределительных станциях, для охлаждения процессоров (часто совместно с элементами Пельтье), и так далее. Да и в обычных промышленных холодильных установках ВТ по совокупности свойств часто оказываются оптимальными — вредных и капризных аммиака или фреонов они не используют и никогда не ломаются.

Кроме того, как и в обычном циклоне, при работе ВТ горячий поток всегда оказывается обогащен более тяжелыми частицами и молекулами(например, пылью, частицами конденсата, кислородом, водой или углекислотой), а холодный — более легкими (например, азотом). И чем выше скорость вихря, тем более выраженным становится эффект. На этом свойстве вихревых труб основано их применение для отделения газоконденсата от природного газа и разделения фаз, в том числе и в криогенной технике для разделения компонентов воздуха.

Еще одно важное применение ВТ основано на свойстве создавать сильно пониженное давление в центре приосевого холодного потока. Если вместо выходного диффузора на холодном конце сделать тонкий сопловой ввод, труба начнет активно отсасывать через него воздух — превратится в вакуумный насос! Возможно, кому-то знакомо название довольно распространенных советских аппаратов: ДКМ и «Вихрь».

С учетом всего этого для нашего попаданца вихревая техника — просто непаханное поле работы. Правда, необходимое уловие — наличие у него насоса, но это решаемо. В качестве материала ВТ отлично подходят керамика или стекло. И уж совершенно точно, например, что вихревой холодильник без проблем выдержит конкуренцию с винтажным паровым, а по простоте и доступности даст ему сто очков вперед.

Литература:

Меркулов А.П. «Вихревой эффект и его применение  в технике»
Суслов А.Д., Иванов С.В., Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. «Вихревые аппараты»
Патент РФ 2041432 — «Вихревая труба В.И.Метенина»
Азаров А. И. «Вихревые трубы нового поколения»

Применяется он обычно в лабораториях, где ставить большой механический насос дорого и невыгодно.
Но существует несколько трюков, позволяющих значительно (в 2-3 раза) поднять КПД насоса по сравнению с наивной конструкцией, поэтому и в промышленном масштабе водоструйный насос может быть с успехом применен, составляя достойную конкуренцию другим типам насосов…

В общем виде насос представляет из себя сопло, откуда струя жидкости выбрасывается с высокой скоростью, захватывая воздух из воздухозаборника и поступая в камеру смешения, где происходит дальнейшее сжатие и разделение жидкостно-воздушной эмульсии с выходом пузырьков сжатого воздуха, и выходной патрубок.

Усовершенствования, полученные эмпирическим путем, и направленные на увеличение как объема отсасываемого воздуха, так и его давления, таковы:

— желательно измельчить струю как можно сильнее и обеспечить как можно большую поверхность контакта движущихся частиц струи с воздухом, отсюда вывод, что много мелких сопел отсасывают больше воздуха, чем одно большое
— очевидно, что для использования давления водяного столба большой насос нужно делать вертикальным, причем камера смешения должна быть как можно большей высоты для получения как можно большего давления
-приемную воздушную камеру желательно выполнить в виде сужающегося конфузора для более устойчивой работы насоса при меньшем давлении струи
— диаметр камеры смешения должен быть точно подходящим под размер разлета струи, чтобы исключить потери на обратные турбулентные потоки эмульсии и обеспечить надежный захват инжектируемого воздуха струей
— стенки камеры смешения должны быть достаточно гладкими для уменьшения потерь на трение
— при выходе из трубы насоса для плавного торможение потока и уменьшения потерь на удар и кавитацию нужно предусмотреть расширяющийся диффузор, а внутри него по центру конусообразный разделитель потока

В результате получится нечто вроде этого:

Самым первым известным промышленным применением такого насоса стала каталонская водотрубная воздуходувка, которая также называлась водяным барабаном, или тромпой.

Тромпа состояла из большого деревянного бассейна В объёмом около 10 м³, деревянного «духового» ящика С и двух (или более) вертикальных водопроводных труб АА, которыми ящики соединялись. Водопроводные трубы изготовлялись из чугуна или выдолбленных стволов деревьев, их длина составляла от 3,5 до 8 м.
Вверху в трубы вставлялись воронки из деревянных брусков с. Непосредственно под воронками в стенках труб проделывались небольшие отверстия е (с наклоном около 40…50°). Они имели диаметр около 7…8 см и служили для притока воздуха. Деревянный духовой ящик С имел в разрезе трапецеидальную или цилиндрическую форму. В верхней крышке ящика помещалась прямоугольная труба р для отвода воздуха. На некотором расстоянии от крышки труба с помощью уплотняющей манжеты из бараньей кожи r соединялась с соплом s, сделанным из железа или красной меди. В нижней части одной из боковых стенок духового ящика находилось отверстие n, служившее для выпуска воды. Размеры этого отверстия должен был быть таким, чтобы вода в духовом ящике постоянно оставалась на одном и том же уровне. Под нижними отверстиями водопроводных труб АА располагалась доска, или «скамейка» l, верхняя сторона которой закрывалась чугунной плитой, предохранявшей от разрушения дерево, постоянно подвергавшееся воздействию падающей с большой высоты воды.
Тромпа применялась в комплексе так называемым с каталонским сыродутным горном и водяным молотом особой конструкции. В таком виде процесс производства кричного железа оставался конкурентоспособным по отношению к более прогрессивной технологической схемой, включавшей доменную и пудлинговую печи, вплоть до середины XIX в. Специалисты характеризовали тромпу как «весьма остроумное и простое устройство, вполне способное производить ровное и непрерывное дутьё». Управление силой дутья было тоже очень простым — достаточно потянуть за ручку и поднять или опустить подвешенную над водяным отверстием бассейна пробку.
Несмотря на все её преимущества, примитивность конструкции не позволяла применять тромпу где-то еще кроме как в местности, имеющей достаточный естественный перепад высот — то есть в горах.
А как же быть на равнине?
Над этим вопросом в середине XIX века задумался Джозеф Палмер Фриззелл, известный канадско-американский инженер-гидравлик, работавший у того самого Джеймса Френсиса, который изобрел знаменитую гидротурбину своего имени.
Результатом раздумий и экспериментов стал патент, определивший конструкцию, которая не меняется вот уже полтора века.

Конструкция в общем и целом, повторяла принцип тромпы за одним исключением. Труб было две: входная B, служившая собственно насосом, и выходная F, дававшая напор, позволяющий накапливать в подземном резервуаре D большое количество воздуха под серьезным давлением. Воздух этот по трубе подавался потребителю, а если резервуар переполнялся и воздух окончательно вытеснял воду из резервуара, излишек воздуха отводился по отдельной предохранительной трубке. Перепад высот между входным бассейном A и выходным G был совсем небольшой — для набора струей энергии, обеспечивающей устойчивую работу насоса, достаточно всего нескольких метров.
Но патент этот, видимо, остался малоизвестным, потому что в дальнейшем несколько инженеров независимо переоткрывали эту конструкцию с небольшими изменениями.
Самым плодовитым из переоткрывателей был канадец же Чарльз Хэвлок Тэйлор, который построил несколько таких насосов, снабжавших сжатым воздухом шахты в США и Канаде. Крупнейший гидравлический компрессор был построен им в местечке Ragged Chutes на реке Монреаль в 1910 году.

Компрессор Тэйлора имел сопла для подачи воды и подвода воздуха в виде множества керамических труб, камеру смешения в виде колодца высотой в 342 фута и снабжал все окрестные шахты сжатым воздухом давлением примерно в 10 атмосфер.

Выгляделядели эти сопла для подачи воды примерно так:

Несмотря на то, что все шахты давно закрыты, компрессор находится в исправном состоянии и выдает привлекающие туристов фееричные фонтаны из предохранительной трубки до сих пор, и за все время бессменной работы в режиме 24/7 его НИ РАЗУ не ремонтировали!

Гидравлический воздушный компрессор до безобразия прост, железобетонно надежен (хотя металла в своей конструкции может не иметь вообще) и при добросовестной постройке не требует абсолютно никакого обслуживания. Именно эти качества делают его идеальным для попаданца. По сути дела, требуется только выкопать два колодца, соединить их подземной галереей и вывести трубу к потребителю. Потенциально требуется только камень или известковый раствор для облицовки и несложная керамика. Максимальное давление, которое можно получить, зависит только от местной геологии и трудолюбия копателей колодцев.

Из-за того, что поток в реке, обычно служащей в качестве источника рабочей воды, постоянен, и из-за наличия подземного резервуара, служащего ресивером, никаких, даже самых маленьких, скачков давления в выходном потоке воздуха просто нет — он очень равномерный, что критично для некоторых приложений. По этому параметру водоструйный компрессор — чемпион.
Еще одно свойство такого компрессора, которое стоит упомянуть, состоит в том, что воздух из него выходит охлажденным и, как это ни странно для насоса, в котором рабочим телом служит поток воды, чрезвычайно сухим. Дело в том, что при сжатии каждого пузырька все водяные пары, находящиеся в нем, конденсируются на более холодных «стенках» пузырька, и таким образом воздух в нем осушается. Тепло сжатия воздуха и тепло конденсации полностью поглощаются окружающей водой.
При нахождении в подземном ресивере высокое давление воздуха также мешает испарению рабочей воды. В итоге поступающий к потребителю воздух имеет температуру воды в водоеме и не содержит никаких водяных паров.
Чем не бесплатный кондиционер!
Стабильность давления и полное отсутствие конденсата делают водоструйный компрессор очень удобным для разветвленных пневмосетей с заметными скачками давления и для доменного дутья.