Hidraulični ovan

Hidraulični ovan ili vodena pumpa klackalica (engl. hydraulic ram) jeste vrsta pumpe koja radi na vodeni pogon. Princip rada se zasniva na promjenama pritiska vode koje nastaju prilikom zatvaranja dotoka.

Historija

hidraulični ovan u Vognu Danska

John Whitehurst konstruirao je 1772. "pulsirajući motor" kod kojeg se nivo dizao kroz oscilacije koje nastaju prilikom zatvaranja dotoka vode u rezervoaru. Dotok vode se tada morao ručno zatvarati i otvarati, odnosno uz pomoć ljudske snage.

Francuz Joseph Michel Montgolfier je kasnije oko 1796. dodao još jedan ventil čime je rad pumpe automatiziran.

Naziv "hidraulični ovan" se prvi put spominje 14. jula 1797. u bilješkama Académie des sciences. Montgolfier je držao predavanje na temu: Sur un moyen très simple d’élever l’eau des fleuves (bs."Jednostavan način pumpanja vode rijeka na visinu"). Patent na ovaj izum je dodijeljen u Francuskoj novembra 1797. U Engleskoj prvo priznavanje patenta uslijedilo je 13. decembra 1797. pod brojem 2207 koji je, kao zastupnik Motgolfiera, podnio pionir i istraživač parne mašine Mathew Bulton.

U Njemačkoj je naučnik Joseph von Baader po prvi put upotrijebio ovu pumpu između 1793-1835. za napajanje posjeda grofa Montgelasa u Bogenhausenu blizu Münchena.

Prvi patent u SAD dodijeljen je 1809. J.Cerneau i S.S. Halletu. Tada je u SAD bilo visoko interesovanje preduzeća za ovaj izum.

U Švicarskoj Johan Georg Schlumpf je 1885. prodao prvog hidrauličnog ovna. Usavršio je i funkciju dodavši mogućnost da se rezervoar kontinuirano dopunjava zrakom čime je bilo moguće pokretati ovu pumpu godinama bez servisiranja.

Polovinom 20. vijeka pojavom elektriciteta pumpe na električni pogon potiskuju hidraulične ovnove, a time se smanjuje i njihov značaj.

Primjena u praksi

Za pogon hidrauličnog ovna pogodne su tekuće vode kao: potoci, rijeke ili vještački kanali.

Za poljoprivredu, napajanje štala, lovačkih kuća i vikendica, ova pumpa se može koristiti ako je u blizini tekuća voda. Posebno je značajno ako se radi o odsječenim i teže dostupnim predjelima koji nemaju pristup komunalnom napajanju s vodom. Isto tako se ne isplati dovoditi struju za pogon pumpi ako se isti objekti povremeno koriste, npr. vikendom.

U novije vrijeme, hidraulični ovan se koristi u zemljama u razvoju. U Kini ove pumpe koriste seljaci i maloposjednici za napajanje njiva s vodom jer je isplatnije nego pumpe na dizel pogon.

Princip rada

• 
  Voda teče kroz dovodnu cijev (1) i otvara (4) udarni ventil (2).
• 
  Udarni ventil (2) zatvara se zbog pritiska vode, koja otvara dovodni ventil (5), voda puni zračnu flašu (6)
• 
  Pritisak nivoa vode u zračnoj flaši (6) zatvara dovodni ventil (5), voda teče kroz odvodnu cijev na viši nivo (3)

U principu se sastoji od sljedećih dijelova:

• Zaliha vode za dovodnu cijev
• Dovodna cijev
• Udarni ventil
• zračna flaša za sabijanje zraka
• Dovodni ventil
• Odvodna cijev koja prenosi vodu na veću visinu za upotrebu.

Ovi dijelovi čine jedan oscilacijski sistem, koji kada se jednom pokrene, automatski radi dokle god ima dovoljno vode. Pošto ovaj sistem ima relativno mali broj dijelova a ventili su jedini koji se habaju održavanje je lahko. Ovi dijelovi su jednostavni i dostupni u većini zemalja svijeta. Rezervoar s vodom se napaja npr. iz rijeke, voda teče kroz dovodnu cijev i prolazi kroz udarni ventil. Udarni ventil se drži otvorenim posredstvom Zemljine teže ili uz pomoć opruge sve dotle dok brzina vode ne bude dovoljno velika da se on brzo zatvori. Čim se udarni ventil zatvori, voda počinje da oscilira u dovodnoj cijevi. Vrijeme u kojem se zatvori udarni ventil se može izračunati na sljedeći način:

$\Delta p=\rho \cdot \Delta v\cdot {\frac {2L}{T_{s}}}$
prema tome:

$\rho$ = gustoća vode [kg/m³];

$\Delta v$ = brzina toka vode [m/s];

$T_{s}$ = vrijeme zatvaranja dovodnog ventila [s];

$\ L$ = dužina dovodne u [m] .

Primjer:

Voda teče brzinom 3 m/s kroz dovodnu cijev dužine 5 m prilikom čega se udarni ventil zatvara u roku od 5 ms. Pritisak koji nastaje iznosi 60 bara. Porast pritiska daje dva rezultata:

• Dovodni ventil se otvara, voda puni zračnu flašu i sabija zrak.
• Udar vode oscilira brzinom oko 1000 m/s (manja od brzine zvuka u vodi) prilikom čega nivo vode u zračnoj flaši također počinje da oscilira. Pritisak zraka u rezervaoaru sve više raste, pada za kratko vrijeme (u šemi označeno s plavom bojom) prilikom čega se dovodni ventil zatvara. Ovakav tok procesa je veoma bitan za kontinurano funkcioniranje. Dok voda teče u odvodnoj cijevi, ponestane i zrak u flaši čime se smanjuje efikasnost pumpe. Gubitak zraka se nadoknađuje bušenjem fine rupe (oko 3 mm) kojom se postepeno nadopunjava iz atmosfere.

Udar ventila se pojavljuje samo kada je vrijeme zatvaranja dovodnog ventila kraće od vremena koje je potrebno da voda napravi jednu oscilaciju unutar cijevi. Ovo vrijeme se naziva i refleksiono vrijeme.

t_R Pritisak vala.
$T={\dfrac {2\cdot L}{a}}\ \ \mathrm {\lbrack s\rbrack }$

prilikom čega je: $a$ = brzina udarnog vala u vodi [m/s] ;

Sa podacima gornjeg primjera vrijeme iznosi T = 10 ms. Ovaj kratki period mjerljiv je pomoću instrumenata.

Voda puni zračnu flašu sve dotle dok pritisak nivoa vode ne zatvori ventil. Dio vode iz dovodne cijevi zadržava se u zračnoj flaši zbog unutrašnjeg pritiska. Posredstvom trenja kretanje vode u cijevima se usporava a time zaustavljaju oscilacije. Dovodni ventil se otvara i cijeli proces počinje iznova.

Za vanjskog posmatrača hidraulični ovan se može vidjeti prosto kao jedan vodeni stub koji oscilira. Potencijalna energija iz rezervoara se pretvara u kinetičku koja stavlja cijev pod veliki pritisak. Taj pritisak pretvara se, u zračnoj flaši, u potencijalnu energiju. U gornjem primjeru s pritiskom od 60 bara voda se, u teoriji, može pumpati na visinu i do 300 m. U praksi se pokazalo da odnos visine rezervoara i dužine odvodne cijevi može iznositi od 1:3 do 1:12. Vrijeme jednog ciklusa, odnosno jedno punjenje zračne flaše iznosi oko 2 sekunde.

Moguće je i nekoliko hidrauličnih ovnova povezati u seriju čime se voda pumpa i na veću visinu. Međutim, povećanjem broja pumpi smanjuje se i količina vode koja se pumpa na visinu. U praksi samo oko 10 % vode koja dolazi iz rezervoara prenosi se na visinu. Ostatak odnosno većina vode se gubi kroz udarni ventil.

Membranska pumpa

Postoji poseban tip tzv. "divljeg ovna" koji može koristiti vodu iz dva različita izvora. Voda u rezervoaru može biti iz kanalizacije dok voda u zračnoj flaši može biti s izvora. U dovodnoj cijevi je ugrađena membrana koja spriječava miješanje dvije vode. Na sličan način rade membranske pumpe.

Problemi u praksi

Tipični problemi s kojima se ova vrsta pumpe susreće su:

• Smrzavanje vode u rezervoaru u zimskom periodu
• Blokiranje ventila zbog prljavštine
• Prisustvo zraka u cijevima.

U zračnoj flaši je, naprotiv neophodan zrak koji se dovodi kroz probušenu rupu prečnika 2 mm.

Neka od mjesta u Evropi gdje su hidraulični ovnovi danas u upotrebi

Njemačka

• U energetskom muzeju u Rickenbachhu kod južnog Schwarzwalda postoji jedan vodeni ovan kojim se pumpa voda za pokretanje mlinskog točka.

Austrija

• U Radekalmu u Tal Anlauf kod Bad Gastein (pokrajina Salzburg) ovan služi za napajanje kolibe s vodom.

Švicarska

• U hotelu Faulhorn kod Grindelwalda u kantonu Bern

Poljska

• U Kajnenu, malom mjestu kod Brasvalda u Istočnoj Pruskoj.

Slovenija

• Kod ulaza gostionice „Brunarica pri Ingotu, južno od Gozd Martuljeka u Kranjskoj Gori nalazi se vodeni ovan koji snabdijeva gostionicu s vodom.

Također pogledajte

• arteski bunar
• Heronov bunar

Literatura

• Christian Mähr: Der Hydraulischer Widder u: Vergessene Erfindungen. Warum fährt die Natronlok nicht mehr? novo izdanje
• Dumont, Köln 2005 (prvo izdanje 2002), ISBN 978-3-8321-7744-7, S. 65-80 (također i u Weltbild 2005 kao ISBN 978-3-8289-5398-7).
• Iversen, H.W. (juni 1975). "An analysis of the hydraulic ram". Journal of Fluids Engineering: 191–196.

Vanjski linkovi

• Kratak članak iz njemačkog muzeja u Minhena
• Stranica na njemačkom jeziku Arhivirano 18. 2. 2014. na Wayback Machine
• Članak na portalu Radio Televizije Srbije (sr)
• (njemački) Web stranica sa slikama raznih konstrukcija
• Hidraulični ovan Arhivirano 11. 5. 2015. na Wayback Machine (sr)