Водяно-воздушные насосы. — Когда Гейсслер (1855) и Шпренгель (1865) для выкачивания воздуха применили ртуть (см. Ртутные насосы) и эти приборы, усовершенствуясь (Тёплер, Поггендорф, Джоуль, Менделеев, Спринг, Девилль и др.), стали необходимейшею принадлежностью лабораторий для получения безвоздушного пространства и когда Бунзен (1868) ввел в практику химических лабораторий процеживание (см. это сл.) при уменьшенном давлении, воспользовавшись аспиратором или насосом Шпренгеля, действующим струею воды, выпускаемой из крана и завлекающею при своем падении в трубке — воздух, который через это разряжается, тогда невольно родилась мысль воспользоваться водою, распределяемою водопроводными трубами, для всяких целей выкачивания воздуха, потому что при этом достигаются очевидные удобства, а главное из них — автоматичность работы таких насосов: стоит открыть водопроводный кран, и падающая вода произведет работу выкачивания. Такие насосы распространились всюду с 1872 г., когда явилось (в статье Менделеева, Кирпичева и Шмидта в «Журн. Русского химического общества», т. IV, стр. 169 и «Liebig’s, Annalen», 165 т., pag. 63) первое исследование над пульсирующим насосом Ягна, до тех пор не описанном и изобретенным им (1870) в Москве, когда он был слушателем петровской земледельческой академии. Ныне насосы этого рода устраиваются на другом начале (сходном с тем, которое действует в инжекторах Жиффара) и иным способом, но во всяком случае основной прием тот же: вода, пропускаемая через прибор, захватывает с собою воздух, этим способом его вытягивает из данного пространства и при достаточной продолжительности действия, если насос действует правильно, он может из ограниченного пространства вытянуть весь воздух до того, что в нем останется только упругость водяных паров, наполняющих безвоздушное пространство (т. е. при обыкновенных условиях комнатной температуры остается давление в 15—20 млн. ртути). Такие насосы, ныне распространившиеся во всех лабораториях, обыкновенно называются или фильтровальными насосами (напр., англичане — filter-pumps), или водяными лабораторными насосами и т. п., но их приличнее всего называть В.-воздушными насосами, потому что, назначаемые для выкачивания воздуха или для его разрежения, насосы этого рода действуют при помощи сил, свойственных струе воды, вытекающей из обычного водопроводного крана. Можно с уверенностью полагать, что они при дальнейшем усовершенствовании найдут многократные применения в заводско-технической практике и что вдувающие или сгущающие воздух насосы того же рода(ныне уже существующие и применяемые в лабораториях) также найдут многочисленные приложения в технике, особенно в мелких видах промышленных заведений (в крупных — выгоднее применять прямое действие паровых двигателей для выкачивания воздуха, чем терять работу сперва для накачивания воды, а потом для выкачивания ею воздуха).
Ныне известны два типа В.-воздушных насосов: пульсирующие, или динамические, и инжекторные, или действующие напором [1].
I. Динамический, или пульсирующий, насос Ягна состоит из газопроводной стеклянной трубки (длина около 900 мм, внутренний диаметр около 8 мм), сверху расширенной и снабженной боковой трубкою тоже близ верхнего конца. Эта боковая трубка снабжена клапаном (открывается внутрь) и идет к пространству, откуда вытягивается воздух. Мягкая каучуковая трубка, надетая на верхний конец прибора и соединяющая его с краном для притекающей воды (очень умеренного падения или давления), приспособлена так, что действует наподобие клапана, то пропуская воду протекать через прибор, то задерживая это протекание (прижимаясь к краям трубки под давлением наружного воздуха и столба быстро падающей воды). Таким образом водопроводная вода попеременно то входит в трубку, то задерживается. В момент задержки нижняя часть столба воды, продолжая двигаться, вытягивает воздух. Действие насоса очевидно динамическое [2]. Видоизменения насоса Ягна были описаны Торпом (Р. М. 1872, 249), также Футом, Линнеманом и О. Уиттом. Так как насосы эти действуют с перерывами, то работа их идет медленнее, чем работа аштратов, действие которых беспрерывно, и первые были заменены последними [3].
II. Инжекторы, или насосы с напором. Они состоят из трубок разнородной формы, но вообще все снабжены узкой шейкой в передней части более широкой шейки или расширенного наконечника. Для приведения в действие этих аппаратов можно употреблять какие угодно жидкости или газы под давлением и можно давать аппаратам какое угодно положение.
По принципу и устройству они тождественны с водяным насосом (фиг. 1), описанным профессором Джемсом Томсоном (1852), или с паровым инжектором Жиффара, патентованным в 1858 г.
Впрочем, принцип инжектора был известен отчасти задолго до того времени. Гауксби (Hawksbee) открыл в 1719 г., что если дуть в трубку, вставленную в небольшой ящик, между тем как воздух выходит из другой трубки, противоположной первой, то давление в ящике становится меньше атмосферного давления. Д. Бернулли нашел в 1738 г., что вода, притекающая от более высокого источника к широкому концу конической трубки, может поднимать воду с более низкого уровня из боковой трубки, прикрепленной близ суженной части конической трубки. Гораздо позднее (1830—1850 гг.) Карсон, Дж. Стевенсон и другие стали употреблять паровой аспиратор, а Клеман и Дезорм показали в 1855 г., что легкая пластинка, поднесенная к небольшому боковому отверстию в резервуаре с сжатым воздухом, — притягивается и приходит быстро в колебание у отверстия. Это действие можно представить себе, если дуть меж пальцев на кусочек бумаги или же между двух карт, как это описано во многих курсах физики (напр., Вейнгольда). Все эти опыты представляют собою примеры прохождения жидкого тела через расширенное отверстие, обусловливая при этом уменьшенное давление по сравнению с давлением в передней части, которое каждый раз бывает равно атмосферному давлению.
Первый воздушный инжектор для лабораторных целей устроил Кристиансен; он описан в 1872 г.
На фиг. 2 А есть кусок каучуковой трубки с толстыми стенками, с отверстием, проделанным в В разогретой проволокой и сжатой в С кольцом, насаженным на трубку. Вставив в В короткий кусок согнутой стеклянной трубки, выступающей наружу для входа струи воздуха, и соединив верхний конец А с притоком воды под умеренным давлением, разрежают воздух через согнутую вышеупомянутую трубку В. В С от сужения давление уменьшено, а потому воздух и втягивается.
Другие первоначальные формы В.-воздушных инжекторов были описаны Ловетом (1874 г.), Казамайором (1875 г.), а вскоре затем было изобретено множество аппаратов для химиков, зубных врачей и пр.
Опыты У. Фроуда (1875 г.), хотя произведенные с другою целью, дают простейшее объяснение действия инжекторов.
Фроуд демонстрировал, что вода, выходя из-под уровня Н, фиг. 3, при прохождении через суженную трубку не оказывает равномерного давления, но что давление меньше всего в суженной части, как это показано в трубках а, b, с, d, е. Если трубку сузить больше, то давление уменьшится еще более, так что, если два сосуда А и Б, фиг. 4, соединить такой узкой трубкой, то часть этой трубки в С может быть удалена, не причинив помехи притоку жидкости; вода поднимается в сосуде В только немного ниже уровня в А. В точке F, на центральной линии соединительной трубки, существует полное давление H, но здесь в практическом смысле нет движения, между тем как в С нет водяного давления, а чрезвычайно быстрое движение. Следовательно, давление и скорость движения взаимно изменяются и дополняют друг друга, а разницы в давлении в каждых двух точках изменяются как разницы квадратов скоростей в этих точках. В каждом данном месте сумма наблюдаемого давления плюс давление, которое пошло на произведение скорости, постоянна и равна всему высшему давлению воды Н.
Если несколько изменить начальный опыт Фроуда и к соединительной трубке E, фиг. 5, — присовокупить вниз идущую боковую трубку G, то давление в Е, если она открыта, будет равно давлению атмосферы, и все давление, зависящее от высоты воды сосуда, обращается здесь в скорость. Но скорость в С должна быть большею, чем в Е, во столько раз, сколько площадь сечения трубки С содержится в площади сечения трубки в Е. Так как скорость в С больше скорости в Е, то давление должно быть меньше, а следовательно, меньше атмосферного давления. Трубку G, фиг. 5, следует рассматривать как указатель отрицательного давления, и если этот указатель наполнить ртутью, то последняя должна подняться здесь как в барометре. Вместо воды или другой жидкости с известным давящим слоем могут быть употреблены воздух, пар или другой какой-либо газ под давлением. Левет, Теклю и другие предлагали употребление воздушных инжекторов, работающих посредством пара.
В.-В. насосы, употребляемые в лабораториях, подразделяются главным образом: а) на такие аппараты (фиг. 6, 7), в которых вода входит через отверстие, помещенное над суженной трубкой или шейкой, а воздух разрежается со всех сторон вокруг водяной струи.
Отношение площадей отверстия и шейки в таком насосе обыкновенно около 1:2, т. е. их диаметры относятся между собою как 1:1,4. б) На такие аппараты (фиг. 8), в которых отверстие и шейка не разделены и воздух входит лишь с одной стороны. в) На такие аппараты (фиг. 9), форма которых в общих чертах подобна фиг. 6 и 7, но воздух входит весьма узкой струей через очень узкое отверстие, а вода, наполняющая корпус насоса, входит (чрез боковую трубку) вокруг воздушной струи. Эти различия в устройстве описываемых приборов не представляют в практическом отношении большого значения. Посредством изменения ширины отверстий получаются насосы с различными давлениями. Насосы с весьма узкими отверстиями работают лучше с малым количеством воды при весьма высоких давлениях, тогда как насосы с более широкими отверстиями требуют большего количества воды при невысоком давлении.
Так как вода, проходящая через эти аппараты, должна быть рассматриваема как падающее тело, то, помножив вес воды в фунтах, расходуемых в минуту, на ее высшее давление в футах, мы получим в футофунтах силу, потребную для произведения разрежения воздуха в одну минуту работы насоса. Сравнивая таким способом насосы, находим, что те из них, которые работают при низком давлении, дают меньшее полезное действие, чем насосы, работающие при более высоких давлениях.
При употреблении этих инжекторов следует обратить внимание на то, чтобы был достаточный, постоянный и по возможности равномерный приток воды. Если открыть совершенно водяной кран, то воды может прибывать больше количества, требуемого насосом в ту же единицу времени, но в городах и больших зданиях, где воду употребляют многие на различных высотах, зачастую давление это весьма быстро изменяется, поэтому в лабораториях, применяющих В.-воздушные насосы, полезно иметь свой особый запас воды под давлением. Fairley для этого применяет (фиг. 10) воздушный регулятор (как в пожарных насосах) в виде резервуара, состоящего из крепкой железной бутылки (железного цилиндра), способной выдержать большее давление, чем то, которое требуется (примерно выше 100 ф. на квадратный дюйм).
Бутылка эта А, фиг. 10, имеет внутри трубку, доходящую до дна, соединяющуюся посредством Т-образной трубки как с В.-В. насосом В, так и с водопроводом, и, если пожелают, то на ней может быть установлен манометр. Соединение с водяным краном должно быть сделано посредством припаянной свинцовой трубки или посредством прочной каучуковой трубки с холщовой прокладкой и обшивкой, причем связи плотно обматываются медною проволокою. Бутылка наполняется воздухом. При протекании воды из водопровода воздух в А сжимается посредством давления воды. Таким образом, при 15-, 30— или 45-фунтовом давлении бутылка наполняется водою до половины, до двух третей, до трех четвертей и при различном давлении в водоснабжающей трубке сохраняет более постоянное давление, а водоснабжение поддерживается в продолжение некоторого времени, которое зависит от объема бутылки или резервуара. По выходе из резервуара водоснабжающая трубка прилаживается к насосу B, который устанавливается надлежащим образом около лабораторного стола, и к нему присоединяется манометр для показания получаемой пустоты. Выходя из насоса, вода или прямо стекает по сточной трубе, или, в случае надобности собрать высасываемый газ, трубу эту погружают в сосуд с водою. Трубка, забирающая воздух, соединяется посредством крана C с предохранительною трубкою D, снабженной клапаном (каучуковым, Бунзена), чтобы вода не могла попадать в приборы, из которых выкачивается газ. Затем ставится манометр Е. Фиг. 11 представляет кран в натуральную величину, припаянный в C и к каждому концу отдельных лабораторных трубок, назначенных для пользования пустотою на каждом рабочем месте стола F, фиг. 10.
Это обыкновенный хороший кран, который не должен, насколько возможно, пропускать воздух. Поворачивая кран за рукоятку E, можно заставить вытягиваться воздух из В к A, если в пробке крана приделаны горизонтальный и угловой (как А С) каналы или, если устроен один последний, то можно сообщать FF (и сосуд, сообщенный с этою трубкою) или с воздухом, поворачивая кран к В, или с пустотою, производимою насосом. Если втулку повернуть так, что получится обыкновенное положение закрытого крана, то он закроет и А и B, если же показатель указывает на A, то открыто сообщение с A, а если указывает на В, то открыто сообщение С с В. Трубка FF прилаживается герметически посредством кауч. пробки к бутылке H (фиг. 10). Посредством этих кранов (Fairley, 1883 г.) одним насосом можно произвести разряжение воздуха в обыкновенной лаборатории для большого числа процеживаний, совершающихся единовременно. Насос соединяется с главной трубкой мягкой свинцовой трубы, идущей вдоль лабораторных столов или под ними, а у каждого места, занятого работающими, находится бутылка H (фиг. 10), установленная под столом, от которой поднимается трубка FF (ф, 11) поверх стола. Один конец крана, именно A, соединяется с главной трубкой, ведущей к насосу посредством свинцовой надставки в виде трубки; другой конец крана соединяется посредством гибкой трубки с аппаратом для процеживания или с другим сосудом, в котором должно производиться разрежение. При употреблении этого прибора весь разреженный в В воздух должен получаться из запасных сосудов Н. Если прибор не выкачивает воздуха из каких-либо сосудов, то краны поворачивают к А для получения в бутылке некоторой степени разрежения. Так как емкость этих бутылок равняется 2,2 литра, то достаточно умеренной пустоты в одной из них (напр., половины или трех четвертей атмосферы) для процеживания в небольших размерах, а так как в лаборатории имеется известное число таких бутылок, то вместе они образуют резервуар пустоты значительной величины, дающий возможность вести операцию без остановки. Если краны хорошо притерты, то сохраняют пустоту в течение нескольких дней. Замазка, приготовленная из каучуковой массы, растворенной в вазелине при возможно низкой температуре, употребляется с большим успехом для обмазывания всяких связей и соединений. Fairley произвел ряд сравнительных испытаний В.-воздушных насосов, находящихся в обращении (1877). При надлежащем для каждого насоса снабжении водою под давлением и при емкости вакуум-приемников свыше 2,2 литра можно получать вообще в течение одной минуты работы, пустоты (vacua), соответствующие половине либо трем четвертям барометрической колонны; такие степени разрежения вполне достаточны для обыкновенных операций процеживания.
Приводимая таблица Ферли относится исключительно к лабораторным В.-воздушным насосам и к результатам, полученным в первую минуту действия насосов.
| Из какого материала сделан В.-В. насос |
Название водяно-воздушных лабораторных насосов (данные Fairley) |
а) Объем сосуда 2,2 литра, давление воды в англ. фун. на кв. дюйм; |
Среднее отнош. между объемом вытянутого воздуха и потрачен. воды |
в) вдувание воздуха | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 25 | 40 | Давл. воздуха англ. фута на кв. дюйм |
Дутье воздуха литр. в 1 мин. |
Расход воды, литр. в 1 мин. | |||
| Упругость оставшегося воздуха в мм ртутного столба после минутного действия | ||||||||
| Стекло | Alvergniat (фиг. 6) | 302 | 481 | 577 | 0,28 | 40 | 5,90 | 6,32 |
| Латунь | » » » | 182 | 385 | 468 | 0,26 | 40 | 4,35 | 5,08 |
| » | Arzberger u. Zulkowsky[4] | 156 | 342 | 512 | 0,22 | 40 | 3,90 | 5,44 |
| » | Benedix | 226 | 406 | 478 | 0,23 | 40 | 4,65 | 5,92 |
| Стекло | Bulk (фиг. 9)[5] | 160 | 338 | 458 | 0,28 | 40 | 2,65 | 4,26 |
| » | Fisher (фиг. 7)[6] | 203 | 322 | 419 | 0,34 | 40 | 5,15 | 3,52 |
| Латунь | » от Desaga | 226 | 390 | 491 | 0,36 | 40 | 4,73 | 3,80 |
| Стекло | Geissler (1876) | 117 | 205 | 307 | 0,23 | 40 | 1,76 | 3,53 |
| Латунь | Körting (1880) | 333 | 546 | — | 0,19 | 30 | 4,15 | 8,35 |
| Стекло | Mawson and Swan № 1 (фиг. 8) | 182 | 320 | 458 | 0,25 | 40 | 3,00 | 4,88 |
| » | Muencke (№ 970) | 307 | 515 | — | 0,15 | 20 | 2,76 | 8,60 |
| Латунь | Muencke (№ 952) | — | 426 | 535 | 0,33 | 40 | 4,00 | 4,72 |
Настоящим показателем успешности действия насосов разных систем служит количество потребляемой воды. Насосы одного и того же устройства, но различных объемов, разрежают воздух в различных степенях, но пропорционально потребленной воде. Прилагаемая таблица дает некоторые результаты испытаний, произведенных с насосами, наиболее встречающимися в обращении: а) относительно разрежения воздуха в приемнике емкостью до 2,2 литра и б) относительно вдувания воздуха из B., когда (фиг. 10) кран С открыт. Результаты относятся лишь к первой минуте работы, хотя испытания продолжались до десяти минут. В каждом данном случае все испытанные насосы, исправно работавшие в течение первой минуты, продолжали действовать до конца и к концу доходили приблизительно до такой пустоты, что высота ртути в манометре E отличалась от высоты ртути в барометре лишь на 15—20 миллиметров (= упругости водяного пара). Нагнетательная сила каждого насоса также служит мерилом его вытягивающей силы. Из насосов, действующих под большими давлениями воды, лучшие результаты дают насосы Фишера, Булка, Кнехта и медные насосы Мюнке, а из насосов с низким давлением, которые потребляют больше воды, хороши насосы Арцбергера и Зулковского, Финкенера, Кёртинга. Стеклянные и медные насосы Альвернья работают хорошо при различных степенях давления. При большом расходе воды и достаточном давлении насосы Финкенера, Кёртинга, Альвернья, Арцбергера и Зулковского производят разрежение с наибольшею быстротою; но если желательно соблюсти экономию воды, то следует по возможности употреблять насосы с высоким давлением. Хотя, приняв во внимание силу, приложенную к этим машинам, чтобы заставить их работать, ни один из этих инжекторов не представляет совершенного типа, тем не менее инжекторы по уютности, по простоте и быстроте действия и по своей ничтожной ценности чрезвычайно удобны для лабораторных целей, когда нет оснований экономить расход и напор воды; для технических же целей, когда требуется произвести разрежение или тягу воздуха, вентиляцию и т. п. виды движения воздуха (например, на винокурнях для охлаждения заторов, см.), применяются инжекторы, действующие струею паров (см. Дефлекторы, Инжекторы), вентиляторы, меха, насосы и т. п. При современном состоянии этого дела В.-воздушные насосы находят применение лишь в лабораториях; но нельзя отрицать, что при дальнейшем усовершенствовании они успеют проникнуть и в заводскую практику, в которой их ныне можно применять, если есть или сильный напор (из высокого резервуара) воды, или сильное ее падение, наприм. если завод лежит высоко в горе и отводные трубки, где перемежаются столбики воды и воздуха, можно отпустить под гору. Не должно забывать, что вода, проникшая через насос и отработавшая в нем, может иметь свое дальнейшее применение, напр., для растворения.
Примечания
править- ↑ Дальнейшая часть статьи составлена по Thomas Fairley (Thorpe: «A Dictionary of applied chemistry»).
- ↑ Теория действия пульсирующего насоса (и опыты, ее проверяющие) дана в указанном выше исследовании Менделеева, Кирпичева и Шмидта.
- ↑ Из опытов и формул указанной выше статьи видно, напр., что из сосуда в 1 литр вместимости выкачивается пульсирующим насосом половина воздуха при протекании 20 литров воды в 8½ минут, то есть тогда, когда скорость вытекающей воды равна 25 секундам для 1 литра. Главными практическими недостатками насоса г. Ягна должно считать существование клапана в пульсирующей резиновой трубке, которые могут часто расстраиваться. Новые инжекторные В.-В. насосы не имеют никаких клапанов и мягких частей (делаются все из стекла или металла). Достоинство прибора Ягна состоит в том, что он может действовать при слабом напоре водяного столба, так что достаточно от 1 до 2 метров поднятия водяного резервуара над прибором, чтобы действие его было полным и разрежение доходило до возможной пустоты.
- ↑ Опыт относится к случаю высшего положения регулируемой трубки («Annalen der Chemie und Pharm». 1875, 176—327).
- ↑ «Bericht. der deutsch. Chem. Gesel», 1876, стр. 1871.
- ↑ «Dingler’s polyt. Journ.», 1877.