Простой и сложный клапан
На протяжении 100 лет обратный клапан Теслы (патент [1]) оставался загадкой для специалистов и производителей инженерной сантехники. Принцип работы устройства вызывал вопросы, поэтому найти ему применение и запустить в массовое производство никто не решался.
Никола Тесла (1856–1943) — американский инженер, учёный-физик и изобретатель сербского происхождения и просто «Человек, который придумал XX век»
Ничего общего с классическими обратными клапанами творение Теслы не имеет. Теоретически монолитная конструкция клапана без встроенных и заменяемых внутренних деталей позволяет эксплуатировать изделие неограниченное время, поэтому в научных кругах его в шутку назвали «вечным». Чем же отличается это изобретение от современных моделей и в чём его особенность?
Обратный клапан Теслы представляет собой канал сложной формы со множеством ответвлений и закруглённых боковых проходов. Внутренняя конструкция изделия в разрезе напоминает ёлку (рис. 1). Тесла установил, что «ёлочная» структура позволяет потоку двигаться по трубе только в одном направлении и не даёт ему развернуться в обратную сторону из-за возникающей в боковых проходах физической реакции.
Рис. 1. Структура проточной части обратного клапана Теслы из его патента [1]
Это открытие опередило время и оказалось непонятым! Необычный клапан без пружин, дисков и других механических элементов не смог вызвать доверие и убедить производителей в своей эффективности и надёжности.
Изобретение Теслы на долгие годы ушло в забвение, пока учёные не нашли оригинальные чертежи. Они изготовили точную копию забытого клапана и даже протестировали её в лабораторных условиях. Через экспериментальную модель пропускали воду под разным давлением при малых, средних и высоких скоростях потока, и только после этого клапана раскрыл свой секрет [2].
Специалисты пришли к выводу, что «ёлочная» конструкция действительно может препятствовать потоку повернуть обратно за счёт нарастающей турбулентности воды, но, как оказалось, она появляется лишь при определённых условиях.
Течение жидкости в обратном клапане Теслы — в одном направлении (справа налево) поток проходит свободно, однако в обратном направлении он успешно тормозится
«Клапан Тесла ведёт себя как своеобразный переключатель, чьё состояние зависит от того, насколько высок уровень турбулентности жидкости внутри него. В том случае, если жидкость течёт достаточно медленно и упорядоченным образом, изобретение Теслы почти не мешает её движению, пропуская её в обе стороны. Если же этот показатель повышается до некой критической отметки, то клапан перестаёт пропускать воду в обратную сторону», — отмечено в публикации [3].
Изобретение Тесла и современные обратные клапаны
Особенностью клапана Теслы является отсутствие в монолитной конструкции пружин, дисков, кольцевых уплотнений и других деталей, которые выполняют роль запорных элементов в современных моделях (фото 1). Можно ли без них обойтись? Давайте разберёмся! Вот, например, обратные клапаны с пружинным осевым пластиковым или латунным механизмом (фото 2).
Фото 1. Современные клапаны
Фото 2. Обратные клапаны с пружинным пластиковым или латунным механизмом
Внутри корпуса этих клапанов находится муфта с седлом, запирающий шток с диском, пружина и кольцевое уплотнение. Когда поток движется по трубопроводу, он давит на диск запирающего штока, преодолевая сопротивление пружины, и тем самым открывает клапан. Шток выдвигается из седла муфты в зависимости от напора воды, проходящей через клапан. Если потока нет или он разворачивается, то пружина вдавливает диск запирающего штока обратно в седло и герметично закрывает клапан, тем самым блокируя обратный поток.
А вот пример другого обратного клапана с дисковым затвором (фото 3). У него конструкция без пружины, чтобы минимизировать гидравлическое сопротивление. Этот клапан можно устанавливать вертикально и горизонтально, но так, чтобы пластина была закрыта. Поток давит на дисковый затвор и, преодолевая сопротивление его веса, поднимает пластину и клапан открывается. Если потока нет или он меняет направление, то собственный вес затвора возвращает его в исходное положение и герметически закрывает клапан.
Фото 3. Обратный клапан с дисковым затвором для систем водоснабжения и отопления
Таким образом, механизмы современных клапанов быстро срабатывают и способны блокировать обратный поток независимо от его силы, что не всегда удаётся сделать клапану Тесла из-за изменчивых условий турбулентности.
Если, к примеру, обратный клапан Тесла установить на трубопроводе с насосным оборудованием, то он не сможет гарантировать защиту насоса от поломки, и вот почему. Обратный клапан должен перекрывать путь воде и предотвращать её возврат по трубам обратно в скважину при остановке насоса. Стоит насосу перестать работать, то без обратного клапана вся вода из труб и даже накопительного бака быстро уйдёт. Но без работающего насоса сила потока падает, поэтому, медленно двигаясь в обратную сторону самотёком, вода будет свободно проходить через клапан Тесла, не вызывая в нём сильной турбулентности.
Свободно минуя клапан Тесла и не задерживаясь в нём, поток будет раскручивать крыльчатку насоса в противоположном направлении, что может привести к поломке оборудования. К тому же, если вся вода из трубопровода стечёт вниз, то при запуске насос будет работать какое-то время «на сухую», что не рекомендуется, а центробежный насос просто не сможет работать без воды.
Пластиковые модели обратного клапана Теслы
Вечный клапан — иллюзия?
Клапан Тесла, хотя и называется «обратным», не всегда может оправдать своё название, в отличие от современных моделей с моментально срабатывающими запорными механизмами. Они, конечно, рассчитаны на определённый срок эксплуатации, после чего могут выйти из строя, в отличие от «вечного» клапана. Но насколько конструкция клапана Теслы «вечна»? Может, это иллюзия? Давайте разберёмся!
Довольно часто в воде из колодца или скважины присутствуют посторонние примеси, например, песок, частицы глины и мелкие камешки. Насосное оборудование закачивает загрязнённую воду в трубопроводную систему, и она проходит через обратный клапан. Если в современных моделях поток проталкивает воду с примесями через дисковый затвор или шток, то в клапане Теслы из-за сложности конструкции (множества ответвлений и закруглённых боковых проходов) посторонние частицы будут застревать и накапливаться внутри устройства. Постепенно в проходах будут образовываться засоры и пробки, которые перекроют дорогу потоку, и тогда «вечный» клапан выйдет из строя. Такая ситуация вполне возможна, и она складывается не в пользу обратного клапана Теслы.
Вместе с тем, в некоторых многоквартирных домах и других зданиях в водопроводных системах также наблюдается высокое содержание механических примесей. И здесь клапану Теслы не повезло! Хотя засориться в загрязнённой воде может не только «вечный» клапан, но и современное изделие. В связи с этим сантехники и монтажники рекомендуют устанавливать перед обратным клапаном магистральный фильтр грубой очистки, показанный на фото 4.
Фото 4. Магистральные клапаны-фильтры грубой очистки
В противном случае механические частицы и взвеси могут забить обратный клапан, нарушить герметичность устройства и ограничить его запирающую способность.
К счастью, обратные клапаны Теслы нашли свой путь и «выходят из тени». Учёные собираются задействовать турбулентные возможности их конструкции в разных областях. В частности, «…для создания различных помп, способных использовать вибрации, вырабатываемые двигателями автомобилей и промышленных установок, для прокачки топлива, охлаждающих жидкостей, масла и прочих газов и жидкостей. Это значительно упростит их конструкцию и продлит их сроки работы», — отмечено в публикации ТАСС [3].
