Рис. 1. Схема первого сифонирующего унитаза
Рис. 2. Схема одного из промежуточных вариантов сифонирующего унитаза
Рис. 3. Схема усовершенствованного сифонирующего унитаза
Рис. 4. Схема тарельчатого унитаза с вертикальным выпуском и с высокорасполагаемым смывным бачком
Рис. 5. Схема тарельчатого унитаза с косым выпуском и бачком на полочке
Унитаз — это, в первую очередь, предназначенное для отправления дефекации людей санитарно-техническое приспособление, устанавливаемое в туалетах и снабженное системой автоматического или полуавтоматического смыва. Существует также разновидность унитазов — напольные чаши. Однако их устанавливают в санитарных узлах общественных и производственных зданий и в общественных туалетах.
Поэтому здесь будут рассматриваться только унитазы, которые устанавливаются в жилых помещениях, то есть в квартирах. После изучения истории развития унитазов можно только удивляться, как плохо и сложно было людям существовать без этих крайне необходимых устройств, и как медленно эти устройства совершенствовались. Однако следует отметить, что большинство даже современных унитазов массового производства еще далеки до полного совершенства, но жизнь людей — особенно горожан — они все-таки делают достаточно комфортной.
Приближенные к современному виду унитазы появились лишь в конце XIX века. До этого население городов пользовалось выгребными туалетами на улице и «ночными вазами» — горшками. Встречались и другие приспособления и устройства для отправления естественных нужд. До начала XIX века неприятный запах выгребных ям являлся суровой неизбежностью больших городов, как и ночные ассенизационные обозы для очистки этих ям.
Даже появлявшиеся предшественники современных унитазов имели механические устройства, препятствующие проникновению газов из канализационной сети в помещение, но они все равно через свои несовершенные стыки пропускали запахи. Характерной особенностью первородных унитазов было наличие гидрозатвора в сливном канале, отводящем воду из чаши унитаза в канализацию.
Такое техническое решение надежно защищает помещения от газов канализационной системы и предотвращает появление неприятных и вредных для здоровья запахов в этих помещениях. Это величайшее изобретение человечества. Теперь оно применяется практически во всех унитазах как наиболее простое и эффективное. Также унитаз снабжен сифоном, позволяющим интенсивно перемещать содержимое чаши унитаза в канализационную сеть, принудительно «высасывая» это содержимое из чаши унитаза.
Применение сифона в сливном канале, отводящем воду в канализационную сеть из чаши унитаза, является также одним из основополагающих технических решений проблемы удаления содержимого из чаши унитаза в канализационную сеть. Первый унитаз, созданный в конце XIX-го века Томасом Креппером, включал в себя чугунную чашу воронкообразного типа, отлитую вместе с полостью гидравлического затвора и хорошо развитым сифоном, а также смывной бачок, подвешенный под потолком над чашей унитаза и соединенный с чашей унитаза трубой.
Благодаря удачно подобранной геометрии чаши унитаза и сифонного устройства унитаза в виде его начального участка в форме наклонной трубы с переходом к горизонтальному каналу, и далее к резкому изменению направления канала вниз к канализационной трубе в полу помещения, обеспечивается интенсивное удаление содержимого чаши унитаза. Качественный смыв осуществляется также благодаря сифонному эффекту трубы, соединяющей смывной бачок с чашей унитаза, обеспечивающей большой по величине расход на смыв, необходимый для зарядки сифона унитаза.
Созданный Креппером унитаз показал потрясающие результаты. В частности, за один спуск воды было одновременно смыто десять яблок средней величины, одна мочалка, три воздушных шарика, замазка, размазанная по стенкам чаши унитаза, и четыре куска бумаги, плотно прижатые к замазке. Этот уникальный эффект привел к появлению нового словосочетания «сифонирующий унитаз», которое почему-то не «прилипло» к последующим модификациям даже современных унитазов.
Следует однако отметить, что практически почти все современные унитазы являются сифонирующими. Вот только эффективность смыва у них значительно уступает сифонирующему унитазу Томаса Креппера. На рис. 1 приведена принципиальноконструктивная схема первого сифонирующего унитаза. Его воронкообразная чаша 1 содержит входной патрубок 2, внутреннюю отбортовку 3 под ободом чаши, пьедестал 4 и отводной канал 5.
В состав этого унитаза входит также смывной бачок 6 и водопроводная труба 7, нижний конец которой пристыкован к торцу входного патрубка 2, а стык уплотнен эластичной муфтой 8. Пьедестал 4 унитаза прикреплен к полу 9, а конец отводного канала 5 входит в раструб канализационной трубы 10 и, соответственно, уплотняется. Буквами ГЗ обозначена полость гидравлического затвора. Спускная арматура смывного бачка на схеме не показана, как и наполнительная.
Устройство и работа наполнительной арматуры уже были детально освещены в журнале С.О.К. (номера № 8–12/2013). Устройство и работа спускной арматуры будет освещена уже в следующих статьях. Следует упомянуть, что пуск спускной арматуры в этом случае осуществляется с помощью рукоятки и связанной с ней цепочкой, закрепленной на конце рычага пускового механизма смывного бачка. Работает сифонирующий унитаз следующим образом.
В исходном состоянии в чаше 1 унитаза остается вода от предыдущего спуска на уровне верхнего среза отводного канала 5. Сам отводной канал осушен, но газы из него благодаря гидравлическому затвору ГЗ в помещение не поступают. После открытия спускного клапана смывного бачка 6 вода из бачка начнет поступать в трубу 7. Начальный момент заполнения трубы 7 происходит со сравнительно малыми расходами.
Однако, когда труба 7 заполнится, то под действием веса воды проявится сифонирующий эффект, и вода через патрубок 2 и канал отбортовки 3 будет более интенсивно поступать сначала в чашу 1 унитаза, а затем в отводной канал 5 и в канализационную трубу 10. В начальный момент спуска вода в чаше 1 будет подниматься, так как отводной канал 5 еще не успел заполниться водой, но, как только он заполнится, за счет сифонного эффекта, то есть под действием веса воды на наклонном участке отводного канала 5, начнется интенсивное выкачивание воды и содержимого из чаши унитаза.
Максимальный уровень подъема воды в чаше унитаза будет определяться величиной расхода на смыв из бачка 6 и интенсивностью расхода воды в отводном канале 5. Если расход воды из бачка на смыв будет недостаточным, то его не хватит на то, чтобы сделать поток в отводном канале без разрывов его сплошности. Поэтому сифонирующего эффекта отводного канала не будет обеспечено, и вода не сплошным потоком, а в виде свободного ручейка будет поступать в канализационную трубу 10, но смыва содержимого из чаши унитаза не произойдет.
Поэтому все, что нужно спустить, останется в чаше унитаза. Следует отметить, что процесс смыва содержимого чаши унитаза завершается после автоматического закрытия спускного клапана смывного бачка. В процессе смыва вода, поступающая в чашу унитаза через кольцевую щель между стенками отбортовки 3 и стенками чаши унитаза, интенсивно и хорошо омывает рабочую поверхность унитаза. Казалось бы — все хорошо.
Однако у такого унитаза имеются по современным меркам и существенные недостатки. Первый из них заключается в том, что на полный слив потребляет около 14 л воды, а это в два-три раза превышает современные требования по полезному объему смывных бачков. Это объясняется тем, что для «зарядки» сифона унитаза, то есть для заполнения отводного канала 5 и подъема уровня воды в чаше унитаза требуется до 10 л воды.
Остальные недостатки сводятся к следующему. В момент спуска содержимого чаши унитаза вода в ней поднимется очень высоко — почти до краев отбортовки. Американцев, которые к таким бачкам привыкли, это не смущает, а европейцев при столкновении с таким явлением первое время пугает. Нижний уровень воды также слишком высок, что при дефекации приводит к появлению брызг, попадающих на открытые части тела пользователя.
У первого сифонирующего унитаза корпус был изготовлен из чугуна, что не совсем хорошо с точки зрения очистки рабочих поверхностей чаши. Кроме того, в момент спуска воды сифонирующий эффект трубы 7, подающей воду из смывного бачка 6 в подводящий патрубок 2, производит очень специфический и достаточно громкий и даже мелодичный звук, характерный для высокорасполагаемых смывных бачков.
В одной из кукольных постановок Сергея Образцова куклой-конферансье сообщалось, что симфония, которая там звучала, завершается мелодичным звуком работы водосливного бачка. На рис. 2 приведена принципиальноконструктивная схема другого, уже более современного с точки зрения внешнего вида сифонирующего унитаза. Здесь чаша 1 унитаза уже выполнена из более гигиеничного материала — фарфора.
Кроме того, смывной бачок 2 установлен на полочку чаши 1 унитаза, а не под потолком. Последнее, как уже отмечалось, приводило к появлению шумных звуков в момент спуска воды. В верхней части чаши унитаза имеется также отбортовка 3, которая позволяет равномерно омывать стенки чаши водой, поступающей из бачка 2. В этом унитазе имеется и развитый сифон в виде канала 4 сложной конфигурации.
Входной участок, обозначенный буквами ГЗ, является гидравлическим затвором, предотвращающим попадание газов из канализационной сети в помещение. Нижняя часть этого канала, переходящая в трубу, вставляется в оголовок канализационной трубы 5 с соответствующим уплотнением. Следует отметить, что и здесь труба 5 заделана в пол 6. В нижней части рис. 2 приведен вид сверху на чашу унитаза без смывного бачка.
Кроме того, в нижней части чаши имеется отверстие А, через которое во время спуска также поступает вода для интенсивной зарядки сифона 4.Работает этот сифонирующий унитаз примерно так же, как и унитаз, приведенный на рис. 2. Однако его работа отличается малошумностью, так как отсутствует сифон в виде трубы между смывным бачком и унитазом. Ведь бачок установлен прямо на полочку унитаза.
Как уже упоминалось выше, эта труба и поднятый высоко смывной бачок благодаря сифонному эффекту обеспечивают сравнительно большой расход воды на смыв, что в начальный момент позволяет быстро зарядить сифон и обеспечить эффективную транспортировку содержимого унитаза в канализационную сеть. Установка же смывного бачка на полочку унитаза при прочих равных условиях значительно уменьшает величину среднего расхода на смыв.
Причем уменьшает настолько, что, несмотря на наличие сифонирующего канала 4, смыв происходит вялый и малоэффективный. Как уже отмечалось, для обеспечения эффективного смыва в нижней части чаши унитаза выполнено отверстие А, по которому в момент пуска подается дополнительный объем воды для быстрого заполнения сифонирующего канала 4, то есть для зарядки сифона. В результате некоторого усложнения удалось получить сифонирующий унитаз с отличными качествами смыва, но с большим объемом потребления воды — до 18 л.
Одной из причин плохой зарядки сифона явилось то, что горизонтальный участок сифонирующего канала оказался значительно короче, чем в унитазе, приведенном на рис. 1. В результате несколько уменьшилось гидравлическое сопротивление конечного участка сифона, и, в сочетании с уменьшением расхода на смыв из-за установки бачка на полочку унитаза, он не смог обеспечить сплошности потока во всех его сечениях.
Поэтому сифонный эффект оказался несовершенным и пришлось в начальный момент спуска подводить дополнительно воду через отверстие А для полноценной зарядки сифона. Это было в первом варианте конструкции данного унитаза. Однако специалистам «унитазостроения» удалось конструктивно изменить унитаз так, что в Америке он выпускается серийно, и рассчитан он, конечно, на помещения с разводкой канализационных труб под перекрытием.
Как показывает практика, хороший сифонирующий эффект по принудительному перемещению содержимого унитаза получается у унитазов с вертикальным выпуском. У унитазов с горизонтальным и косым выпуском подобного эффекта пока получить не удается. По крайней мере, если в него высыпать куски пенополистирола или подсохших экскрементов домашних животных, то простым одноразовым нажатием на рукоятку или на кнопку смыва транспортировать это в канализационную сеть не удастся.
Поэтому отечественный ГОСТ 13449–82 для определения качества смыва унитаза рекомендует пользоваться искусственными фекалиями. В одном случае это мелкие куски газетной бумаги, отмоченные сутки в горячей воде, из которых вручную формируются валики диаметром 30 мм и длиной 70–80 мм. В другом случае — смоченные водой искусственные губки (поролон). Их диаметр — не менее 30 мм, а длина — не менее 100 мм.
На практике пользование этими рекомендациями приводит к мысли, что совет использовать искусственные фекалии, изготовленные из отмоченной в воде бумаги, разработаны для того, чтобы производители унитазов могли «впарить» потребителям унитазы с плохими качествами смыва. С бюджетной продукцией многих отечественных изготовителей так и происходит. Что касается рекомендаций по применению для испытаний унитазов на качество смыва с использованием смоченных водой искусственных фекалий из поролона, то ими никто не пользуется.
Почему? Во-первых, в ГОСТе нужно было написать «пропитанные водой», а не смоченные, так как это «две большие разницы». Пропитанные водой поролоновые цилиндры еще могут как-то проскочить с канализацию, но вероятнее всего они застрянут в спускном канале унитаза, так как линейные размеры сечения этого канала не превышают 85 мм и в нем есть крутые повороты.
Если же эти поролоновые искусственные фекалии только смочены водой, то в их теле будут содержаться пузырьки воздуха. В результате плавучесть поролоновых цилиндров будет настолько велика, что слабый сифонный эффект унитазов с горизонтальным и косым выпуском не позволит затянуть их в спускной канал и транспортировать в канализацию. С этой задачей пока легко справляются только сифонирующие унитазы, приведенные на рис. 1, 2 и 3.
Как уже было упомянуто, создатели сифонирующих унитазов работают в направлении улучшения их эксплуатационных показателей и уже добились определенных успехов. На рис. 3 приведена принципиально-конструктивная схема одной из последних моделей сифонирующих унитазов. Здесь введены некоторые новые решения, которые упростили конструкцию узла подвода воды для зарядки сифона и усложнили конструкцию смывного бачка для существенного увеличения среднего расхода на смыв, особенно его значение на начальной стадии расхода, что обеспечило эффективность транспортировки содержимого унитаза в канализационную сеть.
Конструктивно изменилась также и система подвода воды, необходимой для омывания поверхности чаши унитаза. Вода из смывного бачка 1 через входной патрубок 2 поступает в приемную полость 3 унитаза. Далее через щель 4 она направляется на омывание наиболее подверженной загрязнению рабочей тыльной поверхности чаши унитаза, а также в канал 5, ограниченный отбортовкой 6. Из канала 5 вода поступает в канал 7 для подпитки сифона, а также через отверстия в нижней части канала отбортовки 6 на омывание основной поверхности чаши унитаза.
Вытекая из нижней части канала 7, вода под некоторым напором проходит под приемным отверстием чаши унитаза, и за счет эжекторного эффекта, увлекая за собой воду и содержимое приемного отверстия, принудительно загоняет все это в полость 8. В этой полости давление воды за счет ее приостановки в связи с расширением полости 8 повышается, и вода устремляется в сифонную часть 9 выпускного канала с патрубком 10.
Такое техническое решение является по сути дела революционным, поскольку оно обеспечивает высасывание из чаши унитаза даже очень легких и насыщенных воздухом предметов, например, кусочков пенополистирола. Кроме того, оно позволяет исключить недостаток, присущий конструкциям, приведенным на рис. 1, который заключается в недопустимо большом поднятии уровня воды в чаше унитаза в первый момент пуска смывного бачка на смыв.
Следует отметить еще один недостаток сифонирующих унитазов. В процессе эксплуатации их сложные и сравнительно малого сечения каналы склонны к засорению. Устранение этого дефекта всякими химическими «прочистителями» не всегда приводит к успеху. В этом случае, как правило, помогают механические способы прочистки засоров с помощью приспособлений с металлическими гибкими тросами, продающимися в соответствующих торговых точках.
Уникальным и очень смелым оказалось техническое решение по увеличению расхода воды на смыв из бачка, установленного на полочку унитаза. Оно заключается в том, что во внутрь керамического бачка устанавливается пластмассовый герметично закрытый бачок. В нем смонтирована спускная и наполнительная арматура, а также соответствующие клапаны. В исходном состоянии внутренняя полость пластмассового бачка заполнена атмосферным воздухом.
При заполнении водой через наполнительный клапан воздух над зеркальной поверхностью воды сжимается и его давление увеличивается до 0,02 МПа, что соответствует напору, равному 2 м вод. ст. Ограничителем этого давления является система специальных клапанов, вмонтированных в пластмассовый смывной бачок. Благодаря повышенному давлению в пластмассовом бачке средний расход воды на смыв получается большим, соизмеримым с расходом воды из высокорасполагаемого бачка.
В результате унитаз (рис. 3) обладает отличными эксплуатационными показателями по качеству смыва, но объем воды, необходимый для обеспечения качественного смыва, составляет 10 л. Это больше, чем 4–6 л, к которым стремится человечество. Однако размещение рабочего пластмассового смывного бачка внутри керамического исключило запотевание стенок керамического смывного бачка, что очень важно с точки зрения сырости в туалетном помещении, особенно в зимний отопительный период.
Уникальное решение по созданию некоторого давления внутри бачка для обеспечения необходимых условий для работы сифонирующего унитаза обернулось для создателей неожиданной неприятностью. После некоторого времени эксплуатации бачки стали взрываться. Причин для этого несколько. Две из них — наиболее существенные. Во-первых, пластмассовый бачок под давлением, даже маленьким — это незнание элементарных свойств пластмасс.
Они как конструкционный материал сносно работают на сжатие, но не на растяжение и не на изгиб. Простой расчет говорит, что даже при небольшом давлении, равном 0,02 МПа, создается усилие на разрыв бачка около 150 кгс. С увеличением давления за счет старения запорно-регулирующих элементов клапанов это усилие многократно увеличивается. Поэтому пластмассовые бачки под давлением должны взрываться. Тем более что сварной шов на границе верхней и нижней части бачков имеет худшие характеристики на растяжение и разрыв, чем основной материал, из которого изготовлен бачок.
Во-вторых, всякие предохранительные клапаны, которые должны предотвращать повышение давления в пластмассовом бачке, выполняют свое назначение, пока они новые. Со временем их запорные элементы в безрасходном режиме не могут обеспечить идеальной герметичности. В водопроводной же сети давление в среднем составляет 0,3 ± 0,2 МПа. Поэтому давление в бачке может достигать при длительной эксплуатации опасных величин, которые и приведут к взрыву бачка.
О том, что давление на выходе, например, редукционного клапана в безрасходном режиме может медленно увеличиваться, говорят факты разрыва пластмассовых колб фильтров для очистки воды, снабженные для понижения давления в полости фильтра редукционными клапанами. Это статистика. Большой объем воды, необходимый для качественного смыва в рассмотренных сифонирующих унитазах с точки зрения водопотребления заставил промышленность совершенствовать гидравлическую часть унитазов с целью снижения объемов воды для обеспечения качественного смыва.
Задачу уменьшения объема расходуемой на смыв воды специалисты унитазостроения решили на стыке XIX и XX веков. Был разработан так называемый тарельчатый унитаз, в котором при сравнительно хороших результатах по качеству смыва удалось уменьшить объем воды до 6–8 л. Принципиально-конструктивная схема одного из вариантов тарельчатых унитазов приведена на рис. 4. Он включает в себя чашу 1 с отбортовкой 2, а также с тарельчатообразным углублением 3 в средней части чаши.
Приемный канал 4 через U-образную часть переходит в вертикальную трубу 5, нижний конец которой входит с соответствующим уплотнением стыка в оголовок канализационной трубы 6, заделанной в пол 9. Через трубу 7 отводится содержимое унитаза в стояк 8. В этом унитазе тарельчатого типа применяется высокорасполагаемый смывной бачок (на рисунке не показан) с трубой 10, а также с муфтовым эластичным уплотнением 11.
Цифрой 12 обозначено условно изображенное гидравлическое сопротивление потоку воды, вытекающему из вертикальной трубы 5, с целью организации безразрывности потока воды. Буквами ГЗ обозначен гидравлический затвор. Здесь также применяются хорошо развитые сифоны унитаза и канала, соединяющего смывной бачок с унитазом, в виде трубы 10. Хорошие сифонирующие свойства унитаза обусловлены тем, что сплошность сифонирующего потока поддерживается введением гидравлического сопротивления 12.
Без него поток в трубе был бы разорванным и с плохими сифонирующими свойствами. Малые объемы воды, необходимые для качественного смыва, требуются тарельчатому унитазу потому, что конструкторам удалось уменьшить объем приемного канала до минимальных величин. Уменьшен также до минимальных величин и объем сифонного канала. Как отмечалось, для обеспечения качественного смыва тарельчатому унитазу, приведенному на рис. 4, достаточно 6 л воды.
Причем это обеспечивается в случае применения высокорасполагаемого смывного бачка и унитаза с вертикальным выпуском. Добиться таких результатов в тарельчатых унитазах с бачком, размещенным на полочке чаши унитаза и прямым или косым выпуском сложнее. На рис. 5 приведена принципиальноконструктивная схема унитаза тарельчатого типа с косым выпуском.
Здесь смывной бачок 1 закреплен на приставной полочке 2, которая крепится к чаше 3 смывного бачка специальными болтами, которые также крепят к верхней плоскости чаши унитаза и сиденье (на схеме не показано). Здесь также выполнена отбортовка 4, тарельчатая приемная часть 5, приемный канал 6, гидравлический затвор 7 и выпускной патрубок 8. В качестве сифона здесь служит короткая канализационная труба 9, конец которой входит в оголовок ответвления 10 канализационной трубы.
С таким ответвлением, выход которого (оголовок) буквально лежит на полу 13, сифонный эффект будет проявляться относительно хорошо, но хуже, чем это имеет место в унитазах, приведенных на рис. 1, 2 и 3. Почему? Ответ на это вопрос наши читатели смогут получить в следующем номере журнала СОК.
