В XIX веке миниатюрные водяные турбины, подключённые к обычным кранам, успешно применялись для приведения в действие разнообразных механизмов — тех, которые в дальнейшем начали работать от электричества.
В современном мире мало кто осознаёт, что водопровод может служить не только источником питьевой воды, но и потенциальным средством передачи энергии. До широкого распространения электричества, в последней трети XIX века, в странах Европы и в США активно применялись водяные двигатели — компактные устройства, способные приводить в движение механизмы различного назначения. Такие турбины подключались к водопроводному крану и использовались, в том числе, в домашних и производственных условиях.
Энергия из крана
С древних времён и вплоть до начала XX века вода оставалась ключевым небиологическим источником механической энергии. Несмотря на то что традиционно водяные колёса размещались в руслах рек или на их берегах, развитие гидротехнической инженерии позволило размещать их на значительном расстоянии от природного источника. Это стало возможным благодаря технологии гидравлической передачи энергии: вода направлялась по искусственным каналам — наземным или вырубленным в скальных породах — к месту установки механизма.
Такие каналы назывались энергетическими или гидравлическими. В зависимости от условий рельефа они могли быть в виде выемок («рвов») или приподнятых конструкций с бортами («лотков»). Часто в систему включались водохранилища, созданные посредством плотин, что позволяло аккумулировать воду, регулировать поток и увеличивать перепад высот, необходимый для работы вертикальных турбин.
Уже в Средние века такие каналы получили широкое распространение, а к XVI веку стали неотъемлемой частью инфраструктуры во многих регионах. В XIX веке, с ростом населения и индустриализации, в европейских и американских городах начали внедрять централизованное водоснабжение — прежде всего в целях санитарии и предотвращения эпидемий. Однако вскоре было установлено, что такие системы могут использоваться и для передачи механической энергии.
В условиях, когда электрические сети ещё отсутствовали, а паровые двигатели были слишком громоздкими, дорогостоящими и опасными для установки в домашних и мастерских условиях, появилась потребность в компактных и безопасных источниках энергии. Эту роль частично заняли водяные турбины, подключаемые к системе водоснабжения.
Городские водопроводы по сути выполняли ту же функцию, что и гидравлические каналы более раннего периода. Однако вместо использования рельефа, в системах водоснабжения XIX века применялись водонапорные башни — резервуары, размещённые на возвышенностях или специально построенных конструкциях. Давление воды в трубопроводах создавалось за счёт разности уровней между башней и точками водоразбора.
Быстро стало очевидно, что питьевая вода, подаваемая по трубопроводам общественного водоснабжения, также может служить движущей силой.
В отличие от открытых каналов, трубопроводы обеспечивали защиту воды от загрязнений и позволяли преодолевать перепады высот. Хотя трубопроводные системы были известны ещё в античности, современные технологии позволили повысить их эффективность и адаптировать к нуждам развивающейся городской инфраструктуры.
Существенным усовершенствованием стало внедрение винтового крана (патент 1845 года), благодаря которому стало возможным точно регулировать напор воды. Кроме того, системы водоснабжения позволяли распределять воду по этажам зданий, что обеспечивало энергию для устройств, находящихся в разных помещениях.
Таким образом, для получения механической энергии в любом помещении, подключённом к городской системе водоснабжения, достаточно было установить малогабаритную турбину, которую можно было подключить непосредственно к крану. Эта технология получила практическое применение уже в середине XIX века.
Бытовые устройства, работающие на воде
Первые компактные водяные двигатели, использующие давление воды в общественных водопроводах, начали применяться в Европе в 1840-х годах. В США подобные устройства стали массово использоваться с 1870-х годов. Конструкция типичного водяного двигателя включала небольшую турбину, помещённую в металлический корпус. Диаметр рабочих колёс варьировался от 20 до 90 сантиметров, в зависимости от требуемой мощности и назначения устройства.
Наиболее компактные водяные двигатели применялись для привода швейных машин, лобзиков, вентиляторов и других мелких механических устройств.
Устройства среднего размера рекомендовались для эксплуатации кофемолок, аппаратов для заморозки мороженого, ювелирных и слесарных станков, точильных кругов, церковных органов, а также мельниц, предназначенных для измельчения лекарственных средств и пигментов.
Крупные водяные двигатели использовались преимущественно для привода подъёмников и циркулярных пил. В стиральных машинах с водяным приводом вода, использовавшаяся для стирки, одновременно служила источником энергии для работы механизма. Такие двигатели передавали вращательное движение посредством системы механической передачи, аналогичной конструкциям ветровых, водяных и ножных приводов, применявшихся в то время. Вал водяной турбины оснащался шкивом для ремённой передачи либо напрямую соединялся с рабочим узлом конкретного устройства.
С конца XIX века водяные двигатели стали также использоваться для выработки электроэнергии, необходимой для питания радиоприёмников и электрических ламп. В этом случае вращение турбины обеспечивало работу динамо-машины, генерирующей ток на месте эксплуатации. В продаже появились компактные агрегаты, объединяющие водяную турбину и динамо-машину в едином корпусе.
Выходная мощность и эффективность водяного двигателя
В отличие от традиционных водяных колёс, использующих в основном вес воды, большинство водяных турбин получают энергию за счёт её кинетической составляющей — импульса движущегося потока. Существенный прорыв в этой области обеспечило изобретение в 1878 году колеса Пелтона — турбины, состоящей из набора чашеобразных лопаток, равномерно размещённых по ободу диска («бегуна»).
Поток воды под давлением поступает через впускную трубу и сопло, где объём потока снижается, а скорость — увеличивается. Ударяя в чаши, струя передаёт турбине энергию движения. Мощность можно регулировать, изменяя параметры сопла. Отработанная вода отводится через выпускной канал или нижнюю часть корпуса турбины.
Эффективность колеса Пелтона не зависит от его геометрических размеров, что делает его особенно пригодным для маломощных применений.
Конструкция этой турбины оптимально подходит для эксплуатации в городских условиях, где доступны высокое давление и ограниченный расход воды. КПД колеса Пелтона может достигать 90%, что сравнимо с показателями современных промышленных электродвигателей. В отличие от паровых машин и большинства водяных турбин, чья эффективность снижается с уменьшением размера, колесо Пелтона сохраняет высокий КПД независимо от габаритов, что делает его особенно ценным для маломощных установок.
Водяные турбины, такие как колесо Пелтона, обладают компактными габаритами и могут генерировать значительно большую мощность, чем традиционные водяные колёса сопоставимого размера.
На величину выходной мощности водяного двигателя влияют два основных фактора: давление воды и скорость её потока. Последний параметр зависит от диаметра трубопровода и скорости движения воды. В узких трубах максимальная скорость ограничивается из-за возрастающих потерь на трение, которые становятся существенными при превышении скорости 8 км/ч.
В системах водоснабжения городов XIX века давление составляло около 4,8 бар, что соответствует типичным показателям того времени. При таком давлении и диаметре трубы 1,25 см — что было стандартом для ответвлений к бытовым приборам — мощность водяного двигателя могла достигать 0,33 лошадиных сил (примерно 243 Вт). Даже с учётом потерь в системе это значительно превышает мощность, которую способен выработать человек на педальном механизме в течение длительного времени.
Потребление воды
Водяные двигатели решали задачу энергообеспечения, слабо охватываемую другими типами двигателей того времени, и использовали централизованные системы водоснабжения, уже распространённые в городской инфраструктуре. Однако их развитие было ограничено быстрым распространением электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания.
К 1900 году в Соединённых Штатах насчитывалось около 30 000 водяных двигателей суммарной мощностью 26 000 лошадиных сил, что составляло лишь пятую часть от общего числа бензиновых двигателей и примерно десятую часть от числа электродвигателей.
В конце XIX века водяные двигатели также использовались для питания электрических устройств, таких как лампы и радиоприёмники.
Существенным недостатком этих установок являлось крайне высокое потребление питьевой воды. Например, при использовании трубы диаметром 1,25 см и давлении 4,8 бар, расход воды составлял порядка 30 литров в минуту при выходной мощности 243 Вт. Таким образом, для генерации 1 киловатт-часа механической энергии требовалось около 7440 литров воды. В сравнении, в современных условиях среднесуточное потребление питьевой воды на одного человека составляет менее 500 литров, при среднем энергопотреблении более 5 кВт·ч в день.
При снижении давления воды ниже 4,8 бар мощность водяного двигателя также уменьшалась, несмотря на то, что объем потребляемой питьевой воды оставался неизменным. Минимально допустимое давление в системе общественного водоснабжения составляет 1,4 бар. Ниже этого порога возникает риск попадания загрязнений в водопроводную систему через возможные утечки. При давлении 1,4 бар водяной двигатель способен развивать мощность не более 0,09 л.с. (67 Вт), что существенно ограничивает его эффективность. Компенсировать недостаток давления можно за счёт увеличения диаметра трубопровода, однако это ведёт к дополнительному расходу питьевой воды.
Снижение давления в городской водопроводной сети может быть вызвано множеством факторов: переходом поставщика на пониженные стандарты давления, утечками в трубопроводах, высотным расположением зданий относительно уровня водонапорной башни или использованием оборудования на верхних этажах. Давление на входе в здание, как правило, выше, чем у выхода из водопроводных кранов, поскольку оно теряется в результате сопротивления при прохождении через изгибы труб. Кроме того, с подъёмом воды на каждый этаж теряется примерно 0,3447 бар давления.
Неравномерность давления воды
Дополнительный рост водопотребления обусловлен колебаниями давления в системе. Использование водонапорной башни является энергоэффективным решением, поскольку позволяет создавать давление с помощью насосов малой мощности, ориентированных на удовлетворение среднего уровня потребления. Пиковые нагрузки, возникающие, например, в утренние часы, компенсируются снижением уровня воды в резервуаре, который затем пополняется в периоды низкого спроса, преимущественно ночью.
Альтернативный подход, предусматривающий непосредственную подачу воды в сеть под давлением с помощью насосов, требует установки более мощного оборудования, способного справляться с пиковыми нагрузками. Однако такие насосы большую часть времени работают с низкой эффективностью, поскольку не используются на полную мощность.
Хотя использование водяных двигателей в США прекратилось в начале XX века, в Европе была реализована более продвинутая концепция гидравлической передачи энергии.
Колебания давления не представляют серьёзной проблемы для обеспечения питьевой водой, но существенно снижают эффективность водяных двигателей. При снижении уровня воды в башне падает и давление в трубопроводе, в результате чего для поддержания мощности двигатель должен быть увеличен в размерах и подключён к трубам большего диаметра. Это ведёт к росту водопотребления и снижает общую энергетическую эффективность системы. Максимальная эффективность водяного двигателя достигается только при стабильном и заранее известном давлении воды, на которое он был рассчитан.
Гидравлический аккумулятор как эффективное решение
Как уже отмечалось ранее, на выходную мощность водяного двигателя влияют два основных параметра: давление воды и её расход. Увеличение диаметра трубы позволяет повысить расход, но одновременно увеличивает потребление ресурса. Альтернативным и более эффективным подходом является повышение давления, позволяющее получить большую мощность при меньшем объёме воды.
Так, при давлении 48 бар, что в десять раз выше стандартного уровня в системах общественного водоснабжения, водяной двигатель, подключённый к трубе диаметром 1,25 см, способен развивать мощность до 3,3 л.с. (примерно 2500 Вт механической энергии). Это означает либо десятикратное увеличение мощности при том же расходе воды (30 литров в минуту), либо десятикратное снижение расхода при сохранении уровня мощности. Однако для создания давления 48 бар потребовалась бы водонапорная башня высотой порядка 500 метров, что делает такой вариант практически неосуществимым в строительстве.
Несмотря на прекращение использования водяных двигателей в США, европейские инженеры продолжили совершенствование гидравлической передачи энергии. Им удалось существенно снизить потребление воды, необходимое для работы водяных двигателей, и одновременно повысить эффективность систем.
Во-первых, были созданы отдельные сети, предназначенные исключительно для передачи энергии с помощью воды под давлением, что исключило использование питьевой воды для технических нужд.
Во-вторых, в Европе перешли к использованию систем с более высоким и стабильным давлением, что стало возможным благодаря внедрению гидравлических аккумуляторов — устройств, позволяющих накапливать энергию давления и выдавать её равномерно, независимо от краткосрочных колебаний потребления.