trkač

Ačkoliv nepatří trkač mezi vodní motory, má mezi technikou tohoto druhu své místo, protože umožnuje čerpání vody přímo vodní energií.

Historie:

Trkač vynalezl na sklonku života Joseph Michel Montgolfier z francouzského Lionu. (jeden z bratrů, díky kterým dnes létají horkovzdušné balóny.) Byl v té době veřejností považován za blázna a podivína, když dlouhé měsíce bádal nad tak "banální" maličkostí, jakou je trkací ventil. On však dobře věděl co dělá. První trkač do Českých zemí přivezl v r.1834 z Paříže obchodník Prudent Voizot pro Luise Rohana. Byl určen pro vodovod vedoucí z říčky Mohelky na zámek Sychrov.

Princip:

Trkač pracuje na principu vodního rázu, který vzniká v potrubí s proudící kapalinou při jeho prudkém uzavření. Náhlým nárůstem tlaku je možno dopravovat vodu do výše položeného místa, než je spád, na kterém trkač pracuje.

Funkce:

Voda přitéká k trkači potrubím. Trkací ventil je zatížen závažím o něco více, než je hydrostatický tlak vody v potrubí. Trkací ventil klesne a otevře odtok vody. Voda začíná v potrubí proudit, pozvolna získává na rychlosti. Plochý talířek trkacího ventilu klade jejímu proudění odpor. Tak se stane, že voda při určité rychlosti strhne talířek ventilu sebou a přirazí ho do sedla. Konec potrubí je znenadání uzavřen. Voda v potrubí má však setrvačnost a proudí dál. Před trkacím ventilem značně naroste tlak. V tom okamžiku tlak nadzdvihne výtlačný ventil a voda začne proudit do větrníku, kde stlačuje vzduch. Za okamžik se však setrvačná energie vodního sloupce v přívodním potrubí vyčerpá. Voda přestává proudit do větrníku. Výtlačný ventil se vlastní váhou uzavírá. Stlačený vzduch ve větrníku před sebou žene nashromážděnou vodu do výše položeného vodojemu. Mezitím se voda v přívodním potrubí zcela zastavila, tlakový ráz zanikl. Na uzavřený trkací ventil již nepůsobí rychlost proudící vody. Samotný hydrostatický tlak v potrubí neudrží jeho talířek přitlačený do sedla. Ventil pod váhou závaží klesá a otevírá vodě volný odtok do odpadního kanálu. Voda z klidu začíná opět proudit přívodním potrubím. Zvyšuje rychlost, až pojednou strhne sebou i talířek trkacího ventilu...
Nastává další vodní ráz... Situace se periodicky opakuje.

Značná část vody se obětuje na to, aby sloupec vody v potrubí získal náležitou rychlost. Voda se do větrníku čerpá jen po krátký okamžik, kdy je po prudkém uzavření tlak vodního rázu v potrubí vyšší než tlak ve větrníku.

I přes poměrně malou účinnost patří trkač ke spolehlivým čerpacím zařízením, protože se u něho nevyskytují rotující se části, které by bylo nutné mazat.

Trkač může pracovat od spádu H ₁ minimálně 1 metr (optimálně od 2 metrů).
Trkač klasické konstrukce vytlačí vodu maximálně do 25-násobku původního spádu.
Trkač je citlivý na písek a nečistoty, které za provozu vytloukají sedla ventilů. Musí být proto před trkačem zařazen lapač písku a jemné česle.
Vzduch ve větrníku je nutné nejméně jednou za 14 dní doplnit pumpičkou, protože se pod tlakem částečně rozpouští ve vodě.
Trkač dopravuje do výše tutéž vodu, která ho pohání - tedy vodu říční. Dopravovat vodu jinou, než hnací (např. ze studny) může pouze po zařazení multiplikační jednotky. Ta je však složitější než použít čerpadlo hnané vodním motorem.

Konstrukční detaily:

Vstup do potrubí musí být řešen plynulým přechodem, aby nedocházelo ke kontrakci.
Potrubí musí mít dostatečnou světlost, aby nekladlo proudící vodě odpor a ta mohla dosáhnout co možná nejvyšší rychlosti. Nemělo by být menší než 2 palce.
Potrubí musí mít dostatečnou délku, která je závislá na výšce, kam má být voda dopravována. (Absolutní vodní ráz s nejvyšším tlakem trvá jen tak dlouho, než tlaková vlna doběhne od trkacího ventilu po začátek potrubí a zpět k trkacímu ventilu. Vlna se šíří rychlostí zvuku. Pak voda v potrubí "couvne" zpět.) Navíc při krátkém potrubí pracuje trkač v krátkých periodách a více se opotřebovává.
Potrubí musí být z nepružného materiálu (litinové nebo ocelové), hadice nebo plastové potrubí snižuje objemovou účinnost a velmi výrazně dopravní výšku.
Koleno k trkacímu ventilu musí mít velký rádius.
Odbočka z hlavního potrubí na výtlačný ventil a větrník musí být co nejblíže k trkacímu ventilu.
Výtlačný ventil musí být lehký a mít malou setrvačnou hmotu.
Trkací ventil musí být umístěn co nejníže, spád od jeho sedla po spodní hladinu není využitý.
Trkací ventil musí mít velký průměr a malý zdvih. Když už se rozhodne zavřít, musí se to odehrát v co nejkratší době.
Závaží trkacího ventilu musí mít takovou váhu, aby byl sestavený ventil o trošku těžší, než prostý tlak vody, který jej přitlačuje do sedla.
Sedlo ventilu musí odolávat trvalým nárazům. Je vhodná kombinace tvrdého kovu talířku a těsnícího prstence z částečně pružné umělé hmoty, která je jako výměnný díl přitažena přírubou.
Vedení dříku trkacího ventilu (např.nerez/texgumoid) musí odolávat vodě a být dostatečně dlouhé, aby se ventil nepříčil a dosedlal v celé ploše současně.
Zdvih trkacího ventilu musí být dorazem regulovatelný (matice na dříku). Jeho vzdálenost od sedla je potřeba nastavit tak, aby voda ventil strhla při přibližně poloviční rychlosti, než jaké by dosáhla při volném výtoku.
Větrník je tlaková nádoba. Jeho objem musí být velký - alespoň 5x vetší, než činí dávka vytlačená v jedné periodě. Musí odolávat cyklickým rázům, jeho stěny nesmí pružit a korodovat, jinak dojde po čase k únavě materiálu a následnému výbuchu větrníku. Větrník z obyčejné oceli by měl být stavěn na téměř desetinásobný tlak, než kolik činí tlak odpovídající výtlačné výšce.
Výtlačné potrubí může být i z pružného materiálu (hadice) a stačí poměrně malá světlost.
Účinnost trkače je tím menší, čím menší je celé zařízení.

Výpočet:

Přesný výpočet trkače, coby zařízení pracujícího v extrémním okamžiku je problém, protože záleží na každém konstrukčním detailu. Každý trkač je nakonec nutné doladit přímo na stanovišti za provozu.

Pro předběžnou úvahu, zda je toto zařízení možno použít a kolik vody je nutné k jeho provozu vystačí následující řádky:

Legenda:

H ₁ - spád vody do trkače [metry]
h ₂ - výtlačná výška [metry]
Q ₁ - celkový přítok vody [ltr./min.]
q ₂ - vytlačené množství vody [ltr./min.]
Q ₃ - ztrátové množství vody [ltr./min.]
K - dopravní součinitel
R - výškový koeficient
L - délka přívodního potrubí [m]
G - hmotnost ventilu [kg]
S - plocha ventilu [cm ² ]
Tz - čas zavírání ventilu [sec.]

Výškový koeficient:

R = H ₁ [m] / ( H ₁ [m] + h ₂ [m] )

Dopravní součinitel K

...se zjistí dle R z tabulky:

R =	0,5	0,33	0,25	0,2	0,167	0,143	0,125	0,11	0,1	0,083	0,071	0,063	0,056	0,05	0,045	0,04
K =	0,42	0,26	0,18	0,14	0,11	0,08	0,07	0,06	0,05	0,04	0,03	0,02	0,015	0,012	0,008	0,005

Vytlačené množství:

q ₂ [ltr./min.] = Q ₁ [ltr./min.] * K

Ztrátové množství:

Q ₃ [ltr./min.] = Q ₁ [ltr./min.] - q ₂ [ltr./min.]

Hmotnost trkacího ventilu:

G [kg] = 0,12 * S [cm ₂ ] * H ₁ [m]

Potřebná délka potrubí:

L [m] = h ₂ / H ₁ [m] * T _z [sec.] / 0.002

Trkací ventil nutno konstruovat tak, aby čas T _z byl co nejkratší - řádově setiny sekundy! Lze toho dosáhnout i tak, že je ventil co nejlehčí a závaží nasunuté na dříku je oboustranně odpruženo pružinami. Ventil při zavírání částečně přemáhá pružinu a nemusí překonávat setrvačnost závaží.

Glockmannova pumpa:

Multiplikátor přijde nainstalovat místo větrníku trkače Načerpat vodu výš, než vytlačí obyčejný trkač dokáže trkač kombinovaný s multiplikační jednotkou. Tak z trkače vznikne tzv. Glockmannova pumpa (dle australského vynálezce Rolfa Glockmanna). Princip multiplikační jednotky spočívá v tom, že v místě původního výtlačného ventilu a větrníku trkače je instalována velká membrána, která je mechanicky spojena s plunžrovým čerpadlem (obrázek ukazuje jedno z mnoha možných technických řešení tohoto uzlu). Spodní část trkače pracuje běžným způsobem, jenže říční voda místo vnikání do větrníku jen v rázech pohybuje membránou nahoru a dolů, protože původní výtlačný ventil trkače chybí. Membrána pak přímo pumpuje plunžrovým nebo pístovým čeradlem. Čerpadlo má svou vlastní nezávislou čerpací komoru a své samostatné ventily. Tím pádem může čerpat vodu i z jiného zdroje, např. z čisté studny. Výsledná dopravní výška je závislá na poměru plochy membrány vůči plunžru. Poměr těchto průměrů může být značně rozdílný a lze dosáhnout tlaku desítek až stovek atmosfér. Dodávané množství je však v takovém případě velmi malé. Statické síly působící na membránu je potřeba vyvážit závažím nebo pružinou tak, aby plunžr za provozu v komoře čerpadla nenarážel na dno. Systém je patentován. Glockmannova pumpa však není samospasitelným řešením použitelným na malém spádu. Může pracovat jen tam, kde by se udržel v chodu i běžný trkač. Na spádech nižších je potřeba sáhnout po samostatném plunžrovém čerpadle a pohánět ho vodním kolem na spodní vodu, např. malým hřebenáčem bez stavidla.

Vodní trkač