Принцип работы аквариумного фильтра

Правильный выбор аквариумного фильтра это сложная задача, от решения которой во многом зависит успешное содержание и разведение аквариумных рыбок. Соответственно, не лишним будет ознакомиться с проблемой загодя и определиться с выбором фильтра ещё до покупки аквариума, что в дальнейшем может изрядно сэкономить время и деньги. Поскольку неверный выбор может обернуться тратами на покупку другого фильтра, а в худшем случае – других рыбок.

Ситуация с фильтрами обстоит так, что иногда бывает лучше самому изготовить некую его часть, чем искать по магазинам (при этом, некоторые вещи никто просто не выпускает). Изготовление фильтра или его части требует определенной теоретической подготовки, поэтому здесь мы узнаем причины, почему аквариумам необходима фильтрация, виды фильтров, и детально рассмотрим принцип работы наиболее популярных из них. Надеемся, что это поможет вам определиться с выбором фильтра для будущего или находящегося в эксплуатации аквариума.

В первую очередь, что такое аквариум? Аквариум – это искусственный биотоп, практически закрытая экосистема, обитатели которой, как правило, не встречаются в природе в таких количествах в столь малом объеме воды. Ввиду этого и целого ряда других причин, в нем не действуют, либо не эффективны механизмы естественного очищения. Следовательно, вся ответственность и контроль над поддержанием оптимальных условий, для проживания аквариумных рыбок, целиком и полностью возложена на хозяина аквариума. В том числе и с помощью фильтров. Однако никакой фильтр не избавляет аквариумиста от необходимости замены части воды на свежую (с той или иной периодичностью). Вода – универсальный растворитель. Продукты жизнедеятельности рыб, растений, микроорганизмов, не оседающие в виде нерастворимой корки в емкости, растворяются в воде и доступными аквариумистам фильтрами не удаляются. Поэтому, не забывайте чистить аквариум и регулярно заменять в нем часть воды. Это не только позитивно скажется на самочувствии ваших питомцев, но и заметно снизит количество нежелательной аквариумной микрофлоры.

Следует помнить, что существуют виды аквариумов, обходящиеся вообще без фильтров, например, так называемые Голландские аквариумы. В них функцию очистки берут на себя аквариумные растения. Возможно, Вы выберете такой аквариум, тогда особой необходимости в фильтре не будет. Напротив, цихлидники обходятся небольшим количеством растений, либо вообще без них. В этом случае необходим хороший, качественный фильтр.В наше время известно большое количество разнообразных систем очистки, в основе которых лежит помповый, либо аэрлифтный способ создания потока воды. Системы фильтрации, в свою очередь, условно разделаются на множество групп, отражающие тип конструкции, принцип действия, фильтрации и названные выше, способы создания потока воды. Можно встретить фильтры: как внешние, так и внутренние, биологические и механические, бывают подвесные фильтры и встроенные, а так же стоящие на грунте. Нередко с фильтром интегрируют дополнительные устройства для выполнения таких функций как – нагревание, аэрация и прочее. Нередко к ним подсоединяют ультрафиолетовые лампы.

Помните, что лучше отдавать предпочтение такой модели, которая, исходя из объема Вашей емкости, имела некоторый запас производительности. Мощность любого фильтра можно легко уменьшить, но никогда не удастся поднять её выше заявленной в техническом паспорте. Не поленитесь сделать расчет по мощности или объему воды – лишних двадцать-тридцать процентов, это не выкинутые на ветер деньги, а Ваша страховка от проблем, которые всегда возникают неожиданно.

гибридная схема работы аэрлифтного фильтра
На рисунке изображена гибридная схема работы аэрлифтного фильтра. 1. Фильтрующий материал; 2. Подвод воздуха от компрессора; 3. Трубка, через которую происходит «возгонка» воды воздухом.

Принцип работы и устройство аэрлифтного фильтра

Для начала, рассмотрим устройство аэрлифтного фильтра. Эрлифт, он же аэрлифт, газлифт (от английского aero — воздух и lift — поднимать), является разновидностью струйного насоса. Принцип действия заключается в использовании подъёмной силы воздуха. В вертикально установленную в аквариуме трубку, в нижнюю её часть подводят воздух от компрессора. Распыляемый через форсунку, он образует смесь с водой подобную эмульсии (водовоздушную смесь), которая, будучи легче воды, поднимается по трубке вверх, вытесняемая снизу давлением аквариумной воды. Подъему воды способствуют также пузырьки воздуха, увлекающие водную массу своим быстрым движением вверх. Заметьте, что функция аэрации (насыщения воздухом) воды заложена в само устройство и нет необходимости в установке дополнительного аэратора.

При желании, на базе такого насоса из подручных материалов легко собирается фильтр. Для простейшего аппарата достаточно надеть на нижний конец отводной трубы поролоновую заглушку. Кроме того, можно смастерить простейший навесной внешний фильтр и организовать очистку воды на выходе аэрлифта. С этой целью к верхней части емкости крепится контейнер с наполнителем так, что вода, выходящая из аэрлифта, проходила через фильтрующий материал, а затем стекала в аквариум. Такую конструкцию можно видоизменить, сменив фильтрующий материал на керамзит или пемзу и высадив на его поверхности быстрорастущие растения. Корневая система растений, имеющая большую площадь поверхности, сыграет роль фильтра, забирая из воды, растворенные в ней вещества. Данный фильтр – пример гидропоники, а фильтрующую систему с участием растений можно отнести к биологическим фильтрам, фитофильтрам.

К достоинствам аэрлифтного фильтра относят простоту в эксплуатации, к недостаткам – относительно низкую производительность и, по сравнению с помповым фильтром, жесткие ограничения на высоту подъема воды. С помощью аэрлифта, наклонив выходную трубку под углом к воде, можно создать в аквариуме небольшое движение воды. Однако не стоит этим злоупотреблять, потому что, установив трубку горизонтально, мы сильно уменьшим без того низкую производительность. Такие фильтры удобны для маленьких объемов. Если имеется необходимость в подъеме воды на значительную высоту или требуется установить фильтр в крупный аквариум, предпочтительнее использовать помпу.

Фото аэрлифтного фильтра.
Фото аэрлифтного фильтра. Распылитель, расположенный снизу пластикового корпуса, засыпан фильтрующим материалом. Воздух, просачиваясь через дренаж, увлекает за собой воду, при этом грязь задерживается в фильтре (фото Dr. David Midgley)

Принцип работы и конструкция помпового фильтра. Характеристики центробежного насоса

Существует два типа помповых фильтров: внутренние и внешние. Часто они заключают в единой конструкции помпу и один или несколько отсеков для наполнителей. Кроме того, некоторые модели выполнены в виде независимых блоков. К их числу относится канистровый внешний фильтр, где помпа опущена в корпус и непрерывно откачивает воду в аквариум, либо в случае канистры, расположенной выше уровня воды, помпа может устанавливаться непосредственно в емкость и подавать воду в фильтр, откуда последняя самотеком возвращается обратно в аквариум.

Рассмотрим детальнее устройство нашей помпы. Чаще всего в качестве насоса аквариумного фильтра используются центробежные насосы, совмещенные с электрическим двигателем специальной конструкции и представляющие собой единый блок. Металлические токопроводящие и магнитные элементы двигателя опрессованы полимерным материалом, что делает безопасным эксплуатацию прибора в агрессивной водной среде. Другой, более современный вариант импеллера – на основе термически обработанного пластика, в который, в виде примесей, вводятся магнитные материалы. Конструктивно, помпа построена так, что водный поток создаваемый рабочим колесом насоса проходит сквозь двигатель и охлаждает его.

Помпа или головка внутреннего фильтра
Помпа внутреннего фильтра (вид сбоку). Обозначения ниже
Вид снизу
Помпа или головка внутреннего фильтра
Помпа или головка внутреннего фильтра. 1. Герметичный пластиковый корпус, в котором заключен статор; 2. Улиткообразный корпус, в котором вращаются рабочее колесо с лопатками; 3. Регулятор напора воды; 4. Шланг для подвода воздуха (например, от аэратора); 5. Кольцо для крепления фильтра; 6. Ротор с рабочим колесом.

Переменный электрический ток, протекая по обмоткам статора, создает бегущее магнитное поле, которое приводит в движение магнитные элементы ротора, заставляя его вращаться. Рабочее колесо насоса, расположенное в улиткообразном корпусе, жестко соединено с осью двигателя. При вращении, изогнутые лопатки рабочего колеса (импеллера) создают центробежную силу и выталкивают воду от центра, где расположено входное отверстие, к окружности. Раскручивая воду по спирали, лопатки рабочего колеса создают избыточное давление воды по окружности и пониженное в центре, куда через входное отверстие водоподводящей трубки устремляется вода из аквариума. На окружности находится выходной патрубок, через которое водяной поток покидает насос.

Почему в фильтрах для аквариума вода течет через воздушную трубку?

— это происходит потому, что создается высокое сопротивление на выходе из помпы. Оно может быть связано с сильным перекрытием регулятора водного потока, либо установкой флейты.

Основными гидродинамическими показателями производительности помпы являются расход и напор воды, создаваемые ею.

Расход – это количество воды (в литрах), которое перекачивается насосом за единицу времени при данном напоре. Следует помнить, что из-за конструктивных различий, даже при одинаковых показателях потребляемой электроэнергии, соотношение напор и расход будут различаться. В паспортных данных производитель иногда  в виде графиков или таблиц отображает зависимость расхода и напора воды, проходящей через помпу и фильтр, от высоты подъема жидкости.

Движение воды через помпу непременно порождает приращение её удельной энергии, называемое напором. Данный показатель определяет высоту, на которую поднимается вода при движении вертикально верх, и, следовательно, влияет на месторасположение внешнего фильтра относительно аквариума.  Напор, как правило, измеряют в метрах, либо единицах давления столба жидкости.

При выборе высокопроизводительной помпы следует иметь в виду, что максимальный расход и напор воды, достигается её расположением на уровне границы раздела сред. Расход воды закономерно зависит от высоты подъема и будет снижаться с её ростом. В процессе эксплуатации фильтра неизбежно происходит загрязнение наполнителя и внутренних стенок насоса, что приводит к уменьшению расхода воды. Аквариумисту необходимо следить за состоянием помпы, и при ослаблении струи воды, незамедлительно приступать к прочистке. В противном случае, произойдет перегрев насоса и выход его из строя. Проверять и чистить следует все узлы системы фильтрации: шланги, флейты, проточные реакторы углекислого газа, канистру и сам наполнитель (который, возможно, подлежит регулярной замене).

Если вы планируете установить в своем аквариуме фильтр и произвести предварительный расчет, то следует помнить, что практический напор воды, создаваемый насосом, будет несколько меньше теоретического. Этому есть несколько объяснений. Так, вследствие конструктивных особенностей центробежных насосов, не вся вода, попадающая в них, испытывает на себе давление вращающихся лопаток рабочего колеса, что приводит к падению скорости движения воды около выходного патрубка. Часть энергии необходимо потратить на преодоление импеллером неизбежного гидравлического сопротивления воды и трение. Дополнительное сопротивление потоку воды обусловлено конструкционными особенностями фильтров, а также наличием любых устройств, которые приходится преодолевать воде. Номинальная разница между реальным и теоретическим напором со временем лишь увеличивается, что происходит за счет образования минерального и бактериального налета.

Тем не менее, эффект изменения скорости потока воды, возникающий при его прохождении через различные участки системы, каждый из которых имеет специфическое поперечное сечение, используется аквариумистами для создания фильтров.

Расчёт скорости воды в фильтре и методика её измерения
Рассмотрим конкретный пример внешнего канистрового фильтра, состоящего из канистры с наполнителем и шлангов, подводящих и отводящих от него воду. Ввиду разного поперечного сечения канистры и шлангов, скорость потока воды будет различаться, несмотря на равенство её проходящих объёмов. Поток воды в шланге двигается со скоростью нескольких метров в секунду, а в канистре падает в несколько сотен раз, составляя всего несколько миллиметров в секунду.

Пример:
Для упрощения расчета пренебрегаем потерями скорости и принимаем во внимание, что нам дана реальная производительность фильтра при данной высоте уровня воды в аквариуме над канистрой, то есть производительность учитывает давление водяного столба.

Дан фильтр, состоящий из насоса и квадратной канистры:
— производительность помпы составляет 1 м3/час = 0,00027 м/сек = 0,277 л/сек

— внутренний диаметр шлангов D = 0,02 м (радиус = 0,01 м)

— сторона канистры Wк = 0,3 м

— V — объем воды, прокачиваемый помпой
Производительность помпы = V/t = Sш*Vш = Sк*Vк, где Sш и Sк — площадь поперечного сечения шланга и канистры; Vш и Vк — скорость прохождения воды через шланг и канистру.
Sш = π*R2 = 3,1415*0,012 = 0,00031415 м2
Sк = Wк2 = 0,3*0,3 = 0,09 м2
Vш/Vк = Sк/Sш = 286,5
Таким образом, скорость воды, при прохождении её через фильтр падает в 286,5 раза.
Скорость движения воды в шланге составляет Vш = 0,00027/0,00031415 = 0,88 м/сек
Скорость движения воды в канистре составляет Vк = 0,00027/0,09 = 0,003 м/сек
Производя вычисления скорости воды в фильтрах, следует также учитывать, что площадь сечения фильтра всегда больше площади сечения фильтрующего материала. Отсюда скорость через фильтрующий материал зависит от его проницаемости (при применении пористых, листовых или волокнистых фильтров), либо от размеров частиц или гранул сыпучего наполнителя. В общем случае, когда наполнитель свежий и максимально проницаем, эффективность очистки воды возрастает с увеличением соотношения Sк/Sш и Vш/Vк. Низкая скорость прохождения воды через канистру и наполнитель обеспечивает более полную трансформацию аммония нитрифицирующими бактериями, а также позволяет твердым отходам оседать в фильтре.

Методика измерения полного напора или расхода воды реальной системой фильтрации или помпой, проста и не требует привлечения специальных приборов. Проще всего при помощи рулетки измерить полный напор. Для этого необходимо подключить прозрачный шланг к выходу помпы, затем, при включенной помпе, поднять его на высоту, превышающую уровень напора по паспорту. Мы увидим, как нагнетаемая вода поднимется вверх по шлангу до некоторой высоты. Величину напора получаем, замерив высоту поднятия воды в шланге до уровня воды в той емкости, из которой она попадает в помпу.

Измерение расхода воды производится с помощью водяного счётчика либо водомера. Если его нет, расход воды можно измерить с помощью ведра и мерного стакана. Для этого, в течение некоторого фиксированного отрезка времени (например, минуты), будем спускать воду в ведро. При этом, если расположить уровень выхода струи на уровне воды в аквариуме, мы получим расход воды через систему фильтрации, со значением напора, равным нулю. В заключение, мы рассмотрим, некоторые вопросы, прямо или косвенно касающиеся эксплуатации насосов, влияющие на срок их службы. Факты, которые будет не лишне знать.

«Бич» насоса – кавитация
Кавитация – физическое явление, происходящее в жидкости при её закипании вследствие изменения давления. Применительно к насосам, явление возникает на входе жидкости в рабочее колесо насоса. В том случае, если абсолютное давление воды оказывается равным, либо меньшим упругости паров при данной температуре – вода начинает “кипеть”, результатом чего, является разрыв потока и прекращение перекачки.В том месте, где давление меньше давления насыщенных паров или равно ему, происходит выделение растворенных в воде газов и паров воды с образованием микроскопических пузырьков. Пузырьки увлекаются потоками воды в область повышенного давления, где они схлопываются, нанося механический урон. Рабочие области насоса получают микроскопические повреждения от схлопывающихся пузырьков, что, при длительном воздействии приводит к быстрому износу помпы и выходу её из строя (главным образом, лопаток рабочего колеса). Возникновение кавитации, при работе насоса, сопровождается значительным и резким снижением коэффициента полезного действия.

Кавитация сопровождается характерными шумами и вибрацией насоса и характерна для любых помповых фильтров как внешних, так и внутренних – с подключением аэрации на входе фильтра.

Характерный шум может возникнуть и по другой причине, сигнализируя о том, что насос не может прокачать воду, поскольку в шланге внешнего канистрового фильтра образовалась “воздушная пробка” или просто изгиб, через который поток воды крайне затруднен или вообще невозможен. Как правило, эта проблема возникает из-за излишне длинного шланга, который, будучи не закрепленным, опускается ниже уровня выхода помпы.

Управление напором вручную
В системах фильтрации, аквариумист, в своих целях, может менять напор воды. В частности, это делается для регулирования скорости воды, но только в сторону уменьшения. Для изменения напора необходимо знать расположение помпы – стоит ли она до или после фильтра. Работает это, в основном, с внешними канистровыми фильтрами, которые снабжены несколькими регулирующими кранами.В зависимости от своего расположения относительно фильтра, помпа будет создавать в нем давление, равное своему напору, либо разрежение, также равное напору. Давление создается помпой если она находиться до фильтра, а разрежение – если помпа расположена после системы фильтрации.

Если мы прикроем входной кран, это уменьшит количество воды проходящей через помпу и уменьшение разрежения (отрицательного давления). Вследствие этого, давление воды на выходе системы фильтрации упадет и уменьшится напор.
Если мы используем выходной кран и прикроем его – мы добьемся на выходе помпы (не системы фильтрации) увеличения давления. Количество воды, проходящей через фильтр уменьшится, также уменьшится вследствие этого, величина разрежения по модулю.

Следует помнить, что использование недокументированных режимов может повлечь за собой перегрев либо выход помпы из строя. Длительная эксплуатация помпы в таких режимах, приводить к перегреву статора, что влечет за собой перегрев обмоток, со всеми «вытекающими» отсюда последствиями.

Агрессивная среда. Рекомендации к материалам
Хотя на сегодняшний день рынок предоставляет на выбор аквариумисту широкий ассортимент товаров для его хобби, нередко возникает желание или необходимость либо подогнать под свои нужды какое-то оборудование, либо сделать фильтрующую систему самому, из подручных материалов, список которых будет ограничен. Рекомендуемые материалы для оборудования, контактирующего с аквариумной водой – это стекло и керамика, большинство, но не все виды пластмасс. Металл, в случае необходимости его использования, должен одновременно соответствовать нескольким жестким требованиям. Кроме прочности – необходимого условия его конструкционной пригодности, он должен быть также и химически стойким. Причина этого заключается не только в том, что подверженная коррозии металла деталь быстро выйдет из строя, но и в том, что для рыбок, живущих в аквариуме, большинство соединений металлов, которые могут попасть в воду вследствие коррозии – являются ядом. И здесь не лишне будет напомнить, что аквариумная вода представляет собой агрессивную среду. Делают её такой, множество разнообразных факторов, хотя и сама по себе, вода – растворитель. Многие вещества способные вступать в химическое взаимодействие с водой, способны образовывать в результате кислоты или щёлочи, меняя тем самым, её рН. Примером может служить углекислый газ – побочный продукт, присущий аэробному типу дыханию. Все живые существа использующие для дыхания кислород, выделают легкорастворимый в воде углекислый газ, который реагируя с ней, образует нестойкую, слабую угольную кислоту. Она постоянно присутствует в воде, в виду своей нестойкости распадаясь обратно на углекислый газ и воду и образовываясь вновь.

Разлагающиеся остатки кормов, растений и экскременты самих рыб – источник соединений азота (нитраты, нитриты, аммиак и т.д.), фосфора и серы. Они также химически активны и способны вызывать коррозию. Вступая в химические реакции с водой, растворенными в ней газами, аквариумным илом, они могут образовывать органические и неорганические соединения (в том числе и кислоты) способствуя разрушению деталей, как из металла, так и некоторых сортов пластмасс.

Бактерии, неизбежно населяющие любой, даже самый, казалось бы, чистый, аквариум – основные “поставщики” сероводорода, являющегося побочным продуктом их жизнедеятельности. При попадании в воду он также образует кислоту, и является ядом. Роль бактерий в разрушении и преждевременном износе аквариумного оборудования, также велика. Они поселяются в порах фильтрующих веществ, снижая их эффективность и приводя, со временем, в полную негодность. Образовывают бактериальный налет на всех погруженных в воду частях аквариума и просто на влажных поверхностях, такие наросты в шлангах и прочих частях действующих фильтрующих систем – основная причина снижения их коэффициента полезного действия.В любом случае, если вы – начинающий аквариумист и не уверены в выбранном материале, обратитесь к готовым наработкам и проверенным временем конструкциям и материалам, примеры которых можно найти в печатных изданиях или в сети.
——
по материалам: www.aqa.ru/filtraciya_akvariumnie_filtri

Раздел: Фильтрация
Метки: ,
Похожие статьи:

Фильтрация воды в аквариуме

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *