Фильтрация. Аквариумные фильтры.


Введение.


    Основным вопросом аквариумиста, стоящим перед выбором аквариумного фильтра, является определение требуемого объема воды, поступающей в аквариум из системы фильтрации. Для ответа на этот вопрос необходимо, для начала, определиться, какой будет объем аквариума, если его еще не приобрели, какие рыбы, и какое их количество там будет жить, максимально возможные размеры взрослых рыб, наличие или отсутствие в аквариуме живых растений и их количество или объем.
    Какие-то рекомендации на данном этапе дать уже можно, но дальше все приходится решать самому любителю.
    Так, например, некоторые аквариумисты, предпочитающие растительные, так называемые, Голландские аквариумы, вообще обходятся без фильтров, зато многие цихлидные аквариумы обходятся без растений, поэтому без мощного фильтра, соответствующего объему аквариума, там не обойтись. Это, конечно, крайности, но они хорошо иллюстрируют вопрос о значимости фильтров для разных аквариумов. С пониманием этого вопроса, приходит ответ о необходимости покупки фильтра, или, наоборот, отказе от его покупки, ввиду ненадобности, что позволяет сберечь деньги, иногда, немалые, для чего-то другого, более необходимого.
    Некоторые разновидности фильтров, или насадки для готовых фильтров, можно сделать самому, а некоторые изделия никто из производителей аквариумного оборудования просто не производит.
    Так же, необходимо знать и помнить, что зверушки, живущие в аквариумах, не только кушают, но и живут в собственном туалете, чистить который они не могут, не умеют и не будут самостоятельно. В этом им необходима помощь человека. Любой человек, заводящий аквариум, берет на себя ответственность за этих маленьких существ.
    Даже при наличии самых "крутых" фильтров, нужно проводить регулярные замены части аквариумной воды на свежую воду. Такие замены снижают концентрации веществ, выделяющихся в аквариуме в процессе жизнедеятельности не только рыб и растений, но и простейших живых существ - водорослей и бактерий, которые присутствуют в каждом аквариуме, и, иногда, могут быть причиной не только беспокойства аквариумиста-любителя, но и его головной болью на несколько месяцев. Вещества эти могут быть не только лишними для обитателей аквариума, но и опасными для их жизни. И никакими фильтрами, используемыми аквариумистами, все эти вещества удалить не удастся. Чем чаще проводятся такие замены воды, тем меньше может быть объем сменяемой воды. Необходимо также удалять отмершие листья растений, чего ни один фильтр делать не станет. Ну, и, конечно, очищать стекла аквариума от налета водорослей и бактерий, препятствующих наблюдению за жизнью в нем, и портящий внешний вид аквариума.
    В любом случае, желательно выбрать фильтр с небольшим, хотя бы, около 20-30 процентов, запасом, или по мощности, или по объему воды в аквариуме, что, в дальнейшем, может избавить от возникающих неожиданностей. Уменьшить мощность фильтра просто, а увеличить ее невозможно.

Классификация фильтров.


    Современные аквариумные фильтры можно условно разделить на группы, различающиеся конструкцией, принципом действия, принципом фильтрации и способом создания движения воды. Они бывают внутренними и внешними, подвесными и стоящими на грунте, помповыми и эрлифтными, биологическими, механическими, донными, встроенными в конструкцию аквариума, или его дополнительного оборудования, совмещенными с дополнительными устройствами: нагревателями, аэраторами, ультрафиолетовыми облучателями, и так далее.
    В настоящее время, для создания потока воды в системе фильтрации, используют либо продувку воздухом, так называемые эрлифтные (aero+lift - подъем воздухом) фильтры, либо помповые (от pump - насос) фильтры. Помповые аквариумные фильтры имеют большую производительность, чем эрлифтные.

Конструкция и принцип работы эрлифтного аквариумного фильтра.

    Эрлифтные аквариумные фильтры представляют собой отрезок трубы, расположенной в аквариуме в вертикальном положении, через которую, снизу вверх, прокачивается воздух от аквариумного, или любого другого компрессора.


    Пузырьки воздуха, при продувке, увлекают за собой аквариумную воду, находящуюся в трубе, перемешиваются с ней, создавая подобие эмульсии, которая, по своей плотности, легче воды, поэтому она поднимается по трубе, создавая поток.
    Если на нижний конец такого устройства надеть кусок поролона, то получится простейший внутренний фильтр с аэрацией (насыщение воздухом) воды. Без аэрации, он, естественно, работать не будет. Можно верхнюю часть трубы согнуть, или повернуть весь такой фильтр под углом к поверхности воды, тогда он будет создавать и небольшое движение воды в аквариуме. Устанавливая его горизонтально, можно очень сильно уменьшить течение воды, что приведет к уменьшению и без того слабой фильтрации.
    Можно подвесить на стенку аквариума какую-либо емкость, наполненную фильтрующим материалом, и имеющую перелив в аквариум, и подсоединить к ней эрлифтную трубку, закрытую снизу предохранительной сеткой. Тогда, вода из аквариума будет подниматься в эту емкость, проходить через слой фильтрующего материала, и выливаться в аквариум с другой стороны. Эта конструкция - простейший навесной внешний фильтр. Он может быть подвешен как снаружи аквариума, так и внутри него, например, под крышкой с лампами, которая будет скрывать отсек с фильтром.
    Заменив фильтрующий материал в таком фильтре на какой-либо твердый пористый материал, например, на пемзу, или керамзит, и посадив в него быстрорастущие растения, получим фитофильтр. Это - один из вариантов гидропоники. В таком фильтре, корни растений будут забирать для своего питания растворенные вещества, возвращая в аквариум более чистую воду. Этот вариант может пригодиться в цихлидных аквариумах, или в аквариумах с золотыми рыбками, которые сильно повреждают растения, если они растут в аквариуме. Водорослевых обрастаний будет намного меньше.
    Высота подъема воды в эрлифтном фильтре очень небольшая. Она сильно зависит от производительности компрессора и распылителя воздуха, а также от диаметра трубки, где происходит смешивание воды с воздухом. Поэтому его можно рекомендовать только для небольших аквариумов.
    Для подъема воды на значительно большую высоту, или устанавливая его в аквариум большого объема, применяют фильтры, оборудованные насосами, называемые помповыми фильтрами.

Конструкция и принцип работы помпового аквариумного фильтра.


    Помповые аквариумные фильтры, как внутренние, так и внешние, могут представлять собой единый блок, состоящий из самой помпы, а также отсека, или отсеков для размещения фильтрующих материалов или биологических наполнителей. Или, они могут быть выполнены в виде отдельной емкости для фильтрации, в которую опущена помпа для подъема воды в аквариум. Или, наоборот, помпа может подавать воду из аквариума на вход такого фильтра, а очищенная вода будет сливаться в аквариум самотеком, как в навесном эрлифтном фильтре, описанном выше.


    Помпа аквариумного фильтра является центробежным насосом с мокрым ротором, в котором перекачиваемая вода охлаждает обмотки статора двигателя. Ротором, чаще всего, является термически обработанный полимер, в который, при изготовлении, вводятся магнитные материалы. На роторе находится рабочее колесо насоса или импеллер.
    Как работает центробежный насос?
    При включении в электрическую сеть, по обмоткам статора насоса начинает течь электрический ток, создавая переменное магнитное поле, воздействующее на магнитный материал ротора, и заставляющее его вращаться. При вращении ротора, с насаженным на него импеллером, или рабочим колесом, лопасти импеллера начинают раскручивать воду, находящуюся в рабочей камере головки насоса. Вода движется по спирали, учитывая ее движение по окружности, совпадающей с удаленностью от оси, и прямолинейно, вдоль радиуса окружности. Такое движение воды получило название центробежного движения, а насосы были названы центробежными. Бежит от центра.
    Двигаясь с большой скоростью между лопатками импеллера, вода создает перед собой область с увеличенным давлением, а позади себя - область с пониженным давлением, или разрежением. Это разрежение между лопатками импеллера засасывает воду, находящуюся в пространстве между статором и ротором насоса, и, дальше, по водоподводящим каналам, выходящим за пределы корпуса насоса.
    Одновременно с этим процессом, часть воды, находящейся под давлением, при положении лопастей импеллера, совпадающим с выходным отверстием, устремляется в него, создавая поток воды.

Характеристики помп аквариумных фильтров.


    Главными гидродинамическими характеристиками аквариумных помп, как и обычных насосов, являются напор и расход.
    Напором называется приращение удельной энергии жидкости при движении жидкости через насос. Он показывает, на какую высоту насос может поднять жидкость относительно уровня жидкости в подающем ее резервуаре. Этим резервуаром может быть не только аквариум, но и другая емкость, откуда берется вода для аквариума, или куда она будет сливаться. Напор измеряют метрами столба подаваемой жидкости, или давлением этого столба жидкости. Вдоль потока напор уменьшается. Разность напора в двух поперечных сечениях потока реальной жидкости называется потерей напора.
    Если рассматривать скорость выходящей из системы фильтрации воды, соответствующей определенной высоте подъема воды над уровнем в емкости, откуда происходит водозабор, то эта скорость будет равна скорости воды, выливающейся из отверстия в открытой емкости, уровень воды в которой будет равен уровню максимального, или полного напора, который может создать помпа, работающая в этой системе фильтрации. По другому это можно записать, как придание помпой такой скорости потоку воды при наборе определенной высоты, какая будет у воды, свободно стекающей с этой же высоты.
    Расходом называется количество жидкости, перекачанное насосом за единицу времени, при данном напоре.
    Зависимость расхода воды, проходящей через насос, или систему фильтрации, от высоты подъема воды над уровнем водозабора, или напора, являются основными для любого насоса и отображаются в его паспорте в виде графика или таблицы. Даже у двух одинаковых по потребляемой электрической мощности помп от разных производителей, соотношения напор-расход могут отличаться из-за различий в их конструкции.
    При выборе, перед покупкой, нужно помнить, что максимальный расход воды, проходящий через помпу, соответствует минимальному напору помпы, или уровню ее установки, совпадающему с уровнем воды в водозаборной емкости. При увеличении высоты подъема, расход воды будет уменьшаться. Расход также будет уменьшаться со временем. Это объясняется постепенным обрастанием колониями бактерий всех внутренних поверхностей системы фильтрации, контактирующих с аквариумной водой. Процесс этот неизбежен, и к нему должен быть готов каждый человек, устанавливающий фильтр в своем аквариуме. Контролировать его можно по постепенному ослаблению струи воды, вытекающей из выходного отверстия фильтра или шланга. Не нужно ждать, пока вода, текущая из помпы, значительно потеряет скорость, или сильно уменьшится длина струи, так как это может привести к перегреву обмоток статора и выходу помпы из строя.
    Фактически создаваемый насосом напор меньше теоретического, так как часть энергии, потребляемой насосом, расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений внутри насоса, а также вследствие того, что не все частицы жидкости совершают движение вдоль лопаток рабочего колеса, или импеллера, попадая в зазор между лопастями импеллера и внутренней поверхностью рабочей камеры. А это вызывает уменьшение абсолютной скорости воды. На реальный напор, создаваемый помпой, влияет и конструкция системы фильтрации, в которой она работает. Любое устройство, через которое проходит вода, перекачиваемая помпой, будет создавать дополнительное сопротивление потоку воды. Скорость реальной жидкости на поверхности твердого тела всегда равна нулю, поэтому на поверхностях, находящихся в потоке жидкости, всегда образуются какие-то наросты, осаждения, а, в применении к аквариумистике, еще и бактериальные или водорослевые обрастания. Любой шланг, канистра фильтра, сам фильтрующий материал, флейты, проточные реакторы углекислого газа, и другие устройства, а также биологические обрастания внутренней поверхности, все это создает сопротивление потоку, называемое потерей напора. Биологические обрастания приводят к уменьшению сечения шлангов, снижению скорости потока воды, проходящей через систему фильтрации, и могут уменьшать расчетные характеристики фильтров в несколько раз, поэтому численно выразить производительность помпы или фильтра, используя законы гидродинамики, очень трудно. Можно говорить только о вероятностных значениях производительности такой системы в тот, или иной период его эксплуатации и обслуживания. Потеря напора может выражаться уменьшением давления или разрежения, или уменьшением высоты подъема воды, уменьшением скорости потока или объема воды в единицу времени. Все эти величины взаимосвязаны. Изменение одной из них ведет к изменению других.
    Но, изменение скорости потока воды, проходящего через участки, с различным поперечным сечением, применяется для размещения фильтрующих материалов.
    Изменение скорости воды на разных участках системы фильтрации лучше всего иллюстрирует работа внешнего аквариумного канистрового фильтра, в котором разница в площадях сечения канистры и шлангов может достигать нескольких сотен раз. Если скорость потока в шланге будет несколько метров в секунду, то в канистре фильтра она упадет до нескольких миллиметров в секунду, так как объемы воды, проходящие за единицу времени через поперечное сечение шланга и канистры, будут равны. Следовательно, отношение скоростей потоков в шлангах, и в канистре, обратно пропорционально отношению их площадей сечения.
    При вычислениях скоростей потока в фильтрах, необходимо помнить, что площадь сечения фильтра будет больше площади живого сечения самого фильтрующего материала, и будет зависеть либо от его проницаемости, в случае использования волокнистых, листовых или пористых материалов, либо от проницаемости слоя сыпучего наполнителя, которая зависит от габаритных размеров частиц этого наполнителя.

Возьмем, для примера, мнимый аквариумный насос, имеющий следующие характеристики:
- расход помпы = 2 м3/ч = 0,5555555... л/с (литров/секунду)
- внутренний диаметр соединительных шлангов = 20 мм = 0,02 м
- площадь дна корзин для наполнителей = 300*300 мм2 = 0,3*0,3 м2.
Если представить, для наглядности, что вся вода, перекачиваемая этим насосом за 1 час, будет находиться в шланге, проложенном горизонтально, и пренебречь потерями скорости, то длину этого шланга можно рассчитать по формуле объема шланга:
  V = п*R^2*L,
  где п - "пи" = 3,1415
  R - внутренний радиус поперечного сечения шланга
  L - длина шланга. Для наших данных,
  V = п*R^2*L = 2 м3.
  L = V/п*R^2=2/3,1415*(0,01)^2=6366,3855 м. Разделив полученную длину шланга на время наполнения шланга, мы получим длину участка шланга, который проходит вода за одну секунду, т.е., ее скорость в шланге:
  Vш = 6366,3855/3600=1,7684 м/с. Отношение скоростей потоков на разных участках системы фильтрации:
  Vш/Vф=Sф/Sш, Где
  Vш - скорость воды в шланге,
  Vф - скорость воды в фильтре,
  Sш - площадь поперечного сечения шланга,
  Sф - площадь поперечного сечения фильтра. Для наших данных,
   Sш=0,00031415 м2,
   Sф=0,09 м2,
   Vш=1,7684 м/с,
получаем, что Vф=0,0062 м/с.
Потеря скорости потока воды будет в 286,5 раз!


    Измерить реальные значения напора - расхода для какой-то конкретной помпы, или системы фильтрации, довольно просто.
    Для измерения полного напора достаточно обычной рулетки. Нужно просто поднять шланг, подключенный к выходу работающей помпы, на высоту, превышающую паспортный уровень напора. Вода при этом остановится в шланге на каком-то уровне. Измерив высоту подъема воды в шланге до уровня воды в емкости, откуда она поступает в помпу, получим величину напора.
    Для измерения расхода воды желательно воспользоваться водомером, или водяным счетчиком, но, при его отсутствии, достаточно обычного ведра и мерного стакана. Нужно лишь в течение какого-то промежутка времени, например, минуты, набирать воду в ведро, при расположении уровня выхода струи либо на уровне воды в аквариуме, либо на уровне установки выходного отверстия системы фильтрации в самом аквариуме. В первом случае будет получено значение полного расхода воды через систему фильтрации, при напоре, равном нулю. А во втором - реальный расход при реальном напоре.

    Изменением напора воды в системе фильтрации можно управлять, например, для регулирования (только ослабления) скорости воды. Но, нужно знать, где стоит помпа: до фильтра, или после него. Это, в основном, касается только внешних канистровых фильтров, имеющих два или более отсекающих - регулирующих кранов.
    Помпа, как уже было сказано выше, создает перепад давлений воды до и после себя. Этот перепад соответствует ее напору. Если помпа стоит перед фильтром, то она создает в фильтре давление, а если после, то разрежение.
    Прикрытие входного крана повлечет за собой уменьшение разрежения (отрицательного давления), уменьшение количества воды, проходящей через помпу (расход), и, как следствие, уменьшение давления на выходе системы фильтрации. Напор уменьшится.
    Прикрытие выходного крана приведет к увеличению давления на выходе помпы, но не системы фильтрации, уменьшению количества воды, проходящей через нее, и, следовательно, к уменьшению величины разрежения по модулю на входе системы фильтрации. Напор также упадет.
    Использование таких режимов не может быть рекомендовано к применению, особенно на длительное время, так как, при уменьшении количества перекачиваемой воды, статор помпы будет нагреваться сильнее, чем при ее работе в полном режиме, а это может привести к перегреву обмоток и выходу помпы из строя.

Понятие кавитации.


     Если, при входе в рабочее колесо насоса, абсолютное давление окажется меньшим или равным упругости паров перекачиваемой жидкости при данной температуре, то жидкость начинает вскипать, происходит разрыв потока и подача жидкости прекращается.
     Явления, происходящие в насосе при вскипании жидкости, называются кавитацией. При этом из жидкости выделяются пары и растворенные газы в том месте, где давление равно или меньше давления насыщенных паров. Пузырьки пара и газов, увлеченные потоком в область повышенного давления, конденсируются с уменьшением объема в микроскопических зонах. При длительной работе насоса в таких условиях, это приводит к механическим повреждениям лопаток рабочего колеса и их разрушению. Эти явления сопровождаются потрескиванием, шумом и вибрацией насоса. При кавитации резко падает к. п. д. насоса, производительность и напор.
     Те же явления можно наблюдать в помповых фильтрах, и внутренних, и внешних, при подключении аэрации или подаче углекислого газа на вход фильтра. Растворенные в воде газы, попадая в головку помпы, выделяются в виде пузырьков, которые создают тот самый шум, на который жалуются многие аквариумисты. Причиной появления такого же шума, без подключения подачи газа и аэрации, может быть избыток длины шланга внешнего канистрового фильтра, который, опустившись ниже уровня выхода помпы, создал из растворенных в воде газов "воздушный карман", "пробку", или такой участок, через который помпа не может прокачать воду.

Материалы, применяемые в производстве аквариумного оборудования.


     Аквариумная вода, в отличие от питьевой, содержит намного больше примесей, чем это кажется. Хотя заливка аквариумов и происходит из водопровода с питьевой водой. По своим химическим и биологическим параметрам, аквариумная вода ближе к речной, или озерной воде. Наличие в ней большого количества микроорганизмов обусловлено жизнедеятельностью рыб и растений, вырабатывающих те, или иные вещества, необходимые для жизни бактериям и водорослям.
     Рыбы дышат растворенным в воде кислородом, выдыхая углекислый газ. У растений, в процессе фотосинтеза, идет процесс потребления углекислого газа для получения углерода, необходимого им для роста, и выделения кислорода. Кроме того, растения тоже дышат кислородом, выделяя углекислый газ. Эти два процесса идут параллельно друг другу, причем дышат растения тоже круглосуточно. При этом происходит окисление углерода до его оксида с выделением энергии, необходимой растениям для фотосинтеза.
     Углекислый газ хорошо растворяется в воде, создавая угольную кислоту. Этот процесс является обратимым, угольная кислота распадается на углекислый газ и воду. Растворимость газов в воде зависит от ее температуры, и от их концентрации в воздухе, так называемом, парциальном давлении газа.
     В процессе жизнедеятельности бактерий идет выделение сероводорода, который вреден и рыбам, и растениям. Растворяясь в воде, он тоже образует кислоту.
     Аммиак, аммоний, нитриты и нитраты - соединения азота, соединения фосфора и серы, вступая в различные окислительно-восстановительные реакции между собой, и в связке с углекислотой и кислородом, растворенными в аквариумной воде, взаимодействуя с грунтом осадочного происхождения, создают как органические, так и неорганические соединения, изменяющие состав воды, ее жесткость и кислотность.
     Все эти растворенные в воде газы, ионы растворенных химических соединений, бактерии и водоросли, всегда присутствующие в аквариумной воде, создают довольно агрессивную среду, которую уже трудно называть питьевой водой. Именно поэтому, затруднено использование в аквариуме оборудования, изготовленного из металлов.
     Для изготовления оборудования для аквариумов, контактирующего с водой, используют химически инертные материалы: стекло, керамику, пластические массы или полимеры. Некоторые детали могут быть изготовлены из металла. Но этот металл должен быть одновременно и химически стойким, и достаточно прочным, чтобы избежать его коррозии во время эксплуатации, возможной поломки из-за износа, и исключения попадания соединений этого металла или сплава в аквариумную воду, что может негативно отразиться на жизнедеятельности существ, обитающих в нем, привести к их гибели. Поэтому, лучше избегать использования металлических предметов и конструкций при обустройстве аквариума. Сделанное из химически неактивных веществ аквариумное оборудование - один из залогов спокойной жизни аквариумиста и его подопечных.



Константин Абрамов (Daxel)
Используемые ресурсы:
http://ru.wikipedia.org/wiki
http://www.aqa.ru/forum/


Обсудить на форуме

Недорогая бытовая техника Бош в интернет-салоне.