Фільтрація. Акваріумні фільтри.

»Фільтрація. Акваріумні фільтри.

Вступ.

Основним питанням акваріума, що стоять перед вибором аквариумного фільтра, є визначення необхідного обсягу води, що надходить в акваріум з системи фільтрації. Для відповіді на це питання необхідно, для початку, визначитися, якою буде обсяг акваріума, якщо його ще не придбали, які риби, і яка їх кількість там буде жити, максимально можливі розміри дорослих риб, наявність або відсутність в акваріумі живих рослин та їх кількість або обсяг.
Якісь рекомендації на даному етапі дати вже можна, але далі все доводиться вирішувати самому любителю.
Так, наприклад, деякі акваріумісти, що вважають за краще рослинні, так звані, Голландські акваріуми, взагалі обходяться без фільтрів, зате багато ціхлідние акваріуми обходяться без рослин, тому без потужного фільтра, відповідного об'єму акваріума, там не обійтися. Це, звичайно, крайнощі, але вони добре ілюструють питання про значущість фільтрів для різних акваріумів. З розумінням цього питання, приходить відповідь про необхідність покупки фільтра, або, навпаки, відмову від його покупки, з огляду на непотрібність, що дозволяє зберегти гроші, іноді, чималі, для чогось іншого, більш необхідного.
Деякі різновиди фільтрів, або насадки для готових фільтрів, можна зробити самому, а деякі вироби ніхто з виробників акваріумного обладнання просто не виробляє.
Так само, необхідно знати і пам'ятати, що звірятка, що живуть в акваріумах, не тільки їдять, а й живуть у власному туалеті, чистити який вони не можуть, не вміють і не будуть самостійно. У цьому їм необхідна допомога людини. Будь-яка людина, заводять акваріум, бере на себе відповідальність за цих маленьких істот.
Навіть при наявності самих "крутих" фільтрів, потрібно проводити регулярні заміни частини акваріумний води на свіжу воду. Такі заміни знижують концентрації речовин, що виділяються в акваріумі в процесі життєдіяльності не тільки риб і рослин, а й найпростіших живих істот - водоростей і бактерій, які присутні в кожному акваріумі, і, іноді, можуть бути причиною не тільки занепокоєння акваріума-любителя, але і його головним болем на кілька місяців. Речовини ці можуть бути не тільки зайвими для мешканців акваріума, але і небезпечними для їх життя. І ніякими фільтрами, використовуваними аквариумистами, всі ці речовини видалити не вдасться. Чим частіше проводяться такі заміни води, тим менше може бути обсяг замінної води. Необхідно також видаляти відмерлі листя рослин, чого жоден фільтр не робитиме. Ну, і, звичайно, очищати скла акваріума від нальоту водоростей і бактерій, що перешкоджають спостереженню за життям в ньому, і псує зовнішній вигляд акваріума.
У будь-якому випадку, бажано вибрати фільтр з невеликим, хоча б, близько 20-30 відсотків, запасом, або за потужністю, або за обсягом води в акваріумі, що, в подальшому, може позбавити від виникаючих несподіванок. Зменшити потужність фільтра просто, а збільшити її неможливо.

Класифікація фільтрів.

Сучасні акваріумні фільтри можна умовно розділити на групи, що розрізняються конструкцією, принципом дії, принципом фільтрації і способом створення руху води. Вони бувають внутрішніми і зовнішніми, підвісними і стоять на грунті, помповими і Ерліфтні, біологічними, механічними, донними, вбудованими в конструкцію акваріума, або його додаткового обладнання, суміщеними з додатковими пристроями: нагрівачами, аератори, ультрафіолетовими облучателями, і так далі.
В даний час, для створення потоку води в системі фільтрації, використовують або продування повітрям, так звані ерліфтні (aero + lift - підйом повітрям) фільтри, або помпові (від pump - насос) фільтри. Помпові акваріумні фільтри мають велику продуктивність, ніж ерліфтні.

Конструкція і принцип роботи ерліфтного аквариумного фільтра.

Ерліфтні акваріумні фільтри являють собою відрізок труби, розташованої в акваріумі в вертикальному положенні, через яку, від низу до верху, прокачується повітря від акваріумного, або будь-якого іншого компресора.

Бульбашки повітря, під час продування, захоплюють за собою акваріумну воду, що знаходиться в трубі, перемішуються з нею, створюючи подобу емульсії, яка, за своєю щільності, легше води, тому вона піднімається по трубі, створюючи потік.
Якщо на нижній кінець такого пристрою надіти шматок поролону, то вийде найпростіший внутрішній фільтр з аерацією (насичення повітрям) води. Без аерації, він, природно, працювати не буде. Можна верхню частину труби зігнути, або повернути весь такий фільтр під кутом до поверхні води, тоді він буде створювати і невеликий рух води в акваріумі. Встановлюючи його горизонтально, можна дуже сильно зменшити потік води, що призведе до зменшення і без того слабкої фільтрації.
Можна підвісити на стінку акваріума яку-небудь ємність, наповнену фільтрує, і має перелив в акваріум, і під'єднати до неї Ерліфтні трубку, закриту знизу запобіжної сіткою. Тоді, вода з акваріума буде підніматися в цю ємність, проходити через шар фільтруючого матеріалу, і виливатися в акваріум з іншого боку. Ця конструкція - найпростіший навісний зовнішній фільтр. Він може бути підвішений як зовні акваріума, так і всередині нього, наприклад, під кришкою з лампами, яка буде приховувати відсік з фільтром.
Замінивши фільтруючий матеріал в такому фільтрі на який-небудь твердий пористий матеріал, наприклад, на пемзу, або керамзит, і посадивши в нього швидкозростаючі рослини, отримаємо фітофільтр. Це - один з варіантів гідропоніки. В такому фільтрі, коріння рослин будуть забирати для свого харчування розчинені речовини, повертаючи в акваріум більш чисту воду. Цей варіант може стати в нагоді в ціхлідних акваріумах, або в акваріумах з золотими рибками, які сильно ушкоджують рослини, якщо вони ростуть в акваріумі. Водорослевих обрастаний буде набагато менше.
Висота підйому води в Ерліфтні фільтрі дуже невелика. Вона сильно залежить від продуктивності компресора і розпилювача повітря, а також від діаметра трубки, де відбувається змішування води з повітрям. Тому його можна рекомендувати тільки для невеликих акваріумів.
Для підйому води на значно більшу висоту, або встановлюючи його в акваріум великого обсягу, застосовують фільтри, обладнані насосами, звані помповими фільтрами.

Конструкція і принцип роботи помпової аквариумного фільтра.

Помпові акваріумні фільтри, як внутрішні, так і зовнішні, можуть являти собою єдиний блок, що складається з самої помпи, а також відсіку, або відсіків для розміщення фільтруючих матеріалів або біологічних наповнювачів. Або, вони можуть бути виконані у вигляді окремої ємності для фільтрації, в яку опущена помпа для підйому води в акваріум. Або, навпаки, помпа може подавати воду з акваріума на вхід такого фільтра, а очищена вода буде зливатися в акваріум самопливом, як в навісному Ерліфтні фільтрі, описаному вище.

Помпа аквариумного фільтра є відцентровим насосом з мокрим ротором, в якому перекачується вода охолоджує обмотки статора двигуна. Ротором, найчастіше, є термічно оброблений полімер, в який, при виготовленні, вводяться магнітні матеріали. На роторі знаходиться робоче колесо насоса або импеллер.
Як працює відцентровий насос?
При включенні в електричну мережу, по обмотках статора насоса починає текти електричний струм, створюючи змінне магнітне поле, що впливає на магнітний матеріал ротора, і змушує його обертатися. При обертанні ротора, з насадженим на нього імпеллером, або робочим колесом, лопаті импеллера починають розкручувати воду, що знаходиться в робочій камері головки насоса. Вода рухається по спіралі, з огляду на її рух по колу, що збігається з віддаленістю від осі, і прямолінійно, уздовж радіусу кола. Такий рух води отримало назву відцентрового руху, а насоси були названі відцентровими. Біжить від центру.
Рухаючись з великою швидкістю між лопатками импеллера, вода створює перед собою область зі збільшеним тиском, а позаду себе - область зі зниженим тиском, або розрідженням. Це розрідження між лопатками импеллера засмоктує воду, що знаходиться в просторі між статором і ротором насоса, і, далі, по водопідвідний каналам, які виходять за межі корпусу насоса.
Одночасно з цим процесом, частина води, що знаходиться під тиском, при положенні лопатей импеллера, що збігається з вихідним отвором, спрямовується в нього, створюючи потік води.

Характеристики помп акваріумних фільтрів.

Головними гідродинамічними характеристиками акваріумних помп, як і звичайних насосів, є натиск і витрату.
Напором називається збільшення питомої енергії рідини при русі рідини через насос. Він показує, на яку висоту насос може підняти рідину щодо рівня рідини в подає її резервуарі. Цим резервуаром може бути не тільки акваріум, але і інша ємність, звідки береться вода для акваріума, або куди вона буде зливатися. Напір вимірюють метрами стовпа рідини, що подається, або тиском цього стовпа рідини. Уздовж потоку натиск зменшується. Різниця напору в двох поперечних перетинах потоку реальної рідини називається втратою напору.
Якщо розглядати швидкість виходить з системи фільтрації води, що відповідає певній висоті підйому води над рівнем в ємності, звідки походить водозабір, то ця швидкість буде дорівнює швидкості води, що виливається з отвору у відкритій ємності, рівень води в якій буде дорівнює рівню максимального, або повного напору , який може створити помпа, яка працює в цій системі фільтрації. Інакше це можна записати, як надання помпою такій швидкості потоку води при наборі певної висоти, яка буде у води, вільно стікала з цієї ж висоти.
Витратою називається кількість рідини, перекачати насосом за одиницю часу, при цьому натиску.
Залежність витрати води, що проходить через насос, або систему фільтрації, від висоти підйому води над рівнем водозабору, або напору, є основними для будь-якого насоса і відображаються в його паспорті у вигляді графіка або таблиці. Навіть у двох однакових по споживаної електричної потужності помп від різних виробників, співвідношення натиск-витрата можуть відрізнятися через відмінності в їх конструкції.
При виборі, перед покупкою, потрібно пам'ятати, що максимальна витрата води, що проходить через помпу, відповідає мінімальному натиску помпи, або рівню її установки, що збігається з рівнем води в водозабірної ємності. При збільшенні висоти підйому, витрата води буде зменшуватися. Витрата також буде зменшуватися з часом. Це пояснюється поступовим обростанням колоніями бактерій всіх внутрішніх поверхонь системи фільтрації, що контактують з акваріумний водою. Процес цей неминучий, і до нього повинен бути готовий кожна людина, що встановлює фільтр в своєму акваріумі. Контролювати його можна по поступового ослаблення струменя води, яка витікає з вихідного отвору фільтра або шланга. Не потрібно чекати, поки вода, що тече з помпи, значно втратить швидкість, або сильно зменшиться довжина струменя, так як це може привести до перегріву обмоток статора і виходу помпи з ладу.
Фактично створюється насосом натиск менше теоретичного, так як частина енергії, споживаної насосом, витрачається на подолання гідравлічних опорів всередині насоса, а також внаслідок того, що не всі частинки рідини здійснюють рух уздовж лопаток робочого колеса, або импеллера, потрапляючи в зазор між лопатями импеллера і внутрішньою поверхнею робочої камери. А це викликає зменшення абсолютної швидкості води. На реальний напір, створюваний помпою, впливає і конструкція системи фільтрації, в якій вона працює. Будь-який пристрій, через яке проходить вода, перекачується помпою, буде створювати додатковий опір потоку води. Швидкість реальної рідини на поверхні твердого тіла завжди дорівнює нулю, тому на поверхнях, що знаходяться в потоці рідини, завжди утворюються якісь нарости, осадження, а, в застосуванні до акваріумістики, ще й бактеріальні або водоростеві обростання. Будь-шланг, каністра фільтра, сам фільтруючий матеріал, флейти, проточні реактори вуглекислого газу, і інші пристрої, а також біологічні обростання внутрішньої поверхні, все це створює опір потоку, зване втратою напору. Біологічні обростання призводять до зменшення перетину шлангів, зниження швидкості потоку води, що проходить через систему фільтрації, і можуть зменшувати розрахункові характеристики фільтрів в кілька разів, тому чисельно висловити продуктивність помпи або фільтра, використовуючи закони гідродинаміки, дуже важко. Можна говорити тільки про імовірнісних значеннях продуктивності такої системи в той, чи інший період його експлуатації та обслуговування. Втрата напору може виражатися зменшенням тиску або розрідження, або зменшенням висоти підйому води, зменшенням швидкості потоку або об'єму води в одиницю часу. Всі ці величини взаємопов'язані. Зміна однієї з них веде до зміни інших.
Але, зміна швидкості потоку води, що проходить через ділянки, з різним поперечним перерізом, застосовується для розміщення фільтруючих матеріалів.
Зміна швидкості води на різних ділянках системи фільтрації найкраще ілюструє робота зовнішнього акваріумного каністровий фільтра, в якому різниця в площах перетину каністри і шлангів може досягати декількох сотень разів. Якщо швидкість потоку в шлангу буде кілька метрів в секунду, то в каністрі фільтра вона впаде до кількох міліметрів в секунду, так як обсяги води, що проходять за одиницю часу через поперечний переріз шланга і каністри, будуть рівні. Отже, ставлення швидкостей потоків в шлангах, і в каністрі, обернено пропорційно відношенню їх площ перетину.
При обчисленнях швидкостей потоку в фільтрах, необхідно пам'ятати, що площа перетину фільтра буде більше площі живого перетину самого фільтруючого матеріалу, і буде залежати або від його проникності, в разі використання волокнистих, листових або пористих матеріалів, або від проникності шару сипучого наповнювача, яка залежить від габаритних розмірів частинок цього наповнювача.

Візьмемо, для прикладу, уявний акваріумний насос, який має такі характеристики:
- витрата помпи = 2 м3 / ч = 0,5555555 ... л / с (літрів / секунду)
- внутрішній діаметр сполучних шлангів = 20 мм = 0,02 м
- площа дна кошиків для наповнювачів = 300 * 300 мм 2 = 0,3 * 0,3 м2.
Якщо уявити, для наочності, що вся вода, перекачується цим насосом за 1 годину, буде знаходитися в шлангу, прокладеному горизонтально, і знехтувати втратами швидкості, то довжину цього шланга можна розрахувати за формулою обсягу шланга:
V = п * R ^ 2 * L,
де п - "пі" = 3,1415
R - внутрішній радіус поперечного перерізу шланга
L - довжина шланга. Для наших даних,
V = п * R ^ 2 * L = 2 м3.
L = V / п * R ^ 2 = 2 / 3,1415 * (0,01) ^ 2 = 6366,3855 м. Розділивши отриману довжину шланга на час наповнення шланга, ми отримаємо довжину ділянки шланга, який проходить вода за одну секунду , тобто, її швидкість в шлангу:
VШ = 6366,3855 / 3600 = 1,7684 м / с. Ставлення швидкостей потоків на різних ділянках системи фільтрації:
VШ / Vф = S ф / Sш, Де
VШ - швидкість води в шлангу,
Vф - швидкість води в фільтрі,
Sш - площа поперечного перерізу шланга,
S ф - площа поперечного перерізу фільтра. Для наших даних,
Sш = 0,00031415 м2,
S ф = 0,09 м2,
VШ = 1,7684 м / с,
отримуємо, що Vф = 0,0062 м / с.
Втрата швидкості потоку води буде в 286,5 разу!

Віміряті реальні значення напору - витрати для якоїсь конкретної помпи, або системи фільтрації, Досить просто.
Для вимірювання полного напору достаточно звічайної рулетки. Потрібно просто підняті шланг, підключеній до виходе працюючої помпи, на висоті, что перевіщує паспортний рівень напору. Вода при цьом Зупини в шлангу на якомусь Рівні. Вімірявші висота підйому води в шлангу до уровня води в ємності, звідки вона Надходить в помпу, отрімаємо величину напору.
Для вимірювання витрати води бажано скористати водоміром, або водяним лічільніком, но, при его відсутності, Досить звичайна Відра и мірного стакана. Потрібно лишь в течение якогось проміжку часу, например, хвилини, набіраті воду у відро, при розташуванні уровня Вихід струменить або на Рівні води в акваріумі, або на Рівні установки віхідного відчинив системи фільтрації в самому акваріумі. У Першому випадка буде ОТРИМАНО значення повної витрати води через систему фільтрації, при напорі, что дорівнює нулю. А в іншому - реальний витрат при реальному напорі.
Зміною напору води в системе фільтрації можна управляти, например, для регулювання (только ослаблення) швідкості води. Але, нужно знаті, де стоит помпа: до фільтра, або после него. Це, в основному, стосується только зовнішніх каністровій фільтрів, что ма ють два або более відтінають - регулююча кранів.
Помпа, як уже Було сказано вищє, створює перепад тісків води до и после собі. Цей перепад відповідає ее натиску. Если помпа коштує перед фільтром, то вона створює в фільтрі ТИСК, а если после, то розрідження.
Прикриття вхідного крана спричинить за собою зменшення розрідження (негативного тиску), зменшення кількості води, що проходить через помпу (витрата), і, як наслідок, зменшення тиску на виході системи фільтрації. Напір зменшиться.
Прикриття вихідного крана призведе до збільшення тиску на виході помпи, але не системи фільтрації, зменшення кількості води, що проходить через неї, і, отже, до зменшення величини розрідження по модулю на вході системи фільтрації. Напір також впаде.
Використання таких режимів не може бути рекомендовано до застосування, особливо на тривалий час, так як, при зменшенні кількості води, що перекачується, статор помпи буде нагріватися сильніше, ніж при її роботі в повному режимі, а це може привести до перегріву обмоток і виходу помпи з ладу .

Поняття кавітації.

Якщо, при вході в робоче колесо насоса, абсолютний тиск виявиться меншим або рівним пружності парів рідини при даній температурі, то рідина починає скипати, відбувається розрив потоку і подача рідини припиняється.
Явища, що відбуваються в насосі при вскипании рідини, називаються кавитацией. При цьому з рідини виділяються пари і розчинені гази в тому місці, де тиск дорівнює або менше тиску насичених парів. Бульбашки пара і газів, захоплені потоком в область підвищеного тиску, конденсуються зі зменшенням обсягу в мікроскопічних зонах. При тривалій роботі насоса в таких умовах, це призводить до механічних пошкоджень лопаток робочого колеса і їх руйнування. Ці явища супроводжуються потріскуванням, шумом і вібрацією насоса. При кавітації різко падає к. П. Д. Насоса, продуктивність і напір.
Ті ж явища можна спостерігати в помпових фільтрах, і внутрішніх, і зовнішніх, при підключенні аерації або подачі вуглекислого газу на вхід фільтра. Розчинені у воді гази, потрапляючи в головку помпи, виділяються у вигляді бульбашок, які створюють той самий шум, на який скаржаться багато акваріумісти. Причиною появи такого ж шуму, без підключення подачі газу і аерації, може бути надлишок довжини шланга зовнішнього каністровий фільтра, який, опустившись нижче рівня виходу помпи, створив з розчинених у воді газів "повітряний кишеню", "пробку", або така ділянка, через який помпа не може прокачати воду.

Матеріали, що застосовуються у виробництві акваріумного обладнання.

Акваріумна вода, на відміну від питної, містить набагато більше домішок, ніж це здається. Хоча заливка акваріумів і відбувається з водопроводу з питною водою. За своїми хімічними і біологічними параметрами, акваріумна вода ближче до річкової, або озерній воді. Наявність в ній великої кількості мікроорганізмів обумовлено життєдіяльністю риб і рослин, які б виробляли ті, чи інші речовини, необхідні для життя бактерій і водоростей.
Риби дихають розчиненим у воді киснем, видихаючи вуглекислий газ. У рослин, в процесі фотосинтезу, йде процес споживання вуглекислого газу для отримання вуглецю, необхідного їм для росту, і виділення кисню. Крім того, рослини теж дихають киснем, виділяючи вуглекислий газ. Ці два процеси йдуть паралельно один одному, причому дихають рослини теж цілодобово. При цьому відбувається окислення вуглецю до його оксиду з виділенням енергії, необхідної рослинам для фотосинтезу.
Вуглекислий газ добре розчиняється у воді, створюючи вугільну кислоту. Цей процес є оборотним, вугільна кислота розпадається на вуглекислий газ і воду. Розчинність газів у воді залежить від її температури, і від їх концентрації в повітрі, так званому, парціальному тиску газу.
У процесі життєдіяльності бактерій йде виділення сірководню, який шкідливий і рибам, і рослинам. Розчиняючись у воді, він теж утворює кислоту.
Аміак, амоній, нітрити та нітрати - сполуки азоту, сполуки фосфору і сірки, вступаючи в різні окислювально-відновні реакції між собою, і в зв'язці з вуглекислотою і киснем, розчиненими в акваріумний воді, взаємодіючи з грунтом осадового походження, створюють як органічні, так і неорганічні сполуки, які змінюють склад води, її жорсткість і кислотність.
Всі ці розчинені у воді гази, іони розчинених хімічних сполук, бактерії і водорості, завжди присутні в акваріумний воді, створюють досить агресивне середовище, яку вже важко називати питною водою. Саме тому, утруднене використання в акваріумі обладнання, виготовленого з металу.
Для виготовлення обладнання для акваріумів, яка має контакт з водою, використовують хімічно інертні матеріали: скло, кераміку, пластичні маси або полімери. Деякі деталі можуть бути виготовлені з металу. Але цей метал повинен бути одночасно і хімічно стійким, і досить міцним, щоб уникнути його корозії під час експлуатації, можливої ​​поломки через зношування, і унеможливлення потрапляння сполук цього металу або сплаву в акваріумну воду, що може негативно відбитися на життєдіяльності істот, що мешкають в ньому, привести до їх загибелі. Тому, краще уникати використання металевих предметів і конструкцій при облаштуванні акваріума. Зроблене з хімічно неактивних речовин акваріумне обладнання - одна із запорук спокійного життя акваріума і його підопічних.

Костянтин Абрамов (Daxel)
Використовувані ресурси:
http://ru.wikipedia.org/wiki
https://www.aqa.ru/forum/
Обговорити на форумі

Запісів Полтава.