Автор этой статьи, работая главным конструктором, занимался созданием и совершенствованием спускной и наполнительной арматуры к смывным бачкам и часто воочию наблюдал следующую картину. Обычно выпускаемая предприятием арматура после стендовых испытаний упаковывается вместе с паспортом на неё в полиэтиленовые пакеты и отправляется на заводы-изготовители унитазов. Попав к покупателю, унитаз устанавливается в нужном месте, арматура монтируется в смывном бачке, а коробка из-под унитаза, на которой наклеены все координаты завода-изготовителя унитаза, выбрасывается. Пакеты из-под арматуры с соответствующей документацией остаются у потребителя. Через несколько дней потребитель начинает понимать, что качество смыва у нового унитаза — совсем неудовлетворительное. Пользователь сразу же пишет в адрес изготовителя арматуры гневное письмо: «Ваш клапан плохо смывает в новом (очень красивом) унитазе. Замените нам клапан».

Из-за достаточного количества таких писем автору пришлось посетить наиболее настойчивых потребителей в пределах Москвы и ближайшего Подмосковья. При этом выявлено множество интересных фактов и практических нюансов работы унитазов, которые можно приобрести на российском рынке.

В основном это были бюджетные унитазы. Чаще всего смыв содержимого не всегда происходил после первого нажатия на кнопку пуска унитаза. Качество смыва оценивалось с помощью искусственной фекалии [2, 3] с привязанным к ней шнурком, благодаря которому данное «измерительное приспособление» становится буквально «многоразовым».

Часто всего встречались недостатки, обусловленные некачественным омыванием поверхностей чаши унитаза, что определялось с помощью жидкой синьки.

Также были случаи, связанные с конструктивно неудачным креплением сиденья и крышки на ободе унитаза. Они постоянно сдвигаются в сторону, несмотря на сильно затянутые их крепёжные болты. Практически ни в одном обследованном унитазе вода в отводе не обновляется не только при малом спуске, но и при полном. Замеры среднего расхода на смыв показывали, как правило, недопустимо малые величины — намного меньшие, чем записано в требованиях стандартов. И так далее, и тому подобное.

Следует отметить, что некоторые недостатки часто повторялись. Автором было отмечено, что повторяющиеся «ляпы» группируются по конкретным производителям унитазов, поэтому конкретного «бракодела» можно было легко «вычислить по почерку», даже если он не клеймил своё изделие.

При обследовании разных унитазов автор обратил внимание, что их чаши имеют некоторое отличие по кривизне в разных местах. Для того чтобы определить влияние кривизны отдельных участков чаши на качество смыва, пришлось разработать специальное приспособление для измерения степени этой кривизны. Это приспособление получилось очень удачным, и автор с долей юмора назвал его «трёхмерным кривомером». Он очень помог в разгадке проблем, связанных с пониманием качественного процесса смыва.

На рис. 1 приведена принципиальная схема одного сейчас уже не очень популярного компакт-унитаза, который ныне редко оказывается на витринах строительных магазинов. Здесь он нужен, чтобы показать некоторые недостатки устройства, которые могут принести его потребителю ряд неудобств.


Рис. 1. Старый унитаз — виды сбоку (а), спереди (б) и сверху (в) [1 — чаша унитаза; 2 — основание; 3 — обод; 4 — выпуск; 5 — гидрозатвор; 6 — полочка; 7 — смывной бачок; 8 — крышка
бачка; 9 — кнопка пуска; 10 — сиденье; 11 — крышка унитаза; 12 — штуцер наполнительной арматуры; Нг — высота гидрозатвора, Нс — максимальная высота подъёма воды в чаше при спуске]

Прежде всего бросается в глаза полусферическая форма чаши. Видимо, конструктор не мог избавиться от детских впечатлений, а ведь эта давно устаревшая форма очень сильно задержала прогресс развития «унитазостроения». Основание унитаза конструктивно не имеет каких-то особых ограничений. Обычно встречающийся недостаток — плохая плоскостность «подошвы» унитаза, контактирующей с полом. Эта проблема при монтаже унитаза вполне устранима за счёт заполнения зазоров между полом и основанием каким-либо быстро твердеющим составом, но удобства потребителю это явно не добавляет. Но это — относительные «мелочи», а вот от конструктивных особенностей обода унитаза часто зависит и качество его смыва.

Следует сразу отметить, что совсем недавно появилось множество безободковых унитазов, в которых как бы конструктивно сделан «революционный шаг», делающий ненужными все предыдущие конструкции унитазов. На самом деле все новации в них перечёркиваются таким большим количеством новых недостатков, что начинаешь понимать поговорку: «лучшее — враг хорошего» [4].

Что касается обода унитаза, то в настоящее время существует два способа подачи воды из смывного бачка через обод в чашу. Первый — душевой. В нижней стенке обода выполняется большое количество отверстий, вода из которых (предполагается, что равномерно) в виде активных струек попадает на внутренние поверхности стенки чаши и «вроде бы» очищает их. Такие унитазы выпускает Турция, и в Москве есть немало зданий, в которых установлены такие унитазы.

Их обследование позволяет сделать вывод, что качество омывания и очищения чаши в них далеки от совершенства. Прежде всего потому, что не все струи текут вертикально, верхняя часть чаши (шириной около 3–4 см) под ободом оказывается вообще сухой. А струйки воды на деле получаются «вялые» — они смачивают поверхность чаши, но следов очищения на ней не наблюдается. Кроме того, обследуемые унитазы были установлены более десяти лет назад. В результате во внутренних полостях обода накопилась ржавчина, которая из-за этих струек отложилась и на поверхности чаши. Как теперь избавиться от этих отложений внутри обода, пока не совсем ясно — их «не берёт» большинство современных средств очистки унитазов.

Второй способ подачи воды из-под обода унитаза в его чашу условно называется «каскадный водопад» или «открытое кольцо». Он вытекает из щели, образованной внутренней поверхностью чаши и внутренней поверхностью отбортовки, без каких-либо перемычек. Поскольку эта щель сплошная, а под ободом со временем скапливается ржавчина (трубы, по которым вода подаётся потребителям, в основном стальные), то сантехники придумали для очистки внутренней полости обода использовать зубные щётки. Поэтому эта проблема в унитазах, в которых применяется каскадный водопад, теперь отсутствует.

Как работает рассматриваемый компакт-унитаз? Смывной бачок 7 предварительно после предыдущего спуска автоматически через штуцер 12 заполняется водой объёмом 6 л. После кратковременного нажатия на кнопку 9 пуска клапан спускной арматуры (на схеме не показан) открывается, и вода из смывного бачка 7 начинает поступать сначала в канал обода 3 унитаза, затем в чашу 1 и далее в отвод 4. После опорожнения смывного бачка 1 клапан его спускной арматуры закрывается, и вода из сети через штуцер 12 наполнительной арматуры снова наполняет в автоматическом режиме смывной бачок теми же 6 л воды.

Перед началом любого спуска гидрозатвор 5 всегда заполнен водой. Это необходимо для того, чтобы предотвратить попадание канализационных газов в жилые помещения. И это действительно очень хороший способ защиты потребителей от токсичных и опасных канализационных газов. Правда, при долгом отсутствии жильцов вода в гидрозатворе может испариться, и квартира может пропитаться очень неприятными запахами, удаление которых связано с преодолением ряда проблем вплоть до капитального ремонта.

Далее сразу после начала процесса спуска уровень воды в гидрозатворе 5 с увеличением расхода на смыв начинает плавно подниматься, так как сечение канала отвода специально занижено. Обычно оно имеет диаметр около 85 мм. Подъём уровня воды в чаше на высоту Нс приводит к подъёму воды во всём отводе, и она самотёком сливается в канализационную трубу. К сожалению, подъём уровня воды в этом случае не очень большой и составляет величину порядка 3 см. Поэтому лёгкие фракции содержимого отвода не всегда покидают чашу даже во время полного спуска. Этому также способствуют обратные потоки из входной части отвода. Они появляются из-за воды, стекающей по стенкам чаши в периметр входного участка отвода. Этот ниспадающий ножеобразный поток (по периметру отвода) вытесняет воду из центральной части начального участка отвода обратно в чашу вместе со всем содержимым (фекалии, моча и лёгкие фракции). При нажатии на кнопку малого спуска картина смыва получается вообще жалкая. Качество смыва плохое, и приходится на кнопку нажимать повторно и неоднократно, что приводит к дополнительному расходу воды.

Вытекание воды из-под обода унитаза и её распределение по поверхности чаши также имеет свои особенности. Попадая из смывного бачка в каналы обода, вода совершает путь к стенкам чаши по сложным траекториям. Первая неприятность — вода движется под слабым гравитационным напором, в результате чего она не всегда достигает даже самой дальней от смывного бачка передней части обода. Это происходит в том числе и от потерь воды, вытекающей из кольцевой щели обода. Кроме того, существуют потери напора и по мере протекания воды в канале под ободом. Очень часто бывает так, что посыпанная опилками мокрая поверхность чаши показывает, что самая далёкая от смывного бачка часть чаши вообще не омывается водой, оставляя там «косынку» не омытой водой поверхности. Последнее даже приводило к тому, что производитель старался сократить каналы обода, выполняя его круглым и малого внутреннего диаметра (около 250 мм). Такие унитазы годятся детям, но не крупным мужчинам.

У таких унитазов с точки зрения качества смыва вода, имеющая напор около 0,3 м, подходя в чаше к начальному участку отвода, практически полностью теряет свою кинетическую энергию. Так происходит из-за того, что поток, который сначала протекал вертикально в верхней части чаши из-за изгибов дна, вдруг меняет свою траекторию на горизонтальную. Это очень нерационально с инженерной точки зрения, так как данную энергию можно было бы употребить на принудительное перемещение содержимого чаши унитаза в канализацию.

Имеется ещё один недостаток, с которым производители унитазов постоянно с переменным успехом борются, — это отсутствие у сантехнического прибора функции «антивсплеск».

Прежде чем перейти к унитазам с хорошими эксплуатационными показателями, хочется вспомнить о высоко располагаемых смывных бачках, идея которых была передана России итальянцами. Они обладали относительно хорошими качествами смыва, но сильно шумели во время спуска воды. Очень быстро на смену им пришли компакт-унитазы с низким уровнем шума, но с отвратительным качеством смыва. Автор считает, что компакт-унитазы могли быть доведены «до ума» ещё советской инженерной школой, но во времена СССР приоритет отдавался не бытовым сферам, а преимущественно оборонным — прежде всего военно-космической отрасли. В настоящее время инженерная мысль вот уже 30 лет возвращается «из космоса» к унитазам, поэтому есть надежда на радикальное улучшение как самих компакт-унитазов, так и спускной арматуры, и на значительное повышение качества смыва этих необходимых в быту сантехнических приборов.


Рис. 2. Новый унитаз — виды спереди (а) и сбоку (б) [1 — основание унитаза; 2 — чаша; 3 — обод; 4 — смывной бачок; 5 — крышка бачка; 6 — кнопка пуска; 7 — отвод; 8 — гидрозатвор;
Нг — высота гидравлического затвора, Но — средняя глубина опускания уровня воды в отводе при спуске за счёт силового воздействия потоков, вытекающих из-под обода]

На рис. 2 приведено схемно-конструктивное изображение принципиально нового компакт-унитаза. Его хорошие эксплуатационные показатели получены без «революционных» решений, а только за счёт новых знаний, которые основаны на тщательных результатах экспериментального целевого исследования широко известных конструкций отечественных унитазов, а также лучших компакт-унитазов Европы.

Какие же отличия нового унитаза (рис. 2) от предыдущего (рис. 1)? Большие. Перечислим их по пунктам.

1. Новый смывной бачок стал намного выше и меньше в глубину примерно при той же ширине. Это необходимо для того, чтобы обеспечить при ограниченных объёмах заполнения бачка водой как можно более высокий её уровень. Желательно, чтобы габариты нового смывного бачка были примерно такими: ширина 350, глубина 150 мм и высота без крышки — 350 мм. Ещё лучше — 400 мм для более качественного смыва.

Кроме того, это предельная высота при использовании спускной арматуры ООО «Вымпел-М». Её средний расход на смыв также вне конкуренции.

2. Следует особо отметить, что в новом смывном бачке с увеличением высоты его заполнения в процессе спуска воды средний расход воды может увеличиться до двух раз и более по сравнению со старыми бачками. Если в старых унитазах средний расход воды составляет около 1,6 л/с, то в новых унитазах он будет примерно в два раза бóльшим. Далее, следует учесть, что при спуске воды внутри смывного бачка появляется разрежение, которое может привести к существенному уменьшению среднего расхода на смыв. В старых унитазах с малыми средними расходами на смыв этой проблемы не существовало, так как в результате коробления крышки бачка или технологических наростов в месте её контакта с бачком образовывалась щель, которая своей сравнительно большой суммарной площадью компенсировала вакуумирование за счёт притока воздуха извне. В новых унитазах с повышенным средним расходом на смыв в конструкции смывного бачка необходимо предусмотреть сапун (отверстие) площадью более 5 см² [3].

При выборе глубины старого бачка, видимо, ориентировались на его устойчивость и на габариты кронштейна, на который бачок устанавливался на высоте почти 2 м (ориентиром глубины, по-видимому, служила ширина кронштейна, на который он устанавливался). Ориентиром ширины бачка, очевидно, служила ширина обода унитаза. Высота же определялась габаритами начинки смывного бачка. Габариты последнего были примерно такими (в×ш×г): 350×300×200 мм.

3. Очень важна геометрия чаши нового унитаза, то есть форма её стенок, изгибов и переходов. В отличие от старого унитаза, чаша нового должна иметь воронкообразную форму, причём обязательно со стенками в направлении течения воды из-под обода, не имеющими кривизны или малой кривизной, то есть чаша должна быть близкой к конусообразной форме. Это необходимо, чтобы поток, вытекающий из-под обода, смог бы принудительно проталкивать содержимое отвода в канализацию. Важно также организовать достаточной ширины поток из-под передней части обода, чтобы он с минимальными потерями попадал прямо в центр приёмного канала отвода.

4. Последнее без осуществления специальных мер обеспечить невозможно, и вот почему. На рис. 3 изображено сечение по А-А (из рис. 2а). Левый и правый потоки в ободе подходят к месту встречи в передней части обода, и дальше они, по идее, должны течь по оси симметрии чаши. На деле оказывается совсем не так. Поскольку гидравлические сопротивления левого и правого канала отличаются из-за неровностей этих каналов (всё-таки это литьё со своими отклонениями), то место встречи левого и правого потока смещается в сторону меньшего потока, и суммарная струя отклоняется от оси симметрии унитаза также в сторону меньшего потока. Она также почему-то закручивается и неожиданно очень компактно (относительно тонкой струёй) движется несколько в сторону от входного отверстия отвода. Иногда это приводит к закручиванию основного потока, поэтому его кинетическая энергия падает до нуля, и проталкивания воды отвода в канализацию не происходит. Это явление автор наблюдал даже в некоторых унитазах производства Gustavsberg.


Рис. 3. Новый унитаз — вид сверху (сечение А–А на основании рис. 1)

5. Выход из создавшейся тупиковой ситуации автором был найден, и проблема удачно разрешилась. Для этого в центре передней части канала нужно было установить перегородку, как это показано на рис. 4. Теперь отклонение обоих потоков в отводе не будет зависеть от их относительной скорости, а будет зависеть только от формы стенки и от места её установки.


Рис. 4. Новый унитаз — вид сверху (сечение А–А на основании рис. 1 с перегородкой)

6. Необходимо также уменьшить гидравлическое сопротивление канала отвода посредством увеличения его гидравлического диаметра до 100 мм (вместо 85 мм). Тогда площадь сечения канала увеличится почти на 40%, что решает проблему обновления воды в отводе унитаза после любого спуска.

7. Обследование большого количества унитазов выявило ещё одну гигиеническую проблему, которая сводится к тому, что площадь приёмной части канала отвода недостаточна, чтобы фекалии попадали только в её воду. Чаще они попадают на ребро приёмного канала и оставляют на нём и на нижней поверхности чаши неприятные мазы, которые не смываются потоком воды в процессе спуска. Для их удаления требуется применение ёршика. Если промедлить с этой операцией, то засохшие фекалии потом придётся отмывать, затрачивая значительные усилия.

8. Очень серьёзная проблема — антивсплеск. Однако она решаема. Люди давно заметили, что оправление в воду приводит к появлению брызг, попадающих на интимные части тела. Но, если в воде закрепить специальное приспособление (нечто вроде усечённого узкого конуса), верхний торец которого находится почти заподлицо с гладью воды, то брызги перестанут образовываться. Видимо, твёрдый предмет конической формы, находящийся в воде, как-то влияет на распространение колебаний, возникающих от падения фекалий в воду, препятствуя появлению брызг или отклоняя их.

Известен также способ предотвращения брызг, который некоторые производители унитазов рекламируют как «систему «антивсплеск«». С этой системой всплеска действительно нет, но возникает другая проблема. Задняя стенка чаши выполняется косой настолько, что фекалия при падении сначала попадает на эту косую стенку и из-за торможения плавно сползает без брызг в отвод. Но при её сползании по косой стенке остаётся маз — след, который нужно быстро смыть ёршиком.

Сейчас многие производители унитазов систему «антивсплеск» выполняют за счёт плавного изменения увеличения глубины донной части входного участка отвода. Она увеличивается от минимального размера до примерно 80–100 мм в месте его полноценного входа в тело унитаза, которое на рис. 2б обозначено цифрой 10. Простота этой конструкции очевидна. И если после спуска на наклонной поверхности остаются мазы, то они остаются покрытые водой, не издают запахов, поскольку находятся в воде, не присыхают, а размачиваются. При последующем спуске они легко смываются.

9. Увеличение площади сечения трубы отвода, если её сделать по-прежнему круглой, может затронуть другие размеры унитаза. Поэтому канал отвода следует выполнить прямоугольным с закруглением крутых изгибов, как это показано на рис. 2а и 2б и обозначено цифрой 10.

10. В своей верхней части этот прямоугольный канал должен плавно перейти к круглой форме с диаметром, равным 100 мм. В эту часть круглой формы следует вклеить отрезок канализационной трубы 7 диаметром 100 мм, как показано на рис. 2б. Последнее необходимо для удобного подсоединения к канализационной трубе.

11. Однако главная задача при создании нового унитаза заключалась в обеспечении существенного увеличения среднего расхода на смыв в процессе спуска. Она решалась за счёт создания новой спускной арматуры, которая, наряду с перечисленными выше изменениями (1–10) в новой конструкции унитаза, при тех же габаритах отверстия в дне бачка обеспечивала бы возможность монтажа любой другой спускной арматуры. Подробное описание новой спускной арматуры изложено в [5]. Её особенность заключается в следующем. В высокий смывной бачок наливается большой объём воды, например, 12 л. Спуск же воды автоматически благодаря предварительной настройке прекращается после опускания уровня воды в бачке до уровня, соответствующего 8 л наполнения бачка. После завершения спуска в смывном бачке останется 8 л воды. На спуск же уйдёт всего 4 л.

Автор считает, что целесообразно ввести новый параметр — интенсивность смыва Is [л2/с], которая определяется как произведение объёма воды на спуск V [л] и величины среднего расхода на спуск Q [л/с]. Интенсивность смыва для нового унитаза составит VQ = 4×3 = 12 л2/с. Для «обычного» старого унитаза интенсивность смыва равна 6×1,6 = 9,6 л2/с. Отсюда следует, что интенсивность смыва в новом унитазе существенно выше — даже несмотря на то, что объём воды, участвующий в обеспечении расхода, в полтора раза меньше, чем в старом унитазе.

Последнее убедительно доказывает, что новый унитаз обладает намного лучшими качествами смыва, чем основная масса старых унитазов. Кроме того, это подтверждается и модернизированным унитазом, установленным в квартире автора. Этот унитаз обеспечивает качественный смыв при спуске 4 л воды. Автор уверен, что качественный смыв можно обеспечить, используя всего 3 л воды, если выполнить все рекомендации, изложенные выше.

Следует отметить, что упомянутый унитаз в квартире автора пока не может обеспечить качественный смыв с помощью 3 л воды, так как внутренний диаметр его отвода составляет всего 85 мм, а не обоснованные выше 100 мм.