TrykkStøtPumpe

En Hydraulisk Trykkstøt-Pumpe (Hydraulic Ram Pump), er en enkel mekanisk vannpumpe, som benytter seg av den kinetisk energien i vann under bevegelse til å pumpe deler av vannet høyere enn kilden. Kort fortalt; en vannpumpe som drives kun av vanntrykk.



Del 1. - Beskrivelse.

Noen av oss har sikkert opplevd at vannrørene i huset lager en bankelyd når man stenger en kran brått. Det som skjer, er at når kranen er åpen, så strømmer vannet ut med en viss energi; hvis man plutselig stenger for den vannstrømmen, så vil den energien vannet hadde, slå tilbake i røret med såpass kraft, at røret rykker til, og banke inntil veggen e.l hvis det ikke er festet godt nok.

For over 200 år siden, så var det en Engelskmann (John Whitehurst) som benyttet seg av akkurat dette trykkstøtet fra en kran som stenges, til å pumpe vann (for å pumpe vann til å brygge øl, må vite!). 20 år senere fant en Franskmann (Montgolfier) ut, at hvis man bytter ut vannkranen (og stakkaren som må åpne og stenge denne kranen hele tiden, for å få et trykkstøt i røret) med en ventil som stenges av vannet når det oppnår et visst trykk, så hadde man plutselig en selvgående vannpumpe!



For å kunne utnytte dette ekstra trykket i vannrøret fra støtet, så må vi ha en ut-ventil som åpner seg for å slippe ut det ekstra trykket (sammen med litt vann) inn i en liten, tett beholder. Denne beholderen skal inneholde litt luft, som da komprimeres og tar vare på trykket, og er óg med på å dempe støtet. Mens noe av trykkstøtet har gått opp i denne beholderen, så har mesteparten av støtet fortsatt opp igjennom røret til kilden, og da dannes det et lite undertrykk i røret som stenger ut-ventilen, og åpner den den første ventilen som lagde trykkstøtet i første omgang; støt-ventilen - og prosessen starter påny.

Geek Fact;
(Dét som faktisk skjer iløpet av én trykkstøt-syklus, er at det er 3 støt-bølger som forekommer; først, kommer den initielle bølgen når støt-ventilen lukker, som fyker helt opp til kilden og tilbake til støt-ventilen. Først på denne veien tilbake, så åpner den ut-ventilen og trykker litt vann/trykk opp der. Så går den tilbake til kilden, for så å svinne hen. Det er på den siste veien tilbake til kilden, at den skaper et lite undertrykk, som åpner støt-ventilen igjen. (ut-ventilen lukkes av trykket i beholderen når den siste 'bølgen' går opp til kilden.) Alt dette, skjer med lydens hastighet (ca. 300m/sek.), så det sér ut som at alt dette hender samtidig.)

Dette skjer ca. 30-100 ganger i minuttet, og for hvert støt, så bygges det opp litt mér trykk i beholderen vår - nok til å kunne presse vann høyere enn kilden som vannet kom fra. Hvor høyt man kan pumpe, og hvor mange liter i minuttet, kommer an på fallet vi har fra kilden, mengde vann fra kilden, og dimensjoner på rør vi velger å bruke.

Jeg vil spesielt nevne litt om tilførsels-røret, før vi begynner her. Materialet som tilførselsrøret er laget av, har ganske mye å si for ytelsen til pumpen. Den bør være så stiv som mulig (stål), og uten for store bøyer; iallefall ingen 90gr. bend. Grunnen er - hvis tilførselsrøret er av et mykere plastmateriale e.l., så vil denne mykheten absorbere en god del av trykkstøtet, og dermed redusere effekten av pumpa; i noen tilfeller såpass at pumpa ikke klarer å holde seg igang. Krappe svinger/bend vil og redusere effekten av trykkstøtet.

Dét sagt, så kan man fint få en trykkstøtpumpe til å fungere bra med en tilførselsslange av plast, men da med noe redusert effekt. Óg, man må regne med å måtte gjøre støt-ventilen justérbar - hvilket er en god idé uansett, for å kunne optimalisere pumpa on-site.


Del 2. - Konstruksjon.

Jeg vil her beskrive hvordan man setter sammen en pumpe av 1 tommes rør-deler.

Denne pumpen vi lager her i 1" dimensjon, vil trenge et fall på minimum 1,2 meter, og minimum 4 meter tilførsel-rør på 1 tomme. Pumpen bør da gi minst 1,1 liter pr. minutt ved et løft på 6 meter fra pumpen. De 1,1l/min., er tall fra den første pumpen jeg lagde, og den hadde rom for forbedringer, så noe mér enn 1,1L/min./6m bør man regne med; Helt opp til over 5 liter/min., når alt er optimalt.

Følgende trengs for grunnversjonen:
1 stk 1" 90 graders bend, med innv. gjenge.
1 stk 1" T-ledd, med innv. gjenge.
3 stk 1" skjøter, med utv. gjenge.
2 stk 1" tilbakeslagsventiler, med innv. gjenge.
1 stk overgang med 1" utv. gjenge til 1/2" utv. gjenge.
1 stk 1/2" T-ledd, med innv. gjenge.
2 stk 1/2" skjøter, med utv. gjenge.
1 stk 1/2" kuleventil, med innv. gjenge.
1 stk 1/2" nippel, med 1/2" utv. gjenge.
1-2 ruller med gjengeteip.

Følgende trengs også, men er avhengig av hva man har tilgjengelig; Ut-slangen kan godt være en vanlig 1/2" (13mm) hageslange.

Tilkobling til tilførsels-rør; jeg hadde bare en 7m lang 1" spiralarmert slange, så jeg trengte da en 1" nippel med 1" utv. gjenge. Stålrør som tilførsels-rør er å foretrekke. PEM slanger kan óg brukes, men de er nok ikke så mye bedre enn den spiralarmerte jeg brukte.

Trykktank;
Jeg brukte en 1,5L brusflaske som trykktank (noe som egentlig er i minste laget), og til den, så trengte jeg;
1 stk overgang med 1/2" utv. gjenge til 1" innv. gjenge.
1 stk. 1" nippel, med 1" utv. gjenge.
1 stk 10cm lang radiatorslange med 1" innv. diameter.
2 stk slangeklemmer, som passer til radiatorslangen.

Finner man f.eks en gammel ekspansjonstank til en vanntank, så er den glimrende å bruke istedet. En tank på minst 2,5 liter til denne 1" pumpen er anbefalt, men større gjør ikke noe. (Oppstarten tar litt lengre tid med større tank.) Alt man trenger for å koble denne tanken til, er en overgang fra 1/2" utv. gjenge, til hva nå enn trykktanken har. :)


Alle delene til pumpen lagt ut i riktig plassering. Alternativet med et Manometer oppe til høyre, og vektene som jeg trengte til støt-ventilen, oppe til venstre.

Selvfølgelig; har man andre deler liggende, så kan man jo bruke de; bare man får de sammen på riktig vis. (F.eks., så kan man fint bruke en 10-15cm gjenget rør-bit mellom 90gr. bendet og T-stykket; eller om man har et T-stykke med utvendig gjenger, så sparer man endel deler, osv.) Det viktigste, er at alt er i 1" dimensjon frem til rett over ut-ventilen, og der bør det være 1/2". (Koblingen opp til selve trykktanken er ikke kritisk.) Hvis avstanden fra pumpa til pumpe-målet blir langt (over 100-150m), så kan man gå opp til 3/4" på ut-slangen, for å unngå for mye friksjons-tap.

Modifisering av den ene tilbakeslagsventilen.
Først, så må vi modifisere den ene tilbakeslagsventilen, slik at den kan fungere som en trykkstøt-ventil. Skru fra hverandre ventilen. (Den som jeg kjøpte på Biltema, skrus fra hverandre enklest på følgende måte: sett et flatt skrujern som passer diagonalt i det firkantede sporet i bunnen av ventilen, og ta en nebbtang og skru ut det 'hjulet' på oversiden av ventilen.) Du vil nå ha følgende deler:


Delene i en tilbakeslagsventil fra Biltema.

Pakningen og fjøra har vi ikke bruk for, så legg de bort. Vil du se hvordan ventilen fungerer med pumpen uten noe ekstra vekt, så sett nå sammen ventilen igjen (uten fjør og pakning). Skru på hjulet motsatt vei av hva det sto; (det sporet i kanten av hjulet hvor fjøra satt skal nå vende oppover) siden hjulets 'eiker' er svakt kóne, og vi skal jo la vannet gå motsatt vei enn det ventilen er bygd for.

Ønsker du en ventil hvor man kan justere vekt på ventilen, og dermed finjustere ytelsen til pumpen i forhold til hele oppsettet rundt pumpen (vannfall/tilgjengelig mengde, pumpehøyde, osv.), gjør som følger:

Ta selve ventilen (den koniske biten med en gjenget tapp), og kapp av akselen akkurat der hvor kónen begynner, med en baufil eller en tynn kappskive på vinkelsliperen. Markér så senter på ventilen der hvor du kappet, og bor et 5mm hull. Ta så en 10cm lang M5 rustfri gjengestang, og skru på en låsemutter i enden på den, og tré på ventilen med kónen opp, sammen med en sprengskive og en vanlig mutter. Stram godt til.

Sett så ventilen inn i huset sitt og skru på hjulet motsatt vei av hva det sto. (Det sporet i kanten av hjulet hvor fjøra satt skal nå vende oppover.) Hold ventilen inne i lukket posisjon mens du skrur hjulet så langt inn at det akkurat går klar av gjengene inne i huset; ventilen skal nå kunne beveges litt over 1,5cm opp og ned.. Tré så på en sprengskive og skru på en mutter og stram til inntil hjulet.

Ventilen er nå klar for å sette på vekter, i form av noen muttere, eller en messing-overgang, som jeg brukte. Skru vektene fast på toppen av gjengestangen med en mutter i bunn, passende skiver, og en sprengskive og mutter på toppen.


Deler til den modifiserte ventilen. Nederst: Modifisert ventil med ekstra støtte.

Forbedring av modifikasjonen.
Nå vil du merke at hele den stangen med vekter på er noe vinglete når ventilen står åpen, men det har ikke så veldig mye å si for ytelsen. Dog, det har nok noe å si for holdbarheten, så man kan gjøre ytterligere en modifikasjon. Bytt ut den 10cm M5 gjengestangen med en på 15cm. Ta en 1" til 1" skjøt med utv. gjenge, og lag et merke i senter på hver flate av sekskant-mutteren. Bor så et 8mm hull i senter på hver flate. Det lønner seg å forbore med et mindre bor først, og det anbefales å holde fast emnet med en rørtang, og bruke søylebor-maskin, hvis man har det tilgjengelig. Skru på skjøtestykket på toppen av ventilen; gjengeteip behøves ikke. Skru så på en 1" innv. gjenge til 1/2" utv. gjenge overgang. Ta så en 1/2" endekopp og bor et 5mm hull i senter på den. Skru så den på toppen, slik at gjengestanga stikker ut gjennom hullet i endekoppen. (Sé nederste bilde over for en sammensatt versjon.)

Alle delene skrus nå sammen med såpass gjengeteip, at det er tungt å skru de sammen for hånd, og man må bruke rørtenger for å skru de helt sammen. Prøv å stopp sammenskruingen av det store T-leddet og 90 graders bendet, slik at begge peker rett opp uten at du behøver å 'skru tilbake' noe særlig. Pass på å få ventilene riktig vei; ventilen opp mot flasken, skal monteres slik at vannet kan presses opp mot flasken. Den modifiserte støt-ventilen skal jo monteres slik at vannet stenges når vannet strømmer på.

For å feste den 1,5L flasken, så kan du bruke en 1/2" utv. gjenge til 1" innv. gjenge, sammen med en 1" nippel med 1" utv. gjenge, som da monteres på toppen av det 1/2" T-stykket med en bit radiatorslange og to gode slangeklemmer. Det er viktig å få dette tett, da det blir endel trykk i denne flasken, og det er det trykket som presser vannet opp i ut-slangen.

Som man kan sé på bildene av min pumpe, så hadde jeg tilfeldigvis en overgang med 1/2" utv gjenge til å lodde fast et 22m rør, og denne overgangen var 1" på utsiden, så jeg brukte den istedet for den 1/2" til 1" overgangen og nippel. Hvilket understreker at man kan bruke det man har tilgjengelig, bare man får ting tett.

Da skulle pumpen være klar for installasjon.

Del 3. - Installasjon.

Tilførselsrøret er en meget viktig del av en trykkstøtpumpe. Det er i dette røret energien fra trykkstøtet fárer opp til kilden og tilbake til pumpen. Er røret for langt, vil påfølgende trykkbølger forstyrre hverandre; er røret for fleksibelt, svinner energien helt bort - er det for kort, så vil ikke energien få tid til å utvikle en tilstrekkelig trykkbølge.

Minimum og maksimum lengde på på tilførselsrøret er avhengig av diameteren på røret. Formelen for å regne ut min/max lengde er:

Min. Lengde = 150 X Diameter.
Maks. Lengde = 1000 X Diameter.

I vårt tilfelle hvor vi bruker 1" rør - som er 2,54 cm i diameter, så må lengden være min. 3,81 meter, og maks. 25,4 meter. Dét sagt, så sies det fra flere kilder, at lengden bør være minst 5 ggr. fallhøyden for en effektiv operasjon.

Når det gjelder minimum fallhøyde for tilførselsvannet så bør det være på minst 1,2 meter. Videre, så vil fallhøyden fra kilden til pumpen avgjøre hvor høyt man vil kunne løfte vannet til målet; optimalt, opptil 10-15 ggr. fallhøyden.

Ved kilden bør røret plasseres såpass under vannoverflaten at vakuumet fra røret ikke suger til seg luft; 4-5 cm under overflaten burde være nok for våres 1" rør. Det bør óg være en form for sil ved vanninntaket, slik at ikke løv, kvister osv. følger med vannet, siden dette vil fort kunne sette seg fast i en av ventilene i pumpen.

I nedre ende av røret, plasseres pumpen stabilt i oppreist posisjon - dvs. med trykktanken og trykkstøt-ventilen rett opp. Man kan f.eks feste pumpen med noen eksosklemmer til en finérplate e.l. Sørg for at koblingen mellom røret og pumpen er helt tett. Den minste lekkasje kan føre til luft i tilførselsvannet, og få pumpen til å stoppe.
Ut-slangen kobles til pumpen og føres opp til målet. Hvis målet ligger noe særlig mindre enn 7 meter over pumpen, så bør man ha en kuleventil på uttaket, slik at man kan strupe utløpet for å oppnå et visst minimumstrykk. Det minste trykket denne pumpen krever på utløpet for stabil drift, er ca. 0,7 bar (10psi).

For å starte pumpen, så holder man nede trykkstøt-ventilen til man ser at all luft i tilførslesrøret er ute, og slipper så opp slik at ventilen stenger av vanntrykket. Trykk den så ned igjen og slipp gjentatte ganger, til den åpner og lukker av seg selv.

En rytme på 40-80 støt i minuttet er en god hastighet for denne pumpen. Går den fortere, så tyder det på at ventilen bør være tyngre, og går den senere, så er ventilen for tung. begge tilfeller kan medføre at pumpen stopper etterhvert.
Den mest optimale hastigheten/vekten på ventilen er at den lukker seg akkurat når tilførselsvannet har oppnådd maksimal hastighet ut av ventilen - da får man en kraftig trykkbølge som tilfører mest mulig vann opp i trykk-kammeret.

Hvor mye vann kan man så regne med å pumpe iløpet av et døgn med denne pumpen? Det kan man finne ut med formelen:

Q = 1440 * (E * K / (H / F))

Hvor;

Q = Liter pumpet i døgnet.
E = Effektiviteten til pumpen - typisk 0,6.
K = Mengde vann fra kilden i Liter/minutt.
H = løftehøyde fra pumpen til målet.
F = Fallhøyden fra kilden til pumpen.

På min 'test-site', så har jeg et fall på 1,2 meter med 7 meter tilførsel-rør, og ved å holde en 10 liters bøtte i enden av tilførsels-røret, så fyltes denne opp på 20 sekunder; mao., så har jeg en 'K' på 30 liter i minuttet. Jeg simulerte en løftehøyde på ca. 7 meter ved så strupe ut-kranen til 0,7 bar. Så da vil regnestykket bli: Q = 1440 * (0,6 * 30 / (7 / 1,2)) = 4443 liter i døgnet - eller ca. 3,1 liter i minuttet. :)

Nå er det engang sånn at jeg ikke hadde et tilførsels-'rør' i stål som man burde, men en stiv plast-slange, og dette reduserer effekten merkbart - faktisk ned til omtrent halvparten av beregnet menge i mitt test-oppsett.

Cornelius... ;)

Til Hovedsiden.