このページには、Engr305 の適切な技術クラス プロジェクトのドキュメントが含まれています。このプロジェクトは、パルサー ポンプの実用モデルを構築することです。このポンプが実際にどのように動作するかについてのドキュメントは限られていますが、増え続けています。このプロジェクトの目的は、メカニズムを実験し、この驚くべきデバイスに関する知識体系に私の発見を追加することです。エンジニアリングの学生である私にとって、これは設計プロセスを実践する機会であると同時に、あまり使用されていない技術を実験する機会でもあります。
パルサーポンプは、U字型構造の底に空気を含んだ水を吸い込み、U字型の底で空気を捕らえることで機能します。この空気は、両側の水柱の重さによって蓄積されるにつれて加圧され、U字型に少し突き出た小さなパイプを上って、チャンバー内の水を構造に入ったときよりも高い位置まで運びます（2相流）。私のプロジェクトは、パルサーポンプの機能の複雑さの一部を明らかにし、将来の実験者が効率的な製品を生み出すのに役立つことを願っています。比較的平坦な水路の大流量を、灌漑やマイクロハイドロに使用できるヘッドに変換し、他のさまざまな用途に貯蔵できる製品。パルサーポンプは、セットアップ後のメンテナンスがほとんどまたはまったく必要なく、入力エネルギーがゼロであるという点で革命的である可能性があります。
コンテンツ
文献レビュー
トロンプ
トロンペ（trombe と綴られることもある）は、空気と水を混合して吸引し、空気を加圧する機構です。長さの異なるチューブが水面に対して垂直に設置され、開口部は水面のすぐ下にあります。この配置により、水と空気が交互にチューブに引き込まれます。最初は重力によって水が、次に少量の水がチューブに降りてくるときに生じる真空によって空気が引き込まれます。パイプの入り口のすぐ周囲の水が流入すると、切り替えが起こります。なぜなら、その部分の表面の高さが、残りの水の表面の高さと等しくなるまでには時間がかかるからです。水と空気の混合物がパイプを下って降りてくると、空気は水の重さによって加圧されます。（Hunt 2010）
エアリフトポンプ
圧力がかかった状態で空気が水と混合されると、空気は膨張しようとします。十分に小さい出口があれば、空気の膨張によって水がその出口から押し上げられます。このメカニズムは二相流と呼ばれ、エア リフト ポンプを駆動します。流体を上方に持ち上げるために必要な二相流の特定のタイプは、スラグ/プラグ流です (Stepanoff 1965)。二相流については、こちらで詳しく説明されています。
落差と流れの一般的な仕組み
揚程と流量の原理はパルサーポンプの機能に不可欠です。
頭
流体が上昇すると、重力による位置エネルギーが発生します。この位置エネルギーは、水柱内の圧力の量を定量化する方法であるため、水頭または圧力水頭と呼ばれます。水源から堆積場所までの距離は、流体の質量が重力の影響を受ける次元であるため、通常はメートルまたはフィートの高さで測定されます。(Sullivan 1975) (詳細)
流れ
フローとは、時間に対する体積の測定単位です。通常は 1 分あたりのガロンで測定されますが、時間あたりの体積の測定単位であればどれでも適しています。(Grafman 2010)
パルサーポンプ
ブライアン・ホワイトは、トロンプとエアリフトポンプを組み合わせたポンプを製作しました。トロンプを使って水流を取り込み、下のチャンバー内の水中の空気を加圧します。加圧された空気は、少量の水を小さな排出口から押し上げて、トロンプの上部よりも高い位置まで運びます。ポンプの仕組みについては、こちらで詳しく説明しています。このページでは、私の設計プロセスについて詳しく説明しました。(ホワイト 2008)
基準
ED: この基準セクションを導入してください。これらはプロジェクトの成功を判断する基準です。
| 基準 | 重さ | 制約 |
|---|---|---|
| 料金 | 10 | 最大予算は100ドルです。 |
| コンセプトデモンストレーション | 10 | コンセプトが健全であることを実証する必要があります。 |
| 埋め込まれたエネルギーのレベル | 9 | 中古部品を多く購入するほど良いです。 |
| 効率 | 5 | 流量が多くなり、ポンプで汲み上げられる高さが高くなるほど、良くなります。 |
予算
| アイテム | 量 | 合計費用($) |
|---|---|---|
| 4インチ PVC | 10フィート | 10 |
| プラスチックゴミ箱 | 1 | 無料 |
| 45 エルボー | 3 | 6 |
| E600 PVC接着剤 | 1 | 6.48 |
| 3/4インチPVC | 15フィート | 無料 |
| ガムテープ | 1ロール | 5 |
| ゴリラテープ | 1 | 4 |
| 3/4インチゴムワッシャー | 1 | .89 |
| 大きなプラスチックのタッパーウェア | 1 | 無料 |
プロジェクト総費用 = $32.37
デザイン
プロセス
設計に費やす時間があまりにも少なすぎました。ブライアン・ホワイトが教えてくれたいくつかのヒントを参考にして、関連する数学を完全に理解する前に物理的な構造設計に取り掛かりました。このプロジェクトの大きな欠点は、ポンプのエネルギーを正当な用途に適応させるように設計されており、実証モデルとして設計されていないことです。この大きな欠点にもかかわらず、設計は上位 3 つの基準を非常によく満たしています。
コスト: 詳細については予算を参照してください。ただし、ポンプはほぼ完全に中古品、つまり無料または非常に安価な部品で作られていることに注意してください。
概念のデモンストレーション: この設計は、効果的/効率的ですが、上昇した水柱と通気流を使用して、導入された水よりも高い位置まで水を上げる 2 相流状態を生成します。
埋め込まれたエネルギーのレベル: これがこのプロジェクトが本当に際立っているところです。私はこのプロジェクトで採用した廃品置き場の手法から何が生まれるかを見るという DIY の創造性に誇りを感じています。エネルギーとお金の両方で非常に安価でした。
これは最も厳密な実験ではありませんが、楽しかったです。この記事を読んだ人たちが、少額のお金と廃品置き場への数回（または何度も）の出かけで科学の冒険ができることを知ってくれることを願っています。
物理システム
構造は4つの主要な部分から構成されています。
ダウンパイプ- 直径4インチ、空気と水をチャンバー内に送り込み、チャンバー内の空気を加圧するためのヘッドを提供します。2つの45度エルボでチャンバーに接続します。
出力パイプ- 直径 4 インチ、チャンバーから気泡のない水を戻し、チャンバー内の空気を加圧するための水頭を提供します。45 度のエルボでチャンバーに接続します。
上向きのパイプ- 直径 ¾ インチ、このパイプ内では 2 相流が発生し、水が上向きに運ばれます。長さは 49 インチ、41 インチ、33 インチの 3 種類が使用されています。下端から 1½ インチ上には、チャンバーとの密閉性を高めるためにゴリラ テープが巻かれています (空気圧は巧妙な逃げ道です)。
チャンバー- 回収した古いプラスチックのゴミ箱の底を、その辺にあった古い大型タッパーウェアに接着しました。チャンバーの一番上の穴には、3/4 インチのゴム製ガスケットを接着して、さまざまな長さの「上」パイプをテストできるようにしました。他の 2 つの穴は、4 インチのパイプをゴミ箱の側面にトレースし、その円に小さな穴を開けて、マルチツールのハンドソーで切り込みを仕上げました。下向きパイプと外向きパイプは、E600 多目的接着剤でこれらの穴に接合されています。
ビデオを見たいですか?
http://www.youtube.com/watch?v=LungrknZtic
テスト/トラブルシューティング
前に述べたように、このモデルは実際のシステムのエネルギーに対応するために構築されました。もっと簡単に言うと、必要な量の空気を運ぶのに必要な流量がありませんでした。私のホースは 0.56 L/s で 4 インチのパイプを流れますが、これはポンプが機能するために必要な大量の気泡をチャンバーに一貫して運ぶのに十分な速度ではありません。この問題を補うために、私はホースをインパイプに設置した ¾ インチのパイプに吹き付けました (私はこれをチーターパイプと呼んでいます。これによりポンプへの空気の流れが大幅に増加しました)。これはトロンペの自然なシステムを模倣したものではないことはわかっていますが、ポンプを差し込む小川がないので、創造的にならなければなりませんでした。チーターパイプの長さは 30 インチです。ポンプの上部にテープで貼り付けたバッグに収集することで出力を測定できました (上の写真を参照)。上記の流量で 6 セットのフローテストを行った後、結果を下の表にまとめました。
表のキー: UP=アップパイプの高さ(インチ)、WC=右側の水柱の高さ(インチ)、CP=使用されたチーターパイプかどうか、FR=アップパイプからの流量(mL/分)。
入力の変化による流量
| 上 | トイレ | CP | フランス |
|---|---|---|---|
| 49 | 24 | いいえ | 4.5 |
| 49 | 18 | はい | 7.5 |
| 41 | 24 | いいえ | 8.0 |
| 41 | 18 | はい | 49 |
| 33 | 24 | いいえ | 36 |
| 33 | 18 | はい | 110 |
注: ポンプの高さが増すと流量が減少するという明らかな相関関係は、チーター パイプによってもたらされる追加の通気によってはるかに影が薄くなり、最大の空気の流れを提供するトロンプが最良の結果をもたらすと信じるに至ったように思われます。
結論/記録
バリエーションと一貫性
テストでは、アップ パイプの高さと、チャンバーへの空気の供給方法を変えました。水の流量は全体にわたって一定でしたが、チーター パイプによって空気の流れが速くなりました。圧縮チャンバーの容積 (チャンバー内の空気の容積はこの数値の前後で変動します) は 267 立方インチで一定で、アップ パイプのチャンバーへの延長は 1 1/4 インチでした。
解釈
ポンプ速度は、水がポンプされる高さに反比例し、水中の空気の流量と加圧水柱の高さに正比例します。スラグ/プラグフローが
参考文献
サリバン、JA (1975)「ヘッドと圧力」
流体動力：理論と応用p. 58,59
Reston Publishing Company, Inc. Reston, Virginia 22090
Cheremisiniff, NP (1981)「流体の特性」、「流体の流れの原理」『
流体の流れ: ポンプ、パイプ、チャネル』p. 43-47, 163-166
Ann Arbor Science Publishers Inc.、ミシガン州アナーバー 48106
Stepanoff, AJ (1965)「ガス-液体混合物の流れ」
ポンプとブロワー、2相流、p 275-280
John Wiley & Sons, Inc.
ハント、JR (2010)「トロンプで水力発電を活用」
マザーアースニュース、2010年2月13日
ロニー・グラフマン (2010)「流れとヘッドの一般力学」個人通信
ホワイト、B. (2008)「パルサーポンプ」Appropedia、2010 年 2 月 7 日