Optimalisasi desain pompa pedal

Pompa Pedal digunakan secara luas secara global -- perlu mengaitkan desain dengan pompa yang telah dikembangkan lebih lanjut . Pedal adalah desain yang sangat sederhana yang digunakan untuk menghasilkan gerakan berputar atau bolak-balik dalam sebuah mesin, yang berasal dari desain mesin jahit asli Thomas Saint yang ia patenkan pada tahun 1790 dan sebelumnya. Komponen dasar ini dapat digunakan pada banyak mesin sederhana, termasuk grinder dan pompa. Pompa pedal didefinisikan sebagai pompa piston silinder ganda kerja tunggal yang dioperasikan dengan kaki untuk irigasi angkat rendah. ^[1] Pemompaan diaktifkan dengan menginjak pedal ke atas dan ke bawah untuk menggerakkan piston yang terpasang, menciptakan hisapan di dalam silinder yang menarik air tanah ke permukaan. ^[2] Air ini dapat bersumber dari sungai atau sumur dan digunakan untuk mengairi sawah petani atau untuk menyimpan air dalam wadah untuk digunakan nanti. Pompa pedal telah digunakan di banyak negara di seluruh dunia seperti Ghana, Zambia, ^[3] Swaziland, Kenya, ^[4] Bangladesh, Nepal, India, Kamboja dan Myanmar, ^[5] serta banyak lainnya. Saat ini, 84 produsen memproduksi pompa pedal dan 1,4 juta telah dijual ke petani kecil Bangladesh sejak tahun 1985. ^[6] Gambar 1 di bawah menunjukkan 12 desain pompa dan asal usulnya, input volumetrik maksimum, fitur dan biaya.

Gambar 1: Contoh pompa pedal yang ditemukan di Afrika ^[7]

Pertimbangan Regional

Iklim

Iklim bukanlah masalah besar karena berbeda di setiap negara, namun suhu dan tekanan mempengaruhi NPSHa. Suhu dan tekanan dipengaruhi oleh ketinggian, sedangkan suhu juga dipengaruhi oleh kedekatannya dengan garis khatulistiwa. Iklim merupakan salah satu faktor dalam kebutuhan pengembangan pompa pedal, karena penerapannya merupakan dampak dari musim tanam yang diikuti oleh musim kemarau yang berkepanjangan dimana air dapat ditemukan dalam jumlah besar di bawah tanah, namun tidak tersedia di atas tanah.

Prinsip Rekayasa

Bagaimana Mereka Bekerja

Pompa pedal adalah pompa berbasis silinder dasar: terdiri dari silinder yang dilengkapi dengan piston dan beberapa alat untuk mendorong piston ke atas dan ke bawah. ^[8] Sebuah pipa menghubungkan sumber air ke pompa, di mana katup satu arah dipasang untuk memungkinkan air mengalir masuk dan mencegahnya mengalir keluar. Piston itu sendiri harus pas di dalam silinder untuk menciptakan ruang hampa untuk menarik air masuk. Piston itu sendiri memiliki katup serupa sehingga, ketika didorong ke bawah oleh pedal, air mengalir melalui piston dari ruang di bawahnya. ke ruang di atasnya. Hal sebaliknya terjadi ketika piston diangkat: katup menutup, memaksa air di atas piston keluar sambil menarik air dari bawah. Berbagai jenis katup satu arah digunakan, termasuk penutup karet, gerbang ayun, dan katup poppet. ^[9] Versi ilustrasinya ditunjukkan pada Gambar 2, dan versi animasinya dapat ditemukan di.

Di masa lalu, pompa-pompa ini dioperasikan dengan tangan dan tidak efisien karena upaya yang diperlukan untuk mengangkat air dalam jumlah kecil sangatlah besar. Menggunakan otot yang lebih besar di kaki dan dua piston telah meningkatkan kemanjuran mesin ini secara signifikan. Pedal tersebut disambung, baik dengan tali yang melewati katrol, sistem rantai dan rocker, atau poros tengah. ^[10] Ini juga menghubungkan kedua piston dan menghubungkan gerakan ke atas dari satu pedal/piston dengan gerakan ke bawah dari yang lain.

Gambar 2: Prinsip pengoperasian pompa pedal, ^{[11] [12]}

Pompa ini saat ini memiliki dua moniker, masing-masing ditentukan oleh bagian saluran keluar pompa. Jika air dialirkan ke saluran terbuka untuk irigasi disebut pompa hisap. Pompa hisap dirancang untuk mengangkat air dalam jumlah besar dari sumber air yang relatif dangkal. ^[13] Jika air dialirkan ke pipa, disebut pompa bertekanan. Pada pompa tekanan, katup lain digunakan pada ujung pembuangan, menjaga tekanan dalam pipa yang dapat digunakan untuk menggerakkan alat penyiram atau penetes atau mengalirkan air ke tangki header. ^[14]

Hidrolika

Ruang hampa tercipta ketika piston bergerak ke atas di dalam silinder dan tekanan atmosfer kemudian digunakan untuk mendorong air ke dalam silinder. Baik suhu maupun tekanan berpengaruh terhadap tekanan atmosfer dan daya isap yang dapat diperoleh. Pada pompa sentrifugal biasanya mengacu pada NPSHa, yang merupakan head hisap positif bersih yang tersedia. Dalam kasus pompa pedal, karena pompa terletak di atas sumber air, perbedaan ketinggian antara air dan pompa dianggap positif dan NPSHa berkurang seiring dengan bertambahnya perbedaan. Persamaan untuk menghitung NPSHa adalah :: ^[15]

Di mana:

Persamaan untuk menghitung berat jenis fluida (air) adalah: ^[16]

Di mana:

NB: Kepadatan bervariasi menurut ketinggian, percepatan gravitasi menurut garis lintang.

Statika

Gaya yang diterapkan oleh orang pada pedal didasarkan pada prinsip tuas. Operator pompa dapat memindahkan posisinya pada pedal untuk mendapatkan keuntungan mekanis sambil mempertahankan gaya yang nyaman dan irama yang stabil. ^[17] Ada tiga jenis tuas: pada tuas kelas I, gaya yang diterapkan dan beban berada di kedua sisi titik tumpu, sedangkan pada tuas kelas II beban ditempatkan di antara gaya yang diterapkan dan titik tumpu dan kelas III. tuas mempunyai gaya yang diterapkan yang ditempatkan di antara titik tumpu dan beban. Swiss Concrete Pedal Pump (SCPP), yang dikembangkan oleh W-3-W Association Switzerland, adalah contoh utama tuas kelas I (Gambar 3). Pengujian yang dilakukan di Sekolah Teknik dan Arsitektur Lucerne (HTA) menunjukkan efisiensi energi sebesar 65% yang sangat mengesankan dan laju aliran volumetrik debit maksimum sebesar 80 L/mnt (dengan input manusia rata-rata 60 – 65 W dan daya hisap sebesar 3 M). ^[18]

Gambar 3: Gambar pompa pedal beton Swiss ^[19]

Contoh lain dari pompa pedal tuas kelas I adalah versi asli yang dikembangkan di Bangladesh pada awal tahun 1980-an, seperti gambar di bawah ini (Gambar 4):

Gambar 4: Contoh tuas kelas I pada pompa pedal Bangladesh ^[20]

Perhatikan bahwa jika operator berpindah sisi (yaitu pompa dari kanan gambar), Gambar 4 akan menjadi contoh pengoperasian tuas kelas II.

Contoh yang baik dari pompa pedal tuas kelas II adalah Pompa Pedal New Dawn Engineering (Gambar 5):

Gambar 5: Pompa Pedal Rekayasa Fajar Baru ^[21]

Persamaan yang menentukan keuntungan mekanis suatu tuas adalah:

Di mana:

Ketika gaya kaki seorang operator diarahkan tepat di atas piston seperti ditunjukkan pada Gambar 6-1 di bawah, gaya ini ditransfer langsung ke piston. Seperti yang ditunjukkan pada keterangan di sebelah kanan gambar, ini sama dengan keuntungan mekanis (MA) sebesar 1. Namun, saat operator bergerak sepanjang pedal, MA dapat diperoleh dengan salah satu dari dua cara berikut: Gambar 6-2 menunjukkan peningkatan jarak antara gaya yang diterapkan dan titik tumpu (tuas kelas II), sehingga MA lebih besar dari 1 dan keuntungan mekanis diperoleh dari gaya tersebut. Gambar 6-3 menunjukkan penurunan jarak antara gaya yang diterapkan dan titik tumpu (tuas kelas III), sehingga MA kurang dari 1 dan keuntungan mekanis diperoleh dalam kecepatan dan rentang gerak. Artinya adalah bahwa operator ringan, seperti anak-anak, dapat mengoperasikan pompa dengan berdiri jauh dari poros (untuk memanfaatkan daya ungkit ekstra), dan operator yang berat atau kuat dapat bergerak lebih dekat ke poros dengan kedua posisi tersebut. posisi pemompaan yang nyaman. ^[22] Keuntungan mekanis berdampak langsung pada panjang langkah piston: MA lebih besar dari 1 berarti penurunan panjang langkah, sedangkan MA kurang dari 1 mengakibatkan peningkatan panjang langkah. Memanfaatkan MA yang lebih besar dari 1 memungkinkan gaya yang lebih besar untuk diterapkan pada piston, sehingga tekanan pemompaan yang lebih besar dapat dicapai, namun hal ini mengorbankan aliran volumetrik karena berkurangnya panjang langkah piston. ^[23]

Gambar 6: Menggunakan keuntungan mekanis ^[24]

Pembuatan

Komponen

Perlu dicatat bahwa bahan-bahan berikut biasanya digunakan dalam aplikasi lapangan pompa pedal. Namun, dengan penggunaan printer 3-D, sebagian besar komponen dapat dibuat dengan biaya minimal bagi operator. Misalnya, silinder pompa, manifold, piston (tidak termasuk cangkir/cincin), batang piston, dan roda katrol semuanya dapat dibuat dengan printer 3-D dengan ukuran yang memadai. Satu-satunya bagian "khusus" yang tersisa pada pompa pedal adalah katup satu arah dan cangkir/cincin piston, karena pedal dan alasnya dapat dibuat dari kayu atau bambu yang diperoleh secara lokal.

Silinder Pompa

Pompa pedal menggunakan dua silinder (satu per pedal), dengan diameter silinder rata-rata 100 mm dan kisaran diameter normal antara 75 mm (untuk head tinggi) dan 150 mm (untuk head rendah). ^{[25] [26]} Sebuah silinder berdiameter 100 mm mampu memompa air ke ketinggian antara 3 dan 8 m. ^[27] Bahan yang digunakan antara lain lembaran baja lengkung, bambu, pipa PVC dan beton. ^{[28] [29]} Bahan yang digunakan sangat bervariasi berdasarkan ketersediaan bahan, ketersediaan pekerja terampil, jenis pompa (hisap vs. tekanan – bambu dianggap tidak cocok untuk aplikasi pompa bertekanan) dan biaya. Pemilihan material juga akan dipengaruhi oleh jenis manifold pompa dan cara sambungannya ke silinder. ^[30]

Manifold Pompa

Manifold menghubungkan pipa masuk dan keluar ke silinder, serta menampung katup satu arah (dua di pompa hisap dan tiga di pompa tekanan). Karena sifat saluran keluar pompa hisap, tidak diperlukan sisi saluran keluar. Desain manifold harus mempertimbangkan pelepasan katup satu arah untuk pemeliharaan. Manifoldnya kemungkinan besar berupa kotak baja, namun bisa juga dibuat dari beton, seperti pada desain Swiss (Gambar 3). Bisa juga dibuat dari pompa dengan silinder PVC, alat kelengkapan pipa atau pipa lurus.

Perakitan Piston

Piston bergerak ke atas dan ke bawah di dalam silinder, dan penting agar piston tetap vertikal di dalam silinder saat pedal digerakkan ke atas dan ke bawah; hal ini dilakukan untuk menjaga seal yang baik antara piston dan dinding silinder. Batang piston dihubungkan ke pedal melalui sambungan berengsel. Batang piston umumnya terbuat dari batang baja bulat karena merupakan bahan yang sangat kuat dan biasanya tersedia. Pistonnya sendiri bisa terbuat dari kayu, plastik, atau baja juga, dengan cup atau cincin dari kulit atau karet untuk menyegel silinder. ^[31] Cangkir atau cincin piston juga harus kuat; mereka harus menahan kerasnya gesekan terus-menerus terhadap dinding silinder. ^[32]

Katup Satu Arah Kembali

Telah disebutkan sebelumnya bahwa pompa hisap memiliki dua katup satu arah dan pompa tekanan memiliki tiga. Katup memungkinkan air mengalir dalam satu arah saja, dengan membuka dan menutup karena tekanan positif dan negatif yang timbul selama pemompaan. Ada kemungkinan untuk memasang katup lain di pintu masuk pipa saluran masuk, sehingga pompa tidak perlu dipasang kembali setiap kali digunakan, ^[33] serta mencegah kotoran dalam jumlah besar tersedot ke dalam. sistem pompa. Berbagai jenis katup satu arah digunakan, termasuk penutup karet, gerbang ayun, dan katup poppet. ^[34]

pedal

Pedal harus cukup kuat untuk menahan gaya yang diberikan oleh operator, dan cukup kaku untuk memindahkan gaya yang diberikan ke piston tanpa mengalami pembengkokan yang signifikan. Tergantung pada kelas tuas yang digunakan, pedal dapat berengsel di salah satu ujung atau di tengah, dengan ujung yang berlawanan ditopang oleh tali dan katrol atau batang goyang. Rentang pergerakan ditentukan oleh panjang langkah piston dan kenyamanan langkah kerja operator. Pedal umumnya terbuat dari kayu, bambu atau baja. Baja adalah bahan yang paling kaku dan paling mahal; namun, keuntungan mekanis bisa menjadi yang terbesar bila menggunakan pedal baja. Keuntungan ini ada batas atas praktisnya, karena pompa dapat terbalik jika operator berdiri di ujung paling ujung pedal dan beban pada rangka tidak cukup. ^[35]

Roda Katrol atau Batang Goyang

Tali dan roda katrol memungkinkan gerakan timbal balik dari pedal. Roda memiliki poros tengah yang dipasang pada rangka; poros sederhana, seperti baut berdiameter 16 mm, biasanya digunakan. ^[36] Biasanya terbuat dari kayu yang direndam dalam minyak untuk mengawetkannya dan melumasi mesin jam. ^[37] Alternatif metode tali dan katrol adalah batang goyang. Pengaturan ini lebih sulit untuk diseimbangkan namun mungkin lebih mudah untuk dibangun dalam beberapa kasus. ^[38]

Bingkai

Komponen pompa pedal dipasang pada rangka yang dapat tertanam kuat di tanah; itu juga dapat memberikan dukungan bagi operator. Gambar 4 dan Gambar 5 di atas menunjukkan contoh rangka yang dimaksudkan untuk menopang operator. Selain itu, mereka juga menunjukkan contoh kayu dan bambu yang digunakan sebagai rangka (Gambar 4), atau baja (Gambar 5). Desain Swiss (Gambar 3) menunjukkan kerangka yang alasnya dilapisi beton. Rangka baja dan beton dapat dengan mudah tahan terhadap kerasnya penggunaan terus-menerus tetapi jauh lebih mahal dan kurang portabel dibandingkan rangka kayu atau bambu. Gambar 7 mengilustrasikan komponen dasar pompa pedal di bawah ini.

Gambar 7: Komponen dasar pompa pedal, dari tampak samping ^[39]

Fitur yang Diinginkan

Gambar 8 di bawah, diambil dari Kay, 2000, ^[40] mengidentifikasi sebagian besar karakteristik yang diinginkan untuk pompa pedal. Karena posisi operator pada pedal dapat bervariasi, hal ini tidak ditentukan secara eksplisit dalam tabel. Karakteristik lain yang diinginkan dapat mencakup berat, atau kekurangannya: alas dan rangka yang berat dapat dibiarkan karena lebih sulit untuk dicuri, sedangkan rangka kayu atau bambu ringan dan mudah dibawa-bawa, sehingga dapat digunakan di beberapa area dalam satu lahan petani. , atau dapat digunakan bersama oleh petani tetangga untuk mengairi lahan kolektif.

Gambar 8: Fitur yang diinginkan sebagaimana didefinisikan dalam Kay, 2000 ^[41]

Alat, Keterampilan dan Pengetahuan yang Dibutuhkan

Petunjuk pembuatan dan pemasangan langkah demi langkah dapat ditemukan di sini untuk pembuatan pompa pedal berbahan dasar beton:

http://web.archive.org/web/20130531061213/http://www.w-3-w.ch:80/english/pep_manufacturing_installation_tz.pdf

Selain itu, Unit Teknologi Pengembangan dari Departemen Teknik di Universitas Westwick di Inggris mengeluarkan makalah yang merinci metode konstruksi yang digunakan serta karakteristik kinerja untuk Pompa Bellow (bukan pompa pedal sebenarnya), Tapak-Tapak atau Bangladesh Pump, Treadlepump USAID (Pantai Gading), Treadlepump Harare (Zimbabwe) dan Treadlepump Warwick (Nigeria).

http://www.wca-infonet.org/servlet/BinaryDownloaderServlet?filename=1010152961293_wp34.pdf&refID=12938

Spesifikasi teknis

Untuk pompa pedal beton W3W diatas, beberapa informasi umum dan rangkuman kemampuan pompa dapat dilihat di:

http://web.archive.org/web/20130531061113/http://www.w-3-w.ch:80/english/pep_general_information_tz.pdf

Figure 9 below shows the main dimensions of four treadle pumps currently in use in Zimbabwe.

Figure 9: Dimensions of four treadle pumps currently in use in Zimbabwe^[42]

Estimated Costs

In Africa, costs vary, but on average, they(the pressure delivery variation of the Bangladesh pump) are about $100 each if spare parts, fixings and suction, and delivery hoses are included. The specific feature of the pump designed by SE3WE is that the cylinders are encased in a concrete block to protect them and to reduce the need for skilled metal workers.^[43]

Possible Routes to Optimization

Good performance depends on generously sized valves and passages (to reduce head losses), good seals and fast closing valves (to reduce internal and external leakage), correct gearing (to allow users to choose ergonomically efficient cadences and strokes) and smooth, well-lubricated linkages (to raise mechanical efficiency)^[44] As well, simply adjusting the shape of the piston head would greatly reduce fluid friction during its downstroke.

References

Bibliografi

• Chigerwe, J. dkk. (2004). Peralatan irigasi tetes kepala rendah dan pompa pedal untuk pertanian kecil di Zimbabwe: evaluasi teknis berdasarkan uji laboratorium. Fisika dan Kimia Bumi, 1049-1059.
• Cooper Hewitt. (2006). Pompa Pedal Bambu. Diakses pada 4 April 2010, dari Design for the Other 90%: http://web.archive.org/web/20141020235501/http://other90.cooperhewitt.org:80/Design/bamboo-treadle-pump
• Kepadatan, Berat Jenis dan Berat Jenis. (2005). Diperoleh 16 April 2010, dari The EngineeringToolBox: http://www.engineeringtoolbox.com/density-special-weight-gravity-d_290.html
• Unit Teknologi Pengembangan. (1991). Pompa Pedal: Kertas Kerja No. 34. Unit Teknologi Pengembangan, Departemen Teknik. Coventry: Universitas Warwick.

http://www.wca-infonet.org/servlet/BinaryDownloaderServlet?filename=1010152961293_wp34.pdf&refID=12938

• Insinyur Tanpa Batas Kanada. (nd). Pompa Pedal. Diakses tanggal 4 April 2010, dari Engineers Without Borders Kanada: http://www.ewb.ca/en/whatwedo/overseas/projects/treadle.html
• Organisasi Pangan dan Pertanian, Perserikatan Bangsa-Bangsa. (2002, Januari). Catatan Singkat tentang Pompa Pedal. Diperoleh pada 4 April 2010, dari Konservasi Air dan Penggunaan dalam Pertanian: http://www.wca-infonet.org/servlet/BinaryDownloaderServlet?filename=1016103720274_Treadlepump_brief.pdf&refID=18556
• Perusahaan Pembangunan Internasional. (2010). Pompa Pedal. Diakses pada 14 April 2010, dari International Development Enterprises: http://www.ideorg.org/OurTechnologies/TreadlePump.aspx
• Kay, TB (2000). Pompa pedal untuk irigasi di Afrika. Program Internasional untuk Teknologi dan Penelitian di bidang Irigasi dan Drainase. Roma: Organisasi Pangan dan Pertanian Perserikatan Bangsa-Bangsa. http://www.wca-infonet.org/servlet/CDSServlet?status=ND0yNjkwLjMwMDgmNj1lbiYzMz1kb2N1bWVudHMmc2hvd0NoaWxkcmVuPXRydWUmMzc9aW5mbw~~#koinfo
• Kedge, C. (2001). Pengenalan Pompa Pedal ke Afrika Selatan. (hal.8). Johannesburg: SABI. http://www.wca-infonet.org/servlet/BinaryDownloaderServlet?filename=documents/7963.The_introduction_of_treadle_pumps.pdf&refID=7963
• Rekayasa Fajar Baru. (2009). Pompa Pedal untuk Irigasi Angkat Rendah. Diperoleh 4 April 2010, dari New Dawn Engineering: http://www.newdawnengineering.com/website/pumps/treadle/
• NPSH - Kepala Hisap Positif Bersih. (2005). Diperoleh 16 April 2010, dari The EngineeringToolBox: http://www.engineeringtoolbox.com/npsh-net-positif-suction-head-d_634.html
• Thomas, TH (1993). Pengujian Kinerja Pompa Pedal. Unit Teknologi Pengembangan, Departemen Teknik. Coventry: Universitas Warwick. http://www.wca-infonet.org/servlet/BinaryDownloaderServlet?filename=1010154241527_wp39.pdf&refID=12940
• Air untuk Dunia Ketiga. (2006). Pengujian ilmiah membuktikan efisiensi. Diakses tanggal 4 April 2010, dari Water for the Third World: http://www.w-3-w.org/index2.html