Cette page contient la documentation de mon projet de classe de technologie appropriée Engr305. Le projet consiste à construire un modèle de travail d'une pompe Pulser. Il existe une documentation limitée mais croissante sur le fonctionnement réel de la chose. La mission de mon projet est d'expérimenter le mécanisme et d'ajouter mes découvertes au corpus de connaissances qui se développe autour de cet étonnant dispositif. En tant qu'étudiant ingénieur, c'est une opportunité pour moi de pratiquer le processus de conception, ainsi qu'une opportunité d'expérimenter une technologie qui n'est pas largement utilisée.
La pompe à impulsions fonctionne en aspirant de l'eau aérée vers le bas de la structure en forme de U et en capturant l'air au fond du U ; cet air devient pressurisé au fur et à mesure qu'il s'accumule sous le poids des colonnes d'eau de chaque côté et est ainsi capable de se frayer un chemin vers le haut d'un tuyau plus petit qui fait saillie sur une petite distance dans le U, transportant de l'eau de la chambre vers un niveau supérieur. élévation qu'il est entré dans la structure (écoulement diphasique). Mon projet mettra en lumière certaines des complexités des fonctions de la pompe à impulsions et, espérons-le, aidera les futurs expérimentateurs à produire un produit efficace. Un produit qui sera capable de transformer un débit important dans des voies navigables relativement plates en tête pouvant être utilisé pour l'irrigation, Microhydro, et stocké pour une myriade d'autres utilisations.
Contenu
Revue de littérature
La trompette
La trompe, parfois orthographiée trombe, est un mécanisme d'aspiration mélangeant de l'air à de l'eau et mettant l'air sous pression. Un tube de longueur variable est installé perpendiculairement à la surface de l'eau avec son ouverture juste sous la surface. Cette disposition fait que l'eau et l'air sont alternativement tirés vers le bas dans le tube, d'abord l'eau par gravité puis l'air par le vide créé lorsqu'une petite quantité d'eau descend dans le tube. Le changement se produit lorsque l'eau entourant immédiatement l'entrée du tuyau s'écoule, car la hauteur de la surface prend du temps pour s'égaliser à la hauteur de la surface du reste de l'eau. Lorsque le mélange d'eau et d'air descend dans le tuyau, l'air devient pressurisé par le poids de l'eau. (Chasse 2010)
La pompe à air
Lorsque l'air est mélangé à de l'eau sous pression, il veut se dilater ; étant donné une sortie suffisamment petite, l'eau peut être poussée vers le haut de ladite sortie par la dilatation de cet air. Ce mécanisme est appelé flux biphasé et il entraîne la pompe à air. Le type spécifique d'écoulement biphasique nécessaire pour soulever le fluide vers le haut est l'écoulement à bouchon/bouchon (Stepanoff 1965). L'écoulement diphasique est décrit plus en détail ici .
Mécanique générale de la charge et du débit
Les principes de hauteur manométrique et de débit font partie intégrante du fonctionnement des pompes à impulsions.
Tête
Lorsqu'un fluide est élevé, il a une énergie potentielle gravitationnelle. Ce potentiel est appelé tête ou parfois tête de pression, car c'est un moyen de quantifier la quantité de pression dans une colonne d'eau. Il est généralement mesuré en mètres ou en pieds de hauteur, car la distance entre la source et l'endroit où il est déposé est la dimension dans laquelle la masse du fluide subit l'action de la gravité. (Sullivan 1975) (plus)
Couler
Le débit est une mesure de volume par rapport au temps. Il est souvent mesuré en gallons par minute, bien que toute mesure de volume par temps soit appropriée. (Grafman 2010)
La pompe Pulser
Brian White, entre autres, a construit une pompe qui est l'union d'une trompe et d'une pompe à air. Il utilise la trompe pour prendre le débit dans un ruisseau et pressuriser l'air dans l'eau dans une chambre en dessous, cet air sous pression pousse ensuite une petite quantité d'eau vers le haut à travers une sortie plus petite à une altitude plus élevée que le sommet de la trompe. La mécanique de la pompe est bien documentée ici , cette page est davantage consacrée à mon processus de conception.(White 2008)
Critères
ED : PRÉSENTEZ CETTE SECTION CRITÈRES. Ce sont les critères par lesquels le succès du projet sera jugé.
| Critère | Poids | Contraintes |
|---|---|---|
| Coût | dix | Budget maximal de 100 $. |
| Démonstration conceptuelle | dix | Doit démontrer que le concept est solide. |
| Niveau d'énergie embarquée | 9 | Plus il y a de pièces achetées d'occasion, mieux c'est. |
| Efficacité | 5 | Plus le débit est élevé et plus il est pompé, mieux c'est. |
Budget
| Article | Quantité | Coût total($) |
|---|---|---|
| PVC 4" | 10 pieds | dix |
| poubelle en plastique | 1 | gratuit |
| 45 coude | 3 | 6 |
| Colle PVC E600 | 1 | 6.48 |
| PVC 3/4" | 15 pieds | gratuit |
| Ruban adhésif | 1 rouleau | 5 |
| bande de gorille | 1 | 4 |
| Rondelle en caoutchouc 3/4" | 1 | .89 |
| grand tupperware en plastique | 1 | gratuit |
Coût total du projet = 32,37 $
Conception
Processus
J'ai passé beaucoup trop peu de temps dans le design. J'ai commencé avec quelques conseils que Brian White m'a donnés et j'ai sauté dans la conception de la structure physique avant de comprendre complètement les mathématiques impliquées. Le défaut majeur du projet est qu'il a été conçu pour accueillir les énergies dans une pompe pour une application légitime et non conçu pour être un modèle démonstratif. Malgré ce repli majeur, la conception répond très bien aux trois principaux critères.
Cost: See the budget for details, but note that the pump is built almost entirely from used and therefore free or extremely cheep parts.
Concept Demonstration: However effective/efficient, this design uses elevated water columns and aerated flow to generate a two phase flow regime which brings water higher than it is introduced.
Level of Embedded Energy: This is where the project really stands out; I'm proud of the DIY, creatively driven, see what comes out of the salvage yard method I employed for this project. It was very inexpensive in both energy and money.
It's not the most rigorous experimentation but it was fun and I hope people who read this see that they can have an adventure with science for a small amount of dollars and a few (or many) trips to the salvage yard.
Physical System
The structure consists of four main parts,
The down pipe- 4" diameter, brings air and water down into the chamber, provides head to pressurize air in the chamber. Joins to the chamber with two 45 degree elbows
The out pipe- 4" diameter, brings water back up from the chamber sans-air bubbles, provides head to pressurize air in the chamber. Joins to the chamber with a 45 degree elbow
The up pipe- ¾" diameter, two phase flow regime occurs in this pipe bringing water to the top, three lengths were used 49", 41", and 33". 1½" above the bottom end is wrapped with a strip of gorilla tape to aid the seal with the chamber (air pressure is a wily escape artist).
The chamber- The bottom of an old plastic waste bin I salvaged glued to an old large Tupperware I had lying around. The top hole in the chamber has a ¾" rubber gasket glued over it so that I could test different lengths of "up" pipe. Two other holes I made by tracing my 4" pipe onto the side of the bin, drilling small holes on that circle and then finishing the cut with the handsaw in my multi-tool. The down and out pipes are joined to these holes with E600 multi-purpose adhesive.
Wanna See a Video?
http://www.youtube.com/watch?v=LungrknZtic
Testing/Troubleshooting
As I mentioned before this model was built to accommodate the energies in a real system, more simply, I did not have the amount of flow necessary to carry the quantity of air I needed. My hose flows at.56 L/s and in a 4" pipe that isn't fast enough to bring air bubbles through the chamber in consistently high quantities necessary for the pump to work. To compensate for this problem I sprayed the hose down a ¾" pipe placed in the in pipe (I call this my cheater pipe, it increased air flow into the pump drastically). I know that it in no way mimics the natural system of a trompe but without a creek to stick my pump in I had to get creative. The cheater pipe is 30 in. long. I was able to measure the output by collecting it in a bag taped to the top of the pump (see the picture above).After six sets of flow tests with the above flow rate I compiled the results in the table below.
table key: UP=height of the up pipe(in.),WC=height of the right hand water column(in.),CP=was the cheater pipe used,FR=the flow rate out of the up pipe(mL/min..
Flow Rates w/ Varied Input
| UP | WC | CP | FR |
|---|---|---|---|
| 49 | 24 | no | 4.5 |
| 49 | 18 | yes | 7.5 |
| 41 | 24 | no | 8.0 |
| 41 | 18 | yes | 49 |
| 33 | 24 | no | 36 |
| 33 | 18 | yes | 110 |
note: It seems to me that the obvious correlation of increased pumping height decreasing flow rate is far overshadowed by the extra aeration given by the cheater pipe, leading me to believe that a trompe that provided maximum air flow would yield the best results.
Conclusions/Records
variations and consistencies
In my testing I varied the height of the up pipe, and the the manner in which air was delivered to the chamber. The flow rate of water was maintained throughout, but the cheater pipe allowed the air to flow in faster. The volume of the compression chamber (the volume of air in the chamber fluctuates around this number) was a constant 267 cubic inches, and the extension of the up pipe into the chamber was 1 and 1/4 inches.
Interpretation
The pump rate is inversely proportional to the height water is being pumped to and directly proportional to the flow rate of air in the water and height of the pressurizing water columns. In order for slug/plug flow to
References
Sullivan, J. A. (1975) "Head and Pressure"
Fluid Power: Theory and Applications p. 58,59
Reston Publishing Company, Inc. Reston, Virginia 22090
Cheremisiniff, N. P. (1981) "properties of fluids","principles of fluid flow"
Fluid Flow: Pumps, Pipes and Channels p. 43-47, 163-166
Ann Arbor Science Publishers Inc., Ann Arbor, Michigan 48106
Stepanoff, A. J. (1965) "flow of gas-liquid mixtures"
Pumps and Blowers, Two Phase Flow p 275-280
John Wiley & Sons, Inc.
Hunt, J. R. (2010) "Harness Hydro Power with a Trompe"
Mother Earth News, 02/13/10
Lonny Graffman (2010) "general mechanics of flow and head" Personal Correspondence
White, B. (2008) "Pulser Pump" Appropedia, 02/7/10