Pulser pump/ja

パルサーポンプは、水力を利用したシンプルな機械装置で、バブルポンプとも呼ばれています。このポンプの部品は、石油の抽出や冷凍サイクルなど、様々な用途に使用されてきました。熱駆動式のバブルポンプが最も一般的ですが、このパルサーポンプのように水流の乱流を利用して空気を捕捉する特殊な設計は、まだ普及していません。このポンプの主な利点は2つあります。機械部品や可動部品がないこと、そして化学物質を一切使用せず、水流のみを使用することです。水流の近く​​に設置すれば、水流のエネルギーのみで揚水することができます。

過去に制作したすべての写真およびアニメーションGIFを、このプロジェクトのために再利用および改変することを許可します。ブライアン・ホワイト、2010年5月3日

背景情報

概要

パルサーポンプは、トロンペポンプとエアリフトポンプを組み合わせたものです。小川の近くに設置することで、パルサーポンプは小川の水位よりも高い位置まで水を汲み上げることができます。これにより、アクセスが困難な場所にある小川へのアクセスを容易にしたり、小川の水を別の場所に配管して灌漑や飲料水に利用したりすることができます。

パルサーポンプは、トロンペ部を使ってエアリフト部に電力を供給します。ポンプの説明動画はこちらでご覧いただけます。

メリット

はじめに述べたように、このポンプの主な利点は2つあります。まず、このパルサーポンプの設計には、同様の原理で動作する熱駆動型バブルポンプ（後述の「熱駆動型バブルポンプ」を参照）で一般的に使用される化学部品が含まれていません。そのため、灌漑や飲料水の汲み上げなど、汚染されていない水を汲み上げる必要があるさまざまな用途に使用できます。さらに、化学薬品を必要とせず、利用可能な河川水をポンプ流体として使用することで、ポンプのコストを大幅に削減できます。

第二に、パルサーポンプには可動部品がありません。設置後、このポンプは水流の乱流を利用して空気を捕捉し、重力で圧縮することで（下記の動作原理を参照）、水の一部を水流よりも高い位置まで汲み上げます。通常は高価で設置が難しい機械部品は不要です。

これらの利点に加えて、パルサーポンプは酸素含有量を増加させることで水質に良い影響を与えるとも主張されています。^{[ 1 ]}基本的な考え方は、取水ポンプ内で空気と水を混合することで、両者の表面積が増加し、通常の河川よりも多くの酸素が水に供給されるというものです。この考えを裏付けるには、さらなる研究が必要です。

履歴

トロンプは水力発電タービンが登場する以前、鉱山に空気を送り込むために、また初期のアルプスのトンネル建設に使用された空気圧機械に空気を供給するために、そして19世紀後半にはパリの裕福な地域を照らすモーターを駆動するための空気を供給するために使用されていました。エアリフトポンプは、今でも水道事業で非常に深い井戸から水を汲み上げるために広く使用されています。コンプレッサーを使って空気を井戸に押し込み、その空気は水と共に別の太いパイプを通って噴出します。

動作原理

パルサーポンプ（別名バブルポンプ）は、水頭を利用して空気を圧縮し、水を押しのけて水を「脈動」させ、以前よりも高い位置まで押し上げます。これはトロンペポンプやエアリフトポンプと同じ原理で動作します。

モデルの構築

他の同様のパイロットプロジェクトの成功に基づき、^{[ 2 ]}概念実証モデルが構築されました。ここに記載されている材料はモデル構築用であり、以下の「既存ポンプ」セクションで説明されているような小規模用途、またはさらなる試験に使用できます。ここで説明するプラスチックチューブは柔軟なプラスチックチューブであり、適切な高さに曲げてさまざまな試験に再利用できるため、試験に便利ですが、固体のPVC配管も使用でき、試験以外の状況で実装する方が実用的です。（「試験」セクションを参照）。

素材

これらの材料は、このモデルのパルサーポンプの必須部品です。チューブを切断するためのハサミ以外に、追加の工具は使用していません。

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  図1：内径3/4インチの透明プラスチックチューブ2本
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  図1a: 内径3/8インチの透明プラスチックチューブ1本
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  図1b: 片方の端がプラスチックチューブの内側にフィットし、もう一方の端にネジ山がある3/4インチのプラスチックチューブコネクタ2個
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  図1c: 片方の端でチューブの周りにフィットして所定の位置に圧縮し、もう一方の端にねじ山がある3/8インチの圧縮継手1個
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  図1d: 1 1/2インチの3ウェイコネクタ1つ、向かい合う2つの摩擦嵌合開口部と上方に1つの摩擦嵌合開口部
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  図1e: 2つの1 1/2インチから3/4インチのコネクタ。一方の端は内側にねじ込まれ、もう一方の端は摩擦フィットで3ウェイコネクタとプラスチックチューブコネクタに接続します。
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  図1f: 1 1/2インチから3/8インチのコネクタ1個、片方の端にねじ山があり、もう片方の端は摩擦嵌合して3ウェイコネクタとプラスチックチューブコネクタに接続します。

上記の項目に加えて、このモデルをセットアップしてテストするには、次の追加資料が必要でした。

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  図1：制御された方法で水を供給するための1本のホース
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  図1a: チューブを支えるためのサポートと接続機構
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  図1b: 余分な水を排水するためのバケツとシンク

費用

このプロトタイプのコストは多少高額ですが、他のほとんどの揚水手段のコストと比較すると非常に低い水準です。さらに、この設計をより大規模に構築すれば、はるかに低いコストで建設できる可能性があります。このプロトタイプの概算コストは​​以下の通りです。

モデルの構築と設定

このモデルは部品数が非常に少ないため、組み立ては非常に簡単です。難しいのは、チューブをできるだけ垂直に保つように設置することです。

私が作ったモデルの動作中の動画を以下に示します。チューブ内の気泡に注目してください。これは、入口チューブが気泡流状態にあり、ポンプチューブがスラグ流状態にあることを明確に示しています。

パルサーポンプのプロトタイプ

著者:ブライアン・ホワイト

このモデルを構築するために使用されるプロセスについては、以下で詳しく説明します。

1

チューブを切る

• まず、チューブを必要な長さに切断する必要があります。
• このモデルでは、入口 3/4 インチ チューブが約 2.1 m の長さに切断されました。
• 出口チューブも2.1mの長さに切断されており、さまざまなテストを実行できるように変更できる。
• 以下に説明するテストで高さを変えられるように、ポンプチューブは長く保たれました。

2

分離容器を接続する

• このモデルでは、3 ウェイ コネクタがパルサー ポンプの分離容器として使用されます。
• 1 1/2インチから3/4インチのコネクタは、3ウェイコネクタの反対側にぴったりと収まりました。しっかりと固定するためにエポキシ樹脂を塗布することもできます。
• 1 1/2 インチから 3/8 インチのコネクタは、他の 2 つの穴のいずれからも 90 度離れた 3 方向コネクタ穴に取り付けられました。

3

チューブコネクタを接続する

• まず、3/8インチ接続用の圧縮継手を1 1/2インチから3/8インチのコネクタにねじ込みます。
• 次に、3/4インチ接続用のプラスチックチューブ継手を1 1/2インチから3/4インチのコネクタにねじ込みます。
• チューブを接続する前にこれを接続することで、チューブが絡まなくなります。

4

チューブを接続する

• 3/4インチチューブは3/4インチコネクタにぴったりとフィットします。金属製のクランプで締め付けることで、さらにしっかりと固定できます。
• 3/8 インチの圧縮には、チューブの外側を囲むコンポーネントがあり、小さな部品がチューブの内側にフィットしてチューブを開いた状態に保ちます。次に、チューブの外側を囲む部品を、1 1/2 インチから 3/8 インチのコネクタにすでに接続されている圧縮フィッティングにねじ込み、チューブを所定の位置に保持します。

5

組み立て

• これでポンプの主要部品がすべて接続されました。次の段階はポンプの設置です。
• まず、チューブを固定する方法を決めます。木製のバックボードを使用し、そこにチューブを釘で固定する方法もあります。装置を簡単に調整できるようにするために、この実験ではチューブを支持システムと壁にテープで固定しました。
• チューブが垂直になっており、チューブの高さが希望どおりであることを確認します。
• 直径3/4インチのチューブとホースノズルの両方を直径1インチの短いスクラップチューブに挿入し、入口チューブの上部にホースを接続しました。このホースは、水流の流れをシミュレートするために使用されました。
• 排水管はシンクに排水するように設定されていました。

テスト

モデルを構築した後、ポンプが実際に有用な仕事を生成できることを示すために、いくつかの予備テストを実施しました。このパルサーポンプの設計がより広く受け入れられ、使用されるようになるまでには、より詳細なテストが必要です。

このテストでは、ポンプの水圧ヘッドとポンプチューブの高さという 2 つの変数が変更されました。

水頭が増加すると流量も増加すると予想されます。この効果はポンプによって実証され、その結果を以下に示します。

ポンプチューブの高さが増すにつれて、パルスがチューブの上部に到達するのに必要なエネルギーが増加します。それに応じて予想される流量の減少は下図のようになります。

これら2つの変数の影響を組み合わせると、流量が水頭と揚水管の高さの両方にどのように依存するかを示すグラフが得られます。このグラフは、これら2つの量と流量の関係を示すために使用できます。水頭が高くても、揚水管の高さが高い場合は流量が小さくなる可能性があります。また、揚水管の高さが低い場合でも、揚水管から汲み上げられる水量は減少します。これは以下の図に示されています。

ピーク性能（高揚程・短ポンプチューブ）では、このモデルは100mL/秒近く、つまり10秒ごとに1Lの流量を達成しました。各値で複数回の試験を実施しているにもかかわらず、これらの結果の再現性は依然として疑問視されています。正確な流量にかかわらず、この実験はパルサーポンプが水の汲み上げに広く使用される大きな可能性を秘めていることを示しています。流量、揚程、ポンプチューブの高さの正確な関係をより適切に評価するために、さらなる試験を行う必要があります。

科学モデル

パルサーポンプ、あるいは少なくともこの種のポンプに類似した様々な設計は、かなり昔から存在してきたにもかかわらず、それらを説明する適切な説明やモデルは存在しません。熱駆動バブルポンプなどの類似の問題は、多くの場合、出口パイプを必要としない閉鎖系で発生します。このセクションでは、このポンプの機能の背後にある科学的原理のいくつかを紹介し、2つの異なるモデルを開発します。最初のモデルは単純なマノメータモデルであり、2番目のモデルはより複雑な圧力モデルです。

二相流

この設計における重要な概念は二相流です。これは、液体と気体がメニスカスによって分離されている状態です。二相流には少なくとも7つの異なる状態があり、^{[ 3 ]}そのうちのいくつかはパルサーポンプの運転中に現れます。

スラッグフロー

ポンプがポンプチューブ内を上昇する動作は、主にスラグフロー状態で発生します。スラグフローでは、液体とガスがチューブのほぼ全断面を占める異なる層に分離します（下図参照）。

スラグ状態の流れにおいて、許容される管径は、流れの速度と粘性に依存します。ポンプ管内の速度は、いくつかの単純化された仮定を適用しても、記述が非常に困難です。例えば、管が垂直でない場合、気泡はもはや対称ではなく、その結果、気泡の速度が変化します。流れを完全に記述するには、フルード数、エトヴェシュ数、レイノルズ数などの無次元項が必要です。^{[ 4 ]}最も適切なモデルについてはまだ明確な合意が得られていませんが、いくつかのモデルが提案されています。^{[ 5 ]}

スラグ流中の流体特性の完全な決定、およびこの流動様式の影響を完全に考慮したモデルの導出は、本モデルの範囲外です。その代わりに、以下でさらに議論するように、完全に垂直な管と定常流などを仮定した、はるかに単純なモデルを検討します。

マノメーターモデル

同じ液体に複数のチューブを入れた場合、各チューブ内の液体の最大高さは質量保存則によって決まります。圧力計と同じ原理で、チューブの外圧、密度、直径によって液体の高さが決まります。つまり、右の図に示すように、各チューブが同じ圧力で出ているときは、密度ρ、チューブの断面積A、流体の高さhの積が各チューブで同じになります。つまり、密閉容器に水を満たし、上部に同じストローを2本差し、空気にさらした場合、ストロー内の液体は同じ高さまで上昇します。つまり、片方のストローの液体の量がもう片方のストローより多くなることがありません。

つまり、次のようになります。

 （ρあh）1＝（ρあh）2

これは、すべての変数が一定であれば理にかなっています。パルサーポンプでは、問題はより複雑になります。入口管と出口管は同じ断面積で高さが異なり、さらに、面積が小さく高さが高いポンピング管があります。入口管と出口管はほぼ完全に水で満たされているため、密度は水の密度と近似できます。しかし、ある時点では、ポンピング管の大部分は水ではなく空気で満たされています。そのため、上記の式は次のようになります。

 ρわ1つのter（あh）私nlet＝ρわ1つのter（あh）oあなたtlet+[ρわ1つのter%わ1つのter+ρ1つの私r%1つの私r]（あh）pあなたメートルp

または、入口パイプと出口パイプの断面積が同じ場合:

 ρわ1つのterあ（h私nlet−hoあなたtlet）＝[ρわ1つのter%わ1つのter+ρ1つの私r%1つの私r]（あh）pあなたメートルp

どこh私nlet−hoあなたtletは水頭です。水を汲み上げることができる高さは、hpあなたメートルp

hpあなたメートルp＝ρわ1つのterあ（h私nlet−hoあなたtlet）[ρわ1つのter%わ1つのter+ρ1つの私r%1つの私r]あpあなたメートルp

このモデルの主な問題は、ポンプ内を移動する流体の速度を無視していることです。これは無視できない量であり、流体の動きが無視できるとすれば、出口管内の空気が水から分離し、ポンプは水を移動させる能力を失ってしまいます。しかしながら、このマノメーターモデルはポンプの基本原理を示しており、パルサーポンプに対する最も一般的な批判、「つまり、小さなポンプ管では水流の初期高さを超えて水を汲み上げることは物理的に不可能である」という批判を反証しています。上記の議論は、これが成り立つのはポンプ管内の流体が静止しているか、存在する空気の量が無視できる場合のみであることを示しています。

圧力モデル

理論

速度を考慮するには、エネルギー保存則とベルヌーイの式を用いて流れをより詳細に評価する必要があります。この方法は、異なる点における流れの圧力変化をモデル化します。

位置 4 では、位置 1 からの圧力は次のように表されます。

 P4＝P1+ρ4グラムh1−ρ4（v42−v12）2

同様に、2 から 5 の場合:

 P5＝P2+ρ5グラムh2−ρ5（v52−v22）2

そして3から6で:

 P6＝P3+ρ6グラムh3−ρ6（v62−v32）2

ポンプで水を汲み上げることができる最大高さを決定するため、3における速度はゼロと仮定します。これにより、水が到達できる高さの上限が決定されます。また、1、2、3における圧力は、約1気圧と仮定できます。これは、「3」は大気中に放出され、「1」と「2」は水流の深さに起因する非常に小さな静水圧しか受けないためです。4、5、6の間の底部容器について制御体積解析を行うと、質量保存則から次の式が得られます。

 ρ4あ4v4＝ρ5あ5v5+ρ6あ6v6

実験の形状から、すべての管の面積は既知です。出口管の空気含有量は最小限であるため、密度は水と等しいと仮定できます。

閉鎖系における熱駆動バブルポンプを分析したある研究^{[ 6 ]によれば、圧力4および5から6への変化は次のように説明できる。}

 P6＝P4−ρ6v4（v6−v4）−P5+ρ6v5（v6−v5）

導出のここまでの段階における仮定はすべて、かなり一般的なケースを想定したものでした。モデルにおける以下の仮定は、より具体的で簡略化されたモデルを提供します。最初の仮定は、速度が4と5の間でほぼ一定であるというものです。流体のごく一部のみがポンプチューブから流出するため、流体の大部分は出口チューブを通過しながら運動量を維持すると仮定します。

第二に、ポンピングチューブ内のスラグ流域におけるガス含有量は70%と仮定する。これはスラグ流域の平均値である。また、入口チューブ内のガスはバブル流域にあると仮定する。バブル流域におけるガス含有量は平均30%である。^{[ 7 ]}これらは以下のことを意味する。

 ρ6＝0。7ρ1つの私r+0。3ρわ1つのter

 ρ4＝0。3ρ1つの私r+0。7ρわ1つのter

理論の検証

これら7つの方程式とそれに付随する仮定を踏まえても、圧力モデルにはまだ未知数が1つ残っています。つまり、反復計算によって適切な高さを決定する必要があります。入力はシステムの幾何学的パラメータであり、最高圧力が発生すると予想される「4」における圧力と速度が出力されます。これらの値が適切であれば、システムは機能するように設定できます。そうでない場合は、再度反復計算を行う必要があります。

このシステムのモデリングは、EESソフトウェアを用いて初めて実施されました。上記の式を定義し、いくつかの初期条件を設定しました。画像に示されているように、上記の仮定に加えて、チューブの高さと直径、そしてポイント1とポイント2における流れの速度を入力する必要があります。プログラムはチューブ全体の速度と圧力を出力します。このモデルの妥当性をより適切に評価するために、このEESプログラムまたは類似のプログラムを使用できます。

既存のパルサーポンプ

パルサーポンプは、査読がないため信頼性に欠けますが、さらなる研究が始まっています（下記の外部リンクを参照）。しかしながら、いくつかのモデルが製作されており、その動作原理や動作状態を示す動画がオンラインで公開されています。このパルサーポンプの設計は特許取得されておらず、パブリックドメインとなっています。^{[ 8 ]}

作動中のパルサーポンプ

20年前に稼働していたパルサーポンプの実例を、こちらでご覧いただけます（下記にロードされていない場合）。このポンプは、300リットルの水が0.5メートル落下する小川の水流によって動力を得ています。このポンプの測定値によると、トロンプ部における見かけの水流速度は毎秒0.32メートルから毎秒0.68メートルで、これはパイプに気泡を送り込むのに十分な速さです。

エアリフトセクションにおける見かけの空気速度は、0.7 ms-1から1.5 m/秒の間で最も効果的に機能するようです。これは、12 mmと19 mmのパイプを使用し、真上にポンプアップした場合の結果です。

傾斜面をポンプで汲み上げる場合、見かけの空気速度を低く設定するのが最適です。（見かけの空気速度とは、パイプ内に1種類の流体しかないと仮定した場合の水または空気の速度です。）自分でポンプで汲み上げる場合、この速度は良いガイドになります。ブライアン

Gaiatechnicianによれば、パルサーポンプはそれよりもはるかに大きな流量と揚程で動作できます。

極めてシンプルな構造のため、水辺のコミュニティにとって大きな価値を持つ可能性があります。動画に登場する小型のパルサーポンプは、1日あたり約5トンの水を貯水容器に汲み上げることができます。^{[ 9 ]}

2つ目の例（こちらを参照）は、パルサーポンプを用いて動物に給水するものです。40mmの排水管を通して毎分約30リットルの供給流量があります。毎分30mlの水を3mまで、毎分1リットルの水を1mまで汲み上げることができます。^{[ 10 ]}

実用的農場アイデアの Mike Donevan 氏は、リンクを提供することで、彼の雑誌にポンプが掲載されていたときの写真と文章の使用を許可してくれました。http://www.farmideas.co.uk/

プロジェクトに適したパイプのサイズを推測するための概算値を求める人にとって、これは価値のあるものになると思います。

ブライアン・ホワイト

熱駆動バブルポンプ

熱駆動型バブルポンプは、最も一般的なパルサーポンプです。このパルサーポンプと同様の動作原理を採用していますが、閉回路で動作します。一般的には、水よりも沸点が低い冷媒を流体と混合します。この混合物は圧縮された後、加熱され、作動流体中の冷媒から泡が発生します。この冷媒の泡は、パルサーポンプと同様に、ポンプチューブ内を水を押し上げます。その後、混合物は分離室に入り、液体は吸収器へ、冷媒は凝縮器へ送られます。^{[ 11 ]}

結論

このパルサーポンプの設計は非常にシンプルで、水の汲み上げ方法に大きな変化をもたらす可能性があります。水を汲み上げる際に化学薬品を使用しないため、川に戻される水は汚染されていません。それどころか、川に戻された水にはより多くの酸素が含まれており、水中の生物にとってより良い環境を提供しているという主張もあります。川に戻されなかった水は、土地の灌漑や飲料水として利用できます。ポンプによって水位が上昇するため、川だけでは移動できない距離まで水を運ぶことができます。

ポンプ自体は非常に少ない材料で作られており、シンプルな配管と接続部のみで構成されているため、最適な設計が見つかれば安価に製造できます。設置後はメンテナンスがほとんど必要ないため、初期の設置費用と設備費用を除けば、ポンプは近隣の人々に安価かつ容易に水を供給することができます。

この解析では、実験モデルと理論モデルの両方が開発されました。実験モデルは以前の設計に基づいており、概念実証として機能しました。このモデルは予想される傾向を明確に示し、大きな水頭と短いポンプチューブで最大の流量が得られることを示しました。2つの理論モデルが提案されました。1つ目は、マノメータと同様に質量保存則に基づいています。このモデルは2つ目のチューブの高さの大まかな推定値を提供しますが、速度を無視できると仮定しているため妥当性は非常に限られています。しかし、このパルサーポンプの設計が物理的に不可能であるという考えを反証するのに役立ちます。2つ目の理論モデルでは、質量保存則とエネルギー保存則の両方を用いて、ポンプの各段階における速度と圧力を評価しました。この2つ目のモデルでは、特定の条件下で適切な形状を決定するために、生成された値を反復処理する必要があります。エンジニアリング方程式ソルバーを使用して、最適な形状を決定するために仮定を反復処理できるテンプレートが作成されました。

推奨事項

実験モデルと理論モデルはどちらも、査読と更なる研究によって大きな恩恵を受けるでしょう。実験モデルは、より厳格な試験計画を用いて、各高さと揚程でより多くの試験を実施する必要があります。容器のサイズ、チューブの直径、流速といった他の変数についても、パルサーポンプへの影響を調べるために試験する必要があり、より広い範囲の値を用いるべきです。今回の実験で遭遇した主な問題は、元の容器とホースからの漏れでした。上記の方法を用いることで、これらの問題は容易に克服でき、より詳細な試験に多くの時間を費やすことができます。

提案された理論モデルは、前述のEESプログラムなどのソフトウェアを用いてさらに拡張・検証することができます。さらに、ポンプの流量を正確に予測するためには、モデルに組み込む必要があるいくつかの要因が考慮されていません。具体的には、以下の要因が挙げられます。

• ポンプチューブ内の二相スラグ流の解析
• 入口管と出口管内の空気含有量と流れ状態の測定
• 摩擦/粘性損失
• 乱流
• 分離容器全体の圧力勾配

外部リンク

• GaiatechnicianのYouTubeでの説明はこちらです。より詳しい説明は彼のウェブサイトをご覧ください。
• パルサーポンプの動作に関するその他のビデオは、こちらとこちらでご覧いただけます。
• Bubble Action Pumps Ltd.も同様の製品を製造しており、太陽熱パネルを通して水を汲み上げます。同社のウェブサイトでご確認ください。
• Altenergymag ではパルサー ポンプについて説明しています。
• All About Pumpsにも説明があります
• パルサーポンプの作り方については、Instructablesをご覧ください。

参考文献