Pulser pump/zh

脈衝泵是一種結構簡單的水力驅動機械裝置，也稱為氣泡泵。這種泵浦的部件已被用於多種用途，包括石油開採或冷卻循環。熱驅動氣泡泵最為常見，但這種利用溪流湍流捕獲空氣的脈衝泵設計尚未普及。此幫浦的兩大優點是：它沒有機械或運動部件，並且不使用任何化學物質，僅依靠溪流中的水。一旦安裝在溪流附近，此幫浦即可僅利用溪流的能量提升水。

我授權本項目可以重複使用和改編我過去製作的所有圖片和動畫GIF。布萊恩懷特，2010年5月3日

脈衝泵浦結合了鼓風機和氣舉泵浦的功能。安裝在溪流附近，脈衝泵可以將水提升到高於溪流水面的高度。這使得人們可以輕鬆獲得難以到達地區的溪流水源，或將溪流通過管道輸送到其他地方，用於灌溉或飲用水供應。

脈衝泵只是簡單地利用旋轉部件為氣舉部件提供動力。有關該泵的解釋視頻，請點擊此處觀看。

如引言部分所述，此幫浦的主要優勢體現在兩個方面。首先，這種脈衝泵的設計不含化學成分，這與工作原理類似的、常用的熱驅動氣泡泵（見下文“熱驅動氣泡泵”）不同。這使得該泵浦可用於各種需要輸送純淨水的場合，例如灌溉和飲用水輸送。此外，無需任何化學藥劑，且直接使用河水作為泵送介質，大大降低了泵浦的成本。

其次，脈衝泵沒有運動部件。安裝後，泵浦利用水流的湍流捕獲空氣，並藉助重力壓縮空氣（請參閱下文「工作原理」部分），將一部分水泵送到高於水流的高度。它不需要通常成本更高、安裝更困難的機械部件。

除了上述益處外，有人聲稱脈衝泵能夠透過提高水中的氧氣含量來改善水質。^{[ 1 ]}其基本原理是，透過在進水泵中將空氣和水混合，增大了二者之間的接觸面積，從而使更多的氧氣能夠輸送到水中，這比溪流中通常的情況要好得多。需要進一步的研究來證實這一觀點。

在水力渦輪機出現之前，人們就使用氣泵向礦井輸送空氣，為建造早期阿爾卑斯山隧道的氣動機械提供空氣，並為19世紀末巴黎富人區的照明馬達提供動力。如今，自來水公司仍廣泛使用氣舉泵從深井抽水。氣舉泵利用壓縮機將空氣壓入井中，空氣隨後通過另一根更粗的管道噴出，同時將水輸送到井中。

脈衝幫浦（又稱氣泡幫浦）利用水的液壓頭壓縮空氣，從而排出水，將水「脈衝式」提升到比之前更高的高度。其工作原理與鼓風機和氣舉泵相同。

基於其他類似試點計畫的成功經驗^{[ 2 ]} ，我們建構了一個概念驗證模型。此處列出的材料用於建立該模型，該模型可用於小規模應用，例如下文「現有泵浦」部分所述的應用，或用於進一步測試。此處所述的塑膠管為柔性塑膠管，便於測試，因為它可以彎曲到合適的高度並重複用於不同的測試；但也可以使用實心PVC管，並且在非測試情況下使用起來更實用。 （請參閱“測試”部分。）

這些材料是此型號脈衝泵浦的固有組成部分。除了用於切割管子的剪刀外，未使用其他工具。

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  圖1：2根內徑3/4吋的透明塑膠管
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  圖 1a：1 段 3/8 英吋內徑透明塑膠管
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  圖 1b：2 個 3/4 英吋塑膠管接頭，一端插入塑膠管內，另一端有螺紋。
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  圖 1c：一個 3/8 英吋的壓縮接頭，一端套在管子上，將其壓縮固定到位，另一端有螺紋。
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  圖 1d：1 個 1 1/2 英吋三通連接器，兩個摩擦配合開口彼此相對，上方還有一個開口。
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  圖 1e：2 個 1 1/2 英吋至 3/4 英吋的連接器，一端內有螺紋，另一端採用摩擦配合，用於連接三通連接器和塑膠管連接器。
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  圖 1f：1 個 1 1/2 英吋至 3/8 英吋的連接器，一端內有螺紋，另一端採用摩擦配合，用於連接三通連接器和塑膠管連接器。

除了上述物品外，建造和測試模型還需要以下材料：

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  圖 1：1 條軟管以可控方式供水
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  圖 1a：用於支撐管道的支架和連接機構
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  圖 1b：用於排出多餘水的桶子和水槽

雖然這個原型機的成本略高，但與其他大多數抽水方式相比，其成本卻非常低。此外，如果將此設計擴大規模，其建造費用很可能會大幅降低。此原型機的成本估算如下：

這個模型的組裝過程非常簡單，因為它只需要很少的組件。困難在於如何安裝管子，才能使它們盡可能保持垂直。

下面這段影片展示了我製作的模型工作時的狀態。請注意管子裡的氣泡，它們清楚地表明進水管處於氣泡流狀態，而泵送管處於段塞流狀態。

下面詳細描述了建立此模型的過程。

1

剪斷管子

• 首先，必須將管子切割成所需的長度。
• 在這個模型中，入口 3/4” 管被切割成大約 2.1 公尺長。
• 出口管也被切割成2.1公尺長，以便進行不同的測試。
• 為了能夠在下述試驗中改變高度，泵管保持較長。

2

連接分離容器

• 在這個模型中，三通接頭用作脈衝泵的分離容器。
• 1 1/2英吋至3/4英吋的連接器緊密地安裝在三通連接器的相對兩側。可塗抹環氧樹脂以確保密封嚴實。
• 將 1 1/2" 轉 3/8" 的連接器安裝到三通連接器孔中，該孔與另外兩個孔呈 90 度角。

3

連接管接頭

• 首先，將用於 3/8 英吋連接的壓縮接頭旋入 1 1/2 英吋轉 3/8 英吋的連接器上。
• 然後，將用於連接 3/4 英吋接口的塑膠管接頭旋入 1 1/2 英吋轉 3/4 英吋的連接器上。
• 先將這些部件連接好，再連接軟管，這樣軟管就不會纏繞在一起了。

4

連接管道

• 3/4英吋的管子應該緊密地套在3/4英吋的接頭上。也可以用金屬夾子將其固定到位。
• 3/8”壓縮接頭有一個環繞管子外側的部件，一個小部件安裝在管子內部以保持管子張開，然後環繞管子外側的部件可以擰入已經連接到1 1/2”到3/8”連接器的壓縮接頭中，從而將管子固定到位。

5

集會

• 現在水泵的所有主要部件都已連接完畢。下一步是安裝水泵。
• 首先，確定一種固定管子的方法。為此，可以使用木質背板，並將管子釘在背板上。為了便於調節，本實驗中用膠帶將管子固定在支撐系統和牆壁上。
• 確保管子垂直，並且管子的高度符合要求。
• 將一根軟管連接到進水管的頂部，方法是將直徑為 3/4 英吋的管子和軟管噴嘴都插入一根直徑為 1 英吋的短廢管。此軟管用於模擬水流。
• 出水管設定為將水排入水槽。

模型建立完成後，進行了一些初步測試，結果顯示該泵浦確實能夠產生有效功。然而，在脈衝泵設計得到更廣泛的認可和應用之前，還需要進行更多更詳細的測試。

在這個測試中，改變了兩個變數：幫浦的液壓揚程和幫浦管的高度。

預計隨著水頭增大，流量也會增加。泵浦的運作驗證了這一效應，結果如下所示。

隨著泵管高度的增加，脈衝到達管頂所需的能量也隨之增加。預計流量會隨之下降，如下圖所示。

當這兩個變數的影響結合起來時，結果會得到一個圖表，顯示流量如何取決於水頭和泵管高度。此圖表可用於顯示這兩個量與流量之間的關係。即使水頭很大，如果泵管高度很高，流量可能很小。此外，即使泵管高度很低，較小的水頭也會減少泵管的抽水量。如下圖所示。

在最佳性能條件下（揚程大、泵管短），此型號幫浦的流量接近 100 mL/s，即每 10 秒 1 公升！儘管在每個參數下進行了多次測試，但這些結果的重複性仍然值得商榷。無論確切的流量是多少，該實驗表明脈衝泵具有巨大的應用潛力，可用於廣泛輸送水。應進行進一步的測試，以更好地評估流量、揚程和泵管高度之間的確切關係。

儘管脈衝泵，或至少是類似設計的脈衝泵，已經存在相當長一段時間了，但目前還沒有一個完善的解釋或模型來描述它們。類似的問題，例如熱驅動氣泡泵，通常是封閉系統，不需要出口管道。本節將介紹這種幫浦工作背後的一些科學原理，並建立兩種不同的模型。第一種模型是簡單的壓力計模型，第二種模型是更複雜的壓力模型。

此設計的一個重要概念是兩相流，即液體和氣體被彎液面隔開的流動狀態。兩相流至少有七種不同的流動狀態^{[ 3 ]} ，脈衝泵浦運轉過程中會展現出其中幾種。

泵浦沿泵管向上提升的過程主要發生在段塞流狀態。在段塞流中，液體和氣體分離成不同的層，幾乎佔據了泵管的整個橫截面，如下圖所示。

對於段塞流，允許的管徑取決於流速和流體黏度。即使做出一些簡化假設，泵管內的流速也很難描述。例如，如果泵管不是垂直的，氣泡不再對稱，導致氣泡速度改變。需要引入幾個無量綱項，包括弗勞德數、埃特沃斯數和雷諾數，才能完整描述流動。^{[ 4 ]}雖然目前尚未就最合適的模型達成共識，但已經提出了幾種模型。^{[ 5 ]}

完整確定段塞流過程中的流體性質並推導出包含該流動狀態全部影響的模型超出了本模型的範圍。因此，本文考慮一個更為簡單的模型，該模型假設管道完全垂直且流動穩定等，具體內容將在下文中進一步討論。

當多根管子浸入同一種液體中時，每根管子中液體的最大高度由質量守恆定律決定。原理與壓力計類似，外部壓力、密度和管子的直徑決定了液體的高度。這意味著，當所有管子出口處的壓力相同時，密度 ρ 乘以管子的橫截面積 A 再乘以液體高度 h，對於每根管子來說都是相同的，如圖右所示。也就是說，如果一個封閉的容器裝滿水，頂部放置兩根相同的吸管，吸管與空氣相通，那麼兩根吸管中的液體高度相同，也就是說，兩根吸管中的液體量相同。

也就是說：

 （ρ一個h）1=（ρ一個h）2

如果所有變數都保持不變，那麼這個結論是合理的。但在脈衝泵中，問題就複雜得多。脈衝泵包含一根橫截面積相同的進水管和一根高度不同的出水管，此外還有一根橫截面積較小、高度較高的泵送管。進水管和出水管幾乎完全充滿水，因此它們的密度可以近似地視為水的密度。然而，在某一時刻，泵送管的大部分管壁上充滿的並非水，而是空氣。因此，上述方程式變為：

 ρ西一個ter（一個h）我n我et=ρ西一個ter（一個h）o你t我et+[ρ西一個ter%西一個ter+ρ一個我r%一個我r]（一個h）p你米p

或者，如果進水管和出水管的橫截面積相同：

 ρ西一個ter一個（h我n我et−ho你t我et）=[ρ西一個ter%西一個ter+ρ一個我r%一個我r]（一個h）p你米p

在哪裡h我n我et−ho你t我et是水頭。水能被泵送到的高度可以透過求解以下方程式來確定：hp你米p

hp你米p=ρ西一個ter一個（h我n我et−ho你t我et）[ρ西一個ter%西一個ter+ρ一個我r%一個我r]一個p你米p

此模型的主要問題在於忽略了流體在泵浦內流動時的速度。這是一個不可忽略的量，因為如果流體的運動可以忽略不計，出口管中的空氣就會與水分離，泵浦將失去輸送水的能力。然而，這個壓力計模型確實闡明了泵浦的基本原理，並反駁了脈衝泵最常見的批評，即較小的泵管在物理上不可能將水泵送到高於初始水流高度的位置。上述論點表明，只有在泵管內的流體靜止或空氣含量可以忽略不計的情況下，上述批評才成立。

為了考慮流速，需要利用能量守恆定律和伯努利方程式對流動進行更詳細的評估。此方法模擬了不同點處流動壓力的變化。

在位置 4，來自位置 1 的壓力由下式給出：

 P4=P1+ρ4克h1−ρ4（v42−v12）2

同樣，5/2：

 P5=P2+ρ5克h2−ρ5（v52−v22）2

3投6中：

 P6=P3+ρ6克h3−ρ6（v62−v32）2

為了確定水泵所能達到的最大高度，假設位置 3 的速度為零。這將給出水能達到的高度上限。此外，可以假設位置 1、2 和 3 處的壓力約為一個大氣壓，因為「3」出口通往大氣，「1」和「2」僅承受與水流深度相關的極小靜水壓力。對位於位置 4、5 和 6 之間的底部容器進行控制體積分析，質量守恆定律顯示：

 ρ4一個4v4=ρ5一個5v5+ρ6一個6v6

根據實驗幾何形狀，所有管子的橫截面積都是已知的。出口管的空氣含量極低，因此可以假設其密度與水的密度相同。

基於文獻^{[ 6 ]}對封閉系統中熱驅動氣泡幫浦的研究，壓力從4和5到6的變化可以描述如下：

 P6=P4−ρ6v4（v6−v4）−P5+ρ6v5（v6−v5）

到目前為止，推導過程中的所有假設都針對的是相當一般的情況。模型中的以下假設提供了一個更具體、更簡化的模型。第一個假設是，4 和 5 之間的速度近似恆定。由於只有一小部分流體被分流到泵管外，因此假設大部分流體在流經出口管時保持其動量。

其次，假設泵管內段塞流的氣體含量為70%，這是段塞流的平均值。此外，假設入口管內的氣體處於泡狀流狀態，其平均氣體含量為30%。^{[ 7 ]}這意味著：

 ρ6=0.7ρ一個我r+0.3ρ西一個ter

 ρ4=0.3ρ一個我r+0.7ρ西一個ter

憑藉這七個方程式及其相關假設，壓力模型仍然存在一個未知數，這意味著必須透過迭代來確定一個合理的壓力高度。輸入參數是系統的幾何參數，輸出參數應為壓力預計最高點「4」處的壓力和速度。如果這些值合理，系統即可運作；否則，需要進行另一次迭代。

首先使用EES軟體對該系統進行了建模。定義了上述方程，並設定了一些初始條件。如圖所示，除了上述假設外，還需要輸入管道的高度和直徑以及1號和2號位置的流體速度。程式隨後輸出整個管道內的速度和壓力。為了更好地評估該模型的有效性，可以使用EES程序或類似的程序。

脈衝泵缺乏公信力，因為尚未經過同行評審，儘管目前已開始對其進行深入研究（請參閱下方的外部連結）。然而，目前已製造出幾種脈衝泵模型，並且網路上有影片展示了它們的工作原理和運作情況。這種脈衝泵設計並未申請專利，其設計屬於公共領域。^{[ 8 ]}

如果下方圖片無法加載，您可以點擊此處查看一台使用了20年的脈衝泵範例。這台幫浦由一股小溪驅動，300公升水從0.5公尺高處落下產生動力。該泵浦的數據顯示，水流在泵體上的表觀速度在每秒0.32公尺到每秒0.68公尺之間，足以將氣泡帶入管道。

氣舉段的表觀空氣速度似乎在 0.7 公尺/秒到 1.5 公尺/秒之間效果最佳。這是在使用 12 毫米和 19 毫米管道並垂直向上泵送時得出的結論。

在斜坡上充氣時，較低的表觀空氣速度效果最佳。 （表觀速度是指假設管道內只有一種流體時，水或空氣在管道中的速度。）如果您要自行製作充氣裝置，這是一個很好的參考指標。 ——布萊恩

據Gaiatechnician稱，脈衝泵可以處理比這大得多的流量和揚程。

由於其結構極為簡單，它們對水邊社區來說具有極大的價值。影片中的小型脈衝幫浦每天可以向儲水容器輸送約 5 噸水。^{[ 9 ]}

第二個例子（如圖）使用脈衝泵為動物供水。它透過一條 40 毫米的排水管以大約 30 公升/分鐘的流量供水。它可以將 30 毫升/分鐘的水提升到 3 公尺的高度，或將 1 公升/分鐘的水提升到 1 公尺的高度。^{[ 10 ]}

《實用農場創意》雜誌的麥克·多內萬允許我使用他雜誌上刊登的關於這款水泵的圖片和文字，作為交換，我需要添加一個連結。 http ://www.farmideas.co.uk/

我認為這些數據對於任何想要大致估算項目所需管道尺寸的人來說都很有價值。

布萊恩懷特

熱驅動氣泡幫浦是最常見的脈衝幫浦類型。它們的工作原理與這種脈衝泵類似，但運行於封閉系統中。通常，沸點低於水的冷媒與工作流體混合。混合物壓縮後，受熱產生氣泡，氣泡從工作流體中的冷媒中析出。這些冷媒氣泡推動水沿著泵管向上流動，就像脈衝泵一樣。混合物隨後進入分離室，液體被送至吸收器，冷媒被送至冷凝器。^{[ 11 ]}

這種脈衝泵的設計極為簡單，卻有可能對水的輸送方式產生重大影響。它無需使用化學物質即可抽水，因此回流到溪流中的水不會受到污染。相反，有研究表明，回流到溪流中的水含氧量更高，為水生生物提供了更佳的生存環境。未回流到溪流中的水可用於灌溉土地或作為飲用水源。該泵提升了水位，使水能夠輸送到比溪流本身更遠的地方。

水泵本身僅由極少幾種材料製成，包括簡單的管道和連接件，經過優化設計後，其製造成本非常低。水泵安裝完畢後幾乎無需維護，因此除了初始安裝和設備成本外，該水泵可以經濟便捷地為附近居民供水。

在本分析中，我們建立了實驗模型和理論模型。實驗模型基於先前的設計，旨在驗證概念。該模型清晰地展示了預期趨勢，表明在高揚程和短泵管的情況下，流量最高。我們提出了兩個理論模型。第一個模型是基於質量守恆原理，類似壓力計。此模型可以粗略估計第二根泵管的高度，但由於其假設流速可忽略不計，因此有效性非常有限。不過，該模型確實駁斥了脈衝泵設計在物理上不可行的觀點。第二個理論模型同時利用質量守恆和能量守恆來評估幫浦各層級的流速和壓力。此模型需要使用者迭代計算所得數值，以確定特定條件下的合理幾何形狀。我們使用工程方程式求解器創建了一個模板，使用戶能夠迭代計算假設值，從而確定最佳幾何形狀。

實驗模型和理論模型都將受益於同儕審查和進一步研究。實驗模型應採用更嚴格的測試方案進行測試，在每個高度和揚程下進行更多測試。其他變量，例如容器尺寸、管道直徑和流速，也應進行測試，以確定它們對脈衝泵的影響，並且應使用更廣泛的數值範圍。本次實驗遇到的主要問題是原始容器和軟管有洩漏。透過採用上述方法，可以輕鬆克服這些問題，從而可以投入更多時間進行更詳細的測試。

所提出的理論模型可使用上述EES程式等軟體進行進一步擴展和測試。此外，還有一些因素未被考慮在內，必須將其納入模型才能準確預測幫浦的流量。這些因素包括：

• 泵管內兩相段塞流分析
• 確定進出口管道中的空氣含量和流動狀態
• 摩擦/黏性損失
• 湍流
• 分離容器兩側的壓力梯度

• Gaiatechnician在 YouTube 上的講解影片可以在這裡找到。如需更詳細的解釋，請造訪他的網站。
• 這裡和這裡可以找到更多關於脈衝泵工作原理的影片。
• Bubble Action Pumps Ltd.公司生產類似的產品，它利用太陽能熱水器抽水。您可以訪問他們的網站以了解更多資訊。
• Altenergymag在此描述脈衝泵
• All About Pumps網站上也有相關描述。
• 有關如何製作脈衝泵的詳細說明，請造訪Instructables 網站。