脈衝幫浦是一種簡單的水動力機械裝置，也稱為氣泡幫浦。此幫浦的組件已用於多種用途，包括提取油或用於製冷循環。熱驅動氣泡泵是最常見的，但這種利用流中的湍流來捕獲空氣的脈衝泵的特殊設計尚未變得常見。該泵的兩個主要優點是它沒有機械或移動部件，並且不使用任何化學品，僅使用溪流中的水。一旦安裝在溪流附近，泵浦就可以僅利用溪流的能量來提水。
我允許重複使用和改編我過去為此項目製作的所有圖片和 GIF 動畫。布萊恩懷特，2010 年 5 月 3 日
內容
背景資料
概述
脈衝幫浦是trompe且空氣提升幫浦的組合。脈衝泵安裝在溪流附近，可以將水抽至高於溪流水位的高度。這樣可以輕鬆訪問難以到達的地點的溪流，或者將溪流中的水通過管道輸送到不同的位置，用於灌溉或飲用水目的。
脈衝幫浦僅使用錯視部分為氣升部分提供動力。可以在此處觀看解釋泵的影片。
好處
如簡介部分所述，泵浦的主要優點有兩個。首先，脈衝泵的這種設計沒有化學成分，這在熱驅動氣泡泵中很常見，它們在類似的原理下運行（請參閱下面的熱驅動氣泡泵）。這使得該泵浦可用於需要泵送未受污染的水的多種任務，例如灌溉和泵送飲用水。此外，不需要任何化學品，並且使用可用的溪流水作為泵送流體，大大降低了泵浦的成本。
其次，脈衝幫浦沒有移動部件。安裝後，泵浦利用水流的湍流捕獲空氣，並利用重力對其進行壓縮（請參閱下面的工作原理部分）來泵送空氣部分水的高度高於溪流的高度。不需要通常更昂貴且更難以安裝的機械部件。
除了這些優點之外，據稱脈衝泵還可透過增加氧含量對水質產生積極影響。[1] 基本思想是，透過在進水泵中將空氣和水混合在一起，空氣和水之間的表面積增加，可以比水流中的典型情況將更多的氧氣傳輸到水中。應該進行進一步的研究來證實這個想法。
歷史
Trompes 在水力發電渦輪機出現之前被用來將空氣泵入礦井，為建造一些第一批高山隧道的氣動機器提供空氣並提供空氣來驅動發動機，照亮了 19 世紀末巴黎的富裕地區。空氣提升泵仍然被自來水公司廣泛使用，從很深的井中抽水。他們使用壓縮機將空氣壓入井中，空氣通過第二根較寬的管道噴出，管道中攜帶水。
工作原理
脈衝泵（又稱氣泡泵）使用水的水頭來壓縮空氣，從而排出水，將水「脈衝」推到泵上。達到比以前更高的高度。其工作原理與錯視泵和氣升泵相同。
模型建構
基於其他類似試點計畫的成功，[2]建構了概念驗證模型。此處列出的材料用於建立模型，可用於小規模應用，例如下面現有泵浦部分中所述的應用，或用於進一步測試。這裡描述的塑膠管是柔性塑膠管，這對於測試很有用，因為它可以彎曲到正確的高度並重複用於不同的測試，但是也可以使用實心 PVC 管，並且在非-測試情況下。 （請參閱測試部分。）
材料
這些材料是此型號脈衝泵浦的固有組件。除了剪斷管道的剪刀外，沒有使用其他工具。
圖 1：2 根 3/4" 內徑透明塑膠管
圖 1a：1 根 3/8" 內徑透明塑膠管
圖 1b：2 個 3/4" 塑膠管連接器，一端安裝在塑膠管內，另一端有螺紋
圖 1c：1 @ 3/8" 壓縮配件，一端安裝在管子周圍，將其壓縮到位，另一端有螺紋
圖 1d：1 @ 1 1/2”三通連接器，具有兩個彼此相對的摩擦配合開口和一個上方的摩擦配合開口
圖 1e：2 個 1 1/2” 至 3/4” 連接器，一端有螺紋，一端摩擦配合，以連接到三通連接器和塑膠管連接器
圖 1f：1 個 1 1/2” 至 3/8” 連接器，一端有螺紋，一端摩擦配合，以連接到三通連接器和塑膠管連接器
除了上述項目之外，還需要這些附加材料來設定此模型並對其進行測試：
圖 1：1 條軟管以受控方式供水
圖 1a：支撐管道的支架和連接機構
圖 1b：用於排出多餘水的水桶和水槽
成本
原型的成本有些昂貴，但與大多數其他抽水方式的成本相比，它是非常低的。此外，如果這種設計規模更大，那麼其建造成本可能會低得多。原型的成本大致如下：
| 物品 | 價格 |
| 塑膠管 | 40 美元 |
| 管道連接器（全部） | 10 美元 |
| 三路連接器 | 10 美元 |
| 全部的 | 60 美元 |
建置和設定模型
建立該模型的過程非常簡單，因為它的組件很少。棘手的部分是設置管子，使它們盡可能保持垂直。
我製作的模型工作時的影片如下所示。請注意管中的氣泡，這些氣泡清楚地表明入口管處於氣泡流狀態，而泵送管處於團狀流狀態。
下面詳細描述用於建立該模型的過程。
測試
建立模型後，進行了一些初步測試，顯示該泵浦確實可以產生有用的功。在脈衝泵的這種設計獲得更廣泛的接受和使用之前，需要進行更詳細的測試。
在此測試中，改變了兩個變數：泵浦的水頭和泵浦管的高度。
預計隨著水頭的增加，流量也會增加。透過泵浦證明了這種效果，結果如下所示。
隨著泵管高度的增加，脈衝到達泵管頂部需要更多的能量。預期流量會相應減少如下所示。
當這兩個變數的影響結合起來時，結果是顯示流量如何取決於水頭和泵管高度的圖表。此圖可用於演示這些數量和流量之間的關係。即使在大水頭下，如果泵管高度很大，流量可能很小。另外，即使當泵管的高度較小時，較小的揚程也會減少經由泵管泵送的水量。如下圖所示。
在峰值性能（大揚程和短泵管）下，該型號的泵送速度接近 100mL/s，即每 10 秒 1L！儘管對每個值進行了多次測試，但這些結果的再現性仍然值得懷疑。無論確切的流量如何，該實驗表明脈衝泵廣泛用於抽水的潛力巨大。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。
科學模型
儘管脈衝泵或至少此類泵的各種類似設計已經存在了相當長的時間，但還沒有一個很好的解釋或模型來描述它們。類似的問題，例如熱驅動氣泡幫浦，通常是封閉系統，不需要出口管道。在本節中，介紹了此泵浦功能背後的一些科學原理，並開發了兩種不同的模型。第一個模型是簡單的壓力計模型，第二個模型是更複雜的壓力模型
兩相流
此設計的一個重要概念是兩相流，即液體和氣體被彎液面分開。兩相流至少有七種不同的流態，[3]其中幾種在脈衝泵的運作過程中表現出來。
段塞流
泵浦沿泵管向上的提升作用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，幾乎佔據管的整個橫截面，如下所示。
對於段塞狀態下的流動，允許的管直徑取決於流動的速度及其黏度。即使有幾個簡化的假設，泵管中的速度也很難描述。例如，如果管子不垂直，則氣泡不再對稱，導致氣泡速度改變。完整描述流動需要幾個無量綱項包括弗勞德數、埃奧特沃斯數和雷諾數。[4]雖然目前還不清楚就最合適的模型達成一致，並提出了幾種模型。[5]
段塞流過程中流體特性的全面確定以及模型的推導（包括該流態的全部影響）超出了該模型的範圍。相反，考慮一個更簡單的模型，假設完全垂直的管道和穩定的流動等，如下文進一步討論。
壓力表型號
對於同一液體中的多個管，每個管中液體的最大高度由質量守恆給出。使用與壓力計相同的原理，外部壓力、密度和管的直徑決定液體的高度。這意味著，當每根管出口壓力相同時，密度 ρ 乘以管橫截面積 A 乘以流體高度 h 是相同的，如右圖所示。這意味著，如果一個封閉的容器裝滿了水，並且頂部有兩根相同的吸管向空氣開放，那麼吸管中的液體將上升到相同的高度，即一根吸管中的液體不會比另一個。
也就是說：
（rAH）1=（rAH）2{\displaystyle \ (\rho Ah)_{1}=(\rho Ah)_{2}}
如果所有變數都是常數，這是有道理的。在脈衝泵中，問題更為複雜。有入口管和出口管，橫截面相同，但高度不同，然後有面積較小、高度較高的泵管。入口管和出口管幾乎完全充滿水，因此密度可以近似為水的密度，但是，在給定時間，泵送管的很大一部分充滿空氣，而不是水。上式則變為：
r在At這是r（AH）我n我這是t=r在At這是r（AH）氧在t我這是t+[r在At這是r%在At這是r+rA我r%A我r]（AH）p在米p{\displaystyle \ \rho _{水}(Ah)_{入口}=\rho _{水}(Ah)_{出口}+[\rho _{水}\%_{水}+\rho _{空氣}\%_{空氣}](啊)_{泵浦}}
_{泵浦}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/186fa09ca298967fbea8a409ab958aa6a1024310)
或者，如果入口管和出口管具有相同的橫截面積：
r在At這是rA（H我n我這是t-H氧在t我這是t）=[r在At這是r%在At這是r+rA我r%A我r]（AH）p在米p{\displaystyle \ \rho _{水}A(h_{入口}-h_{出口})=[\rho _{水}\%_{水}+\rho _{空氣}\%_{空氣}] （啊）_{泵浦}}
![{\displaystyle \ \rho _{水}A(h_{入口}-h_{出口})=[\rho _{水}\%_{水}+\rho _{空氣}\%_{空氣}] （啊）_{泵浦}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d95dbd316e21fe0d91aced359f606e1cbd0bca2e)
在哪裡H我n我這是t-H氧在t我這是t{\displaystyle h_{入口}-h_{出口}}
Hp在米p=r在At這是rA（H我n我這是t-H氧在t我這是t）[r在At這是r%在At這是r+rA我r%A我r]Ap在米p{\displaystyle h_{泵}={\frac {\rho _{水}A(h_{入口}-h_{出口})}{[\rho _{水}\%_{水}+\rho _{空氣}\%_{空氣}]A_{泵浦}}}}
![{\displaystyle h_{泵}={\frac {\rho _{水}A(h_{入口}-h_{出口})}{[\rho _{水}\%_{水}+\rho _{空氣}\%_{空氣}]A_{泵浦}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5130c96622af52a244433b6f4885a78aa475a126)
該模型的主要問題是它忽略了流體流經泵時的速度。這是一個不可忽略的量，就好像流體的運動可以忽略不計一樣，出口管中的空氣就會與水分離，泵就會失去輸送水的能力。然而，該壓力計模型確實說明了泵浦的基本原理，並反駁了對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水流初始高度以上。上述論點表明，只有當泵管中的流體靜止或存在的空氣量可以忽略不計時，這才是正確的。
壓力模型
理論
為了考慮速度，需要利用能量守恆和伯努利方程式更詳細地評估流量伯努利方程式 。此方法對不同點的流量壓力變化進行建模
在位置 4 處，來自位置 1 的壓力由下式給出：
磷4=磷1+r4GH1-r4（在42-在12）2{\displaystyle \ P_{4}=P_{1}+\rho _{4}gh_{1}\frac {\rho _{4}(v_{4}^{2v_{1}^ {2})}{2}}}
同樣，在 2 中的 5 處：
磷5=磷2+r5GH2-r5（在52-在22）2{\displaystyle \ P_{5}=P_{2}+\rho _{5}gh_{2}\frac {\rho _{5}(v_{5}^{2v_{2}^ {2})}{2}}}
3點6點：
磷6=磷3+r6GH3-r6（在62-在32）2{\displaystyle \ P_{6}=P_{3}+\rho _{6}gh_{3}\frac {\rho _{6}(v_{6}^{2v_{3}^ {2})}{2}}}
假設 3 處的速度為零，以決定水可以抽送到的最大高度。這將提供水可以達到的高度的上限。此外，1、2 和 3 處的壓力可以假定為大約一個大氣壓力，如「3」所示。排出到大氣中且「1」；和“2”僅具有非常小的靜水壓力，與溪流的深度相關。對 4、5 和 6 之間的底部容器執行控制體積分析，質量守恆規定：
r4A4在4=r5A5在5+r6A6在6{\displaystyle \ \rho _{4}A_{4}v_{4}=\rho _{5}A_{5}v_{5}+\rho _{6}A_{6}v_{6}}
從實驗的幾何形狀可以得知所有管子的面積。出口管的空氣含量最小，因此可以假設密度等於水的密度。
基於一個來源的工作，[6]分析了封閉系統中的熱驅動氣泡泵，從4和5到6的壓力可以描述如下：
磷6=磷4-r6在4（在6-在4）-磷5+r6在5（在6-在5）{\displaystyle \ P_{6}=P_{4}-\rho _{6}v_{4}(v_{6}-v_{4})-P_{5}+\rho _{6}v_{5 }(v_{6}-v_{5})}
到目前為止，推導過程中所有的假設都是針對相當一般的情況。模型中的以下假設提供了更具體、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轉移以離開泵送管，因此假設大部分流體在繼續通過出口管時保持其動量。
其次，假設泵管內段塞流中的氣體含量為 70%，這是段塞流的平均值。此外，假設入口管中的氣體處於氣泡流態，其中氣體含量平均為 30%。[7] 這些意思是：
r6=0.7rA我r+0.3r在At這是r{\displaystyle \ \rho _{6}=0.7\rho _{空氣}+0.3\rho _{水}}
r4=0.3rA我r+0.7r在At這是r{\displaystyle \ \rho _{4}=0.3\rho _{空氣}+0.7\rho _{水}}
測試理論
有了這七個方程式以及附帶的假設，壓力模型仍然比方程式多一個未知數，這意味著必須透過迭代確定合理的高度。輸入是系統的幾何參數，以及「4」處的壓力和速度。當預計出現最高壓力時，應輸出。如果這些值合理，系統就可以正常運作；如果不是，則應該進行另一次迭代。
此系統建模的第一步是使用 EES 軟體完成的。定義了上述方程，並設定了一些初始條件。如圖所示，除了上面列出的假設之外，還必須輸入管的高度和直徑以及 1 和 2 處的流的速度。然後程式輸出整個管子的速度和壓力。為了更好地評估該模型的有效性，可以使用該 EES 程序或類似程序。
現有脈衝泵
脈衝幫浦缺乏可信度，因為沒有經過同行評審，儘管它們已開始進一步研究（請參閱下面的外部連結）。然而，已經建立了幾個模型，並且可以在線觀看影片來展示它們的工作原理和工作原理。這種脈衝泵的設計並未獲得專利，且該設計屬於公共領域。[8]
工作脈衝泵
如果沒有在下面加載，可以在此處找到使用了 20 年的工作脈衝泵範例。該泵浦由 300 公升水從 0.5 公尺處落下的小溪流提供動力。該幫浦的數據顯示，流過漏斗部分的水流速度在每秒 0.32 公尺到 0.68 公尺之間，足以將氣泡送入管道。
空運部分的表觀空氣加速似乎在每秒 0.7 ms-1 至 1.5 公尺之間效果最佳。這是使用 12 毫米和 19 毫米管道並直接向上泵送時的情況。
上坡時，較低的表觀風速效果最佳。 （表觀速度是水或空氣通過管道的速度，假設管道中只有一種流體）如果您自己製作，這是一個很好的指南。布萊恩
脈衝幫浦可以在比 Gaiatechnician 所說的大得多的流量和揚程下工作。
由於其極為簡單，它們對水邊社區具有巨大價值。影片中的微型脈衝幫浦每天可以向儲存容器泵送約 5 噸水。[9]
第二個範例（如此處所示）使用脈衝幫浦為動物提供水。它通過 40 毫米廢水管的供應流量約為 30 公升/分鐘。它可以以 30 mL/min 的速度提升至 3m 或以 1 L/min 的速度提升至 1m。[10]
Mike Donevan 的實用農場創意讓我可以使用泵在他的雜誌上時的圖片和文字來交換連結。 http://www.farmideas.co.uk/
我認為它們對於任何想要通過大概數字來猜測其項目的良好管道尺寸的人來說都是有價值的
布萊恩懷特
熱驅動氣泡泵
熱驅動氣泡幫浦是最常見的脈衝幫浦類型。他們使用與脈衝泵設計類似的操作原理，但在封閉系統中。通常，沸點低於水的冷媒與流體混合。混合物壓縮後，被加熱，導致工作流體中的冷媒形成氣泡。然後，冷媒氣泡將水推向泵管，就像脈衝泵一樣。然後混合物進入分離室，液體被輸送到吸收器，冷媒被輸送到冷凝器。[11]
結論
這種脈衝泵的特殊設計建造起來非常簡單，並且有可能對抽水方式產生巨大影響。它不使用化學物質來抽水，因此放回溪流中的水不會受到污染。相反，有人聲稱返回河流的水含有更多的氧氣，為水下生物提供了更好的環境。未返回溪流的水可用於灌溉土地或提供飲用水。泵浦提供的增加的高度允許將水輸送到比單獨的溪流能夠輸送的更遠的地方。
泵本身由很少的材料製成，只有簡單的管道和連接件，並且在找到最佳設計後，可以廉價地製造它。一旦泵浦安裝完畢，幾乎不需要維護，因此除了初始安裝和設備成本之外，該泵浦可以廉價且輕鬆地為附近的人們提供水。
在這項分析中，發展了實驗模型和理論模型。此實驗模型基於先前的設計，並作為概念驗證。該模型清楚地顯示了預期的趨勢，顯示了大水頭和短泵管的最高流量。提出了兩個理論模型，第一個基於質量守恆原理，如壓力計。該模型提供了第二管高度的粗略估計，但有效性非常有限，因為它假設的速度可以忽略不計，但它確實反駁了脈衝泵的這種設計在物理上是不可能的想法。第二個理論模型使用質量守恆和能量守恆來評估幫浦每一級的速度和壓力。第二個模型要求使用者迭代產生的值，以確定特定條件下的合理幾何形狀。使用工程方程式求解器，形成一個模板，允許使用者迭代所做的假設，以確定最佳幾何形狀。
建議
實驗和理論模型都將從同行評審和進一步研究中受益匪淺。實驗模型應該使用更嚴格的測試方案進行測試，在每個高度和頭部進行更多的測試。還應測試其他變量，例如容器的尺寸、管道的直徑和流速，以確定它們對脈衝泵的影響，並且應使用更廣泛的值。在該實驗期間遇到的主要挫折是原始容器和軟管的洩漏。透過使用上述方法，可以輕鬆克服這些問題，並且可以花費更多時間來執行更詳細的測試。
提出的理論模型可以使用上述 EES 程式等軟體進一步擴展和測試。此外，還有幾個未考慮的因素必須包含在模型中，以便準確預測通過幫浦的流量。這些包括：
- 泵管內兩相段塞流分析
- 入口管和出口管中空氣含量和流動狀態的測定
- 摩擦/黏性損失
- 湍流
- 分離容器上的壓力梯度
外部連結
- Gaiatechnician在 YouTube 上的說明可在此處找到。如需更詳細的說明，請造訪他的網站
- 脈衝幫浦工作的其他影片可在此處和此處找到
- Bubble Action Pumps Ltd. 生產類似產品，透過太陽能熱板泵水。請在他們的網站上查看。
- Altenergymag 介紹脈衝泵此處
- 關於泵浦的所有內容也有說明此處
- 有關如何製作脈衝幫浦的說明，請造訪說明
參考
- ↑ 關於幫浦的一切。網址：http://web.archive.org/web/20210125002710/http://www.animatedsoftware.com/pumpglos/glpulser.htm [瀏覽日期：2010 年4 月15 日]。
- ↑ Brian White“脈衝幫浦”線上提供：http://nxtwave.tripod.com/gaiatech/pulser/builder.htm [2010 年4 月3 日造訪]
- ↑ J. B. McQuillen、R. Vernon 和 A. E. Dukler。 “氣體-液體流中的流態”線上提供：http://web.archive.org/web/20170704025739/http://www3.nd.edu/~mjm/flow.regimes.html< a i =3> [瀏覽日期：2010 年4 月15 日]
- ↑ J. Fabre和A.Line“兩相段塞流的建模”安努。流體機械修訂版：1992 年。線上提供：http://arjournals.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev.fl.24.010192.000321?cookieSet=1 [瀏覽日期：2009 年 4 月 15 日]
- ↑ 夏國棟、崔珍珍、劉慶、週方德、胡明生“垂直氣液段塞長度分佈模型”液塞流”流體動力學雜誌：2009 年。線上提供：[2010 年 4 月 15 日造訪]
- ↑ 蘇珊·J·懷特。 “氣泡幫浦的設計與性能”喬治亞理工學院：2001 年8 月。線上取得：http://www.me.gatech.edu/energy/SusanThesis.pdf [4 月訪問2010 年 13 月]。
- ↑ 高準白皮書。 “解釋兩相流如何影響質量流量計”美國高準公司：2004 年。線上提供：http://web.archive.org/web/20130123193851/http://www.documentation.emersonprocess.com:80/groups / public_public_mmisami/documents/whitepaper/wp-00698.pdf [瀏覽日期：2010 年4 月15 日]
- ↑ 布萊恩懷特「脈衝幫浦」。網址為：http://www.altenergymag.com/emagazine.php?issue_number=03.10.01&article=pulser [瀏覽日期：2010 年4 月15 日].
- ↑ 脈衝幫浦（空氣提升幫浦）。網址為：http://ca.youtube.com/watch?v=oxJTC77PADQ [瀏覽日期：2010 年4 月15 日]。
- ↑ 康沃爾脈衝幫浦。網址為：http://www.youtube.com/watch?v=Tf1-7fL_UIk [瀏覽日期：2010 年4 月15 日]。
- ↑ 蘇珊·J·懷特。 “氣泡幫浦的設計與性能”喬治亞理工學院：2001 年8 月。線上取得：http://www.me.gatech.edu/energy/SusanThesis.pdf [4 月訪問2010 年 13 月]。