少し前に、パイプラインで大きな問題を引き起こす可能性のある油圧現象であるウォーターハンマーについて書きました。 その後、スチームハンマーについて書きましたが、これは蒸気配管システムに関連する現象で、非常に危険なものです。 さらに、ウォーターハンマーの続きとして、正しく設計・運用されていない場合に配管を崩壊させる可能性のある過渡的な真空現象についても書きました。 しかし、これらの記事を書いた後でも、私はすべてを語っていないことがわかりました。 なぜなら、ウォーターハンマーは一般的にエンジニアにとって問題であるにもかかわらず、この通常は不都合な現象を有益な用途に利用する方法があるからです。 こんにちは、私はグレーディー、こちらはプラクティカル・エンジニアリングです。 今日のエピソードでは、油圧ラムポンプについてお話しします。
油圧ラムは200年以上前に発明された巧妙な装置で、水が流れ込む以外に外部の動力源がなくても、水を坂道に汲み上げることができます。 フリーエネルギーの装置ではありませんが、YouTubeで検索すると、主にホームスティやオフグリッドのライフスタイルのブログをやっている人たちが、このスタイルのポンプの素晴らしい実装をたくさん見つけることができます。 ラムポンプがこれらのグループに人気がある理由は簡単にわかります。 ラムポンプは、水源の豊富な土地を持っていれば、電気や燃料を必要とせず、可動部品が2つだけという非常にエレガントな設計で、その水を高所にあるタンクや場所に送ることができるからです。 もちろん、私も自分で作ってみたので、その仕組みを見ていただきたいのですが、その前に、流体の挙動に関する基礎知識を少しだけ身につけておく必要があります。
流体が持つことのできるエネルギーには 3 つのタイプがあり、土木工学では通常、それらを静柱の高さとして同等のものに変換します。 この距離を「ヘッド」と呼びます。 流体のエネルギーを理解することは、多くの工学的問題を解決する方法です。というのも、ほとんどの場合、エネルギーの量は変わらず、変わるのはそのエネルギーがどのような形をとるかということだけだからです。 1つ目のタイプは、重力ポテンシャルによるものです。 これは静的な柱であるため、同等のものはありません。 頭部は任意の基準点からの距離でしかありません。 これは、タンクとチューブを使って簡単に示すことができます。 このチューブを好きなところに移動させることができますが、チューブとタンクのレベルは常に同じになります。 両方とも表面は大気圧にさらされており、動いていないので速度はありません。
2つ目のエネルギーの種類は圧力ヘッドです。 この場合のヘッドとは、圧力を重力と流体の密度で割ったものです。 つまり、タンクの上部を閉じて空気圧を加えると、チューブ内のレベルが上がります。 この新しい高さが圧力ヘッドであり、タンク内の圧力に関連する等価静寂柱である。 ある圧力に対して、水銀のように密度の高い流体は、水のように軽い流体に比べて、単位重量が異なるため、低い圧力ヘッドを持つことになります。 圧力波頭の測定には、気圧計が良い例です。 私たちは空気の海の底に住んでいるので、ここの気圧を把握したいと思っています。
エネルギーの最後の種類は速度頭で、これは流体の運動エネルギーに関係します。 ピトー管という道具を使って、水柱に相当するものを示すことができます。 速度頭の変換は、速度の二乗を重力加速度の2倍で割ったものです。 以上、いろいろと説明してきましたが、ラムポンプの機能を理解する上で重要なことがあります。 なぜなら、外部の動力源がなければ、ある種類のエネルギーから別の種類のエネルギーになることはできても、最初に持っていたエネルギーよりも多くのエネルギーを取り出すことはできないからです。 例えば、静止した水柱をある程度の速度を持った水柱に変えることはできますが、流体を最初の状態よりも高い位置に到達させることはできません…例外があります。
ラム ポンプは基本的に 2 つの一方通行の逆止弁で、1 つは廃棄弁、もう 1 つは送出弁と呼ばれています。 始動させるには、廃液バルブを一瞬開いて水が流れるようにします。 その後は、水源地の標高よりも高いところまで、勝手に水を汲み上げてくれるんです。 これはすごいことだと思います。 では、その仕組みを理解するために、水の通り道を歩いてみましょう。 まず、廃液バルブが開くと、水はポンプに流れ込み、すぐにバルブから出ていきます。 しかし、スピードが上がってくると、水の流れに押されて廃液バルブが閉まってしまいます。 この時、水はポンプの中で止まっています。 水には運動エネルギーがありましたが、今はありません。 つまり、運動エネルギーが何か別のもの、この場合は圧力に変換されたということです。 これがウォーターハンマーの定義です。
しかし、ラムポンプの場合、圧力のスパイクは異なる効果を持っています。 第2逆止弁を開き、ポンプに入った水をデリバリーラインに押し込みます。 私のデジタル圧力計を見ればわかるように、このプロセスは周期的に行われ、バルブが閉まるたびに水の一部を汲み上げ、残りを無駄にします。 ここで何が起こっているかをリアルタイムで見ることができます。ポンプは流れから運動エネルギーの一部を奪い、それを少量の水に与えているのです。 これはエネルギーの再分配であり、低揚程・高流量を高揚程・低流量に変換するものです。 このタイプのポンプは、本当に大きな揚程を作り出すことができます。 私は小屋の屋根のかなり上まで吐出ラインを伸ばしましたが、ポンプはそこまで水を運ぶことができました。 時には、ポンプに空気室を設けて、圧力の急激な上昇を滑らかにし、吐出管からの流量をより均一にして、ポンプ部品の摩耗を減らすことができます。
現代の電気機器で考えると、パイプに水力発電のタービンを取り付けて発電機を回し、その電気でポンプを動かしてタービンから出てくる水を動かしているとします。 もちろん、すべての水を汲み上げることはできませんし、ランプポンプはごく簡単な既製の配管部品でできることに対して、かなり複雑な設定になってしまいます。 実際、水を動力源としたタービンで作動するタイプのポンプもあります。 次はそのようなものを作ってみようかな。 今のところ、ラムポンプは流体の特性を利用した独創的な方法だと思っています。 私たちは様々な理由で水を必要としています。大掛かりな装置や外部動力源なしに、必要な場所に水を移動させることができるというのは、道具箱の中でもかなり素晴らしいツールです。 ご意見、ご感想をお聞かせください。