Een tijdje terug schreef ik over waterslag, een hydraulisch fenomeen dat tot grote problemen kan leiden in pijpleidingen. Daarna schreef ik over stoomhamer, een enigszins verwant fenomeen dat geassocieerd wordt met stoomleidingsystemen en dat uiterst gevaarlijk kan zijn. En dan heb ik nog een vervolg op waterslag geschreven over voorbijgaande vacuümverschijnselen die leidingen kunnen doen instorten als ze niet correct ontworpen en gebruikt worden. Maar zelfs na deze berichten, blijkt dat ik niet het volledige verhaal heb verteld. Want ook al is waterslag over het algemeen een probleem voor ingenieurs, er is een manier om voordeel te halen uit dit normaal gesproken onheilspellende effect voor een nuttig gebruik. Hé, ik ben Grady en dit is Practical Engineering. In de aflevering van vandaag hebben we het over hydraulische pompen.
Een hydraulische ram is een slim apparaat dat meer dan 200 jaar geleden is uitgevonden en dat water omhoog kan pompen zonder andere externe krachtbron dan het water dat er in stroomt. Nee, het is geen vrije-energie-apparaat, maar als je rondzoekt, zul je veel geweldige implementaties van deze stijl van pompen op YouTube vinden, voornamelijk van mensen die homesteading en off-grid lifestyle vlogs doen. En het is gemakkelijk te zien waarom ram pompen zo populair zijn bij deze groepen. Want als je een stuk land met een overvloedige bron van water, een ram pomp kunt u dat water naar een tank of locatie op een hoger niveau met een echt elegant ontwerp dat geen elektriciteit of brandstof en slechts twee bewegende delen vereist. Natuurlijk heb ik er zelf een gebouwd, zodat je kunt zien hoe het werkt, maar eerst moeten we een beetje basiskennis opdoen over het gedrag van vloeistoffen. En dit is iets wat iedereen kan begrijpen.
Er zijn drie soorten energie die een vloeistof kan hebben, en in de civiele techniek rekenen we die meestal om naar hun equivalenten als de hoogte van een statische kolom. Deze afstand wordt de opvoerhoogte genoemd. Inzicht in de energie in een vloeistof is de manier waarop we veel technische problemen oplossen, omdat in de meeste scenario’s de hoeveelheid energie hetzelfde blijft, en het enige dat verandert is de vorm die de energie aanneemt. Het eerste type is afkomstig van gravitatiepotentiaal. Het heeft geen equivalente statische kolom omdat het een statische kolom is. De opvoerhoogte is gewoon de afstand tot een willekeurig nulpunt. Dit is gemakkelijk te demonstreren met een tank en een buis. Ik kan deze buis verplaatsen waar ik maar wil, maar het niveau in de buis en de tank zal altijd hetzelfde zijn. Ze zijn beide blootgesteld aan atmosferische druk aan hun oppervlak en ze bewegen niet, dus er is geen snelheid. Het is gewoon puur gravitationeel potentieel.
De tweede soort energie is drukhoogte. In dit geval is de opvoerhoogte de druk gedeeld door de zwaartekracht en de dichtheid van de vloeistof. Dus, als ik de bovenkant van mijn tank afsluit en wat luchtdruk toevoeg, gaat het niveau in de buis omhoog. De nieuwe hoogte is de opvoerhoogte, de equivalente statische kolom gerelateerd aan de druk in de tank. Bij een gegeven druk zal een dichtere vloeistof zoals kwik een lagere opvoerhoogte hebben dan een lichtere vloeistof zoals water, omdat ze een verschillend eenheidsgewicht hebben. Een goed voorbeeld van het meten van de drukhoogte is een barometer. Wij leven op de bodem van een oceaan van lucht, en we willen graag de luchtdruk hier beneden in de gaten houden. Een van de gemakkelijkste manieren om dat te doen is te meten hoe hoog de druk een statische kolom van een vloeistof, in de meeste gevallen kwik, kan duwen.
De laatste soort energie is de snelheidshoogte, die betrekking heeft op de kinetische energie van een vloeistof. Ik kan de equivalente kolom van water aantonen met een instrument dat pitotbuis heet. De omrekening voor de snelheidshoogte is de snelheid in het kwadraat gedeeld door 2 maal de gravitatieversnelling. Dat is veel achtergrondinformatie, maar wel belangrijk om de werking van een pomp te begrijpen. Want zonder een externe energiebron kun je weliswaar van de ene soort energie in de andere overgaan, maar je kunt er niet meer energie uithalen dan je aan het begin had. Ik kan bijvoorbeeld een statische kolom water omzetten in een kolom met een zekere snelheid, maar ik zal de vloeistof nooit hoger krijgen dan waar hij begon… op één uitzondering na. Een uitzondering waar de hydraulische ramppomp prachtig van profiteert.
Een ramppomp bestaat in wezen uit twee terugslagkleppen, waarvan de een de afvalklep en de ander de persklep wordt genoemd. Om hem aan de praat te krijgen, hoef je alleen maar even de afvoerklep te openen om water te laten stromen. Daarna pompt hij uit zichzelf het water omhoog tot boven het niveau van de bron. Verbazingwekkend, denk ik. Laten we het pad van het water doorlopen om te begrijpen hoe het werkt. Als de afvalklep opengaat, stroomt het water in de pomp en meteen weer uit de klep. Maar naarmate de snelheid toeneemt, dwingt het stromende water de afvalklep dicht te slaan. Nu staat het water stil in de pomp. Het had kinetische energie… maar nu niet meer. Dat betekent dat de kinetische energie is omgezet in iets anders, in dit geval druk. Dit is de definitie van waterslag. Het dichtslaan van een klep zet al die kinetische energie bijna onmiddellijk om in een enorme drukpiek die kan leiden tot spanning en schade in leidingsystemen en aangesloten apparatuur.
In het geval van de rampomp heeft die drukpiek echter een ander effect. Hij opent de tweede terugslagklep en dwingt water dat de pomp binnenkomt in de persleiding. Zoals je op mijn digitale drukmeter kunt zien, is dit een cyclisch proces, waarbij een deel van het water wordt opgepompt en de rest wordt verspild telkens als de klep dichtslaat. U kunt in real time zien wat hier gebeurt: de pomp onttrekt een deel van de kinetische energie aan de stroom en geeft die door aan een kleiner volume water. Het is een herverdeling van energie, waarbij lage opvoerhoogte en hoge stroming worden omgezet in hoge opvoerhoogte en lage stroming. En dit type pomp kan echt veel opvoerhoogte creëren. Ik heb mijn persleiding tot ver boven het dak van mijn schuurtje laten lopen, en mijn pomp kan het water nog steeds tot daar brengen. Soms zit er een luchtkamer in de pomp om die scherpe drukpieken af te vlakken en voor een gelijkmatiger debiet uit de persleiding te zorgen, waardoor de pomponderdelen minder snel slijten.
Als je graag denkt in termen van moderne elektrische apparaten, stel je dan voor dat we een waterkrachtturbine op een pijp installeren om een generator te laten draaien en die elektriciteit vervolgens gebruiken om een pomp aan te drijven om het water dat uit de turbine komt te verplaatsen. Uiteraard zou je niet al het water kunnen oppompen, en hoe dan ook zou dat een behoorlijk gecompliceerde opstelling zijn voor iets wat de opvoerpomp kan doen met een paar zeer eenvoudige loodgietersonderdelen uit de winkel. Er bestaat zelfs een type pomp dat werkt met een door water aangedreven turbine. Misschien bouw ik er nog zo een. Maar voor nu denk ik dat de ramppomp een ingenieuze manier is om te profiteren van de eigenschappen van vloeistoffen. We hebben allemaal water nodig voor verschillende redenen, dus in staat zijn om het te verplaatsen naar waar we het nodig hebben zonder enige fancy apparatuur of externe bronnen van energie is een vrij mooi instrument om in je gereedschapskist te hebben. Dank u, en laat me weten wat u ervan vindt!