SOUSTED
NÍ MLADÝCH MATEMATIK A FYZIK
Zpráva o projektu
Vodní pumpa Vypracovali:
Luká² Licek Ota Kunt
Vedoucí projektu:
Bc. Franti²ek Louda
Neko° 2013
Pod¥kování Na tomto míst¥ bychom rád pod¥kovali Bc. Franti²ku Frankei Loudovi za jeho podn¥tné p°ipomínky, pomoc p°i konstrukci a vedení projektu.
1
Obsah 1
Úvod a zadání
2
Teoretická p°íprava
3 3
2.1
Heron's fountain Heronova fontána
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.2
Gear pump Zubové £erpadlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.3
Archimedes' screw Archiméd·v ²roub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.4
Piston pump Pístová pumpa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.5
Chain pump et¥zová pumpa
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.6
Rope pump Provazová pumpa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3
Vlastní konstrukce
4
Záv¥r
8 13
2
1
Úvod a zadání
P°es spí²e teoretické zam¥°ení obou autor· jsme si jako leto²ní projekt pro Soust°ed¥ní mladých fyzik· a matematik· zvolili projekt, který nese název Vodní pumpa. Název je více neº výmluvný, cílem je konstrukce za°ízení pracujícího na libovolném principu, jeº bude vyzvedávat vodu z vodního rezervoáru. Za°ízení by m¥lo pracovat periodicky a nejlépe bez zbyte£ných prodlení. P°ístup· pro úsp¥²nou konstrukci vodní pumpy je mnoho, n¥které budou popsány dále. Projekt jsme si zvolili z p°edev²ím následujících d·vod·. Jak bylo psáno vý²e, jsme oba spí²e teoretického zaloºení, konstruk£ní projekt je pro nás výzvou. Rádi bychom si téº zlep²ili manuální zru£nost a získali nové zku²enosti p°i práci s ná°adím a r·znými materiály.
2
Teoretická p°íprava
Tato £ást nebude nikterak rozsáhlá vzhledem k £asovým moºnostem, které pro vypracování projektu máme. Nelze proto teoretické p°íprav¥ v¥novat tolik £asu, jako by minimáln¥ z na²eho pohledu bylo t°eba a je nutné postupovat spí²e pomocí intuice a zp·sobem pokusomyl, tj. spí²e neº rozmý²let dal²í postup ho rovnou vyzkou²et. Dále budou poopsány n¥které základní p°ístupy p°i konstrukci pump, od b¥ºných pístových aº po takové, se kterými se b¥ºný £lov¥k nesetká.
2.1
Heron's fountain Heronova fontána
Obrázek £. 2: Heronova fontána
Heronova fontána je hydraulický stroj na p°e£erpávání tekutiny, který byl vynalezen v prvním století na²eho letopo£tu, matematikem a fyzikem Heronem. Heron vynalezl tuto
3
pumpu, kdyº zkoumal zm¥nu tlaku zah°átého plynu. Kdyº se v jedné z nádob zah°eje vzduch, tak se voda za£ne £erpat sm¥rem vzh·ru, kde poté z ústí trubice tryská voda a vytvá°í fontánku . Tento zp·sob p°e£erpávávání vody se nedá povoºovat p°ímo za pumpu, ale na druhou stranu mu nahrává relativn¥ lehká konstrukce. Tento princip v²ak neodpovídal na²em p°edstavám, proto jsme se rozhodli jej nezrealizovat.
2.2
Gear pump Zubové £erpadlo
Obrázek £. 3: Zubové £erpadlo
Jeden z principáln¥ jednodu²²ích typ· vodní pumpy. Skládá se ze dvou ozubených kol otá£ejících se sm¥rem do st°edu pumpy. Tato kola poté vtahují vodu do (nej£ast¥ji vodorovn¥ orientované) pumpy. Konstrukce je ale hodn¥ náchylná k r·zným ne£istotám. Ozubená kola se v prost°ední £ásti zad°ou a k jejich vy£i²t¥ní je pot°eba rozebrat celý systém. Proto je tato pumpa vyuºívána p°i p°e£erpávání vody z jedné nádrºe do druhé a hlavn¥ to pouze tehdy, pakliºe si je uºivatel jist, ºe stroj nic nepo²kodí.
4
2.3
Archimedes' screw Archiméd·v ²roub
Obrázek £. 4: Archiméd·v ²roub
Tato pumpa je tvo°ena trubicí, ve které se to£í spirála. Pouºití pumpy je teoreticky omezeno pouze výkonem pohonu. Na rozdíl od ostatních pump, které se na DIY konstrukce p°íli² nehodí £i by vyºadovaly del²í £as, pop°. lep²í materiál, jsme usoudili, ºe konstrukce Archimédova ²roubu je reálná, av²ak pro nás není zajímavá.
2.4
Piston pump Pístová pumpa
V na²ich zem¥pisných ²í°kách je pístová pumpa nej£ast¥j²í. A£ d·leºitost takového za°ízení pro b¥ºného £lov¥ka z d·vodu stále lep²í dostupnosti vodovod· v £ase klesá, stále je pístová pumpa pro mnoho lidí, p°edev²ím z venkovských oblastí, ºivotn¥ d·leºitá.
Obrázek £. 5: Pístová pumpa
Na obrázku £. 5 vidíme schéma klasické pístové pumpy. Zásadní £ástí takové pumpy je, jak jiº z jejího názvu plyne, funk£ní píst.
5
Obrázek £. 6: Píst
Na obrázku £. 6 vidíme schéma nejd·leºit¥j²í £ásti pumpy-pístu-i s popisem jednotlivých £ástí. Píst p°i pohybu jedním sm¥rem vtáhne vodu ze spodní £ásti pumpy do vlastní nádrºe a p°i pohybu zp¥t vytla£í vodu do vrchní £ásti pumpy. Protékání vody zp¥t brání zp¥tné záklopky. Konstrukce takové pumpy by pro nás byla oproti Archimédovu ²roubu nepom¥rn¥ zajímav¥j²í. Realizovatelnost konstrukce takové pumpy je v²ak úm¥rn¥ sloºit¥j²í. Takový píst je, vzhledem k na²im moºnostem, z konstruk£ního hlediska pom¥rn¥ problematická záleºitost, proto jsme po náleºitém prodiskutování této varianty konstrukci pístové pumpy zavrhli.
2.5
Chain pump et¥zová pumpa
Obrázek £. 7: et¥zová pumpa
O tomto zp·sobu £erpání vody se objevují zmínky n¥kdy kolem roku 700 p°.n.l. Vyuºívaly jej Babylo¬ané, kte°í tuto p°ekvapiv¥ ú£innou metodu pravd¥podobn¥ i objevili. Velmi
6
podobné stroje se poté kolem roku 200 p°.n.l. za£aly objevovat i ve starov¥kém Egypt¥. Sou£ástí pumpy je dlouhý °et¥z, na kterém jsou °et¥zov¥ spojené men²í nádoby, viz obrázek. Název chain pump se uºívá i pro pumpy, kterýchºto sou£ástí je dlouhý °et¥z, jenº se naho°e a vespod stroje otá£í p°es ozubená kola. Na °et¥zu jsou za sebou p°ipevn¥na gumová, d°ev¥ná, £i ºelezná kole£ka, která vstupují do trubice, £ímº vytahují vodu vzh·ru. Tento zp·sob je z hlediska konstruk£ního pom¥rn¥ nenáro£ný a to i z hlediska pot°eby materiálu. Rozhodli jsme se proto zkonstruovat variaci na tento typ pumpy, který se nazývá rope pump, provazová pumpa.
2.6
Rope pump Provazová pumpa
Obrázek £. 8: Rope pumpa
Na schematu vidíme pumpu, kterou jsme se rozhodli zkonstruovat. Zásadní £ásti je lano s mnoºstvím roz²í°ených £ástí, které jsou na lan¥ rozmíst¥ny v pravidelných intervalech. Tyto £ásti, které zde gurují jako písty, musí být zkonstruovány z vhodného materiálu a jejich pr·m¥r by m¥l být podobný pr·m¥ru trubice. Lano je vytahováno pohonným mechanismem. D·sledkem protahování roz²í°ených £ásti trubicí je podtlak vznikající pod kaºdou £ástí. Kaºdý píst téº tla£í vodu vytaºenou p°edchozím pístem p°ed sebou. D·sledkem tohoto procesu je vytahování vody z vodního rezervoáru p°i dolní £ásti pumpy.
7
Obrázek £. 9: Rope pumpa
Na obrázku £. 9 vidíme detailn¥j²í nákres rope pumpy i s popisem jednotlivých £ástí. Dle [7] je konstrukce provazové pumpy konstruk£n¥ jednoduchá a nenáro£ná na materiál. Pumpa této kosntrukce se z t¥chto d·vod· hojn¥ vyuºívá nap°. v chudých oblastech v Africe. Zdroj [8] nap°. uvádí, ºe provazovou pumpu lze pouºít aº do hloubek ca 90 m.
3
Vlastní konstrukce
Po náleºité analýze na²ich moºností, moºností táborových zásob ná°adí a materiálu, náro£nosti a realizovatelnosti konstrukce jednotlivých typ· pump jsme se rozhodli pro typ rope pump, provazovou pumpu. Obecný popis je jiº v p°edchozí kapitole. V této £ásti se
zam¥°íme na ná² konkrétní p°ístup, tj. jak konkrétn¥ jsme zrealizovali kaºdý d·leºitý konstruk£ní prvek, na dal²í konstruk£ní detaily a p°ípadné problémy.
a) Lano K tomuto jsme nenalezli p°íli² velké mnoºství materiál· a ukázek. V¥t²ina zdroj· uvádí a ukazuje tenké lano, na kterém jsou nasazeny r·zné kónické p°edm¥ty z r·zných materiál·, nap°. gumy. Po n¥kolika neúsp¥²ných pokusech s r·znými tvary vyst°íhanými a por·znu poskládanými jsme od tohoto upustili a zvolili jiný p°ístup. Tuto zásadní £ást jsme vyrobili z lana pouºívaného pro lezení. Na n¥m jsme vytvo°ili uzly v pravidelných intervalech (dle horního p°evodu, viz dále), a ty nakonec omotali bavln¥ným provázkem. Vhodný pr·m¥r jednotlivých uzl· jsme testovali na malém u°íznutém kousku trubice.
8
Obrázek £. 10: Lano s pístem z namotaného bavln¥ného provázku
B¥hem vytvá°ení lana se vyskytlo n¥kolik problém·. P°íklady budiº následující: pom¥rn¥ sloºité ur£ení vhodného pr·m¥ru, nestejnost pr·m¥r· jednotlivých uzl·, rozdílnost chování provázkového pístu za sucha a za mokra, £asová náro£nost vytvá°ení vhodných uzl·. Dal²ím problémem bylo soustavné rozmotávání namotaných uzl· po n¥jaké mechanické manipulaci s nimi, nap°. po n¥kolikerém testovacím protaºení trubicí. Po t¥chto zku²enostech se domníváme, ºe takováto volba byla sice pro na²e podmínky z°ejm¥ dostate£ná, obecn¥ v²ak negativa p°evládají nad pozitivy.
b) Trubice Trubici jsme zvolili m¥kkou, gumovou, pr·hlednou. Vzhledem práv¥ k její m¥kkosti jsme na°ezali asi 3 cm ²iroké kousky PVC trubice o v¥t²ím pr·m¥ru, ty podloºili gumovou vrstvou a tyto navlékli na gumovou trubici. Tyto by·y následn¥ zalepeny pomocí tavící pistole. Trubici byla p°ilepena k d°ev¥nému prknu pomocí st°íbrné lepící pásky. Vývod z trubice byl téº p°ilepen pomocí tavicí trubice.
9
Obrázek £. 11: Trubice s vývodem
P°i konstrukci této £ásti se vyskytlo n¥kolik problém·. Vzhledem k m¥kkosti materiálu se stalo, ºe po p°ipevn¥ní trubice k prknu se tato trubice zúºila v místech úchytu, coº samoz°ejm¥ brání plynulému chodu poumpy. V zúºených místech se zadrhávaly provázkové písty. D·leºitou sou£ástí trubice je její dolní zakon£ení, tj. £ást, kde do trubice vstupuje provaz s uzly. Okraj trubice je ostrý, provaz se na n¥m tedy zasekává. Napodobili jsme jiº funk£ní konstrukce v manuálech (viz Reference) a zakon£ili trubici kónickou £ástí. K tomu jsme vyuºili £ást PET lahve. Op¥t jsme ji p°ilepili pomocí tavicí pistole. Obrázek je v dal²í £ásti.
c) Dolní p°evod Dolní p°evod je nutný pro plynulý chod pumpy. Sloºili jsme ho z Merkuru a kusu u°íznuté trubky z novoduru. Tento mechanismus jsme následn¥ p°i²roubovali k prknu s trubicí.
10
Obrázek £. 12: Detal dolního p°evodu
Obrázek £. 13: Dolní p°evod spolu se vstupem z PET lahve
d) Horní p°evod Horní p°evod je nutný pro manuální pohon pumpy a téº pro zaji²t¥ní plynulého chodu. Je vyroben z dvou d°ev¥ných kol, ta jsou spojena pomocí u°ezaných trubek z novoduru. Loºiska a uchycení jsou vyrobena z Merkuru. Ke kolu je téº p°ipevn¥no prkno k jednomu kolu, toto prkno slouºí k otá£ení celého mechanismu.
11
Obrázek £. 14: Horní p°evod
Obrázek £. 15: Detail uchycení horního p°evodu
P°i konstrukci této £ásti se vyskytlo n¥kolikero problém·, nap°. s loºisky £i s malým t°ením mezi lanem a trubkami. Druhý problém byl vy°e²en oblepením kontaktních £ástí hrubým smirkovým papírem.
e) Nosná konstrukce Celá konstrukce simuluje skute£nou pumpu, která v¥t²inou stojí na pevném základu. Tato podstava je zde simulována pomocí p°ekliºkové desky, která je zpevn¥na pomocí dvou
12
prken k ní p°i²roubovaných. Na desce stojí dva trámky, na dvou místech spojené. K t¥mto trámk·m je p°ipevn¥n horní p°evod a trubice. Ke spoj·m trámk· je p°ivrtáno prkno a k n¥mu dal²í, k n¥muº je p°ipevn¥na trubice. V desce je vy°ezán otvor pro trubici a druhou (jiº vracející se) £ást provazu.
Obrázek £. 16: Funk£ní provazová pumpa
4
Záv¥r
Konstrukce nebyla p°íli² náro£ná tolik na sloºitost pracovních postup· jako na £as a z hlediska zásob dílny na materiál, který bylo nutno v prvních dnech projektu dokoupit. P°estoºe je v tuto chvíli pupma pln¥ funk£ní, dosáhli jsme pouhého kvalitativního konstatování a totiº ºe funguje, tj. pumpuje vodu. Vzhledem k nedostatku £asu neprob¥hly ºádné dal²í optimalitace £i vylep²ení. Prostoru pro takováto vylep²ení je mnoho a kaºdá £ást popsaná v p°edchozí kapitole by mohla jist¥ být zkonstruována lépe. P°esto p°ese v²echno nás práce na projektu bavila a jist¥ jsme se i nau£ili mnohé nové postupy.
13
Reference [1] Working Bikes Cooperative: Water pump schematic. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://workingbikes.bikegeeks.org/node/3445 [2] Wikipedia: Rope pump. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Rope_pump [3] Wikipedia: Heron's fountain. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Heron's_fountain [4] FAO Corporate Document Repository: Piston or Bucket Pumps: Basic Principles. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://www.fao.org/docrep/010/ah810e/ah810e06.htm [5] Design World: Gear pump. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://www.designworldonline.com/a-quick-and-easy-guide-to-hydraulicpump-technology-and-selection [6] Penn State Personal Web Server: Hanging Gardens of Babylon. [online]. [cit. 2013-0724]. Dostupné z: http://www.personal.psu.edu/amp5364/HangingGardens.html [7] Working Group on Development Techniques: Rope pump: Construction manual. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://www.wot.utwente.nl/publications/ropepump/rope-pump-manualwot-english.pdf [8] Rope pumps: Rope pumps. [online]. [cit. 2013-07-24]. Dostupné z: http://www.ropepumps.org/
14
