Vesipilaripumppu

Kysymyksessä on helposti rakennettava, hyvällä hyötysuhteella toimiva painovoimaan perustuva pumppumekanismi, jolla pystyy pumppaamaan vähäisiä määriä vettä hyvinkin korkealle. Pumpussa ei periaatteessa ole muita liikkuvia osia kuin akselilla oleva pyörivä putkiliitin, joten se on, tietyt tälle pumppumekanismille ominaiset tekijät huomioiden, varsin toimintavarma systeemi.

Pumppu muistuttaa tekniseltä rakenteeltaan ruuvikuljetinta. Sen tuottama voimakas paine-ero johtuu siitä, että pumpun sisältämässä letkukelassa on vuorotellen vesipilareita ja ilmapilareita, joiden molempien pituus on puoli kierrosta, ja kun vastapainetta ilmenee, nämä pilarit kääntyvät "pystyasentoon", jolloin ne alkavat kerrata toisiaan.

Ylläoleva vesipilaripumppu oli ilmattu ensin pyörittäen sitä muutama kierros sen ollessa puoliksi vesialtaaseen upotettuna. Tällöin letkun sisään on saatu muodostumaan puolen kierroksen pituisten vesipilarien jaksoja. Tässä kuvassa tuolla tavalla ilmattua pumppua on juuri pyöräytetty neljäsosan kierrosta eteenpäin, jolloin vettä suihkuasi ulos puutarhaletkukelan akselin suuttimesta.

Teoriaa

Vesipilaripumpun rakenteessa vesiputken/letkun kierrokset A, C, D, E jne. on kierretty täsmälleen samalle kehälle, jolloin jokaisen näistä kierroksista kehäpituus on sama, samanpituinen jakso letkua. Ainoastaan kierros B on 25% pitempi kuin muut kierrokset. Vesipilaripumppu toimii, kun sen pyörimisakseli on suunnilleen vedenpinnan korkeustasolla.

1. Vesipilaripumpussa ensimmäisen letkukierroksen A pituus on vähintään puoli kierrosta. Tämän kierroksen tarkoitus on jaksottaa vesi ja ilma vuorotellen putkeen, aluksi samassa tahdissa kehän ympärysmitan kanssa.
2. Seuraavan kierroksen B pituus on neljäsosan kierrosta pitempi kuin muut . Sen tehtävänä on vaiheistaa nämä vesipilarit uudelleen. Mitä isommaksi syöttöputken vastapaine (joka aiheutuu esim. veden nostokorkeudesta) nousee lähestyen pumpun ylintä mahdollista syöttöpainetta, sitä optimaalisemmin tämä kierros B siirtää vesipilareita letkussa neljäsosakehän pituuden verran taaksepäin.
3. Tällöin kierroksilla C, D, E jne. kukin vesipatsas etenee letkussaan enintään neljäsosakierroksen taaempana virtaussuuntaansa nähden eli käytännössä kelan taakse pystyasentoon kallistuneena. Vesipatsaiden yläpintojen ollessa kullakin B:n jälkeisellä kierroksella kelan kehän yläkuolokohdassa ja alapinnan ollessa sen alakuolokohdassa, eli potentiaalieron ollessa sama kuin kehän halkaisija d. Näitä kierroksen B jälkeisiä pumppauspainetta lisääviä letkukierroksia voi olla periaatteessa mielivaltaisen monta.
4. Viimeisen letkukierroksen jälkeen syöttövesi ohjataan akselille (kuten vesirattaan pyörimisakseliputken sisään), johon syöttöputki voidaan kiinnittää pyörivällä putkiliittimellä.
5. Tällöin akseli syöttää syöttöputkeen vuorotellen vesi- ja ilmapilareita, joiden pituudet ovat suurin piirtein samat (tosin paineen kohotessa ilmapilari kutistuu) korkealla syöttöpaineella ulos. Tästä pilareiden vuorottelusta johtuen vesi voidaan ohutta letkua pitkin nostaa kaksinkertaiselle korkeudelle kuin mitä syöttöpaineen perusteella olisi mahdollista.
6. Toisin sanoen tällöin ylin mahdollinen nostokorkeus on 2 * d * kierroksen B jälkeisten kierrosten lukumäärä vesipilaripumppuyksikössä.

Alla olevassa kuvassa on edellä olevan vesipilaripumpun nostokorkeuden testaus käynnissä.

Ilmenee, että käytännössä pumpun ylin mahdollinen nostokorkeus on suunnilleen sama kuin edellä oleva teoreettinen nostokorkeus, eli pumpun hyötykerroin on lähes 1,0.

• Jotta pumppu toimisi moitteettomasti eli sakkaamatta, niin siirtoletkun eli syöttöputken olisi oltava kyllin ohut ja pumpun pyörimisliikkeen sopivan hidasta ja keskeytyksetöntä (jottei ilmapilarit ennättäisi kohota vesipilarien yläpuolelle).
• Mikäli pumppua yritettäisiin pitemmän tauon jälkeen uudelleenkäynnistää, täytyisi se ilmata pumppaamalla alas pakkautunut yhtenäinen vesipilari ulos syöttöputkesta vesipilaripumpun enimmäisnostokorkeuden puolestavälistä tai alempaa. Ilmaus onnistuu myös pyörittämällä pumppua takaperin muutama kierros.
• Mikäli pumppujärjestelmään ei sisällytettäisi tällaista ilmausmahdollisuutta sekä mikäli syöttöputki on paksumpi tai säiliönomainen, kuten talokohtainen vesitorni, tällöin pumpun ylin mahdollinen nostokorkeus sekä hyötykerroin jää puoleen. Toisaalta, tällöin siirtoputken tai vesisäiliön alapään syöttöaukosta kuplii ylöspäin vapaita ilmakuplia, jotka voidaan vielä mm. akvaarioista tutun tekniikan avulla hajottaa pienemmiksi ilmakupliksi. Ilmakuplat kierrättävät ja hapettavat ja siten samalla desinfioivat kyseistä vettä, jolloin se pysyy puhtaampana vaikkapa vesitornissa, soveltuen paremmin esimerkiksi talousvedeksi.

Toisaalta kannattaa huomioida, että happipitoinen vesi (mm. talousvesikäytössä) kuluttaa metallisia vesiputkituksia tavallista nopeammin. Toisekseen, pumpattavan veden päällä olevan ilman koostumus saattaa olla joissain erikoistapauksissa epäterveellinen. Esimerkiksi jostain tehtaan putkesta, vanhalta kaatopaikalta tai moottoritieltä saattaa kulkeutua ilmaa raskaampaa kaasua leijumaan alavalla maalla virtaavan puhdasvetisen joen pintaan, jota kaasua sitten päätyy vesipilaripumpun syöttämien ilmakuplien kautta absorboitumaan vesisäiliön veteen.

Käytännön toteutusmahdollisuuksia

• Voimanlähteenä voi toimia esimerkiksi käsin veivattava kampi, polkimet, tai pumppu voidaan rakentaa esimerkiksi joessa tai purossa pyörivän vesirattaan ("vesimyllyn") lapoihin. Rattaan ulkokehälle eli lapojen päihin harvakseltaan taipuisa putki kiinnittäen taikka sisemmäs, lapoihin kohtisuoraan riviin harvakseltaan porattujen reikien läpi letku kehämuodostelmaan pujottaen). Kunhan vesirattaassa on hitaasta pyörimisnopeudesta huolimatta kohtuullinen vääntömomentti (esimerkiksi tarpeeksi leveät lavat tai vesirattaalla kyllin iso halkaisija).

• Pumppu toimii parhaiten silloin, kun sen toiminta on keskeytyksetöntä ja syöttöputkessa ilmenevä vastapaine pysyy jatkuvasti alle maksimi-syöttöpaineen. Jos taas syöttöpaine nousee pitkäaikaisesti yli sen (esimerkiksi pellon sadetusjärjestelmässä olevien pienten suuttimien ahtautuessa tai jos veden virtaus putkessa tarkoituksellisesti suljetaan hanaventtiilistä), niin pumppu mahdollisesti sakkaa, jolloin sen pumppausvoima alenee puoleen, kunnes se jälleen ilmataan.

• Vesipilaripumppu soveltuu esimerkiksi veden pumppaamiseksi alavalla maalla virtaavaa jokea huomattavasti korkeammalla sijaitsevalle saunatuvalle, lampeen, altaaseen, suihkulähteeseen tai muuhun paikalliseen veden varastoaltaaseen.

• Mikäli vettä haluttaisiin syöttää paikallisen vesijohtoverkoston välityksellä useisiin korkealla maastonkohdassa sijaitseviin vesipisteisiin, taikka isoa vesivirtaamaa sekä korkeaa syöttöpainetta edellyttävään sadetusputkistoon, niin tällaiseen vaativaan tarpeeseen soveltuvan vesitornin rakentaminen lienee vaikeaa, hidasta ja kallista. Vesipilaripumpun kanssa voidaan onneksi hyödyntää esimerkiksi seuraavassa selostettavaa nimenomaan vesipilaripumpun voimalla toimimaan suunniteltua painesäiliösysteemiä. Tämä systeemi toimii passiivisesti eli pelkällä vesipilaripumpun tuottamalla voimalla ja pumpun tavoin varsin hyvällä hyötykertoimella.

1. Vesipilaripumpun syöttöpaineen olisi hyvä olla sellainen, että painesäiliösysteemin puoleisessa päässä syöttöpaine olisi yli 3 barissa. Systeemissä on kaksi tilavuudeltaan lähtökohtaisesti samankokoista umpisäiliötä, joiden maksimipaine soveltuu säiliön systeemin käyttötarkoitukseen, mutta olisi mielellään vähintään 3 bar, mikä on tämän painesäiliösysteemin optimaalinen käyttöpaine (=vesijohtoverkoston yläpaine). Säiliöt yhdistyvät yläpäistään toisiinsa putkella.
2. Ensimmäisen säiliön merkitys on varastoida vesipilaripumpun syöttöputkesta säiliöön tuleva vesi, toisen säiliön merkitys on varastoida paineistunutta ilmaa. Pumppausveden syöttö ensimmäiseen säiliöön tapahtuu joko säiliön yläpäästä (hapettamaton vesi) tai sen alapäästä (veden hapettaminen säiliössä täytön ja ylläpitopumppaamisen aikana). Pumppausveden syöttöputkessa on takaiskuventtiili. Toisen säiliön, joka on varattu paineilmalle, pohjassa on vedelle sekä ilmalle soveltuva suntti (ylipaineventtiili), jossa on paineensäätö. Painemittari on sijoitettu toisen säiliön yläosaan.
3. Vedenotto tapahtuu vesitankin pohjassa olevasta vedenottoventtiilistä, joka on pumppausveden syöttöputken venttiilistä erillään.
4. Tällöin kun paineettomien (=1 bar) säiliöiden sisälle syötetään vesipilaripumpun syöttöputkesta vuorotellen ilma- ja vesiannoksia, niin ensimmäisen säiliön täyttyessä vedellä, paine ilmasäiliössä on noussut 3 bariin, ja pumppausta edelleen jatkettaessa (ylläpitopumppaus), ylimääräinen vesi alkaa valua väliputken kautta toisen säiliön pohjalle. Tämä on ylitäyttövettä, joka alkaa poistua ilmasäiliöstä sen pohjalla olevan suntin (ylipaineventtiilin) kautta sitten, kun siihen säädetty käyttöpaine eli yläpaine alkaa ylittyä.
5. Ylösajon jälkeen pumpun toiminta saattaa syystä tai toisesta keskeytyä tai vettä saatetaan tarvita isommalla virtaamalla kuin mikä on vesisäiliön täyttönopeus. Tällöin veden syöttöpaine laskee siten, että vesisäiliön tyhjennyttyä vedestä, loppupaine (=tankin alapaine eli alin syöttöpaine painesäiliösysteemin normaalitilassa) jää vähintään puoleen käyttöpaineesta. Esimerkiksi 3 barin käyttöpaineella 1,5 bariin. Periaatteessa painesäiliösysteemin sisällä vielä oleva ylipaineinen ilma työntää loppuja vesiä ulos painesäiliösysteemin ja avatun hanan väliseltä osuudelta vesijohtoverkostoa, kunnes loppu paineilma tyhjenee tämän avatun vesipisteen kautta. Tätä asiaa täsmennetään jäljempänä.
6. Mikäli vettä on määrä hyödyntää laajoissa vesijohtoverkostoissa kuten viljelymaiden kastelujärjestelmissä, painesäiliösysteemi on teknisesti edellä kuvatun kaltainen, mutta käyttöpaine korkeampi, esimerkiksi 5 bar, mikä huomioidaan esimerkiksi putkien ja säiliön materiaalivalinnoissa. Edellä kuvatussa painevesisysteemissä käyttöpaineen ollessa yli 3 bar, systeemin on syytä antaa "ilmautua" kohtuullisen pian sen käynnistämisestä. Tämä ylösajo tapahtuu automaattisesti, kunhan painesäiliösysteemin antaa täyttyä loppuun asti ja sen jälkeen ylitäyttövedellä osittain täyttyneen ilmasäiliön tyhjentyä vedestä, minkä jälkeen ilmasäiliön pohjan ylipaineventtiilistä alkaa vuotaa veden lisäksi myös ilmaa (ylläpitopumppauksesta johtuen). Ylösajon aikanakin vettä voidaan huoletta hyödyntää säiliöstä (mikä vähentää ylipaineventtiilin kautta pois valuvan ylitäyttöveden määrää ylösajon loppuvaiheessa). Kylläkään veden käyttöpaine ei pysy kunnolla yllä ennenkuin ylösajo on onnistunut.
7. Mikäli tämä painesäiliösysteemi syystä taikka toisesta tyhjentyy vedestä ja sen lisäksi jäljellä olevaa paineistunutta ilmaakin siirtyy vesijohtoverkoston putkiin niin paljon, että säiliön loppupaine (joka on siis aluksi pudonnut enintään puoleen käyttöpaineesta) laskee alemmaksi kuin 33% alkuperäisestä käyttöpaineesta, painesäiliösysteemin uusi ylösajon tapahtumista (itsestään) täytön yhteydessä on syytä odottaa.
8. Uusien ylösajojen edellä kuvatun tarpeen eliminoimiseksi, eli veden syöttöpaineen pitämiseksi yli 33%:ssa, voidaan vesisäiliön vedenottoventtiilin yhteyteen liittää samantyyppinen vedelle sekä ilmalle soveltuva suntti (ylipaineventtiili), jossa on paineensäätö, kuin ilmasäiliön ylitäyttöveden poistoventtiili. Tämä vedenottoventtiilin suntti säädetään välille 33% - 50% käyttöpaineesta. Tällöin voidaan hyödyntää osaa loppupaineesta vesijohtoverkoston runkoputkien painamiseksi tyhjäksi tarvitsematta sen jälkeen säiliön täyttyessä kuitenkaan odottaa painevesisysteemin ylösajoa.
9. Käytännöllisesti katsoen tällainen vesiputkien tyhjennysmekanismi on hyödyllinen lisäominaisuus esimerkiksi kun käytetään siirrettäviä kastelujärjestelmiä. Taikka kun vesijohtoverkoston runkoputkien sisätilavuus on merkittävä ja sitä haluttaisiin soveltaa painevesisysteemin vesisäiliön lisätilavuutena. Jälkimmäinen skenaario voisi tulla kysymykseen, mikäli pumpattavaa vettä olisi saatavilla runsaasti, mutta niin satunnaisesti, että on olemassa riski että käyttövesi loppuisi välillä kesken. Tällöin olisi järkevää voida hyödyntää myöskin runkoputkistossa olevat loput vesivoluumit. Tällöin runkoputken on syytä olla painevesisäiliöiltä eteenpäin sillä tavoin lievästi alaspäin viettävä, että kaikki runkoputkiston vedet valuvat jonkin yhden jakohaaran (johonkin vesipisteeseen johtavan putkiliitoksen), tyhjennysvesipisteen kohtaan. Kaikkien muiden jakohaarojen (esimerkiksi jakotukeissa) liitoskohtien olisi syytä lähteä runkoputkesta yläviistoon ja jatkua ilman putkinotkoja ja takaiskuventtiileitä, ja ainoastaan tämän tyhjennysvesipisteen liitoskohdan on syytä olla runkoputken alimman kohdan pohjalla. Tällöin veden loppuessa painesäiliöstä ja runkoputkiston alkaessa täyttyä paineilmalla, jakoputkissa oleva vesi valuu takaisin tunkoputkistoon, päätyen tyhjennysvesipisteeseen. Tällöin periaatteessa koko vesijohtoverkosto on käytettävissä painesäiliösysteemin veden lisätilavuutena tyhjennysvesipisteen kautta. Tällöin on kuitenkin muistettava pitää kaikki muut vesipisteet suljettuina, jottei painesäiliösysteemissä jäljellä oleva ilmanpaine laskisi ennenaikaisesti ja vettä jäisi verkostoon.
10. Mikäli haluttaisiin turvata, ettei ilmanpaine katoa esimerkiksi lasten availlessa hanoja vahingossa, jokaisten vesipisteen yhteydessä olisi oltava vedelle sekä ilmalle soveltuva suntti (ylipaineventtiili), joka on sijoitettu korkeimpaan kohtaan putkitusta ja säädetty vesijohtoverkoston alapaineen tasolle. Tällöin kun painesäiliösysteemi tyhjenee ja (vesijohto verkoston paine laskee alle loppupaineen), vedentulo katkeaa vesipisteestä ja suntin takana olevat jämävedet valuvat omalla painollaan vesipisteestä. Erillisillä vesipistekohtaisilla paisuntasäiliöillä voidaan lisätä jämäveden määrää.
11. Jotta vesijohtoverkoston uudelleentäyttyminen ja -paineistuminen ei aiheuttaisi häiriöitä vesipisteissä (mm. "vesipisteen paukkuminen" avatessa vesihana) ja vesijohtoverkoston koko lisätilavuus olisi heti otettavissa uudelleen vesivarastona käyttöön, kunkin vesipisteen juureen (suntin ja mahdollisen paisuntasäiliön jälkeen) on liitettävä automaattinen ilmausventtiili, jolloin vesijohtoverkoston paineen noustessa yli alapaineen, vesijohtoverkoston jakohaarojen putkissa olevat ilmataskut pääsevät tyhjentymään putkistosta.
12. Lisäämällä painevesisäiliösysteemin vesisäiliön jälkeisen ilmasäiliön tai ilmasäiliöiden tilavuutta suhteessa vesisäiliön tilavuuteen, luonnollisestikin voidaan vähentää vesitankin tyhjentymisen aikaista paineenalenemaa (=käyttöpaineen eli yläpaineen ja loppupaineen eli alapaineen suhteellista eroa). Tämä voisi olla tarpeellinen muunnos, mikäli edellä mainittu veden varastoinnissa hyödynnettävä lisätilavuus on merkittävä suhteessa itse painesäiliösysteemin tilavuuteen. Seuraavassa määritellään tarvittava tilavuus ilmasäiliölle tällaisessa toteutuksessa.
13. Hyvänä nyrkkisääntönä on se, että veden varastointiin käytettävien tankkien ja runkoputkien yhteistilavuuden kannattaa olla sama kuin paineilmasäiliöiden yhteistilavuus. Tällöin systeemin toimintamekanismit on helposti ymmärrettävissä ja vedensyötön yläpaine alhainen, mutta alapaine kuitenkin vähintään 1,5 bar, ja vältytään systeemin ylösajon tarpeelta uudelleentäytön yhteydessä, koska yläpaine eli käyttöpaine saavutetaan ennenkuin ylivuotovettä päätyy ilmasäiliöön.
14. Paineilmasäiliöiden yhteistilavuuden on oltava kuitenkin vähintään niin iso, että lähtötilanteessa täysinäisen vesisäiliön lisätilavuuksineen tyhjennyttyä kauttaaltaan passiivisesti (systeemin käyttöpaineen eli yläpaineen laskiessa ilman lisäpaineistusta), systeemissä vallitseva jäännöspaine jää sen verran yli 1 barin, että kaikki vedet saadaan ulos tyhjennysvesipisteestä. Toisin sanoen esimerkiksi 5 barin käyttöpaineella paineilmasäiliöiden yhteistilavuuden on oltava vähintään 1/5 painesäiliösysteemin (lisätilavuutena läytettävine runkoputkineen) kaikkien tankkien yhteistilavuudesta. Vastaavasti vaikkapa 6 barin käyttöpaineella ja 1,3 barin jäännöspaineella ilmatankkien minimitilavuus olisi puolestaan 1,3/6 koko systeemin yhteistilavuudesta, jne.

• Myös jonkinlainen hydraulinen taikka pneumaattinen voimansiirto olisi mahdollista toteuttaa vesipilaripumpun (painevesisäiliösysteemeineen) avulla.

Keijukaisvesilähde

Kyseinen vesipilaripumppuun liittyvä ja sen kanssa sovellettavissa oleva hyvin yksinkertaiseen pystyputkistoon muodostuvien vesipilarien paine-eroihin perustuva laite periaatteessa mahdollistaa sekä veden (tai kosteiden materiaalien kuten suoturpeen) tislaamisen, joka on periaatteessa oheishyötynä tässä laitteessa, että varsinaisen pääfunktionsa, käyttöveden juoksuttamisen (heruttamisen) ulos elävästä puusta. Perusperiaate selostettuna tässä linkissä. Tavoitteena on mahdollisuus saada pieniä määriä juomavettä käyttöön. Laitteisto on ainakin periaatteessa käyttökelpoinen missä päin maailmaa hyvänsä, mutta luonnollisesti, esimerkiksi puulta, joka kärsii kuivuudesta tai stressaa jostain muusta, ei varmastikaan kovin paljoa vettä heru. Toisekseen juoksutettava vesi/mahla ei jokaisessa maailman puussa ole välttämättä terveellistä. Siinä mielessä kannattaa hiukan tehdä taustatyötä, esimerkiksi lueskella tietokirjallisuutta aiheesta.

Katso myös

• Artikkeli Jokamiehenarkku, jollaisesta umpisäiliörakenteesta saattaisi olla hyötyä edellä mainitun painevesisysteemin toteuttamiseksi käytännössä.

• Artikkeli Mahlan keräys, jossa keijukaisvesihanaan liittyen taustatietoutta, kuten joitalin tavanomaisia puulajeja, joista voisi juoksuttaa sitä.

• Artikkeli Katovuodet