Tuesday, 9 September 2014

Pokkitieteelliset jäähyväiset vesipässille

Kuva: Zahner

Vesioinaan toimintaperiaatteesta kiinnostuminen johti minut pienelle retkelle, josta ei puuttunut harha-askeliakaan, umpikujista nyt puhumattakaan. Kyseisestä laitteesta kiinnostuneita näyttää olevan runsaasti ympäri maailmaa ja siitä johtuen myös runsaasti kuvauksia netissä.

Ylen uutisten pienessä videossa vesioinaasta käyttäjä selitti, että laite on niin yksinkertainen, ettei sen toimintaa osaa oikein monimutkaisesti selostaa. Totuus on kuitenkin toisenlainen, ainakin jos koittaa selittää laitteen fysikaalista toimintaperiaatetta. Siinä on nimittäin aika monta fysikaalista juttua, joita ilman sen toimintaa on vaikea ymmärtää.

Ensimmäinen on veden kokoon puristumattomuus. Ilman sitä laite ei voisi toimia vesivasarana, eli veteen ei voisi kehittyä niin voimakasta paineiskua kuin nyt tapahtuu. Kun virtaava vesi pysäytetään, niin liikemäärän muutoksesta johtuva impulssi on.




Paineaalto etenee vedessä noin 1500 metriä sekunnissa. Heurekan tuloveden letku on noin 15 metriä pitkä, joten tieto etupään äkkipysäyksestä etenee letkun alkupäähän 1/100 sekunnissa. Siitä saa suurusluokan, missä ajassa virtaava vesi pysähtyy koko letkun mitalla. Veden pysäyttävä voima on suuri, koska voiman lausekkeessa nimittäjä on pieni massan ja nopeuden muutokseen verrattuna. Käytännössä tämä näkyy hurjana paineen kasvuna, vesivasaran iskuna.


Nämä kuvat on otettu 1/100 sekunnin välein. Jälkimmäisessä kuvassa hukkaventtiilin sulkeutumisesta aiheutunut äkillinen paineaalto on saavuttanut putkessa olevan reiän ja vesi suihkuaa siitä kiivaasti ulos. Kuvien aikaväli on aivan liian pitkä näyttämään ilmiön kunnolla. Paineaalto saavuttaa reiän noin 1/10000 sekunnista siitä, kun hukkaputken venttiili napsahtaa kiinni.

Paine avaa takaiskuventtiilin ja paine purkautuu nousuveden putkeen. Nyt astuu kuvaan kaasujen kokoon puristuvuus. Ilman painesäiliössä olevaa ilmatilaa paineaalto etenisi nousuputkessa, mutta vettä ei nousisi putkeen juuri lainkaan. Nyt kuitenkin paineaalto puristaa kaasua kokoon, jonka jättämään tilaan virtaa runsaasti vettä. Kun takaiskuventtiili menee takaisin kiinni, niin säilössä kokoon puristuneen ilman paine työntää vettä nousuputkessa ylöspäin.

Kolmas fysikaalinen reunaehto on kaasujen liukenevuus paineen alla veteen. Jos sitä ei huomioida jotenkin, niin laite on jonkin ajan kuluttua aika huonossa hapessa, eli ilmatasku häviää ja laite ei enää pysty työntämään vettä juuri lainkaan ylöspäin. Tästä itse asiasta kuultuna suomalaisen vesioinasta jo 40 vuotta käyttäneen Jukka Vanhasen minulle lähettämä viesti.

"Hei Timo 

Somerolla sijaitseva vesioinaamme on nyt toiminut 40 vuotta.  Se oli samanlainen Makon myymä kuin blogissasi mainittu 50 vuotta kolkutellut. 

Koneviestissä oli oinaasta juttu opiskeluaikanani 70-luvun alussa ja isäukko oli sen verran ennakkoluuloton, että laite asennettiin maatalon ainoaksi vesipumpuksi.  Siihen asti oltiin kantoveden varassa.  Pumppausmatka on noin 250 metriä ja korkeus oli alussa 15-18 metriä, kun vesi pumpattiin vintillä olevaan varastosäiliöön.  

Nyt vesi menee puutarhan vesilammikkoon ja korkeutta tulee noin 10 metriä.   Lähteen tuotoksi arvoin 25-30 litraa minuutissa ja lampeen saadaan parhaimmillaan 2-2,5 litraa minuutissa.   Pudotuskorkeus oinaaseen on 2 metriä.   

Ilmareiästä ei ole kokemusta, koska tulovesiputki on veden alla, eikä siihen saa ilmareikää.   Tulovesiputken on syytä olla mahdollisimman joustamatonta ja painetta kestävää materiaalia.  Metalliputki on varmaan paras,  mutta meilläkin on muovinen painevesiputki, joka ujutettiin maan alla kolmen tuuman viemäriputken sisään.  Viemäriputki ei kestänyt paineiskuja kuin muutaman vuoden (jatkuvat iskut 60 kertaa sekunnissa).   Ilmaaminen oli toistuva puuha, eli oli käveltävä oinaalle pumppaamaan käsipumpulla ilmaan painekupuun, jossa on auton venttiili.   

Viime vuonna sitten rakentelin blogini mukaisen laitteen ja sisään tungin polkupyörän sisäkumin ja siihen sopivasti ilmaa.   Nyt se on lotkotellut lähes vuoden täysin huollotta.  Vanhasta oinaasta otin vain pronssien käyntiventtiilin, joka on tehnyt arviolta satoja miljoonia iskuja.  Takaiskuventtiilikin on nyt kestänyt jo toista vuotta uudessa versiossa.   Ensimmäinen vinolaippamallinen takaiskuventtiili ei kestänyt, sivussa ollut akselipinna katkesi.  Hollantilainen herra Breur kehitti Breurram'iksi nimeämänsä laitteen pelkistä vesijohto-osista.

Jaakko Fagerlund Tampereelta on kaveri, joka on aiheesta myös kiinnostunut.  Hän oli jo pähkäillyt, että ilmakammiona voisi käyttää kalvopaisunta-astiaa, joita menee taloremonteissa kierrätykseen.   Se oli käynyt itsenikin mielessä, mutta sitten laitoin tuon muoviastian ja sinne sisuskumin sisään.   Eivät ainakaan ruostu. 

Ilmausventtiili tai niiskutusventtiili löytämässäsi videossa näyttää toimivan jotenkin.  Sen sijoitus on varmaan  hyvä vaikka liikkuvaa neulaa ei olisikaan.  Pienikin sisään kulkeutuva ilma lähtee ylöspäin.

Kowan teknolokian päivillä Ramsoossa on ollut vesioinas toiminnassa.   Tuloputki on asiallinen suora teräsputki, joka varmasti takaa hyvän paineiskun.   Ilmausreikä on yläpuolella.   Tulee tässä mieleen, että eikö sen paikka olisi mieluummin alapuolella tai joissain putken alapuolikkaalla,  jolloin ilma lähtisi kulkeutumaan heti poispäin reiästä, kun vain alipaine vaihe koittaa.

Ulkomaisilta sivuilta en ole juuri tuon videon lisäksi ilmausreikään törmännyt.   Sama ilmanliukenemisongelma on varmasti sielläkin.   Sisuskumiratkaisua on aina jollain sivulla tarjottu. 

Saksaksi laite on Wasser Widder.   Sveitsissä on Zahner -yritys, jolla on hieno video.   Vehkeet maksavat siellä tuhansia Sveitsin frangeja."

Ilmatilan katoaminen on siis ongelma. Sen voi ratkaista eristämällä ilman ja veden toisistaan, tai sitten tuomalla ilmaa lisää sitä mukaan kun sitä häviää. Tässä käytetään niiskutusventtiiliä, joka Heurekan laitteessa on siis vain pieni reikä putkessa.

Ilmaa laite imaisee sisäänsä sinä ohikiitävänä hetkenä, jolloin takaiskuventtiili menee kiinni ja hukkaventtiili on vielä kiinni. Silloin toiminnassa on ns. takaiskuvaihe (recoil phase). Paine vedessä putoaa hetkeksi (videon perusteella noin 1/50 sekunniksi) pienemmäksi kuin ilmanpaine. Reikä on pieni ja aika on lyhyt, joten paljon ilmaa kerrallaan ei laitteeseen pysty kulkeutumaan. Riittävästi kuitenkin.

Törmäsin retkelläni moniin versioihin vesioinaasta ja  monenmoisiin propellipäihin. Kuten tähän heppuun, jonka oli näköjään mahdotonta pitää kameraa hetkeäkään paikoillaan. Pumppu kuitenkin toimii ja niiskutusventtiili näkyy hienosti.

Seikkailuni vesipässin kanssa lienee nyt siinä vaiheessa, että on aika sanoa jäähyväiset. Kuinka lopulliset, sen aika näyttää



8 comments:

  1. Jo oli aikakin ;-)

    ReplyDelete
  2. Zahner video oli mielenkiintoisen tuntuinen. Löytyisiköhän sitä englannin kielisenä?

    ReplyDelete
    Replies
    1. http://www.wasserpumpe-widder.ch/default.asp

      Firmalla näyttää olevan vain saksankieliset sivut, joten kotimarkkinoille nähtävästi tähdätään. Meikäläisen pitkälle saksallekin tuli taas käyttöä, mutta täytyy myöntää, että paikallista murretta vääntävän maajussin puheesta en ymmärtänyt oikeastaan mitään.

      Delete
  3. Vähän sivusta kysymys: Millä laitteella otit kuvan 1/100 sekunnin välein?

    ReplyDelete
  4. Pari asiaa jäi minulle vielä epäselväksi.

    Miten katoavan ja tulevan ilman välinen balanssi säilytetään? Uutta ilmaa pitää varmaan tuolla juuri se määrä mitä katoaakin. Ei enempää, ei vähempää.

    Miksi takaiskun aikana syntyy hetkellinen alipaine veten? Mikä on se fysikaalinen mekanismi, joka synnyttää sen?

    ReplyDelete
    Replies
    1. Hyviä kysymyksiä eli en tiedä. Palaan asiaan, jos satun saamaan tietoa tai hoksaan asian itse.

      Delete
    2. Arvailen... Takaiskuventtiilin toiminta edellyttää virtausta taaksepäin. Putkessa oleva vesimassa siis liikkuu hetkisen paluusuuntaan, ja pysähtyy kun venttiili on kiinni. Sen liikkeen pysäyttäminen taitaa alentaa painetta hetkeksi, kun se "takapäästä" tehdään.

      Delete
    3. Näin minäkin tätä pähkäillin. Toisn sen täytyy toimia siten, että kun ylösmenoputken takaiskuventtiili menee kiinni, niin se työntää pienen määrän vettä takaisin. Kun molemmat venttiilit ovat sillä hetkellä kiinni, niin veden kokoonpuristamattomuudesta johtuen täytyy olla hetkellinen virtaus taakse päin. Silloin tulee se noin 1/50 sekunnin hetki, jolloin laite imaisee pienen ilmakuplan sisäänsä. Nämä ajoitukset käyvät hyvin ilmi hidastetusta videosta. Laitan siitä vielä yhden ottamani videon YouTubeen, kunhan kerkiän.

      Delete