Az ilyen esetekre az emberiség már vagy 2300 évvel ezelőtt kitalált egy megoldást – és azóta sem találtak ennél sokkal jobbat. Arkhimédész csavarjáról van szó: egy olyan, mindössze egyetlen mozgó alkatrészből álló szerkezetről, amely az egyszerű forgás erejével emeli fel a vizet.
Ma ilyen áram nélkül működő szivattyúkat használnak a londoni csatornarendszerben, a norvég halgazdaságokban és sok hétvégi telkeken szerte a világban. Nézzük meg, hogyan épül fel, mennyi vizet képes valójában felemelni, és vajon össze tudod-e rakni csövekből egyetlen hétvége alatt.
Ezt a szerkezetet Arkhimédész találta fel i. e. 250 körül. Arkhimédész csavarját öntözésre és mocsarak lecsapolására használták.
Hogyan működik: víz lentről felfelé motor nélkül
A felépítése nevetségesen egyszerű. Képzelj el egy csövet, amelyet 25–35 fokos szögben megdöntve állítanak a földre. Belül – vagy kívül, ha a cső nyitott – egy spirál tekeredik, mint egy óriási csavaron. Az alsó vége a vízbe merül, a felső egy hordó vagy árok felett lóg. Tekered, és a víz elindul felfelé.
A fizika a következő: minden fordulatnál a spirál alsó menete merít egy adag vizet. Amikor a tengely elfordul, ez az adag a menetek közé zárva találja magát, és elindul a felső vég felé. A víz nem forog együtt a csavarral, egyszerűen csak igyekszik elfoglalni az egyes „zsebek” legalsó pontját. A legalsó pont pedig a forgás során fokozatosan felfelé tolódik. Ez az egész titok.
Egy fontos részlet: a vízadagok között feltétlenül levegőnek kell maradnia. Ha a csavart teljesen elárasztod vízzel, a szivattyú leáll. Pontosan a vízadagok közötti légdugók hozzák létre a húzóerőt. Ezért is birkózik meg ez az áram nélküli öntözőszivattyú kiválóan a piszkos, iszapos, falevelekkel és ágakkal teli vízzel – ott, ahol egy hagyományos centrifugálszivattyú már régen megfulladt volna.
Számítások: mennyi vizet lehet vele a valóságban felemelni
Itt kezdődik a mérnöki munka. A teljesítmény három fő paramétertől függ: a csavar átmérőjétől, a forgási sebességtől és a dőlésszögtől.
A térfogatáram képlete így néz ki:
Q = π × (D² – d²) / 4 × S × N × η
Ahol D a külső átmérő, d a középső tengely átmérője, S a menetemelkedés, N a másodpercenkénti fordulatszám, η pedig a kitöltési tényező (általában 0,8–0,9).
Ne ijedj meg ettől a képlettől – a gyakorlatban még a legelvetemültebb humán beállítottságú ember is kiszámolja öt perc alatt.
Íme egy példa hobbikertészeknek. Fogunk egy 110 mm átmérőjű PVC csövet, rátekerünk egy slagot 110 mm-es menetemelkedéssel (optimális, ha a menetemelkedés megegyezik az átmérővel), és percenként 40-es fordulatszámmal forgatjuk. A kitöltési tényező 0,85. Így körülbelül 35–40 liter vizet kapunk percenként – ami nagyjából 2,1 m³ óránként. Egy 600 négyzetméteres telek öntözéséhez ez bőven elég.
Most beszéljünk a teljesítményről. Ahhoz, hogy 100 liter vizet percenként 2 méteres magasságba emeljünk 75%-os hatásfok mellett, körülbelül 45 W szükséges. Egy biciklista 80–150 W-ot ad le. Vagyis egy ilyen szivattyú pedálos hajtása egyáltalán nem sci-fi, hanem egy teljesen működőképes megoldás.
Csináld magad: egy cső, egy slag és fél óra szabadidő
A legegyszerűbb módszer a „cső a csövön”. Fogsz egy szabványos, 110 mm átmérőjű, szürke PVC lefolyócsövet. Ez fog szolgálni középső tengelyként. Ezután kell egy 20 mm átmérőjű, átlátszó vinil slag.
Nem a szépség miatt kell átlátszónak lennie: ezen keresztül látod, hogy jön-e a víz vagy sem, és azonnal kiderül, hogy jól raktad-e össze.
A slagot szorosan, egyenletes lépésközzel tekered rá a csőre – a menetek között nagyjából 110 mm legyen a távolság. Rögzítsd műanyag gyorskötözőkkel 15–20 centiméterenként. A slag alsó végének 10–15 centiméterrel túl kell nyúlnia a csövön – ez lesz a „merítő” fül. A felső végét vezesd egy hordóba vagy árokba.
A szerkezetet 25–30 fokos szögben állítod a földhöz képest, az alsó végét beleengeded a vízbe – legyen az egy eső utáni tócsa, egy tó vagy egy elárasztott pince. Elkezded forgatni a csövet. Néhány fordulat után a felső végéből folyni fog a víz.
Kézzel is lehet forgatni, de az fárasztó. A telektulajdonosok már rég kitaláltak háromféle módszert a továbbfejlesztésre:
- Biciklis: egy régi bringát állítanak mellé, leveszik a hátsó kerekét, és egy lánchajtáson keresztül összekötik a pedálokat a szivattyú tengelyével. Pedálozva vizet pumpálni sokkal kényelmesebb, mint kézzel.
- Szélkerekes: lapátokat szerelnek egyenesen a tengely felső végére, és szeles napokon a szivattyú magától működik, feltöltve a gyűjtőhordót.
- Vízikerekes: ha van a közelben egy folyó patak, a kerék mindenféle emberi beavatkozás nélkül forgatja a csavart.
A legnagyobb gyengesége: mit nem tud
A vizet magasra emelni – nem az ő asztala. 5 méter felett a teljesítménye drasztikusan lecsökken. Ha pedig a dőlésszög nagyobb 45 foknál, a víz egyszerűen nem marad meg a menetekben, és visszafolyik. Ha 10–20 méteres mélységből kell vizet felhozni, az már nem Arkhimédész csavarjának a feladata.
A második dolog a hátramenet. Ha hirtelen elengeded a kart vagy kikapcsolod a hajtást, a benne lévő vízoszlop elkezd lefelé mozogni, és visszafelé forgatja a szerkezetet. Egy házibarkács eszköznél ez csak egy csattanás és egy csobbanás. Egy komolyabb berendezésnél viszont fennáll a hajtómű károsodásának veszélye. A professzionális szivattyúállomásoknál kilincsművet szerelnek a tengelyre. A hobbikertészeknek elég csak fokozatosan leállítani a forgatást.
És végül a tél. A vizet a fagyok előtt le kell ereszteni a szerkezetből – különben a táguló jég szétrepeszti a slagot. A leeresztés egyszerű: forgasd a tengelyt az ellenkező irányba, amíg az alsó végén már nem folyik ki több víz.
Összehasonlítás más, motor nélküli szivattyúkkal
Az „áram nélküli” piacon Arkhimédész csavarjának három versenytársa is akad. Mindet röviden elemzem, a közeljövőben pedig tervezek egy cikksorozatot kiadni a többi szivattyúról is.
- Hidraulikus kos: egy trükkös szerkezet, amely a kosütés (vízkalapács) energiáját használja fel ahhoz, hogy a víz egy részét akár 30–50 méteres magasságba is felemelje. A nap 24 órájában működik emberi beavatkozás nélkül. Viszont folyóvízre van szüksége hozzá, a teljes vízhozamnak mindössze 5–15%-át szivattyúzza át, és azonnal tönkremegy, ha homok kerül a szelepekbe. Egy hegyi patakból származó ivóvízhez ideális. Egy elárasztott pince kiszivattyúzásához viszont egyáltalán nem alkalmas.
- Kötélszivattyú: egy gumikorongokkal ellátott, zárt kötélrendszer, amelyet egy szűk csövön húznak keresztül. Akár 40–60 méter mély kutakból is felhozza a vizet, és fillérekbe kerül. A hátránya, hogy a kötél elkopik, és a nyitott mechanizmus miatt kosz kerül a kútba. Keskeny fúrt kútból ivóvizet nyerni: ez a legjobb költséghatékony megoldás. Egy széles, nyitott állóvízhez viszont kényelmetlen.
- Pedálos szivattyú: egy dugattyús, lábbal hajtható szerkezet. Teljesítménye akár az 5 m³/órát is elérheti. Ennek az elkészítése már bonyolultabb: szelepek, dugattyúk, tömítések – ezek mind pontosságot és rendszeres karbantartást igényelnek. Ha egy kő vagy ág kerül bele, elromlik.
Arkhimédész csavarja pontosan ott nyer, ahol a többiek elbuknak: szennyezett víz, nyílt vízfelület, kis emelési magasság és minimális karbantartási igény.
Percenként negyven liter, méghozzá egyetlen wattnyi áram nélkül. Öntözéshez – elég. Egy gödör kiszárításához – bőven megteszi. És ami a legfontosabb: nincs benne ami elromoljon.
