Szélmalom vízemelő szivattyú

Mi ez?

A szélmalom vízemelő szivattyú egy tisztán mechanikus gép, amely a szelet felemelt talajvízzé alakítja, anélkül, hogy a lánc bármely pontján elektromosságot használna. Egy soklapátos acél szélkerék egy torony tetején helyezkedik el, és a szélbe fordul. Forgását egy kis sebességváltóban lelassítják, és fel-le mozgássá alakítják, amelyet egy hosszú függőleges rúd – a szívórúd – közvetít egyenesen lefelé a tornyon keresztül egy kútba. Lent a rúd egy egyszerű dugattyús (hengeres) szivattyút hajt, amely diszkrét löketekkel emeli a vizet a felszínre. Ez az archetipikus mezőgazdasági és tanyasi szélmalom, amely az amerikai Középnyugaton látható, és ma is gyártják és használják, többek között az amish és más hálózaton kívüli közösségek is.

Mire jó?

• Állatok itatása távoli legelőn vagy tanyán, ahol nincs áramvezeték a közelben.
• Háztartási és öntözővíz-ellátás hálózaton kívüli tanyák számára.
• Bármilyen alkalmazás, ahol a kút messze van az infrastruktúrától, de a szél megbízhatóan rendelkezésre áll.
• Rugalmas tartalékként: nincs elektronika, nincs vezérlő, semmi, amit feltörhetnének vagy elveszíthetnének egy áramszünet miatt – amíg fúj a szél, a szivattyú működik.

A működésének fizikája

A kerék egy nagy tömörségű rotor: sok (jellemzően 12–24) rövid, keskeny, ívelt acéllapát fedi le a sepert tárcsa nagy részét. Ez ellentétes tervezési választás egy modern két- vagy háromlapátos áramtermelő szélturbinával szemben, amely alacsony tömörséget és hosszú, vékony lapátokat használ a nagy csúcssebesség eléréséhez a hatékony generátorhajtás érdekében. Egy szivattyúkeréknek ehelyett nagy indítónyomatékra van szüksége alacsony szélsebességnél, mert minden egyes löketnél le kell győznie a szívórúd statikus súlyát és egy teljes vízoszlop szívó/emelő terhelését – még enyhe szélben is. A maximális forgási sebesség nyomatékra cserélése, és a forgás további lassítása (általában 3:1 és 6:1 között a fejben) lassú, de erős löketeket eredményez, amelyek dugattyús szivattyúhoz illeszkednek, nem pedig generátorhoz.

A kereket egy mögötte lévő faroklapát tartja a szél felé fordítva, mint egy szélkakas. Egy meghatározott szélsebesség felett a fej önszabályozásra van tervezve: a lapát csuklósan (vagy eltolva) van rögzítve, így a növekvő szélnyomás fokozatosan kifordítja a kereket a szélből (vagy egy rugó ellenében behajtja a lapátot), csökkentve a tényleges sepert területet és a forgási sebességet. Ez a szabályozó működés passzív – nincs vezérlő, nincs fék –, és ez teszi lehetővé, hogy egy felügyelet nélkül hagyott szélmalom túléljen egy vihart anélkül, hogy túlpörögne és szétesne.

A szívórúd lefelé irányuló lökete egy visszacsapó szeleppel ellátott dugattyút nyom le egy rögzített hengeren keresztül, amelynek alján egy láb (álló) szelep is található, a víztábla alá merítve. A lefelé irányuló löketnél a dugattyú szelepe kinyílik, és átsüllyed a hengerben már lévő vízen; a felfelé irányuló löketnél a dugattyú szelepe bezárul, csapdába ejtve a vizet felette, és felemeli azt a vízoszlopot a felszínre, miközben a lábszelep kinyílik, hogy friss víz töltse fel a hengert alulról. A kerék minden teljes fordulata tehát egy diszkrét szivattyúlöketet – egy kis vízimulzust – eredményez, és az átlagos szivattyúzási sebesség a szélsebességgel arányos, nem pedig folyamatos áramlással.

Története

A klasszikus fogaskerekes, soklapátos, önszabályozó szélmalom szivattyút az Egyesült Államokban tökéletesítették a 19. század második felében – a Halladay szélmalmot (1854) általában az első gyakorlati önszabályozó konstrukcióként tartják számon, amelyet acéllapátos tervek követtek, mint például az Aermotor (1888), amely nagyrészt kiszorította a falapátos malmokat, mert az acéllapátok megtartották alakjukat és sokkal kevesebb karbantartást igényeltek. Ezek a malmok váltak az állatok és tanyák vízellátásának standard módjává az aszályos amerikai síkságokon a vidéki villamosítás előtt, és hasonló fogaskerekes szélpumpa-tervek terjedtek el Ausztráliában, Dél-Afrikában és Argentínában ugyanezen okból: elosztott vízvételi pontok messze minden áramforrástól. Az amish és más hálózaton kívüli közösségek folyamatosan használták a technológiát, és a gyártók ma is lényegében ugyanazt a mechanikai konstrukciót építik.

Egyszerű változat

Egy kis (6–8 láb átmérőjű) szélkerék egy rövid rácsos tornyon, sekély, kézzel ásott vagy fúrt kút felett, alapvető fa vagy könnyű acél szívórúddal és egyszerű bőr- vagy gumitömítésű dugattyús szivattyúval, amely közvetlenül egy itatóvályúba ürít. Nincs tárolótartály – víz csak akkor áll rendelkezésre, ha fúj a szél.

Fejlett változat

Nagyobb fogaskerekes kerék (10–12 láb) magasabb tornyon, megfelelően tömített hengerű szivattyúval, amely a kút mélységéhez igazodik, és egy magasított tárolótartályba ürít, így a gravitációsan táplált víz igény szerint rendelkezésre áll még szélcsendes időszakokban is. Tartalmazza a torony kikötését, olajfürdős sebességváltót a csökkentett karbantartás érdekében, és egy lapátbeállító mechanizmust, amely a helyi viharos szélsebességekhez van hangolva.

Ipari változat

Szélpumpa-rendszerek, amelyeket történelmileg (és ma is egyes régiókban) használtak vasúti vízellátásra, tanyasi méretű állatitató hálózatokra több malommal, amelyek egy közös vezetéket tápláltak, vagy vízelvezető/öntöző szivattyúzásra alacsonyan fekvő mezőgazdasági területeken (mint ahogyan Hollandiában történelmileg széles körben használták, bár ezek a malmok általában felszíni vizet mozgattak, nem pedig kútvizet emeltek). A modern ipari méretű szélpumpálást nagyrészt felváltották a szolár-elektromos búvárszivattyúk, de a mechanikus szélpumpák továbbra is gyártásban maradnak távoli és alacsony infrastruktúrájú környezetekben, mert nincs szükségük akkumulátorokra, inverterekre vagy elektronikára, amelyek meghibásodhatnának.

Saját építése

1. Helyszín és kút először. Válasszon olyan helyet, ahol a legjobb a szélkitettség (nyílt terep, fáktól és épületektől mentes), közvetlenül a kút felett vagy közvetlenül mellette – lásd a hand-well-drilling részt magának a kútnak a fúrásához.
2. Torony. Állítson fel egy csavarozott rácsos tornyot, amely elég magas ahhoz, hogy kényelmesen túlszárnyalja a környező akadályokat (az extra magasság megbízhatóan megtérül a teljesítményben). Rögzítse a lábakat beton alapokba, és kösse ki, ha a terv kikötést igényel.
3. Fej egység. Szerelje fel a sebességváltót/fejet a tetejére, majd rögzítse a szélkereket és a faroklapátot a gyártó (vagy saját) geometriája szerint – a lapátnak szabadon kell lengenie és megfelelően eltolva kell lennie, hogy az önszabályozó működés működjön.
4. Szívórúd. Vezessen egy egyenes, megfelelően vezetett rudat a torony középvonalán lefelé a kútbélésbe, rúdvezetőkkel időközönként, hogy megakadályozza a rángatózást és a kopást.
5. Szivattyú henger. Szerelje be a dugattyús/hengeres szivattyút az aljára, a várható alacsony víztábla alá merítve, csatlakoztatva egy emelővezetékhez (csőhöz), amely a felemelt vizet a felszínre szállítja.
6. Felszíni vízvezeték. Csatlakoztassa a kifolyót egy itatóvályúhoz, ciszternához vagy magasított tartályhoz; szereljen be túlfolyót, hogy a tartály ne sérülhessen meg, ha megtelt.
7. Üzembe helyezés. Kézzel mozgassa meg a rudat néhány löket erejéig a szivattyú feltöltéséhez és a visszacsapó szelep működésének ellenőrzéséhez, mielőtt szabadon engedi a kereket; ellenőrizze, hogy a lapát megfelelően behajlik-e erős szélben.

Gyakori hibák

Hogyan mérjük?

• Löketek száma és térfogata: szorozza meg a percenkénti szivattyúlöketek számát a henger löketenkénti sepert térfogatával az azonnali áramlási sebesség becsléséhez.
• Napi/heti hozam: mérje meg egy ismert keresztmetszetű tárolótartály szintemelkedését egy adott időszak alatt, összevetve egy egyszerű szélsebesség- vagy szélfutás-naplóval (sok kis anemométer jelenti a teljes "szélfutást" km-ben vagy mérföldben, ami jó közelítés a leadott löketek teljes számára).
• Kerék és lapát működésének ellenőrzése: figyelje a malmot különböző szélviszonyok között – a keréknek alacsony sebességnél simán a szélbe kell fordulnia, és fokozatosan ki kell fordulnia a szélből, ahogy a sebesség növekszik, ütődés vagy túlzott rezgés nélkül.
• Feltöltés ellenőrzése: győződjön meg arról, hogy a szivattyú minden újraindítás után folyamatos vízsugarat emel (nem csak levegőt vagy szakaszos vízimulzust) – ez annak a jele, hogy a visszacsapó szelepek és a henger tömítése rendben van.

Videók

(TODO)

Letölthető PDF

(TODO)