Smíði dælu Ctesibiusar — fyrsta tvívirka stimpildælan

Tvívirka þrýstidælan hefur tvo strokka sem vinna samsíða í andstæðri stöðu. Merktu þá Strokk A og Strokk B. Þegar stimpill A þrýstir niður (afhendingarhögg): inntaksloki A lokast (kemur í veg fyrir bakflæði aftur í vatnsuppsprettuna), úttaksloki A opnast (þvingar vatn inn í sameiginlega úttaksleiðslu), en á sama tíma togar stimpill B upp (sogshögg): inntaksloki B opnast (dregur vatn úr uppsprettunni inn í strokk B), úttaksloki B lokast (kemur í veg fyrir að vatn úr úttakinu flæði aftur inn í strokk B). Á bakhöggi skipta A og B um hlutverk.

Niðurstaðan er sú að úttakið fær vatn á hverju hálfa höggi vinnugeislans, þ.e. nánast stöðugt flæði. Afturlokar eru mikilvægustu hlutarnir: ef annar hvor inntaksloki lekur (leyfir bakflæði í afhendingarhögginu), missir strokkurinn undirþrýstinginn sinn og skilar lofti í stað vatns. Ef annar hvor úttaksloki lekur, lækkar afhendingarþrýstingurinn og flæðið snýst við í sogshöggunum. Smíðaðu alla fjóra afturlokana af jafnmikilli varkárni og strokkana sjálfa.

Sívalningarnir verða að hafa slétta, jafna holu svo stimpilþéttingin virki vel. Brons (málmblanda úr kopar og tini, venjulega 88–90% kopar og 10–12% tin miðað við massa) er rétta efnið — það þolir tæringu, er hægt að steypa nærri endanlegri lögun og má fága með borun og skrapun að sléttu innra yfirborði. Steyptu hvern sívalning sem þykkveggja rör, u.þ.b. 5 cm innanmál, 20 cm langt og 1,5 cm veggþykkt. Pompeii-dælan notaði sívalninga u.þ.b. 4–5 cm í þvermál — nógu stóra til að skila nytsamlegu flæði upp á 5–10 lítra á mínútu við 60 slög á mínútu.

Eftir steypingu skal bora innra byrði sívalningsins slétt með harðviðarborstöng búinni skrapblaði, knúinni áfram með bogabor eða handsveif. Vinnið borstöngina í löngum slögum og smyrjið með ólífuolíu þar til holan er nógu slétt til þess að kerti sem haldið er inni í henni sýni engar sjáanlegar holur eða rákir. Prófið kringlótta holunnar með tappamæli (rennd brons stöng 0,5 mm minni en markþvermál holunnar) — hann á að renna frjálst án þess að hreyfast til.

Hver stimpill verður að passa í strokkaholið með 0,5–1 mm bili – nógu þétt til að leðurpakkningin geti þétt bilið, nógu laust til að stimpillinn festist ekki vegna hitaþenslu eða lítillar ójöfnu í holinu. Tornaðu eða þjalaðu stimpilinn í þétta passun við strokkann og athugaðu stöðugt með raunverulegum strokknum sem mælikvarða. Stimplar Pompeii-dælunnar voru bronsskífur um 3 cm háar og tengdar með járntengistöngum við stjórnbitann fyrir ofan.

Fræstu umferðarrauf 5 mm breiða × 5 mm djúpa utan um ytra byrði hvers stimpils, u.þ.b. 1 cm frá efri brún. Í þessa rauf kemur leðurpakkningin sem þéttir bilið milli stimpils og hols. Skerðu ræmu úr þykku jurtalituðu leðri (2 mm þykkt) sem er nákvæmlega jafnlöng ummáli stimpilsins og 8 mm breið, leggðu hana í ólífuolíu í 30 mínútur til að hún verði mjúk og þrýstu henni síðan ofan í raufina. Olíusogið leðrið fyllir raufina og liggur að strokkaholinu og myndar þrýstiþétta hreyfiþéttingu.

Hver bakstreymisloki samanstendur af bronsdiski (lokasætinu) með miðjuholu 1,5 cm í þvermál og örlítið stærri bronsdiski (lokaflipanum) 2 cm í þvermál og 1 mm þykkum, staðsettum þannig að hann hylji sætisholuna öðrum megin. Þegar þrýstingur ýtir að neðan við sætið lyftist flipinn og leyfir flæði. Þegar þrýstingurinn snýst við þrýstist flipinn að sætisholunni og stöðvar bakflæðið. Sætið og flipinn verða að vera slípuð saman (mótuð saman með fínu slípiefni í formi líma — duftformuðum smirgli blönduðum ólífuolíu) þar til þau mynda flatt-á-flatt þéttingu án sýnilegs ljósbils þegar haldið er upp að kerti.

Til vara má nota kúlubakstreymisloka: bronsi- eða járnkúlu sem er örlítið stærri en sætisholan, laus í grind fyrir ofan sætið. Kúlan fellur á sætið með þyngdarafli og bakþrýstingi og lokar holunni; þrýstingur framrásar lyftir kúlunni af sætinu. Kúlulokar eru einfaldari í smíði en flipalokar og síður viðkvæmir fyrir festingu. Pompeii-dælan notaði sveiflu-plötuloka svipaða flipahönnuninni.

Hver strokka þarf tvö ventlahús: eitt neðst fyrir inntaksathugunarlokann (sem dregur vatn úr uppsprettunni inn í strokkann á sogslaginu) og eitt efst fyrir úttaksathugunarlokann (sem skilar vatni að sameiginlega úttakinu á þrýstislaginu). Inntaksventlahúsið tengist sokknu inntaksröri eða sogröri sem er dýft í vatnsuppsprettuna. Úttaksventlahúsið tengist sameiginlega úttaksröri sem liggur að losunarstaðnum.

Steyptu eða lóðaðu ventlahúsin úr bronsi, með skrúfuðum eða pressuðum tengingum við enda strokkanna. Inntakstengingin ætti að vísa niður eða til hliðar; úttakið ætti að vísa upp og tengjast sameiginlegu úttaksgreininni fyrir ofan báða strokkana. Settu athugunarlokana í húsin með réttri stefnu — athugunarloki sem er settur öfugt (lokar fyrir flæði inn í strokkann í stað þess að loka fyrir bakflæði) er algengasta samsetningarvillan og veldur því að dælan skilar engu vatni, sama hversu rétt annað er smíðað.

Sameiginlega úttaksgreinin er bronshólf sem tekur við þrýstiveitunni frá báðum úttaksbakventlum og sameinar þá í eina úttakspípu. Hún þjónar einnig sem loftkútur ("púlsdempari"): lokað loftrými í greininni þjappast saman þegar útrennslisþrýstingurinn hækkar í hverju stimplahöggi og þenst út í sogshálfhöggi, sem jafnar út þrýstisveiflurnar og gefur stöðugra flæði. Án þessa loftpúða verður flæðið ósamfellt og púlsandi með hverju höggi.

Steypið greinina með innra rúmmáli sem er u.þ.b. jafnt slagrúmmáli eins strokks (flatarmál stimpilsins margfaldað með slaglengdinni). Hafið færanlegan tappa efst svo unnt sé að endurhlaða loftpúðann með lofti ef hann fyllist vatni með tímanum. Tengið úttaksventla strokkanna tveggja við neðanverða greinina og útrásarpípuna við aðra hliðina. Þvermál útrásarpípunnar ætti að vera a.m.k. jafnt þvermáli strokkboringarinnar til að forðast takmörkun á útflæði.

Stjórngeislinn er láréttur lyftistöng sem snýst um miðju sína á hvílupósti, þar sem ein stimpilstöng er tengd við hvorn enda geislans. Þegar annar endi geislans fer niður (og þrýstir öðrum stimplinum niður), rís hinn endinn (og togar hinn stimpilinn upp). Þessi vippuhreyfing knýr strokkana tvo í nákvæmri andstöðu — þegar stimpill A er neðst í útstreymishögginu, er stimpill B efst í sogshögginu, og öfugt. Geislinn verður að vera nógu stífur til að flytja allan dælukraftinn án þess að beygjast.

Gerðu geislann úr beinvöxnu eik, u.þ.b. 5 cm × 8 cm í þversniði, og nógu langan til að veita æskilega slaglengd. Fyrir 10 cm stimpilslag verða endar geislans að ferðast 10 cm lóðrétt — með 60 cm hálflengd frá snúningspunkti að enda þarf 10 cm lóðrétt endahreyfing snúning um arcsin(10/60) ≈ 10°, sem er þægilegt í handvirkri notkun. Láttu geislann snúast á bronsbolta í gegnum harðviðar- eða brons-hvílufestingu sem er fest fyrir ofan og á milli strokkanna tveggja.

Hver stimpill er tengdur við samsvarandi geislaenda með járnstimpilstöng, u.þ.b. 1 cm í þvermál. Stöngin verður að flytja þrýstikraft (í afhendingarslagi) og togkraft (í soghlaupi) — það þýðir að stöngin verður til skiptis að vera í togi og þrýstingi, þannig að tengingarnar á báðum endum verða að vera örugglega fastar (ekki treysta eingöngu á þyngdarafl til að halda snertingu). Festu efri enda stangarinnar við geislann með járnbolta (clevis pin) í gegnum geislaendann; festu neðri enda stangarinnar við stimpilinn með þverbolta í gegnum borað gat í stimpilhausnum.

Stimpilstöngin verður að vera nákvæmlega lóðrétt í takt við strokkholið — öll hornskekkja skapar hliðarálag sem þrýstir stimplinum upp að strokkveggnum, eykur núning og flýtir sliti á leðurþéttingunni. Athugaðu röðunina með því að lækka stimplinn niður í strokkinn á stönginni þegar geislinn er í miðstöðu: stöngin ætti að hanga lóðrétt án þess að snerta strokkvegginn. Stilltu snúningspunkt geislans eða festingu strokksins þar til lóðrétt röðun næst.

Tengið inntaksventlahúsin við sameiginlega sogpípu (eða einstakar sogpípur) sem liggur að vatnsuppsprettunni. Sogpípan verður að vera loftþétt — hvers kyns loftleki á sogshliðinni þýðir að stimpillinn dregur inn loft í stað vatns og rofnar þá fyllingin. Fræðilegt hámarks sogsvið hverrar stimpildælu er 10,3 metrar (jafnt og loftþrýstingurinn sem styður vatnssúlu), en í reynd er 5–6 metrar áreiðanlegt mark þegar notaðir eru leðurþéttir stimplar og samskeyti þétt með furutjöru frekar en vélunnum málmi.

Fyllið dæluna af vatni áður en hún er notuð í fyrsta sinn: fyllið strokkana og ventlahúsin alveg af vatni með því að hella í gegnum færanlegt tappagat efst á hverjum strokki. Fyllingarvatnið myndar vökvaþétti sem gerir eftirlitslokunum kleift að virka og stimplunum kleift að mynda sogþrýsting. Án fyllingar þjappa stimplarnir lofti saman og þenja það út án árangurs — dælan andar einfaldlega án þess að soga upp vatn. Stjórnið geislanum hægt með hendi fyrstu 20 slögin svo loftbólur komist út um úttakið áður en fullum vinnuhraða er beitt.

Við 60 slög á mínútu (30 heilar lotur vippugeislans) með 10 cm slag og 5 cm borholu (rúmmál sem færist við hvert slag = π/4 × 5² × 10 = 196 cm³ ≈ 0,2 lítrar), er fræðilegt rennsli 0,2 × 30 × 2 strokka = 12 lítrar á mínútu. Raunrennsli verður 70–80% af fræðilegu rennsli vegna leka um loka, framhjárennslis um stimpilinn og núnings í pípum — búast má við 8–10 lítrum á mínútu. Þetta samsvarar rómverskri slökkvinotkun: 10 lítrar á mínútu er talsverð bunu þegar þeim er skilað við 0,5–1 bar mælþrýsting í gegnum stút sem er 1,5 cm í þvermál.

Prófaðu afhendingarþrýsting með því að mæla hæðina sem dælan getur þeytt vatni í lóðrétt opið rör sem er tengt við úttaksgreinina. Rennslishraði upp á 10 lítra á mínútu og afhendingarhæð upp á 5 metra (0,5 bar) jafngildir vatnsaflsútgangi upp á u.þ.b. 8 vött — hóflegt miðað við nútímamælikvarða, en náð með þéttu handknúnu tæki sem vegur líklega 15–20 kg og einn maður getur stjórnað. Rómverska slökkviútgáfan (sipho) notaði tvo stjórnendur við geislann til að ná meira rennsli.

Leðurstimplaþéttingarnar eru þátturinn sem krefst mestrar viðhaldsvinnu. Leðurpakkningar skreppa saman og harðna þegar þær þorna og eru utan vatns, og missa þá þéttieiginleika sína. Ef dælan verður úr notkun í meira en viku skal leggja leðurþéttingarnar í bleyti í hörfræolíu eða dýrafitu fyrir geymslu til að koma í veg fyrir þurrk. Við gangsetningu aftur skal leggja dæluna í bleyti í vatn í 30 mínútur áður en reynt er að fylla hana og ræsa hana — leðrið þarf tíma til að þenjast aftur út í þær þéttistærðir sem það þarf.

Slípun afturloka (endurslípun á snertiflötum sætis og loka) skal framkvæmd árlega eða hvenær sem afköst dælunnar falla um meira en 25% miðað við afköst við gangsetningu. Fjarlægðu tappa á lokahúsinu, taktu lokaflipana út og slípaðu sæti og flipa saman með fínu smergelmauki þar til snertiflötirnir sýna samfellt grátt snertimynstur allan hringinn um sætisopið án bjartra (ósnertra) bletta. Fullkomlega slípaður afturloki getur haldið 1 bar bakþrýstingi án leka — prófaðu með því að beita loftþrýstingi með belg og staðfesta að engar loftbólur myndist við samskeytin með sápuvatni.

De romerske vigiles (brannvesen) ble opprettet av Augustus rundt år 6 e.Kr. og var stasjonert i syv kohorter på tvers av Roms fjorten distrikter. Hver kohort hadde flere sipho (Ctesibiske trykkpumper) montert på hjulvogner, fylt ved hjelp av en bøttekjede fra nærmeste cisterne eller akvedukt-tappepunkt. De historiske kildene beskriver pumper som kunne sprute vann opp på branner i første etasje, noe som tyder på arbeidstrykk tilstrekkelig til å løfte vann 4–5 meter gjennom en dyse – i samsvar med designparametrene i denne blåkopien.

Pumpen fra Pompeii, nå i Nasjonalmuseet for arkeologi i Napoli (inventarnr. 75202), er fortsatt det best bevarte eksemplet: to bronsesylindre med indre diameter på 4,2 cm, slaglengde 18 cm, og en vippebjelke betjent med håndtak i hver ende. Den bevarte pumpen veier omtrent 12 kg og kunne ha levert rundt 7–8 liter per minutt ved én manns pumpehastighet. Romas kroniske brannfare i tett pakkede insulae (leiegårder) gjorde trykkpumpen like kritisk for byens infrastruktur som akvedukten som forsynte den med vann.