Je draait de kraan open en er stroomt water uit, zelfs als je op de tiende verdieping van een flat woont. Een goed werkende watervoorziening lijkt de normaalste zaak van de wereld. Toch zijn er zelfs in West-Europese landen afgelegen gebieden waar geen waterleiding is.
De Nederlandse bewoners van een mooi vakantiehuisje in de Franse Languedoc haalden het water uit een helder, fris beekje dat langs het huisje stroomde. Acht meter lager mondde het beekje uit in de rivier de Vernazobre. Toen viel plots het beekje droog. Het bleek geen beekje te zijn, maar water dat ontsprong uit een lek in een irrigatiekanaal. Dat kanaal was drooggevallen, dankzij achterstallig onderhoud en de funeste invloed van wroetende everzwijnen. Ooit stroomde water via irrigatiekanalen langs de heuvelrug naar de landerijen in de omgeving. Het systeem raakte in onbruik, kanaaltjes slibden dicht en boomgaarden moeten nu water ontberen. Een droom leek in duigen te vallen.
Een artikel vorig jaar in de uitgave Internationale Samenwerking opent nieuwe perspectieven. Daarin staat de Breur-ram beschreven, een pomp die water pompt op waterkracht, in plaats van op elektriciteit of diesel. De onderdelen zijn gemakkelijk verkrijgbaar in een Nederlandse speciaalzaak en de verkoper, die niet veel van de constructie snapt, schroeft alles ook nog eens vlot in elkaar. Voor alle onderdelen bij elkaar betaal je in de speciaalzaak in totaal ongeveer honderd gulden (2000 Bfr.). In de achtertuin proberen de Nederlanders het uit en de pomp blijkt goed te voldoen. Eind 1998 tijgen ze naar Frankrijk. Een aanvoerslang gaat vanuit de rivier over een muurtje en eindigt in een rechte, dalende pijp die naar de waterram leidt. Binnen een uur stroomt er door zestig meter tuinslang een halve liter water per minuut naar een vat twaalf meter boven het riviertje.
Kinderlijke eenvoud
In een Enschedese achtertuin heeft Gert Breur (44), wiens waterramontwerp in Internationale Samenwerking stond beschreven, een demonstratie-opstelling geplaatst. Op een lage stellage staat een groot vat met regenwater. Een kraantje onderaan het vat is met een slang verbonden. Breur verbindt zijn waterram met vlotte handbewegingen aan het einde van de slang. Het is een eenvoudige constructie. Zijn zevenjarige dochter Gwendolyn kan het apparaat zonder moeite in elkaar zetten.
Breur is al dertig jaar druk in de weer met technische constructies. Sinds begin jaren zeventig besteedt hij aandacht aan waterrammen, met als resultaat de ontwikkeling van de Breurram. Informatie over waterramtechnologie is ondermeer verspreid via de Werkgroep Ontwikkelings-Technieken van de Universiteit Twente, waarin Breur en zijn vrouw Rita beiden actief zijn. Inmiddels hebben de Breurs al uit bijna honderd landen vragen en reacties ontvangen. Vaak ontbreekt de know-how: “hoe krijg ik een oude, stilgevallen waterram aan dew gang?” Het Enschedese adres fungeert als een internationaal kenniscentrum voor waterramtechnologie.
Tijd voor de demonstratie. Zodra Gert Breur de kraan op het lage vat opendraait, stroomt het water dat in het apparaat komt weg langs de impulsklep. Als de stroomsnelheid toeneemt, stijgt de waterdruk dermate fors dat de klep dichtslaat. De waterram begint ritmisch te tikken, een soort hartslag. Steeds weer duwt het water de verticale klep plotsklaps dicht. De druk van de waterkolom loopt dan zo hoog op dat de horizontale klep naar de luchtklok openspringt en er een scheut water in de luchtklok schiet. Die snel oplopende druk is de waterslag. Het is een enorme kracht, vergelijkbaar met de stoot van de horens van een ram. In de luchtklok (die je functioneel kan vergelijken met de aorta) zit – de naam zegt het al – een flinke luchtbel. Die vangt de schokken op. De stijgende druk in de luchtklok perst het water in de dunne leiding. Er ontstaat voldoende druk om uiteindelijk met een deel van het water het hoge vat te vullen. Vlak voor de verticale klep bevindt zich een klein gaatje, met een doorsnede van een millimeter. Bij iedere cyclus zuigt het systeem via dat gaatje een beetje lucht aan, dat bij de pompbeweging verloren gegane lucht in de luchtklok aanvult.
Vanuit een rechte pijp, waarin het water snelheid maakt, voert de aanvoerslang water naar het centrale T-stuk van de Breurram. De verticale impulsklep, boven, staat open. Het water stroomt steeds sneller weg.
Als de kracht van de waterstroom te sterk is, slaat de verticale klep hoorbaar dicht. In de tot stilstand gekomen waterstroom loopt de druk fors op. Drukgolven verplaatsen zich met snelheden van meer dan een kilometer per seconde op en neer door de rechte aanvoerpijp.
Als de enorme waterdruk de horizontale klep naar de lager gelegen luchtklok even openslaat, laat hij wat water door. De luchtklok dempt de heftige drukvariatie. Via een dunne slang perst de luchtklok water naar een hoog reservoir. Omdat de druk is gedaald, gaat de impulsklep weer open.
Efficiëntie van een waterram (pompefficiëntie 0,6): Bij een aanvoer (Q) van 6,92 l min-1, een aanvoerhoogte (H) van 0,94 m en een reservoirhoogte (h) van 6,87 is de waterlevering (q) van de waterram 0,70 l min-1. (q(h-H)/ (Q-q)H). Bij een waterhoogte van 10 m levert dezelfde pomp 0,46 l min-1.
Een perpetuum mobile? Nee. Uiteindelijk gaat een groot deel van het water via de verticale klep verloren. Voor elke liter water die in het bovenste vat verdwijnt, stroomt er vier liter water vanuit de waterram in de vijver. Een beperkte efficiëntie is uiteraard geen probleem als je zo’n systeem aanlegt bij een snelstromende beek of rivier, waarin het niet opgepompte water weer terugstroomt. Voor een goede berekening van de efficiëntie moet je overigens wel rekening houden met de hoogte van de wateraanvoer en de oppomphoogte. Waterrammen zijn zeker niet geschikt voor toepassing in gebieden met waterschaarste of vlakke streken zonder beken en riviertjes. In Zuid-Limburg en de Ardennen zijn er echter volop geschikte plekken. Bij veel regenval is het bijvoorbeeld mogelijk om met een waterram een grijswatercircuit te starten: vul een reservoir op zolder met het hemelwater dat anders naar het riool wegstroomt, en gebruik dat dan voor het doorspoelen van het toilet.
Toepassing
De waterram is in de 18e eeuw uitgevonden door de Brit John Whitehurst. In zijn ontwerp zat een kraantje dat 75 maal per minuut handmatig open en dicht moest worden gedraaid. Een van de gebroeders Montgolfier – bekend als de eersten die met een hete-luchtballon het luchtruim kozen – verbeterde enkele jaren later zijn ontwerp met een automatische regelklep op de plaats van het kraantje, en verkreeg in 1793 patent op de automatische waterpomp.
Met name in Engeland en de VS is de waterram veelvuldig toegepast. In afgelegen landhuizen en kastelen zorgden waterrammen ervoor dat hooggelegen reservoirs uiteindelijk drink- en badwater bevatten, of dat er bijvoorbeeld water naar de tuinen en fonteinen stroomde. De fonteinen van het Indiase monumentale bouwwerk Taj Mahal, die de visrijke vijvers van zuurstofrijk water voorzien, krijgen hun water ook door waterrammen.
Nog steeds zijn waterrammen in alle soorten en maten te krijgen, vervaardigd uit degelijk staal, maar inmiddels ook uit pvc. Dergelijke systemen lijken een ideale oplossing voor de watervoorziening in afgelegen gebieden. Toch zitten er soms de nodige haken en ogen aan: hoge kostprijs, te zware uitvoering, moeilijk verkrijgbare reserve-onderdelen en reparaties die te moeilijk blijken.
Meccano
Het voordeel van de door Gert Breur ontworpen waterram is dat de onderdelen klein en goedkoop zijn. Hij huldigt het principe ‘less is more’, met zo weinig mogelijk materiaal het maximale resultaat behalen. Zonder moeite zijn de losse onderdelen in een koffer mee te nemen (geen problemen met invoerrechten), bovendien zijn ze in de meeste landen gemakkelijk te krijgen. Het ontwerp is zeer geschikt als educatief voorbeeld. Bij universitaire vakgroepen civiele techniek wordt de waterramtechnologie niet meer onderwezen, alhoewel er wel degelijk behoefte aan kennis en ervaring met deze techniek blijkt te zijn. Mensen kunnen zo met Breurs ontwerp van start gaan. “Mensen willen met een meccano-achtig geheel aan de slag”, vertelt hij. Wie meer capaciteit wil hebben, kan enkele kleine waterrammen parallel schakelen.
Terug naar Frankrijk. In het dorpje in de Languedoc verbazen tientallen dorpsbewoners zich over het mirakel. Ze zijn zeer geïnteresseerd. De aanplant op diverse hellingen lijdt onder het watergebrek. De installatie van waterrammen kan ervoor zorgen dat de landbouw op die hellingen weer voldoende opbrengsten levert, zonder dat daarvoor dure pompen die werken op elektriciteit of diesel, nodig zijn. Inmiddels zijn er plannen om te experimenteren met grotere waterrammen.
Geen patent
Het principe van de waterslag is ook bruikbaar in een zuigpomp, bedacht Breur. Het ontwerp heeft dezelfde elegante eenvoud als de waterram. “Vergelijk het maar met een waterstraalpomp in het laboratorium. Daar genereert de snelheid van het langsstromende water een onderdruk, ofwel een vacuüm.” Breur kreeg inmiddels geld voor zijn ontwerp aangeboden, maar daar begint hij niet aan. “Dan mag je er nooit meer iets over zeggen.” Hij wil dat zoveel mogelijk mensen baat bij de techniek hebben. Hij wil er zelf geen patent op aanvragen. Na deze publicatie in Natuur & Techniek kunnen anderen dat ook niet doen. Breur wil het liefst dat zoveel mogelijk mensen de technieken gaan toepassen omdat ze er wat aan hebben, waaronder bewoners van arme streken in de Derde Wereld.
Het enige wat de Breurram en de zuigpomp gemeen hebben is de aandrijving door water. “Je maakt in principe gebruik van het water dat bijvoorbeeld uit de waterram wegloopt, om de andere pomp aan te drijven.” Een verwant idee is in de tijd van Montgolfier al gepubliceerd door de zakenpartner van James Watt, Matthew Boulton, maar het geraakte in de vergetelheid.
Net zoals bij de waterram, stroomt bij de zuigpomp water via een rechte pijp naar het apparaat. De impulsklep bevindt zich nu vóór het T-stuk. Het water stroomt langs de impulsklep en het T-stuk weg via een afvoerslang, bijvoorbeeld weer terug in de beek.
Zodra het water te snel stroomt, sluit de impulsklep zich. Doordat er nog water via de afvoerslang wegstroomt, ontstaat achter de impulsklep een onderdruk. Die is zo hoog dat het systeem water opzuigt via een slang, die bijvoorbeeld in een waterput hangt. Als de onderdruk weg is, sluit een terugslagklep onderin de slang zich, en kan de impulsklep zich weer openen.
Weinig technieken zijn zo eenvoudig als de zuigpomp. Er stroomt water door de rechte aanvoerpijp, net zoals bij de waterram. Nu zit de impulsklep echter in de poot voor het T-stuk. Als de snelheid van het water weer groot genoeg is, slaat de klep dicht. Het water achter de klep stroomt echter verder via de afvoer, die aan het T-stuk is gekoppeld. Het wil lekker doorstromen, waardoor er een onderdruk ontstaat. Daartegenover is het T-stuk verbonden met een slang, die je bijvoorbeeld in een volgelopen werkput kunt hangen. Aan het uiteinde daarvan bevindt zich een terugslagklep. Dankzij die klep blijft er een waterkolom in de slang en het T-stuk. Elke keer dat de waterslag een onderdruk in deze waterkolom oplevert, zuigt het systeem water langs de terugslagklep op. Er mag absoluut geen lucht bij komen, dat zou de werking tenietdoen. De hoogte van de waterkolom, van terugslagklep tot uiteindelijke doelreservoir, kan maximaal ongeveer tien meter zijn, bij een grotere hoogte ontstaat door de onderdruk waterdamp en werkt de pomp niet meer. De capaciteit van de zuigpomp hangt net zoals bij de waterram af van de valhoogte van het water.
Gert Breur neemt nogmaals de waterram erbij. De zuigpomp en de waterram laten zich goed combineren, hij monteert een T-stuk achter de impulsklep van de waterram waaraan hij de slang met terugslagklep en een afvoerleiding koppelt. De effectiviteit van het waterramgedeelte is nu minder, omdat het water achter de impulsklep meer weerstand ondervindt. De kraan van het lage vat gaat open en de waterram begint weer te tikken. De frequentie is hoger. Terwijl water uit de vijver wordt opgezogen, begint er water in het vat in de slaapkamer boven te stromen. Als de waterram alleen anderhalve liter water per minuut zou oppompen, dan zuigt de zuigpomp een halve liter water op en pompt de waterram een liter water naar boven.
Met de standaard, gemakkelijk verkrijgbare slangen, kleppen en koppelingen kan iedereen de Breurram en de Breur-zuigpomp gemakkelijk nabouwen. In een tijd waarin milieuvriendelijkheid en duurzaamheid volop aandacht krijgen, kunnen ze een nuttige bijdrage leveren.
Samenwerking
In 1999 vormt de waterram een lesonderdeel van de opleiding Werktuigbouwkunde van het Regionaal Opleidingscentrum Oost-Nederland, in het kader Internationalisering. Studenten uit België, Duitsland, Slowakije en Nederland maken hoogwaardige waterrammen volgens het ontwerp van Breur. In het educatieve model heeft de pompkamer een doorsnede van bijna twee centimeter. De grootste ROC-versie heeft een doorsnede van ruim vijf centimeter, waarmee bijvoorbeeld complete dorpen van water kunnen worden voorzien. In gebieden waar tijdens moessons veel stromend water voorkomt, kunnen waterrammen hooggelegen reservoirs vullen, een reserve voor drogere perioden.
De rammen worden gratis aan instellingen en projecten in binnen- en buitenland aangeboden, zodat de kennis van de waterram verder wordt verspreid. In 2000 moet de Breurram een standaard onderdeel van het lessenpakket van ROC Oost-Nederland vormen.
Dit artikel verscheen eerder in Natuur & Techniek, 1999, jaargang 67, afl. 7