Vor einiger Zeit habe ich über Wasserschlag geschrieben, ein hydraulisches Phänomen, das zu großen Problemen in Rohrleitungen führen kann. Dann habe ich über Dampfschläge geschrieben, ein etwas verwandtes Phänomen, das mit Dampfrohrleitungssystemen verbunden ist und extrem gefährlich sein kann. Und dann habe ich einen Folgeartikel zum Wasserschlag verfasst, in dem ich über transiente Vakuumphänomene sprach, die Rohre zum Einsturz bringen können, wenn sie nicht richtig ausgelegt und betrieben werden. Aber selbst nach diesen Beiträgen hat sich herausgestellt, dass ich nicht die ganze Geschichte erzählt habe. Denn auch wenn Wasserschlag im Allgemeinen ein Problem für Ingenieure ist, gibt es eine Möglichkeit, diesen normalerweise ungünstigen Effekt für einen nützlichen Zweck zu nutzen. Hey, ich bin Grady und das ist Practical Engineering. In der heutigen Folge sprechen wir über hydraulische Widderpumpen.
Ein hydraulischer Widder ist ein cleveres Gerät, das vor über 200 Jahren erfunden wurde und das Wasser bergauf pumpen kann, ohne eine andere externe Kraftquelle außer dem Wasser, das hineinfließt. Nein, es ist nicht eine freie Energie-Gerät, aber wenn Sie herum suchen, finden Sie viele große Implementierungen dieser Art von Pumpe auf YouTube, vor allem von Menschen tun homesteading und off-grid Lifestyle Vlogs. Und es ist leicht zu sehen, warum Widderpumpen haben solche Popularität unter diesen Gruppen. Denn wenn Sie ein Stück Land mit einer reichlich vorhandenen Quelle von Wasser haben, eine Widderpumpe können Sie das Wasser zu einem Tank oder Standort auf einer höheren Ebene mit einem wirklich eleganten Design, das keine Elektrizität oder Kraftstoff und nur zwei bewegliche Teile erfordert. Natürlich habe ich meine eigene gebaut, damit Sie sehen können, wie es funktioniert, aber zuerst müssen wir ein wenig Grundwissen über das Verhalten von Flüssigkeiten aufbauen. Und das ist etwas, das jeder verstehen kann.
Es gibt drei Arten von Energie, die ein Fluid haben kann, und im Bauwesen rechnen wir sie normalerweise in ihre Äquivalente als Höhe einer statischen Säule um. Dieser Abstand wird als Fallhöhe bezeichnet. Mit dem Verständnis der Energie in einer Flüssigkeit lassen sich viele technische Probleme lösen, denn in den meisten Szenarien bleibt die Energiemenge gleich, und das Einzige, was sich ändert, ist die Form, die sie annimmt. Der erste Typ ist der Kopf aus dem Gravitationspotential. Es hat keine äquivalente statische Säule, weil es eine statische Säule ist. Die Fallhöhe ist einfach der Abstand von einem beliebigen Bezugspunkt. Dies lässt sich leicht mit einem Tank und einem Rohr demonstrieren. Ich kann dieses Rohr bewegen, wo immer ich will, aber der Füllstand im Rohr und im Tank wird immer der gleiche sein. Beide sind an ihrer Oberfläche dem atmosphärischen Druck ausgesetzt und sie bewegen sich nicht, also gibt es keine Geschwindigkeit. Es ist nur reines Gravitationspotential.
Die zweite Art von Energie ist die Druckhöhe. In diesem Fall ist die Förderhöhe der Druck geteilt durch die Schwerkraft und die Dichte der Flüssigkeit. Wenn ich also den oberen Teil meines Tanks verschließe und etwas Luftdruck hinzufüge, steigt der Pegel im Rohr an. Die neue Höhe ist die Druckhöhe, die äquivalente statische Säule bezogen auf den Druck im Tank. Bei einem gegebenen Druck hat eine dichtere Flüssigkeit wie Quecksilber eine geringere Förderhöhe als eine leichtere Flüssigkeit wie Wasser, da sie unterschiedliche Gewichtseinheiten haben. Ein gutes Beispiel für die Messung der Druckhöhe ist ein Barometer. Wir leben am Boden eines Ozeans aus Luft, und wir möchten den Luftdruck hier unten im Auge behalten. Eine der einfachsten Möglichkeiten, das zu tun, ist zu messen, wie hoch der Druck eine statische Säule einer Flüssigkeit, in den meisten Fällen Quecksilber, drücken kann.
Die letzte Energieart ist die Geschwindigkeitshöhe, die sich auf die kinetische Energie einer Flüssigkeit bezieht. Ich kann die äquivalente Wassersäule mit einem Werkzeug namens Pitotrohr demonstrieren. Die Umrechnung für die Fallhöhe ist Geschwindigkeit im Quadrat geteilt durch 2 mal die Erdbeschleunigung. Das ist eine Menge Hintergrundwissen, aber es ist wichtig, um die Funktion einer Staudruckpumpe zu verstehen. Denn ohne eine externe Energiequelle kann man zwar von einer Energieart in eine andere wechseln, aber nicht mehr Energie herausholen, als man am Anfang hatte. Zum Beispiel kann ich eine statische Wassersäule in eine mit einer gewissen Geschwindigkeit umwandeln, aber ich werde die Flüssigkeit nie auf eine höhere Höhe bringen, als sie zu Beginn hatte… mit einer Ausnahme. Eine Ausnahme, die die hydraulische Staudruckpumpe wunderbar ausnutzt.
Eine Staudruckpumpe besteht im Wesentlichen aus zwei Einweg-Rückschlagventilen, von denen das eine das Abfallventil und das andere das Förderventil genannt wird. Um sie in Gang zu setzen, öffnen Sie nur kurz das Ablassventil, damit Wasser fließen kann. Danach arbeitet sie von alleine, um das Wasser über die Höhe der Quelle zu pumpen. Ziemlich erstaunlich, wie ich finde. Gehen wir einmal den Weg des Wassers durch, um zu verstehen, wie es funktioniert. Wenn sich das Ablassventil öffnet, fließt das Wasser zunächst in die Pumpe und sofort wieder aus dem Ventil heraus. Aber mit zunehmender Geschwindigkeit zwingt das fließende Wasser schließlich das Ablassventil, zuzuschlagen. Jetzt wird das Wasser in der Pumpe gestoppt. Es hatte kinetische Energie… aber jetzt hat es keine mehr. Das heißt, die kinetische Energie wurde in etwas anderes umgewandelt, in diesem Fall in Druck. Das ist die Definition von Wasserschlag. Das Zuschlagen eines Ventils wandelt die gesamte kinetische Energie fast augenblicklich um und erzeugt einen enormen Druckanstieg, der zu Spannungen und Schäden in Rohrsystemen und angeschlossenen Geräten führen kann.
Im Fall der Widderpumpe hat dieser Druckanstieg jedoch einen anderen Effekt. Er öffnet das zweite Rückschlagventil und drückt das in die Pumpe eintretende Wasser in die Druckleitung. Wie Sie an meinem digitalen Manometer sehen können, läuft dieser Prozess zyklisch ab, wobei jedes Mal, wenn das Ventil zuschlägt, ein Teil des Wassers gepumpt und der Rest verschwendet wird. Sie können sehen, was hier in Echtzeit passiert: Die Pumpe entzieht der Strömung einen Teil der kinetischen Energie und gibt sie an ein kleineres Wasservolumen ab. Es ist eine Umverteilung der Energie, die eine geringe Förderhöhe und einen hohen Durchfluss in eine hohe Förderhöhe und einen geringen Durchfluss umwandelt. Und diese Art von Pumpe kann wirklich eine große Förderhöhe erzeugen. Ich habe meine Druckleitung bis weit über das Dach meines Schuppens verlegt, und meine Pumpe ist immer noch in der Lage, das Wasser nach oben zu befördern. Manchmal ist eine Luftkammer in der Pumpe enthalten, um die starken Druckspitzen zu glätten und einen gleichmäßigeren Durchfluss aus der Druckleitung zu gewährleisten, was den Verschleiß der Pumpenkomponenten reduziert.
Wenn Sie an moderne elektrische Geräte denken, stellen Sie sich vor, wir würden eine Wasserkraftturbine an einem Rohr installieren, um einen Generator anzutreiben, und dann diese Elektrizität nutzen, um eine Pumpe anzutreiben, die das aus der Turbine kommende Wasser bewegt. Natürlich würden Sie nicht in der Lage sein, das gesamte Wasser zu pumpen, und außerdem wäre das ein ziemlich komplizierter Aufbau für etwas, das die Rampenpumpe mit ein paar sehr einfachen handelsüblichen Sanitärteilen erledigen kann. In der Tat gibt es eine Art von Pumpe, die von einer wasserbetriebenen Turbine arbeitet. Vielleicht baue ich als nächstes eine davon. Für den Moment denke ich aber, dass die Widderpumpe eine geniale Möglichkeit ist, die Eigenschaften von Flüssigkeiten zu nutzen. Wir alle brauchen Wasser aus einer Vielzahl von Gründen, so in der Lage, es zu bewegen, wo wir es brauchen, ohne jede ausgefallene Ausrüstung oder externe Energiequellen ist ein ziemlich nettes Werkzeug in Ihrem Werkzeugkasten haben. Vielen Dank, und lassen Sie mich wissen, was Sie denken!