mini|Hydraulischer Widder mit Windkessel, aus Gusseisen
Ein hydraulischer Widder, Stoßheber, Staudruck-Wasserheber oder Wasserwidder ist eine wassergetriebene, intermittierend arbeitende Pumpe. Der Widder nutzt den Druckstoß oder Staudruck-Effekt, um einen Teil des Wassers, mit dem die Pumpe angetrieben wird, auf ein höheres Niveau zu heben. Er eignet sich besonders für Pumpaufgaben in der Nähe von Fließgewässern mit zum Betrieb ausreichendem Gefälle.
Den gleichen Zweck erfüllt eine Lambachpumpe, jedoch arbeitet diese im Gegensatz zu einem hydraulischen Widder nicht mit der kinetischen Energie des Wassers, sondern mit der potentiellen Energie. Es wird nicht die Fließgeschwindigkeit, sondern der Wasserdruck genutzt. Lambachpumpen werden nicht mehr gebaut. Sie waren viel teurer als hydraulische Widder, hatten aber einen weit höheren Wirkungsgrad.
Einsatzbereiche Für Landwirtschaft, Berghütten und Ferienhäuser, die in der Nähe von fließenden Gewässern liegen, werden zur Wasserversorgung gerne Widder benutzt. Meist handelt es sich um Anwesen in abgelegenen Gegenden, die weder an die öffentliche Wasserversorgung noch an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind oder aus anderen Gründen nur zeitweilig genutzt werden.
Neue hydraulische Widder werden besonders in der Entwicklungshilfe eingesetzt. So gibt es zum Beispiel eine Anwendung hydraulischer Widder im südöstlichen China für die kleinbäuerliche Landwirtschaft als Alternative zu Dieselpumpen. www.atmosfair.de, o. J., zuletzt abgerufen am 2. Mai 2017.
Geschichte mini|Hydraulischer Widder, Easton & Amos, 1851 Der hydraulische Widder ist die Automatisierung der 1772 von John Whitehurst erfundenen Pulsation Engine, bei der die durch das Schließen eines Wasserhahns hervorgerufene Wasserschlossschwingung eine Wassersäule über die Höhe des Zuflusses hebt. Durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Hahns wurden größere Wassermengen gehoben. 1796 ersetzte der Franzose Joseph Michel Montgolfier den Wasserhahn der Pulsation Engine durch ein sich selbsttätig wieder verschließendes Ventil und entwickelte gemeinsam mit Aimé Argand den hydraulischen Widder. Von Montgolfier soll auch der Name stammen, denn er hat in seiner Patentschrift geschrieben, beim Schließen des Ventils entstehe eine Kraft „wie der Stoß eines Widders“.Mathias Döring 2500 Jahre Energie aus Wasser, Mitteilungen des Lehrstuhls für Wasserbau und Wasserwirtschaft der RWTH Aachen, Heft 167, Shaker Verlag, Aachen, 2013
Der hydraulische Widder wird zum ersten Mal in der Aufzeichnung der Académie des sciences vom 14. Juli 1797 erwähnt. Der „Bürger“ Montgolfier hatte einen Vortrag gehalten mit dem Titel Sur un moyen très simple d’élever l’eau des fleuves („Über ein sehr einfaches Mittel, das Wasser von Flüssen zu heben“). Das französische Patent für die Erfindung wurde bereits im November 1797 erteilt. Für England ist die Patenterteilung (Nummer 2207) am 13. Dezember 1797 an den Dampfmaschinenpionier Matthew Boulton nachgewiesen, der die Anmeldung in seinem Namen für Montgolfier vornahm.
Der erste hydraulische Widder in Deutschland wurde von dem Technikwissenschaftler Joseph von Baader (1763–1835) zu Beginn des 19. Jahrhunderts zur Wasserversorgung auf dem Landsitz des Grafen Montgelas in Bogenhausen bei München installiert.mini|Stoßheber zum Betrieb einer Wasserfontäne in Vogn, Dänemark (Video 00:32)Das erste amerikanische Patent wurde 1809 an J. Cerneau und S. S. Hallet erteilt. In den USA nahm das Interesse an hydraulischen Widdern ab etwa 1840 stark zu, als weitere Patente erteilt wurden und einheimische Unternehmen die Produktion aufnahmen.
Einer der ersten Hersteller in der Schweiz war Johann Georg Schlumpf, der 1885 den ersten hydraulischen Widder verkaufte. 1923 entwickelte er die „Selbstbelüftung“. Diese erledigte automatisch die regelmäßige Auffüllung des Luftpolsters, wodurch ein jahrzehntelanger wartungsfreier Betrieb möglich wurde.
Erst nach Mitte des 20. Jahrhunderts ging das Interesse wieder zurück, als sich die Anwendung der Elektrizität und damit elektrischer Pumpen ausbreitete.
Seit den 1990er Jahren entwickelte die Schweizer Firma Schlumpf Innovations den selbstbelüfteten hydraulischen Widder von Johann Georg Schlumpf weiter. Es können inzwischen Förderhöhen bis 500 m und Förderleistungen bis 15.000 Litern pro Tag erreicht werden. Dies gelingt durch Verbesserung von Ventiltechnik und Taktung sowie Aufwicklung der Triebleitung mit anschließender Einbetonierung in einen kompakten Betonklotz, um die hohen stoßartigen Druckbelastungen abzufangen.Schlumpf Innovations:
Aufbau und Funktionsbeschreibung mini|Hydraulischer Widder (Rohrplan und Prinzip) mini|Funktion des Stoßventils Ein hydraulischer Widder besteht aus folgenden Elementen: Einer ausreichend ergiebigen Wasserfassung als Vorratsbehälter (auf geringer Höhe), der Triebwasserleitung, dem hochdruckbeständigen und steifen Wasserschwungrohr mit endständigem Ventilsatz, bestehend aus dem Stoßventil, das bei Erreichen eines bestimmten Durchflusses diesen abrupt stoppt und dem Druckventil, das kurz wenig Wasser mit hohem Druck entweichen lässt in den „Windkessel“ als puffernden Druckbehälter, und der daran angeschlossenen Steigleitung (bis in größere Höhe).
Diese Komponenten bilden zusammen ein pulsierendes System, das nach einmaligem Anstoß selbstgesteuert weiterarbeitet, solange für ausreichend Wassernachschub gesorgt ist. Da das System nur zwei bewegliche Teile besitzt (Stoß- und Druckventil) kann die Fertigung kostengünstig erfolgen, die Wartung ist einfach und das Aggregat ist, geringe Verschmutzung der Ventile vorausgesetzt, extrem zuverlässig. mini|Planskizze mit Schnitt durch einen Selbstbau-Widder aus Wasserrohren Aus einem Vorratsbehälter, der von einer Quelle oder einem Bach gespeist wird, strömt Wasser durch eine nicht zu kurze Triebleitung und tritt großteils an deren Ende durch das Stoßventil (am Widder) als Verlustwasser in das Fließgewässer aus.
mini|hochkant|Stoßventil in Aktion Die Funktion des Stoßventils hängt ab von der Einstellung des Ventilspaltes. Im beistehenden Bild ist das schematisch dargestellt. Das Stoßventil wird durch eine Feder oder ein Gewicht offen gehalten. Bei großem Spalt kann das Wasser ohne Beeinflussung des Ventils abfließen. Bei richtig eingestelltem (kleinem) Spalt stellen sich andere Verhältnisse ein (siehe dazu auch ). Vor dem Ventil herrschen im Triebwasser der Druck p1 und die Fließgeschwindigkeit v1. Wegen des engen Spaltes fließt das Wasser im Ventil jedoch mit sehr viel höherer Geschwindigkeit v2 (Kontinuitätsgesetz). Gemäß den Strömungsgesetzen (Bernoulli) entsteht somit im Ventil ein Unterdruck p2 (dieser ist in hohem Maße abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit). Dadurch wird das Ventil aufgrund der aus der Druckdifferenz p1-p2 resultierenden Kraft gegen die Kraft des Gewichtes bzw. der Feder geschlossen. Im praktischen Betrieb öffnet sich das Ventil periodisch, so dass es jedes Mal zu einer sehr schnellen Zunahme der Fließgeschwindigkeit im Ventil mit der Folge einer sprunghaften Erhöhung der Druckdifferenz kommt. Auf diese Weise schließt das Ventil schlagartig.
Der in der Triebleitung bis zu diesem Zeitpunkt strömenden Wassermasse wird also abrupt der Ausfluss versperrt. Die Wassermasse reagiert darauf mit einem gewaltigen Druckanstieg, der zur Umlenkung der Strömung (in Richtung auf den Windkessel) und zum Öffnen des Druckventiles (Rückschlagventil) führt.
Das Triebwasser strömt in den Windkessel und komprimiert die dortige Luft, bis der Gegendruck (verursacht durch die komprimierte Luft) eine Umkehrung der Fließrichtung bewirkt und dadurch das Druckventil wieder schließt. Durch das Schließen des Druckventils wird ein Unterdruckstoß initiiert, der sich nunmehr in der Triebwasserleitung ausbreiten kann.
Der im Windkessel verbliebene, unter hohem Druck stehende Teil des Wassers wird in die Steigleitung gedrückt, bis der Schweredruck in der Steigleitung und der (durch Expansion abnehmende) Druck der komprimierten Luft gleich groß sind. Das Wasser in der Steigleitung (Förderwasser) wird also bei jedem Pumpzyklus entsprechend dem zugeführten Volumen ein Stück angehoben, so dass es am Leitungsende (Verbrauchsort) pulsierend ausfließt. Es lassen sich dadurch Wasserdrücke bis 50 bar erzeugen, die Förderhöhen bis 500 m entsprechen. Typische Gefällehöhen der Triebwasserleitung liegen zwischen 30 cm und 5 m. Experimente haben gezeigt, dass das Verhältnis Fallhöhe zu Triebleitungslänge zwischen 1:3 und 1:12 liegen sollte.
Die Zykluszeit (Frequenz) der Pumpe wird insbesondere bestimmt durch die Dauer der Beschleunigung des Triebwassers vom Öffnen bis zum Schließen des Stoßventils und den Zeitraum, in dem das Druckventil geöffnet ist (vgl. untenstehendes Diagramm). Typisch sind 0,5 bis 2 Sekunden pro Zyklus. Die unten beschriebenen Schwingungserscheinungen spielen sich im Millisekundenbereich ab und haben keinen Einfluss auf die Zykluszeit. Beim Öffnen des Stoßventils (Auslösen eines neuen Zyklus) ruht das Triebwasser und es wirkt auf das Stoßventil nur der Schweredruck des Wassers (gemäß der Triebwasserfallhöhe). Das Ventilgewicht bzw. die Ventilfeder sind so bemessen, dass das Ventil gegen diesen Druck geöffnet wird. Ausgelöst wird die Öffnung durch den oben erwähnten Unterdruckstoß nach dem Schließen des Druckventils.
Selbsttätig ventilgesteuert teilt das System also von einer schrittweise strömenden Wassermenge (Triebwasser) niedrigen Drucks durch periodische wechselnde Umlenkung eine unter hohem Druck stehende, sich ebenfalls schrittweise (aufwärts) bewegende kleinere Menge Förderwasser ab. Der Hydraulische Widder stellt also einen Druckwandler dar.
Der Widder wird auch als Kolbenpumpe ohne Kolben bezeichnet, da das in den Windkessel einströmende und dort abgebremste Wasser die Funktion eines „Kolbens“ übernimmt, der das bereits dort befindliche Wasser in die Steigleitung drückt.
Druckstoßberechnung und Druckverlauf Abschätzung mit der Joukowskygleichung Für die Abschätzung des Druckstoßes beim hydraulischen Widder wird oft die Gleichung von Joukowsky herangezogen. Diese wurde erstellt, um den Rohrleitungen gefährdenden Extremfall beim plötzlichen Schließen bzw. Öffnen eines Ventils zu ermitteln.
Es wird dabei vereinfachend angenommen, dass sich der Fluss (Volumenstrom) und die Strömungsgeschwindigkeit durch das Ventil während des Schließvorgangs nicht ändern und erst nach dem vollständigen Schließen des Ventils den Wert Null annehmen. Dies ist gleichbedeutend mit einer Ventilschließzeit = 0. Die Joukowskygleichung liefert dennoch keinen unendlich großen Drucksprung, da die Kompressibilität des Wassers bei der Ableitung der Gleichung berücksichtigt wurde.
Zur Ableitung der Joukowskygleichung und zu weiteren Erläuterungen siehe und .
wobei: = Druckänderung in N/m², = Dichte in kg/m³ (Wasser: 1000 kg/m³), = Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit in m/s (Wasser: ca. 1000 m/s) und =Geschwindigkeitsänderung m/s ist.
Der Joukowskystoß ist die maximal mögliche Druckerhöhung. Der Druckstoß (Abbremsung der Strömungsgeschwindigkeit auf Null) breitet sich vom Stoßventil ausgehend mit der Geschwindigkeit c aus und wird am Reservoir „reflektiert“, d. h., der Druck in der Leitung erzeugt nun einen Fluss in Richtung auf das Reservoir. Diese sich ebenfalls mit der Geschwindigkeit c bewegende Entspannungswelle erreicht nach entsprechender Laufzeit wieder das Stoßventil und erzeugt dort wegen der Trägheit der Wassermasse einen Unterdruck. Die reale Ventilschließzeit wirkt sich somit nur dann aus, wenn der Unterdruckstoß vor dem vollständigen Schließen am Stoßventil angekommen ist und den dortigen Druck abschwächt.
Die Summe der Laufzeiten vom Stoßventil zum Reservoir und zurück wird als Reflexionszeit Tr der Druckwelle bezeichnet.
= die Länge der Rohrleitung [m]