-
Verfahren zum Einsaugen von Wasser auf große Höhen Die üblichen, auf
statischer Kräftewirkung beruhenden Pumpen können niemals höher saugen, als dem
Barometerstand abzüglich der Widerstände entspricht. Die vorliegende Erfindung zeigt
aber, daß es bei Benutzung einer Schwingungsbewegung möglich ist, die Saughöhe beliebig
zu steigern.
-
Zwar liegt bei jeder Kolbenpumpe oder jedem Dnickluftlieber in gewissem
Sinn eine Schwingungsbewegung des Wassers in der Rohrleitung vor, da ja das Wasser
intermittierend weiterbewegt wird. Diese Schwingungen bewirken aber bekanntlich
eine Verkleinerung der Saughöhe wegen der damit verbundenen Massenwirkung. Sie werden
deshalb durch Windkessel o. dgl. möglichst ausgeschaltet. Auch die seit langem bekannte
Humphreypumpe verwendet eine Schwingungsbewegung, die aber die Saughöhe ebenfalls
keineswegs vergrößert, sondern nur die Aufgabe hat, die hin und her gehende Bewegung
des Kolbens einer Kolbenmaschine zu ersetzen. Ein anderes neuerdings bekanntgewordenes
Verfahren zur Vergrößerung der Saughöhe benutzt die längs der Rohrleitung wandernden
Druckwellen des Wassers, die auf der Elastizität des Wassers und der Rohrwand (gemäß
der Theorie von Allievi) beruhen. Dieses Verfahren ermöglicht aber nur eine beschränkte
Förderung, die die Weite der Förderleitung nicht ausnutzt, und führt leicht zur
Überanstrengung des Rohres. Die bei der vorliegenden Erfindung benutzten Schwingungen
haben mit der Elastizität des Wassers oder der Rohrwand nichts zii tun. Ihr Wesen
möge an folgendem Beispiel zunächst erläutert werden.-Wird eine unter Atmosphärendruck
stehende Saugleitung x (Abb. i) durch entsprechende Einstellung eines Steuerorgans
2 (das willkürlich als Drehschieber gezeichnet ist) mit einem unter Vakuum stehenden
Gefäß 3 verbunden und dadurch plötzlich ebenfalls unter Vakuum gebracht, so kommt
die aufsteigende Wassersäule bei Erreichung der dem statischen Gleichgewicht entsprechenden
Höhe noch nicht zur Ruhe, sondern sie schwingt infolge ihrer lebendigen Kraft -
ebenso wie ein Pendel -wesentlich darüber hinaus. Die Rechnung zeigt, daß die Aufwärtsbewegung
erst bei der doppelten Höhe beendet ist, die dem Atmosphärendruck A abzüglich des
Windkesseldruckes la", (beides in Meter Wassersäule) entspricht, also erst bei 2
(A-h",). Man kann somit das Wasser bei einer Höhe y > (A -h") in den
Windkessel fließen lassen.
-
Wenn man nun im Augenblick des Beginns der Abwärtsbewegung das Steuerorgan
2 in die Stellung 2", (vgl. die Nebenfigur zu Abb. i) bringt, so wird der atmosphärische
Druck in die Saugleitung eindringen und dadurch die Wassersäule zu einer beschleunigten
Abwärtsbewegung zwingen. Bringt man nun das Steuerorgan nach einer gewissen Absenkung
der Saugsäule in die Stellung 2, (Nebenfigur zii Abb. i), wobei also die drei Räume:
Jlußere Atmosphäre, Steigleitung und '\Vindkessel voneinander getrennt sind, so
wird offenbar die in der Steigleitung
eingeschlossene Luft expandieren,
und es wird durch geeignete Wahl des Zeitpunktes dieser Verstellbewegung leicht
ermöglicht, daß die Wassersäule gerade dann ihre tiefste Stellung erreicht, wenn
die Luft auf den Windkesseldruck expandiert ist. In diesem Augenblick bringt man
das Steuerorgan wieder in die Stellung 2, so daß der Windkesselraum 3 wieder angeschlossen
ist und die aufwärts schwingende Säule in den Windkesselraum ausgießt.
-
Der Druckverlauf im Steigrohr ist durch das Diagramm a b c
d in Abhängigkeit der jeweiligen Höhenlage des Wasserspiegels, also gewissermaßen
als Indikatordiagramm, angegeben (Abb. r). Linie c-d entsteht bei der Steuerstellung
2, d. h. der Periode des Aufsteigens, Linie a-b bei der Steuerstellung 2, d. h.
der ersten Periode des Niedergangs, während welcher atmosphärische Luft eintritt,
Linie b-c bei der Steuerstellung ab, d. h. der zweiten Periode des Niedergangs.
-
Damit im Augenblick der Bewegungsumkehr im Steigrohr der Windkesseldruck
h", herrscht, kann man auch den Windkesseldruck oder die Eintauchtiefe z entsprechend
wählen. Ein kleiner Druckabfall ist aber unwesentlich, und auch große Druckabfälle
beeinträchtigen die richtige Aufeinanderfolge der Arbeitsspiele nicht. Man kann
sogar die Stellung 2b des Steuerorgans ganz umgehen, d. h. unmittelbar von 2b auf
2 umschalten, wobei dann die Luft im Steigrohr bei Beginn des Aufwärtsgangs mit
atmosphärischem Druck in den Windkessel überpufft und das Indikatordiagramm in das
Rechteck a c c d
übergeht (Volldrucl.:diagramm). Die Diagrammfläche, also
auch die erzielbare Förderleistung, wird hier sogar ein Maximum.
-
Sieht man zunächst von der Reibung ab, so lassen sich bei der Inbetriebsetzung
die aufeinanderfolgenden Ausschläge bis zu jeder gewünschten Förderhöhe steigern,
da die Arbeit der hinzutretenden Frischluft sich so lange in Schwingungsenergie
umsetzt, bis Wasserförderung eintritt. Iin Beharrungszustand ist die geleistete
Förderarbeit gleich der Luftarbeit. Durch dieses anfängliche Aufschaukeln der Schwingungsausschläge
kann die erzielbare Saughöhe also wesentlich über die oben genannte doppelte statische
Saughöhe hinaus vergrößert werden, die nur beim ersten Ausschlag maßgebend ist.
Eine solche Steigerung setzt nur voraus, daß man die Eintauchtiefe z des Heberrohrs
entsprechend vergrößert, damit die Schwingungswege, also auch der Inhalt des Indikatordiagramms
a b c d bzw. a. c c d, wachsen können. Wegen der Reibung wird man
aber bestimmte Grenzen des Schwingungsausschlags nicht überschreiten.
-
Um auch die Geschwindigkeitsliölien des oben und unten aus dem Steigrohr
leeraustretenden Wassers zurückzugewinnen, kann man am oberen und unteren Rohrende
eine konische Erweiterung 5 mit einem für Verlangsamungen genügend kleinen Erweiterungswinkel
vorsehen. Auch die Fallhöhe x des Wassers im Windkessel, die eine Verlusthöhe ist,
kann man vermeiden, wenn man gemäß Abb. 2 die Ausgußöffnung durch eine Rückschlagklappe
9 abschließt und das Nebenrohr zo vorsieht.
-
Das geförderte und in den Windkessel 3 gelangte Wasser wird bei 6
durch eine Pumpe oder eine Heberleitung entnommen, während bei 7 die Absaugung der
Luft mittels einer Vakuumpumpe zu geschehen hat. Man kann naturgemäß auch Luft und
Wasser durch eine einzige Pumpe bekannter Bauart (Naßluftpumpe) entnehmen.
-
Das rechtzeitige Umschalten des Steuerorgans 2 kann in Abhängigkeit
von der Höhenlage des Wasserspiegels der schwingenden Wassersäule mittels Schwimmer
u. dgl. oder auch hydraulisch oder elektrisch in an sich bekannter Weise geschehen.
Der Schwimmer o. dgl. wird hierbei einen Impuls nach einem durch Wasser betätigten
Verstärker (Servomotor) geben, der die Verstellung besorgt. Man kann diesen Verstärker
auch vermeiden, wenn man die Energie des in den Windkessel strömenden Wasserstrahls
benutzt und diesen auf eine drehbare Umlenkschaufel 8 wirken läßt, so daß diese
sich bei Beginn des Wasseraustritts hebt, bei Beendigung senkt (gestrichelte Stellung).
Im Augenblick des Senkens wäre das Steuerorgan von 2 nach 2d zu verstellen.
Im Augenblick des Hebens kann eine Feder gespannt werden, durch deren Energie die
beiden anderen Bewegungen, ausgelöst durch Schwimmer o. dgl. oder durch Manometer,
bewirkt werden.
-
Statt die Schaltbewegung durch Schwimmer auszulösen, kann man auch
ein Pendel oder anderes schwingungsfähiges System benutzen, dessen Schwingungszahl
mit der Eigenschwingungszahl der Wassersäule in Übereinstimmung gebracht ist oder
in einem ganzzahligen Verhältnis hierzu steht. ` Das bisherige Verfahren ist insofern
noch verbesserungsbedürftig, als unter Umständen große Eintauchtiefen nötig sind
und bei der Abwärtsbewegung Wasser in den Saugbehälter zurücktritt. Diese Mängel
kann man stark mildern, wenn man zwei oder mehr Steigrohre benutzt, die im tiefsten
Punkt vereinigt sind und dort eine gemeinsame- Ansaugöffnung haben.
-
Abb. 3 veranschaulicht diese Anordnung im Fall der Verwendung zweier
Steigrohre z und zr und eines gemeinsamen Steuerorgans 2, das in den Windkesselraum
eingebaut ist. Die in den beiden Rohren befindliche Wassermenge kann man so schwingen
lassen, daß in dem einen der Rohre das `Wasser steigt, wenn es im andern fällt,
so dä.ß also das schwingende Wasser un mittelbar von einem zum anderen Rohr über
tritt.
Das Steuerorgan ist als Drehschieber in der Stellung gezeichnet, bei welcher rechts
die Wassersäule nach unten schwingt und Expansion der Luft stattfindet, während
links das Wasser in den Windkesselraum einströmt. Es braucht also durch die Saugöffnung
5 kein Wasser auszutreten, da das in den Rohren enthaltene Wasser sich gegenseitig
ergänzt. Bringt man im Augenblick des Beginnens des Absinkens der linken Säule das
Organ 2 in die Stellung 2a,, so tritt links wieder Luft ein, d. h. der Atmosphärendruck
treibt die Wassersäule nach unten, während rechts Verbindung mit dem Innern des
Windkessels hergestellt ist, so daß die rechte Säule genau so wie im Fall der Abb.
i nach oben schwingt. Ist genug atmosphärische Luft eingetreten, so bringt man die
Steuerung in die Stellung 2v der Abb. 3, wobei also links der Lufteintritt abgesperrt
ist, während rechts dem nun hier durchtretenden Wasser der volle Querschnitt geöffnet
ist.
-
Die bisher behandelten Einrichtungen brauchen kein Fußventil, was
die betriebliche Sicherheit erhöht. Im Fall der Anwendung eines einzigen Steigrohrs
(Abb. i) könnte ein solches überhaupt nicht angebracht werden. Dagegen ist seine
Hinzunahme bei Vorhandensein mehrerer Steigrohre wohl möglich und unter Umständen
zu empfehlen. In Abb. .4 ist ein Fußventil bei 13 angegeben. Es gewährt Sicherheit
dagegen, daß ein Wiederausschwingen von Wasser aus den Steigrohren in den SaugsLhacht
erfolgt. Es gibt deshalb auch größere Freiheit hinsichtlich des Verlaufs der treibenden
Kraft. Man kann beispielsweise ein Indikatordiagramm mit Vollfüllung (a e c d,
Abb. i) verwirklichen, wobei zwar die Expansion der Luft nicht ausgenutzt ist, aber
eine wesentliche Steigerung der Wasserförderung und offenbar auch= eine Vereinfachung
der Handhabung der Steuerung eintritt.
-
In Abb. 4 ist das Steuerorgan willkürlich in zwei Einzelorgane 2 und
12 aufgelöst, die miteinander gekuppelt sind, und die - im Fall der Verwendung des
Volldruckdiagramms - im Augenblick der Bewegungsumkehr der Wassersäule nur auf die
Stellung 2" und 12" gedreht zu werden brauchen. Diese Umstellung geschieht hier
am einfachsten durch Benutzung der beiden über den Steuerorganen angeordneten, schwenkbar
aufgehängten Leitschaufeln 8 und 16, da im Augenblick der Umstellung immer eine
von beiden fällt. In der Zeichnung ist der Verstellmechanismus nicht näher ausgeführt,
da die Einzelheiten unwesentlich sind. Im Fall der Anordnung mehrerer Steigrohre
in engen Bohrlöchern empfiehlt es sich, diesen eine solche Querschnittform zu geben,
daß der Bohrlochquerschnitt voll ausgenutzt wird. Denn je größer der unterzubringende
Rohrquerschnitt, um so kleiner ist die Rohrreibung. Im Fall der Anwendung von zwei
Rohren sind offenbar halbelliptische oder ähnliche Formen (Abb. 5) oder konzentrische
Rohre am Platz.