Ein traditioneller hydraulischer Widder hat nur zwei bewegliche Teile, ein feder- oder gewichtsbelastetes „Abfall“-Ventil, das manchmal auch als „Klack“-Ventil bezeichnet wird, und ein „Förder“-Rückschlagventil, wodurch er billig zu bauen, einfach zu warten und sehr zuverlässig ist.
Der hydraulische Widder von Priestly, der in der Encyclopedia Britannica 1947 ausführlich beschrieben wird, hat keine beweglichen Teile. HINWEIS: Diese Pumpe behauptet, keine beweglichen Ventile zu haben und verwendet Hochdruckluft, so dass es sich in Wirklichkeit um eine Pulser-Pumpe handeln könnte.
ArbeitsablaufBearbeiten
1. Einlass – Antriebsleitung
2. freier Durchfluss am Ablassventil
3. Auslass – Druckleitung
4. Ablassventil
5. Druckrückschlagventil
6. Druckbehälter
Ein vereinfachter Hydraulikzylinder ist in Abbildung 2 dargestellt. Zu Beginn ist das Abfallventil aufgrund seines Eigengewichts geöffnet (d.h. abgesenkt), und das Druckventil ist unter dem Druck, der durch die Wassersäule aus dem Auslass verursacht wird, geschlossen. Das Wasser im Einlassrohr beginnt unter der Schwerkraft zu fließen und nimmt Geschwindigkeit und kinetische Energie auf, bis die zunehmende Widerstandskraft das Gewicht des Abfallventils anhebt und es schließt. Der Impuls des Wasserstroms in der Zulaufleitung gegen das nun geschlossene Ablassventil verursacht einen Wasserschlag, der den Druck in der Pumpe über den Druck anhebt, der durch die vom Auslass herabdrückende Wassersäule verursacht wird. Diese Druckdifferenz öffnet nun das Druckventil und zwingt etwas Wasser in die Druckleitung zu fließen. Da dieses Wasser durch die Druckleitung weiter bergauf gedrückt wird, als es von der Quelle bergab fällt, verlangsamt sich der Durchfluss; wenn sich der Durchfluss umkehrt, schließt das Druckrückschlagventil. In der Zwischenzeit erzeugt der Wasserschlag, der durch das Schließen des Ablassventils entsteht, einen Druckimpuls, der sich in der Zuleitung zurück zur Quelle ausbreitet, wo er sich in einen Saugimpuls umwandelt, der sich in der Zuleitung zurück ausbreitet. Dieser Saugimpuls zieht mit dem Gewicht oder der Feder am Ventil das Ablassventil wieder auf und ermöglicht den erneuten Beginn des Prozesses.
Ein Druckbehälter, der Luft enthält, dämpft den hydraulischen Druckstoß beim Schließen des Ablassventils und verbessert außerdem den Wirkungsgrad der Pumpe, indem er einen konstanteren Durchfluss durch die Förderleitung ermöglicht. Zwar könnte die Pumpe theoretisch auch ohne ihn arbeiten, aber der Wirkungsgrad würde drastisch sinken und die Pumpe wäre außergewöhnlichen Belastungen ausgesetzt, die ihre Lebensdauer erheblich verkürzen könnten. Ein Problem ist, dass sich die Druckluft allmählich im Wasser auflöst, bis keine mehr vorhanden ist. Eine Lösung für dieses Problem ist die Trennung der Luft vom Wasser durch eine elastische Membrane (ähnlich einem Ausdehnungsgefäß); diese Lösung kann jedoch in Entwicklungsländern problematisch sein, wo Ersatz schwer zu beschaffen ist. Eine andere Lösung ist ein Entlüftungsventil, das in der Nähe der Antriebsseite des Förderventils installiert ist. Dieses saugt automatisch jedes Mal eine kleine Menge Luft an, wenn sich das Förderventil schließt und ein Teilvakuum entsteht. Eine andere Lösung besteht darin, einen Schlauch eines Auto- oder Fahrradreifens in den Druckbehälter einzuführen, in dem sich etwas Luft befindet und das Ventil geschlossen ist. Dieser Schlauch ist im Prinzip das Gleiche wie die Membran, wird aber mit leichter verfügbaren Materialien realisiert. Die Luft im Schlauch dämpft den Stoß des Wassers genauso ab wie die Luft in anderen Konfigurationen.
Wirkungsgrad
Ein typischer Wirkungsgrad liegt bei 60%, aber bis zu 80% sind möglich. Dies ist nicht zu verwechseln mit dem volumetrischen Wirkungsgrad, der das abgegebene Wasservolumen ins Verhältnis zum gesamten entnommenen Wasser setzt. Der Anteil des Wassers, der an der Förderleitung zur Verfügung steht, wird durch das Verhältnis der Förderhöhe zur Zulaufhöhe reduziert. Wenn also die Quelle 2 Meter über dem Stößel liegt und das Wasser auf 10 Meter über dem Stößel angehoben wird, können nur 20 % des zugeführten Wassers zur Verfügung stehen, die anderen 80 % werden über das Abfallventil verschüttet. Diese Verhältnisse gehen von 100 % Energieeffizienz aus. Das tatsächlich gelieferte Wasser wird um den Energieeffizienzfaktor weiter reduziert. Wenn im obigen Beispiel die Energieeffizienz 70 % beträgt, beträgt das gelieferte Wasser 70 % von 20 %, d. h. 14 %. Unter der Annahme eines Verhältnisses von Förderhöhe zu Zulaufhöhe von 2:1 und einem Wirkungsgrad von 70 % würde das gelieferte Wasser 70 % von 50 %, also 35 % betragen. Sehr hohe Verhältnisse von Förderhöhe zu Zulaufhöhe führen in der Regel zu einer geringeren Energieeffizienz. Lieferanten von Widdern stellen oft Tabellen zur Verfügung, die erwartete Volumenverhältnisse auf der Grundlage tatsächlicher Tests angeben.
Antriebs- und Förderrohrdesign
Da sowohl der Wirkungsgrad als auch der zuverlässige Zyklus von den Wasserschlag-Effekten abhängen, ist das Design des Antriebsrohrs wichtig. Es sollte zwischen 3 und 7 mal länger sein als der vertikale Abstand zwischen Quelle und Stößel. Kommerzielle Widder können ein Eingangsfitting haben, das für dieses optimale Gefälle ausgelegt ist. Der Durchmesser des Zuleitungsrohrs entspricht normalerweise dem Durchmesser des Eingangsfittings an der Ramme, der sich wiederum nach deren Pumpleistung richtet. Das Antriebsrohr sollte einen gleichbleibenden Durchmesser und ein gleichbleibendes Material haben und so gerade wie möglich sein. Wo Biegungen notwendig sind, sollten sie glatte Kurven mit großem Durchmesser sein. Sogar eine große Spirale ist erlaubt, aber Krümmer sind zu vermeiden. PVC wird in einigen Installationen funktionieren, aber Stahlrohr wird bevorzugt, obwohl es viel teurer ist. Wenn Ventile verwendet werden, sollten sie ein Typ mit freiem Durchfluss sein, wie z.B. ein Kugelhahn oder ein Schieber.
Die Druckleitung ist viel weniger kritisch, da der Druckbehälter verhindert, dass Wasserschlag-Effekte sie hinaufwandern. Ihre Gesamtkonstruktion wird durch den zulässigen Druckabfall auf der Grundlage des erwarteten Durchflusses bestimmt. Normalerweise ist die Rohrgröße etwa halb so groß wie die der Versorgungsleitung, aber bei sehr langen Strecken kann eine größere Größe angezeigt sein. PVC-Rohre und alle erforderlichen Ventile sind kein Problem.
Betriebsstart
Ein Stößel, der neu in Betrieb genommen wurde oder der aufgehört hat zu laufen, sollte automatisch starten, wenn das Gewicht des Ablassventils oder der Federdruck richtig eingestellt ist: Wenn sich das Abfallventil in der angehobenen (geschlossenen) Position befindet, muss es von Hand in die offene Position heruntergedrückt und losgelassen werden. Wenn der Durchfluss ausreichend ist, wird es dann mindestens einmal takten. Wenn es nicht weiter taktet, muss es wiederholt nach unten gedrückt werden, bis es von selbst kontinuierlich taktet, normalerweise nach drei oder vier manuellen Zyklen. Wenn der Stempel mit dem Ablassventil in der unteren (offenen) Position stehen bleibt, muss er manuell angehoben und so lange oben gehalten werden, bis sich die Zuleitung mit Wasser gefüllt hat und etwaige Luftblasen die Leitung zur Quelle hinaufgezogen sind. Dies kann je nach Länge und Durchmesser der Zuleitung einige Zeit dauern. Dann kann es manuell gestartet werden, indem es wie oben beschrieben einige Male nach unten gedrückt wird. Ein Ventil an der Zufuhrleitung an der Ram erleichtert das Starten. Schließen Sie das Ventil, bis die Ram anfängt zu laufen, und öffnen Sie es dann allmählich, um die Förderleitung zu füllen. Wenn es zu schnell geöffnet wird, stoppt der Zyklus. Sobald die Druckleitung voll ist, kann das Ventil offen gelassen werden.
Gängige Betriebsprobleme
Wenn nicht genügend Wasser gefördert wird, kann das an einer falschen Einstellung des Ablassventils liegen, an zu wenig Luft im Druckbehälter oder einfach an dem Versuch, das Wasser höher zu fördern, als es die Ramme kann.
Die Ramme kann durch Einfrieren im Winter oder durch Luftverlust im Druckbehälter beschädigt werden, was zu einer übermäßigen Belastung der Teile der Ramme führt. Diese Ausfälle erfordern Schweiß- oder andere Reparaturmethoden und möglicherweise den Austausch von Teilen.
Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine in Betrieb befindliche Ramme gelegentlich neu gestartet werden muss. Der Zyklus kann aufgrund einer schlechten Einstellung des Ablassventils oder eines unzureichenden Wasserflusses an der Quelle stoppen. Luft kann eindringen, wenn der Wasserstand nicht mindestens ein paar Zentimeter über dem Eingangsende der Versorgungsleitung liegt. Andere Probleme sind die Verstopfung der Ventile durch Verunreinigungen oder eine unsachgemäße Installation, wie z. B. die Verwendung eines Versorgungsrohrs mit uneinheitlichem Durchmesser oder Material, das scharfe Biegungen oder eine raue Innenseite aufweist, oder eines Rohrs, das für das Gefälle zu lang oder zu kurz ist oder aus einem nicht ausreichend festen Material besteht. Ein PVC-Versorgungsrohr funktioniert in einigen Installationen, ist aber nicht so optimal wie Stahl.