Widder-Bauanleitung (pdf) (Prof. Geraldo Lúcio Tiago Filho)
Widder-Bauanleitung (pdf) (Prof. Geraldo Lúcio Tiago Filho)
Widder-Bauanleitung (pdf) (Prof. Geraldo Lúcio Tiago Filho)
- Keine Tags gefunden...
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
CERPCH – CENTRO NACIONAL DE REFERÊNCIA EM PEQUENOS<br />
APROVEITAMENTOS HIDROENERGÉTICOS<br />
HYDRAULISCHER WIDDER<br />
WAS IST DAS<br />
UND<br />
WIE BAUT MAN EINEN<br />
<strong>Prof</strong>. <strong>Geraldo</strong> Lúcio <strong>Tiago</strong> <strong>Filho</strong><br />
Revision: <strong>Prof</strong>. Augusto Nelson Carvalho Viana<br />
CERPCH - 2002
Hydraulischer <strong>Widder</strong> 2<br />
WAS IST EIN HYDRAULISCHER WIDDER <br />
Der hydraulische <strong>Widder</strong> ist eine der einfachsten und zugleich kostengünstigsten<br />
Vorrichtungen, um Wasser zu pumpen. Er ist einfach zu handhaben und benötigt so gut wie keine<br />
Wartung. Für seine Funktion benötigt der hydraulische <strong>Widder</strong> weder elekrische Energie noch fossile<br />
Brennstoffe. Es handelt sich um eine automatisch arbeitende Maschine, die sich einen physikalischen<br />
Effekt zunutze macht, um Wasser zu pumpen.<br />
Der physikalische Effekt ist der “<strong>Widder</strong>stoß”, eine plötzliche Druckwelle, die immer dann<br />
auftritt, wenn bei einem von Wasser durchströmten Rohr plötzlich den Auslass verschlossen wird.<br />
Der hydraulische <strong>Widder</strong> geht auf den französischen Erfinder und ersten Ballonfahrer<br />
Montgolfier zurück, ist eine ganz einfache Maschine und kann entweder fertig gekauft werden oder<br />
mit einfachen Mitteln für den Einsatz in ländlichen Gebieten gebaut werden. Aus der Abbildung 1 ist<br />
ersichtlich, aus welchen Teilen der hydraulische <strong>Widder</strong> besteht:<br />
Einer Treibleitung 1<br />
Einem Stoßventil 2<br />
Einem Druckventil 3<br />
Einem Windkessel 4<br />
Einer Steigleitung 5<br />
UND WIE FUNKTIONIERT DER HYDRAULISCHE WIDDER <br />
Nach der Installation ist das Stoßventil (2) des hydraulischen <strong>Widder</strong>s durch den Druck des<br />
Wassers in der Treibleitung (1) geschlossen. Um den hydraulischen <strong>Widder</strong> in Betrieb zu nehmen,<br />
reicht es aus, das Stoßventil mit der Hand zu öffnen. Der weitere Betrieb des hydraulischen <strong>Widder</strong>s<br />
ist automatisch.<br />
Zum Anhalten des <strong>Widder</strong>s braucht nur das Stoßventil für kurze Zeit geschlossen gehalten<br />
werden.<br />
Die Größe des <strong>Widder</strong>s hängt davon ab, welche Zulaufhöhe (h) und welche Wassermenge (Q)<br />
zur Verfügung stehen.<br />
Die geförderte Wassermenge (q) hängt ihrerseits wieder von der Größe des <strong>Widder</strong>s und vom<br />
Verhältnis der Zulaufhöhe zur Förderhöhe (h/H) ab.<br />
Tabelle 1 enthält die Durchmesser der Treib- und Steigleitung, die abhängig von der<br />
verfügbaren Wassermenge (Q) erforderlich sind.<br />
Tabelle 2 enthält den Förderfaktor (R), der abhängig vom Verhältnis der Zulaufhöhe zur<br />
Förderhöhe (h/H) erreicht werden kann.<br />
Tab.1 Durchm. Treib- und Steigleitung<br />
Tab.2 Förderfaktor<br />
Förderfaktor (Fördermenge/Zulaufmenge)<br />
R<br />
Q ∅e ∅s Höhenverhältnis<br />
Treib-<br />
Steigleitung<br />
(h/H)<br />
leitungs-<br />
rohr in in Zoll<br />
Zoll<br />
Verfügbare<br />
Wassermenge<br />
(Zulauf) in l/h<br />
420 bis 900<br />
660 bis 1.560<br />
1.320 bis 2.700<br />
4.200 bis 7.200<br />
1”<br />
1 ¼”<br />
2”<br />
3”<br />
½”<br />
½”<br />
¾”<br />
1 ¼”<br />
1/2<br />
1/3<br />
1/4<br />
1/5<br />
1/6<br />
1/7<br />
1/8<br />
0,60<br />
0,55<br />
0,50<br />
0,45<br />
0,40<br />
0,35<br />
0,30<br />
Durch den Druck wird am Anfang das Druckventil (3) geöffnet und Wasser strömt in den<br />
Windkessel (4). Dadurch wird die dort befindliche Luft komprimiert, bis ein Druckausgleich entsteht.<br />
Unter dieser Bedingung ist der hydraulische <strong>Widder</strong> betriebsbereit.<br />
Dazu muss lediglich einige Male das Stoßventil (2) von Hand betätigt werden.<br />
Bei offenem Stoßventil beginnt das Wasser zunächst langsam auszufließen und mit<br />
zunehmender Ausströmgeschwindigkeit schließt das Stoßventil plötzlich.
Hydraulischer <strong>Widder</strong> 3<br />
Der mit steigender Geschwindigkeit auszufließende Wasserstrom wird schlagartig<br />
unterbrochen, was den schon erwähnten “<strong>Widder</strong>stoß” verursacht, eine Druckwelle, die sich durch<br />
den gesamten <strong>Widder</strong> und das Treibleitung (1) fortpflanzt.<br />
Durch diese Druckwelle wird das Druckventil (3) geöffnet, das nun seinerseits Wasser in den<br />
Windkessel (4) einlässt. In dem Maße, wie die Luft im Inneren dieser Kammer komprimiert wird,<br />
baut sich am Einlass ein Widerstand gegen das durch die Druckwelle einfließende Wasser auf, bis der<br />
Druck in der Kammer sich ein wenig erhöht und das Druckventil (3) dadurch wieder geschlossen<br />
wird. Das Wasser im Inneren des WIndkessels kann nun nicht mehr in den <strong>Widder</strong> zurückfließen und<br />
beginnt deshalb in der Steigleitung als einziger Auslass anzusteigen.<br />
Sofort nach dem Schließen des Druckventils kommt es zur Bildung einer negativen<br />
Druckwelle, die zur Öffnung des Stoßventils führt und damit den Beginn eines erneuten Zyklus<br />
einleitet.<br />
Im Verlauf der nachfolgenden Zyklen wird die Steigleitung (3) immer weiter durch das<br />
Komprimieren der Luft in den Windkessel (4) mit Wasser gefüllt.<br />
Abbildung 1 – Schema und Beispiel für die Installation eines hydraulischen <strong>Widder</strong>s
Hydraulischer <strong>Widder</strong> 4<br />
SO BESTIMMT MAN DIE FÖRDERMENGE<br />
Beispieldaten<br />
Verfügbare Zuflussmenge ...................................Q = 1.800 Liter je Stunde<br />
Zulaufhöhe.......... ................................................ h = 2 Meter<br />
Förderhöhe, die überwunden werden muss ....... H = 10 Meter<br />
⇒ Verhältnis zwischen Zulaufhöhe und Förderhöhe:<br />
(h/H) = 2/10 = 1/5<br />
Aus der Tabelle 2 kann nun der zum Höhenverhältnis gehörende Förderfaktor entnommen<br />
werden:<br />
R = 0,45<br />
⇒ Die erreichbare Fördermenge kann nun anhand der nachstehenden Formel berechnet werden:<br />
q = Q ⋅⎛ h ⎝ ⎜ ⎞<br />
⎟ ⋅<br />
H ⎠<br />
R<br />
oder:<br />
wobei: Q = 1.800 Liter/h<br />
h = 2 Meter<br />
H = 10 Meter<br />
R = 0,45<br />
⎛<br />
q = 1.800 ⋅ ⎜<br />
⎝<br />
2<br />
10<br />
⎞<br />
⎟ ⋅ 0,45<br />
⎠<br />
oder: q = 162 Liter pro Stunde
Hydraulischer <strong>Widder</strong> 5<br />
SO BESTIMMT MAN, WIEVIEL WASSER GEBRAUCHT WIRD<br />
Als “Pi-mal-Daumen”-Richtwerte enthält die Tabelle 3 den “ungefähren Wasserbedarf in<br />
ländlicher Umgebung”, und liefert uns somit die für eine Dimensionierung erforderlichen Werte. Der<br />
Wasserbedarf hängt stark davon ab, was und wieviel an Tieren gehalten wird und wie groß die zu<br />
bewässernde Fläche ist. Bitte beachten, dass der Bedarf immer “pro Kopf” angegeben ist.<br />
Tab. 3 – Ungefährer Wasserverbrauch in ländlicher Umgebung<br />
Wofür<br />
Liter pro Tag<br />
Haushalt, je Person 70 bis 100<br />
Geflügel – pro Kopf 0,2 bis 0,3<br />
Ziegen – pro Kopf 4 bis 5<br />
Schweine – pro Kopf 5 bis 8<br />
Rinder – pro Kopf 30 bis 35<br />
Pferde – pro Kopf 35 bis 50<br />
Schweine, Stallhaltung – pro Kopf 12 bis 15<br />
Gemüse, Blumen – je m 2 3 bis 5<br />
BEISPIEL FÜR DIE DIMENSIONIERUNG EINES HYDRAULISCHEN WIDDERS<br />
⇒ Kleiner Landwirtschaftbetrieb:<br />
Haushalt 6 Pers. x 100 Liter pro Tag = 600 Liter pro Tag<br />
Hühnerstall 100 Hühner x 0,3 Liter pro Tag = 30 Liter pro Tag<br />
Schweinestall 20 Schwe. x 15 Liter pro Tag = 300 Liter pro Tag<br />
Weide 15 Rinder x 30 Liter pro Tag = 450 Liter pro Tag<br />
Gemüsegarten 200 m 2 x 4 Liter pro Tag = 800 Liter pro Tag<br />
GESAMT<br />
= 2.180 Liter pro Tag<br />
⇒ Daraus ergibt sich eine Mindestförderleistung von:<br />
2.180<br />
q = 2.180 Litern protag =<br />
24<br />
= 90,83 Liter pro Stunde<br />
⇒ Geländedaten:<br />
Zulaufhöhe: h = 2,5 Meter<br />
Förderhöhe H = 15 Meter<br />
q = 90,83 Liter pro Stunde<br />
• Verhältnis von Zulauf zu Förderhöhe:<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
h<br />
H<br />
⎞<br />
⎟ =<br />
⎠<br />
2,5<br />
15<br />
=<br />
1<br />
6<br />
• Förderfaktor:<br />
gemäß Tabelle 2 für<br />
⎛ h ⎞<br />
⎜ ⎟ =<br />
⎝ H ⎠<br />
1<br />
6<br />
→ R = 0,4<br />
• Mindestwassermenge, die für die benötigte Fördermenge am Zulauf vorhanden sein muss:<br />
q<br />
Q .<br />
R<br />
⎛<br />
. ⎜<br />
⎝<br />
h<br />
H<br />
⎞ 90,83 ⎛ 15 ⎞<br />
⎟ = . ⎜ ⎟ = 1.362,45 Liter pro Stunde<br />
⎠ 0,40 ⎝ 25 ⎠<br />
Q = 1.362,45 Liter pro Stunde
Hydraulischer <strong>Widder</strong> 6<br />
• Aus Tabelle 1 können wir nun entnehmen, welche Durchmesser wir für die Treib- bzw. die<br />
Steigleitung benötigen: bei Q = 1.362,45 Litern pro Stunde benötigen wir:<br />
Durchmesser Treibleitung: ∅e = 1 ¼" Durchmesser Steigleitung: ∅s = ½"<br />
Die Größe eines industriell gefertigten hydraulischen <strong>Widder</strong>s wird abhängig vom Durchmesser des<br />
Ein- und Ausgangs angegeben. Anhand der folgenden Tabelle 4 kann nun die benötigte Größe des<br />
hydraulischen <strong>Widder</strong>s bestimmt werden.<br />
Tab. 4 – Größen und Eigenschaften industriell gefertigter hydraulischer <strong>Widder</strong>.<br />
Hersteller: Cleverson, Queiroz Júnior und Marumby.<br />
Hersteller: Jordão
Hydraulischer <strong>Widder</strong> 7<br />
SO BAUT MAN EINEN HYDRAUL. WIDDER AUS INSTALLATIONSMATERIAL<br />
Mit den aus der Tabelle 1 gewonnenen Durchmessern für Treibleitung und Steigleitung kann<br />
man sich nun das Material aus Tabelle 5 im Baumarkt besorgen. Abbildung 2 zeigt ein Foto der Teile.<br />
Tab. 5 – Erforderliches Material für den Bau eines hydr. <strong>Widder</strong>s mit Zulauf-∅ zwischen 1”, 2” u. 3”.<br />
Teil Nr.<br />
Material<br />
Treibleitungsdurchmesser Menge<br />
1” 2” 3”<br />
1 2-Liter-PET-Flasche ------ ------ ------ 1<br />
2 Flaschendeckel mit Bohrung ∅ 15mm ------ ------ ------ 1<br />
3 Adapterbuchse ------ 1” auf ¾” 2” auf ¾” 1<br />
4 PVC T-Stück, weiß mit Gewinde ¾” 1” 1” 1<br />
5 Adapterbuchse, PVC, weiß mit Gewinde ¾” auf ½” 1” auf ¾” 2” auf 1” 1<br />
6 Schlauchadapter, schwarz ½” ¾” 1” 1<br />
7 Verbindungsstück, PVC, weiß ¾” 1” 2” 1<br />
8 Adapterbuchse, PVC, weiß mit Gewinde 1” auf ¾” 2” auf 1” 3” auf 2” 1<br />
9 Rückschlagventil für Vertikalbetrieb, 1” 2” 3” 1<br />
Messing (Hersteller und Teilenr. Docol) 30101000 30102000 30103000<br />
10, 12 Verbindungsstück, galvanisert 1” 2” 3” 2<br />
11 T-Stück, galvanisisert 1” 2” 3” 1<br />
13 Brunnenansaugventil, Messing (Hersteller 1” 2” 3” 1<br />
Docol, Teilenummer Docol)<br />
30011000 30012000 30013000<br />
14 Schraubemit 3 Muttern und einer<br />
5/16 oder 5/16 oder 5/16 oder 1<br />
Beilegscheibe, Messing<br />
M8 M8 M8<br />
15 Feder aus der Toilettenspülkasten-<br />
Betätigung (Hersteller Hydra)<br />
1<br />
Nun kann mit dem Zusammenbau der Teile gemäß Abbildung 2 begonnen werden, an dessen<br />
Ende man einen hydraulischen <strong>Widder</strong> gebaut hat, der vollständig aus Rohrleitungszubehör besteht<br />
(von der PET-Flasche einmal abgesehen).<br />
Besonderer Augenmerk ist dabei der Montage des Stoßventils (Teil Nr. 13 in Tabelle 5) zu<br />
schenken.<br />
Damit der Verschluss dieses Ventils als Stoßventil einwandfrei funktioniert, müssen die<br />
nachstehend beschriebenen Modifikationen am Ventil vorgenommen werden.<br />
1- Den unteren Deckel des zum Ventil gehörenden Ansaugkorbs mit einem Bohrer durchbohren.<br />
Der Durchmesser des Bohrer ist so zu wählen, dass anschließend ein Gewinde für die<br />
Schraube (Teil Nr. 14) in die Bohrung geschnitten werden kann (5/16" oder M8).<br />
2- Das Gewinde in die Bohrung schneiden.<br />
3- Eine der 3 Muttern bis zur Mitte auf die Schraube (Nr. 14) aufschrauben.<br />
4- Die Schraube (Nr. 14) nun von außen in das unter 2 geschnittene Gewinde eindrehen, bis die<br />
Mutter an den Boden des Ansaugkorbs stößt.<br />
5- Am freien Ende der Schraube (im Ansaugkorb) zwischen zwei Muttern die Beilegscheibe<br />
befestigen.<br />
6- Den Ansaugkorb wieder auf das Ansaugventil (Nr. 13) schrauben und dabei die Feder (Nr.<br />
15) zwischen die Beilegscheibe am Schraubenende und den Verschluss des Ansaugventils<br />
setzen. Die Feder drückt nach dem “<strong>Widder</strong>stoß” das Ventil wieder auf, bis es vom<br />
fließenden Wasser erneut geschlossen wird.<br />
Die Federkraft der Feder (Nr.15) muss im Betrieb so justiert werden, dass der “Pumpeffekt”<br />
des <strong>Widder</strong>s möglich groß wird, d. h. die Fördermenge pro Zeiteinheit möglichst hoch ist. Dazu die<br />
“Kontermutter” außen am Boden des Ansaugsiebs lösen und die Schraube versuchsweise nach innen<br />
oder außen drehen. Anschließend die Schraube mit der “Kontermutter” wieder sichern.
Hydraulischer <strong>Widder</strong> 8<br />
Abbildung 2 – Hydraulischer <strong>Widder</strong> mit PET-Flasche (Teil 11 ist hier noch in PVC!)<br />
Abbildung 3 – Fertig montierter hydraulischer <strong>Widder</strong> mit PET-Flasche (Justierschraube fehlt noch)
Hydraulischer <strong>Widder</strong> 9<br />
WICHTIGE EMPFEHLUNGEN<br />
1) Treibleitung:<br />
Die Länge der Treibleitung L Q kann mit nachstehender Formel berechnet werden:<br />
Für das vorige Beispiel:<br />
H = 15 Meter<br />
h = 2,5 Meter<br />
⎛ H ⎞<br />
L Q = ⎜ .0,3⎟<br />
+ H<br />
⎝ h ⎠<br />
⎛ 15 ⎞<br />
L Q = ⎜ .0,3⎟<br />
+ 15 = 16, 8<br />
⎝ 2,5 ⎠<br />
Meter<br />
⇒ Die Treibleitung muss so gerade wie nur möglich verlaufen, sollte weder Bogenstücke noch Knie<br />
aufweisen, um dem Wasserfluss so wenig Reibung wie möglich entgegenzubringen.<br />
⇒ Die Treibleitung sollte in der Quellfassung oder dem aufgestauten Bach mindestes 30 cm unterhalb<br />
der Wasseroberfläche liegen, so dass keine Luft angesaugt werden kann. der Einlass sollte<br />
trichterförmig erweitert sein, um die Strömungsverhältnisse zu verbessern und mit einem Gitter<br />
abgedeckt werden, denn mit dem Masser angesaugte Blätter, Ästchen etc. können die Funktion der<br />
Ventile beeinträchtigen.<br />
⇒ Die Treibleitung sollte idealerweise ein galvanisiertes Stahlrohr sein. PVC-Rohre oder andere<br />
Materialien “federn” zu stark und können, abgesehen davon, dass der Wirkungsgrad des <strong>Widder</strong>s<br />
dadurch stark sinkt, im Extremfall durch die “<strong>Widder</strong>stöße” sogar platzen..<br />
2) Steigleitung:<br />
⇒ Die Länge der Steigleitung Lq darf maximal die zehnfache Länge der Treibleitung L Q aufweisen.<br />
In unserem Beispiel also:<br />
Lq = 10. L Q = 10 .16,8 = 168 Meter<br />
Wenn die Länge der Steigleitung Lq größer sein muss, als die zehnfache Länge der<br />
Treibleitung L Q , muss der Durchmesser der Steigleitung vergrößert werden.<br />
⇒ Auch in der Steigleitung sind nach Möglichkeit Knie oder Bogenstücke zu vermeiden, um die<br />
Verluste durch Reibung einzuschränken.<br />
Außerdem empfiehlt sich der Einsatz eines Rückschlagventils direkt am Beginn der Steigleitung.<br />
CERPCH – Centro Nacional de Referência em Pequenos Aproveitamentos Hidroenergéticos<br />
Av. BPS, 1303. Cx. P. 50 - Itajubá - MG. CEP 37500-000<br />
Fone: (035) 629 1157 - Fax: (035) 629 1265