Diskussion:Wassersäulenmaschine

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Funktionsbeschreibung unverständlich[Quelltext bearbeiten]

Sorry, ich bin zwar Ingenieur, aber die Funktionsbeschreibung finde ich vollkommen unverständlich. Außerdem gehört die ziemlich an den Anfang. Ich phantasiere mir mal was zusammen: Die Maschine nutzt die potentielle Energie des Aufschlagwassers. Das müßte in etwa so funktionieren: Der Wasserdruck treibt einen Linearkolben über das Hubvolumen unter Arbeitsleistung an. Die gewonnene Arbeit pro Hub ist Hubvolumen V mal Druck p. Da p=ρ*g*H mit Fallhöhe H, wird dabei genau die zugehörige potentielle Energie E=V*p=V*ρ*g*H=m*g*H der im Hubvolumen umgesetzten Wassermasse m gewonnen. Am Ende des Arbeitstaktes wird durch die Ventilsteuerung die Druckwasserzufuhr zum Arbeitszylinder automatisch abgesperrt und der Wasserauslaß geöffnet, woraufhin das Wasser drucklos und ohne Arbeitsleistung ausgestoßen wird. (Theoretisch könnte die Maschine auch noch bis knapp zehn Meter oberhalb des Wasserabflusses angeordnet sein, wodurch sich der Aufschlagwasserdruck entsprechend verringert, aber dafür der durch ein Saugrohr entstehende Unterdruck genutzt werden kann. Wenn sich die Maschine unterhalb des Wasserablaufs befindet, z. B. tief unten im Schacht, können sowohl Wasserzulauf- als auch -ablaufleitung druckbeaufschlagt sein. Für die Arbeitsleistung maßgeblich ist dann der Differenzdruck, der sich aus dem Höhenunterschied zwischen dem Zulaufwasserreservoir und dem Austritt des Ablaufwassers ergibt.) Der Arbeitskolben kann wie bei einer Dampfmaschine einfach- oder doppelwirkend ausgeführt sein; in letzterem Fall wird er von beiden Seiten abwechselnd mit Druckwasser beaufschlagt. Je nach Bewegungsrichtung des Kolbens kann die W. als Arbeitsmaschine oder Wasserpumpe arbeiten. Zur bergmännischen Wasserhaltung bietet es sich deswegen an, den Arbeitskolben mit einem Pumpkolben geeigneten Querschnitts starr zu koppeln, der die Arbeitsleistung nutzt, um Grubenwasser auf Druck zu bringen, um es dann gemeinsam mit dem Arbeitsabwasser zu heben. Grundsätzlich gilt, daß die dem gehobenen Grubenwasser zugeführte potentielle Energie nicht größer als die dem Treibwasser entnommene sein kann. Daher ist das Verhältnis der gehobenen Wassermenge zur Treibwassermenge reziprok zum Verhältnis der Hubhöhe zur nutzbaren Fallhöhendifferenz. Wenn z. B. ein Kubikmeter Wasser über 100 m gehoben werden soll und zwischen Treibwasserreservoir und Abfluß ein Höhenunterschied von 10 m besteht, dann sind dafür mindestens zehn Kubikmeter Treibwasser erforderlich. --95.116.146.203 08:35, 13. Jan. 2022 (CET)[Beantworten]

Im Großen und Ganzen gut verstanden. Allerdings sind bei der Betrachtung einen Kubikmeter Wasser 100 Meter zu heben, indem man 10 m³ aus einer Fallhöhe von 10 m über die Anlage schickt, die Reibungsverluste nicht berücksichtigt. Darüber hinaus ist es aufgrund der Kavitation nicht möglich, 10 m hoch Wasser zu saugen. Für einen neuen Formulierungsvorschlag des betreffenden Abschnittes wäre ich dankbar.
Im Prinzip ist die Wassersäulenmaschine nichts anderes als eine Dampfmaschine. Nur läuft sie eben nicht mit dem heißen Dampfdruck, sondern mit dem Druck des kalten Wassers. Und da erhebliche Massen in Bewegung sind, läuft die Wassersäulenmaschine sehr langsam. Grüße --JuTe CLZ (Diskussion) 20:44, 13. Jan. 2022 (CET)[Beantworten]
Ich hatte den Artikel mal vor über 10 Jahren geschrieben und in den Folgejahren weiter ergänzt und weiter überarbeitet. Dann kam ein Nutzer der unter wechselnder IP Ergänzungen zu den Standorten noch erhaltener WS Maschinen machte. Das Ganze ohne jegliche quellen. Nachdem ich ihm geraten habe Belege nachzureichen hat er die teilweise doppelt unter Literatur und unter Einzelnachweise eingefügt. Vielleicht hat ja mal jemand, JuTe CLZ wie wäre es mit Dir, Zeit und Lust um da etwas aufzuräumen und doppeltes zu entfernen. Ich bin z.Z. in elektrischen Gefilden unterwegs. Glückauf --Pittimann Glückauf 10:56, 14. Jan. 2022 (CET)[Beantworten]
Ja, natürlich gibt es Reibungsverluste, deshalb schrieb ich ja auch "mindestens zehn Kubikmeter Treibwasser". Aber gesaugt zu werden braucht nichts, wenn die Maschine unten im Schacht steht (aber war das denn so?), und deswegen schrieb ich auch: "Wenn sich die Maschine unterhalb des Wasserablaufs befindet, z. B. tief unten im Schacht, können sowohl Wasserzulauf- als auch -ablaufleitung druckbeaufschlagt sein. Für die Arbeitsleistung maßgeblich ist dann der Differenzdruck, der sich aus dem Höhenunterschied zwischen dem Zulaufwasserreservoir und dem Austritt des Ablaufwassers ergibt." Nützt aber natürlich nichts, die W. mit heutigem Ingenieurwissen neuzukonstruieren, man muß sich schon an die historischen Gegebenheiten halten. Die spannende Frage ist jeweils: warum haben sie es genau so gemacht - gab es zwingende Gründe, oder wußten sie es nicht besser? (Z. B. könnte ein Grund für eine übertägige Anordnung sein, daß die Maschine dort zu Wartungszwecken leichter zugänglich ist und bei Grubenunglücken - Schachteinsturz oder Wassereinbruch - nicht beschädigt wird oder verloren geht. Außerdem wollte man vielleicht auch keine Treibwasserleitungen im Schacht haben, die bei einem Rohrbruch den Schacht absaufen lassen können.) Trotzdem eine interessante Frage: wie wurde Wasser über mehr als 10 m gehoben? (Es gibt so eine "Blubberapparatur": Druckluft wird unten in ein Wasser gefülltes senkrechtes Rohr gepumpt, und die aufsteigenden Luftblasen reißen Wasser mit. Ist aber umständlich: man braucht ein U-Rohr, dessen Tiefpunkt somit erheblich unterhalb der Wasserentnahmestelle liegen muß, d. h. es muß abgeteuft werden. Dieses Rohr läuft von der Entnahmestelle aus über den absteigenden Schenkel voll. Wenn nun unten in den aufsteigenden Schenkel Luft eingeblasen wird, dann hat die Wasser-Luft-Mischung darin eine niedrigere mittlere Dichte, entsprechend kann der Wasserstand darin dann höher als im Zulauf liegen. Um die Höhendifferenz wird das Wasser also gehoben. Von dort aus kann man einen zweiten Siphon mit größerer Höhe beschicken, der dann das Wasser noch einmal im Verhältnis höher anheben kann. Abschätzung: angenommen, man verwendet 9 l Luft pro l zu hebendem Wasser, dann hat man eine Mischungsdichte von 0,1. Bei 10 m Höhe des absteigenden Schenkels erreicht man so eine Höhe von 100 m des aufsteigenden, also netto eine Hebung um 90 m. (Alles etwas sehr grob gerechnet, weil Luft kompressibel ist und bei 10 bar auf 1/10 ihres Volumens zusammengedrückt ist.) Aber hat man das denn so gemacht? kA) --77.6.37.80 05:12, 17. Jan. 2022 (CET)[Beantworten]
Die Wassersäulenmaschine des Kaiser-Wilhelm-Schachtes stand 364 m unter Tage. Das ist das Niveau des Ernst-August-Stollens, hier konnte das Wasser also im freien Gefälle abfließen. Wie weit man das Problem "Kavitation" bereits wusste, ist mir nicht bekannt und auch nicht, ob bereits bekannt war, dass man die Maschine auch tiefer unter Tage hätte plazieren können. Gegen Letzteres sprach in jedem Fall das Problem der deutlich längeren Rohrleitungen und damit höheren Investitionskosten und auch Rohrreibungsverlusten. Darüber hinaus gab es beim Wilhelmschacht auch noch das Problem, dass man die Fahrkunst von unten in Bewegung bringen musste und damit auf 364 m Höhe das Gestänge der Fahrkunst unter Druckkraft setzte, was statisch mit weiteren Problemen (Knicken) verbunden ist.
Der große Vorteil einer Wassersäulenmaschine gegenüber dem Wasserrad war, dass sie auch ein Gefälle von mehreren hundert Metern gut verwerten konnte, wofür es sonst zwanzig oder dreißig riesige Wasserräder gebraucht hätte. --Hahnenkleer (Diskussion) 08:29, 17. Jan. 2022 (CET)[Beantworten]
Das liest sich alles logisch. Es ist nur insofern mit Vorsicht zu genießen, weil nicht so klar ist, ob das Überlegungen aus heutigem Wissen heraus sind oder aus dokumentierten zeitgenössischen Projektierungsgrundsätzen. (Es könnte theoretisch Werksunterlagen und Fachaufsätze in Zeitschriften oder Büchern geben, die sich finden lassen könnten, aber die könnten auch ganz pragmatisch entsorgt worden sein, als die betreffende Technologie obsolet geworden war.) Noch kurz zum Argument des "langsamen Laufs": Dahinter stecken natürlich Befürchtungen hinsichtlich der Gefahren von Wasserschlägen, also Druckspitzen beim plötzlichen Abdrosseln von Wasserflüssen. Nur ist diese Überlegung gar nicht so zwingend, weil es mehrere Möglichkeiten gibt, den Wasserfluß zu verstetigen und dadurch Druckspitzen zu vermeiden. Die beiden, die mir spontan einfielen, wären zum einen mehrere phasenversetzt zueinander laufende Arbeitszylinder, zum anderen die mit einer geschickt ausgelegten Ventilsteuerung ausgestattete doppeltwirkende Maschine. Verbleibende Druckspitzen könnten dann relativ einfach durch vergleichsweise kleine Windkessel ausreichend gedämpft werden. Der Aufwand für schnellaufende Pumpen zur Wasserhaltung hätte sich durchaus gelohnt, weil damit die Maschinen bei gleicher Leistung deutlich kleiner hätten gebaut werden können. Wenn solche Überlegungen nicht zum Zuge kamen, muß das nicht an der Dummheit der Konstrukteure gelegen haben, sondern könnte auch schlicht darauf zurückzuführen sein, daß die Hersteller gar kein Interesse an Weiterentwicklungen hatten, weil sie sich damit in einem kleinen Nischenmarkt selbst ein Bein gestellt hätten. - Kavitation: Es war schon seit der Antike bekannt, daß man mit Saugpumpen nur knapp 10 m Höhenunterschied überwinden kann - großartig Theorie braucht man dafür nicht, man sieht einfach, daß es nicht funktioniert (wobei die Theorie des Luftdrucks im 19. Jh. natürlich bekannt war). Es war also von vornherein klar, daß man bergmännisch Wasser entweder mit Schöpfgefäßen oder mittels Druckpumpe heben muß. - Fahrkunst: Es stimmt nicht, daß das Gestänge bei unterem Antrieb sozusagen auf der Antriebsmaschine "steht" und auf Knicken beansprucht ist. Natürlich hängen beide Stränge - Drahtseile, nicht hölzerne Gestänge - an den beiden Enden einer Wippe im Schacht, und der Druck von unten entlastet den betreffenden Strang einfach nur periodisch, so daß die herabgehende Seite jeweils das Übergewicht bekommt. --95.112.136.43 13:52, 24. Jan. 2022 (CET) Ergänzung: die theoretische Behandlung von Druckstößen wurde offenbar erst zum Ende des 19. Jh. aufgestellt, so daß dieser Wissensmangel die Ursache für die Konstruktion langsamlaufender, großvolumiger W war. --95.116.15.183 03:25, 29. Jan. 2022 (CET)[Beantworten]

An der Fahrkunst des Kaiser-Wilhelm-Schachtes waren oben zwei riesige Gewichte angebracht, die über ein Gestänge das Fahrkunstgestänge permanent unter Zugkraft hielten. --Hahnenkleer (Diskussion) 15:09, 24. Jan. 2022 (CET)[Beantworten]

Verstehe ich nicht: wieso "oben"? Wenn die senkrechte Stange am unteren Ende hochgedrückt wird, dann befindet sich der untere Abschnitt, dessen Gewichtskraft kleiner als die Hubkraft ist, unter Druckspannung. Wenn man die Druckspannung vermeiden möchte, muß man unten ein Gewicht anhängen, das schwerer als die Hubkraft ist. (Um dem naheliegenden Fehlschluß zu begegnen: Die Maschine kann die Fahrkunst trotzdem bewegen. Am oberen Ende zieht nämlich noch ein Gegengewicht, und das kann in der Tat oben auf der anderen Seite des Kunstkreuzes angebracht sein.) Wobei sich noch weitere Fragen stellen: Vielfach wurden die Fahrkünste im "Einbahnstraßenverkehr" verwendet, d. h. es fuhr entweder eine Schicht ein oder eine Schicht aus, Bühnen auf beiden Seiten waren weniger gebräuchlich. (Etwas intelligenter wäre ein rollierender Wechsel gewesen: es fahren immer abwechselnd je ein Dutzend Bergleute aus und ein, was dann dazu führt, daß immer eine annähernd vollständige Belegschaft vor Ort ist und arbeitet. Die ersten fahren dann meinetwegen immer eine halbe Stunde früher ein und aus als die letzten, die Gesamtarbeitszeit jedes einzelnen Kumpels bleibt gleich.) Antriebsleistung wird aber nur beim Ausfahren benötigt, beim Einfahren kann die Maschine im Bremsbetrieb laufen, weil sie die freiwerdende potentielle Energie der absinkenden Bergleute aufnehmen muß. Mit einer geeigneten Ansteuerung hätte diese Energie auch zum Heben von Gut oder Wasser benutzt werden können. (Wenn sie ordentlich gebaut und gewartet ist, sollte eine Fahrkunst ziemlich reibungsarm laufen.) --95.116.140.107 04:22, 25. Jan. 2022 (CET)[Beantworten]

Fahrkunst mit Seilen anstelle von Stangen ist die Ausnahme, der Normalfall war das Holzgestänge. Grundsätzlich: Pumpensätze und/oder Fahrkunstgestänge werden so konstriert, daß sich beide Stränge im Gleichgewicht befinden, und die Antriebsmaschine (ob nun Wassersäulenmaschine, Kunstrad oder Dampfmaschine) nur die Nutzlast heben muß (sowie die Trägheit der Gesamtmasse überwinden). -- Glückauf! Markscheider Disk 08:00, 25. Jan. 2022 (CET)[Beantworten]

Die Stränge können sich auch bei unsymmetrische Anordnung von Zusatzgewichten - auf der einen Seite oben und auf der anderen unten - im Gleichgewicht befinden. Die Frage wäre, welchen Sinn die genannten Zusatzgewichte oben denn überhaupt haben sollten, denn anscheinend werden sie nur nutzlos auf- und abbewegt. Liegt da vielleicht ein grundsätzliches Mißverständnis vor? War die Beanspruchung auf Knickung überhaupt relevant? Die Sicherheit dagegen hängt schließlich von der freien Knicklänge ab, die sich mit seitlichen Führungen in gewissen Abständen deutlich reduzieren läßt. Und wieso sollte eine Fahrkunst überhaupt von unten anstatt von oben angetrieben werden? (Möglicher Grund: um die Energie des Aufschlagwassers maximal zu nutzen, wird die Maschine so tief wie möglich angebracht, und das wäre unten im Schacht auf dem Niveau des tiefsten Erbstollens, über den das verbrauchte Treibwasser dann selbständig abfließen kann. Aber wieso sollte sie das Gestänge hochdrücken? Genauso gut bzw. besser könnte sie einfach daran ziehen. - Wie auch immer: Eigentlich geht es nicht um Fahrkünste, sondern eine verständliche Funktionsbeschreibung des Prinzips der W, und da sollte auch ein bißchen Physik hinein und nicht solche qualitativen nichtssagenden Aussagen wie "funktioniert genauso wie eine Dampfmaschine". Nein, tut sie nicht, es gibt wesentliche Unterschiede, vor allem den, das das Arbeitsmedium inkompressibel ist und nicht expandiert. --77.1.6.249 11:35, 26. Jan. 2022 (CET)[Beantworten]
Mach doch einfach mal einen Textvorschlag. --JuTe CLZ (Diskussion) 12:35, 26. Jan. 2022 (CET)[Beantworten]
Hatte ich doch schon, im TO. --95.116.15.183 03:06, 29. Jan. 2022 (CET) Ergänzung: Nochmal die wesentlichen Punkte: Ein Zyklus setzt sich aus zwei Takten zusammen, nämlich den beiden Bewegungen des Kolbens vom einen zum anderen Totpunkt. (Nach zwei aufeinanderfolgenden Takten ist wieder die Ausgangsstellung erreicht und der Zyklus damit vollendet.) Während eines Arbeitstakts wird in der Maschine die Arbeit "Druckdifferenz beider Kolbenseiten mal Hubvolumen" umgesetzt. Wenn der Kolben der Druckdifferenz nachgibt, sich also von der Seite des höheren Drucks weg bewegt, dann wirkt die Maschine als Antriebsmaschine, d. h. sie wandelt die potentielle Energie des Aufschlagswassers in nutzbare mechanische Leistung um. Bei der entgegengesetzten Bewegungsrichtung arbeitet sie als Pumpe, d. h. sie hebt das Arbeitsmedium unter Aufnahme mechanischer Leistung an. Der Lauf der Maschine kommt dadurch zustande, daß durch eine Ventilsteuerung jeweils beim Taktwechsel der Druck verändert wird, also z. B. die Beaufschlagung mit Aufschlagwasser unterbrochen und der drucklose Abfluß freigegeben wird. Wenn auf einer Kolbenseite in beiden Takten derselbe Druck anliegt, bezeichnet man die Maschine als einfachwirkend, wenn die Drücke auf beiden Kolbenseiten sich beim Taktwechsel vertauschen, als doppeltwirkend; im zweiten Fall sind beide Takte Arbeitstakte. Die pro Arbeitstakt umgesetzte Energie ist gleich der potentiellen Energie des Arbeitsmediums mit dem Hubvolumen, das es bezüglich der anstehenden Fallhöhe besitzt, d. h. ein Volumenelement Arbeitsmedium erzeugt diejenige mechanische Arbeit, die es an potentieller Energie beim Durchgang vom oberen Ende der anstehenden Wassersäule bis zum Austritt in den Abfluß verliert. Damit ist der Wirkungsgrad der W theoretisch 100 %. --95.116.15.183 00:30, 30. Jan. 2022 (CET)[Beantworten]

Georg Winterschmidt[Quelltext bearbeiten]

Ganz am Anfang ist er Fähnrich; später dann Oberstleutnant. Nun, man wird ja befördert beim Militär. Vielleicht war er ja später General. Und am Anfang hatte er keinen Dienstgrad, aber er war und blieb der Erfinder und Konstrukteur Georg Winterschmidt. Dass er einen militärischen Dienstgrad hatte, spielt in diesem Artikel doch gar keine Rolle! Man könnte die jeweiligen Dienstgrade doch eigentlich weglassen! --FK1954 (Diskussion) 15:07, 27. Okt. 2023 (CEST)[Beantworten]

Kann ich nachvollziehen. Grüße --JuTe CLZ (Diskussion) 19:49, 27. Okt. 2023 (CEST)[Beantworten]