Heber (Gerät)

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Heber

Ein Heber, Saugheber oder Winkelheber ist ein Gerät oder eine Einrichtung, mit der man eine Flüssigkeit aus einem Behälter über den Behälterrand in einen tiefer gelegenen Behälter umfüllen oder ins Freie entleeren kann, ohne den Behälter umzukippen oder ein Loch oder einen Auslass unterhalb des Flüssigkeitsspiegels zu benötigen. Dabei wird der hydrostatische Druck ausgenutzt.

Prinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Funktion eines hy­drau­li­schen He­bers
Überlauf-Heber (Animation)
Abfließen lassen von Bier

Der Wasserspiegel des oberen Gefäßes liegt um die Höhe über dem des unteren. Die Gefäße sind, wie skizziert, durch eine gefüllte Leitung verbunden, die man sich zunächst durch ein Ventil verschlossen denken kann. Die Höhen und geben die Höhen des Ventils über den Wasserspiegeln an. Für die Drücke links und rechts des Ventils gilt dann bzw. , da der Wasserdruck in der Leitung mit steigender Höhe abnimmt. ist der überall gleich angenommene Luftdruck und wertgleich mit den leitungsinternen Wasserdrücken in Höhe des jeweiligen Spiegels. Somit ist und bei Öffnen des Ventils wird der Druckunterschied

[1]

die Flüssigkeit in der Leitung in Richtung vom höheren zum kleineren Druck, d.h. zum unteren Gefäß hin, in Bewegung setzen. und bezeichnen die Flüssigkeitsdichte bzw. die Erdbeschleunigung. Wenn der Heberauslauf nicht eingetaucht ist, bezeichnet die Höhe des oberen Spiegels und die Höhe des Ventils, jeweils über der Auslaufhöhe.

Zur Herleitung der Druckdifferenz kann die Heberleitung (bei festgehaltenem Anfang und Ende) in beliebiger Weise verlaufen (z. B. mit Durchhang), und das gedachte Ventil kann an beliebiger Stelle in der Leitung liegen. Die Druckdifferenz hängt davon nicht ab.

im Vakuum[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da das Arbeitsprinzip des Hebers vom Luftdruck abhängt, und nur am Rande auf den Kohäsionskräften der Flüssigkeit beruht, funktioniert ein Heber nicht im Vakuum.[2] Das Problem besteht nicht nur beim Ansaugen des Hebers im Vakuum, sondern auch nachdem der Fluss auf eine andere Weise initiiert wurde (z. B. durch eine Druckpumpe): nach dem Abschalten der Pumpe würde das Wasser im hohen Rohr zurück laufen, im tiefen Rohr vorwärts, und am Scheitelpunkt würde sich ein Vakuum bilden. Außerdem würden die meisten Flüssigkeiten unter Vakuumbedingungen aus den Reservoiren und schließlich der Verbindungsröhre verdampfen.

Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hydrostatischer Heber
Saugheber mit Saugröhre, auch Giftheber genannt (Zeichnung von 1872)

Das Heberprinzip lässt sich unter anderem beim Abziehen des Weines aus einem Gärballon anwenden.

Es wird auch in größerem Maßstab bei der Hochwasserentlastung von Talsperren angewandt. Ein gut zugängliches Beispiel für eine Hochwasserentlastung, die als Heberwehr konstruiert ist, kann man am Auslaufbauwerk des Hochwasserrückhaltebecken Treysa-Ziegenhain besichtigen.

Ein (selbstgebauter) Heber kann bei Flutkatastrophen auch als Pumpe zur Befreiung überfluteter Keller und Areale von Schlamm-Wasser eingesetzt werden (Gravitations-Pumpe): Dazu wird ein Schlauch in das überflutete Areal hinab gelassen, dabei mit Wasser befüllt, die Enden verschlossen und ein Ende an eine tiefergelegene Stelle außerhalb des überfluteten Areals gezogen (Kanalisation oder Flussufer).

Alternativ dazu werden Rohre verwendet, die an der obersten Stelle der Konstruktion über eine Einlass-Öffnung verfügen. Durch jene wird die Rohrkonstruktion mit Schlammwasser oder Leitungswasser befüllt und anschließend oben verschlossen.

Öffnet man anschließend Einlass und Auslass, entleert sich das überflutete Areal. Dies geschieht umso schneller, je größer die Höhendifferenz zwischen Wasseroberfläche und Auslassöffnung und je größer der Schlauch- oder Rohr-Radius ist: Fördermenge in m³/h = ca. 50.000 x (Höhendifferenz in m x Radius in m)².

So fördert beispielsweise ein Feuerwehrschlauch mit einem Durchmesser von 10 cm bei einer Höhendifferenz von 1 Meter ca. 125 Kubikmeter Wasser pro Stunde. Allerdings wird bei einem kleineren Schlauch (ca. 1–5 mm) die errechnete Leistung wegen des Schlauchwiderstands nicht erreicht. Bei einem noch kleineren Schlauch (<1 mm) funktioniert das Prinzip aufgrund der Kapillarwirkung überhaupt nicht mehr.

Wenn kein Schlauch mit verschließbaren Öffnungen vorhanden ist (Regelfall), wird der Anfang des Schlauchs unter Wasser gehalten und aus einem zweiten mit Leitungswasser gefüllt (Öffnungen stumpf voreinanderdrücken).

Handpumpe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit einer Handpumpe können Flüssigkeiten beispielsweise aus Fässern abgepumpt werden. Dazu wird ein Stück Schlauch oder ein Rohr, an dessen Ende ein Schlauch befestigt ist, in das Fass eingetaucht. Dann wird die Flüssigkeit angesaugt:

  • notfalls durch Saugen mit dem Mund (am Ende des Schlauchs oder an einer zusätzlichen Rohröffnung – „T-Stück“)
  • mit einem Saugball
  • durch Einstoßen des Rohres, wobei eine im Rohr befindlichen Rückschlagklappe das Zurückfließen verhindert,
  • durch Ziehen eines Schwammes oder Balles an einer Schnur oder eines Kolbens an einer Stange durch das Rohr
  • durch Einblasen von Atemluft mithilfe eines zweiten Schlauches in das Gefäß (oder in den Treibstofftank eines Autos), wobei die Öffnung des Gefäßes mit einem Lappen notdürftig luftdicht verschlossen wird.

Ablaufsiphon[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Überlauf eines Pythagoreischen Bechers

Ein Ablaufsiphon (englisch siphon pump oder auch "Bell-Siphon") ist ein hydraulisches Bauteil, das unter Ausnutzung des Heberprinzips einen (Wasser)Behälter in einem Schwall automatisch und ohne nötige Überwachung entleert. Dazu muss das Wasser in einem nach unten gebogenen Rohr oder in einer Glocke überlaufen, die auf ein Wasserstandsrohr aufgestülpt ist.

Seine Erfindung wird dem griechischen Philosophen Pythagoras von Samos (um 570 – 510 v. Chr.) zugeschrieben, der das Prinzip im Pythagoreischen Becher angewandt haben soll.

Ein Ablaufsiphon wird bei mehreren Verfahren verwendet:

Soxhlet-Aufsatz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Animation des Extraktionsmechanismus einer Soxhlet-Apparatur

Franz von Soxhlet (18481926) verwendete das Prinzip des Ablaufsiphons, um in einer chemischen Extraktions-Apparatur den gewünschten Extrakt automatisch abzuleiten, damit das Extraktionsgut immer von reinem Lösungsmittel extrahiert wird. Siehe dazu Soxhlet-Aufsatz.

Hotoppscher Heber[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ludwig Hotopp (18541934) setzte einen Ablaufsiphon zum Füllen und Entleeren von Schleusenkammern ein. Damit die Heber „anspringen“, werden ihre Scheitel an Vakuum angeschlossen, das mit Hilfe einer aus dem Oberwasser entnommenen kleinen Wassermenge erzeugt wird. Ein zunächst derart gefüllter Kessel („Saugglocke“) wird an die Heberscheitel angeschlossen und durch ein ins Unterwasser eintauchendes Fallrohr entleert. Dabei entsteht das zum „Anspringen“ (Heben des Wassers bis über die Scheitelunterkante) benötigte Vakuum.[3][4] Die Anschlussrohre und die nötigen Bedienungsventile haben im Vergleich zu den Hebern einen relativ kleinen Querschnitt. Der Wasserverbrauch ist klein im Vergleich zu einer Arbeitsfüllung der Schleuse.

Ebbe-Flut-System[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Pflanzen auf Pflanzentischen in Gärtnereien und in Hydroponik-Anlagen im Pflanzenbau werden häufig mit einem Ebbe-Flut-System bewässert oder entwässert. Die Pflanzen stehen dazu in wasserdichten Wannen. Das automatische Abpumpen des Gießwassers führt dazu, dass die Pflanzenwurzeln mit Sauerstoff versorgt werden, ansonsten würden sie unter Luftabschluss verfaulen.

Literatur und Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Heber (Gerät) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
  1. Eine Einführung in die Grundlagen und technischen Anwendungen der Strömungsmechanik, Abschn. 2.2.5, Teubner Studienbücher Mechanik, 1993
  2. Exploring the boundary between a siphon and barometer in a hypobaric chamber
  3. Siegfried Wetzel: Hotoppscher Heber
  4. Hotoppscher Heber: Erzeugung von Vakuum

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]