Hydraulischer Widder

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Hydraulischer Widder mit Windkessel, aus Gusseisen

Ein hydraulischer Widder, Stoßheber, Staudruck-Wasserheber oder Wasserwidder ist eine wassergetriebene, intermittierend arbeitende Pumpe. Der Widder nutzt den Druckstoß oder Staudruck-Effekt, um einen Teil des Wassers, mit dem die Pumpe angetrieben wird, auf ein höheres Niveau zu heben. Er eignet sich besonders für Pumpaufgaben in der Nähe von Fließgewässern mit zum Betrieb ausreichendem Gefälle.

Einsatzbereiche[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für Landwirtschaft, Berghütten und Ferienhäuser, die in der Nähe von fließenden Gewässern liegen, werden zur Wasserversorgung gerne Widder benutzt. Meist handelt es sich um Anwesen in abgelegenen Gegenden, die weder an die öffentliche Wasserversorgung noch an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind oder aus anderen Gründen nur zeitweilig genutzt werden.

Neue hydraulische Widder werden besonders in der Entwicklungshilfe eingesetzt. So gibt es zum Beispiel eine Anwendung hydraulischer Widder im südöstlichen China für die kleinbäuerliche Landwirtschaft als Alternative zu Dieselpumpen.[1]

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hydraulischer Widder, Easton & Amos, 1851

Der hydraulische Widder ist die Automatisierung der 1772 von John Whitehurst erfundenen Pulsation Engine, bei der die durch das Schließen eines Wasserhahns hervorgerufene Wasserschlossschwingung eine Wassersäule über die Höhe des Zuflusses hebt. Durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Hahns wurden größere Wassermengen gehoben. 1796 ersetzte der Franzose Joseph Michel Montgolfier den Wasserhahn der Pulsation Engine durch ein sich selbsttätig wieder verschließendes Ventil und entwickelte gemeinsam mit Aimé Argand den hydraulischen Widder. Von Montgolfier soll auch der Name stammen, denn er hat in seiner Patentschrift geschrieben, beim Schließen des Ventils entstehe eine Kraft „wie der Stoß eines Widders“.[2]

Der hydraulische Widder wird zum ersten Mal in der Aufzeichnung der Académie des sciences vom 14. Juli 1797 erwähnt. Der „Bürger“ Montgolfier hatte einen Vortrag gehalten mit dem Titel Sur un moyen très simple d’élever l’eau des fleuves („Über ein sehr einfaches Mittel, das Wasser von Flüssen zu heben“). Das französische Patent für die Erfindung wurde bereits im November 1797 erteilt. Für England ist die Patenterteilung (Nummer 2207) am 13. Dezember 1797 an den Dampfmaschinenpionier Matthew Boulton nachgewiesen, der die Anmeldung in seinem Namen für Montgolfier vornahm.

Der erste hydraulische Widder in Deutschland wurde von dem Technikwissenschaftler Joseph von Baader (1763–1835) zu Beginn des 19. Jahrhunderts zur Wasserversorgung auf dem Landsitz des Grafen Montgelas in Bogenhausen bei München installiert.

Stoßheber zum Betrieb einer Wasserfontäne in Vogn, Dänemark (Video 00:32)

Das erste amerikanische Patent wurde 1809 an J. Cerneau und S. S. Hallet erteilt. In den USA nahm das Interesse an hydraulischen Widdern ab etwa 1840 stark zu, als weitere Patente erteilt wurden und einheimische Unternehmen die Produktion aufnahmen.

Einer der ersten Hersteller in der Schweiz war Johann Georg Schlumpf, der 1885 den ersten hydraulischen Widder verkaufte. 1923 entwickelte er die „Selbstbelüftung“. Diese erledigte automatisch die regelmäßige Auffüllung des Luftpolsters, wodurch ein jahrzehntelanger wartungsfreier Betrieb möglich wurde.

Erst nach Mitte des 20. Jahrhunderts ging das Interesse wieder zurück, als sich die Anwendung der Elektrizität und damit elektrischer Pumpen ausbreiteten.

Seit den 1990er Jahren entwickelte die Schweizer Firma Schlumpf Innovations den selbstbelüfteten hydraulischen Widder von Johann Georg Schlumpf weiter. Es können inzwischen Förderhöhen bis 500 m und Förderleistungen bis 15.000 Litern pro Tag erreicht werden. Dies gelingt durch Verbesserung von Ventiltechnik und Taktung sowie Aufwicklung der Triebleitung mit anschließender Einbetonierung in einen kompakten Betonklotz, um die hohen stoßartigen Druckbelastungen abzufangen.[3]

Aufbau und Funktionsbeschreibung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hydraulischer Widder (Rohrplan und Prinzipe)
Funktion des Stoßventils

Ein hydraulischer Widder besteht aus folgenden Elementen:

  • Einer ausreichend ergiebigen Wasserfassung als Vorratsbehälter (auf geringer Höhe),
  • der Triebwasserleitung,
  • dem hochdruckbeständigen und steifen Wasserschwungrohr mit endständigem Ventilsatz, bestehend aus
    • dem Stoßventil, das bei Erreichen eines bestimmten Durchflusses diesen abrupt stoppt und
    • dem Druckventil, das kurz wenig Wasser mit hohem Druck entweichen lässt in
  • den „Windkessel“ als puffernden Druckbehälter, und
  • der daran angeschlossenen Steigleitung (bis in größere Höhe).

Diese Komponenten bilden zusammen ein pulsierendes System, das nach einmaligem Anstoß selbstgesteuert weiterarbeitet, solange für ausreichend Wassernachschub gesorgt ist. Da das System nur zwei bewegliche Teile besitzt (Stoß- und Druckventil) kann die Fertigung kostengünstig erfolgen, die Wartung ist einfach und das Aggregat ist extrem zuverlässig.

Planskizze mit Schnitt durch einen Selbstbau-Widder aus Wasserrohren

Aus einem Vorratsbehälter, der von einer Quelle oder einem Bach gespeist wird, strömt Wasser durch eine nicht zu kurze Triebleitung und tritt großteils an deren Ende durch das Stoßventil (am Widder) in das Fließgewässer aus.

Die Funktion des Stoßventils hängt ab von der Einstellung des Ventilspaltes. Im beistehenden Bild ist das schematisch dargestellt. Das Stoßventil wird durch eine Feder oder ein Gewicht offen gehalten. Bei großem Spalt kann das Wasser ohne Beeinflussung des Ventils abfließen. Bei richtig eingestelltem (kleinem) Spalt stellen sich andere Verhältnisse ein (siehe dazu auch [4]). Vor dem Ventil herrschen im Triebwasser der Druck p1 und die Fließgeschwindigkeit v1. Wegen des engen Spaltes fließt das Wasser im Ventil jedoch mit sehr viel höherer Geschwindigkeit v2 (Kontinuitätsgesetz). Gemäß den Strömungsgesetzen (Bernoulli) entsteht somit im Ventil ein Unterdruck p2 (dieser ist in hohem Maße abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit). Dadurch wird das Ventil aufgrund der aus der Druckdifferenz p1-p2 resultierenden Kraft gegen die Kraft des Gewichtes bzw. der Feder geschlossen. Im praktischen Betrieb öffnet sich das Ventil periodisch, so dass es jedes Mal zu einer sehr schnellen Zunahme der Fließgeschwindigkeit im Ventil mit der Folge einer sprunghaften Erhöhung der Druckdifferenz kommt. Auf diese Weise schließt das Ventil schlagartig.

Der in der Triebleitung bis zu diesem Zeitpunkt strömenden Wassermasse wird also abrupt der Ausfluss versperrt. Die Wassermasse reagiert darauf mit einem gewaltigen Druckanstieg, der zur Umlenkung der Strömung (in Richtung auf den Windkessel) und zum Öffnen des Druckventiles (Rückschlagventil) führt.

Das Triebwasser strömt in den Windkessel und komprimiert die dortige Luft, bis der Gegendruck (verursacht durch die komprimierte Luft) eine Umkehrung der Fließrichtung bewirkt und dadurch das Druckventil wieder schließt. Durch das Schließen des Druckventils wird ein Unterdruckstoß initiiert, der sich nunmehr in der Triebwasserleitung ausbreiten kann.[5]

Der im Windkessel verbliebene, unter hohem Druck stehende Teil des Wassers wird in die Steigleitung gedrückt, bis der Schweredruck in der Steigleitung und der (durch Expansion abnehmende) Druck der komprimierten Luft gleichgroß sind. Das Wasser in der Steigleitung wird also bei jedem Pumpzyklus entsprechend dem zugeführten Volumen ein Stück angehoben, so dass es am Leitungsende (Verbrauchsort) pulsierend ausfließt. Es lassen sich dadurch Wasserdrücke bis 50 bar erzeugen, die Förderhöhen bis 500 m entsprechen. Typische Gefällehöhen der Triebwasserleitung liegen zwischen 30 cm und 5 m. Experimente haben gezeigt, dass das Verhältnis Fallhöhe: Triebleitungslänge zwischen 1:3 und 1:12 liegen sollte.

Die Zykluszeit (Frequenz) der Pumpe wird insbesondere bestimmt durch die Dauer der Beschleunigung des Triebwassers vom Öffnen bis zum Schließen des Stoßventils und den Zeitraum, in dem das Druckventil geöffnet ist (vgl. untenstehendes Diagramm). Typisch sind 0,5 bis 2 Sekunden pro Zyklus. Die unten beschriebenen Schwingungserscheinungen spielen sich im Millisekundenbereich ab und haben keinen Einfluss auf die Zykluszeit. Beim Öffnen des Stoßventils (Auslösen eines neuen Zyklus) ruht das Triebwasser und es wirkt auf das Stoßventil nur der Schweredruck des Wassers (gemäß der Triebwasserfallhöhe). Das Ventilgewicht bzw. die Ventilfeder sind so bemessen, dass das Ventil gegen diesen Druck geöffnet wird [6]. Ausgelöst wird die Öffnung durch den oben erwähnten Unterdruckstoß nach dem Schließen des Druckventils.

Selbsttätig ventilgesteuert wandelt das System also (unter Verbrauch von Triebwasser) eine schrittweise strömende Wassermenge niedrigen Drucks in eine unter hohem Druck stehende, sich ebenfalls schrittweise (aufwärts) bewegende Wassermenge um.

Druckstoßberechnung und Druckverlauf[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Abschätzung mit der Joukowskygleichung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für die Abschätzung des Druckstoßes beim hydraulischen Widder wird oft die Gleichung von Joukowsky herangezogen. Diese wurde erstellt, um den Rohrleitungen gefährdenden Extremfall beim plötzlichen Schließen bzw. Öffnen eines Ventils zu ermitteln.

Es wird dabei vereinfachend angenommen, dass sich der Fluss (Volumenstrom) und die Strömungsgeschwindigkeit durch das Ventil während des Schließvorgangs nicht ändern und erst nach dem vollständigen Schließen des Ventils den Wert Null annehmen. Dies ist gleichbedeutend mit einer Ventilschließzeit = 0. Die Joukowskygleichung liefert dennoch keinen unendlich großen Drucksprung, da die Kompressibilität des Wassers bei der Ableitung der Gleichung berücksichtigt wurde.

Zur Ableitung der Joukowskygleichung und zu weiteren Erläuterungen siehe [7] und [8].


wobei:

= Druckänderung in N/m²,
= Dichte in kg/m³ (Wasser: 1000 kg/m³),
= Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit in m/s (Wasser: ca. 1000 m/s) und
=Geschwindigkeitsänderung m/s ist.

Der Joukowskystoß ist die maximal mögliche Druckerhöhung. Der Druckstoß (Abbremsung der Strömungsgeschwindigkeit auf Null) breitet sich vom Stoßventil ausgehend mit der Geschwindigkeit c aus und wird am Reservoir „reflektiert“, d. h., der Druck in der Leitung erzeugt nun einen Fluss in Richtung auf das Reservoir. Diese sich ebenfalls mit der Geschwindigkeit c bewegende Entspannungswelle erreicht nach entsprechender Laufzeit wieder das Stoßventil und erzeugt dort wegen der Trägheit der Wassermasse einen Unterdruck. Die reale Ventilschließzeit wirkt sich somit nur dann aus, wenn der Unterdruckstoß vor dem vollständigen Schließen am Stoßventil angekommen ist und den dortigen Druck abschwächt.

Die Summe der Laufzeiten vom Stoßventil zum Reservoir und zurück wird als Reflexionszeit Tr der Druckwelle bezeichnet.


= die Länge der Rohrleitung [m]

Fließt beispielsweise Wasser mit 3 m/s durch ein 5 m langes Rohr, so beträgt die Reflexionszeit = 10 ms (Millisekunden) und der Druck steigt bei einer Ventilschließzeit von ebenfalls = 10 ms kurzzeitig auf 30 bar (eine noch kürzere Schließzeit hat keine weitere Druckerhöhung zur Folge!).

In [9] ist eine Näherung angegeben, mit der der Einfluss der realen Schließzeit auf den Druckstoß grob abgeschätzt werden kann:

( )

wobei:

die Schließzeit der Armatur [s]

und

die Reflexionszeit [s]

ist.

Die Abschätzung des real auftretenden Druckstoßes mittels der Joukowskygleichung unter Berücksichtigung der Schließzeit des Stoßventils liefert zu hohe Werte. Zweckmäßiger ist eine näherungsweise Ermittlung des Druckstoßes mit dem Impulssatz.

Abschätzung mit dem Impulssatz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es wird nicht wie beim Joukowskystoß angenommen, dass sich die Fließgeschwindigkeit bis zum vollständigen Schließen des Stoßventils nicht ändert. Vielmehr werden die abzubremsende Wassermasse und die durch die Schließcharakteristik des Ventils bestimmte Geschwindigkeitsverminderung (negative Beschleunigung) zugrunde gelegt.

m Strömende Wassermasse

F Kraft auf die Querschnittsfläche der Triebwasserleitung

A Querschnittsfläche der Triebwasserleitung

L Länge der Triebwasserleitung

Dichte des Wassers

Geschwindigkeitsverringerung beim Schließen des Stoßventils

(siehe dazu auch „Theorie der starren Wassersäule“ in [10] und [11] )

Bei dem oben angeführten Beispiel (Länge der Triebwasserleitung L = 5m, einer Ventilschließzeit von = 10ms und einer Strömungsgeschwindigkeit von = 3m/s) ergibt sich unter der Voraussetzung einer linearen Schließcharakteristik ( = 300 m/s2) ein Druckstoß von 15 bar. Dies ist ein realistischerer Wert als der mit der Joukowsygleichung ermittelte, der unabhängig von der Länge der Triebwasserleitung gilt.

Für lange Triebwasserleitungen liefert der Impulssatz wegen der Nichtberücksichtigung der Kompressibilität des Wassers (starre Wassersäule) ggf. sogar größere Werte als die Joukowskygleichung, durch die der maximal mögliche Druckstoß gegeben ist. Beide Methoden stellen nur Abschätzungen unter Vernachlässigung verschiedener Einflussfaktoren dar. Für eine genauere Berechnung ist die "Theorie der elastischen Wassersäule" heranzuziehen (siehe angeführte Literatur).

Es ist zu beachten, dass die Strömung durch den Druckstoß nur hinsichtlich ihrer ursprünglichen Strömungsrichtung gestoppt wird, wodurch eine Umlenkung in Richtung auf den Windkessel erfolgt. Die Strömung wird dadurch nicht unterbrochen und behält die ihr innewohnende kinetische Energie näherungsweise bei.

Druckausbreitung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nach dem Schließen des Stoßventils (1) ist das Wasser vor dem Ventil auf die Geschwindigkeit Null abgebremst, während es in der Triebleitung weiter strömt.

Auf den ersten Blick ist das unverständlich. Es wird erklärlich, wenn man die gegenüber der viel größeren Wellenausbreitungsgeschwindigkeit geringe Fließgeschwindigkeit und die Kompressibilität des Wassers berücksichtigt. Beispielsweise bewegt sich das beim Beginn des Druckstoßes am Triebwassereinlauf befindliche und mit 3 m/s strömende Wasser während der Laufzeit der Druckwelle vom Stoßventil zum Reservoir bei einer 5m langen Leitung (Laufzeit 5ms) nur um 15mm.

Die Druckfront bewegt sich mit der Geschwindigkeit c in Richtung Reservoir. und breitet sich dabei auch in Richtung auf den Windkessel aus. Das Druckventil wird geöffnet (2). Das Wasser strömt in den Windkessel ein, wobei, vom Druckventil ausgehend, sich eine Entspannungsfront ausbreitet, die sich ebenfalls mit c zum Reservoir und zum Stoßventil hin bewegt. Das vor Einströmen in den Windkessel ruhende Wasser wird durch die Entspannung der beiden Druckzonen (auf ihrer dem Windkessel zugewandten Seite) beschleunigt (3). Die dem Reservoir zugewandte Druckfront stoppt weiterhin das Wasser. Der Entspannung auf der Windkesselseite steht somit eine Kompression auf der Reservoirseite gegenüber. Beide Fronten bewegen sich mit c auf das Reservoir zu. Das bedeutet, dass eine Zone ruhenden Wassers sich mit c durch die Triebwasserleitung bewegt (4). Genau genommen ruht das Wasser nur in der Zonenmitte, da ja eine ständige Aus- und Einströmung vorhanden ist.

Wenn diese Druckzone das Reservoir erreicht hat, erfolgt die Reflexion, d. h., auch auf der Reservoirseite strömt das Wasser nun nicht mehr in die, sondern aus der Druckzone heraus (5). Die Fronten bewegen sich aufeinander zu und die Druckzone löst sich auf. Das Wasser strömt weiter durch den Tiefendruck angetrieben mit abnehmender Geschwindigkeit in den Windkessel (6), bis das Druckventil bei Druckausgleich zu schließen beginnt. Es entsteht eine Rückströmung aus dem Windkessel zum Reservoir (7).

Nach dem schlagartigen Schließen des Druckventils entsteht hinter dem Ventil eine Unterdruckzone, deren Fronten sich wiederum mit c ausbreiten (8). Nachdem eine Front das Stoßventil erreicht hat, beginnt dieses zu öffnen (9). Es wird Luft eingesaugt, so dass sich das Wasser verdichten (Volumenverkleinerung) und Atmosphärendruck annehmen kann (die Luft sorgt für den Volumenausgleich). Das ist gleichbedeutend mit einem Einströmen von Wasser in die Unterdruckzone, verbunden mit einer mit der Geschwindigkeit c erfolgenden Frontverlagerung (10). Die Einströmung erfolgt in der Nähe der Unterdruckfront, während im Bereich zum Stoßventil hin das Wasser bereits ruht.

Wie bei der Druckausbreitung bewegt sich nun eine Zone ruhenden Wassers (Unterdruck) mit der Geschwindigkeit c durch die Triebwasserleitung, da der Einströmung auf der Stoßventilseite eine Abströmung mit c auf der Reservoirseite gegenübersteht.

Nachdem die Unterdruckzone das Reservoir erreicht hat, wird sie reflektiert. An beiden Fronten der Zone erfolgt nun eine Einströmung, die zum Verschwinden der Unterdruckzone führt (11). Das jetzt ruhende Wasser wird durch den Tiefendruck beschleunigt und tritt am geöffneten Stoßventil aus, bis dieses wieder schließt (12).

Druckverlauf[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vorgänge während eines Zyklus

Nur wenige messtechnische Untersuchungen zum Hydraulischen Widder sind bekannt [12][13][14]. Die nachfolgende Beschreibung stützt sich auf die Veröffentlichung [15].

Das nebenstehende Diagramm basiert auf dieser Abhandlung. Es sind charakteristische Abläufe dargestellt, wobei überlagernde (höherfrequente) Schwingungen eliminiert wurden. Diese zusätzlichen Pulsationen werden in der Schrift ohne weitere Analyse auf Rohrelastizitäten und auf Reflexionen der Druckwelle am Reservoir zurückgeführt.

Der Druckstoß (1) erfolgt nach dem Schließen des Stoßventils. Das Druckventil öffnet sehr schnell und erreicht seine Endlage (2), wobei es plötzlich stoppt. Das in den Windkessel strömende Wasser erfährt eine abrupte Widerstandsänderung durch das Ventil, so dass es zu einem sekundären Druckstoß kommt. Das weiter in den Windkessel strömende Wasser erzeugt im Triebwasser wegen der Trägheit der strömenden Masse kurzzeitig einen Unterdruck (3) ohne das Stoßventil zu öffnen. Dies ist wichtig für den Dauereinsatz des Widders, da der Unterdruck über ein Schnüffelventil bzw. eine kleine Bohrung Außenluft nachzieht. Die Bläschen steigen nach oben, wodurch bei jedem Druckstoß der Luftvorrat im Windkessel nachgefüllt wird. Es kommt bei geöffnetem Druckventil zu einer Druckschwingung (4) als Gegenbewegung. Das Wasser strömt, angetrieben durch das Gefälle der Triebleitung, weiter in den Kessel. Der nun niedrige Wasserdruck im Triebwasser ist daran nicht ursächlich beteiligt (der Druckstoß dient also nur zur schnellen Öffnung des Druckventils und ist somit auch kein Maß für die erreichbare Förderhöhe). Vielmehr ist es die kinetische Energie des strömenden Triebwassers (das im Windkessel gestoppt wird), die den Druck auf das im Windkessel befindliche Wasser erzeugt und so für die weitere Befüllung sorgt. Die Kraft FW (bzw. der Druck FW/AW) auf den Ventilquerschnitt AW und damit auf das im Windkessel befindliche Wasser berechnet sich gemäß der obigen Gleichung näherungsweise zu:

FW Kraft auf den Ventilquerschnitt des Druckventils

Druck am Druckventil

Querschnittsfläche des Druckventils

Einströmgeschwindigkeit in den Windkessel

Geschwindigkeitsverringerung beim Einströmen in den Windkessel

Beispielsweise ergibt sich für L = 5m, A = AW (Leitungsquerschnitt dem Ventilquerschnitt entsprechend), = 3m/s (Anfangsgeschwindigkeit für die Windkesseleinströmung), Einströmzeit 0,1s (Druckventil offen) und daraus folgend = 30m/s2 (Linearität vorausgesetzt) ein Wert von = 1,5 bar. Die maximal erreichbare Förderhöhe beträgt also 15m. Die Einströmzeit ist u. a. abhängig vom Luftvolumen und vom Druck (Tiefendruck der Steigleitung) im Windkessel.

Bei (5) beginnt das Druckventil wegen des nun im Windkessel vorhandenen Gegendrucks zu schließen, wobei aus dem Windkessel eine Rückströmung in Richtung des Wasserreservoirs erfolgt. Diese Rückströmung wird beim vollständigen Schließen des Ventils schlagartig unterbrochen, so dass ein Unterdruck (6) auftritt, da das Wasser wegen seiner Trägheit weiter in Richtung Reservoir zu strömen bestrebt ist und durch die geschlossenen Ventile daran gehindert wird. Der Unterdruck löst das Öffnen des Stoßventils aus. Das eigentliche Öffnen erfolgt durch die Kraft der Feder bzw. des Gewichtes des Ventils. Das Triebwasser strömt mit sich erhöhender Geschwindigkeit durch das Ventil. Beim Erreichen der Endstellung (7) des Ventils (voll geöffnet) erfolgt in gleicher Weise wie beim sekundären Druckstoß (2) am Druckventil eine kurzzeitige Druckerhöhung. Nachdem das Triebwasser im Ventil eine Geschwindigkeit erreicht hat, die eine ausreichende Druckdifferenz über dem Ventil zur Folge hat, schließt das Stoßventil (8) und ein neuer Zyklus beginnt.

Sonderanwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit Hilfe einer Reihenschaltung mehrerer Widder können auch große Förderhöhen erreicht werden. Jedoch sinkt mit jeder Stufe die Menge des geförderten Wassers, weil nur etwa 10 % des durchfließenden Wassers weitergepumpt werden.

Unter Verwendung sogenannter „Wildwasserwidder“ lassen sich auch unterschiedliche Wässer für den Widderantrieb und die Wasserförderung verwenden. So kann zum Beispiel der Widder mit Oberflächenwasser betrieben werden, während das zu fördernde Trinkwasser aus einem Brunnen vom Triebwasser durch eine elastische Membran getrennt ist. Die Druckstöße des Triebwassers treiben also eine Art aufgesetzte Membranpumpe an.

Eine gewisse Vergleichbarkeit gibt es zur Lambachpumpe, bei der allerdings nicht die kinetische Energie des Wassers, sondern die potentielle Energie (Wasserdruck) die Förderung des Wassers bewirkt. Hier gibt es auch die Möglichkeit, das Wasser zum Antrieb vom geförderten Wasser zu trennen, so dass zum Beispiel auch qualitativ minderwertiges Wasser als Triebwasser verwendet werden kann.

Typische Betriebsprobleme[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Typische Betriebsprobleme sind Luft in der Treibleitung, Blockierung der Wasserzufuhr oder der Ventile oder Einfrieren im Winter.

Zu wenig Luft im Windkessel kann durch ein kleines Luftventil (1–2 mm Bohrung) oder ein Schnüffelventil knapp vor dem Rückschlagventil (Druckventil) vermieden werden. Dabei wird bei jedem Hub ein wenig Luft angesaugt und in den Kessel gedrückt.

Hydraulischer Widder als alternatives Modell für die Herzphysiologie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vereinfacht wird üblicherweise gelehrt, dass das Herz als Pumpe den Blutkreislauf antreibe. Dieses Modell vernachlässigt die Beobachtung, dass der Blutkreislauf während der embryologischen Entwicklung vor der Herzentwicklung einsetzt und konfligiert mit Beobachtungen in der kardiologischen Intensivmedizin, die zunehmend die aktive Rolle der Kreislaufperipherie für den Blutkreislauf mit berücksichtigt, um zu erfolgreichen Ergebnissen in der Therapie der Herzinsuffizienz zu kommen. Der amerikanische Kardiologe und Intensivmediziner Branko Furst fragt daher, ob nicht das Modell des hydraulischen Widders die Herzfunktion im Kreislauf besser beschreibe als das herkömmliche Pumpenmodell.[16][17]

Vergleich mit elektrischer Schaltung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schaltplan eines elektrischen Aufwärtswandlers

Der hydraulische Widder hat auch ein elektrisches Analogon, das deutlich häufiger eingesetzt wird: den Aufwärtswandler, der aus einer geringen Gleichspannung impulsweise erheblich höhere Spannungsspitzen erzeugen kann [18][19]. Dabei entsprechen:

  • Induktivität L = träge Masse des Wassers in der Triebwasserleitung
  • elektrischer Strom in der Induktivität = Strom des Wassers in der Triebwasserleitung
  • Schalter S = Stoßventil
  • Gleichrichter D = Druckventil
  • Kondensator C = Windkessel
  • Spannung UE und UA = Höhendifferenzen der verschiedenen Wasserspiegel

Hydraulische Widder in Mitteleuropa (Auswahl)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Deutschland[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Baden-Württemberg[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • In Neukirch-Wildpoltsweiler. Dort werden im Sommer die Tiere eines in der Nähe gelegenen Wildparks versorgt. Die Leitungslänge beträgt ca. 700 m, der Höhenunterschied ca. 50 m.
  • Bei Klingelrain (Einzelgehöft in der Gemeinde Eberhardzell im Landkreis Biberach); funktionsfähig.
  • Im Energiemuseum in Hottingen gibt es einen Widder, der ein Wasserrad antreibt und mit zwei Metern Gefälle der Murg (Südschwarzwald) das Wasser sieben Meter hoch pumpt.[20]
  • Für die Wasserversorgung der Burg Hohenzollern bei Hechingen werden aufgrund der exponierten Lage auch hydraulische Widder eingesetzt. Nachdem das Wasser zunächst von der Quelle mit 86 Metern Höhendifferenz zu 2 Widdern läuft, wird von diesen ein Teil des Treibwassers in einer rund einen Kilometer langen Steigleitung etwa 255 Meter nach oben zur Burg Hohenzollern gepumpt. Die tägliche Fördermenge (abhängig von der Einstellung bei den Widdern) beträgt dabei rund 28 Kubikmeter.
  • Am Besucherbergwerk in Neubulach im Nordschwarzwald.
  • In Bad Herrenalb zur Versorgung der Hahnenfalzhütte.

Bayern[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Widder in der Gemeinde Steingaden
  • Drei funktionsfähige Widder in Oberstdorf (einer neben der Kirche, einer im angrenzenden Oytal, auf halbem Weg von Oberstdorf zum Oytal-Haus und einer auf der Rappenseehütte).
  • In Scheidegg (West-Allgäu) auf dem Spielplatz bei den Scheidegger Wasserfällen sind neben einem hydraulischen Widder auch andere Wasser-Fördersysteme mit Schautafeln aufgebaut.
  • Anschauungsobjekt am Isarradweg bei Usterling im Landkreis Dingolfing/Landau.
  • Im Pfaffenhofener Ortsteil Tegernbach wurde über Jahrzehnte das hochgelegene Kurz-Anwesen ohne Fremdenergie ausschließlich mittels eines Widders mit Wasser versorgt. Noch heute ist er funktionsfähig und trägt zur Versorgung des Viehs bei.
  • In Pelkering, einem Weiler bei Triftern (Niederbayern), funktionsfähig und im Einsatz zur Versorgung von Ställen und Gärten einiger Landwirte.
  • Tauchersreuth in Lauf an der Pegnitz: Rekonstruktion einer ursprünglich aus dem Jahr 1907 stammenden Anlage.
  • Im Fränkischen Freilandmuseum Bad Windsheim befindet sich ein in den frostfreien Monaten betriebener Widder mit einer Förderleistung von ca. einem Liter pro Minute zur Demonstration der Technik.
  • Auf dem Großen Waldstein im Fichtelgebirge.
  • Zwischen Oberrohrenstadt und Deinschwang südlich von Nürnberg.
  • In der Gemeinde Amerang läuft ein Widder in einem Häuschen auf einer Wiese.
  • Bei Veilbronn in der Fränkischen Schweiz gibt es einen funktionsfähigen Widder.
  • Ebenso an der Burggaillenreuther Quelle im Wiesenttal neben dem Leo-Jobst-Wanderweg.
  • In Bechtelsreuth bei Mainleus versorgt ein hydraulischer Widder seit 1907 zwei Anwesen mit Brauchwasser.
  • In Alzgern (Stadt Neuötting) steht ein öffentlich sichtbarer Widder am Bach hinter dem Friedhof. Er fördert Wasser auf ein Verteilerkunstwerk mit den 5 platonischen Körpern. Von diesem aus läuft das Wasser zum Dorfbrunnen und zu den Wassertrögen am Friedhof. Die Anlage wird über den Winter stillgelegt.
  • Im Museumsdorf Bayerischer Wald in Tittling ist ein funktionsfähiger und betriebener Widder ausgestellt.
  • In Vachendorf auf dem Weg von Spielwang nach Mühlbach liegt links am Ende des Berges ein funktionierender Widder.[21]

Hessen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • In Hinterbach, Odenwald (funktionsfähig).
  • In Vielbrunn, Odenwald, auf dem Wanderweg zur Geiersmühle, im Jugendstil erbaut und funktionstüchtig.

Niedersachsen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nordrhein-Westfalen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • In Much im Rhein-Sieg-Kreis steht ein funktionstüchtiger Widder im Technik & Bauern Museum Berzbach.[23]

Rheinland-Pfalz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sachsen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • In Stollberg/Erzgeb. fördert ein Widder im Rosental (ehemaliges Trinkwassereinzugsgebiet mit über 30 Sammelschächten) in einen Molchteich.
  • Im Görlitzer Ortsteil Tauchritz. Am Rand des Tagebau-Restlochs Berzdorfer See steht das Wasserschloss Tauchritz auf Eichenpfählen in einem Schlossteich. Im Zusammenhang mit dem Bau eines Flutungsgrabens für den Tagebau wurde im Jahre 2003 eine Anlage mit vier Widdern installiert, um den Wasserstand im Teich zu halten. Mit einer Treibwassermenge von 25 l/s werden 4 l/s (ca. 15 m³/h) um 13 m gefördert. Das überschüssige Treibwasser wird dem Flutungsgraben wieder zugeführt.
  • Stadtpark von Strehla.[24]
  • In Kamenz steht ein seit 2005 wieder voll funktionsfähiger hydraulischer Widder, der von 1905 als Mitteldruckheureka-Widderanlage Nr. 6 der Firma Merkel jun. aus Dresden errichtet wurde und bis 1929 Trinkwasser in einen Hochbehälter befördert hat.[25]
  • In Zschetzsch bei Colditz fördert der Zschetzscher Widder 4 Liter Wasser pro Minute in eine 15 Meter höher gelegene Viehtränke. Früher wurde die Anlage zur Trinkwasserversorgung des Ortes benutzt.[26]
  • In Oederan gibt es auf dem Erlebnispfad „Märchenhaften Wasserwelten“ eine Station mit einem Widder.

Schleswig-Holstein[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Im Freilichtmuseum Molfsee bei Kiel befindet sich ein Widder von 1800 direkt neben der historischen Wassermühle (zurzeit beides nicht in Betrieb).
  • In Reesdorf (Holstein) im Kreis Rendsburg-Eckernförde befindet sich ein Widder, der Quellwasser im Eidertal 12 Meter hebt und seit 1936 in Betrieb ist.

Thüringen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Schauanlage im Wasserkraftmuseum Ziegenrück, ist während der Museumsöffnungszeit in Betrieb.

Weitere Länder[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Österreich[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • In Großgmain im Salzburger Freilichtmuseum ist ein funktionsfähiger hydraulischer Widder älterer Bauart ausgestellt.
  • Trinkwasserversorgung der Almhütte Radeckalm im Anlauftal bei Bad Gastein-Böckstein (Land Salzburg).
  • In Schwaz (Tirol) wird die Kellerjochhütte des Österreichischen Alpenvereins mit Wasser versorgt.
  • Am westlichen Abhang des Reinbergs in Thalheim bei Wels (OÖ) werkten bis um 1990 hörbar mehrere Widder, die Häuser ganz oben auf der Schotterterrasse versorgten.
  • In den WasserWelten Krimml beim Eingang der Krimmler Wasserfälle (Salzburg) arbeitet ein Widder im Außenbereich.[27]
  • In Leo’s Wasserwelt am Sinne-Erlebnispark, erreichbar mit der 8er-Asitz-Kabinenbahn, ist ein Widder zur Anschauung funktionsfähig installiert. Die Talstation befindet sich im Ortsteil Hütten in Leogang.
  • In Hohenems für die Wasserversorgung der Alpe Briedler. Der Widder (auch als "Klockbrunnen" bekannt) steht am Forstweg zwischen dem Gsohl Älpele und Fluhreck.
  • Am Natur-Erlebnisweg Teufelsgraben in Seeham/Matzing (Land Salzburg).
  • Auf der Sautrenk-Alm am Schafberg. Es werden damit 2 Almhütten mit Trinkwasser versorgt. Höhenunterschied ca. 100 m.

Schweiz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hydraulische Widder stehen nicht nur auf Alpen in Betrieb, auch abgelegene Wohnhäuser oder Ställe werden damit mit Wasser versorgt. In der Schweiz gibt es heute noch drei Hersteller: Tobler in Alt St. Johann, Zahner in Uznach und die Firma Schlumpf, die seit 1885 Widder herstellt. Die Nachfrage hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen.[28]

  • In der Erlebniswelt Toggenburg in Lichtensteig (Kanton St. Gallen) ist eine Sammlung von hydraulischen Widdern mit einem funktionsfähigen Gerät ausgestellt.[28]
  • Unterhalb Berggasthaus Mesmer, Alpstein (Appenzell Innerrhoden)
  • Herrenalp, Nesslau, seit etwa 100 Jahren in Betrieb, ältester funktionstüchtiger Widder im Toggenburg[28]
  • Alp Hoor unterhalb des Neuenalpspitz im Toggenburg, 323 m Höhenunterschied[28]
  • Im Hotel Faulhorn ob Grindelwald (Kanton Bern)
  • In Sennhütten, Kästhal (Aargau). Die Anlage ist seit 70 Jahren in Betrieb und speist ein altes Bauerngehöft. Pumphöhe 70 m.
  • In Seon, Schürberg (Aargau). Die Anlage aus den 50er wurde 2010 revidiert und speist Waldhütte und Brunnen. Pumphöhe 78 m.
  • Tierfehd (Linthal GL) unterhalb der Baumgartenalp
  • Auf der Alp Oberpfyfferswald im Eigental
  • Tripolihütte auf dem Pilatus zwischen Mittaggüpfi und Stäfeliflue

Burundi[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im hügeligen Bergland von Burundi, Ostafrika, in der Gemeinde Bisoro (Burundi) wurde mit Unterstützung aus Deutschland 2014 begonnen, eine Trinkwasserversorgung für die Bewohner mit Hilfe von wartungsfreien „hydraulischen Widdern“ aufzubauen.[29]

Frankreich[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • In der französischen Gemeinde Montresor im Departement Indre-et-Loire steht im Park am Fluss Indrois in einem Pumpenhaus ein hydraulischer Widder, der früher für die Wasserversorgung des Schlosses verwendet wurde. Das Pumpenhaus kann besichtigt werden.

Italien[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Auf der Seiser Alm in der Nähe der Bergstation der Seilbahn von St. Ulrich in Gröden wird eine im Privatbesitz befindliche, alleinstehende Berghütte per hydraulischem Widder mit Wasser versorgt.
  • Die Oberetteshütte in Matsch wird mittels hydraulischem Widder mit Wasser versorgt.

Polen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Slowenien[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Am Zugang zur Almhütte „Brunarica pri Ingotu“, südlich von Gozd Martuljek bei Kranjska Gora, versorgt die Hütte.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Hydraulische Widder – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Wasserkraft für China www.atmosfair.de, o. J., zuletzt abgerufen 2. Mai 2017.
  2. Mathias Döring 2500 Jahre Energie aus Wasser, Mitteilungen des Lehrstuhls für Wasserbau und Wasserwirtschaft der RWTH Aachen, Heft 167, Shaker Verlag, Aachen, 2013
  3. Schlumpf Innovations: Kompakt-Widder. Abgerufen am 1. März 2015.
  4. AN ASSESSMENT OF THE IMPACT OF THE IMPULSE VALVE ON THE PERFOMANCE OF A HYDRAULIC RAM (by Dumisani Siwinda) | Pump | Mechanical Engineering. Abgerufen am 17. Februar 2018 (englisch).
  5. Johann Albert Eytelwein: Bemerkungen über die Wirkung und vortheilhafte Anwendung des Stoßhebers (Bélier hydraulique): nebst einer Reihe von Versuchen, mit verschiedenen Anordnungen dieser neuen Wasserhebungsmaschine. Realschulbuchh., 1805 (google.de [abgerufen am 28. Januar 2018]).
  6. DEPATISnet | Dokument DE000000842450B. Abgerufen am 2. Februar 2018. Achtung! Bei DEPATISnet-Angaben erscheint oft beim ersten Anklicken eine Fehlermeldung. Beim zweiten Mal funktioniert der Link.
  7. Lang, Stache: Hydraulik von Rohrsystemen. Hrsg.: Institut für Hydromechanik Karlsruhe. S. 95 (Online als PDF verfügbar (http://www.ifh.uni-karlsruhe.de/lehre/rohrhydraulik/Skripten/Vorlesung/neu/Skript-Rohrhydraulik_Stand_April2010.pdf)).
  8. KSB (Hrsg.): Der Druckstoß. (Online verfügbar (https://www.ksb.com/blob/52870/bbb5aed662bfc14fb4cbde62066495a7/band-1-de-druckstoss-know-how-data.pdf)).
  9. G. Wossog: Handbuch Rohrleitungsbau. Band 2. Vulkan-Verlag, Essen, ISBN 3-8027-2723-1.
  10. Jürgen Giesecke, Stephan Heimerl, Emil Mosonyi: Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-642-53871-1 (google.de [abgerufen am 17. Februar 2018]).
  11. Gerhard Bollrich: Technische Hydromechanik 1: Grundlagen. Beuth Verlag, 2013, ISBN 978-3-410-23481-4 (google.de [abgerufen am 17. Februar 2018]).
  12. WALLACE M. LANSFORD, WARREN G. DUGAN: AN ANALYTICAL AND EXPERIMENTALSTUDY OF THE HYDRAULIC RAM. Hrsg.: UNIVERSITY OF ILLINOIS. 21. Januar 1941 (Als PDF online verfügbar).
  13. S.B. Watt: A MANUAL OF INFORMATION ON THE AUTOMATIC HYDRAULIC RAM FOR PUMPING WATER. Hrsg.: Intermediate Technology Development Group Water Development Unit, National College of Agricultural Engineering, Silsoe, Bedford, MK45 4DT, U.K. 10. Januar 1974 (Als PDF online verfügbar (https://www.ircwash.org/sites/default/files/232.5-74MA.pdf)).
  14. C. Verspuy, A. S. Tijsseling: Hydraulic ram analysis. Hrsg.: Delft University of Technology. (Als PDF online verfügbar (http://www.win.tue.nl/~atijssel/pdf_files/Verspuy-Tijsseling_1993.pdf)).
  15. W SOBIESKI, D GRYGO, S LIPINSKI: Measurement and analysis of the water hammer in ram pump. In: Indian Academy of Sciences (Hrsg.): Sadhana Vol. 41, No. 11. (Als PDF online verfügbar (http://www.ias.ac.in/article/fulltext/sadh/041/11/1333-1347)).
  16. Branko Furst: The Heart: Pressure-Propulsion Pump or Organ of Impedence Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia 2015; 29(6):1688-1701. PMID 26026358, Volltext
  17. Branko Furst: The Heart and Circulation: An Integrative Model. Springer, New York 2013. ISBN 978-1-4471-5276-7. S. 145, S. 147–153, S. 186 und S. 218. (PDF siehe: http://medfac.tbzmed.ac.ir/uploads/3/CMS/user/file/10/library/books/heart%20circulation.pdf)
  18. Markus Meier: Der hydraulische Widder. In: Elektroniker. Nr. 6, 1991 (PDF verfügbar (http://www.bioconsult.ch/Inovatech/Mechanik/Widder_Elektroniker.pdf)).
  19. Elektronischer Hochsetzsteller und Hydraulischer Widder. In: Universität Stuttgart, Institut für Leistungselektronik (Hrsg.): Grundlagenpraktikum. (PDF verfügbar (http://www.ilea.uni-stuttgart.de/dateien/gp/V031_WS0607_061011_doppel.pdf)).
  20. swr.de.
  21. Ein Video gibt es auf der Facebook-Seite von Vachendorf in Oberbayern.
  22. Freilichtmuseum am Kiekeberg: Widderanlage Gödenstorf
  23. Technik&Bauern-Museum Berzbach
  24. www.strehla.de
  25. http://autodiscover.ewagkamenz.de//index.php?FNDLR=flyer_hydraulischer_widder_2015 PDF-Dokument Seite 2
  26. Zschetzscher Widder. Sachsens wassertechnische Anlage. 2. September 2013, archiviert vom Original; abgerufen am 30. Januar 2015.
  27. Hydraulischer Widder – WasserWelten Krimml. Abgerufen am 25. Mai 2015.
  28. a b c d Barbara Anderegg: Wasser pumpt Wasser auf den Berg. In: Toggenburger Tagblatt vom 14. September 2012
  29. 2014 – Der hydraulische Widder. Abgerufen am 21. Oktober 2015.
  30. ostpreussen-info.de