selbstbau hydraulischer widder

CERPCH CENTRO NACIONAL DE REFERNCIA EM PEQUENOS APROVEITAMENTOS HIDROENERGTICOS

HYDRAULISCHER WIDDERWAS IST DAS UND WIE BAUT MAN EINENProf. Geraldo Lcio Tiago Filho Revision: Prof. Augusto Nelson Carvalho Viana

CERPCH - 2002

Hydraulischer Widder 2

WAS IST EIN HYDRAULISCHER WIDDER ?

Der hydraulische Widder ist eine der einfachsten und zugleich kostengnstigsten Vorrichtungen, um Wasser zu pumpen. Er ist einfach zu handhaben und bentigt so gut wie keine Wartung. Fr seine Funktion bentigt der hydraulische Widder weder elekrische Energie noch fossile Brennstoffe. Es handelt sich um eine automatisch arbeitende Maschine, die sich einen physikalischen Effekt zunutze macht, um Wasser zu pumpen. Der physikalische Effekt ist der Widdersto, eine pltzliche Druckwelle, die immer dann auftritt, wenn bei einem von Wasser durchstrmten Rohr pltzlich den Auslass verschlossen wird. Der hydraulische Widder geht auf den franzsischen Erfinder und ersten Ballonfahrer Montgolfier zurck, ist eine ganz einfache Maschine und kann entweder fertig gekauft werden oder mit einfachen Mitteln fr den Einsatz in lndlichen Gebieten gebaut werden. Aus der Abbildung 1 ist ersichtlich, aus welchen Teilen der hydraulische Widder besteht: Einer Treibleitung 1 Einem Stoventil 2 Einem Druckventil 3 Einem Windkessel 4 Einer Steigleitung 5

UND WIE FUNKTIONIERT DER HYDRAULISCHE WIDDER ? Nach der Installation ist das Stoventil (2) des hydraulischen Widders durch den Druck des Wassers in der Treibleitung (1) geschlossen. Um den hydraulischen Widder in Betrieb zu nehmen, reicht es aus, das Stoventil mit der Hand zu ffnen. Der weitere Betrieb des hydraulischen Widders ist automatisch. Zum Anhalten des Widders braucht nur das Stoventil fr kurze Zeit geschlossen gehalten werden. Die Gre des Widders hngt davon ab, welche Zulaufhhe (h) und welche Wassermenge (Q) zur Verfgung stehen. Die gefrderte Wassermenge (q) hngt ihrerseits wieder von der Gre des Widders und vom Verhltnis der Zulaufhhe zur Frderhhe (h/H) ab. Tabelle 1 enthlt die Durchmesser der Treib- und Steigleitung, die abhngig von der verfgbaren Wassermenge (Q) erforderlich sind. Tabelle 2 enthlt den Frderfaktor (R), der abhngig vom Verhltnis der Zulaufhhe zur Frderhhe (h/H) erreicht werden kann.Tab.1 Durchm. Treib- und Steigleitung Q Verfgbare Wassermenge (Zulauf) in l/h e Treibleitungsrohr in Zoll s Steigleitung in ZollTab.2 Frderfaktor

Hhenverhltnis (h/H) 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8

Frderfaktor (Frdermenge/Zulaufmenge) R 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30

420 bis 900 660 bis 1.560 1.320 bis 2.700 4.200 bis 7.200

1 1 2 3

1

Durch den Druck wird am Anfang das Druckventil (3) geffnet und Wasser strmt in den Windkessel (4). Dadurch wird die dort befindliche Luft komprimiert, bis ein Druckausgleich entsteht. Unter dieser Bedingung ist der hydraulische Widder betriebsbereit. Dazu muss lediglich einige Male das Stoventil (2) von Hand bettigt werden. Bei offenem Stoventil beginnt das Wasser zunchst langsam auszuflieen und mit zunehmender Ausstrmgeschwindigkeit schliet das Stoventil pltzlich.


Der mit steigender Geschwindigkeit auszuflieende Wasserstrom wird schlagartig unterbrochen, was den schon erwhnten Widdersto verursacht, eine Druckwelle, die sich durch den gesamten Widder und das Treibleitung (1) fortpflanzt. Durch diese Druckwelle wird das Druckventil (3) geffnet, das nun seinerseits Wasser in den Windkessel (4) einlsst. In dem Mae, wie die Luft im Inneren dieser Kammer komprimiert wird, baut sich am Einlass ein Widerstand gegen das durch die Druckwelle einflieende Wasser auf, bis der Druck in der Kammer sich ein wenig erhht und das Druckventil (3) dadurch wieder geschlossen wird. Das Wasser im Inneren des WIndkessels kann nun nicht mehr in den Widder zurckflieen und beginnt deshalb in der Steigleitung als einziger Auslass anzusteigen. Sofort nach dem Schlieen des Druckventils kommt es zur Bildung einer negativen Druckwelle, die zur ffnung des Stoventils fhrt und damit den Beginn eines erneuten Zyklus einleitet. Im Verlauf der nachfolgenden Zyklen wird die Steigleitung (3) immer weiter durch das Komprimieren der Luft in den Windkessel (4) mit Wasser gefllt.

Abbildung 1 Schema und Beispiel fr die Installation eines hydraulischen Widders


SO BESTIMMT MAN DIE FRDERMENGE Beispieldaten Verfgbare Zuflussmenge ...................................Q = 1.800 Liter je Stunde Zulaufhhe.......... ................................................ h = 2 Meter Frderhhe, die berwunden werden muss ....... H = 10 Meter Verhltnis zwischen Zulaufhhe und Frderhhe: (h/H) = 2/10 = 1/5 Aus der Tabelle 2 kann nun der zum Hhenverhltnis gehrende Frderfaktor entnommen werden: R = 0,45

Die erreichbare Frdermenge kann nun anhand der nachstehenden Formel berechnet werden:

h q = Q R H wobei: Q = 1.800 Liter/h h = 2 Meter H = 10 Meter R = 0,45 oder:

2 q = 1.800 0,45 10 oder: q = 162 Liter pro Stunde


SO BESTIMMT MAN, WIEVIEL WASSER GEBRAUCHT WIRD

Als Pi-mal-Daumen-Richtwerte enthlt die Tabelle 3 den ungefhren Wasserbedarf in lndlicher Umgebung, und liefert uns somit die fr eine Dimensionierung erforderlichen Werte. Der Wasserbedarf hngt stark davon ab, was und wieviel an Tieren gehalten wird und wie gro die zu bewssernde Flche ist. Bitte beachten, dass der Bedarf immer pro Kopf angegeben ist.Tab. 3 Ungefhrer Wasserverbrauch in lndlicher Umgebung Wofr Liter pro Tag Haushalt, je Person 70 bis 100 Geflgel pro Kopf 0,2 bis 0,3 Ziegen pro Kopf 4 bis 5 Schweine pro Kopf 5 bis 8 Rinder pro Kopf 30 bis 35 Pferde pro Kopf 35 bis 50 Schweine, Stallhaltung pro Kopf 12 bis 15 Gemse, Blumen je m2 3 bis 5

BEISPIEL FR DIE DIMENSIONIERUNG EINES HYDRAULISCHEN WIDDERS

Kleiner Landwirtschaftbetrieb: Haushalt 6 Pers. Hhnerstall 100 Hhner Schweinestall 20 Schwe. Weide 15 Rinder Gemsegarten 200 m2 GESAMT

x 100 Liter pro Tag x 0,3 Liter pro Tag x 15 Liter pro Tag x 30 Liter pro Tag x 4 Liter pro Tag

= = = = = =

600 Liter pro Tag 30 Liter pro Tag 300 Liter pro Tag 450 Liter pro Tag 800 Liter pro Tag 2.180 Liter pro Tag

Daraus ergibt sich eine Mindestfrderleistung von: q = 2.180 Litern protag =

2.180 = 90,83 Liter pro Stunde 24

q = 90,83 Liter pro Stunde Gelndedaten: Zulaufhhe: h = 2,5 Meter Frderhhe H = 15 Meter Verhltnis von Zulauf zu Frderhhe:

h 2,5 1 = = H 15 6 Frderfaktor: gem Tabelle 2 fr

h 1 R = 0,4 = H 6

Mindestwassermenge, die fr die bentigte Frdermenge am Zulauf vorhanden sein muss:

Q.

q h 90,83 15 . = . = 1.362,45 Liter pro Stunde R H 0,40 25 Q = 1.362,45 Liter pro Stunde


Aus Tabelle 1 knnen wir nun entnehmen, welche Durchmesser wir fr die Treib- bzw. die Steigleitung bentigen: bei Q = 1.362,45 Litern pro Stunde bentigen wir:

Durchmesser Treibleitung: e = 1 " Durchmesser Steigleitung: s = " Die Gre eines industriell gefertigten hydraulischen Widders wird abhngig vom Durchmesser des Ein- und Ausgangs angegeben. Anhand der folgenden Tabelle 4 kann nun die bentigte Gre des hydraulischen Widders bestimmt werden. Tab. 4 Gren und Eigenschaften industriell gefertigter hydraulischer Widder.Hersteller: Cleverson, Queiroz Jnior und Marumby.

Hersteller: Jordo


SO BAUT MAN EINEN HYDRAUL. WIDDER AUS INSTALLATIONSMATERIAL

Mit den aus der Tabelle 1 gewonnenen Durchmessern fr Treibleitung und Steigleitung kann man sich nun das Material aus Tabelle 5 im Baumarkt besorgen. Abbildung 2 zeigt ein Foto der Teile. Tab. 5 Erforderliches Material fr den Bau eines hydr. Widders mit Zulauf- zwischen 1, 2 u. 3. Teil Nr. Material Treibleitungsdurchmesser Menge 1 2 3 1 2-Liter-PET-Flasche ---------------1 2 ---------------1 Flaschendeckel mit Bohrung 15mm 3 Adapterbuchse -----1 auf 2 auf 1 4 PVC T-Stck, wei mit Gewinde 1 1 1 5 Adapterbuchse, PVC, wei mit Gewinde auf 1 auf 2 auf 1 1 6 Schlauchadapter, schwarz 1 1 7 Verbindungsstck, PVC, wei 1 2 1 8 Adapterbuchse, PVC, wei mit Gewinde 1 auf 2 auf 1 3 auf 2 1 9 Rckschlagventil fr Vertikalbetrieb, 1 2 3 1 30101000 30102000 30103000 Messing (Hersteller und Teilenr. Docol) 10, 12 Verbindungsstck, galvanisert 1 2 3 2 11 T-Stck, galvanisisert 1 2 3 1 13 Brunnenansaugventil, Messing (Hersteller 1 2 3 1 30011000 30012000 30013000 Docol, Teilenummer Docol) 14 Schraubemit 3 Muttern und einer 5/16 oder 5/16 oder 5/16 oder 1 Beilegscheibe, Messing M8 M8 M8 15 Feder aus der Toilettensplkasten1 Bettigung (Hersteller Hydra)

Nun kann mit dem Zusammenbau der Teile gem Abbildung 2 begonnen werden, an dessen Ende man einen hydraulischen Widder gebaut hat, der vollstndig aus Rohrleitungszubehr besteht (von der PET-Flasche einmal abgesehen). Besonderer Augenmerk ist dabei der Montage des Stoventils (Teil Nr. 13 in Tabelle 5) zu schenken. Damit der Verschluss dieses Ventils als Stoventil einwandfrei funktioniert, mssen die nachstehend beschriebenen Modifikationen am Ventil vorgenommen werden. 1- Den unteren Deckel des zum Ventil gehrenden Ansaugkorbs mit einem Bohrer durchbohren. Der Durchmesser des Bohrer ist so zu whlen, dass anschlieend ein Gewinde fr die Schraube (Teil Nr. 14) in die Bohrung geschnitten werden kann (5/16" oder M8). 2- Das Gewinde in die Bohrung schneiden. 3- Eine der 3 Muttern bis zur Mitte auf die Schraube (Nr. 14) aufschrauben. 4- Die Schraube (Nr. 14) nun von auen in das unter 2 geschnittene Gewinde eindrehen, bis die Mutter an den Boden des Ansaugkorbs stt. 5- Am freien Ende der Schraube (im Ansaugkorb) zwischen zwei Muttern die Beilegscheibe befestigen. 6- Den Ansaugkorb wieder auf das Ansaugventil (Nr. 13) schrauben und dabei die Feder (Nr. 15) zwischen die Beilegscheibe am Schraubenende und den Verschluss des Ansaugventils setzen. Die Feder drckt nach dem Widdersto das Ventil wieder auf, bis es vom flieenden Wasser erneut geschlossen wird. Die Federkraft der Feder (Nr.15) muss im Betrieb so justiert werden, dass der Pumpeffekt des Widders mglich gro wird, d. h. die Frdermenge pro Zeiteinheit mglichst hoch ist. Dazu die Kontermutter auen am Boden des Ansaugsiebs lsen und die Schraube versuchsweise nach innen oder auen drehen. Anschlieend die Schraube mit der Kontermutter wieder sichern.


Abbildung 2 Hydraulischer Widder mit PET-Flasche (Teil 11 ist hier noch in PVC!)

Abbildung 3 Fertig montierter hydraulischer Widder mit PET-Flasche (Justierschraube fehlt noch)


WICHTIGE EMPFEHLUNGEN

1) Treibleitung: Die Lnge der Treibleitung LQ kann mit nachstehender Formel berechnet werden: LQ = Fr das vorige Beispiel: H = 15 Meter h = 2,5 Meter LQ =

H .0,3 + H h

15 .0,3 + 15 = 16,8 Meter 2,5

Die Treibleitung muss so gerade wie nur mglich verlaufen, sollte weder Bogenstcke noch Knie aufweisen, um dem Wasserfluss so wenig Reibung wie mglich entgegenzubringen. Die Treibleitung sollte in der Quellfassung oder dem aufgestauten Bach mindestes 30 cm unterhalb der Wasseroberflche liegen, so dass keine Luft angesaugt werden kann. der Einlass sollte trichterfrmig erweitert sein, um die Strmungsverhltnisse zu verbessern und mit einem Gitter abgedeckt werden, denn mit dem Masser angesaugte Bltter, stchen etc. knnen die Funktion der Ventile beeintrchtigen. Die Treibleitung sollte idealerweise ein galvanisiertes Stahlrohr sein. PVC-Rohre oder andere Materialien federn zu stark und knnen, abgesehen davon, dass der Wirkungsgrad des Widders dadurch stark sinkt, im Extremfall durch die Widderste sogar platzen.. 2) Steigleitung: Die Lnge der Steigleitung Lq darf maximal die zehnfache Lnge der Treibleitung LQ aufweisen. In unserem Beispiel also: Lq = 10. LQ = 10 .16,8 = 168 Meter Wenn die Lnge der Steigleitung Lq grer sein muss, als die zehnfache Lnge der Treibleitung LQ , muss der Durchmesser der Steigleitung vergrert werden. Auch in der Steigleitung sind nach Mglichkeit Knie oder Bogenstcke zu vermeiden, um die Verluste durch Reibung einzuschrnken. Auerdem empfiehlt sich der Einsatz eines Rckschlagventils direkt am Beginn der Steigleitung.

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