Konzipierung Widder am Bach

Wasserpumpe ohne Strom

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werwutz
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Konzipierung Widder am Bach

Beitrag von werwutz » Fr 13. Aug 2021, 11:58

Hallo alle zusammen,

Ich habe mich grade erst angemeldet und wollte die Vorstellung meines Projektes eigentlich erst machen nachdem ich das Gefälle meines Baches ermittelt habe, aber es lässt mir keine ruhe und in meiner Mittagspause kann ich genausogut schon mal mein Pojekt vorstellen.

Ich habe an einer Seite meines Grundstückes etwas über 30 Meter eines Baches. Dieser bach ist nicht tief allerdings recht breit und führt gut Wasser. Zum gefälle kann ich noch nichts genaues sagen, aber viel wird es nicht sein. Deshalb habe ich mir überlegt am oberen Ende des Baches ein klein wenig zu stauen falls es nicht reichen sollte, da sind ohne größere Eingriffe 10cm zu holen einfach indem ich ein paar große steine in den Bach lege. Allerdings gibt auch eine Steigung von 2% auf 30 Meter schon 60 cm Gefälle. Zu meinem Glück ist der Hang recht flach, sodass meine Förderhöhe bei maximal 3,5 Metern liegen sollte.

Ich habemal mit den Mitteln, die mir zur Verfügung stehen einen Aufsichtplan meiner Gegebenheiten erstellt. ich hoffe er ist verständlich.

Bild

Um Dieses Gefälle nutzen zu können habe ich hier im Forum bereits gefunden, dass man bei wenig Gefälle mit einem Standrohr arbeitet und dass dieses etwa den dreifachen durchmesser des Triebrohres haben sollte. Ich Plane fürs erste mit einem 1" Triebrohr. Unsicher bin ich mir noch, wie ich die Zuleitung zu dem Standrohr dimensionieren muss. Klar im Endeffekt muss da so viel Wasser durch, wie im Anschluss durch den Widder fließt, aber hier wäre ich für Erfahrungswerte dankbar.

Wenn ich etwas entscheidendes nicht bedacht habe würde ich mich ebenfalls über Hinweise freuen.
Beste Grüße
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Thoralf
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Re: Konzipierung Widder am Bach

Beitrag von Thoralf » Sa 14. Aug 2021, 14:57

Moin Werwutz,

Plunschmeister war schon mal so freundlich und hat einiges zum Thema Standrohr hier aufgeschrieben: viewtopic.php?f=52&t=442

Aus meiner völligen Widder-Laien-Sicht ist das Standrohr am Ende der "Standrohr-Versorgungsleitung" einfach nur ein Teil-Aufstau des Bachlaufes. Statisch (wenn kein Wasser rausläuft) hast Du dort genau den Wasserspiegel des Einlaufs. Es muss durch das Rohr zumindest soviel Wasser nachlaufen, wie der Widder verbraucht, bzw. es muss auch leicht nachlaufen können, weil ja nur die Höhendifferenz des Baches (oder die noch kleinere Höhendifferenz zum Wasserspiegel auf den die Wassersäule bei Betrieb des Widders abfällt) für das Nachlaufen sorgt. Deshalb muss die Leitung, vor allem bei Deinem geringen Gefälle, ausreichend groß sein. In Deinem Fall: Je größer desto besser.

Ich überlege grad, ob bei Deinem geringen Druck als preiswerte Variante KG-Rohr in Frage kommt. Am unteren Ende ggf. gegen Auseinanderrutschen gesichert. (es ist ja "nur" ca. 60 mbar bei den genannten 60 cm). Bei 100 mm Durchmesser wirken dann allerdings auch schon knapp 5 kg auf den Deckel am unteren Ende des Rohres. Also dort vielleicht einen großen Stein in das Wasser, gegen den sich Deckel und Leitung abstützen. Ansonsten braucht diese Leitung nur den Druck der Höhendifferenz Deines Baches aushalten. Das sollten die Dichtungen locker mitmachen. (Hat jemand der Widderexperten eine Meinung dazu?)

Falls nicht jemand noch was größeres vorschlägt: probier doch mal 100er KG-Rohr für die Leitung bis zum Standrohr. (vielleicht auch 200er?) Und am Ende ein T-Stück (mit dem Mittelteil des T nach oben, dort dann ein 100er Rohr als Standrohr). Wenn Du die Leitung "verkehrt herum" legst, also mit den Dichtungen bachabwärts, dann kannst Du in das T-Stück einen KG-Deckel reindrücken (wie oben beschrieben gegen rausrutschen sichern) und dort dann die eigentliche Triebleitung anschließen.

p.s. sind eigentlich Fische in Deinem Bach?

LG und HTH
Thoralf
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Plunschmeister
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Re: Konzipierung Widder am Bach

Beitrag von Plunschmeister » So 15. Aug 2021, 09:41

Moin zusammen,

da möchte ich mal auf ein Video von petterbetty verweisen:

viewtopic.php?f=52&t=168

...wobei das normale KG-Rohr keinen UV-Schutz hat. Das Rohr verblasst dann mit der Zeit.
Das Standrohr ist ja open to air, das Triebwasser zirkuliert nur zwischen Widder und Standrohr.

Wieweit ist die Entfernung vom Standrohr zum Widder.
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Gruß PM

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Re: Konzipierung Widder am Bach

Beitrag von werwutz » Mo 16. Aug 2021, 11:39

@ Thoralf
Danke den thread von Plunschmeister hatte ich schon gesehen. Daher kommt ja genau meine Idee mit dem Standrohr :idea: .
Und ja, das Standrohr hat nachher einen Wasserspiegel auf niveau des Einlasses, aber wenn ich an dem Einlass noch 10 cm stauen kann, dann ist es auch nachher im Standrohr 10 cm höher.

Den letzten Fisch in diesem Bach den ich gesehen habe war vor 20 Jahren ein toter Goldfisch, den wohl jemand ausgesetzt hatte.

@ Plunschmeister die Entfernung zwischen Widder und standrohr habe ich noch nicht festgelegt, die soll teil der Optimierung sein.
Ich war aber am Wochenende schon fleißig und habe Mit teilen aus dem Baumarkt einen Widder gebaut.

Einmal das Fußventil, das bei dem Saugrohrsatz dabei war:

Bild


So habe ich es wieder zusammen gebaut:

Bild


Und so sieht mein Aufbau für meinen "Versuchswidder" aus. (Mir ist aufgefallen, dass da noch ein Doppelnippel fehlt, den ich vergessen hatte dazuzulegen).

Bild

Nach ein bisschen feinjustierung an der Ventilfeder hab ich ihn dann sogar zum laufen gebracht. Davon habe ich ein Video. Wie bringe ich das hier ins Forum, youtube und dann einfach den Link einfügen? Ich versuch's mal so:



Wie ihr seht habe ich noch den Korb von dem Fußventil abmontiert, ich hatte das gefühl, der bremst mein Triebwasser unnötig ab.
Ich habe als Triebleitung zuerst 1 m Stahlrohr verwendet und daran anschließend ein 7 m langes 25 mm Saugrohr. Den Einlass des Saugrohrs habe ich im Video auf 80 cm montiert und danach noch einmal auf 60 cm (nicht im Video). Beide male lief der Widder (bei 60 cm war der Stoßtakt langsamer, aber das ist ja zu erwarten).
Ich möchte natürlich noch die Anschlüsse ordentlich dicht bekommen, die habe ich für eventuelle Änderungen nicht zu fest gezogen und dadurch hat es an der ein oder anderen Stelle geleckt. Außerdem möchte ich eine längere Strecke vor dem Widder als Stahlrohr haben um weniger Energie im flexiblen Schlauch zu verlieren, der hat schon noch kräftig gezuckt. Der letzte Punkt, den ich selbst noch auf dem Schirm habe ist ein ordentlicher Windkessel, dafür möchte ich einen 1 " anschluss an eine alte Druckgasflasche schweißen, das ist bestimmt auch noch mal besser als die Plastikflasche.

Was ich mich noch frage ist ob ich den Widder unbedingt an der Luft stehen haben muss, oder könnte ich den auch im Bach versenken? also dass das Stoßventil unter wasser liegt?

Ich bin weiterhin für Anregungen Dankbar, ich kann mir nicht vorstellen, dass ich schon alle Schwachstellen gefunden habe.
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Thoralf
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Re: Konzipierung Widder am Bach

Beitrag von Thoralf » Mo 16. Aug 2021, 14:07

Moin Werwutz,

ich bin ja nur Elektroingenieur - und kenne deshalb auch eher das elektronische Gegenstück zum hydraulischen Widder. Was die Sache aber interessant macht, denn dafür gibt es Berechnungsformeln... Ich hatte hier: viewtopic.php?f=52&t=2354 mal aufdie Beschreibung eines Praktikumsversuches verlinkt, bei dem ein Uni-Professer den Studenten beides nahegebracht hat, um das Verständnis der Vorgänge zu erleichtern. Schau mal in das dort verlinkte pdf. Insbesondere Blatt 4 bis 8.

Wenn Du was optimieren willst: Ich tippe mal eben schnell in der Mittagspause ein paar Gedanken dazu:

Die Länge des grünen Schlauches (ist es das, was Du als "ein 7 m langes 25 mm Saugrohr" bezeichnest?) ist (fast) völlig uninteressant. Denn er ist viel zu flexibel (auch wenn er ganz minimal zur Wirkung beitragen kann, denn man sieht ja am Einlauf ein paar kleine Druckstöße ankommen).

Wichtig sind vor allem zwei Dinge: erstens die Wassermasse und -geschwindigkeit im Stahlrohr/Triebleitung. Und zweitens wie schnell das Stoßventil schließt.
Im fließenden Wasser ist kinetische Energie gespeichert, die kannst Du exakt berechnen mit E=m/2*v². Wenn das Stoßventil schließt, wird die Energie in potentielle Energie = Druck umgesetzt. Wenn ich mal den Wirkungsgrad außen vor lasse, dann wird aus der kinetischen Energie potentielle Energie: E = m*g*h (wobei h dann der in Förderhöhe umgerechnete Druck ist, also über die Dichte des Wassers). Genau genommen gilt das für den Fall, dass wie in Deinem Video kein Wasser nach oben gefördert wird, sondern nur der Druckmesser dran ist. Ansonsten hast Du natürlich auch noch einen Anteil kinetische Energie für die Geschwindigkeit und Masse des nach oben geförderten Wassers.

Für den entstehenden Druck (der das Wasser nach oben fördert) ist die Schließgeschwindigkeit des Stoßventils ausschlaggebend. In der Elektrotechnik ist das jedem als U = L * di/dt bekannt (vereinfacht: U = L*i/t). Die elektrische Spannung U entspricht dem Druck (bzw. der Höhe), und der elektrische Strom i entspricht dem Volumenstrom Q des Wassers. Die Induktivität L wird wohl irgendwie der Masse des Wasser im Rohr entsprechen.

Bei einer vorgegebenen Ventil-Konstruktion wird sich an der Schließgeschwindigkeit nicht viel ändern lassen. Ich vermute mal, wenn sich der Ventilteller des Stoßventil anfängt zu bewegen, dann bewegt er sich mit der Geschwindigkeit des im Rohr fließenden Wassers. Aus dem Ventilweg und der Wassergeschwindigkeit im Rohr kannst Du die Schließzeit berechnen.

Die Wassergeschwindigkeit im Rohr bekommst Du über v = Q/A
(Q - Wasserdurchfluss in dem Moment wenn das Stoßventil beginnt zu schließen, A - Rohrquerschnitt).
Und die Masse des Wassers in der Triebleitung über A * l / rho
(l - Länge der Triebleitung, rho - Dichte des Wassers, A *l - Volumen der Triebleitung)

Die im Wasser im Stahlrohr gespeicherte Energie ist dann E = m/2 * v² = (A*l)/(2 rho) * (Q/A)² = l/(2* rho * A) * Q²

Du siehst schon an der Formel: um viel gespeicherte Energie zu haben, die dann das Wasser hoch fördert, brauchst Du:
  • ein langes Stahlrohr (l)
  • einen kleinen Querschnitt (A)
  • einen großen Durchfluss (Q)
Was jeder weiß: Langes und dünnes Rohr und großer Durchfluss widersprechen sich. Außerdem muss das Wasser in der Triebleitung nach jedem Stopp wieder in Bewegung kommen. Darin liegt dann wohl auch das, was man optimieren kann. Also vielleicht eher ein etwas dickeres Rohr als Triebleitung oder ein etwas kürzeres - dann hat man mehr Durchfluss, und der geht quadratisch ein. Und auch die Peridodendauer des Vorgangs spielt sicher eine Rolle, also wann das Stoßventil wieder öffnet, mit welcher Federspannung, wie schnell das Wasser in der Triebleitung an Geschwindigkeit zunimmt (bevor es dann wieder gestoppt wird) ...

Jetzt fehlt eigentlich noch die Berechnung der max. Höhe, aber glücklicherweise ist meine Mittagpause jetzt zu Ende. :D Aber das ist ein ganz entscheidender Teil der gesamten Konstruktion, denn aus dem schnellen Schließen des Stoßventils resultiert der Druckstoß, der das Wasser nach oben treibt.
Viel Spaß beim drüber nachdenken und optimieren. Vermutlich landet man dann irgendwo bei den Faustregeln der Praktiker. ;)

p.s.
1. leider kann ich von hier aus meinen Schmierzettel mit den Formeln nicht mal eben schnell scannen und als Bild einfügen. Deshalb die Formeln etwas schwerer lesbar nur in Text-Form.
2. Bei Wirkungsgrad von vielleicht 50...60 % reduziert sich die erreichbare Höhe bzw. Wasserförderung entsprechend.
3. Vom Funktionsprinzip her kann der Auslauf des Stoßventils auch unter Wasser sein. Allerdings wirkt der Gegendruck des Wassers je nach Wassertiefe genau so, als ob Du den Auslauf entsprechende Zentimeter höher bis über den Wasserspiegel gebracht hättest. Deshalb vermute ich , esspielt keine oder nur eine geringe Rolle.

LG
Thoralf
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Re: Konzipierung Widder am Bach

Beitrag von werwutz » Mo 16. Aug 2021, 15:30

@ Thoralf,

Vielen Dank,

ich komme selber aus den Naturwissenschaften und kann daher auch die "hässliche" Schreibweise nachvollziehen.

Die über die Analogie zwischen Widder und Aufwärtswandler habe ich auch schon gelesen aber mir ist die hydraulische Interpretation der Formeln einfach näher :lol:

Was die Optimierung angeht will ich erst mal an die apparativen Schwächen ran. Ich sagte ja schon, dass ich das Stahlrohr verlängern will, der Schlauch (das Saugrohr) ist für einen schlauch recht straff, aber ja, der dissipiert Energie. Da ich nur über den Einlass einfach Wasser einfließen lassen kann habe ich keinen Einfluss auf das Q/A ich kann größeren Fluss nur mit größerem Durchmesser erreichen. Die Druckstöße kommen aus dem Einlauf weil ich ein Geschlossenes System gebaut habe: statt eines offenen Schlauchs in die Höhe habe ich ja ein geschlossenes Manometer angebaut, dass das gleichwertig mit einer Förderhöhe ist, hast du ja bereits erwähnt. nur muss dann sobald der Enddruck aufgebaut ist der Druckstoß hinten raus.

Die Geschwindigkeit mit der das Ventil schließt kann ich n bisschen modifizieren über die Feder, aber ich denke der Effekt wird winzig sein, denn sobald das Ventil anfängt zu schließen steigt ja der Druck und drückt das ventil noch stärker/schneller zu.

LG Werwutz
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Plunschmeister
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Re: Konzipierung Widder am Bach

Beitrag von Plunschmeister » Mo 16. Aug 2021, 17:02

Deine ersten Versuche sehen ja nicht so schlecht aus.
Optimieren kannst du die Anlage, indem du dich an den Daten aus der Praxis orientierst:

Triebleitunglänge im Verhältnis zum Gefälle (Fallhöhe)
Treibleitung im Verhältnis Länge zu Höhe
Verhältnis der Triebhöhe zur Förderhöhe

Das Stoßventil solltest du in der waagerechten Anordnung, tatsächlich unter Wasser verlegen. Gerne kannst du auch den Widder etwas anders konstruieren, indem du das Stoßventil nach vorne setzt.

viewtopic.php?f=52&t=515

und

viewtopic.php?f=52&t=607
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Gruß PM

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Re: Konzipierung Widder am Bach

Beitrag von werwutz » Di 17. Aug 2021, 10:28

Vielen Dank für den Hinweis, dass ich das Stoßventil, wenn es waagerecht verbaut ist unter Wasser platzieren soll, das kommt meiner vorstellung wie ich den Widder im Bach installiere sehr entgegen und ich denke auch dass er leiser läuft wenn das Stoßventil unter Wasser liegt. Allerdings bin ich neugierig warum es besser ist ihn unter Wasser zu legen? Ich könnte mir eine zusätzliche Sogwirkung des Fließenden Wassers an der Rückseite des Ventils vorstellen aber das ist jetzt reine spekulation.
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Re: Konzipierung Widder am Bach

Beitrag von Plunschmeister » Di 17. Aug 2021, 10:33

Wenn das Stoßventil nicht schnell genug schließt, wird Luft eingesaugt.
Im Bach ist aus strömungstechnischen Gründen, eine waagerechte Anordnung des SV sinnvoll, auch das der Ventilteller aus Kunststoff ist.
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Re: Konzipierung Widder am Bach

Beitrag von kudi » Fr 3. Jun 2022, 12:49

Hallo miteinander

Darf ich fragen, wie ihr die PET-Flasche an der Verschraubung festgemacht habt?
Da sollte ja meines Wissens keine Luft "angesaugt" werden?
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