Hydraulischer Widder
Ein hydraulischer Widder, Stoßheber, Staudruck-Wasserheber oder "Wasserwidder", ist eine wassergetriebene, zyklisch 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 entlegene Regionen, da keine weitere Kraftquelle zusätzlich zur Energie des fallenden Wassers benötigt wird.
Geschichte
Die erste selbsttätigende Widderpumpe wurde 1796 von dem Franzose Joseph Michael Montgolfier erfunden. 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 Firmen die Produktion aufnahmen. Erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts ging das Interesse wieder zurück, als Elektrizität und elektrische Pumpen sich ausbreiteten.
Aufbau und Prinzip
Ein hydraulischer Widder hat nur zwei bewegliche Teile, ein Stoßventil und einen Druckventil. Deswegen ist er billig zu bauen, einfach zu warten, und extrem zuverlässig. Weiter gibt es eine Treibleitung, die Wasser von einer erhöhten Quelle zuführt, und eine Steigleitung, die einen Teil des Wassers von der Treibleitung abzweigt und es zu einem Punkt fördert, der höher gelegen ist als die ursprüngliche Quelle. Das Stoßventil wird entweder durch eine Feder oder durch Schwerkraft offengehalten, so dass im Ausgangszustand Wasser durch die Treibleitung weiter ins Freie strömen kann. Wenn der Wasserfluss stark genug wird, dann drückt dieser das Stoßventil zu. Dieses bleibt geschlossen bis der Druck wieder ablässt. Das Druckventil dagegen wird durch eine Feder oder Wasserdruck zugehalten, es sei denn, der Druck am Ende der Treibleitung ist größer als der in der Steigleitung. In dem Fall öffnet es sich, so dass Wasser aus der Treibleitung in die Steigleitung fließen kann.
Der Zyklus läuft wie folgt ab: Das Stoßventil ist ursprünglich offen, das Druckventil ist geschlossen, und das Wasser ruht. Unter der Schwerkraft fängt das Wasser in der Treibleitung an zu fließen und wird schneller, bis es das Stoßventil schließt. Die Trägheit des fließenden Wassers erhöht den Druck recht massiv, bis sich das Druckventil öffnet und eine gewisse Menge Wasser schlagartig durch die Steigleitung entweicht. Weil das Wasser in der Steigleitung weiter steigen muss, als es in der Treibleitung fällt, verlangsamt es sich, und der Druck sinkt. Das erlaubt es dem Stoßventil sich wieder zu öffnen, und der Zyklus beginnt erneut.
Eine häufig angebrachte Verbesserung ist ein Windkessel, der ein kleines Luftreservoir zwischen Pumpe und Steigleitung darstellt. Damit wird der Stoß gedämpft und, da der Fluss in der Steigleitung dann weniger stark schwankt, der Wirkungsgrad erhöht. Aus ähnlichen Gründen wird manchmal eine Zufuhrleitung und ein Behälter oberhalb der Treibleitung eingesetzt, damit die Treibleitung nicht zu lang wird. Die optimale Länge der Treibleitung ist das 5- bis 12-fache das Treibwassergefälles, oder das 500- bis 100-fache des Durchmesser der Treibleitung, je nachdem, was kleiner ist. Diese Länge ergibt typischerweise eine Zykluszeit von 1 bis 2 Sekunden. Der Wirkungsgrad liegt typischerweise bei 60%, aber es können auch Werte bis 80% erreicht werden.
Typische Betriebs-Probleme
Typische Betriebs-Probleme sind Luft in der Treibleitung, Blockierung der Wasser-Zufuhr oder der Ventile, zu wenig Luft im Windkessel, und Einfrieren im Winter.