CH666942A5 - Saugwidder-pumpeinrichtung fuer einen schacht. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Pumpeinrichtung für einen Schacht gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der deutschen Patentschrift 804 288 ist eine Pumpeinrichtung dieser Art bekannt, welche den Fallstrom und den Steigstrom durch zwei koaxiale Rohre führt, wobei die Schwellenkraft des Stossventils des Saugwidders durch das Eigengewicht bestimmt ist. Solche Einrichtungen haben sich in der Praxis nicht durchgesetzt, da die komplexen Beziehungen, die das selbständige Funktionieren des Widders bestimmen, neben Abstimmung der Schwellenkraft an wechselnde Betriebsbedingungen vor allem einen schwingungsfreien Falldruck am Stossventil verlangen, wenn der stete Öffnungswechsel des Stossventils und eines zugeordneten Fussventils trotz unvermeidlichen Störungen durch Verunreinigungen, Lufteinschlüsse oder gar kurzen Pumpunterbrüchen sicher aufrechterhalten werden soll. Am Schachtgrund können ja keine Geräte installiert werden, deren oszillierende Arbeitsweise zeitweilig aussetzt oder die bei kleinsten Störungen sogar aus dem Schacht gehoben werden müssen, da bei der bekannten Pumpeinrichtung keine Möglichkeiten eines Anstossens des Widders, einer Einstellung der Schwellenkraft oder einer Belüftung durch Windkessel von der Schachtmündung her bestehen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Pumpeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher unter gleichzeitiger Vereinfachung der Montage die den Betriebszustand erhaltende Schwingneigung des Saugwidders ver-grössert ist. Zudem soll diese Aufgabe im begrenzten Raum-des Schachts mit geringsten hydraulischen Verlusten, das heisst mit möglichst wenigen Umlenkungen der Wasserströme geschehen.

Erfindungsgemäss weist die Pumpeinrichtung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale auf.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Pumpeinrichtung, bei welcher der im Schacht unter Wasser bedingliche Saugwidder durch die an der Schachtmündung befindliche, Start- und Regeleinrichtung enthaltende Speiseeinheit angetrieben wird, wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Speiseeinheit mit einer Zentrifugalpumpe und Hilfsvorrichtungen, die an einem sich auf einen Träger über der Schachtmündung abstützenden Speiseblock angebracht sind, und

Fig. 2 einen Axialschnitt einer steckbaren koaxialen Widderanordnung mit einem ringförmigen Stossventil, einem elektrolytischen Windkessel und einer Verstelleinrichtung für die Schwellenkraft des Stossventils.

Der eigentliche Saugwidder setzt sich gemäss Fig. 2 aus fünf Organen zusammen, welche das untere Ende einer Fallleitung 1 und eines koaxialen Steigrohrs 2 bestücken und welche unter dem Wasserspiegel 3 des nicht dargestellten Schachts, beispielsweise eines Bohrlochs, liegen. Diese Organe sind die folgenden:

1. Ein zweiteiliges Stossventil, welches zwei axial ineinandergeschobene Hülsen 4a und 4b hat, welche das Steigrohr 2 ringförmig umschliessen. Zwischen den beiden Hülsen 4a, 4b ist eine Schwellenfeder 5 angeordnet, wobei die beiden Hülsen 4a, 4b über eine Reibdichtung 6 miteinander gekoppelt sind. Der Hülse 4b ist ein Sitzflansch 7 zugeordnet und der Hülse 4a ein am Steigrohr 2 angebrachtes Sitzrohr 8, welches mit seitlichen Öffnungen 8a versehen ist. Am Sitzrohr 8 und am Sitzflansch 7 sind die Hülsen 4a, 4b durch je drei Führungsbolzen oder Führungsnocken 9 bzw. 10 radial geführt. Eine am Sitzrohr 8 angebrachte Anschlagmanschette 11 begrenzt die Verschiebung der Hülse 4a des Stossventils nach oben. Jede Hülse 4a, 4b des Stossventils kann sich somit dem zugeordneten Sitz 8 bzw. 7 unabhängig anpassen.

2. Ein als Kugelventil ausgebildetes Fussventil 12, das ein am Sitzrohr 8 befestigtes Sitzgehäuse 13 mit einer nach unten gerichteten, durch das Fussventil 12 verschliessbaren Öffnung hat.

3. Eine Steckverbindung zwischen dem Sitzgehäuse 13 des Fussventils 12 und der Falleitung 1, und damitzwischen dem Steigrohr 2 samt Stossventil 4a, 4b und dem Fallrohr 1, wobei

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diese Steckverbindung einen Führungstrichter 15 und eine zwischen diesem und dem Sitzgehäuse 13 des Fussteils 12 angeordnete Dichtung 14 umfasst. Der Führungstrichter 15 ist derart ausgebildet, dass er zugleich einen Abschlussboden der Falleitung 1 bildet. Er ist an der Falleitung 1 mittels Schellen 16 befestigt.

4. Ein elektrolytischer Windkessel 17, der aus elektrisch isolierendem Material besteht und das Steigrohr 2 umgibt. Der Windkessel 17 ist mit einer ringförmigen Elektrode 18, an welcher ein Anschlusskabel 19 befestigt ist, und einer Kontaktmuffe 20 versehen, welche das Steigrohr 2 mit dem Sitzrohr 8 verbindet.

5. Eine Einrichtung zur Verstellung der Schwellenkraft des Stossventils 4a, 4b, welche einen im Windkessel 17 angeordneten Schwimmer 21 und den Schwimmer 21 mit der Hülse 4a des Stossventils mechanisch verbindende Kabel mit Ösen 22 umfasst.

Die über Tag angeordnete Speiseeinheit umfasst gemäss Fig. 1 einen Speiseblock 23, der auf einem Träger 24 über der nicht dargestellten Schachtmündung abgestützt ist. Die Fallleitung 1 ist an einem unteren Rohrstutzen des Speiseblocks 23 befestigt. Das Steigrohr 2 ist durch eine Kammer 25 des Speiseblocks 23 hindurch nach oben geführt und hat im Bereich der Kammer 25 Öffnungen 26. Im Speiseblock 23 ist eine als Kreiselpumpe ausgebildete Speisepumpe 27 angeordnet, die von einem Elektromotor 28 angetrieben ist, um Wasser aus dem Steigrohr 2 in das Fallrohr 1 zu speisen. In der Kammer 25 des Speiseblocks 23 mündet eine Verbrauchsleitung 29, aus welcher über einen Nutzstromhahn 30 Wasser entnommen werden kann. Ferner steht die Verbrauchsleitung 29 über ein erstes Drehventil 31 mit der Fallleitung 1 in Verbindung. Ein zweites Drehventil 32 der Verbrauchsleitung 29 steht mit der Atmosphäre in Verbindung. Die Verbrauchsleitung 29 ist zudem mit einem Ventilan-schluss 33 versehen, an welchen eine Luftpumpe 34 anschliessbar ist. An den sich über den Speiseblock 23 hinaus nach oben erstreckenden Teil des Steigrohrs ist ein Speicher 35 angeschlossen, der mittels eines Drehventils 36 absperrbar ist.

Ein Steuergerät 37, das an eine elektrische Speisequelle anschliessbar ist, enthält ein Schütz, welches über eine Leitung 38 den Elektromotor 28 der Speisepumpe 27 ein- und ausschaltet. Zur Steuerung des Schütz sind am oberen, abgeschlossenen Ende des Steigrohrs 2 zwei Elektroden 39 angeordnet, die über Leitungen 40 mit dem Steuergerät 37 verbunden sind. Fernergehen vom Steuergerät 37 zwei Gleichstrom-Speiseleitungen 41 aus, von welchen die eine mit positiver Polarität mit dem Anschlusskabel 19 der im Windkessel 17 (Fig. 2) angeordneten Elektrode 18 verbunden ist und die andere mit negativer Polarität an das Steigrohr 2 angeschlossen ist.

Die Arbeitsweise der in der Fig. 1 und 2 dargestellten Pumpeinrichtung ist die folgende:

Bei bis zur Anschlagmanschette 11 geöffnetem Stossventil 4a, 4b fördert die vom Elektromotor 28 angetriebene Speisepumpe 27 Wasser vom mindestens teilweise gefüllten Speicher 35 in den Zwischenraum zwischen dem Steigrohr 2 und der Falleitung 1 und durch das Stossventil 4a, 4b hindurch über das Steigrohr 2 zurück zum Speicher 35, bis die Umlaufgeschwindigkeit des Wassers einen Druckabfall am Stossventil 4a, 4b hervorruft, der die Schwellenkraft der Feder 5 überwindet und das Stossventil 4a, 4b brutal schliesst. Die Trägheit der noch in Bewegung befindlichen Wassersäule im Steigrohr 2 saugt aus dem den Widder im Schacht umgebenden Wasser über das Fussventil 12 Wasser nach, bis der Stillstand der genannten Wassersäule eintritt. Die kinetische Energie des viel langsamer fliessenden Fall666942

wassers wird zugleich in der Elastizität der Falleitung 1 und im Windkessel 17 gespeichert. Wenn die Wassersäule im Steigrohr 2 zur Ruhe gekommen ist, erzwingt deren Setzbewegung im Zusammenspiel mit der die Schwellenkraft bestimmenden Feder 5 ein erneutes Öffnen des Stossventils 4a, 4b, wodurch das Wechselspiel zyklisch fortgesetzt wird, so dass der Speicher 35 durch die Differenz vom Fallstrom zum Steigstrom gefüllt wird. Ein Nutzstrom von Wasser kann demnach am Nutzstromhahn 30 bei beliebiger Höhe über der Schachtmündung, d.h. bei entsprechendem Druckaufbau im Speicher 35, entnommen werden.

Verunreinigungen und Reibungen nach längerem Betriebsunterbruch können zu einem Festsitzen des Stossventils 4a, 4b führen.

Wenn das Stossventil 4a, 4b in offener Stellung festsitzt, so genügt ein Füllen des Steigrohrs 2 mit Luft (bei geschlossenem Drehventil 31), was in einfacher Weise über den Ven-tilanschluss 33 mittels der Luftpumpe 34 erfolgt. Dadurch kann die Fallhöhe für das Schliessen des Stossventils 4a, 4b praktisch bis zur Förderhöhe vergrössert werden. Diese Vorrichtung dient auch der ersten Füllung der Pumpeinrichtung, falls kein Wasser an der Schachtmündung vorhanden ist: Ausgehend von der Eintauchtiefe wird durch wechselweises Aufpumpen und Entlüften jeweils ein Pumpvorgang bis zum Wassersäulenausgleich in der Falleitung 1 und im Steigrohr 2 eingeleitet, bei dem jedesmal eine entsprechende Wassermenge in den Kreislauf kommt.

Wenn das Stossventil 4a, 4b in geschlossener Stellung festsitzt, wird es von innen her dadurch aufgestossen, dass durch Öffnen des Drehventils 31 die Falleitung 1 und das Steigrohr 2 kurzgeschlossen werden. Falls dieser Gegendruck nicht genügt, kann durch Öffnen und Schliessen des weiteren Drehventils 32 bei abgesperrtem Speicher 35 über die Widderwirkung in der Verbrauchsleitung 29 das hartnäckigste Festsitzen des Stossventils 4a, 4b überwunden werden.

Wenn der Wasserspiegel 3 im Schacht derart abfällt, dass am Fussventil 12 Luft angesaugt wird, so sammelt sich diese am oberen, über dem Speiseblock 23 liegenden, abgeschlossenen Ende des Steigrohrs 2. Die Elektroden 39 liegen dann nicht mehr im Wasser und schalten mangels Stromleitung das im Steuergerät 37 befindliche Schütz aus, so dass auch der Elektromotor 28 der Speisepumpe 27 ausgeschaltet wird. Da sich Luft im Wasser löst, kommt es nach einer gewissen Ruhezeit wieder zum Einschalten des Elektromotors 28 und somit der ganzen Pumpeinrichtung.

Da alle vorliegenden Widderorgane insbesondere in Regenzeiten tief unter dem Wasserspiegel 3 im Schacht liegen, kann der Windkessel 17 weder durch eine Schlauch-Pumpenkombination noch durch einen Membranspeicher mit ausreichender Zuverlässigkeit und Standzeit belüftet werden. Aus diesem Grund ist erfindungsgemäss eine Belüftung des Windkessels 17 mittels Elektrolyse vorgesehen. Hierzu wird dem Steigrohr 2 und der mit ihm verbundenen Kontaktmuffe 20 vom Steuergerät 37 über die Leitungen 41 ein Potentialunterschied gegenüber der Elektrode 18 des ringförmigen, das Steigrohr 2 oberhalb des Stossventils 4a, 4b umgebenden Windkessels 17 aufgeprägt, der zur Elektrolyse des Wassers im Windkessel 17 führt. Dadurch wird der Windkesselraum mit Knallgas versorgt, dessen Sauerstoffanteil sich jedoch unmittelbar im Wasser löst, insbesondere bei der fortgesetzten Wassererneuerung durch Widderstösse. Somit verbleibt im Windkessel 17 ein schwerlösliches Wasserstoffkissen, dessen Grösse durch die Wasserentblössung der Elektrode 18 im Verhältnis zum Elektrolysestrom bestimmt ist. Bei einer axial langgezogenen Elektrode kann also über den Elektrolysestrom bzw. über das zwischen der Elektrode 18 und der Kontaktmuffe 20 angelegte Potential die Wasserspiegelhöhe im Windkessel 17 gesteuert werden, was eine opti3

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male Anpassung der Kissenelastizität ermöglicht. Ausserdem kann man über den im Windkessel 17 schwebenden Schwimmer 21 durch die kraftübertragende Anordnung 22 von Kabel und Ösen, die auf das Stossventil 4a, 4b einwirkt, die Schwellenkraft mittels der erwähnten Elektrolyse beeinflussen, was eine in vielen Fällen willkommene Möglichkeit einer optimalen Anpassung des Förderstroms an eine veränderliche Schacht- oder Brunnenleistung bietet.

Dank der beschriebenen Einfachheit und dem hohen Wirkungsgrad der vorliegenden Pumpeinrichtung ist es möglich, mittels der Widdertechnik eine kosten- und wirkungsgradbezogen günstigere Alternative zu Tauchpumpen oder Strahltiefpumpen zu schaffen. Ausserdem ist die vorliegende Pumpeinrichtung annähernd verschleissfrei und äusserst einfach in der Wartung; sie ist deshalb besonders gut geeignet für Zonen ohne ausreichende technische Strukturen.

Die vorgängig beschriebene, über Tag aufgestellte Speiseeinheit weist einen Elektromotor 28 für eine Speisepumpe 27 und ein Steuergerät 37 auf, welche an ein speisendes Netz oder gegebenenfalls an eine aufladbare Batterie anzu-schliessen sind. Es sind aber auch Ausführungsformen der Speiseeinheit möglich, welche bei gleichen hydraulischen Funktionen netzanschlussunabhängig bzw. unabhängig von treibstoffbetriebenen Stromaggregaten sind, was in abgelegenen Trockengebieten für eine wirksame Wasserschöpfung aus Brunnenschächten von ausschlaggebender Bedeutung sein kann.

Die Tatsache, dass die vorliegende Pumpeinrichtung einen verhältnismässig geringen Bedarf an von aussen zugeführter 5 Energie hat, d.h. dass sie einen hohen Gesamtwirkungsgrad aufweist, beruht darauf, dass einerseits die erfindungsge-mässe Ausbildung und Anordnung des Sitzventils bezüglich der Wasserführung sehr verlustarm ist, und dass andererseits die erfindungsgemässe Anwendung des Saugwidderprinzips io zur Aufrechterhaltung der Pumpwirkung weitgehend nur eine zugeführte Energie benötigt, welche der durch den Niveau-Unterschied zwischen dem Speicher 35 und der Entnahmeleitung 29 festgelegten potentiellen Energie entspricht. Dies bedeutet, dass die Speisepumpe 27 relativ wenig 15 leistungsfähig sein kann und deshalb auch keiner hohen Antriebsleistung bedarf. Somit kann eine Speisepumpe vorgesehen werden, welche durch einen von einer Solarbatterie gespeisten Elektromotor oder durch eine Windkraftvorrichtung angetrieben wird. Notfalls ist auch eine durch mensch-20 liehe oder tierische Kraft getriebene Speisepumpeneinrichtung einsetzbar, z.B. in Form von Schöpfrädern oder dgl.

Dies ist im Vergleich zu wenig leistungsfähigen Schöpfrädern für tiefe Brunnen deshalb sinnvoll und wirksam, weil für den Schöpfvorgang im wesentlichen nur der bereits erwähnte 25 geringe Niveau-Unterschied massgebend ist.

1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

666942 PATENTANSPRÜCHE

1. Pumpeinrichtung für einen Schacht, insbesondere für einen Brunnen oder ein Bohrloch, mit einer über Tag aufstellbaren Speiseeinheit und einem in den Schacht unter Wasser einbringbaren Saugwidder, der ein Stossventil und ein Fussventil enthält, wobei der Saugwidder mit der Speiseeinheit über die koaxiale Anordnung einer Falleitung und eines Steigrohrs verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stossventil (4a, 4b) zwei Ventilsitze (7,8) umfasst und das innenliegende Steigrohr (2) ringförmig umschliesst, und dass eine das Stossventil (4a, 4b), das Fussventil (12,13) und das Steigrohr (2) umfassende Baueinheit am Ende des Fussventils ( 12, 13 ) in einen an der Falleitung ( 1 ) befestigten Führungstrichter ( 15) derart steckbar ist, dass bei einem Herausziehen des Steigrohrs (2) alle Teile des Stossventils (4a, 4b) und des Fussventils (12,13) gehoben werden und zugleich die Falleitung ( 1 ) entlüftet wird.

2. Pumpeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stossventil zwei ineinander verschiebbare Hülsenteile (4a, 4b) enthält, welche je eine Ventilsitzfläche für entsprechende, am Steigrohr (2) ausgebildete Ventilsitze (8,7) aufweisen, wobei die beiden Hülsenteile (4a, 4b) durch ein Dichtungsreibungselement (6) miteinander gekoppelt sind und sich auf eine gemeinsame, eine Schwellkraft bestimmende Feder (5) abstützen.

3. Pumpeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Stossventils (4a, 4b) am Steigrohr (2) ein Windkessel (17) angeordnet ist, um einen schwingungsarmen Falldruck zu gewährleisten.

4. Pumpeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Windkessel (17) elektrolytisch lüftbar ist und mit einer vom Steigrohr (2) isolierten Elektrode (18) versehen ist.

5. Pumpeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Windkessel (17) einen mit dem Stossventil (4a, 4b) durch mechanische Kopplungselemente (22) verbundenen Schwimmer (21) enthält, um eine vom Wasserspiegel im Windkessel ( 17) abhängige Einstellung der Schwellenkraft des Stossventils (4a, 4b) zu erzielen.

6. Pumpeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speiseeinheit (23) die Falleitung ( 1 ) und das Steigrohr (2) durch eine absperrbare Leitung (29) verbunden sind, um bei in geschlossener Stellung festsitzendem Stossventil (4a, 4b) durch Druckausgleich oder Widderstösse im Steigrohr (2) ein Öffnen des Stossventils (4a, 4b) zu bewirken.

7. Pumpeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigrohr (2) in der Speiseeinheit (23) mit einer Leitung (29) in Verbindung steht, welche einen Ventilanschluss (33) für eine Luftpumpe (34) hat, um bei in offener Stellung festsitzendem Stossventil (4a, 4b) die schliessend wirkende Druckdifferenz zu vergrössern.