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Die
Erfindung betrifft einen hydraulischen Widder nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Ein
hydraulischer Widder, auch Stoßheber, Staudruck-Wasserheber
oder Wasserwidder genannt, ist eine wassergetriebene, zyklisch arbeitende Pumpe.
Der Widder nutzt den Druckstoß oder
Staudruck-Effekt, um einen Teil des Wassers, mit dem die Pumpe selbst
angetrieben wird, auf ein höheres
Niveau zu heben. Er eignet sich besonders für Pumpaufgaben in der Nähe von Fließgewässern mit
zum Betrieb ausreichendem Gefälle.
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Die
erste selbsttätige
Widderpumpe wurde 1796 von dem Franzosen Joseph Michel Montgolfier gebaut.
Sie stellte eine Verbesserung der „pulsation engine" von John Whitehurst
dar, welche noch von Hand gesteuert werden musste.
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Die
Idee von Joseph Michel Montgolfier ist der Transport von Wasser
in Leitungen ohne erheblichen zusätzlichen Energieaufwand.
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Ein
hydraulischer Widder besteht aus 4 Hauptkomponenten: Einer Wasserfassung
als Vorratsbehälter,
der Triebwasserleitung mit endständigem
Stoß-
und Druckventil, dem sogenannten „Windkessel" als Druckbehälter und
der daran angeschlossenen Steigleitung. Diese Komponenten bilden
zusammen ein schwingungsfähiges
System, das nach einmaligem Anstoß selbstgesteuert weiterschwingt, solange
für ausreichend
Wassernachschub gesorgt ist. Da das System nur zwei bewegliche Teile
besitzt (Stoß-
und Druckventil) kann die Fertigung kastengünstig erfolgen, die Wartung
ist einfach und das Aggregat ist extrem zuverlässig.
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Durch
eine nicht zu kurze Treibleitung strömt Wasser aus einem Vorratsbehälter, der
von einer Quelle oder einem Bach gespeist wird, nach unten und tritt
durch ein Stoßventil
am Widder aus. Ein Höhenunterschied
zwischen 30 cm und 5 m gilt als normal. Experimente haben gezeigt,
dass das Verhältnis Wassergefälle:
Treibleitungslänge zwischen
1:3 und 1:12 liegen soll.
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Das
Stoßventil
wird zunächst
durch eine Feder oder durch Schwerkraft offen gehalten, bis die Wassergeschwindigkeit
ausreichend groß ist,
um das Ventil mitzureißen – es schließt sich
daraufhin schlagartig. Das führt
dazu, dass das Wasser sich seinen Weg selbst versperrt. Durch die
Trägheit
des fließenden
Wassers entsteht ein gewaltiger Druckstoß von bis zu 30 bar, der das
Druckventil öffnet
und eine relativ kleine Menge Wasser in den Windkessel eindringen
lässt.
Dieser Druckstoß läuft als
Stoßwelle
mit Schallgeschwindigkeit (in Wasser von 10°C ca. 1450 m/s) auch rückwärts durch
die Treibleitung und bewirkt einige sehr kurzzeitige Rückströmungen der Wassersäule (gedämpfte Schwingung).
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Als
Folge entsteht am Stoßventil
sehr kurzzeitiger Unterdruck, der das Druckventil wieder schließt und ggfs.
durch eine kleine Bohrung oder ein „Schnüffelventil" Außenluft
nachzieht, die beim nächsten
Druckstoß den
Luftvorrat im Windkessel „nachfüllt".
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Insgesamt
entsteht in der Treibleitung eine gedämpfte Schwingung der Wassersäule, die
nach wenigen Millisekunden abklingt. Dann sinkt der Druck auf den
Normalwert und das Stoßventil öffnet sich
wieder. Der Zyklus beginnt von Neuem.
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Das
Wasser im Windkessel wird infolge des hohen Druckes durch eine Steigleitung
nach oben gedrückt – es lassen
sich Förderhöhen bis
zu 300 m erzielen.
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Die
Luft im Windkessel dient als Polster, da sich die Wassersäule in der
gesamten Steigleitung nicht jedes Mal ruckartig bewegen lässt. Diese
Luft löst
sich durch den Druck mit der Zeit im Wasser, deshalb schrumpft das
Polster und die Luft muss gelegentlich manuell (z. B. durch Ablassen
des Wassers aus dem Windkessel) oder kontinuierlich (z. B. durch die
oben genannte Bohrung) wieder nachgefüllt werden.
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Die
Wassermasse der Treibleitung ist sozusagen der „Motor" des Widders. Ihre optimale Länge ist
das 3- bis 12-fache des Treibwassergefälles, oder das 500- bis 1000-fache
des Durchmesser der Treibleitung, je nachdem, was kleiner ist. Diese
Länge ergibt
typischerweise eine Zykluszeit von 1 bis 2 Sekunden.
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Mit
Hilfe einer Reihenschaltung mehrerer Widder hintereinander können auch
große
Förderhöhen erreicht
werden. Hierbei sinkt allerdings mit jeder Stufe die Menge des geförderten
Wassers, weil nur etwa 10% des durchfließenden Wassers weitergepumpt
werden.
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Die
Treibleitung soll aus Stahl sein, damit sie sich bei den Druckstößen nicht
ausdehnt und die Stoßenergie
durch elastische Verformung „vernichtet". Kunststoffschläuche z.
B. sind ungeeignet.
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Nachteil
der gattungsgemäßen hydraulischen
Widder nach dem Stand der Technik ist aber, dass das Wasser über eine
relativ lange Treibleitung mit Gefälle in den Windkessel fließt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen hydraulischen
Widder nach dem Stand der Technik derart weiterzubilden, dass der
Widder auch in nur schwach fließenden
oder sogar stehenden Gewässern
eingesetzt werden kann und wesentlich kostengünstiger in Herstellung und Betrieb
ist.
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Zur
Lösung
der gestellten Aufgabe dienen die Merkmale des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Wesentlich
ist, dass ein Behälter
mindestens teilweise in das Wasser des Wasserspeichers eintaucht
und so einen Innenraum definiert, in welchem das Stoßventil,
das Druckventil sowie mindestens der mit Wasser gefüllte Bereich
des Windkessels angeordnet sind, wobei das aus dem Stoßventil
austretende Sumpfwasser sich in den Innenraum des Behälters entleert
und aus diesem durch eine Sumpfpumpe über eine Sumpfleitung heraus
gepumpt wird.
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Insbesondere
steht hierbei der Innenraum des Behälters mit der Atmosphäre in luftleitender
Verbindung.
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Insbesondere
ist hierbei der Innenraum des Behälters ringsum von Wasser umgeben.
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Vorteil
dadurch ist, dass durch das Einbringen eines Behälters in ein stehendes oder
nahezu stehendes Gewässer
und das Einbringen des Stoßventils
sowie Windkessel mitsamt Druckventil in den mit Atmosphärenluft
in luftleitender Verbindung stehenden Innenraum dieses Behälters, ein
hydraulischer Widder geschaffen wird, welcher keine ein Gefälle aufweisende
Triebwasserleitung mehr benötigt, sondern
die Wassersäule
des den Behälter
umgebenden Wassers des Gewässers
nutzt, um die nötige Druckdifferenz
für das Öffnen des
Stoßventils
und Druckventils und damit die Kompression der Luft im Windkessel
und damit das Fördern
des Wassers durch und in die Triebleitung hindurch zu erreichen. Der
erfindungsgemäße hydraulische
Widder ist daher wesentlich kostengünstiger, benötigt wesentlich weniger
Raum und kann auch in stehendem oder nahezu stehendem Gewässer und
auch in sehr seichtem Gewässer
eingesetzt werden.
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Der
Behälter
für den
hydraulischen Widder kann dabei nach oben hin überstehend oder bündig zum
umgebenden Wasserspiegel eingesetzt werden und auf dem Boden des
Gewässers
aufgesetzt sein und sich dort abstützen oder aber frei im Wasser schwimmen,
ohne sich auf dem Boden des Gewässers
abzustützen.
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Der
Behälter
für den
hydraulischen Widder kann aber auch mit seiner Oberkante unterhalb
des Wasserspiegels sich befinden, wobei dann aber der Behälter in
sich geschlossen sein muss und lediglich die Triebleitung und Sumpfleitung
ragen durch den Deckel des Behälters
ins Freie in die Atmosphäre. Der
Behälter
kann daher vollkommen von Wasser umgeben sein und lediglich die
beiden Leitungen, Triebleitung und Sumpfleitung, ragen mit ihren
oberen freien Enden aus dem Wasser über den Wasserspiegel hinaus.
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Es
ist daher unerheblich, ob die Oberkante des Behälters mit dem Wasserspiegel
bündig
ist, oder aber oberhalb oder unterhalb des Wasserspiegels liegt.
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Der
Behälter
für den
hydraulischen Widder ist daher bevorzugt topfförmig ausgestaltet und hat einen
Boden, aber keinen Deckel und hat insbesondere einen zylinderförmigen Mantel,
der aber auch in der Draufsicht quadratisch, rechteckförmig oder
allgemein polygon sein kann oder aber Kugelform oder Eiform haben.
In einer anderen Ausführungsform
hat der Behälter
für den
hydraulischen Widder aber zusätzlich
einen Deckel. In einer anderen Ausführung hat der Behälter für den hydraulischen
Widder weder einen Deckel, noch einen Boden, sondern nur einen Mantel
mit beliebiger Form, wobei der Boden durch den Grund des Gewässers gebildet
wird.
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Die
Sumpfpumpe ist ebenfalls im Innenraum des Behälters angeordnet oder aber
auf dessen oberen Rand oder einer darauf ruhenden Sicherheitsabdeckung
oder aber auf dem Erdboden oder einer darauf befindlichen Vorrichtung.
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Wichtig
ist nur, dass die Sumpfleitung, mit der die Sumpfpumpe flüssigkeitsleitend
in Verbindung steht, insbesondere unter das Niveau des Stoßventils
im Innenraum des Behälters
ragt, damit stets eine genügend
hohe Wassersäule
für die
Druckdifferenz zur Förderung
des Wassers durch den Widder herrscht.
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Die
Erfindung funktioniert aber auch noch, wenn das Stoßventil
unter dem Wasserpegel des Sumpfwassers liegt, wobei aber immer der
Wasserpegel des den Behälter
für den
Windkessel umgebenden Gewässers
höher liegen
muss, als der Wasserpegel im Sumpf im Innenraum des Behälters für den Windkessel,
um so ein Druckgefälle
auf Grund der Wassersäulen-Differenz
zu erzeugen.
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Die
Sumpfleitung, mit der die Sumpfpumpe flüssigkeitsleitend in Verbindung
steht, kann also auch unter das Niveau des Wasserspiegels im Windkessel
oder auch unter das Niveau des Luftansaugventils am Windkessel ragen.
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Das
Luftpolster im Windkessel wird über
ein Ventil durch die Atmosphärenluft
gespeist und so immer auf etwa gleicher Luftmenge gehalten. Der
Wasserpegel des Sumpfes liegt aber immer unterhalb des Eintrittsrohres
für das
Ventil für
das Luftpolster im Windkessel. Ist der Behälter in sich geschlossen, dann
ragt auch das Eintrittsrohr für
das Ventil für
das Luftpolster im Windkessel durch den Deckel hindurch ins Freie über den
Wasserpegel des Gewässers.
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Die
Sumpfpumpe kann dabei von Hand oder auch elektrisch betrieben werden,
wobei die hierfür nötige elektrische
Energie von einer Solarzelle stammen kann und somit der erfindungsgemäße hydraulische
Widder autark ohne Zufuhr von Fremdenergie arbeitet.
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Weiterhin
kann der erfindungsgemäße hydraulische
Widder als kompaktes System überall
hin mitgenommen werden und sowohl für den reinen Flüssigkeitstransport,
aber auch in Verbindung damit allgemein für die Energiegewinnung z. B.
mechanische Antriebsenergie oder auch Generatorantrieb zur Stromerzeugung
herangezogen werden. Das für den
Widder benötigte
Wasser kann dabei selbst in einen Wasserbehälter unter Bildung einer Wassersäule eingefüllt sein,
der mit dem Behälter
für den
Windkessel und das Stoß-
und Druckventil mechanisch verbunden ist. Somit kann z. B. ein tragbares Strom-Kraftwerk
geschaffen werden, das überall
mitgenommen, ja sogar durch eine Person mitgetragen werden kann,
insbesondere wenn das Wasser dann an Ort und Stelle in die beiden
Behälter
(für den Windkessel
und für
die Wassersäule)
gefüllt
wird.
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Die
Erfindung betrifft die technische Lösung zur Anwendung des im Jahre
1796 experimentell beschriebenen „hydraulischen Widder".
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Der
Erfinder, ein Franzose: Joseph Michel Montgolfier.
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Die
urheberrechtliche Idee von Herrn Joseph Michel Montgolfier ist der
Transport von Wasser in Leitungen ohne erheblichen, zusätzlichen
Energieaufwand.
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Die
hier zur Patentanmeldung stehende Erfindung basiert auf der Wirkung
des Grundprinzips vom „hydraulischen
Widder" und beschreibt
jedoch die Nutzung des „hydraulischen
Widders" zur allgemeinen
Energiegewinnung in Verbindung mit der Ausnutzung vorhandener natürlicher
Energien die in der Natur ohnehin vorhanden ist.
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Beschreibung:
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In
der Natur ist Energie unabhängig
vom Willen des Menschen vorhanden = Energiepotentiale. Die Nutzung
des Energiepotentials aus dem Medium – Wasser – ist die Grundlage zur Erzeugung
von Energie.
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Die
technischen komplexen Anlagen nutzen den Druckunterschied, der durch
die Wassertiefe ohnehin vorhanden ist.
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Anwendungsarten:
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- 1. Die technische Lösung unter Wasser mit trockenem,
atmosphärischen
Ausgleich.
- 2. Die technische Lösung
unter Wasser ohne atmosphärischen
Ausgleich.
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Das
Energiepotential ist umso größer, desto größer der
Höhenunterschied
von Oberkante Wasserpegel bis zur Einlauföffnung der technischen Anlage
ist.
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Dieser
hydraulische Höhenunterschied
ist die Ursache für
das technische Aufstauen bzw. das Akkumulieren des vorhandenen Energiepotentials. Das
Stoßprinzip
aus dem „hydraulischen
Widder" baut das
aufgestaute, akkumulierte Energiepotential mit hochgradiger Druckwirkung
fasst explosionsartig ab. In diesem Vorgang steckt die Energiegewinnung.
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Die
Glättung
der gewonnenen Stoßenergie in
einen kontinuierlichen Energiefluss ist technisch möglich und
im unmittelbaren Zusammenhang mit diesem Verfahren zur Energiegewinnung
Bestandteil in diesem Antrag.
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Der
nunmehr kontinuierliche Energiefluss kann in nachstehende bekannte
Energieformen umgewandelt werden:
- 1. Stromerzeugung
mittels Turbine
- 2. Gaserzeugung → Wasserstoff
durch Elektrolyse
- 3. mechanische Antriebsenerie
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Im
Folgenden wird die Erfindung durch Zeichnungen näher erläutert, welche lediglich einen Ausführungsweg
darstellen und weitere Merkmale und Vorteile offenbaren.
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Es
zeigt:
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1:
Einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen hydraulischen Widder entlang
der Vertikalebene;
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2:
Draufsicht auf 1.
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In
einem Erdreich 1 ist ein natürliches oder künstlich
angelegtes Gewässer 2 vorhanden,
wobei der Wasserspiegel 3 bündig mit der Oberkante 4 des Erdreiches 1 sein
soll, was aber nicht zwingend notwendig ist.
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In
das Gewässer 2 ist
nun ein Behälter 5 mit zylindrischem
Mantel 6 und geschlossenem Boden 7 abgesenkt,
wobei der Boden 7 des Behälters 5 auf dem Grund 8 des
Gewässers 2 aufsteht
und sich dort abstützt.
Die Oberkante 9 des Behälters 5 ist
mit dem Wasserspiegel 3 in etwa bündig oder überragt diese ein wenig, damit
kein Wasser in den Innenraum 10 des Behälters 5 überschwappen
kann.
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Im
unteren Bereich des Behälters 5 ist
nun eine Anschlussleitung 11 vorgesehen an welche der Windkessel 12 mit
seinem vorgeschalteten Druckventil 13 und diesem vorgeschalteten
Stoßventil 14 wasserleitend
angeschlossen ist. Im Innenraum des Windkessels 12 befindet
sich über
dem dortigen Wasser ein Luftpolster 15, welches sich, nach
Komprimierung durch den Wasserdruck auf Grund der Wassersäule H im
Gewässer 2 mittels
des üblichen Verfahrens
bei hydraulischen Widdern, wieder entspannt und Wasser über die
Triebleitung 16 ins Freie drückt. Dies geschieht ständig pulsierend.
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Wichtig
ist nun, dass das durch das „Pumpen" des Windkessels 12 in
den Innenraum 10 des Behälters 5 aus dem Stoßventil 14 austretende überschüssige Wasser,
mittels einer Sumpfpumpe 17 mit Rückschlagventil 18 über eine
Sumpfleitung 19 ins Freie (z. B. zurück ins Gewässer 2) gepumpt wird. Die
Sumpfpumpe 17 kann dabei im Innenraum 10 des Behälters 5 angeordnet
sein, oder aber außerhalb
des Behälters 5,
z. B. auf der Oberkante 9 des Behälters 5 oder auf dem
Erdboden 1.
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Das
Niveau 20 des Sumpfwassers 21 bzw. der Sumpfpegel 20 liegt
hier immer unter dem Niveau des Stoßventils 14. In anderen
Ausführungen
(nicht dargestellt) kann der maximale Sumpfpegel 20 knapp
unter dem Wasserpegel 26 im Windkessel 12 liegen.
In anderen Ausführungen
(nicht dargestellt) kann der maximale Sumpfpegel 20 knapp
unter dem Luftansaugventil 27 am Windkessel 12 liegen.
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Weiterhin
sind in den Wasserleitungen noch Revisions- und Sicherheitsventile
oder -klappen vorgesehen, damit der Windkessel 12 ein-
und ausgebaut, sowie gewartet und repariert werden kann.
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In
den Innenraum 10 des Behälters 5 hinunter führt eine
Montage- und Revisionsleiter 22 für den Aufbau, Abbau und Wartung,
sowie Reparatur des Windkessels 12 mit Ventilen 13, 14 und
Zuleitung 11.
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Auf
dem Rand 9 des Behälters 5 ist
eine Sicherheitsabdeckung 21 z. B. ein Abdeckgitter aufgelegt,
um zu verhindert, dass Personen, Tiere oder Gegenstände unbefugt
oder versehentlich in den Innenraum 10 des Behälters 5 gelangen
bzw. fallen. Auch kann die Sicherheitsabdeckung 21 den
Wasserspiegel 3 des Gewässers 2 mit
abdecken und diesen aus den gleichen Gründen schützen.
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Eine ähnliche
Sicherheitsabdeckung 25 ist über dem Boden 7 des
Behälters 5 angeordnet,
die sich immer über
dem Sumpfwasser befindet.
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In 2 ist
die Draufsicht auf die Anordnung der 1 dargestellt,
mit den gleichen Bezugszeichen. Es ist zu sehen, dass sowohl das
Ufer 24 des Gewässers 2,
als auch der Mantel 6 des Behälters 5 rechteckförmig bzw.
quadratisch ausgebildet sind, was aber für die Erfindung nicht einschränkend sein soll.
Natürlich
kann auch der Behälter 5 an
das Ufer 24 des Gewässers
angrenzen und sich sogar in einer Ecke befinden. Es ist daher nicht
nötig,
dass der gesamte Behälter 5 von
dem Gewässer 2 umgeben
ist. Es reicht aus, wenn der Wasserpegel 3 im Gewässer 2 etwas
höher liegt,
als der Wasserpegel 20 im Sumpfwasser 21.
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- 1
- Erdreich
- 2
- Wasserspeicher
oder Gewässer
oder Wasserbehälter
- 3
- Wasserspiegel
von 2
- 4
- Oberkante
von 1
- 5
- Behälter
- 6
- Mantel
von 5
- 7
- Boden
von 5
- 8
- Grund
von 2
- 9
- Oberkante
von 5
- 10
- Innenraum
von 5
- 11
- Anschlussleitung
zwischen 5 und 12
- 12
- Windkessel
- 13
- Druckventil
- 14
- Stoßventil
- 15
- Luftpolster
in 12
- 16
- Triebleitung
- 17
- Sumpfpumpe
- 18
- Rückschlagventil
- 19
- Sumpfleitung
- 20
- Sumpfpegel
- 21
- Sumpfwasser
- 22
- Revisionsleiter
- 23
- Sicherheitsabdeckung über 5
- 24
- Ufer
von 2
- 25
- Sicherheitsabdeckung über 21
- 26
- Wasserspiegel
in 12
- 27
- Luftansaugventil
in 12
- H
- Höhe der Wassersäule von 2