DE102015014911B3 - Wasserhebeanlage zur Förderung von Grundwasser auch aus größeren Tiefen, angetrieben durch Druckluft oder Unterdruck und bestehend aus einer Anzahl von übereinander angeordneten Kammern zum stufenweisen Anheben des Wassers - Google Patents

Abstract

Die Förderung von Wasser aus größeren Tiefen erfordert aufwendige Anlagen mit hoher Leistung, die hohe Drücke erzeugen können. Diese sind in dünnbesiedelten Gebieten ohne Industrie und Energieversorgung nicht darstellbar. Ziel ist daher, mit geringer Leistung, z. B. durch Solarzellen oder durch Menschenkraft, mit einfacher Technik aus größeren Tiefen Grundwasser zu fördern. Die Anlage besteht aus einer Anzahl in einem Mantelrohr übereinander angeordneten, geschlossenen Kammern, in welchen das Wasser durch Luft-Über- oder -Unterdruck von einer Kammer zur darüberliegenden gepumpt wird. Daher genügt geringer Luft-Über- oder Unterdruck, um das Wasser jeweils nur eine Kammer höher zu pumpen. Gößere Förderhöhe wird durch höhere Anzahl der Kammern erreicht, so daß hierfür nicht höherer Luftdruck, sondern nur eine größere Luftmenge erforderlich ist. Die Kammern (2) sind jeweils durch Steigrohre (8) mit Rückschlagventil (24) miteinander verbunden und haben je ein Be- (13) und ein Entlüftungsventil (14). Das Umschalten der Ventile wird nur durch den Wasserstand in der betreffenden Kammer durch einen Schwimmer (21) getätigt, welcher über eine Schaltgabel (20) ein Kippgewicht (17) anhebt, bis es durch Überkippen auf die andere Seite den Ventilschaltbalken (15) in die jeweils andere Position bringt. Dieser wird durch ein inliegendes Rollgewicht (16) in der jeweiligen Position stabilisiert. Die Anlage kann überall eingesetzt werden. Daher ist sie geeignet für alle wasserarmen oder trockenen Gebiete der Erde, insbesondere in Entwicklungsländern.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Wasserhebeanlage zur Förderung von Grundwasser auch aus größeren Tiefen, angetrieben durch Druckluft oder Unterdruck und bestehend aus einer Anzahl von übereinander angeordneten Kammern zum stufenweisen Anheben des Wassers.
• Um Grundwasser für Großabnehmer, z. B. Städte, Großstädte, Kreise, Verbandsgemeinden usw zu fördern, werden leistungsfähige Pumpen auf Höhe des Grundwasserspiegels installiert, welche das Wasser ins Verteilernetz pumpen. Hierzu sind umfangreiche Erd- und Tiefbauarbeiten erforderlich. Außerdem müssen Energieversorgung und technisches Know-how in erreichbarer Nähe zur Verfügung stehen. Um einen geringeren Bedarf zu decken, z. B. für die Versorgung weniger Personen auf einem Aussiedlerhof oder zur Bewässerung weit außerhalb der Besiedlung liegender Gärten oder Plantagen, kennt man seit alters her den Ziehbrunnen und auch die Saugpumpe (z. B. Gartenpumpe), die jedoch theoretisch nur bis zu einem Höhenunterschied von maximal 10 m einsetzbar ist, entsprechend dem üblichen Luftdruck unserer Athmosphäre von ca. 1 bar (praktisch nur bis 7,5 m). Eine Möglichkeit, auch aus größeren Tiefen Wasser zu fördern, ist in der Patentschrift DE 32 01 805 C2 dargestellt: Zur Förderung von Wasser z. B. aus Brunnen wird ein Gefäß in den Brunnen gesenkt, aus welchem ein Steigrohr und eine Druckluftleitung nach oben führt. Durch eine Öffnung mit Rückschlagventil dringt Wasser in das Gefäß ein. Ist das Gefäß ganz oder teilweise gefüllt, betätigt ein Schwimmer ein Ventil, welches die Druckluftzufuhr frei gibt. Durch die Druckluft wird das Wasser durch das Steigrohr nach oben befördert. Ist das Gefäß leer, so wird durch den Schwimmer das Druckluftventil geschlossen und ein Entlüftungsventil geöffnet, so daß wieder Wasser in das Gefäß eindringen kann. Dies kann auch im Wechsel mit einem zweiten Gefäß derselben Bauweise geschehen. Der Nachteil ist jedoch der folgende:
  Je größer der Höhenunterschied ist, umso größer muß auch der Luftdruck sein. Bei größeren Förderhöhen muß also auch ein entsprechend leistungsstarker Kompressor zur Verfügung stehen, welcher wiederum das Vorhandensein einer nahen Energieversorgung (z. B. Stromnetz oder Dieselaggregat) erfordert.
• Eine Möglichkeit, auch mit geringem Druck Wasser aus größeren Tiefen zu befördern besteht darin, daß daß die Förderung des Wassers nicht in einem Schritt erfolgt, welcher dann proportional zur Hubhöhe einen immer größeren Druck erfordert, sondern in einer Anzahl kleinerer Schritte mit begrenzter Hubhöhe, indem das Wasser immer nur eine Stufe höher transportiert werden muß, wozu dann jeweils ein kleinerer Druck oder Unterdruck erforderlich ist, welcher in einfacher Weise erzeugt werden kann. Eine größere Gesamthubhöhe wird durch die Erhöhung der Anzahl der Stufen erreicht. So wird nicht ein höherer Luftdruck oder Unterdruck erforderlich, sondern nur eine Erhöhung der Luftmenge. Dabei ist die Zahl der Stufen theoretisch nicht beschränkt. Eine solche Anordnung zeigt das US-Patent US 1 766 382 A vom 24.6.1930. Diese Konstruktion hat jedoch viele Nachteile: Hierzu sind, ganz abgesehen von der untersten und der obersten Kammer, drei verschiedene Arten von Kammern mit jeweils verschiedenen Ventilanordnungen herzustellen. Diese müssen durch bis zu drei Rohrverbindungen miteinander verbunden werden, wobei die Montage von Kammer zu Kammer jeweils verschieden und kompliziert ist und schrittweise beim Einführen der gesamten Anlage in das Mantelrohr bei jeder Förderstufe erfolgen muß. Derselbe Aufwand muß auch beim Austausch einer funktionsunfähigen Kammer und bei jeglicher Reparatur- oder Wartungsarbeit erbracht werden. Des weiteren ist die Konstruktion der Ventile und der Ventilsteuerung sehr kompliziert, was zu erhöhter Störanfälligkeit führt. Insbesondere die Verwendung von Nadelventilen dürfte z. B. gerade in der Nähe von Wüstengebieten mit hohem Staubgehalt in der Luft problematisch sein, da diese schon durch geringe Verunreinigungen funktionsunfähig gemacht werden können. Zudem erfordert die Herstellung der Zwischenböden, welche die einzelnen Kammern trennen und der komplizierten Ventilsysteme, die darin enthalten sind, hohen Aufwand. Ob die dreistufige Grundanordnung mit abnehmenden Druck letztlich, wie behauptet, eine Energieersparnis bringt, erscheint zumindest fragwürdig. Eine andere derartige Anordnung zeigt US-Patent US 248 749 A vom 25.10.1881. Auch diese Konstruktion hat große Nachteile. Sie läßt sich nicht in ein Mantelrohr montieren, welches in ein Bohrloch abgesenkt wird. Diese Anordnung kann nur als offene Konstruktion montiert werden, was insbesondere für den unteren Teil mit der schwimmenden Kammer, die auf- und abwärts frei beweglich sein muß, gilt. Aber auch die flexiblen Verbindungsschläuche zu Druckluft, Saugluft und Steigrohr machen die Konstruktion für eine Unterbringung in einem Bohrloch unbrauchbar. Die Montage der Druck- und Saugluftrohre sowie des Gestänges zur Steuerung der Ventile, welche mit steigender Förderhöhe schwerer wird, verkompliziert die Montage und erfordert eine genaue Anpassung an die vor Ort erforderliche Förderhöhe. Letztlich funktioniert die Umschaltung der Ventile nur unter der Voraussetzung, daß der Wasserstand des Behälters, in welchen die unterste Kammer eintaucht, immer exakt gleich ist, was durch zusätzliche Maßnahmen gewährleistet werden müßte, was ebenfalls einer Montage in einem in ein Bohrloch abgesenktes Mantelrohr entgegenstehen würde. Eine weitere Anordnung zeigt US-Patent US 1 749 151 A vom 4.3.1930. Die Konstruktion ist jedoch sehr kompliziert und daher aufwendig in der Herstellung als auch in der Montage, was u. a. auch daran liegt, daß mit dieser Anlage, die vornehmlich für die Ölförderung vorgesehen ist, auch der Gasdruck der Ölquelle und das Gas selbst genutzt werden sollen. Außerdem ist aus Sicherheitsgründen sehr viel Wert auf sorgfältige Abdichtungen gelegt worden, welche die Herstellung und Montage ebenfalls verkomplizieren. Die engen Kanäle, welche das Gas oder die Luft leiten sollen, könnten durch staubige Luft leicht verstopfen, was bei der Wasserförderung in Trockengebieten zu berücksichtigen wäre. Auch die Gängigkeit der Ventile könnte beeinträchtigt werden. Überhaupt dürfte die Ventilkonstruktion wegen ihrer Kompliziertheit sehr störanfällig sein. Nun liegen diejenigen Gebiete, in denen Wasser am dringendsten benötigt wird (z. B. Wüstenrandgebiete, Sahel-Zone usw), meist weitab von jeglicher Industrialisierung und damit auch weit entfernt von den für die o. g. Technologien erforderlichen Energiequellen und Werken für Herstellung, Installation, Reparatur und Wartung der Förderanlagen. Ziel der Erfindung ist daher, mit geringem Energieaufwand, mit dem die o. g. Technologien überhaupt nicht funktionieren würden, also z. B. mit Menschenkraft oder kleineren Solarzellenflächen, dennoch, und vor allem mit einfachen Mitteln Grundwasser auch aus größeren Tiefen zu fördern. Natürlich wäre die geförderte Wassermenge pro Zeiteinheit wegen der begrenzten zur Verfügung stehenden Leistung auch begrenzt. Wenn jedoch dort Wasser zur Verfügung steht, wo bisher Trockenheit herrscht, ist auch dies ein Erfolg, zumal, wie im Folgenden dargestellt, die Anordnung mit einfachen Mitteln hergestellt und ggf. repariert werden kann, also im Gegensatz zur high tech der Industrieländer eine ”low tech” darstellt.
• Dies wird mit folgender Anordnung erreicht:
  Die Hebeanlage besteht aus einer Anzahl von übereinanderliegenden, abgeschlossenen Kammern, die jeweils ein Belüftungsventil und ein Entlüftungsventil besitzen. Jede Kammer ist mit der direkt darunterliegenden und mit der direkt darüberliegenden Kammer jeweils mit einer Steigleitung verbunden, in welcher sich ein Rückschlagventil befindet. Falls die Wasserförderung mittels Luft-Überdruck geschieht, sind die Belüftungsventile aller Kammern an dieselbe Druckluftleitung angeschlossen; wird das Wasser mittels Unterdruck gefördert, sind alle Entlüftungsventile an dieselbe Unterdruckleitung angeschlossen. Das Öffnen und Schließen der Ventile wird für jede Kammer, unabhängig von dem Zustand der anderen Kammern lediglich vom Wasserstand in der betreffenden Kammer abhängig gesteuert. Die Steuerung der Ventile erfolgt mechanisch mit Hilfe eines Schwimmers, wozu weiter unten ein Ausführungsbeispiel beschrieben wird. Zu Beginn des Hebevorgangs ist das Entlüftungsventil der untersten Kammer geöffnet und das Belüftungsventil geschlossen. Bei Betrieb mit Druckluft muß die unterste Kammer ganz unterhalb des Grundwasserspiegels liegen. So dringt Wasser in die Kammer ein. Ist die Kammer nahezu voll, wird bei einem bestimmten Wasserstand das Entlüftungsventil geschlossen und das Belüftungsventil geöffnet. Dadurch dringt die Druckluft in die Kammer ein und drückt das Wasser durch die zweite Steigleitung in die nächsthöhere Kammer. Sinkt der Wasserstand in der unteren Kammer unter ein bestimmtes Niveau, so wird das Belüftungsventil geschlossen und das Entlüftungsventil geöffnet und der Vorgang beginnt von vorne. Ist die darüberliegende Kammer bereits voll, so wird diese zunächst geleert, ggf. zunächst die wiederum darüber liegende usw und schließlich die oberste Kammer nach außen geleert. Dann geht stufenweise der Prozess von alleine weiter, da ganz oben die vorgegebene Druckdifferenz zur Überwindung einer Stufe vorhanden ist, und dann die anderen Stufen nachfolgen. Bei Betrieb mit Unterdruck muß die unterste Kammer nicht in das Grundwasser eintauchen, sondern es genügt, wenn das untere Steigrohr bis zum Grundwasserspiegel reicht. Die Entlüftungsventile sind an der Unterdruckleitung angeschlossen und die Belüftungsventile gehen an die Umgebungsluft. Ansonsten läuft der Vorgang genauso ab, wobei an der obersten Kammer der Wasserablauf mit einem Rückschlagventil im unteren Bereich der Kammer angeordnet ist.
• Eine Ausführung für die mechanische Betätigung der Ventile mittels eines Schwimmers, deren Arbeitsweise durch ein funktionierendes Modell mit drei Stufen nachgewiesen werden konnte, soll im Folgenden mit Hilfe der angefügten Zeichnungen erläutert werden: Dabei zeigen:
• 1 Gesamtkonzept der Hebeanlage mit Mantelrohr und Pumpkammern beim Betrieb mit Druckluft
• 2 Mantelrohr und Pumpkammern im Schnitt von oben gesehen
• 3 oberes Ende des Mantelrohres und oberste Pumpkammer bei Betrieb mit Unterdruck
• 4 einzelne Pumpkammer im Schnitt von vorne gesehen
• 5 einzelne Pumpkammer im Schnitt von der Seite gesehen
• 6 Grundriß einer Pumpkammer
• 7 Schaltmechanik einer Kammer im Schnitt am Anfang des Schaltvorgangs (Entlüftungsventil geöffnet, Druckluftventil geschlossen)
• 8 Schaltmechanik einer Kammer kurz vor dem Umschalten
• 9 Schaltmechanik einer Kammer nach dem Umschalten (Entlüftungsventil geschlossen, Druckluftventil geöffnet)
• 10 Schaltmechanik einer Kammer kurz vor dem Zurückschalten zum Anfangszustand
• 11–14 entsprechen den 7–10, in Graustufen dargestellt, zwecks evtl. besserer Übersicht
• 15 Anordnung des Schwimmkörpers bei Pumpkammern mit größerer Höhe
• 16 Pumpkammern größerer Höhe im Mantelrohr
• 17 kommunizierende Röhren mit Wasserfüllung zum Einstellen des Luftdrucks für die Funktionsexperimente in Ruhestellung
• 18 Anschluß der Röhren von 17 bei Druckluftbetrieb
• 19 Anschluß der Röhren von 17 bei Unterdruckbetrieb
• 20 Anschluß der Belüftungsventile an die Druckluft beim Funktionsexperiment
• 21 Anschluß der Entlüftungsventile an die Vakuumpumpe beim Funktionsexperiment
• Dabei bedeuten:
• Bezugszeichenliste

1

Mantelrohr

2

Pumpkammer

3

Druckluftzufuhr

4

Luftabzug nach außen (Athmosphärendruck)

5

Dichtung und Montageband

6

Wassereinlaß

7

Wasserabfluß

8

Steigrohre

9

Grundwasserspiegel

10

Luftzufuhr von außen (Athmosphärendruck) bei Betrieb mit Saugpumpe

11

Anschluß an Saugpumpe

12

Wasserabfluß bei Betrieb mit Saugpumpe

13

Lufteinlaßöffnung (oder Belüftungsventil)

14

Luftauslaßöffnung (oder Entlüftungsventil)

15

Ventilschaltbalken mit Rollgewicht (Kugel)

16

Rollgewicht (Kugel)

17

Kippgewicht (Schaltgewicht)

18

Aufprallfläche für Kippgewicht am Ventilschaltbalken

19

Mitnahmebolzen am Kippgewicht

20

Schaltgabel (Mitnahmegabel)

21

Schwimmkörper

22

Gegengewicht am Schwimmkörper

23

gemeinsame Drehachse für alle beweglichen Teile

24

Rückschlagventil

25

Halterung und Lager für gemeinsame Drehachse

26

Führungs- und Halteschienen für Drehachsenhalterung

27

Führungsstange für Schwimmkörper bei höheren Pumpkammern

28

Führungsöse für Führungsstange

29

obere Arretierung für Schwimmkörper

30

untere Arretierung für Schwimmkörper

• Der grundsätzliche Aufbau ist in 1 und 2 skizziert: In einem Mantelrohr (1) sind übereinander eine Anzahl von Pumpkammern (2) angeordnet. Diese sind, wie aus 2 ersichtlich, an den Seiten, an denen Luftzufuhr (3) und Entlüftung (4) erfolgt, abgeflacht, so daß zwei durchgehende, zu allen Kammern führende Luftkanäle entstehen, welche durch die Dichtung (5) voneinander getrennt werden. In diese Dichtung könnte auch ein Montageband eingearbeitet sein, welches die Absenkung der Kammern und deren Hinaufziehen zwecks Reparatur ermöglicht. Dieses Montageband kann aber auch separat z. B. in den beiden Luftkanälen angeordnet werden. Weiterhin sind die Kammern unten abgeschrägt, damit die Be- und Entlüftungsöffnungen ((13) und (14)) der darunterliegenden Kammer nicht versperrt werden, sondern Verbindung zum jeweiligen Luftkanal haben. Bei Betrieb mit Überdruck muß die unterste Kammer ganz unterhalb des Grundwasserspiegels (9) liegen, damit zu Beginn das Wasser durch das kurze Steigrohr bei geschlossenem Belüftungsventil (13) und geöffnetem Entlüftungsventil (14) einströmen kann (Pos. 6). Der Aufbau der Mechanik, welche die Be- und Entlüftungsöffnungen öffnet und schließt ist in (4) (von vorne), (5) (von der Seite) und (6) (von oben) ersichtlich. Die Funktion wird im folgenden mit Hilfe der 7–10 bzw. 11–14 (= 7–10, in Graustufen kopiert) erläutert:
  Zu Beginn (siehe 4 und 7 oder 11) ist der Ventilschaltbalken (15) nach links gekippt, so daß der rechte Ventildeckel die Belüftungsöffnung (13) verschließt. Die Kugel (16) (Rollgewicht), die sich innerhalb des Ventilschaltbalkens auf einer Schiene zwischen zwei Endpositionen frei bewegen kann, befindet sich ebenfalls auf der linken Seite. Durch ihr Gewicht übt sie ein Drehmoment auf den Schaltbalken aus, welches ausreicht, um den Ventildeckel der Belüftungsöffnung (13) mit hinreichender Kraft gegen die Druckkraft (= Überdruck mal Öffnungsfläche von (13)) des Überdrucks aus Kanal (3) geschlossen zu halten. Da die Entlüftungsöffnung der Kammer in dieser Position geöffnet ist, kann Wasser durch den vom Boden der Kammer ausgehenden Teil des Steigrohres (8) in die Kammer einfließen. Dadurch wird der Schwimmkörper (21) angehoben und damit auch die fest mit dem Schwimmkörper verbundene Schaltgabel (Mitnahmegabel) (20) gedreht. Die Schaltgabel hebt nun über den Mitnahmebolzen auch das Kippgewicht (Schaltgewicht) (17) an. Daher muß der Schwimmer auch ein hinreichendes Volumen haben, damit der Auftrieb ein hierfür hinreichendes Drehmoment erzeugt. Hat der Schwimmer eine bestimmte Höhe erreicht, so ist auch die Schaltgabel um einen bestimmten Winkel gedreht, wie in (8) bzw. (12) erkennbar. Da das Kippgewicht sich nun auf der anderen Seite der Drehachse (23) befindet, fällt es durch sein Eigengewicht weiter bis auf die Aufprallfläche (18) des Ventilschaltbalkens und drückt ihn damit auf der rechten Seite nach unten. Dadurch wird das Belüftungsventil (13) geöffnet und das Entlüftungsventil (14) geschlossen. Gleichzeitig rollt wegen der Neigung des Ventilschaltbalkens die Kugel (16) auch auf die rechte Seite. Damit dies geschehen kann, muß das Kippgewicht groß genug sein, damit es auf der rechten Seite ein größeres Drehmoment ausübt als die Kugel in ihrer linksseitigen Ausgangsposition. Diese Position ist in (9) bzw. (13) dargestellt. Nun dringt durch das geöffnete Belüftungsventil (13) Druckluft in die Kammer ein. Da das Entlüftungsventil (14) geschlossen ist, und das Rückschlagventil (24) im Steigrohr ein Abfließen des Wassers nach unten verhindert, wird das Wasser durch den oberen Teil des Steigrohres (8) in die darüberliegende Kammer bzw. bei der obersten Kammer nach oben in den Überlauf (7) gedrückt. Nun sinkt der Wasserstand in der Kammer. Dadurch sinkt auch der Schwimmkörper, und die Schaltgabel (20) nimmt nun mit ihrem rechten Arm über den Mitnahmebolzen (19) das Kippgewicht (17) wieder mit zurück. Damit dies geschehen kann, muß auch der Schwimmkörper (21) ein hinreichendes Eigengewicht (22) haben, damit er das hierfür erforderliche Drehmoment erzeugt. Durch das Drehmoment der Kugel (16) wird der Schaltzustand der beiden Ventile aufrechterhalten, auch wenn sich das Kippgewicht (17) wieder von der Aufprallfläche (18) entfernt. Wenn sich das Kippgewicht wieder über der Drehachse befindet (siehe 10 bzw. 14), kippt dieses wieder durch sein Eigengewicht nach links, trifft auf die andere Aufprallfläche (18) am Ventilschaltbalken, wodurch auch dieser wieder nach links kippt, das Belüftungsventil (13) schließt und das Entlüftungsventil öffnet. Die Kugel (Rollgewicht) (16) rollt wieder nach links und stabilisiert die Stellung des Ventilschaltbalkens (15). Damit dies geschieht, muß das Drehmoment, welches vom Kippgewicht in dieser Position erzeugt wird, größer sein als die Summe der Drehmomente, welche von der Kugel (16) und dem Ventildeckel des Entlüftungsventils (14), welches ja gegen den Innendruck der Kammer geöffnet werden muß, erzeugt werden.
• Damit ist der Anfangszustand wieder erreicht. Wird die Hebeanlage mit Unterdruck betrieben, so muß die unterste Kammer nicht ganz unterhalb des Grundwasserspiegels (9) liegen. Es genügt, wenn der untere Teil des Steigrohres (8) in das Grundwasser hineinragt. Die oberste Kammer muß entsprechend 3 gestaltet werden: Der Luftkanal für die Belüftung geht ins Freie (Position (10)), während der Luftkanal für die Entlüftung an die Saugpumpe (Vakuumpumpe) angeschlossen wird (Position (11)). Statt eines Steigrohres zum Überlauf wird an einer Seitenwand im unteren Bereich der Kammer ein Abflußrohr (12) mit Rückschlagventil, welches ein Eindringen von Außenluft beim Ansaugvorgang verhindert, angeordnet. Die Bauart der übrigen Kammern bleibt unverändert. Zweckmäßigerweise können die Kammern auch in ganz anderen Maßverhältnissen gestaltet werden, als es in den bis dargestellt ist. Werden z. B. Kammern mit größerer Höhe gestaltet, wie in 16 angedeutet, so wäre auch eine andere Anordnung von Schaltgabel (20) und Schwimmkörper (21) erforderlich, wie in 15 skizziert: Der Schwimmkörper (21) ist nicht fest an der Schaltgabel (20) montiert, sondern er gleitet an einer Führungsstange (27) zwischen zwei Arretierungen ((29) oben und (30) unten) auf und ab. Die Führungsstange (27) ist oben mit einem Gelenk am ersten Arm der Schaltgabel befestigt und wird unten durch eine Führungsöse (28) in Position gehalten. Damit beginnt der Umschaltvorgang für das Belüftungsventil und das Entlüftungsventil immer erst dann, wenn der Schwimmkörper (21) an der oberen Arretierung (29) bzw. an der unteren Arretierung (30) angelangt ist. Um das Erreichen des gesteckten Ziels zu beweisen, wurde ein funktionsfähiges Modell mit drei Kammern erstellt. Der Einfachheit halber wurde auf eine runde Form, die sich einem kreisförmigen Mantelrohr anpassen würde, verzichtet und die Kammern in der Grundform rechtwinklig gestaltet. Die 4 bis 14 entsprechen der Bauart des Modells, wobei die 7 bis 14 in etwa die Originalgröße darstellen. Anstelle eines Mantelrohres wurden die drei Belüftungsventile direkt an eine Druckluftleitung angeschlossen, wie in 20 dargestellt, bzw. die Entlüftungsventile an die Vakuumpumpe angeschlossen, wie in 21 dargestellt. Der Betriebsdruck bzw. Unterdruck wurde mit folgender Anordnung eingestellt: Ein enges und ein weites Rohr sind am unteren Ende miteinander verbunden. In diese ist bis zu einer bestimmten Höhe Wasser eingefüllt, welches im Ruhezustand in beiden Röhren gleich hoch steht, wie in 17 dargestellt. An einem Maßstab ist die Einfüllhöhe ablesbar. Wird nun die Druckluftleitung sowohl an die Hebeanlage als auch an das enge Röhre angeschlossen, so drückt der Luftdruck das Wasser in der engen Röhre bis ganz nach unten, und bei höherem Druck entweicht die Luft durch die weite Röhre nach außen, wie in 18 dargestellt. So kann der Überdruck nie größer werden als der hydrostatische Druck in der weiten Röhre. Wird mit Unterdruck gearbeitet, so wird der Druck mit der Anordnung von 19 eingestellt: Die Saugpumpe wird sowohl an die Hebeanlage als auch an das weite Rohr angeschlossen. Ist die Druckdifferenz zum Athmosphärendruck größer als der hydrostatische Druck in der Röhre, so wird über die enge Röhre Außenluft angesaugt. So konnte gezeigt werden, daß bei einem Druck bzw. Unterdruck von ca. 25 cm Wassersäule mit diesem dreistufigen Modell eine Hubhöhe von ca. 45 cm erreicht wird.
• Die erfindungsgemäße Hebeanlage bietet eine Reihe von Vorteilen und Anwendungsmöglichkeiten:
  Die einzige Hightech Anforderung ist das Niederbringen einer Bohrung bis zum Grundwasserniveau und das Einbringen des Mantelrohres, ggf. das Einbringen einer Kiesschüttung als Wasserfilter am unteren Ende des Rohres. Der Betrieb der Hebeanlage hingegen erfordert keinen besonderen technischen Aufwand. Die einzelnen Kammern sind, abgesehen von der obersten Kammer, alle bauartgleich und eignen sich daher zur serienmäßigen Herstellung am Fließband. Auch ihr innerer Aufbau ist so einfach, daß Funktionsstörungen auch vor allem deshalb kaum zu befürchten sind, weil die gesamte Mechanik sich in einer abgeschlossenen Kammer befindet und daher vor äußeren Einwirkungen geschützt ist. Außerdem sind die Ventile wegen ihrer Einfachheit unanfälliger gegen Luftverunreinigungen wie Staub, Flugsand oder dergleichen. Die Kammern können an einem Montageband, welches unter der untersten Kammer durchgeht, eine nach der anderen übereinandergestellt in das Mantelrohr eingebracht werden. Ebenso können sie an diesem Montageband auch wieder herausgezogen werden, um defekte Kammern auszutauschen, d. h. eine Montage im eigentlichen Sinne entfällt. Die Kammern brauchen nur im Mantelrohr übereinandergestapelt werden. Die erforderlichen Dichtungen zwischen den Kammern (mit Durchlaßöffnung an den Steigrohren (8)) können bei der Herstellung mit der Unterseite einer jeden Kammer fest verbunden werden. So sind auch eventuelle Reparaturen in denkbar einfacher Weise und mit einfachen Mitteln zu bewerkstelligen. Bei Betrieb mit Überdruck könnte man mehrere Druckluftquellen mit Rückschlagventilen an einen Windkessel anschließen, an welchen dann über einen Druckminderer, welcher den zum Betrieb der Anlage erforderlichen Druck einstellt, die Hebeanlage angeschlossen wird. So könnte man einerseits eine solarbetriebene Pumpe, andererseits aber auch Blasebälge, wie früher an historischen Orgeln üblich, oder hand- oder fußbetriebene Kolbenpumpen oder andere Druckerzeuger anschließen für den Fall, daß die Sonne nicht scheint, man aber Wasser benötigt. Bei Betrieb mit Unterdruck könnte man eine Saugpumpe in Form einer üblichen Gartenpumpe für den Handbetrieb verwenden. In windhöffigen Gebieten wäre es auch möglich, den Unterdruck mit Hilfe eines Bernoulli-Rohres zu erzeugen oder ein Windrad direkt an eine Vakuumpumpe anzuschließen.
• Da nach der Erstinstallation, im Gegesatz zu den o. a. US-Patenten, keine weitere Energieversorgung oder industrielle Unterstützung mehr erforderlich ist, eignet sich diese Hebeanlage für weit entlegene Trockengebiete, in denen dann, wenn eine Vielzahl solcher Anlagen über ein großes Gebiet verteilt wird, nicht nur Wasser für Mensch und Tier, sondern vor allem Wasser zur Bewässerung von Gärten und Feldern, also zur Erzeugung von Nahrungsmitteln zur Verfügung steht. Insofern könnte die Hebeanlage auch für die Entwicklungshilfe interessant sein. Aber auch in unbewohnten Gebieten könnte man diese Hebeanlagen installieren, da sie mit Solarenergie ja selbständig arbeiten können, und so neue Vegetation hervorbringen, was eine regulierende und damit positive Wirkung auf den Wasserhaushalt, auf die Temperatur, auf den CO₂-Gehalt der Luft und damit auf das Weltklima zur Folge hätte.

Claims (1)

1. Wasserhebeanlage zur Förderung von Grundwasser auch aus größeren Tiefen, angetrieben durch Druckluft oder Unterdruck und bestehend aus einer Anzahl von übereinander angeordneten Kammern zum stufenweisen Anheben des Wassers, wobei jede Kammer mit der darunterliegenden und der darüberliegenden Kammer jeweils durch ein Steigrohr mit Rückschlagventil verbunden ist und ein Be- und ein Entlüftungsventil hat, welche durch einen Schwimmer ausschließlich durch den Wasserstand in der jeweiligen Kammer, unabhängig von den anderen Kammern betätigt werden, durch folgende Merkmale gekennzeichnet: Die einzelnen Kammern (2) sind übereinanderliegend in einem Mantelrohr (1) angeordnet. Sie sind an zwei gegenüberliegenden Seiten abgeflacht, so daß an diesen Seiten jeweils ein Luftkanal für die Luftzufuhr (3) bzw. (10) und ein Luftkanal für die Luftableitung (4) bzw. (11) entsteht, der alle Kammern erreicht. Die Kammern (2) und die Ventile (13) und (14) sind so geformt und angeordnet, daß die Ventile der jeweils darunterliegenden Kammer nicht versperrt werden. Die Ventile (13) und (14) werden durch einen in etwa waagerecht liegenden Ventilschaltbalken (15) betätigt, welcher, in der Mitte drehbar gelagert, durch leichte Neigung nach einer Seite das Belüftungsventil (13) schließt und das Entlüftungsventil (14) öffnet, und durch leichte Neigung nach der anderen Seite das Entlüftungsventil schließt und das Belüftungsventil öffnet. Innerhalb des Ventilschaltbalkens (15) befindet sich ein Rollgewicht (16), welches auf einer waagerechten Schiene innerhalb des Ventilschaltbalkens zwischen zwei Endpunkten frei beweglich ist. Dieses rollt infolge der Erdanziehungskraft immer zu der Seite hin, nach welcher der Ventilschaltbalken geneigt ist und übt so auf diesen ein Drehmoment aus, welches sein anderes Ende gegen das gegenüberliegende Ventil drückt und dieses auch gegen die Druckluft bzw. den äußeren Luftdruck stabil geschlossen hält und damit den jeweiligen Schaltzustand der beiden Ventile stabil aufrechterhält. Das Umschalten erfolgt durch ein Kippgewicht (17), welches, ebenfalls in der Mitte drehbar gelagert, vom oberen Totpunkt aus nach beiden Seiten kippen kann, dann jeweils auf die entsprechende Aufprallfläche (18) am Ventilschaltbalken auftrifft, dessen Kippen nach der anderen Seite bewirkt und so die Umschaltung der Ventile bewerkstelligt. Das Kippgewicht wiederum wird betätigt durch einen Schwimmkörper (21), verbunden mit einer Schaltgabel (20), welche aus zwei Armen besteht, die einen hireichend großen Winkel miteinander bilden, wobei der eine Arm beim Steigen des Wasserstandes und damit des Schwimmers das Kippgewicht an einem Mitnahmebolzen (19) mit nach oben nimmt bis zum oberen Totpunkt, von wo das Kippgewicht dann selbst nach der anderen Seite kippt und die Umschaltung bewirkt. Beim Sinken des Wasserstandes und des Schwimmkörpers nimmt nun der andere Arm der Schaltgabel nach Durchlaufen eines Leerlaufes das Kippgewicht wieder mit zurück, wobei dieses dann wieder vom oberen Totpunkt aus, der kurz vor dem niedrigsten Wasserstand erreicht ist, nach der anderen Seite fällt und nun wieder die umgekehrte Schaltstellung bewirkt.

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