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Verfahren und Vorrichtung zum Heben von Flüssigkeiten aus unbegrenzten
Tiefen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Heben
von Flüssigkeiten aus unbegrenzter Tiefe. Nach einem früheren Vorschlag - Patent
498 332 -geschieht das Heben von Flüssigkeiten dadurch, daß in der die Hebeleitung
ausfüllenden Flüssigkeitssäule durch Stoßimpulse in zweckmäßig gleichbleibenden
Zeitabständen Druckwellen erzeugt werden, und zwar wird die Taktzahl der Stoßimpulse
zur Höhe der Flüssigkeitssäule so gewählt, daß in der letzteren eine stehende Druckwelle
gebildet wird. Die Flüssigkeitssäule steht hierbei mit ihrem oberen Ende dauernd
mit der Außenluft in. Verbindung. Die Entstehung von Druckwellen in der Flüssigkeitssäule
als Folge der Stoßimpulse gründet sich auf die Zusammendrückbarkeit der Flüssigkeit,
die im allgemeinen vernachlässigt wird, jedoch eine für den vorliegenden Zweck ausreichende
Größe besitzt; beispielsweise ergibt sich für Wasser unter einer Druckerhöhung von
i kg/cm2 eine Raumverbindung von 44 X 1o-6 . Die für die Stoßimpulse aufgewendete
Arbeit wird vermittels der Druckwellen in Förderarbeit umgesetzt. Während des Ausströmens
von Flüssigkeit aus dem offenen oberen Ende der Hebeleitung findet eine Verschiabung
der Flüssigkeitssäule um ein der ausgeflossenen Menge entsprechendes Maß statt,
wobei das untere Ende der Säule gleichsam als Kolben wirksam ist und die jeweilige
AusfluBmenge in die Hebeleitung einsaugt. Bei dem Verfahren nach der vorliegender
Erfindung wird ebenfalls von der Eräeugung von Druckwellen, und zwar vorzugsweise
stehender Druckwellen in der Flüssigkeitssäule Gebrauch gemacht, jedoch unterscheidet
sich das neue Verfahren von dem bereits vorgeschlagenen dadurch, daß das obere Ende
der Flüssigkeitssäule etwa für die Dauer eines jeden Stoßimpulses nach außen hin
abgeschlossen und am Ende des Stoßimpulses plötzlich freigegeben wird. Es hat sich
gezeigt, daß auf diese Weise unter gleichzeitiger Erhöhung des Wirkungsgrades mit
der ,gleichen Anlage eine größere Flüssigkeitsmenge gehoben werden kann, als es
mit Hilfe des obenerwähnten Verfahrens möglich ist. Der Grund hierfür liegt offenbar
darin, daß durch die Stoßimpulse Wellen von größerem Druck und entsprechend geringerer
Menge erzeugt werden können als bei dem früheren Verfahren, und daß diese Wellen
durch das plötzliche Freigeben der Flüssigkeitssäule in Wellen von sehr geringem
Druck und großer Menge umgewandelt werden. Das Verhalten der Flüssigkeitssäule kann
mit einer Schraubenfeder verglichen werden, die, auf einer Unterlage abgestützt,
belastet und dann plötzlich entlastet wird, wobei sie sich mit einem Sprung von
der Unterlage abhebt.
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Zur Ausführung des neuen Verfahrens kann eine Vorrichtung verwendet
werden, die teilweise den gleichen Aufbau besitzt wie die zur -Ausführung des Verfahrens
nach Patent
498 332 vorgeschlagene Vorrichtung. Letztere besteht
aus einer am unteren Ende durch ein Rückschlagventil verschlossenen Hebeleitung,
die mit ihrem ins Freie mündenden oberen Ende an den Zylinder .einer Kolbenarbeitsmaschine
angeschlossen ist, die zur Erzeugung der Stoßimpulse in der die Hebeleitung ausfüllenden
Flüssigkeitssäule dient. Diese Vorrichtung ist nach der Erfindung dahingehend abgeändert,
daß in dem Auslaß des Zylinders der Kolbenarbeitsmaschine ein von der Antriebsvorrichtung
für den Kolben gesteuertes Ventil angeordnet ist, welches bei Beginn des Vorwärtshubes
des Kolbens zwangsläufig geschlossen und bei Beendigung wieder geöffnet wird. Zum
Inbetriebsetzen dieser Vorrichtung wird zunächst der Kolben unter gleichzeitigem
öffnen des Ventils in seine ,äußerste Stellung zurückgezogen und dann die Hebeleitung
vollständig mit Flüsgigkeit gefüllt, wobei dafür Sorge getragen werden muß, daß
keine Luft in der Hebeleitung verbleibt. Bei Beginn des Vorwärtshubes des Maschinenkolbens
schließt sich zwangsläufig das Ventil, so daß die Flüssigkeit in der Hebeleitung
allseitig eingeschlossen ist und durch den Kolben zusammengedrückt wird. Der Kolbenhub
muß im Verhältnis zu den übrigen Abmessungen der Vorrichtung so bemessen werden,
daß diese den sich durch die, Zusammendrückung der Flüssigkeitssäule ergebenden
Druck aushält.
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Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist in der Zeichnung in senkrechtem
Längsschnitt schematisch erläutert.
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Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Kolbenarbeitsmaschine
a, deren Zyänder a1 mit einer durch ein Ventilb gesteuerten Auslaßöffnung versehen
ist und mit der beispielsweise eine in etinen Brunnenschacht ,ä hineinragende Hebeleitung
c verbunden ist. Letztere ist am unteren Ende mit einem Rückschlagventile versehen.
Das Ventil b wird mittels nicht dargestellter übertragungsglieder von dem Antrieb
des Kolbens a2, beispielsweise von der Kurhelwe lle f, derart gesteuert, , daß es
die Auslaßöffnung des Zylinders a1 ,etwa bei Beginn des Vorwärtshubes des Kolbens
a schließt und bei Beendigung wieder öffnet, so daß durch den Vorwärtshub des Kolbens
die in der Hebeleitung c und in dem Zylinder a1 eingeschlossene Flüssigkeit zusammengedrückt
wird, und zwar pflanzt sich diese Zusammendrückung in. Form einer Druckwelle längs
der Hebeleitung c nach deren unterem Ende fort, wird dort reflektiert und gelangt
wieder in den Zylinder a1 der Kolbenmaschine zurück. Die Taktzahl des Yolb:ensa2
wird zweckmäßig so gewählt im Verhältnis zur Länge der Hebeleitung, daß die letztere
gleich einer Viertellänge der durch die Kolbenbewegung erzeugten Druckwelle oder
einem Vielfachen davon ist. Dadurch entsteht in der Hebeleitung eine stehende Druckwelle,
welche in dem Zylinder a1 einen Wellenbauch und am unteren Ende der Hebeleitung
c einen Wellenbauch oder einen Wellenknoten besitzt, je nachdem, ob die Länge
der Hebeleitung ein gerades oder ein ungerades Vielfaches der Viertellänge der Druckwelle
beträgt. Am Ende des Vorwärtshubes des Kolbens a2 wird das Ventil b zwangsläufig
geöffnet, wodurch die in der Hebeleitung erzeugte Druckwelle von hohem Druck und
geringer Menge in eine Welle von geringem Druck und großer iMenge umgewandelt wird.
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Das am unteren Ende der Hebeleitung vorgesehene Rückschlagventil e
hat die Aufgabe, eine Bewegung der Flüssigkeit in der Hebeleitung nur m einer Richtung,
nämlich nach loben, zuzulassen. Ferner hat dieses Rückschlagventil den Zweck, zum
Einleiten des Betriebes .ein Füllen der Hebeleitung c und des Zylinders a1 der Kolbenmaschine
zu ermöglichen.
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Diese Vorrichtung ermöglicht das Heben von Flüssigkeiten aus jeder
beliebigen Tiefe. Die bei jedem Hub der Kolbenmaschine gehobene Flüssigkeitsmenge
ist um so größer, je hoher der Druck ist, der durch die Kolbenmaschine erzeugt wird.
In jedem. Falle kann die gehobene Flüssigkeitsmenge um ein Vielfaches größer sein
als das Hubvolumen der Kolbenmaschine.
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Im nachstehenden wird eine Vorrichtung zahlenmäßig beschrieben, mit
der bei praktischen Versuchen gute Ergebnisse erzielt wurden. Die Hebeleitung hat
bei einem Innendurchmesser von 2 5 mm eine Länge von 2o m, gemessen bis zum Spiegel
der zu hebenden Flüssigkeit. Am unteren Ende der Hebeleitung ist in einer entsprechenden
Erweiterung eine Ventilkugel von 35 mm Durchmesser beweglich gelagert, deren Sitz
einen freien Durchlaßquerschnitt von 3o mm Durchmesser hat. Der begrenzte Hub der
Ventilkugel beträgt 2omm Das obere Ende der Hebeleitung ist mit einem Zylinder von
etwa 5o mm Innendurchmesser verbunden, worin ein Kolben gelagert ist, welcher einen
Hub von etwa 3o mm Länge ausführt. Die Geschwindigkeit des Kolbens beträgt etwa
i8o Doppelhübe in der Minute. Der Zylinder besitzt eine durch ein Ventil gesteuerte
Auslaßöffnung von etwa 3o mm Durchmesser. Der Ventillaub beträgt etwa 5 bis 7 mm.
Der Kolben wird von einem Elektromotor angetrieben. Das von der Antriebswelle des
Kolbens gesteuerte Ventil öffnet sich gegen Ende des Vorwärtshuhes des Kolbens und
wird etwa am Ende des Rückwärtshubes geschlossen.
Mit dieser Vorrichtung
kann eine Flüssigkeitsmenge von 400o bis 5ooo 1 in der Stunde gefördert werden.
Diese Menge ist, wie sich leicht ausrechnen läßt, um ein Vielfaches größer als das
stündliche Hubvolumen des Kolbens.
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Anstatt einer Kolbenarbeitsmaschine kann auch jede andere Vorrichtung
verwendet werden, die geeignet ist, in der Flüssigkeitssäule Druckschwankungen zu
erzeugen.