DE604502C

DE604502C - Procedure for drawing in water at great heights

Info

Publication number: DE604502C
Application number: DEP67034D
Authority: DE
Original assignee: CARL PFLEIDERER DR ING
Current assignee: CARL PFLEIDERER DR ING
Priority date: 1933-02-14
Filing date: 1933-02-14
Publication date: 1934-10-23

Description

Verfahren zum Einsaugen von Wasser auf große Höhen Die üblichen, auf statischer Kräftewirkung beruhenden Pumpen können niemals höher saugen, als dem Barometerstand abzüglich der Widerstände entspricht. Die vorliegende Erfindung zeigt aber, daß es bei Benutzung einer Schwingungsbewegung möglich ist, die Saughöhe beliebig zu steigern.Method of sucking water at great heights The usual, on Pumps based on static forces can never suction higher than that Barometer reading minus the resistances. The present invention shows but that it is possible when using an oscillating movement, the suction height arbitrarily to increase.

Zwar liegt bei jeder Kolbenpumpe oder jedem Dnickluftlieber in gewissem Sinn eine Schwingungsbewegung des Wassers in der Rohrleitung vor, da ja das Wasser intermittierend weiterbewegt wird. Diese Schwingungen bewirken aber bekanntlich eine Verkleinerung der Saughöhe wegen der damit verbundenen Massenwirkung. Sie werden deshalb durch Windkessel o. dgl. möglichst ausgeschaltet. Auch die seit langem bekannte Humphreypumpe verwendet eine Schwingungsbewegung, die aber die Saughöhe ebenfalls keineswegs vergrößert, sondern nur die Aufgabe hat, die hin und her gehende Bewegung des Kolbens einer Kolbenmaschine zu ersetzen. Ein anderes neuerdings bekanntgewordenes Verfahren zur Vergrößerung der Saughöhe benutzt die längs der Rohrleitung wandernden Druckwellen des Wassers, die auf der Elastizität des Wassers und der Rohrwand (gemäß der Theorie von Allievi) beruhen. Dieses Verfahren ermöglicht aber nur eine beschränkte Förderung, die die Weite der Förderleitung nicht ausnutzt, und führt leicht zur Überanstrengung des Rohres. Die bei der vorliegenden Erfindung benutzten Schwingungen haben mit der Elastizität des Wassers oder der Rohrwand nichts zii tun. Ihr Wesen möge an folgendem Beispiel zunächst erläutert werden.-Wird eine unter Atmosphärendruck stehende Saugleitung x (Abb. i) durch entsprechende Einstellung eines Steuerorgans 2 (das willkürlich als Drehschieber gezeichnet ist) mit einem unter Vakuum stehenden Gefäß 3 verbunden und dadurch plötzlich ebenfalls unter Vakuum gebracht, so kommt die aufsteigende Wassersäule bei Erreichung der dem statischen Gleichgewicht entsprechenden Höhe noch nicht zur Ruhe, sondern sie schwingt infolge ihrer lebendigen Kraft - ebenso wie ein Pendel -wesentlich darüber hinaus. Die Rechnung zeigt, daß die Aufwärtsbewegung erst bei der doppelten Höhe beendet ist, die dem Atmosphärendruck A abzüglich des Windkesseldruckes la", (beides in Meter Wassersäule) entspricht, also erst bei 2 (A-h",). Man kann somit das Wasser bei einer Höhe y > (A -h") in den Windkessel fließen lassen.With every piston pump or every Dnickluftlieber there is in a certain sense an oscillatory movement of the water in the pipeline, since the water is moved on intermittently. However, as is known, these vibrations cause a reduction in the suction height because of the associated mass effect. They are therefore switched off as far as possible by air tanks or the like. The Humphrey pump, which has been known for a long time, also uses an oscillating movement, which, however, also in no way increases the suction height, but only has the task of replacing the reciprocating movement of the piston of a piston engine. Another recently known method for increasing the suction height uses the pressure waves of the water traveling along the pipeline, which are based on the elasticity of the water and the pipe wall (according to the theory of Allievi). However, this method allows only a limited delivery that does not utilize the width of the delivery line, and easily leads to overexertion of the pipe. The vibrations used in the present invention have nothing to do with the elasticity of the water or the pipe wall. Its essence may first be explained using the following example: - If a suction line x (Fig. I) which is under atmospheric pressure is connected to a vessel 3 under vacuum by the appropriate setting of a control element 2 (which is arbitrarily drawn as a rotary valve) and thus suddenly also under When brought into a vacuum, the rising water column does not come to rest when it reaches the height corresponding to the static equilibrium, but instead, due to its living force - just like a pendulum - swings considerably beyond it. The calculation shows that the upward movement is only ended at twice the height, which corresponds to the atmospheric pressure A minus the air vessel pressure la ", (both in meters of water column), i.e. only at 2 (Ah",). You can therefore let the water flow into the air chamber at a height y> (A -h ").

Wenn man nun im Augenblick des Beginns der Abwärtsbewegung das Steuerorgan 2 in die Stellung 2", (vgl. die Nebenfigur zu Abb. i) bringt, so wird der atmosphärische Druck in die Saugleitung eindringen und dadurch die Wassersäule zu einer beschleunigten Abwärtsbewegung zwingen. Bringt man nun das Steuerorgan nach einer gewissen Absenkung der Saugsäule in die Stellung 2, (Nebenfigur zii Abb. i), wobei also die drei Räume: Jlußere Atmosphäre, Steigleitung und '\Vindkessel voneinander getrennt sind, so wird offenbar die in der Steigleitung eingeschlossene Luft expandieren, und es wird durch geeignete Wahl des Zeitpunktes dieser Verstellbewegung leicht ermöglicht, daß die Wassersäule gerade dann ihre tiefste Stellung erreicht, wenn die Luft auf den Windkesseldruck expandiert ist. In diesem Augenblick bringt man das Steuerorgan wieder in die Stellung 2, so daß der Windkesselraum 3 wieder angeschlossen ist und die aufwärts schwingende Säule in den Windkesselraum ausgießt.If you now at the moment of the beginning of the downward movement, the control organ 2 in position 2 ", (cf. the secondary figure to Fig. I), then the atmospheric Pressure penetrate into the suction line and thereby the water column to an accelerated Force downward movement. If you now bring the control organ after a certain lowering the suction column in position 2, (secondary figure zii Fig. i), with the three rooms: The outer atmosphere, the riser and the Vindkessel are separated from one another, so is apparently the one in the riser expand trapped air, and it becomes easy by a suitable choice of the point in time of this adjustment movement allows the water column to reach its lowest position just when the air has expanded to the air pressure. At that moment you bring the control element back to position 2, so that the air chamber 3 is reconnected and the upward swinging column pours into the air chamber.

Der Druckverlauf im Steigrohr ist durch das Diagramm a b c d in Abhängigkeit der jeweiligen Höhenlage des Wasserspiegels, also gewissermaßen als Indikatordiagramm, angegeben (Abb. r). Linie c-d entsteht bei der Steuerstellung 2, d. h. der Periode des Aufsteigens, Linie a-b bei der Steuerstellung 2, d. h. der ersten Periode des Niedergangs, während welcher atmosphärische Luft eintritt, Linie b-c bei der Steuerstellung ab, d. h. der zweiten Periode des Niedergangs.The pressure curve in the riser pipe is indicated by the diagram a bc d as a function of the respective altitude of the water level, so to speak as an indicator diagram (Fig. R). Line cd arises in control position 2, ie the period of ascent, line ab at control position 2, ie the first period of decline, during which atmospheric air enters, line bc in control position ab, ie the second period of decline.

Damit im Augenblick der Bewegungsumkehr im Steigrohr der Windkesseldruck h", herrscht, kann man auch den Windkesseldruck oder die Eintauchtiefe z entsprechend wählen. Ein kleiner Druckabfall ist aber unwesentlich, und auch große Druckabfälle beeinträchtigen die richtige Aufeinanderfolge der Arbeitsspiele nicht. Man kann sogar die Stellung 2b des Steuerorgans ganz umgehen, d. h. unmittelbar von 2b auf 2 umschalten, wobei dann die Luft im Steigrohr bei Beginn des Aufwärtsgangs mit atmosphärischem Druck in den Windkessel überpufft und das Indikatordiagramm in das Rechteck a c c d übergeht (Volldrucl.:diagramm). Die Diagrammfläche, also auch die erzielbare Förderleistung, wird hier sogar ein Maximum.So that the air chamber pressure h "prevails in the riser at the moment of reversal of movement, you can also choose the air chamber pressure or the immersion depth z accordingly. A small pressure drop is, however, insignificant, and even large pressure drops do not affect the correct sequence of work cycles. You can even adjust the position Bypass 2b of the control unit completely, i.e. switch immediately from 2b to 2, whereby the air in the riser pipe then puffs into the air chamber at atmospheric pressure at the beginning of the upward gear and the indicator diagram merges into the rectangle accd (full pressure: diagram) the achievable delivery rate is even a maximum here.

Sieht man zunächst von der Reibung ab, so lassen sich bei der Inbetriebsetzung die aufeinanderfolgenden Ausschläge bis zu jeder gewünschten Förderhöhe steigern, da die Arbeit der hinzutretenden Frischluft sich so lange in Schwingungsenergie umsetzt, bis Wasserförderung eintritt. Iin Beharrungszustand ist die geleistete Förderarbeit gleich der Luftarbeit. Durch dieses anfängliche Aufschaukeln der Schwingungsausschläge kann die erzielbare Saughöhe also wesentlich über die oben genannte doppelte statische Saughöhe hinaus vergrößert werden, die nur beim ersten Ausschlag maßgebend ist. Eine solche Steigerung setzt nur voraus, daß man die Eintauchtiefe z des Heberrohrs entsprechend vergrößert, damit die Schwingungswege, also auch der Inhalt des Indikatordiagramms a b c d bzw. a. c c d, wachsen können. Wegen der Reibung wird man aber bestimmte Grenzen des Schwingungsausschlags nicht überschreiten.If one disregards the friction at first, the successive deflections can be increased up to any desired delivery height during commissioning, since the work of the fresh air that is added is converted into vibrational energy until the water is pumped. In the steady state, the delivery work performed is the same as the aerial work. As a result of this initial build-up of the oscillation deflections, the achievable suction height can thus be increased significantly beyond the double static suction height mentioned above, which is only decisive for the first deflection. Such an increase only requires that the immersion depth z of the siphon pipe is increased accordingly, so that the oscillation paths , i.e. also the content of the indicator diagram a bcd or a. ccd, can grow. Because of the friction, however, certain limits of the oscillation amplitude will not be exceeded.

Um auch die Geschwindigkeitsliölien des oben und unten aus dem Steigrohr leeraustretenden Wassers zurückzugewinnen, kann man am oberen und unteren Rohrende eine konische Erweiterung 5 mit einem für Verlangsamungen genügend kleinen Erweiterungswinkel vorsehen. Auch die Fallhöhe x des Wassers im Windkessel, die eine Verlusthöhe ist, kann man vermeiden, wenn man gemäß Abb. 2 die Ausgußöffnung durch eine Rückschlagklappe 9 abschließt und das Nebenrohr zo vorsieht.To also the speed lines of the top and bottom of the riser pipe Recovering empty water can be done at the top and bottom of the pipe a conical enlargement 5 with a sufficiently small enlargement angle for slowing down provide. The height of fall x of the water in the air tank, which is a loss height, can be avoided if, as shown in Fig. 2, the pouring opening through a non-return valve 9 completes and provides the secondary pipe zo.

Das geförderte und in den Windkessel 3 gelangte Wasser wird bei 6 durch eine Pumpe oder eine Heberleitung entnommen, während bei 7 die Absaugung der Luft mittels einer Vakuumpumpe zu geschehen hat. Man kann naturgemäß auch Luft und Wasser durch eine einzige Pumpe bekannter Bauart (Naßluftpumpe) entnehmen.The water that has been pumped into the air tank 3 is at 6 taken by a pump or a siphon line, while at 7 the suction of the Air has to be done by means of a vacuum pump. Of course, you can also use air and Withdraw water by a single pump of a known type (wet air pump).

Das rechtzeitige Umschalten des Steuerorgans 2 kann in Abhängigkeit von der Höhenlage des Wasserspiegels der schwingenden Wassersäule mittels Schwimmer u. dgl. oder auch hydraulisch oder elektrisch in an sich bekannter Weise geschehen. Der Schwimmer o. dgl. wird hierbei einen Impuls nach einem durch Wasser betätigten Verstärker (Servomotor) geben, der die Verstellung besorgt. Man kann diesen Verstärker auch vermeiden, wenn man die Energie des in den Windkessel strömenden Wasserstrahls benutzt und diesen auf eine drehbare Umlenkschaufel 8 wirken läßt, so daß diese sich bei Beginn des Wasseraustritts hebt, bei Beendigung senkt (gestrichelte Stellung). Im Augenblick des Senkens wäre das Steuerorgan von 2 nach 2d zu verstellen. Im Augenblick des Hebens kann eine Feder gespannt werden, durch deren Energie die beiden anderen Bewegungen, ausgelöst durch Schwimmer o. dgl. oder durch Manometer, bewirkt werden.The timely switching of the control element 2 can be done depending on the height of the water level of the oscillating water column by means of floats and the like, or else hydraulically or electrically in a manner known per se. The float or the like will give an impulse to an amplifier (servomotor) actuated by water, which takes care of the adjustment. This amplifier can also be avoided by using the energy of the water jet flowing into the air chamber and allowing it to act on a rotatable deflection vane 8 so that it rises at the beginning of the water outlet and lowers at the end (dashed position). At the moment of lowering, the control element would have to be adjusted from 2 to 2d. At the moment of lifting, a spring can be tensioned, the energy of which causes the other two movements, triggered by floats or the like, or by pressure gauges.

Statt die Schaltbewegung durch Schwimmer auszulösen, kann man auch ein Pendel oder anderes schwingungsfähiges System benutzen, dessen Schwingungszahl mit der Eigenschwingungszahl der Wassersäule in Übereinstimmung gebracht ist oder in einem ganzzahligen Verhältnis hierzu steht. ` Das bisherige Verfahren ist insofern noch verbesserungsbedürftig, als unter Umständen große Eintauchtiefen nötig sind und bei der Abwärtsbewegung Wasser in den Saugbehälter zurücktritt. Diese Mängel kann man stark mildern, wenn man zwei oder mehr Steigrohre benutzt, die im tiefsten Punkt vereinigt sind und dort eine gemeinsame- Ansaugöffnung haben.Instead of triggering the switching movement by a float, you can use a pendulum or other vibratory system whose number of vibrations is brought into agreement with the natural frequency of the water column or is in an integer ratio to this. `The previous procedure is insofar still in need of improvement than large immersion depths may be necessary and on the downward movement, water recedes into the suction container. These shortcomings can be greatly mitigated by using two or more risers, the deepest Point are united and there have a common suction opening.

Abb. 3 veranschaulicht diese Anordnung im Fall der Verwendung zweier Steigrohre z und zr und eines gemeinsamen Steuerorgans 2, das in den Windkesselraum eingebaut ist. Die in den beiden Rohren befindliche Wassermenge kann man so schwingen lassen, daß in dem einen der Rohre das `Wasser steigt, wenn es im andern fällt, so dä.ß also das schwingende Wasser un mittelbar von einem zum anderen Rohr über tritt. Das Steuerorgan ist als Drehschieber in der Stellung gezeichnet, bei welcher rechts die Wassersäule nach unten schwingt und Expansion der Luft stattfindet, während links das Wasser in den Windkesselraum einströmt. Es braucht also durch die Saugöffnung 5 kein Wasser auszutreten, da das in den Rohren enthaltene Wasser sich gegenseitig ergänzt. Bringt man im Augenblick des Beginnens des Absinkens der linken Säule das Organ 2 in die Stellung 2a,, so tritt links wieder Luft ein, d. h. der Atmosphärendruck treibt die Wassersäule nach unten, während rechts Verbindung mit dem Innern des Windkessels hergestellt ist, so daß die rechte Säule genau so wie im Fall der Abb. i nach oben schwingt. Ist genug atmosphärische Luft eingetreten, so bringt man die Steuerung in die Stellung 2v der Abb. 3, wobei also links der Lufteintritt abgesperrt ist, während rechts dem nun hier durchtretenden Wasser der volle Querschnitt geöffnet ist.Fig. 3 illustrates this arrangement in the case of using two Riser pipes z and zr and a common control element 2, which is in the air chamber is built in. The amount of water in the two pipes can be oscillated in this way let the water rise in one of the pipes when it falls in the other, so the swaying water passes directly from one pipe to the other occurs. The control element is drawn as a rotary valve in the position in which it is on the right the water column swings down and expansion of the air takes place while on the left the water flows into the air chamber. So it takes through the suction opening 5 no water to leak out because the water contained in the pipes is mutually exclusive added. If you bring that at the moment the left column begins to sink Organ 2 in position 2a, so air enters again on the left, i.e. H. the atmospheric pressure drives the water column downwards while connecting with the inside of the right Windkessel is made so that the right column exactly as in the case of Fig. i swings up. If enough atmospheric air has entered, it is brought in Control in position 2v in Fig. 3, with the air inlet blocked on the left is, while the full cross-section is open to the water now passing through on the right is.

Die bisher behandelten Einrichtungen brauchen kein Fußventil, was die betriebliche Sicherheit erhöht. Im Fall der Anwendung eines einzigen Steigrohrs (Abb. i) könnte ein solches überhaupt nicht angebracht werden. Dagegen ist seine Hinzunahme bei Vorhandensein mehrerer Steigrohre wohl möglich und unter Umständen zu empfehlen. In Abb. .4 ist ein Fußventil bei 13 angegeben. Es gewährt Sicherheit dagegen, daß ein Wiederausschwingen von Wasser aus den Steigrohren in den SaugsLhacht erfolgt. Es gibt deshalb auch größere Freiheit hinsichtlich des Verlaufs der treibenden Kraft. Man kann beispielsweise ein Indikatordiagramm mit Vollfüllung (a e c d, Abb. i) verwirklichen, wobei zwar die Expansion der Luft nicht ausgenutzt ist, aber eine wesentliche Steigerung der Wasserförderung und offenbar auch= eine Vereinfachung der Handhabung der Steuerung eintritt.The devices discussed so far do not need a foot valve, which increases operational safety. In the case of using a single riser pipe (Fig. I), such a pipe could not be attached at all. On the other hand, its addition is possible and may be recommended if there are several riser pipes. In Fig. 4, a foot valve is indicated at 13. It provides security against the fact that water will swing out again from the riser pipes into the SaugsLhacht. There is therefore greater freedom as to the course of the driving force. For example, an indicator diagram with full filling (aecd, Fig. I) can be implemented, whereby the expansion of the air is not fully utilized, but a significant increase in water delivery and, apparently, a simplification of the handling of the control occurs.

In Abb. 4 ist das Steuerorgan willkürlich in zwei Einzelorgane 2 und 12 aufgelöst, die miteinander gekuppelt sind, und die - im Fall der Verwendung des Volldruckdiagramms - im Augenblick der Bewegungsumkehr der Wassersäule nur auf die Stellung 2" und 12" gedreht zu werden brauchen. Diese Umstellung geschieht hier am einfachsten durch Benutzung der beiden über den Steuerorganen angeordneten, schwenkbar aufgehängten Leitschaufeln 8 und 16, da im Augenblick der Umstellung immer eine von beiden fällt. In der Zeichnung ist der Verstellmechanismus nicht näher ausgeführt, da die Einzelheiten unwesentlich sind. Im Fall der Anordnung mehrerer Steigrohre in engen Bohrlöchern empfiehlt es sich, diesen eine solche Querschnittform zu geben, daß der Bohrlochquerschnitt voll ausgenutzt wird. Denn je größer der unterzubringende Rohrquerschnitt, um so kleiner ist die Rohrreibung. Im Fall der Anwendung von zwei Rohren sind offenbar halbelliptische oder ähnliche Formen (Abb. 5) oder konzentrische Rohre am Platz.In Fig. 4 the control organ is arbitrarily divided into two individual organs 2 and 12 resolved, which are coupled to each other, and which - in the case of using the Full pressure diagram - at the moment of reversing the movement of the water column only on the Position 2 "and 12" need to be turned. This change happens here The easiest way to do this is to use the two pivotable ones arranged above the control elements suspended guide vanes 8 and 16, as there is always one at the moment of the changeover of both falls. The adjustment mechanism is not detailed in the drawing, since the details are immaterial. In the case of multiple riser pipes in narrow boreholes it is advisable to give them such a cross-sectional shape, that the borehole cross-section is fully utilized. Because the bigger the one to be accommodated Pipe cross-section, the smaller the pipe friction. In the case of using two Tubes are apparently semi-elliptical or similar shapes (Fig. 5) or concentric Pipes in place.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Method of drawing water at great heights, characterized in that an oscillatory movement of the water column in the riser is caused by atmospheric pressure on the falling water level and negative pressure acts on the rising water level.

2. The method according to claim i, characterized in that only during part of the decline the full atmospheric pressure acts and in the remaining part expansion of the air up to approximately takes place on the minimum pressure.

3. Device according to claim i, characterized in that that the automatic switching of the control member (2) depending on the altitude the water level of the vibrating column by a float or the like. Or by a pivotable guide vane (8 and 16) arranged at the outlet or through a Pendulum takes place whose number of vibrations is a whole multiple of the number of vibrations the water column is. .

4. Apparatus according to claim i, characterized in that the riser pipe at the top and bottom with a conical mouthpiece (4 and 5) of a sufficiently small extension angle or with another for the slowing down is provided with a suitable diffuser.

5. Apparatus according to claim i, characterized characterized in that two or more risers are used, the deepest Point are connected.

6. Apparatus according to claim 5, for the promotion is determined from narrow boreholes, characterized in that to enable small borehole diameter or large cross-sections of the riser pipes the pipe cross-sections adapt to the cross-sectional shape of the borehole, so z. B. with two risers similar to a half-ellipse or are pushed together concentrically.