-
Überlaufmengenregler Die Erfindung betrifft eine einfache und zuverlässig
arbeitende automatische Vorrichtung, welche aus einem Behälter, der mehr oder weniger
hoch mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt ist, eine vorbestimmte gleichbleibende
Menge des Wassers oder der Flüssigkeit ausfließen läßt.
-
Dieses Problem ist im Hinblick auf eine große Anzahl industrieller
und landwirtschaftlicher Einrichtungen von Interesse, z. B. für Wasserleitungen,Bewässerungsanlagen,
hydraulische undhydroelektrische Anlagen u. dgl. m., ohne daß bisher -hinsichtlich
der Hydraulik - eine Lösung der obengenannten Aufgabe gefunden worden wäre, wenn
man von einigen nur eine rohe und angenäherte Lösung des Regelproblems ermöglichenden
mechanischen Vorrichtungen absieht, deren Hebel, Gelenke, Lager, Triebwerke u. dgl.
infolge der dabei auftretenden veränderlichen Reibungskräfte das Endergebnis ungünstig
beeinflussen. Darüber hinaus werden die meisten dieser Vorrichtungen durch geringe
äußere Einflüsse - z. B. durch ein Blatt, ein wenig Sand, Ablagerungen u. dgl. -
in ihrer Wirkungsweise beeinträchtigt; andere Vorrichtungen benötigen zu einem einwandfreien
Funktionieren -ständig geöffnete Überläufe od. dgl.
-
Es ist zwar bereits ein Überlaufmengenregler mit einem Rohr bekanntgeworden,
durch das die Flüssigkeit aus einem Behälter in- gleichbleibender
Menge
ausströmt, wobei die Eintrittsöfhung des Rohres durch einen Schwimmer in gleichbleibender
Höhe unter dem Flüssigkeitsspiegel des Behälters gehalten wird. Bei der bekannten
Vorrichtung ist das überlaufrohr nach Art eines Hebers ausgebildet, was die Gefahr
von Betriebsstörungen zur Folge hat; denn die Wirkung des Heberrohres wird in dem
Augenblick aufgehoben, wo sich in seiner höchsten Stelle Luft ansammelt, wie sie
immer in Wasser enthalten ist und sich erfahrungsgemäß bei derartigen Strömungswegen
ausscheidet. Dadurch wird das Heberrohr praktisch ausgeschaltet, und die ihm zugewiesene
Funktion, eine gleichmäßige -Ausflußmenge zu gewährleisten, wird zwangläufig unterbrochen.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich demgegenüber auf einen selbsttätigen
Überlaufmengenregler, bei dem die Flüssigkeit aus einem Behälter durch ein geradliniges
Rohr ausströmt, dessen Eintrittsöffnung mittels eines Schwimmers auf gleichbleibender
Höhe unterhalb des Flüssigkeitsspiegels gehalten wird.
-
Dieses Rohr ist erfindungsgemäß unterteilt, und sein unterer Teil
durchdringt den Behälter, während der obere Teil den unteren Teil als doppelwandiger
Hohlzylinder umgreift und von dem Schwimmer getragen ist. Dabei ist ein feststehender
Ausgleichsbehälter gleichen Querschnitts, der ebenfalls unten offen ist und in die
Flüssigkeit eintaucht; mit dem Zwischenraum zwischen den Zylindern verbunden, so
daß die eingeschlossene Druckluft den Durchtritt von Flüssigkeit zwischen den Rohrteilen
verhindert.
-
Während also bei der bekannten Vorrichtung die sich aus der strömenden
Flüssigkeit in dem Scheitelpunkt des U-förmigen Heberrohres abscheidende Luft betriebsstörend
wirkt, ist bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung dieser Luft eine für das ordnungsmäßige
Funktionieren dieser Vorrichtung wesentliche Aufgabe zugewiesen.
-
Bei der praktischen Ausführung der Erfindung sind die beiden an einem
Ring mit Überlaufrand befestigten Zylinder durch Streben od. dgl. mit dem Schwimmer
verbunden, mit dem sie ein bewegliches Organ bilden, das - den feststehenden Kommunikationszylinder
überstülpend - genau den Niveauänderungen in dem Regelbehälter folgt: Die über den
Überlaufrand tretende gleichbleibende Wassermenge wird durch den Verteilungsbehälter
abgeleitet.
-
Von dem zylindrischen Hohlraum des beweglichen Organs führt eine Luftleitung
zu einem Vorratsbehälter, dem sogenannten Ausgleichsbehälter, der den pneumatischen
Druck der in ihm befindlichen Luft konstant hält. Diese Luftleitung spielt eine
sehr große Rolle, da sie jeglichen Wasseraustritt zwischen den beiden gemeinsam
beweglichen Zylindern und dem feststehenden Kommunikationszylinder verhindert. Da
in diesem System praktisch keinerlei Reibung auftritt, kann das bewegliche Organ
schnell und genau jeder Veränderung des Wasserspiegels folgen; anderseits wird jeglicher
Wasseraustritt verhindert, und da - wie nachher beschrieben wird - die Schwimmerlage
immer gieichbleibt, gibt die Vorrichtung über den Überlaufrand eine absolut gleichbleibende
Abflußmenge ab.
-
Alles Nähere über die Erfindung ergibt sich aus den Ansprüchen. Nachfolgend
wird in Verbindung mit den Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Im einzelnen zeigt Abb. i einen Querschnitt durch den Regler, wobei das 7ufließende
Wasser seinen 'tiefsten Stand A einnimmt, Abb. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung
der Abb. r, Abb. 3 einen der Abb. i entsprechenden Querschnitt, wobei das Wasser
seinen höchsten Stand C einnimmt, Abb. q. einen axialen Teilschnitt, der die Stellungen
des beweglichen. Steuerorgans bei dem tiefsten Wasserstand A (gestrichelt) und bei
einem mittleren Wasserstand B (ausgezogen) darstellt, Abb. 5 und 6 - nicht übereinander
gezeichnet -Ausschnitte aus der Abb. q. zur Veranschaulichung des Emporsteigens
des schwimmenden Regelorgans von dem tiefsten Wasserstand A über den normalen mittleren
Wasserstand B zu dem höchsten Wasserstand C (s. Abb. 3), Abb. 7 und 8 eine den Abb.
5 und 6 entsprechende Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform, bei der der
Zylinder 13 aus zwei Teilen zusammengesetzt ist.
-
Bei den Abb. 1, 2 und 3 bildet die Grundplatte 1 der Vorrichtung zugleich
den Boden des Verteilungsbehälters q., der von dem oberen Zulauf@behälter 3 durch
die Zwischenwand 2 getrennt ist, wobei der obere Behälter 3 durch das Rohr 5 von
einem eine veränderliche Wasserstandshöhe aufweisenden, nicht gezeichneten Vorratsbassin
od. dgl. gespeist wird. In der Zwischenwand 2 sitzt der vertikale, oben und unten
offene Zylinder 6. Die Seitenwand 7 des unteren Behälters .4 ist so ausgebildet,
daß sie ein ungehindertes Ausfließen der von der Regelvorrichtung gelieferten gleichbleibenden
Wassermenge über den Rand 8 gestattet.
-
Der wie der Zylinder 6 feststehende vertikale zylindrische Ausgleichsbehälter
9 ist nach unten offen (ähnlich wie eine umgekehrte Tasse), und sein unterer Rand
endet ein wenig oberhalb des Zwischenbodens 2; sein Deckel io ist mit einem Ventil
11 versehen, durch das - sobald die Vorrichtung zu arbeiten beginnt - sowohl dem
Ausgleichsbehälter 9 als auch dem hohlen Zwischenraum zwischen den Zylindern 13
und 1.1, mit welchen der Ausgleichsbehälter 9 durch die Luftleitung 12 ständig verbunden
ist, mehr oder minder verdichtete Luft zugeführt werden kann.
-
Die Zylinder 13 und 14. des beweglichen Steuerorgans sind an ihrem
unteren Ende offen und an ihrem oberen Ende luftdicht mit dem Ring 15 zusammengeschweißt.
Der obere als Überlaufrand dienende Teil des Ringes 15 weist kleineAbschnitte auf,
an denen das Wasser nicht überfließen darf, wodurch auch in den Raum unterhalb des
überströmenden Wassers eine sichere Luftzufuhr gewährleistet
wird.
Vier speichenartige Streben 16, 17, 18 und i9 verbinden den Ring 15 mit der mit
einem Außengewinde versehenen Nabe 2o, mit der - in der richtigen Höhenlage einjustiert
- die Muffe 2i verbunden ist, an welcher mittels der speichenartigen Streben 22,
23, 24 und 25 der Schwimmer 26 befestigt ist. Die Enden 27 und a8 der Streben 23
bzw. 25 sind ringförmig ausgebildet und gleiten längs der vertikalen Führungsstangen
29, 3o, welche die eventuelle Exzentrizität des beweglichen Steuerorgans hinsichtlich
des feststehenden Zylinders 6 wirkungsvoll und ohne Reibung ausgleichen.
-
Da jedoch der Regler, auch wenn sich das bewegliche Steuerorgan (bei
Fehlen der Ringe 27 und 28) drehen kann, tadellos funktioniert, selbst wenn die
beweglichen Zylinder 13 und 14 den feststehenden Zylinder 6 berühren, sind die Elemente
27, 28, 29 und 3o entbehrlich. Ihre Anwendung wird durch besondere Gegebenheiten
bestimmt, z. B. wenn das Nichtdrehen des Schwimmers, die absolut einzuhaltende Zentrierung
des beweglichen Steuerorgans u. dgl. verlangt werden.
-
Die Größe der Grundfläche des, Ausgleichszylinders 9 entspricht etwa
der Grunfläche des ringförmigen Hohlzylinders G der Abb.6: Dieser Zylinderring ist
seinerseits durch die Durchmesser der Hohlzylinder 6 und 13 bestimmt. So wird durch
das Verbindungsrohr 12 bei einem bestimmten Wasserstand B innerhalb des Ausgleichsbehälters
(Alb. 4, 5 und 6) gewährleistet, däß das Gesamtvolumen der zwischen den Zylindern
13 und 14 innerhalb des Rohres 12 und innerhalb des Ausgleichsbehälters 9 befindlichen
Luft für jeden Wasserstand konstant bleibt. Da aber die Luftmenge die gleiche ist,
ist auch der Luftdruck konstant.
-
Zur besseren Klarstellung der Wirkungsweise des Reglers muß man sich
die Becken leer und das bewegliche Steuerorgan mit seinen Zylindern 13 und 14 auf
den feststehenden Zylinder 6 aufgestülpt vorstellen. Wenn nach Öffnen des Zuflußrohres
5 das Wasser den Höchstand C der Abb. 3 erreicht hat, tritt an dem oberen Rand des
Ringes 15 eine große Wassermenge auf, aber gleichzeitig setzt ein anderer Wasseraustritt
ein durch den ringförmigen Siphon zwischen den Zylindern 14, 6, 13, so daß der Gesamtwasseraustritt
an dem Rand 8 des unteren Behälters 4 erfolgt.
-
Wenn zu Beginn der Regelung durch das Ventil i i Luft eingeblasen
wird, gelangt sie auch unter den Ring 15 und wird hier gespeichert. Mit dem fortschreitenden
Lufteintritt wird das in dem ringförmigen Siphon zwischen den Zylindern 14, 6 und
13 stehende Wasser bis zum oberen Rand des feststehenden Zylinders 6 hinuntergedrückt.
-
In diesem Augenblick wird die in der Abb. 3 dargestellte Situation
erreicht, d. h. jeglicher weiterer Wasseraustritt zwischen den Zylindern 6 und 13
wird verhindert: Die ringförmige Flüssigkeitssäule kann wegen des pneumatischen
Druckes der unter dem Ring 15 gespeicherten Luft nicht mehr über den oberen Rand
des feststehenden Zylinders 6 treten, und somit ist hier jeglicher ungewollte Wasseraustritt
unterbunden. Die Vorrichtung befindet sich nunmehr in ihrer normalen Arbeitsstellung
und läßt nur die vorgesehene Fördermenge über den oberen Rand 15 fließen. Diese
Fördermenge bleibt nun für jede Wasserstandshöhe in dem Zulaufbehälter 3 konstant.
-
Wir gehen von der Stellung gemäß Abb. 3 aus: Wenn der Wasserspiegel
von dem Niveau C aus sinkt und eine typische Mittelstellung B (Abb.4 und 6) erreicht,
sinken die schmale Wassersäule zwischen den Zylindern 14 und 6 und die Wassersäule
innerhalb des Ausgleichsbehälters 9 (die vorher - s. A'bb. 3 - auf dem gleichen
Niveau C des oberen Randes des Zylinders 6 waren) auf das Niveau B' ab. In
dieser Stellung füllt die komprimierte Luft den kuppelförmigen Raum des Ausgleichsbehälters
9 oberhalb des Niveaus B', das Rohr 12 und die zylinderringförmigen Räume E, F unl
G (Abb. 6).
-
Das nachfolgende Absinken des Wasserspiegels von dem Niveau
B auf das tiefste Niveau A bringt den Ring 15 zum Aufliegen auf das
obere Ende des Zylinders 6 (Abb. 4 und 5) und senkt die ringförmige Wassersäule
von B' auf A'. Bei dieser neuen Stellung des beweglichen Regelorgans
füllt die Luft den kuppelförmigen Raum des Ausgleichsbehälters 9 oberhalb des Niveaus
A', das Rohr 12 und die zylinderringförmigen Hohlräume E und F (Abb. 5). Daher liegt,
verglichen mit dem vorherigen Zustand, die Volumenzunahme des kuppelförmigen Raumes
des Ausgleichsbehälters 9 zwischen den Niveaus B' und A', und die
Volumenverminderung des zylinderringförmigen Hohlraumes entspricht dem nunmehr verschwundenen
Raume G. Aus der Gleichheit der Größe der Grundflächeil der beiden genannten Räume
und aus der Gleichheit ihrer Höhe ergibt sich, daß das verlorene Volumen G genau
zwischen den Niveauflächen B' und A' in dem Ausgleichsbehälter 9 gewonnen
worden ist.
-
Daher nimmt die Luft immer das gleiche Gesamtvolumen ein, und da die
Luftmenge immer die gleiche ist, so ist auch ihr Druck für jede Wasserstandshöhe
in dem Zulaufbehälter 3 gleich.
-
Der hydrostatische Druck unter dem unteren Rande des Zylinders 14
ändert sich bei den verschiedenen Wasserstandshöhen nicht, da sich dieser Rand immer
in der gleichen Tiefe unterhalb des Wasserspiegels befindet. Bei der Konstanz des
Wasserniveaus D, das die gleichbleibende Fallhöhe des Wassers. bei 8 bestimmt, müßte
der untere Rand des Zylinders 13 mit dem Absinken des Wasserspiegels in dem Behälter
3 auf das tiefste Niveau A einen ständig steigenden hydrostatischen Druck aufnehmen.
Obgleich sich diese Druckzunahme dank der geringen Dicke der Zylinder nur unwesentlich
auf die das Schwimmen des beweglichen Regelorgans bestimmenden Kräfte auswirkt,
kann dieser Nachteil dadurch vermieden werden, daß der Zylinder 13 aus zwei Teilen
mit unwesentlich voneinander verschiedenen Durchmessern hergestellt wird (vgl. Abb.7
und 8).
-
Der erste Teil ist der in der Wasserlinie D' oder etwas darüber abgeschnittene
Zylinder 13, Der
zweite Teil 13b, welcher die gesamte für
den Zylinder 13 (Abb. 5) erforderliche Höhe ergänzen muß, besitzt einen dem Innendurchmesser
des oberen zylindrischen Teiles entsprechenden Außendurchmesser und reicht in diesen
letzteren ein kurzes Stück in der Nähe der Wasserlinie D' hinein, um eine gute Befestigung
und eine vollkommene Ab-I dichtung zu gewährleisten. Hieraus ergibt sich folgendes:
a) Da der obere Teil 13" niemals unter den Wasserspiegel D' reicht, herrscht unterhalb
seines Randes - für jede Stellung des beweglichen Regelorgans - stets der gleiche,
durch den pneumatischen Druck der Luft in dem Raume F hervorgerufene Druck; b) der
untere mit dem oberen fest verbundene Teil 13b befindet sich stets unter dem Wasserstandsniveau
D,- sogar wenn der Wasserspiegel im Rehälter 3 seinen höchsten Stand C erreicht,
und ist daher immer dem gleichen hydrostatischen Druck ausgesetzt.
-
Daher wirken auf den aus den beiden Teilen bestehenden Zylinder 13
in jeder Höhenstellung zwei Drücke, und zwar ein pneumatischer auf den Rand
32, der konstant ist, und ein hydrostatischer, dessen Werte gleich der Differenz
zwischen dem hydrostatischen Druck auf die Ränder 33 und 34 sind. Auch diese Differenz
ist konstant, obwohl die Drücke auf die Ränder 33 und 3,4 verschieden sind. Die
Resultierende, d. h. die Summe dieser beiden Kräfte, ist daher für jede Höhenstellung
absolut konstant.
-
Dieses Prinzip gilt ganz allgemein, und da die Wandstärke der Zylinder
hierbei keine Rolle spielt, ist es möglich, nach diesem System auch Regler mit dickwandigen
Zylindern (z. B. Eisenbetonzylindern) herzustellen, ohne befürchten zu müssen, daß
dadurch das Arbeiten und die Schwimmfähigkeit des beweglichen Regelorgans beeinträchtigt
wird.
-
Diese Schwimmfähigkeit erfordert, daß für jede Wasserstandshöhe in
dem Zulaufbehälter 3 das Eigengewicht des beweglichen Regelorgans (welches konstant
ist) der Summe aller pneumatischen und hydrostatischen, auf das bewegliche Regelorgan
wirkenden Teildrücke entspricht.
-
Da der Ausgleichsbehälter den pneumatischen Druck der eingeschlossenen
Luft konstant -hält, ist der Druck dieser Luft unter dem Ring 15 der Zylinder 13,
1q. konstant: Es tritt kein anderer pneumatischer Druck auf. Die hydrostatischen
Drücke treten auf: a) Unter dem Rand 31 des Zylinders 1q.; eis wurde bereits gezeigt,
daß dieser Druck konstant bleibt; b) an dem ganzen unteren Teil des Zylinders 13,
wobei der Druck - wie oben beschrieben - immer gleich ist, da dieser Teil sich in
jeder Höhenstellung des beweglichen Steuerorgans unter Wasser befindet; c) an dem
Schwimmer (Auftrieb) ; d) an der horizontalen Projektion des Ringes 15 durch die
über diesen Ring hinwegströmende Wassersäule mit der Höhe h: Dies ist neben dem
Gewicht die einzige abwärts gerichtete Kraft. Alle ; anderen Kräfte wirken aufwärts.
-
Da also sowohl die pneumatischen als auch die hydrostatischen Drücke
a) und b) konstant sind, muß die algebraische Summe des Druckes c) auf den Schwimmer
und des Druckes d) auf den Ring j 15 oder die Differenz ihrer absoluten Werte konstant
bleiben. Nun ist aber die Grundfläche des horizontalen OOuerschnitts des Schwimmers
immer weitaus größer als diejenige des Ringes 15: Wenn die Vorrichtung auf eine
bestimmte Höhe h für den ausfließenden Wasserstrom eingestellt ist, wirkt sich jede
Wasserstandshöhenveränderung in dem Zulaufbehälter nur so aus, daß das bewegliche
Steuerorgan in seine vorherige Stellung zurückgebracht wird (d. h. die Höhe des
ausfließenden Wassers wird wieder auf den Wert h zurückgeführt). Das bewegliche
Steuerorgan wird nur mit dem Wert h des ausfließenden Wasserstromes eingestellt,
und diese Einstellung ist um so schneller, je größer der Grundrißquerschnitt des
Schwimmers ist.
-
Da der ausfließende Wasserstrom -a automatisch konstant gehalten wird,
ist die Fördermenge für jede Höhe des Wasserspiegels innerhalb des Regelbehälters
3 konstant, was durch die vorliegende Erfindung erreicht werden sollte.
-
Es ist nicht notwendig, daß der Zylinder 13 mit dem Überlaufrand korrespondiert:
Dieser Rand kann auch nach außen umgebogen sein und mit dem Zylinder 1q. korrespon-dieren,
wodurch sich eine nach oben gerichtete Stellung des letzteren ergibt. In diesem
Fall erhebt sich der Überlaufrand 36 (Abb. 7 und ä) in entsprechender Höhe oberhalb
des Ringes 37, so daß der untere Teil der ausströmenden Flüssigkeit abströmt, ohne
mit dem nicht abgeschrägten Ring in Berührung zu kommen. Der obenerwähnte Druck
d) auf den Ring tritt dann nicht auf, und da der unter diesen Umständen (von dem
Gewicht abgesehen) allein auftretende Auftrieb des Schwimmers konstant ist, kann
sich seine Eintauchtiefe nicht ändern. Das Ergebnis ist das gleiche: Sowohl der
Strom h als auch die Ausflußmenge sind konstant.
-
Das über den Überlaufrand- tretende Wasser führt eine bestimmte Luftmenge
mit sich, und sobald die Flüssigkeit in den Verteilungsbehälter 4. eintritt, entsteht
eineAnzahl vonLuftblasen, welche aufsteigen und in den Hohlraum der Luftsperre (Räume
F und G) eindringen. Um zu verhindern, daß der Luftdruck in der Luftsperre, in dem
Rohr 1a und in dem kuppelförmigen Raum des Ausgleichsbehälters,9 durch die aufsteigenden
Luftbläschen erhöht wird, sind in dem Zylinder 14 auf der Höhe und unmittelbar unterhalb
der Wasserstandshöhe A' kleine Öffnungen 35 (Abb. 7 und 8) angebracht. Diese Öffnungen
wirken als »pneumatischer Auslaß«; denn durch sie entweicht die überschüssige Luft
in Form von Bläschen, so daß für jede Wasserstandshöhe die Niveauunterschiede A-A'
oder B-B' (die einander gleich sind) ein Maß für den Druck der eingeschlossenen
Luft darstellen (vgl. Abb. 5 und 6).
-
Dank der ständigen Zufuhr von Luftblasen kann auf die Luftzufuhr durch
das Ventil i i bei. Beginn des Arbeitsvorganges verzichtet werden, wenn man die
zwar langsame, aber sichere Ansammlung der Luft mit dem nötigen Druck abwarten kann,
was
im allgemeinen einige Stunden in Anspruch nimmt. Die Bildung
der erforderlichen Luftmenge ist erst dann abgeschlossen, wenn auf der freien Oberfläche
des Wassers in dem Regelbehälter die aus dem »pneumatischen Auslaß « entweichenden
Luftblasen aufsteigen.
-
Dieser »pneumatische Auslaß« verhütet auch durch Temperaturschwankungen
hervorgerufenes fehlerhaftes Arbeiten dieser Vorrichtung. Wenn sich bei einem bestimmten
Wasserstand B (Abb. 6) die eingeschlossene Luft erwärmt, entweicht ein Teil dieser
Luft durch die Austrittsöffnungen, aber die in der Luftsperre verbleibende Luft
hat stets den richtigen Druck, der dem Niveauunterschied B-B' entspricht. Wenn die
Temperatur plötzlich sinkt, tritt zwar anfänglich eine Volumen- und Druckverminderung
ein; durch die ständig von unten aufsteigenden Luftblasen wird jedoch der »richtige«
Luftdruck wiederhergestellt.
-
Die an Hand einer bevorzugten Ausführungsform beschriebene Vorrichtung
kann ganz oder teilweise aus Metall, Kunststoff, Glas, Eisenbeton od. dgl. bestehen,
und sie kann - ohne von dem Prinzip der vorliegenden Erfindung abzuweichen - beliebig
abgewandelt werden.