Der Hydraulischer Widder

Ein hydraulischer Widder, Stoßheber, Staudruck-Wasserheber oder Wasserwidder ist eine wassergetriebene, intermittierend arbeitende Pumpe. Der Widder nutzt den Druckstoß oder Staudruck-Effekt, um einen Teil des Wassers, mit dem die Pumpe angetrieben wird, auf ein höheres Niveau zu heben. Er eignet sich besonders für Pumpaufgaben in der Nähe von Fließgewässern mit zum Betrieb ausreichendem Gefälle.


Hydraulischer Widder mit Windkessel, aus Gusseisen

Einsatzbereiche

Für Landwirtschaft, Berghütten und Ferienhäuser, die in der Nähe von fließenden Gewässern liegen, werden zur Wasserversorgung gerne Widder benutzt. Meist handelt es sich um Anwesen in abgelegenen Gegenden, die weder an die öffentliche Wasserversorgung noch an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind oder aus anderen Gründen nur zeitweilig genutzt werden.

Neue hydraulische Widder werden besonders in der Entwicklungshilfe eingesetzt. So gibt es zum Beispiel eine Anwendung hydraulischer Widder im südöstlichen China für die kleinbäuerliche Landwirtschaft als Alternative zu Dieselpumpen.[1]

Geschichte

Video: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/transcoded/1/1e/Ram_Pump_%28Vogn_2011%29_ubt.ogv/Ram_Pump_%28Vogn_2011%29_ubt.ogv.480p.webm

Der hydraulische Widder ist die Automatisierung der 1772 von John Whitehurst erfundenen Pulsation Engine, bei der die durch das Schließen eines Wasserhahns hervorgerufene Wasserschlossschwingung eine Wassersäule über die Höhe des Zuflusses hebt. Durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Hahns wurden größere Wassermengen gehoben. 1796 ersetzte der Franzose Joseph Michel Montgolfier den Wasserhahn der Pulsation Engine durch ein sich selbsttätig wieder verschließendes Ventil. Von Montgolfier soll auch der Name stammen, denn er hat in seiner Patentschrift geschrieben, beim Schließen des Ventils entstehe eine Kraft „wie der Stoß eines Widders“.[2]

Der hydraulische Widder wird zum ersten Mal in der Aufzeichnung der Académie des sciences vom 14. Juli 1797 erwähnt. Der „Bürger“ Montgolfier hatte einen Vortrag gehalten mit dem Titel Sur un moyen très simple d’élever l’eau des fleuves („Über ein sehr einfaches Mittel, das Wasser von Flüssen zu heben“). Das französische Patent für die Erfindung wurde bereits im November 1797 erteilt. Für England ist die Patenterteilung (Nummer 2207) am 13. Dezember 1797 an den Dampfmaschinenpionier Matthew Boulton nachgewiesen, der die Anmeldung in seinem Namen für Montgolfier vornahm.

Der erste hydraulische Widder in Deutschland wurde von dem Technikwissenschaftler Joseph von Baader (1763–1835) zu Beginn des 19. Jahrhunderts zur Wasserversorgung auf dem Landsitz des Grafen Montgelas in Bogenhausen bei München installiert.

Das erste amerikanische Patent wurde 1809 an J. Cerneau und S. S. Hallet erteilt. In den USA nahm das Interesse an hydraulischen Widdern ab etwa 1840 stark zu, als weitere Patente erteilt wurden und einheimische Unternehmen die Produktion aufnahmen.

Einer der ersten Hersteller in der Schweiz war Johann Georg Schlumpf, der 1885 den ersten hydraulischen Widder verkaufte. 1923 entwickelte er die „Selbstbelüftung“. Diese erledigte automatisch die regelmäßige Auffüllung des Luftpolsters, wodurch ein jahrzehntelanger wartungsfreier Betrieb möglich wurde.

Erst nach Mitte des 20. Jahrhunderts ging das Interesse wieder zurück, als die Anwendung der Elektrizität und elektrische Pumpen sich ausbreiteten.

Seit den 1990er Jahren entwickelte die Schweizer Firma Schlumpf Innovations den selbstbelüfteten hydraulischen Widder von Johann Georg Schlumpf weiter. Es können inzwischen Förderhöhen bis 500 m und Förderleistungen bis 15.000 Litern pro Tag erreicht werden. Dies gelingt durch Verbesserung von Ventiltechnik und Taktung sowie Aufwicklung der Triebleitung mit anschließender Einbetonierung in einen kompakten Betonklotz, um die hohen stoßartigen Druckbelastungen abzufangen.[3]

Aufbau und Prinzip

Ein hydraulischer Widder besteht aus folgenden Elementen:

Einer ausreichend ergiebige Wasserfassung als Vorratsbehälter (auf geringer Höhe),
der Triebwasserleitung,
dem hochdruckbeständigen und steifen Wasserschwungrohr mit endständigem Ventilsatz, bestehend aus
dem Stoßventil, das bei Erreichen eines bestimmten Durchflusses diesen abrupt stoppt und
dem Druckventil, das kurz wenig Wasser mit hohem Druck entweichen lässt in
den „Windkessel“ als puffernden Druckbehälter, und
der daran angeschlossenen Steigleitung (bis in größere Höhe).

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 kostengünstig erfolgen, die Wartung ist einfach und das Aggregat ist extrem zuverlässig.

Aus einem Vorratsbehälter, der von einer Quelle oder einem Bach gespeist wird, strömt Wasser durch eine nicht zu kurze Triebleitung und tritt großteils an deren Ende durch das Stoßventil (am Widder) in das Fließgewässer aus. Das Stoßventil wird zunächst durch eine Feder oder sein Eigengewicht offen gehalten, bis die Geschwindigkeit der durch die Schwerkraft beschleunigten austretenden Wassermasse ausreichend groß ist, um das Stoßventil mitzureißen – es schließt schlagartig. Der in der Triebleitung bis zu diesem Zeitpunkt strömenden Wassermasse wird also abrupt der Ausfluss versperrt. Die Wassermasse reagiert aufgrund ihrer Massenträgheit mit einem gewaltigen Druckanstieg, der sich berechnen lässt (siehe hier):

\Delta p= \rho \cdot \Delta v \cdot \frac{2 L}{T_s}
wobei:
\rho = Dichte von Wasser [kg/m³];
\Delta v = Geschwindigkeitsänderung des Wassers [m/s];
T_s = Schließzeit der Armatur [s];
\ L = die Länge der Rohrleitung [m].

Fließt beispielsweise Wasser mit 3 m/s durch ein 5 m langes Rohr, das innerhalb von 5 ms abgesperrt wird, steigt der Druck kurzzeitig auf 60 bar. Dieser Druckstoß bewirkt zwei Vorgänge:

Das Druckventil zum Windkessel öffnet sich, Wasser strömt von unten in den Windkessel und komprimiert das Luftpolster im oberen Bereich.
Dieser Druckstoß läuft als Stoßwelle mit etwa 1000 m/s (kleiner als die Schallgeschwindigkeit in Wasser, siehe hier) auch rückwärts durch die Treibleitung und bewirkt ein sehr kurzzeitiges „Pendeln“ der Wassersäule. Diese Vor- und Rückwärtsbewegungen können in jeder Gas-, Flüssigkeits- oder Festkörpersäule auftreten. Man kann sie auch bei einem Hammer beobachten, der auf dem Amboss abprallt. Als Folge entsteht am Stoßventil einige Male kurzzeitiger Unterdruck (in der nebenstehenden Zeichnung blau gekennzeichnet), der – wichtig für den Dauereinsatz des Widders – durch ein Schnüffelventil bzw. eine kleine Bohrung Außenluft nachzieht. Die Bläschen steigen nach oben, wodurch bei jedem Druckstoß der Luftvorrat im Windkessel nachgefüllt wird.


Dieser maximal auftretende Druckstoß tritt jedoch nur auf, wenn die Schließzeit des Absperrorgans kürzer ist als die Zeit, die er benötigt, um zum Einlauf der Triebwasserleitung und wieder zum Verschluss zurück (2·L) zu gelangen – die sogenannte Reflexionszeit tR der Druckwelle.

T=\dfrac{2 \cdot L}{a} \ \ \mathrm{ \lbrack s \rbrack}
wobei:
a = Geschwindigkeit der Stoßwelle im Wasser [m/s] ist;

Mit den oben gewählten Beispielswerten ergibt sich T = 10 ms. Diese sehr kurze Zeit kann nur mit Messinstrumenten registriert werden, die beiden Ventile können wegen ihrer trägen Masse nicht schnell genug reagieren.

Das Triebwasser strömt nun solange in den Windkessel ein, bis dessen Gegendruck das Druckventil wieder schließt. Dadurch wird der Triebwasserteil im Windkessel bei gestiegenem Innendruck zurückgehalten. Die Rohrreibung sorgt dafür, dass die Pendelbewegung der Wassersäule schnell abklingt. Das Stoßventil öffnet sich und der Vorgang beginnt von Neuem.

Ein vertrauter Beobachter sieht im Widdersystem also eine schwingende Wassersäule mit einem wassergefüllten, langen und abschüssigen Rohr auf der einen Seite und einem teilgefüllten, voluminösen Druckbehälter mit Luftpolster auf der anderen Seite. Dieses System wandelt also selbsttätig (unter Verbrauch von Triebwasser) eine strömende Wassermenge in eine unter (Hoch)druck stehende Wassermenge um.

Diese im Windkessel unter (Hoch)druck stehende Wassermenge wird über eine Steigleitung angezapft und dem höhergelegenen Verbrauchsort zugeführt. Es lassen sich dadurch Wasserdrücke bis 50 bar erzeugen, die Förderhöhen bis 500 m entsprechen. Typische Gefällehöhen der Triebwasserleitung liegen zwischen 30 cm und 5 m. Experimente haben gezeigt, dass das Verhältnis Fallhöhe:Treibleitungslänge zwischen 1:3 und 1:12 liegen sollte. Diese Längen ergeben typischerweise eine Zykluszeit von 1 bis 2 Sekunden.

Mit Hilfe einer Reihenschaltung mehrerer Widder können auch große Förderhöhen erreicht werden. Jedoch sinkt mit jeder Stufe die Menge des geförderten Wassers, weil nur etwa 10 % des durchfließenden Wassers weitergepumpt werden.

Unter Verwendung sogenannter „Wildwasserwidder“ lassen sich auch unterschiedliche Wässer für den Widderantrieb und die Wasserförderung verwenden. So kann zum Beispiel der Widder mit Oberflächenwasser betrieben werden, während das zu fördernde Trinkwasser aus einem Brunnen vom Triebwasser durch eine elastische Membran getrennt ist. Die Druckstöße des Triebwassers treiben also eine Art aufgesetzte Membranpumpe an.

Eine gewisse Vergleichbarkeit gibt es zur Lambachpumpe, bei der allerdings nicht die kinetische Energie des Wassers, sondern die potentielle Energie (Wasserdruck) die Förderung des Wassers bewirkt. Hier gibt es auch die Möglichkeit, das Wasser zum Antrieb vom geförderten Wasser zu trennen, so dass zum Beispiel auch qualitativ minderwertiges Wasser als Triebwasser verwendet werden kann.
Vergleich mit elektrischer Schaltung

Der hydraulische Widder hat auch ein elektrisches Analogon, das deutlich häufiger eingesetzt wird: den Aufwärtswandler, der aus einer geringen Gleichspannung impulsweise erheblich höhere Spannungsspitzen erzeugen kann. Dabei entsprechen:

Induktivität L = träge Masse des Wassers in der Triebwasserleitung
elektrischer Strom in der Induktivität = Strom des Wassers in der Triebwasserleitung
Schalter S = Stoßventil (invers)
Gleichrichter D = Druckventil
Kondensator C = oberes Reservoir
Spannung UE und UA = Höhenniveaus der Wasserspiegel

Der Windkessel dient der Effizienzsteigerung und könnte als Schutzbeschaltung des Schalters S aufgefasst werden, wenn ein großer Höhenunterschied (lange Wassersäule im Steigrohr = hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeit am Schalter bei hoher Ausgangsspannung) zu überwinden ist.

Ein elektronisches Äquivalent zum Widder ist auch der Kippschwinger.
Typische Betriebsprobleme

Typische Betriebsprobleme sind Luft in der Treibleitung, Blockierung der Wasserzufuhr oder der Ventile und Einfrieren im Winter.

Zu wenig Luft im Windkessel kann durch ein kleines Luftventil (1–2 mm Bohrung) oder ein Schnüffelventil knapp vor dem Rückschlagventil (Druckventil) vermieden werden. Dabei wird bei jedem Hub ein wenig Luft angesaugt und in den Kessel gedrückt.
Hydraulische Widder in Mitteleuropa (Auswahl)
Deutschland
Baden-Württemberg

In Neukirch-Wildpoltsweiler. Dort werden im Sommer die Tiere eines in der Nähe gelegenen Wildparks versorgt. Die Leitungslänge beträgt ca. 700 m, der Höhenunterschied ca. 50 m.
Bei Klingelrain (Einzelgehöft in der Gemeinde Eberhardzell im Landkreis Biberach); funktionsfähig.
Im Energiemuseum in Hottingen gibt es einen Widder, der ein Wasserrad antreibt und mit zwei Metern Gefälle der Murg (Südschwarzwald) das Wasser sieben Meter hoch pumpt.[4]
Für die Wasserversorgung der Burg Hohenzollern bei Hechingen werden aufgrund der exponierten Lage auch hydraulische Widder eingesetzt. Über eine ca. 700 m lange Steigleitung wird das Wasser ca. 220 m hochgepumpt.
Am Besucherbergwerk in Neubulach im Nordschwarzwald.
In Bad Herrenalb zur Versorgung der Hahnenfalzhütte.

Bayern


Drei funktionsfähige Widder in Oberstdorf (einer neben der Kirche, einer im angrenzenden Oytal, auf halbem Weg von Oberstdorf zum Oytal-Haus und einer auf der Rappenseehütte).
In Scheidegg (West-Allgäu) auf dem Spielplatz bei den Scheidegger Wasserfällen sind neben einem hydraulischen Widder auch andere Wasser-Fördersysteme mit Schautafeln aufgebaut.
Anschauungsobjekt am Isarradweg bei Usterling im Landkreis Dingolfing/Landau.
Im Pfaffenhofener Ortsteil Tegernbach wurde über Jahrzehnte das hochgelegene Kurz-Anwesen ohne Fremdenergie ausschließlich mittels eines Widders mit Wasser versorgt. Noch heute ist er funktionsfähig und trägt zur Versorgung des Viehs bei.
In Pelkering, einem Weiler bei Triftern (Niederbayern), funktionsfähig und im Einsatz zur Versorgung von Ställen und Gärten einiger Landwirte.
Tauchersreuth in Lauf an der Pegnitz: Rekonstruktion einer ursprünglich aus dem Jahr 1907 stammenden Anlage.
Im Fränkischen Freilandmuseum Bad Windsheim befindet sich ein in den frostfreien Monaten betriebener Widder mit einer Förderleistung von ca. einem Liter pro Minute zur Demonstration der Technik.
Auf dem Großen Waldstein im Fichtelgebirge.
Zwischen Oberrohrenstadt und Deinschwang südlich von Nürnberg.
In der Gemeinde Amerang läuft ein Widder in einem Häuschen auf einer Wiese.
Bei Veilbronn in der Fränkischen Schweiz gibt es einen funktionsfähigen Widder.
Ebenso an der Burggaillenreuther Quelle im Wiesenttal neben dem Leo-Jobst-Wanderweg.
In Bechtelsreuth bei Mainleus versorgt ein hydraulischer Widder seit 1907 zwei Anwesen mit Brauchwasser.
In Alzgern (Stadt Neuötting) steht ein öffentlich sichtbarer Widder am Bach hinter dem Friedhof. Er fördert Wasser auf ein Verteilerkunstwerk mit den 5 platonischen Körpern. Von diesem aus läuft das Wasser zum Dorfbrunnen und zu den Wassertrögen am Friedhof. Die Anlage wird über den Winter stillgelegt.

Hessen

In Hinterbach, Odenwald (funktionsfähig).
In Vielbrunn, Odenwald, auf dem Wanderweg zur Geiersmühle, im Jugendstil erbaut und funktionstüchtig.

Niedersachsen

In Gödenstorf im Landkreis Harburg, unterhalten vom Freilichtmuseum am Kiekeberg.[5]

Rheinland-Pfalz

In Ernzen speist ein Widder den Springbrunnen im Ernzer Felsenweiher.

Sachsen

In Stollberg/Erzgeb. fördert ein Widder im Rosental (ehemaliges Trinkwassereinzugsgebiet mit über 30 Sammelschächten) in einen Molchteich.
Im Görlitzer Ortsteil Tauchritz. Am Rand des Tagebau-Restlochs Berzdorfer See steht das Wasserschloss Tauchritz auf Eichenpfählen in einem Schlossteich. Im Zusammenhang mit dem Bau eines Flutungsgrabens für den Tagebau wurde im Jahre 2003 eine Anlage mit vier Widdern installiert, um den Wasserstand im Teich zu halten. Mit einer Treibwassermenge von 25 l/s werden 4 l/s (ca. 15 m³/h) um 13 m gefördert. Das überschüssige Treibwasser wird dem Flutungsgraben wieder zugeführt.
Stadtpark von Strehla.[6]
In Kamenz steht ein seit 2005 wieder voll funktionsfähiger Hydraulischer Widder, der von 1905 als Mitteldruckheureka-Widderanlage Nr. 6 der Firma Merkel jun. aus Dresden errichtet wurde und bis 1929 Trinkwasser in einen Hochbehälter befördert hat.[7]
In Zschetzsch bei Colditz fördert der Zschetzscher Widder 4 Liter Wasser pro Minute in eine 15 Meter höher gelegene Viehtränke. Früher wurde die Anlage zur Trinkwasserversorgung des Ortes benutzt.[8]

Schleswig-Holstein

Im Freilichtmuseum Molfsee bei Kiel befindet sich ein Widder von 1800 direkt neben der historischen Wassermühle (zur Zeit beides nicht in Betrieb).
In Reesdorf (Holstein) im Kreis Rendsburg-Eckernförde befindet sich ein Widder, der Quellwasser im Eidertal 12 Meter hebt und seit 1936 in Betrieb ist.

Thüringen

Schauanlage im Wasserkraftmuseum Ziegenrück, wird bei Führungen in Betrieb gesetzt.

Weitere Länder
Burundi

Im hügeligen Bergland von Burundi, Ostafrika, in der Gemeinde Bisoro_(Burundi) wurde mit Unterstützung aus Deutschland 2014 begonnen, eine Trinkwasserversorgung für die Bewohner mit Hilfe von wartungsfreien "hydraulischen Widdern" aufzubauen. [9]
Österreich

Großgmain im Salzburger Freilichtmuseum ist ein funktionsfähiger hydraulischer Widder älterer Bauart ausgestellt.
Radeckalm im Anlauftal bei Bad Gastein-Böckstein (Land Salzburg) versorgt die Almhütte mit Trinkwasser.
In Schwaz (Tirol) wird die Kellerjochhütte des Österreichischen Alpenvereins mit Wasser versorgt.
Am westlichen Abhang des Reinbergs in Thalheim bei Wels (OÖ) werkten bis um 1990 hörbar mehrere Widder, die Häuser ganz oben auf der Schotterterrasse versorgten.
In den WasserWelten Krimml beim Eingang der Krimmler Wasserfälle (Salzburg) arbeitet ein Widder im Außenbereich.[10]
In Leo's Wasserwelt am Sinne-Erlebnispark, erreichbar mit der 8er-Asitz-Kabinenbahn, ist ein Widder zur Anschauung funktionsfähig installiert. Die Talstation befindet sich im Ortsteil Hütten in Leogang.
In Hohenems für die Wasserversorgung der Alpe Bridler. Der Widder steht am Forstweg zwischen dem Gsohl Älpele und Fluhreck.

Schweiz

Unterhalb Berggasthaus Mesmer, Alpstein (Appenzell-Innerrhoden).
Im Hotel Faulhorn ob Grindelwald (Kanton Bern).
In Sennhütten, Kästhal (Aargau). Die Anlage ist seit 70 Jahren in Betrieb und speist ein altes Bauerngehöft. Pumphöhe 70 m.

Frankreich

In der französischen Gemeinde Montresor im Departement Indre-et-Loire steht im Park am Fluss Indrois in einem Pumpenhaus ein hydraulischer Widder, der früher für die Wasserversorgung des Schlosses verwendet wurde. Das Pumpenhaus kann besichtigt werden.

Italien

Auf der Seiser Alm in der Nähe der Bergstation der Seilbahn von St. Ulrich in Gröden wird eine im Privatbesitz befindliche, alleinstehende Berghütte per hydraulischem Widder mit Wasser versorgt.
Die Oberetteshütte in Matsch wird mittels hydraulischem Widder mit Wasser versorgt.

Polen

In Kainen, einem Ortsteil von Braunswalde in der Nähe von Allenstein, Ostpreußen.[11]

Slowenien

Am Zugang zur Almhütte „Brunarica pri Ingotu“, südlich von Gozd Martuljek bei Kranjska Gora, versorgt die Hütte.

Siehe auch

Artesischer Brunnen
Heronsbrunnen
Wasserkunst
Wasserstrahlpumpe


Quelle