Wie man eine hydraulische Rampumpe baut

Siehe:

Howtopedia → How to Make a Hydraulic Ram Pump
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Kurzbeschreibung

• Definition: Eine hydraulische Widderpumpe ist eine wasserbetriebene zyklische Pumpe
• Idee: Wasser zu einem höheren Punkt pumpen als dem Ausgangspunkt
• Informationstyp: Grundlagen
• Preisrahmen: Ca. 1500 £ für kleine 2-Zoll-Antriebsrohr-Größen bis 5000 £ für 4- oder 6-Zoll-Größen

Einführung

Das Konzept der hydraulischen Widderpumpe (Hydram) wurde 1796 von den Brüdern Montgolfier in Frankreich entwickelt (bekannter sind sie für ihre Pionierarbeit mit Heißluftballons).

Im Wesentlichen ist eine Widderpumpe eine automatische Pumpvorrichtung, die ein kleines Gefälle nutzt, um einen Bruchteil des Zuflusses auf eine viel größere Höhe zu heben. Sie verwendet also einen großen Wasserdurchfluss mit kleinem Gefälle, um einen kleinen Durchfluss mit großem Gefälle zu fördern. Der Hauptvorteil: Nur zwei bewegliche Teile (zwei Ventile), daher mechanisch extrem einfach, sehr zuverlässig, minimaler Wartungsaufwand und lange Lebensdauer.

Funktionsweise einer Widderpumpe

Der Betrieb basiert auf dem Phänomen des Wasserhammers (water hammer); unter günstigen Bedingungen kann der Wirkungsgrad über 50 % betragen – mehr als die Hälfte der Energie des Antriebsflusses wird auf den Förderfluss übertragen.

Abbildung 1 zeigt das Prinzip: Zunächst ist das Impulsventil (auch Abfallventil oder Waste Valve, da hier das nicht gepumpte Wasser austritt) durch Schwerkraft offen (oder in manchen Designs durch eine leichte Feder). Wasser fließt daher aus der Quelle durch ein Sieb den Antriebsstrang (drive pipe) hinunter. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit steigt der hydraulische Druck unter dem Impulsventil und der statische Druck im Pumpenkörper, bis die Kräfte das Gewicht des Ventils überwinden und es zu schließen beginnen. Sobald die Öffnung kleiner wird, baut sich der Druck im Pumpenkörper rapide auf und schlägt das Impulsventil zu. Die bewegte Wassersäule im Antriebsrohr kann nicht mehr abfließen, ihre Geschwindigkeit muss abrupt sinken – das verursacht einen starken Druckanstieg, der das Förderventil zum Luftkammer öffnet.

Sobald der Druck den statischen Förderdruck übersteigt, wird Wasser das Förderrohr hochgedrückt. Die Luft in der Luftkammer wird gleichzeitig über den Förderdruck hinaus komprimiert. Schließlich kommt die Wassersäule im Antriebsrohr zum Stillstand, der statische Druck im Gehäuse fällt fast auf den Versorgungsdruck zurück. Das Förderventil schließt, wenn der Druck in der Luftkammer höher ist als im Gehäuse. Wasser wird weiter gefördert, bis die komprimierte Luft in der Luftkammer expandiert ist.

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Abbildung 1: Die hydraulische Widderpumpe

Die Luftkammer ist entscheidend: Sie verbessert den Wirkungsgrad, indem sie die Förderung nach Schließen des Förderventils fortsetzt, und dämpft die Stöße, die sonst durch die Inkompressibilität von Wasser entstünden. Füllt sich die Luftkammer komplett mit Wasser, sinkt nicht nur die Leistung, sondern Pumpenkörper, Antriebsrohr oder Luftkammer können durch Wasserhammer reißen. Da Wasser Luft (besonders unter Druck) löst, wird die Luft in der Kammer allmählich mit dem Förderfluss weggetragen. Verschiedene Designs lösen das unterschiedlich: Einfachste Methode – Pumpe gelegentlich stoppen und Luftkammer über zwei Hähne entleeren (einer für Luftzufuhr, einer für Wasserablass). Fortschrittlichere Modelle haben ein Snifting-Ventil, das automatisch Luft in die Luftkammerbasis saugt, wenn der Druck kurz unter Atmosphärendruck fällt. Wichtig: Regelmäßig prüfen, ob das Snifting-Ventil sauber und funktionsfähig ist.

Abbildung 2: Das Widderpumpen-System

Der Zyklus wird durch die Eigenschaften des Abfallventils gesteuert. Es kann beschwert oder mit einstellbarer Feder vorgespannt sein; meist gibt es eine einstellbare Schraubenanschlag, um die maximale Öffnung zu variieren. Der Wirkungsgrad (wie viel Wasser aus dem Antriebsfluss gefördert wird) hängt stark von der Ventileinstellung ab: Bleibt das Ventil zu lange offen → geringerer gepumpter Anteil → niedriger Wirkungsgrad. Schließt es zu schnell → Druck baut sich nicht lange genug auf → wieder weniger Förderung. Oft gibt es einen einstellbaren Bolzen, der die Öffnung begrenzt, um die Pumpe optimal einzustellen. Ein erfahrener Installateur kann das Ventil vor Ort justieren. Die Fördermenge ist daher konstant und nicht regelbar. Üblich: Speichertank oben am Förderrohr, um Wasser bedarfsweise zu entnehmen.

Installationsanforderungen

Abbildung 2 zeigt eine typische Installation: Pumpe fördert Wasser zu einem kleinen Speichertank auf einem Plateau. Das Gefälle entsteht hier durch ein Wehr; manchmal wird ein kleiner Bach umgeleitet.

Bei höherem Bedarf: Mehrere Widderpumpen parallel installieren – flexibel ein-/ausschalten je nach Zufluss oder Bedarf. Antriebsrohr-Größe und -Länge müssen zum Arbeitsgefälle passen. Das Rohr muss starke innere Stoßbelastungen (Wasserhammer) aushalten → hochwertiges Stahl-Wasserrohr empfohlen. Länge normalerweise 3–7 × Gefälle; ideal mindestens 100 × Rohrdurchmesser. Rohr möglichst gerade – Biegungen verursachen Effizienzverluste und seitliche Schwingkräfte, die es lockern oder brechen können.

Der Pumpenkörper muss fest auf Betonfundament verschraubt werden (Schlagbelastung). Abfallventil immer über Hochwasserstand – bei Untertauchen stoppt die Pumpe. Förderrohr: Jedes druckfeste Material; bei normalen Höhen Plastikrohr möglich, bei sehr hohen Köpfen unten evtl. Stahl. Durchmesser so wählen, dass Reibungsverluste gering bleiben (je nach Flussrate und Entfernung). Empfohlen: Handventil oder Rückschlagventil nahe am Pumpenauslass – erleichtert Wartung (kein Entleeren nötig) und verhindert Rückfluss → höherer Wirkungsgrad.

Auswahl des Widderpumpen-Designs

Traditionelle Designs (wie Abbildung 3), vor über 100 Jahren in Europa entwickelt, sind extrem robust: Schwere Gusskonstruktionen, halten oft 50+ Jahre. Noch in Europa/USA in Kleinstückzahlen produziert – teuer, aber Rohre, Zivilbau und Installation kosten meist mehr als die Pumpe selbst.

Leichtere Designs aus geschweißtem Stahlblech: Zuerst in Japan, jetzt in Südostasien (Taiwan, Thailand) produziert. Günstiger, halten ca. 10 Jahre (durch Korrosion), aber gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und zuverlässig.

Abbildung 3: Traditionelles Widderpumpen-Design

Widderpumpen eignen sich hauptsächlich für Trinkwasserversorgung in hügeligem/g ebirgigem Gelände: Kleine Fördermengen auf große Höhen. Für Bewässerung (höhere Mengen) meist größere Modelle mit 4- oder 6-Zoll-Antriebsrohren nötig. Hersteller geben Größe in Zoll an (auch in metrischen Ländern): z. B. 6 × 3 = 6-Zoll-Antriebsrohr + 3-Zoll-Förderrohr.

Einfache Improvisations-Designs aus Rohrverschraubungen (von Hilfsorganisationen entwickelt, Abbildung 4) oder aus Schrott (z. B. in Süd-Laos aus geborgenen Brückenmaterialien + alte Propanflaschen als Luftkammer): Sehr günstig, Rohre kosten oft mehr als die Pumpe. Nicht so zuverlässig wie traditionelle Modelle, aber Ausfälle selten (Monate statt Tage), leicht reparierbar.

Abbildung 4: Widderpumpe aus Standard-Rohrverschraubungen

Leistungsmerkmale

Tabelle 1 zeigt geschätzte Leistungen für typische kommerzielle Modelle (4" × 2" und 6" × 3").

Widderpumpen-Größe in Zoll	4" × 2"				6" × 3"
Gefälle-Verhältnis	5	10	15	20	5	10	15	20
Antriebsfluss (Liter/Sek.)	8,96	9,7	10	9,02	20,2	17,2	17,1	19,3
Fördermenge (m³/Tag)	94	51	35	23	216	101	69	50

Tabelle 1: Geschätzte Leistung von Widderpumpen

Kosten

Kommerzielle Widderpumpen kosten ca. 1500 £ (kleine 2-Zoll-Antriebsrohre) bis 5000 £ (4- oder 6-Zoll). Antriebsrohr bei großen Größen ebenfalls teuer. Ideal für niedrige Flussraten und hohe Förderhöhen.

Keine Treibstoffkosten, Wartungskosten vernachlässigbar.

Weitere Informationen

Referenzen

• Jeffery, T D, Thomas T H, Smith A V, Glover, P B, Fountain P D: Hydraulic Ram Pumps: A guide to ram pump water supply systems – IT Publications, 1992 • Iversen H W: 'An Analysis of the Hydraulic Ram' – Journal of Fluids Engineering, Transactions of the American Society of Mechanical Engineers – Juni 1975. • Kindel E W: 'A Hydraulic Ram for Village Use' – Volunteers in Technical Assistance, Arlington, VA, USA – 1970 und 1975. • Hofkes und Visscher: Renewable Energy Sources for Rural Water Supply in Developing Countries – International Reference Centre for Community Water Supply and Sanitation, Den Haag, Niederlande – 1986. • Watt S B: A Manual on the Hydraulic Ram for Pumping Water – ITDG Publishing, 1975.

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Website: http://www.wot.utwente.nl
WOT ist eine Non-Profit-Organisation für kleine nachhaltige Energietechniken an der Universität Twente.

Literatur und weiterführende Quellen

Dieser Howtopedia-Artikel basiert auf dem Practical Action Technical Brief „Water“.

Zum Originaldokument: http://www.practicalaction.org/?id=technical_briefs_water
http://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_ram

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