Stoßheber

Hydraulischer Widder mit Windkessel (Joh. Schlumpf)

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

Geschichte

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. Der Hydraulische Widder wird zum ersten mal in der Aufzeichnung der Académie de Sciences vom 14. Juli 1797 erwähnt. Der "Bürger" Montgolfier hatte einen Vortrag mit dem Titel "Sur un moyen tres simple d`elever l`eau des fleuves" gehalten. 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 Geschäftsmann Matthew Boulton nachgewiesen, der die Anmeldung in seinem Namen für Montgolfier vornahm.

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

Aufbau und Prinzip

Rohrplan eines hydraulischen Widders

Hydraulischer Widder, Easton & Amos, 1851

Ein hydraulischer Widder besteht aus 4 Hauptkomponenten:

• einer Wasserfassung als Vorratsbehälter
• der Triebwasserleitung mit endständigem Stoß- und Druckventil
• dem sogenannten „Windkessel“ als Druckbehälter
• der daran angeschlossenen Steigleitung

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.

Durch eine nicht zu kurze Triebleitung strömt Wasser aus einem Vorratsbehälter, der von einer Quelle oder einem Bach gespeist wird, durch die Triebwasserleitung und tritt an deren Ende durch das Stoßventil (am Widder) aus. Das Stoßventil wird zunächst durch eine Feder oder durch Schwerkraft offen gehalten, bis die Geschwindigkeit der durch die Schwerkraft beschleunigten, austretenden Wassermasse ausreichend groß ist, um das Stoßventil mitzureißen – es schließt sich schlagartig. Der in der Triebleitung bis dato strömenden Wassermasse wurde also abrupt der Ausfluss versperrt. Die Wassermasse reagiert aufgrund ihrer Massenträgheit mit einem gewaltigen Druckanstieg, wodurch sich das Druckventil zum Windkessel öffnet. Sobald dies geschehen ist strömt das Wasser (von unten) in den Windkessel und komprimiert das Druckluftpolster im oberen Bereich. Das Triebwasser strömt nun solange in den Windkessel ein bis die noch vorhandene Bewegungsenergie vollständig in Druckerhöhung umgewandelt und die strömende Triebwassersäule zur Ruhe gekommen ist. Das durch die vormalige Wassereinströmung komprimierte Druckluftpolster im Windkessel federt nun die Triebwassersäule zurück. Dies führt zum Schließen des Druckventiles am Windkessel, und zur „Teilung“ der nun rückströmenden Triebwassersäule: Der Triebwasserteil im Windkessel wird zurückgehalten und damit auch dessen Innendruck erhalten; der andere Teil öffnet – da weiterhin im Rückströmen begriffen – durch Druckerniedrigung das Stoßventil. Die Rückströmung kommt schnell zum Erliegen, da einerseits die Verbindung zum Windkessel unterbrochen wurde und andererseits gegen die Schwerkraft der rückwärtig anstehenden Triebwassersäule gearbeitet werden muss. Nach erneuter Richtungsumkehr der Triebwassersäulenbewegung beginnt der Vorgang von Neuem. Damit das Luftpolster im Windkessel dauerhaft erhalten bleibt sorgt ein Schnüffelventil bzw. eine kleine Bohrung im Bereich des Druckventiles für das Miteinsaugen („schnüffeln“) von Außenluft in den Windkessel beim Einströmen der Wassersäule.

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. Zwischen beiden Seiten schwingt eine Wassersäule, die durch geschicktes Ventilspiel geteilt und nach Wiederaufbau von Bewegungsenergie im Rohrteil erneut vereint wird. 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 von bis zu 30 bar erzeugen, welche Förderhöhen von bis zu 300 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 hintereinander können auch große Förderhöhen erreicht werden. Hierbei sinkt allerdings mit jeder Stufe die Menge des geförderten Wassers, weil nur etwa 10 % des durchfließenden Wassers weitergepumpt werden.

Unter Verwendung sog. „Wildwasserwidder“ lassen sich auch unterschiedliche Wässer für den Widderantrieb und die Wasserförderung verwenden. Der Widder wird hierbei z.B. mit Oberflächenwasser betrieben; das zu pumpende Trinkwasser aus einem Brunnen jedoch ist vom Triebwasser durch eine elastische Membran getrennt. Die Druckstöße des Triebwassers treiben also eine Art aufgesetzte Membranpumpe an.

Der Hydraulische Widder hat auch ein elektrisches Analogon, welches deutlich häufiger eingesetzt wird: den Sperrwandler. Der Umkehrschluss wäre wünschenswert, da ja beide eine kostengünstige und effiziente Umwandlung einer Druckgrösse (elektrische Spannung bzw. Wasserdruck) erzielen.

Typische Betriebsprobleme

Typische Betriebs-Probleme sind Luft in der Treibleitung, Blockierung der Wasser-Zufuhr 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.

Anwendung

Für Landwirtschaft, Berghütten und Ferienhäuser, die in der Nähe von fließenden Gewässern mit ausreichendem Strom 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.

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.

In Hinterbach, Odenwald, kann eine funktionsfähige Widderanlage besichtigt werden. Auch die 1905 im Jugendstil erbaute Anlage in Vielbrunn, Odenwald, auf dem Wanderweg zur Geiersmühle, ist funktionstüchtig und an manchen Tagen in Betrieb.

Zwei weitere funktionsfähige Widderanlagen sind in Oberstdorf in Betrieb (eine neben der Kirche, die andere im angrenzenden Oytal, auf halbem Weg von Oberstdorf zum Oytal-Haus), eine weitere Anlage befindet sich in Kainen, einem Ortsteil von Braunswalde in der Nähe von Allenstein ^[1].

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.

Im Bahnhof Bad Schwalbach im Taunus gibt es ebenfalls einen hydraulischen Widder, der die Speisewasserzisterne für die Wasserkräne zum Befüllen der Dampfloks beschickt hat. Dieser Widder ist derzeit außer Betrieb, soll aber wieder reaktiviert werden.

Die Lambachpumpe im Freilichtmuseum Roscheider Hof

In Pelkering, einem Weiler bei Triftern (Niederbayern), findet sich ebenfalls noch eine funktionierende Widderanlage, die zur Versorgung von Ställen und Gärten einiger Landwirte dient.

In Tauchersreuth in Lauf an der Pegnitz befindet sich ebenfalls eine rekonstruierte, nach diesem Prinzip arbeitende Wasserversorgung, die ursprünglich aus dem Jahr 1907 stammt.

Eine weitere funktionstüchtige Schau-Anlage befindet sich im Schlosspark von Strehla in Sachsen.

Die derzeit (2008) nicht funktionsfähige Lambachpumpe, benannt nach ihrem Erbauer Wilhelm Lambach (1875–1944), aus Oberemmel befindet sich in einem rekonstruierten Pumpenhaus im Volkskunde- und Freilichtmuseum Roscheider Hof in Konz.^[2]

Im Dezember 2003 ging eine große Widder-Anlage im Görlitzer Ortsteil Tauchritz in Betrieb. Am Rande 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 eine Anlage, bestehend aus 4 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.

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.ostpreussen-info.de/reise/kainen.htm
2. ↑ http://www.roscheiderhof.de/top.php?links=frame_links.html&rechts=haeuser-gaerten/lambachpumpe.html

Siehe auch

• Artesischer Brunnen
• Heronsbrunnen
• Wasserkunst

Weblinks

• Ein Widderhersteller verschiedener Modelle. Interessante Bilder aus einem (zukünftigen) Widdermuseum
• Fa. Weinmann (Widderhersteller)
• Selbstbau einer solchen Pumpe mit handelsüblichen Teilen(Einsatz in Österreich)
• Der hydraulische Wasserwidder (einschließlich Geschichte und heutige Einsatzgebiete)
• History of the Hydraulic Ram einschließlich Geschichte (englisch)
• Widderanlage in Rothenberg-Hinterbach (Südhessen)
• Widderanlage im Wiesenttal (Franken)
• Historisches Wasserwerk Vielbrunn (Südhessen/Odenwald)
• Zschetzscher Widder - Sachsens wassertechnische Anlage
• Hydraulisher Widder in Funktion (französische Alpen)