Heber (Gerät)

Prinzip des Hebers

Heber

Saugheber mit Saugröhre, auch Giftheber genannt

Ein Heber ist ein Gerät oder eine Einrichtung, mit der man eine Flüssigkeit aus einem Behälter über den Behälterrand in einen tiefer gelegenen Behälter umfüllen oder ins Freie entleeren kann, ohne den Behälter umzukippen und ohne dass er ein Loch oder einen Auslass hat. Dabei wird der hydrostatische Druck ausgenutzt. Um den Schlauch zu füllen und den Fließvorgang in Gang zu setzen, wird meistens die Flüssigkeit mit dem Mund angesaugt.

Die beiden Behälter müssen mit einem Schlauch oder Ähnlichem miteinander verbunden sein. Das Stück, in dem der Schlauch nach oben und um dieselbe Strecke wieder nach unten geführt wird, trägt zu den Druckunterschieden global gesehen im Schlauch nicht bei. In diesem Stück gleichen sich die Schwerkräfte der Flüssigkeit gegenseitig aus. Die zusätzliche Flüssigkeit in der Strecke zwischen oberem und unterem Behälter bewirkt eine Druckdifferenz, so dass die Flüssigkeit aufgrund des entstehenden Unterdruckes aus dem oberen in den unteren Behälter fließt und dabei den Behälterrand überwindet.

Diese Druckdifferenz hängt praktisch nur von der Länge der überschüssigen Wassersäule ab (wenn man von dem Auftrieb, der Druckdifferenz der umgebenden Luft und der Abnahme der Schwerkraft absieht):

Δp = p₂ − p₁ = ρg(h₂ − h₁)

Δp = Druckdifferenz in Pascal

h₁: Höhe der oberen Flüssigkeitsoberfläche in Metern

h₂: Höhe der unteren Oberfläche in Metern

ρ: Dichte der Flüssigkeit (1000 kg/m³ bei Wasser)

g: Schwerebeschleunigung (9,80665 m/s²)

Es ist ein verbreiteter Irrglaube, dass der Heber umgebende Luft benötigt, er funktioniert prinzipiell auch im Vakuum. Die dabei zu übertragenden Druckunterschiede werden dabei durch die Kräfte zwischen den Molekülen der Flüssigkeit (Kohäsion) übertragen. Wenn die Höhe des zu überwindenden Hindernisses oder die Länge der überschüssigen Flüssigkeitssäule immer weiter zunimmt und sich damit der Druck am unteren Ende der Röhre dem Dampfdruck der verwendeten Flüssigkeit annähert, wird der Heber normalerweise instabil; es entstehen (bevorzugterweise an Störungen der Gefäßwand) Blasen (Kavitation), die schnell zum Abriss der Flüssigkeitssäule führen. Im Fall von Wasser ergibt sich so eine maximale Höhe von etwa 10 Metern.
Wird jedoch die Flüssigkeit entgast und die Behälterwand störungsarm gehalten, können teilweise Unterdrücke von mehreren bar (= 100.000 Pa) übertragen werden.

Becher des Tantalos (Heron-Becher) nach dem Prinzip des Saughebers (Kommunizierende Röhren)

Gravitations-Pumpe

Beispiele

Das Heberprinzip lässt sich unter anderem beim Abziehen des Weines aus einem Gärballon anwenden.

Es wird auch in größerem Maßstab bei der Hochwasserentlastung von Talsperren angewandt.

Ebenfalls verwirklicht wird das Heberprinzip beim Becher des Tantalos, auch Heron-Becher oder Pythagoreischer Becher genannt. Füllt man ihn zu hoch, leert er sich bis auf die Neige.

Ein (selbstgebauter) Heber kann bei Flutkatastrophen auch als Pumpe zur Befreiung überfluteter Keller und Areale von Schlamm-Wasser eingesetzt werden (Gravitations-Pumpe): Dazu wird ein Schlauch in das überflutete Areal hinab gelassen, dabei mit Wasser befüllt, die Enden verschlossen und ein Ende an eine tiefergelegene Stelle außerhalb des überfluteten Areals gezogen (Kanalisation oder Flussufer).

Alternativ dazu werden Rohre verwendet, die an der obersten Stelle der Konstruktion über eine Einlass-Öffnung verfügen. Durch jene wird die Rohrkonstruktion mit Schlammwasser oder Leitungswasser befüllt und anschließend oben verschlossen.

Öffnet man anschließend Einlass und Auslass, entleert sich das überflutete Areal. Dies geschieht umso schneller, je größer die Höhendifferenz zwischen Wasseroberfläche und Auslassöffnung und je größer der Schlauch- oder Rohr-Radius ist:

Fördermenge in m³/h = ca. 50.000 x (Höhendifferenz in m x Radius in m)²

So fördert bspw. ein Drainageschlauch mit dem Radius 0,05 Meter bei einer Höhendifferenz von 1 Meter 125 Kubikmeter/Stunde. Allerdings wird bei einem kleineren Schlauch (ca. 1-5 mm) die errechnete Leistung wegen des Schlauchwiderstands nicht erreicht. Bei einem noch kleineren Schlauch (<1 mm) funktioniert das Prinzip aufgrund der Kapillarwirkung überhaupt nicht mehr.

Wenn kein Schlauch mit verschließbaren Öffnungen vorhanden ist (Regelfall), wird der Anfang des Schlauchs unter Wasser gehalten und aus einem zweiten mit Leitungswasser gefüllt (Öffnungen stumpf voreinanderdrücken).