Thread by @DrLutzBoehm

Das hier ist ein hydraulischer Widder

Dieser über 200 Jahre alte Pumpentyp kommt ohne elektrische Energie aus und kann 500m hoch fördern

Es geht um Energieerhaltung+Druckwellen und hat auch etwas mit einem echten Widder zu tun 🐏

Ein🧵
#Wissenschaftskommunikation #WissKomm
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Eine Pumpe hat die Aufgabe, eine bestimmte Menge Fluid (zB Wasser) in einer bestimmten Zeit von A➡️B zu transportieren. Man nennt dies einen Massenstrom (Masse/Zeit; kg/s)

Dafür erzeugt die Pumpe einen Druck (bar), damit das Fluid gefördert wird

Dafür benötigt sie Energie
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Bei modernen Pumpen kommt diese Energie aus dem elektrischen Strom.

Der hydraulischen Widder funktioniert durch ein Zusammenspiel von kinetischer und potentieller Energie.

Und der Name "Widder" kommt nicht von ungefähr. Das Meme zeigt das Prinzip.
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de.wikipedia.org/wiki/Hydraulis…

Ich habe ein Reservoir von zB Wasser (Teich, Fluss o.ä.). Dies liegt höher als der hydr. Widder. Die potentielle Energie (➡️Lageenergie wegen des Höhenunterschieds) führt zum "Herunterfließen" des Wassers Richtung Widder (➡️Umwandlung in kinetische Energie).

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Unterhalb des sogenannten Widders (Behälter, der mit Flüssigkeit und Gas gefüllt ist) ist ein Ventil zur Umgebung.

Ist das Ventil offen, fließt das Wasser einfach ab und mehr passiert nicht. Wasser geht nicht durch den Widder und nichts wird nach oben gepumpt.

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Dieses Ventil zur Umgebung geht aber von selbst zu, da das anströmende Wasser es so vor sich herdrückt (Vereinfachung!), dass es dann geschlossen ist.

Ist das Ventil zu, fließt das Wasser plötzlich nicht mehr. Das Wasser wird abgebremst
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Die Physik nennt das Bremsen eine "negative Beschleunigung". Die Energie, die vorher in der Bewegung des Fluids steckte, muss aber irgendwohin, weil ja
➡️Energieerhaltung gilt. Sie wird zu Druckenergie

Druckdifferenz = Dichte von Wasser * Länge der Leitung * Beschleunigung

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Beispiel:
Aus dem Reservoir fließt das Wasser (➡️Dichte 1000 kg/m³) mit 3m/s und wird durch das Schließen des Ventils innerhalb von 10ms auf 0m/s abgebremst (➡️Beschleunigung (3-0)/0,01=300 m/s²). Die ➡️Leitungslänge sollen 5m sein

Es ergibt sich eine ➡️Druckerhöhung um 15bar
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In dieser Druckerhöhung steckt jetzt sozusagen die kinetische Energie des vorher fließenden Wassers. Und die muss irgendwo hin

Jetzt kommt die Druckwelle ins Spiel. Dieser lokal hohe Druck muss ausgeglichen werden. Eine Druckwelle bewegt sich in etwa mit Schallgeschwindigkeit
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Nun kommen wir endlich zum ➡️Widder:
Dieser Behälter hat unten ein Ventil, dass normalerweise zu ist. Kommt die Druckwelle dort an, wird das Ventil dadurch kurz geöffnet und Wasser strömt in den Behälter. Ist der Druck im ausgeglichen, geht das wieder zu.
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In dem Behälter ist aber nicht nur Wasser, sondern darüber auch Luft. Luft ist im Gegensatz zu Wasser kompressibel. Man kann sie "zusammendrücken", dann nimmt sie weniger Platz ein. Es herrscht dann aber ein höherer Druck als in der Umgebung.

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Hier in diesem Video erkläre ich das anhand der idealen Gasgleichung. pV=NRT. Hat man bestimmt schon mal gehört.

Aber weiter zum Widder, der auch Windkessel genannt wird.
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Das Zulaufventil ist zu. Der Aufbau zeigt, dass nun nicht die komprimierte Luft irgendwo rausströmt, sondern die Öffnung für die Steigleitung im Wasser liegt.

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Weiterhin gilt: die Energie muss irgendwo hin. Also fließt Wasser die Steigleitung hoch. Die Druckenergie wird zu kinetischer und potentieller Energie

Wir erinnern uns: eine Pumpe erzeugt einen Massenstrom und fördert Wasser von A➡️B, wobei B auch höher als A liegen kann
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Wie immer erklärt #DieMaus das in diesem Video sehr schön und zeigt auch, dass dieser Pumpentyp Ewigkeiten laufen kann. Bewegte (Verschleiß-)Teile sind eigentlich nur die zwei Ventile und die kann man robust aufbauen.

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wdrmaus.de/filme/sachgesc…

Wenn man an die sich ständig schließenden und öffnenden Ventile denkt, kann man sich wahrscheinlich vorstellen, wo der Name "Widder"♈️🐏 herkommt.

Fragen? Kommentare?

Vielen Dank fürs Lesen!
#SciComm #WissKomm
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Und zurück zum Anfang, weil man das so macht :-)

https://x.com/DrLutzBoehm/status/1857041488791630176

@threadreaderapp unroll

Ergänzung:

Der Wirkungsgrad wird über das Verhältnis von Steig- zu Fallhöhe berechnet.

"Nur etwa 30 % des Wassers, das den Widder erreicht, wird tatsächlich gefördert. "
ingenieur.de/technik/fachbe…