Løfter (enhed)

Løfter
Brug af sugekopper til at sutte amforavin fra amfora , gammel egyptisk repræsentation

En sifon , hæverten , vinkel Heber : (tidligere dobbelte vandlås , latin eller Sipho simplex) hævert ( oldgræsk er σίφων "bøsningen"), en indretning eller en indretning, med hvilken en væske dekanteres fra en beholder over beholderen kant i en dybere beholder eller i det fri kan tømmes uden at vælte beholderen eller have brug for et hul eller en udløb under væskeniveauet. Det hydrostatiske tryk bruges her .

historie

Relieffer fra det gamle Egypten fra 1500 f.Kr. BC viser sifonløftere, som vin fra amfora blev fyldt med.

Hejre af Alexandria beskrev allerede et antal sifonapplikationer i sit arbejde Pneumatica .

princip

Funktion af et hydraulisk donkraft, se teksten for forklaringer.

Skitsen overfor viser to kar fyldt med vand. Vandstanden i det øvre fartøj er højden over den nederste. Fartøjerne er forbundet med en fyldt ledning, der oprindeligt lukkes af en ventil. Højderne og angiver ventilens højder over vandstanden. Følgende gælder for trykket til venstre og højre for ventilen

henholdsvis.
( = Lufttryk , = vandtæthed , = acceleration på grund af tyngdekraften ).

Vandtrykket i røret falder med stigende højde. Det falder i forhold til lufttrykket, der virker på vandstanden ( undertryk ). Ifølge den mindre højde er større end .

Efter åbning af ventilen er væsken i ledningen i retning fra højere til lavere tryk, dvs. H. mod det nederste fartøj, sat i gang.

Trykforskellen er

Når hævertuden ikke er nedsænket, er ventilens højde over udløbsrørets nedre ende.

Den afledte trykforskel er uafhængig af, hvordan sifonledningen faktisk løber (med begyndelsen og slutningen fast) (f.eks. Med en slæk), og den imaginære ventil kan placeres hvor som helst i linjen. På grund af denne trykforskel finder strømmen i røret, der er fuldstændigt fyldt med væske, sted i overensstemmelse med princippet om at kommunikere rør .

Hvis ledningen ikke er fuldstændigt fyldt med vand i begyndelsen af ​​processen, eller hvis luft kan strømme ind ved ledningens udløb, kan den lukkede vandsøjle, der kræves for at suge væsken, kun opbygges, hvis væskestrømmen er stor nok i forhold til linjens tværsnit.

Grænsen for indløbshøjden

På toppen af ​​sifonen er der et reduceret tryk, der afhængigt af temperaturen er tilstrækkeligt til at koge væsken fra en vis tophøjde og lavt eksternt lufttryk . Ved spidsen flyder en damp-væske-blanding gennem en højde, der svarer til niveauforskellen ("vandfaldsfænomen", damp på grund af kavitation ), før strømmen afbrydes, hvis lufttrykket fortsætter med at falde, eller hvis spidsen hæves yderligere.

For stor kabeldiameter er kapillær generelt ubetydelig. Højden er derfor begrænset af den maksimale geodetiske sugehøjde . Dette er proportional med trykket , hvis den svarer til den damptryk væsken. Forudsætningen er, at der ikke er nogen forsinkelse i kogning ; Under passende laboratorieforhold, der tillader forsinket kogning (med afgasset vand), kan den geodetiske sugehøjde også overskrides. Over den geodetiske sugehøjde er trykket inde i sifonen så lavt, at gasform faktisk er den stabile tilstand (sammenlign væskens fasediagram ). Derfor er væsken i dette område i en metastabil tilstand.

Ved normalt lufttryk , acceleration på grund af tyngdekraft , damptryk og vandtæthed ved 20 ° C opnås en maksimal spidshøjde på for store rørdiametre

.

Jo mindre linjediameter , desto stærkere er kapillæreffekten. Dette skyldes det faktum, at væskemolekylernes kohesionskræfter ved fasegrænser, dvs. overfladen mellem gas og væske samt væske og ledningsmateriale, resulterer i en vedhæftningskraft . Det betyder, at væsken kan stige til en vis højde i ledningen, selv uden trykforskel . Kapillarkræfterne øger kræfterne på grund af den maksimalt mulige trykforskel . Med en rørdiameter på , en overfladespænding og en kontaktvinkel er den maksimale indløbshøjde derefter

,

På grund af kapillæreffekten er den 13 millimeter højere end ved store rørdiametre. En løfter med en lille rørdiameter, der bruger denne effekt, kaldes en kapillærløfter .

Ansøgninger

Vandlåge

Siphon weir (animation)

Sifoneffekten bruges i større skala til oversvømmelse af dæmninger . Et let tilgængeligt eksempel på oversvømmelsesrelief, der er konstrueret som en sifon-stang, kan ses ved udløbsstrukturen i Treysa-Ziegenhain-oversvømmelsesbassinet .

Pumpeudskiftning efter katastrofer

(Selvfremstillede) stik udført med vandfyldte slanger kan bruges i stedet for en pumpe til at tømme oversvømmede kældre og områder efter en oversvømmelseskatastrofe , forudsat at vandet kan tømmes til et lavere område.

Hydrostatisk løfter

Alternativt bruges rør, der kan lukkes ved ind- og udløb og har en aflåselig indløbsåbning øverst i konstruktionen. Gennem dette fyldes rørkonstruktionen med mudret vand eller postevand og lukkes derefter øverst. Hvis du derefter åbner indløbet og udløbet, tømmes det oversvømmede område. Nogle gange hjælper en sugepumpe med at fylde de rør eller slanger, der bruges med vand, som derefter fortsætter med at strømme uden en pumpe.

Dette sker jo hurtigere, jo større er forskellen i højden mellem vandoverfladen over og vandstanden under (eller udløbsåbning nedenfor) og (ikke kun på grund af den større diameter, men også på grund af loven i Hagen-Poiseuille , på grund af den lavere friktion på væggen) jo større er slangen eller rørradius:

Leveringshastighed i m 3 / t = ca. 50.000 * (højdeforskel i m * radius i m) 2 .

Afhængigheden af volumenstrømmen på den fjerde effekt i rørets radius er bemærkelsesværdig; for eksempel ville reduktion af rørdiameteren med det halve øge strømningsmodstanden med 16 gange. En brandslange , for eksempel med en diameter på 10 cm og en højdeforskel på 1 meter, pumper cirka 125 kubikmeter vand i timen. Med en mindre slange (ca. 1–5 mm) opnås den beregnede ydelse ikke på grund af slangemodstanden . Med et endnu mindre rør (<1 mm) er kapillæreffekten stærkere end trykforskellen på grund af højdeforskellen.

Normalt holdes en slange som et "U", slangen fyldes med vand og uden at luft trænger ind i slangen eller det fyldte vand løber ud, holdes slangen først under vandstanden i "det øvre vand" og derefter afløbsslangen er lagt herunder. Det er også muligt at sænke en slange i væsken i beholderen, der skal tømmes, indtil den er helt fyldt. Derefter lukkes enden af ​​slangen (muligvis ved knæk), trækkes ud af beholderen og føres uden for under væskeniveauet og åbnes der.

Dekantering (i procesteknik)

Sifonprincippet kan også bruges, når man fjerner ( dekanterer ) vin fra en gæringsballon eller til at trække supernatanten tilbage efter en sedimenteringsproces .

Håndpumpe med sugeindretning
Sugeløfter med sugerør, også kaldet giftløfter (tegning fra 1872)

Håndpumper

En håndpumpe kan bruges til at pumpe væsker ud af tønder, for eksempel hvis udløbsåbningen er lavere end indløbsåbningen. Der bruges forskellige metoder til at fylde den nedsænkede slange eller et rør med en slange fastgjort til enden:

  • Om nødvendigt suges ved at suge med munden (i enden af ​​slangen eller ved en ekstra røråbning - "T -stykke"),
  • sugning med en sugekugle
  • ved at skubbe røret ind i væsken, hvorved en kontraventil i røret forhindrer det i at strømme tilbage ,
  • ved at trække en svamp eller kugle på en snor eller et stempel på en stang gennem røret
  • ved at blæse indåndingsluft ind i beholderen ved hjælp af en anden slange (princip som med en glassprøjteflaske ) for at generere overtryk. Skibets åbning er hermetisk forseglet med en klud.

Afløb vandlås

Overløb af en pythagoransk kop

Et afløb sifon ( engelsk hævert pumpe ) er en hydraulisk komponent, som ved hjælp af hævert princip, tømmes en (vand) beholder ved intervaller i en bølge automatisk og uden den nødvendige overvågning. Til dette formål skal vandet være i et nedadbøjet rør eller i en klokke , som til et vandstandsrør, der er vendt opad, er overfyldt.

Opfindelsen af ​​afløbsvandlåsen tilskrives den græske filosof Pythagoras fra Samos (omkring 570 - 510 f.Kr.), der siges at have brugt princippet i det pythagoranske bæger .

Ordet sifon er lånt fra den franske sifon (for "løfter"), som går tilbage til det latinske sīpho, som igen var lånt fra det antikke græske σίφων (síphōn) (for "(vand) rør"). Et fælles træk ved alle sifoner ( f.eks. Sifoner ( hulninger ) eller rør sifoner ) er et U-formet, bøjet rør, der er fuldstændigt fyldt med vand, når det er i brug.

En drænhævert bruges i flere procedurer:

Soxhlet vedhæftet fil

Animation af ekstraktionsmekanismen for et Soxhlet -apparat

Franz von Soxhlet (1848–1926) brugte princippet om dræn sifon (som kapillær sifon ) til automatisk at udlede det ønskede ekstrakt i en kemisk ekstraktionsanordning , så ekstraktionsmaterialet altid ekstraheres fra rent opløsningsmiddel (og dermed mere fuldstændigt). Se også Soxhlet -essayet .

Hotoppscher sifon

Ludwig Hotopp (1854–1934) brugte en dræn sifon til påfyldning og tømning af låsekamre . Så stikkene "starter", pumpes deres toppe fuld af vand ved hjælp af undertryk. Det negative tryk genereres ved hjælp af et hydraulisk stempel gennem en lille mængde vand taget fra det øvre vand. En tank ("sugeklokke" = stempel), der oprindeligt blev fyldt med øvre vand, er forbundet til sifonens spids. Kedlen tømmes via et nedløbsrør, der er nedsænket i undervandet . Det resulterende undertryk fører til løft af vandet i sifonrøret op til spidsens nederste kant og til den fulde fyldning. Forbindelsesrørene og de nødvendige betjeningsventiler har et relativt lille tværsnit i forhold til donkraftene. Vandforbruget er lille sammenlignet med påfyldningen af ​​et låsekammer (se også grafikken af ​​Friedrich Engelhard: Kanal- und Schleusenbau og artiklen Communicating Tubes ).

Ebbe og flow system

Planter på plante borde i planteskoler og i hydroponiske systemer i planteavl er ofte vandes og drænet med en ebbe og flow -system (engelsk ebbe og flod eller oversvømmelse og afløb ). Planterne placeres i vandtætte kar. Der skal skelnes mellem regelmæssig vandforsyning fra potteplanter dyrket i humusunderlag ("jordkultur") og regelmæssig luftning af hydroponiske planter dyrket i vand.

Vandingen sker ved hjælp af vandpumper . Den automatisk dræning af vandingsvandet (beriget med gødning) fører til planterødderne bliver leveret med oxygen igen; ellers ville de rådne i fravær af luft . Derudover er ilt nødvendigt for næringsoptagelse. Det indstrømmende vand opløser rod respirationsmetabolitten kuldioxid og fjerner det fra underlaget, det (normalt hver halve time) synkende vandstand suger derefter frisk luft ind ovenfra, hvilket betyder at planten kan optage næringsstoffer igen, og den vokser hurtigere end med traditionel befugtning Substrat efter tørring.

I nogle hydroponiske ebbe- og strømningssystemer pumpes vandingsvandet kontinuerligt fra et vandreservoir (eller i tilfælde af akvaponik fra en fisketank) ind i plantekarret ("øvre vand"). Efter at den ønskede vandstand er nået i plantekarret, tømmes vandet igen gennem afløbshævningen i et vandfald i vandreservoiret ("under vandet") nedenunder og tømmer således plantekarret.

Sløjfe sifon

En variant af en afløbssifon med minimal brug af materiale består af en slange, der er ophængt i en kurve på ydersiden af ​​beholderen (engelsk loop-sifon oversættes som "loop sifon "). Vandet forlader beholderen via et gulvafløb og stiger i slangen, indtil det flyder over ved svinget i slangen og sifonen starter. Ved at hænge slangen i forskellige højder kan den ønskede maksimale vandstand i beholderen let justeres. Hvis der kun er en lille strøm af væske gennem afløbet i begyndelsen, skal slangens diameter være så lille, at vandets overfladespænding skaber en vandfront, der sikrer, at slangetværsnittet er fuldstændigt fyldt, og at vand blot afløb fra toppen forhindres.

Bell sifon eller (engelsk) bell sifon

En mere effektiv variant af afløbslåsen, som skaber en større gennemstrømning af det tilbagetrukne vand, er en klokkehævert. Det består af et konventionelt overløbsrør, hvorpå et større rør (eller, i en primitiv version, en afskåret vandflaske), lukket øverst, sættes over som en klokke ( klokke engelsk for klokke ). Hvis vandstanden i plantekarret stiger, stiger vand nedenfra i klokken og falder ned på den øverste kant af drænrøret. Luften i klokken og i afløbsrøret medtages gradvist i små luftbobler, indtil sifoneffekten “starter”.

Ifølge en konstruktionsmanual skal klokken have dobbelt så stor diameter som afløbsrøret:

Afløbsrørets indre tværsnitsareal er

Det samlede interne tværsnitsareal af klokken ville så være .

Tværsnitsarealet af den cirkulære ring i klokken, der er effektivt til vandafvanding, er således tre gange tværsnitsarealet af afløbsrøret. Ved at indsnævre effektive tværsnit til en tredje, en venturi effekt forekommer i drænrøret (efter vandstrømmen er startet i den samlede tværsnit) , hvor den statiske tryk er reduceret, den vand vortex , der forekommer i afløbsrøret og Venturi -effekten suger den tilbageværende luft ud af klokken, hvilket betyder, at løfteren "starter" hurtigere og tømningen starter.

For at garantere at "slukke" løfteren, når der er en stærk indstrømning eller udstrømning, bruges Hotopp -systemet ovenfor vist i en modificeret form. Fra toppen af ​​klokken leder et tyndt rør eller kapillarrør (engelsk kaldet "snorkel" for snorkel ) under vandstanden i det øvre vand. Da anlægsbeholderen for det meste tømmes via det dybere sugerør, og kapillarrøråbningen, der er fastgjort over denne sugeåbning, er sikkert udsat for luften (som derefter suges ind i systemet derfra), stoppes sifoneffekten med garanti. Fordi luft suges ind ved sugeåbningen ville blive ført væk med en stærk vandstrøm uden at fylde klokken. Med højden på kapillarrørets åbning kan plantens karbads restindhold let justeres. Afløbsrøret ender under vandstanden i undervandet eller der i en åben vandfyldt skål eller i en U- ( rørsifon ), så der ikke kan komme luft ind i overløbsrøret. Samtidig skal vandstanden i denne skål holdes lav, fordi luften, der suges ind i afløbsrøret (når den “slukkes”), skal overvinde det hydrostatiske tryk der for at kunne bobles ud.

Amerikanske vaske toiletskåle

Typisk amerikansk vasketoilet med skylleventil. I sumpen åbner vandstrålen ind i sifonen

Skylningsprocessen adskiller sig mellem europæiske og nordamerikanske udrensningstoiletter : mens vandet, der løber ind under skylning, transporterer ekskrementerne væk i Europa, ledes en del af skyllevandet i Nordamerika ind i røret sifon ( lugtfælde ) som en vandstråle. Funktionen er i første omgang en jetpumpe med vand som drivmedium og til skylning med funktionen af ​​en sugeløfter. Skålens indhold tømmes således ved sugning og fyldes derefter op igen.

Sugning fra urinaler med jævne mellemrum

Hvis der bruges et urinal , kan vandet skylles manuelt med en skylleventil eller via automatiske sensorer, og urin-vand-blandingen strømmer gennem en skjult rørsifon ( lugtfælde ) ind i kloaksystemet. Hvis afløb fra flere urinaler er forbundet med et rør, kan konstant strømning ind i røret føre til et overløb af en afløbssifon, og rørets indhold suges regelmæssigt af på en kvasi-automatiseret måde.

Toilet skylles uden forsegling

Indtil 2000 var overløbshæver et lovkrav i Storbritannien som lækagefrie skyllesystemer i cisterner. I inaktiv tilstand kan der ikke løbe vand ud, når udløserhåndtaget aktiveres, tømmes vandlåsen aktiveret, og skyllevandet hældes i toiletskålen. Påfyldningsventilen til trykvandsrøret er naturligvis stadig nødvendig, og hvis den er defekt, fylder den cisternen op til sikkerhedsoverløbet.

Uønsket sifoneffekt

I jorden som en swimmingpool eller som en mobil provisorisk vandtank til desinfektion af drikkevand kan en utæt pumpeslange efter standsning af pumpen på grund af sifoneffekten til afløb af bassinet, selv når røret stikker ovenfra ind i bassinet.

I akvarier blæses luft i vandet gennem en slange placeret over kanten af ​​tanken. Hvis pumpen er under vandstanden, og vand suges ind i slangen på grund af en funktionsfejl, kan sifoneffekten få en stor mængde vand til at strømme væk gennem den defekte luftpumpe. For at forhindre dette, kan luftforsyningsledningen være forsynet med en ikke tilbagevenden ventil.

Når et indløb fra et lavere rørsystem er forbundet til et opsamlingsbassin, kan væsken i bassinet suges tilbage i rørsystemet, hvis der er et trykfald der. Et trykfald kan f.eks. Skyldes en lækage eller dræning af ledninger til reparationsformål. Afhængigt af rørledningens forhold kan det være tilstrækkeligt, at en ventil med en stor strømningshastighed åbnes på et lavere sted , f.eks. Skylleventilen på et toilet eller brandhanen ved brandvæsnet. I drikkevandsinstallationer fører rygsugning regelmæssigt til forurening med uønskede bakterier . For at undgå dette foreskriver standarderne samt retningslinjerne i DVGW , at drikkevandsforsyningen i vandbassiner såsom toiletcisterner eller regnvandscisterner skal finde sted ved at placere påfyldningsventilen over det maksimale vandniveau i "fri udløb". Hvis drikkevandsinstallationen er tilsluttet servicevandssystemer som f.eks. Et varmekredsløb, skal overførsel af servicevand forhindres af en sikkerhedsarmatur , der ud over en kontraventil også har en funktion til at ventilere røret i tilfælde af negativt tryk. Sifoneffekten undgås derefter ved at suge luft ind.

Se også

Weblinks

Commons : Lifter (enhed)  - samling af billeder, videoer og lydfiler

Individuelle beviser

  1. ^ Egyptens gudernes mad, del I: Vin i det gamle Egypten med illustration
  2. ^ Georg August Kraus: Kritisch-etymologisches medicinisches Lexikon , 3. udgave, Verlag der Deuerlich- und Dieterichschen Buchhandlung, Göttingen 1844, s. 305. archive.org
  3. ^ Johann Georg Krünitz : Oeconomische Encyclopädie , Berlin 1773-1858, bind 22 (1. udgave 1781, 2. udgave 1789), s. 572-575, figur 1292 og 1293.
  4. ^ PNEUMATIKEN FOR HERO OF ALEXANDRIA. Hentet 1. juni 2018 .
  5. En introduktion til det grundlæggende og tekniske anvendelser af væskemekanik. Teubner Study Books Mechanics, 1993, afsnit 2.2.5.
  6. ^ Columban Hutter: Fluid og termodynamik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-97827-2 , s. 26 ( begrænset forhåndsvisning i Google bogsøgning).
  7. D. Vischer: Hydraulik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-13411-5 , s. 98 ( begrænset forhåndsvisning i Google bogsøgning ).
  8. ^ Karsten Köhler: Samtidig emulgering og blanding. Logos Verlag, Berlin 2010, ISBN 978-3-8325-2716-7 , s. 17 ( begrænset forhåndsvisning i Google bogsøgning).
  9. Christian kroner, romersk Gabl, Jakob Seidl, Markus Aufleger: Sprængning af turbinerøret som en ekstrem belastning tilfældet i højtryks vandkraftværker. I: WasserWirtschaft. Nummer 107, maj 2017, s. 29–35, kapitel 3.1. (PDF -fil)
  10. Undersøgelse af grænsen mellem en sifon og barometer i et hypobarisk kammer
  11. Herbert Sigloch: Fluid Machines : Fundamentals and Applications . Carl Hanser Verlag, 2018, s. 124 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning).
  12. ^ A. Boatwright, S. Hughes, J. Barry: Højdegrænsen for en sifon. I: Videnskabelige rapporter . tape 5 , 2015, s. 16790 , doi : 10.1038 / srep16790 , PMID 26628323 , PMC 4667279 (gratis fuld tekst).
  13. Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik . Harri Deutsch, 2004, ISBN 3-8171-1720-5 , s. 171 f . ( Læseeksempel [PDF]).
  14. ^ Karl Horst Metzger, Peter Müller, Heidi Müller-Dolezal, Renate Stoltz, Hanna Söll: Houben-Weyl Methods of Organic Chemistry . 4. udgave. tape I / 2 . Georg Thieme Verlag, 2014, ISBN 978-3-13-179634-9 , s. 417 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning).
  15. Duden online
  16. Videnskabelig rådgivning fra Duden -redaktionen, Annette Klosa et al. (Red.): Duden, tysk universel ordbog. 4. udgave. Dudenverlag, Mannheim / Leipzig / Wien / Zürich 2001, ISBN 3-411-05504-9 .
  17. ^ Siegfried Wetzel: Hotoppscher Heber
  18. Hotoppscher Heber: Generering af vakuum
  19. ^ Friedrich Engelhard: Kanal- og slusekonstruktion. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-7091-9963-3 , s. 205 ( begrænset forhåndsvisning i Google bogsøgning ).
  20. Kirsten Engelke: Roden - næringsoptagelsen. I: innovation. 1/2011, s. 17. (PDF-fil magazin-innovation.de, åbnet maj 2018)
  21. Hydroponics
  22. Brug af hydroponiske systemer til ressourceeffektiv genbrug af vand i landbruget (PDF-fil) , Forbundsministeriet for Undervisning og Forskning , december 2016, åbnet i maj 2018.
  23. a b Bradley K. Fox, Robert Howerton, Clyde S. Tamaru: Konstruktion af automatiserede klokkesifoner til baghave -aquaponiske systemer (PDF -fil) ; College of Agriculture and Human Resources, University of Hawai'i at Manoa, Biotechnology, juni 2010.
  24. ^ Pacific Science Center i Seattle, Washington: Skylleproces i en funktionel cutaway -model af et amerikansk vasketoilet.
  25. BBC News
  26. Focus water Closetts - bedste praksis siden Water Fittings Regulations 1999. GreenPro News, efterår 2002. (PDF -fil)