Zvedák (zařízení)

Zvedák
Použití přísavek k sání amforového vína z amfor , staroegyptské zastoupení

Sifon , sifon , úhel Heber : (dříve dvojitý sifon , latina nebo Sipho simplex) Sifon ( starověké řecké je σίφων „Jack“), což je zařízení, nebo zařízení, se kterým do kapaliny dekantuje z nádoby přes okraj obalu na hlubší nádoba nebo do otevřené nádoby se může vyprázdnit, aniž by se převrhla nad nádobu nebo potřebovala otvor nebo vývod pod hladinou kapaliny. Zde se používá hydrostatický tlak .

příběh

Reliéfy ze starověkého Egypta z roku 1500 př. N. L BC ukazují zvedače sifonů, kterými bylo naplněno víno z amfor .

Heron z Alexandrie již ve svém díle Pneumatica popsal řadu sifonových aplikací.

zásada

Funkce hydraulického zvedáku, vysvětlení najdete v textu.

Naproti náčrt ukazuje dvě nádoby naplněné vodou. Hladina vody v horní nádobě je výška nad spodní. Nádoby jsou spojeny naplněným potrubím, které je zpočátku uzavřeno ventilem. Výšky a udávají výšky ventilu nad hladinou vody. Následující informace platí pro tlaky na levé a pravé straně ventilu

resp.
( = Tlak vzduchu , = hustota vody , = gravitační zrychlení ).

Tlak vody v potrubí klesá s rostoucí nadmořskou výškou. Snižuje se ve srovnání s tlakem vzduchu působícím na hladinu vody ( podtlak ). Podle menší výšky je větší než .

Po otevření ventilu je kapalina v potrubí ve směru od vyššího k nižšímu tlaku, tzn. H. směrem k dolní nádobě, dát se do pohybu.

Rozdíl tlaku je

Není -li výtok sifonu ponořen, je výška ventilu nad dolním koncem výstupního potrubí.

Odvozený tlakový rozdíl je nezávislý na tom, jak sifonové potrubí ve skutečnosti běží (s pevným začátkem a koncem) (např. S ​​vůlí), a imaginární ventil může být umístěn kdekoli v potrubí. Kvůli tomuto tlakovému rozdílu probíhá tok v potrubí, které je zcela naplněno kapalinou, podle principu spojovacích trubek .

Není -li potrubí na začátku procesu zcela naplněno vodou nebo může -li na výstupu z potrubí proudit vzduch, může se uzavřený vodní sloupec potřebný k nasátí kapaliny vytvořit pouze tehdy, je -li průtok kapaliny dostatečně velký vztah k průřezu čáry.

Limit výšky vstupu

V horní části sifonu je snížený tlak, který v závislosti na teplotě stačí k varu kapaliny z určité horní výšky a nízkého vnějšího tlaku vzduchu . Na vrcholu proudí směs páry a kapaliny výškou odpovídající rozdílu hladin („jev vodopádu“, pára způsobená kavitací ), než se tok přeruší, pokud tlak vzduchu nadále klesá nebo je-li vrchol ještě zvýšen.

Pro velký průměr kabelu je kapilára obecně zanedbatelná. Výška je tedy omezena maximální výškou geodetického sání . To je proporcionální k tlaku , pokud odpovídá na tlak par kapaliny. Předpokladem je, aby nedocházelo ke zpoždění varu ; Za vhodných laboratorních podmínek, které umožňují opožděné varu (s odplyněnou vodou), lze také překročit výšku geodetického sání. Nad výškou geodetického sání je tlak uvnitř sifonu tak nízký, že plynná forma je ve skutečnosti stabilním stavem (srovnejte fázový diagram kapaliny). Proto je tekutina v této oblasti v metastabilním stavu.

Při normálním tlaku vzduchu , gravitačním zrychlení , tlaku par a hustotě vody při 20 ° C je maximální výška píku dosažena pro velké průměry potrubí

.

Čím menší je průměr čáry , tím silnější je kapilární efekt. To je dáno skutečností, že soudržné síly molekul kapaliny na fázových hranicích, tj. Povrch mezi plynem a kapalinou, jakož i kapalný a liniový materiál, vedou k síle adheze . To znamená, že kapalina může stoupat do určité výšky v potrubí i bez rozdílu tlaku . Kapilární síly se k silám přidávají díky maximálnímu možnému rozdílu tlaku . S průměrem potrubí , povrchovým napětím a kontaktním úhlem je pak maximální výška vstupu

,

Díky kapilárnímu efektu je o 13 milimetrů vyšší než u velkých průměrů trubek. Zvedák s malým průměrem potrubí, který využívá tohoto efektu, se nazývá kapilární zvedák .

Aplikace

Sifonový jez

Siphon jez (animace)

Sifon účinek je používán ve větším měřítku v reliéfu před povodněmi z přehrad . Snadno přístupný příklad povodňového reliéfu konstruovaného jako sifonový jez lze vidět na výstupní struktuře povodňové retenční pánve Treysa-Ziegenhain .

Výměna čerpadla po povodních

(Vlastní) zvedáky vyrobené z vodou naplněných hadic lze použít místo čerpadla k vyprázdnění zaplavených sklepů a prostor po povodňové katastrofě za předpokladu, že lze vodu vypustit do níže položeného prostoru.

Hydrostatický zvedák

Alternativně se používají trubky, které lze uzavřít na vstupu a výstupu a mají uzamykatelný vstupní otvor v horní části konstrukce. Prostřednictvím toho je trubková konstrukce naplněna kalnou vodou nebo vodou z vodovodu a poté uzavřena nahoře. Pokud pak otevřete vstup a výstup, zaplavená oblast se vyprázdní. Někdy sací čerpadlo pomůže naplnit použité potrubí nebo hadice vodou, která pak dále proudí bez čerpadla.

To se děje tím rychleji, čím větší je rozdíl ve výšce mezi vodní hladinou nad a hladinou vody pod (nebo výtokovým otvorem dole) a (nejen kvůli většímu průměru, ale také kvůli zákonu Hagen-Poiseuille , kvůli nižšímu tření o zeď) je větší poloměr hadice nebo potrubí:

Rychlost dodávky v m 3 / h = přibližně 50 000 * (výškový rozdíl v m * poloměr v m) 2 .

Pozoruhodná je závislost objemového toku na čtvrtém výkonu poloměru potrubí; například zmenšení průměru potrubí na polovinu by zvýšilo odpor proudění 16krát. Například požární hadice o průměru 10 cm a výškovém rozdílu 1 metr přečerpá za hodinu zhruba 125 metrů krychlových vody. U menší hadice (přibližně 1–5 mm) nebude vypočtený výkon dosažen kvůli odporu hadice . U ještě menší trubice (<1 mm) je kapilární efekt díky výškovému rozdílu silnější než tlakový rozdíl.

Obvykle je hadice držena jako „U“, hadice je naplněna vodou a aniž by do hadice vnikl vzduch nebo vytékala naplněná voda, je hadice nejprve držena pod vodní hladinou „horní vody“ a poté odtokovou hadicí je položen níže. Je také možné ponořit hadici do kapaliny v vyprázdněné nádobě, dokud není zcela naplněna. Poté se konec hadice uzavře (možná zalomením), vytáhne z nádoby a vyvede ven pod hladinu kapaliny a tam se otevře.

Dekantace (v procesním inženýrství)

Princip sifonu lze také použít při odebírání ( dekantování ) vína z fermentačního balónu nebo pro odebírání supernatantu po sedimentačním procesu .

Ruční pumpa se sacím zařízením
Sací zvedák se sací trubkou, také nazývaný jedový zvedák (kresba z roku 1872)

Ruční pumpy

Ruční čerpadlo může být použit k čerpání kapalin z barelů, například, v případě, že výstupní otvor je menší než vstupní otvor. K naplnění ponořené hadice nebo potrubí hadicí připojenou ke konci se používají různé metody:

  • Je -li to nutné, sání ústy (na konci hadice nebo na dodatečném otvoru potrubí - „T -kus“),
  • sání přísavkou
  • zatlačením trubky do kapaliny, přičemž zpětný ventil v potrubí zabraňuje jeho teče zpět ,
  • protažením houby nebo koule na provázku nebo pístu na tyči trubkou
  • vháněním vdechovaného vzduchu do nádoby pomocí druhé hadice (princip jako u skleněné stříkací láhve ), aby se vytvořil přetlak. Otvor nádoby je hermeticky uzavřen hadrem.

Odtokový sifon

Vypouštěcí sifon ( Česky sifon čerpadlo ) je hydraulický prvek, který pomocí sifonu principu, vyprázdní (voda) obaly intervalech k nárůstu automaticky a bez potřebných monitorování. Za tímto účelem musí být voda v sestupně ohnuté trubce nebo ve zvonu , který je k vodovodní trubce převrácené přeplněný.

Vynález odtokového sifonu je připisován řeckému filozofovi Pythagorasovi ze Samosu (kolem 570 - 510 př. N. L.), Který prý princip použil v pythagorské kádince .

Slovo sifon je vypůjčeno z francouzského sifonu (pro „zvedače“), který sahá až do latinského sīpho, které bylo zase vypůjčeno ze starořeckého σίφων (síphōn) (pro „(vodní) dýmku“). Společným znakem všech sifonů ( např. Sifonů ( závalů ) nebo trubkových sifonů ) je ohnutá trubka ve tvaru písmene U, která je při použití zcela naplněna vodou.

Odtokový sifon se používá v několika postupech:

Soxhletova příloha

Animace extrakčního mechanismu zařízení Soxhlet

Franz von Soxhlet (1848–1926) využil princip odtokového sifonu (jako kapilárního sifonu ) k automatickému odvození požadovaného extraktu v zařízení pro chemickou extrakci, takže extrakční materiál je vždy extrahován z čistého rozpouštědla (a tedy úplněji). Viz také esej Soxhlet .

Hotoppscher sifon

Ludwig Hotopp (1854–1934) použil odtokový sifon k plnění a vyprazdňování plavebních komor . Aby zvedáky „začaly“, jejich vrcholy jsou čerpány plnou vodou podtlakem. Podtlak je generován pomocí hydraulického pístu malým množstvím vody odebírané z horní vody. K vrcholu sifonu je připojena nádrž („sací zvon“ = píst) původně naplněná horní vodou. Kotel se vypouští svodem, který je ponořen pod vodou . Výsledný podtlak vede ke zvedání vody v sifonové trubce až ke spodnímu okraji vrcholu a k úplnému naplnění. Připojovací potrubí a potřebné provozní ventily mají ve srovnání se zvedáky relativně malý průřez. Spotřeba vody je ve srovnání s plněním plavební komory malá (viz také obrázek Friedricha Engelharda: Kanal- und Schleusenbau a článek Komunikační trubice ).

Odliv a odtokový systém

Rostliny na rostlinných stolech ve školkách a v hydroponických systémech při pěstování rostlin se často zavlažují a odvodňují pomocí systému odlivu a odlivu (anglicky odliv a odliv nebo záplava a odtok ). Rostliny se umístí do vodotěsných nádob. Je třeba rozlišovat mezi pravidelným přísunem vody z hrnkových rostlin pěstovaných v humusovém substrátu („půdní kultura“) a pravidelným provzdušňováním hydroponických rostlin pěstovaných ve vodě.

Zavlažování probíhá pomocí vodních čerpadel . Automatické odvodnění závlahové vody (obohacený hnojivem) vede ke kořenům rostlin je dodáván s kyslíkem znovu; jinak by bez vzduchu hnily . Kromě toho je kyslík nezbytný pro příjem živin. Přitékající voda rozpouští kořenový dýchací metabolit oxid uhličitý a odstraňuje jej ze substrátu, klesající hladina vody (obvykle každou půl hodinu) pak nasává čerstvý vzduch shora, což znamená, že rostlina může znovu absorbovat živiny a roste rychleji než tradiční zvlhčovací substrát po vyschnutí.

V některých hydroponických odlivových a odtokových systémech je zavlažovací voda nepřetržitě čerpána z vodní nádrže (nebo v případě akvaponie z akvária) do vany s rostlinami („horní voda“). Poté, co se v květináči dosáhne požadované hladiny vody, se voda vypustí odtokovým sifonem opět tryskem do vodní nádrže („pod vodou“) níže, čímž se nádoba s rostlinou vyprázdní.

Smyčka smyčky

Varianta odtokového sifonu s minimálním použitím materiálu se skládá z hadice zavěšené v křivce na vnější straně nádoby (anglicky loop-siphon se překládá jako „smyčkový sifon “). Voda opouští nádobu podlahovým odtokem a stoupá v hadici, dokud nepřetéká v ohybu hadice a nezačne sifon. Zavěšením hadice v různých výškách lze snadno nastavit požadovanou maximální hladinu vody v nádobě. Pokud na začátku odtokem protéká jen malý průtok kapaliny, musí být průměr hadice dostatečně malý, aby povrchové napětí vody vytvářelo vodní frontu, která zajistí, že je průřez hadice zcela naplněn a že voda jednoduše odvádí z vrcholu je zabráněno.

Zvonkový sifon nebo (anglicky) zvonový sifon

Efektivnější variantou odtokového sifonu, který vytváří větší průchod odebírané vody, je zvonový sifon. Skládá se z konvenčního přepadového potrubí, na které je jako zvon umístěn zvonek (v primitivní verzi odříznutá láhev s vodou) uzavřený nahoře ( zvonek anglicky zvon ). Pokud hladina vody v rostlinné vaně stoupá, voda stoupá zespodu ve zvonu a klesá dolů na horní okraj drenážního potrubí. Vzduch ve zvonu a v odtokové trubce je postupně unášen malými vzduchovými bublinami, dokud „nezačne“ sifonový efekt.

Podle stavební příručky by zvon měl mít dvojnásobek průměru odtokového potrubí:

Vnitřní plocha průřezu odtokového potrubí je

Celková vnitřní průřezová plocha zvonu by pak byla .

Plocha průřezu kruhového prstence ve zvonu, která je účinná pro odvod vody, je tedy trojnásobkem plochy průřezu odtokové trubky. Zúžením efektivního průřezu na třetinu dochází v odtokové trubce k Venturiho efektu (poté, co v celém průřezu začal proud vody) , kde se snižuje statický tlak , vodní vír, který se vyskytuje v odtokové trubce a Venturiho efekt vysaje zbývající vzduch, což znamená, že zvedák „začne“ rychleji a začne vyprazdňování.

Aby se zaručilo „vypnutí“ zvedače při silném přítoku nebo odtoku, používá se v upravené podobě výše uvedený systém Hotopp. Z horní části zvonu, tenká trubička nebo kapilára (anglicky nazývají „dýchací trubice“ pro dýchací trubice ) vede pod vodní hladinou horní vody. Protože se nádoba na rostliny vyprazdňuje převážně přes hlubší sací trubici a otvor kapilární trubice upevněný nad tímto sacím otvorem je bezpečně vystaven vzduchu (který je odtud nasáván do systému), je sifonový efekt zaručeně zastaven. Protože vzduch nasávaný do sacího otvoru by byl unášen silným proudem vody bez naplnění zvonu. S výškou otvoru kapilární trubice lze obsah zbytkové vody v rostlinné vaně snadno upravit. Odtoková trubka končí pod hladinou vody pod vodou nebo tam v otevřené misce naplněné vodou nebo v U- ( trubkový sifon ), aby se do přepadové trubky nedostal vzduch. Současně musí být hladina vody v této misce udržována na nízké úrovni, protože vzduch nasávaný do odtokového potrubí (když je „vypnutý“) tam musí překonat hydrostatický tlak, aby mohl probublávat.

Americké záchodové mísy

Typická toaleta v americkém stylu s proplachovacím ventilem. V jímce ústí vodní paprsek do sifonu

Proces splachování se mezi evropskými a severoamerickými umyvadly liší : zatímco v Evropě voda vtekající během splachování transportuje exkrementy, v Severní Americe je část splachovací vody směrována do trubkového sifonu ( zápachová uzávěra ) jako vodní paprsek. Funkce je zpočátku funkcí proudového čerpadla s vodou jako hnacím médiem a pro splachování s funkcí sacího zvedáku. Obsah misky se tedy vysaje a poté znovu naplní.

Sání z pisoárů v pravidelných intervalech

Pokud je použit pisoár , lze vodu vypláchnout ručně splachovacím ventilem nebo pomocí automatických senzorů a směs moči a vody protéká podomítkovým sifonem ( zápachovým uzávěrem ) do kanalizace. Pokud jsou odtoky několika pisoárů spojeny potrubím, konstantní průtok do potrubí může vést k přetečení odtokového sifonu a obsah potrubí je pravidelně odsáván kvazi-automatizovaným způsobem.

Splachovací záchod bez těsnění

Do roku 2000 byly přepadové sifony ve Velké Británii zákonným požadavkem jako beztékové splachovací systémy v cisternách. V klidovém stavu nemůže vytékat žádná voda, když je aktivována uvolňovací páčka, aktivuje se vypouštěcí sifon a splachovací voda se nalévá do záchodové mísy. Doplňovací ventil do potrubí tlakové vody je samozřejmě stále nutný a pokud je vadný, naplní cisternu až k bezpečnostnímu přepadu.

Nežádoucí sifonový efekt

V zemi jako plavecký bazén nebo jako mobilní provizorní vodní nádrž pro dezinfekci pitné vody může netěsná hadice čerpadla po zastavení čerpadla v důsledku sifonového efektu vést k odtečení nádrže, i když trubka vyčnívá shora do povodí.

V akváriích je vzduch vháněn do vody hadicí umístěnou přes okraj nádrže. Pokud je čerpadlo pod hladinou vody a voda je nasávána do hadice kvůli poruše, sifonový efekt může způsobit, že vadné vzduchové čerpadlo odtéká velké množství vody. Aby se tomu zabránilo, může být přívodní potrubí vzduchu vybaveno zpětným ventilem.

Kdykoli je vstup z níže položeného potrubního systému připojen ke sběrné nádrži, kapalina obsažená v nádrži může být nasávána zpět do potrubního systému, pokud tam dojde k poklesu tlaku. Pokles tlaku může být způsoben například netěsností nebo vypuštěním potrubí pro účely opravy. V závislosti na podmínkách potrubí může stačit, aby byl ventil s velkým průtokem otevřen v nižším místě , například splachovacím ventilem toalety nebo hydrantu hasičů. V instalacích pitné vody vede zpětné sání pravidelně ke kontaminaci nežádoucími zárodky . Aby se tomu zabránilo, standardy a směrnice DVGW stanoví , že zásobování pitnou vodou ve vodních nádržích, jako jsou splachovací nádrže na toalety nebo nádrže na dešťovou vodu, musí probíhat umístěním plnicího ventilu nad maximální hladinu vody ve „volném výstupu“. Pokud je instalace pitné vody připojen k vodným systémům, služeb, jako je například topný okruh, převod užitkové vody musí být zabráněno pomocí bezpečnostní prvek, který, kromě zpětného ventilu, má také funkci, která odvětrává potrubí v událost podtlaku. Sifonovému efektu se pak zabrání nasátím vzduchu.

Viz také

webové odkazy

Commons : Lifter (zařízení)  - sbírka obrázků, videí a zvukových souborů

Individuální důkazy

  1. ^ Egyptské jídlo bohů, část I: Víno ve starověkém Egyptě s ilustrací
  2. Georg August Kraus: Kritisch-etymologisches medicinisches Lexikon , 3. vydání, Verlag der Deuerlich- und Dieterichschen Buchhandlung, Göttingen 1844, s. 305. archive.org
  3. ^ Johann Georg Krünitz : Oeconomische Encyclopädie , Berlin 1773-1858, svazek 22 (1. vydání 1781, 2. vydání 1789), s. 572-575, obrázky 1292 a 1293.
  4. PNEUMATIKA HRDINA ALEXANDRIE. Citováno 1. června 2018 .
  5. Úvod do základů a technických aplikací mechaniky tekutin. Mechanika Teubnerových studijních knih, 1993, oddíl 2.2.5.
  6. Columban Hutter: Fluid a termodynamika. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-97827-2 , s. 26 ( omezený náhled ve vyhledávání knih Google).
  7. D. Vischer: Hydraulické inženýrství. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-13411-5 , s. 98 ( omezený náhled ve vyhledávání knih Google).
  8. Karsten Köhler: Současná emulgace a míchání. Logos Verlag, Berlin 2010, ISBN 978-3-8325-2716-7 , s. 17 ( omezený náhled ve vyhledávání knih Google).
  9. Christian Kröner, Roman Gabl, Jakob Seidl, Markus Aufleger: Roztržení koníku jako extrémní zatěžovací stav ve vysokotlakých vodních elektrárnách. In: WasserWirtschaft. Číslo 107, květen 2017, s. 29–35, kapitola 3.1. (Soubor PDF)
  10. Zkoumání hranice mezi sifonem a barometrem v hypobarické komoře
  11. Herbert Sigloch: Fluid Machines : Fundamentals and Applications . Carl Hanser Verlag, 2018, s. 124 ( omezený náhled ve vyhledávání knih Google).
  12. ^ A. Boatwright, S.Hughes, J. Barry: Výškový limit sifonu. In: Vědecké zprávy . páska 5 , 2015, s. 16790 , doi : 10,1038 / srep16790 , PMID 26628323 , PMC 4667279 (plný text zdarma).
  13. Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik . Harri Deutsch, 2004, ISBN 3-8171-1720-5 , s. 171 f . ( Ukázka čtení [PDF]).
  14. ^ Karl Horst Metzger, Peter Müller, Heidi Müller-Dolezal, Renate Stoltz, Hanna Söll: Houben-Weylovy metody organické chemie . 4. vydání. páska I / 2 . Georg Thieme Verlag, 2014, ISBN 978-3-13-179634-9 , s. 417 ( omezený náhled ve vyhledávání knih Google).
  15. Duden online
  16. Vědecké rady redakce Duden, Annette Klosa a kol. (Ed.): Duden, německý univerzální slovník. 4. vydání. Dudenverlag, Mannheim / Leipzig / Vienna / Zurich 2001, ISBN 3-411-05504-9 .
  17. ^ Siegfried Wetzel: Hotoppscher Heber
  18. Hotoppscher Heber: Generování vakua
  19. ^ Friedrich Engelhard: Konstrukce kanálu a plavební komory. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-7091-9963-3 , s. 205 ( omezený náhled ve vyhledávání knih Google).
  20. Kirsten Engelke: Kořen - příjem živin. In: inovace. 1/2011, s. 17. (Soubor PDF magazin-innovation.de, přístup z května 2018)
  21. Hydroponie
  22. Využití hydroponických systémů pro opětovné využití zemědělské vody účinně využívající zdroje (soubor PDF) , federální ministerstvo školství a výzkumu , prosinec 2016, přístup v květnu 2018.
  23. a b Bradley K. Fox, Robert Howerton, Clyde S. Tamaru: Výstavba automatizovaných zvonových sifonů pro zahradní aquaponické systémy (soubor PDF) ; College of Agriculture and Human Resources, University of Hawai'i at Manoa, Biotechnology, June 2010.
  24. ^ Pacific Science Center v Seattlu, Washington: Proces splachování ve funkčním cutaway modelu amerického umyvadla.
  25. BBC News
  26. Focus Water Closetts - osvědčený postup od předpisů Water Fittings 1999. GreenPro News, podzim 2002. (soubor PDF)