Ausdehnungspumpe

Re: Ausdehnungspumpe

Beitragvon Chiroptera am Sa 17. Feb 2018, 02:57

Brunnenwasser hat geschrieben:Moin Chiroptera,
bei der von dir beschriebenen Pumpe handelt es sich um eine Solar-Sterling-Pumpe.
Es gibt aber auch noch eine Fluidyne (liquid piston stirling).
https://www.youtube.com/watch?v=2HoyAgE ... SyIG6IgZoq

Die Arbeitsweise ist aber mit einem hydraulischen Widder nicht vergleichbar, aber dennoch sehr interessant.


Ich weiss auch nicht, warum du den Widder ins Spiel gebracht hast. Aber ich kann dir zustimmen, damit hat es wirklich nicht viel zu tun.

Das wegen dem Temperaturunterschied: ja genau so stell ich mir das vor. Wir haben ja genügend wechselhaftes Wetter, dass schätzungsweise 10 mal im Tag eine grössere Temperaturveränderung in der Flasche stattfinden sollte. Klar könnte man dem noch nachhelfen. Z.B. mit Latten für abwechslungsreichen Schatten im Tagesverlauf sorgen. Oder was mechanisches. Vielleicht eine Art Doppelflaschensystem mit automatischem Sonnensegel. Aber das wäre dann eben wieder viel zu kompliziert und aufwändig in Stand zu halten.

Im ganzen geht es ja eh nicht darum, soviel wie möglich oder so effektiv wie möglich zu befördern, sondern mit den einfachsten Mitteln ein grösseres Fass, kleiner Teich oder ähnliches voll zu halten. Oder eben für Pflanzenbewässerung. An Heissen Tagen wird es eher zu mehr Förderung kommen. Somit kriegen die Pflanzen auch gleich mehr Wasser. Ohne dass man irgendwas Programmieren sollte oder irgendwie Strom oder sich drehende Teile benutzen müsste.

Was meinst du denn damit:
Zudem wird sich die Luft im Wasser lösen.


Dass sich sozusagen bei jedem Pumpvorgang etwas Luft im Wasser löst und mit rausgepumpt wird? Öhm... nö, das habe ich nicht bedacht. Ist das denn wirklich so? Dann müsste man wohl zwischendurch Luft nachfüllen? Es gibt ja diese Flaschen auch mit einem Auslass. Der würde sich (die Flasche steht ja dann kopfüber) gut als Lufteinlass anbieten. Allerdings müsste es dann auch einen Wasserauslass geben. Oder einen sehr langen Strohhalm zum absaugen.

Ich habe gerade gemerkt, dass ich zwei kleine Kugelventile rumliegen habe. Ich befürchte jedoch, dass sie nicht ganz Luftdicht, vielleicht aber Wasserdicht sein werden. Und so eine Flasche steht auch noch irgendwo rum. Mal schaun, ob ich mich zu einem Versuchsaufbau motivieren kann. Ich will dann natürlich eine Fotodokumetation machen, falls es funktioniert.

Ist zwar schon meist so: wenn es noch nicht erfunden wurde, wird es wohl nicht erfindbar sein. Allerdings: wenn wir das alle denken, dann wird nichts mehr erfunden.
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Re: Ausdehnungspumpe

Beitragvon Brunnenwasser am Sa 17. Feb 2018, 11:16

Ich weiss auch nicht, warum du den Widder ins Spiel gebracht hast.

Weil du in einem deiner Beiträge, in dem Faden geschrieben hast und ich darauf Bezug genommen habe. Ist auch egal. :)

Wasser kann Gase binden und diese mit abtransportieren. Das ist wohl aber bei der kleinen Durchflussmenge zu vernachlässigen. :)
Von wo nach wo willst du eigentlich Wasser pumpen? Regenfass _-----> Teich?
Über größere Entfernungen, kann man beispielsweise das Prinzip der kommunizierenden Röhren anwenden.
Die Auftriebskraft des Wassers, für eine Pumpe nutzen. Oder im einfachsten Fall eine kleine Solarpumpe verwenden.
Hier mal eine Handpumpe: :lol:
https://www.youtube.com/watch?v=ZcyyMPJQ36Y

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Gruß Brunnenwasser

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Re: Ausdehnungspumpe

Beitragvon Chiroptera am So 18. Feb 2018, 12:51

Die erste Antwort kam von Dir und da hast du den Widder erwähnt. Darum habe ich ja dann wieder auf Dich Bezug genommen. Aber egal.

Wo ich es anwenden will? Na da gibts viele Möglichkeiten. So bin ich auf die Idee gekomen:
Man will auf seinem Stück Land einen Permakulturgarten errichten. Das Land hat nur wenig gefälle. So macht man also am tiefsten Punkt einen grossen Teich, in dem sich das ganze Regenwasser sammelt. Jetzt ist das Wasser aber nicht dort, wo man es braucht, nämlich im kleinen Teich an der höchsten Stelle. Denn von dort aus könnte es über einen Überlauf im Zickzack in einer unterirdischen Röhre mit Löchern alle Pflanzen mit Wasser versorgen. Das Wasser, das nicht aufgebraucht wird, landet dann wieder im grossen Teich.

Das mit den kommunizierenden Röhren ist natürlich auch was ganz geniales. Wenn man absolut gerade Leitungen legen kann. Oder aber tief genug. Sonst bilden sich natürlich Lufteinschlüsse, die das ganze zum erliegen bringen. Nur dass man so nicht über eine Steigung kommt...
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Re: Ausdehnungspumpe

Beitragvon Olaf am So 18. Feb 2018, 13:42

Also ich hab das mal versucht zu rechnen. Musste aber einsehen, dass es mich überfordert. Immerhin komme ich auf ein ähnliches Volumen pro "Hub" wie Du :daumen:
Ohne aber groß zu rechnen, für die 4 m bräuchtest Du so ca. 0,4 bar. Du hast bei 10 K Differenz unter sehr gutwilligen Annahmen (z.B. Luft lässt sich nicht komprimieren :pfeif: ) aber nur so 0,035 , oder?
Will mich nicht zu weit aus dem Fenster lehnen, aber viel mehr als 30 cm werden wohl nicht drin sein....Trotzdem ne coole Idee!
LG
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Re: Ausdehnungspumpe

Beitragvon emil17 am So 18. Feb 2018, 19:51

Da es sich um Luft handelt, die sich in einem Gefäss mit konstante Volumen ausdehnt, ist das Produkt aus absolutem Druck mal Volumen immer proportional zur absoluten Temperatur. Man kann also mit simpler Driesatzrechnung schätzen, was so eine Ausdehnungspumpe leisten kann.
Mal so ganz, ganz grob gerechnet: Wenn man einen 50Liter Behälter mit schwarzer Wand hat der sich am Tage innen um 40 Grad gegenüber der Nacht erwärmt, sagen wir von 10 auf 50 Grad, dann wäre das bei konstantem Druck eine Volumenzunahme von 50 auf 50 *(273 + 50)/(273+10) = 57 Liter, also 7 Liter.
Bei einer Steighöhe von 1 m wären es noch 57*1bar/1.1bar = 51.8 Liter abzüglich Steigrohrvolumen (das sehr gering gehalten werden kann, weil der Durchfluss wie die Pumpenleistung sehr gering ist). Mehr als 1.4 m Steighöhe sind nicht drin, weil sich im geschlossenen Behälter bei 40 Grad Übertemperatur ein Druck von 1bar * (273+50)/273+10) = 1.14 bar einstellt.
Den Behälter könnte man nach Art eines Windkessels unten ins Wasser stellen und die Volumendifferenz zwischen Tag und Nacht mit zwei sinnig angeordneten Kugelventilen Wasser ansaugen und abdrücken lassen.
Man hat also einen 50 Liter Behälter stehen, der in 24 Stunden an einem Schönwettertag 1.8 Liter Wasser 1m hoch fördert.
Dies könnte der Grund sein, warum manche dann doch zur Giesskanne greifen.
Eine Stirling-Pumpe macht natürlich mehr, weil sich die Aufwärm- und Abkühl-Zyklen viel öfter wiederholen.
Es gibt aber so Gartenspielzeugbrunnepumpen mit Solarantrieb, die machen mehr und auch dann, wenn die Sonne nicht richtig scheint oder es windig ist, was ebenfalls bewirkt, dass der Behälter nicht richtig warm werden will und sich entsprechend weniger Druck aufbaut.
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Re: Ausdehnungspumpe

Beitragvon Olaf am So 18. Feb 2018, 20:10

(273+50)/273+10) = 1.14 bar einstellt.
Darüber muss ich mal in Ruhe nachdenken. Unser Thermodynamiker war sehr unsympatisch, darum hab ich wohl zu oft nicht richtig zugehört. ;)
Ach so, Du rechnest ja mit 40 K. Ich hab mit 10 gerechnet. (In irgendner Wüste Tag und Nacht wären 40 K vielleicht realistisch, ich halte 10 schon für freundlich gedacht, mit der Trägheit vom Ballon und vom Wasser). Deins runtergerechnet kämen wir dann auf 35 cm. Sind wir uns also in der Größenordnung einig.
LG
Olaf
Edit: Jetzt hab ich es verstanden, wieso Du Dich auf auf die 0 K beziehst :daumen: Ich hab von einem Vakuum aus gerechnet, also eigentlich das gleiche nur anders rum.....
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Re: Ausdehnungspumpe

Beitragvon emil17 am Mo 19. Feb 2018, 00:38

Es wird ja nur diejenige Volumenausdehnung nutzbar für die Wasserförderung, die bei mindestens Förderdruck stattfindet, also erst nachdem die Temperatur im Behälter auf den Förderdruck gestiegen ist und nur bis er wieder auf Förderdruck gesunken ist.
Das Wasser muss natürlich nicht mit erwärmt werden, da die warme Luft auch kaltes Wasser aus dem Behälterfuss ins Steigrohr drücken kann. Deshalb sind 50 Grad Erwärmung schon realistisch - und auch nötig, damit sich überhaupt etwas tut, wie man aus der Rechnung sehen kann.
Hingegen darf es nicht geschehen, dass der Anfang des Steigrohrs trockenfällt - dann entweicht die Luft und die Pumpe wird nicht mehr funktionieren.
Es muss also ausreichend Wasser im Behälterfuss vorhanden sein. Das ist wegen der geringen Pumpleistung allerdings kein Problem.

Wegen der berühmten Gasgelichung gilt: Druck(P) * Volumen(V) = n(Anzahl Gasteilchen) * Gaskonstante(R) * Temperatur(T)
Da wir die Luft eingesperrt lassen, ändert sich n nicht, also gilt Pv*Vv/Tv = n*R = Pn*Vn/Tn

Der Prozess im einzelnen:
a) Zustand bei minimaler Temperatur (Nacht),
Druck im Behälter p_a = 1 bar (Luftdruck), Wasser kann von aussen drucklos in den Behälterfuss zufliessen.
Volumen der eingesperrten Luft V_a = 50 Liter
Temperatur im Behälter T_a = 10 Grad = 283 K
b) der Behälter heizt sich auf, der Druck steigt, da die Temperatur zunimmt. Es fliesse noch kein Wasser oben aus, weil der Druck noch nicht ausreicht, um die Férderhöhe zu überwinden. Das Einflussventil sperrt, weil im Behälter aber schon Druck herrscht.
c) Die Förderhöhe Fh ist erreicht:
Druck im Behälter p_c = p_a + Förderhöhe/10 = 1.1 bar (1 m Wassersäule = 1/10 bar)
Volumen der eingesperrten Luft V_a = 50 Liter (das Volumen des Steigrohrs vernachlässigbar klein, es ist noch kein Wasser entwichen)
Temperatur im Behälter T_c = p_c/p_a * T_a = T_a *(1 + Fh/10)/1 = 283 K * 1.1 = 311 K = 38 Grad
d) jetzt wird endlich Wasser gefördert, der Druck bleibt konstant, weil ja Wasser austritt
e) Die Förderung hört auf, sobald sich die Luft durch Herausdrücken von Wasser auf das Volumen ausgedehnt hat, das die vorhandene Luftmenge bei Endtemperatur und Förderdruck einnimmt.
p_e = p_c = p_a + Fh/10
T_e = 50 Grad = 323 K
V_e = V_a * T_e/T_c = V_a * T_e/(T_a *(1 + Fh/10)/1) = V_a * T_e/(T_a *(1 + Fh/10)) = 50 * 323/(283*1.1) = 51.87 Liter

Das nutzbare Fördervolumen ist Vn = V_e - V_a = V_a * T_e/(T_a *(1 + Fh/10)) - Va = 1.87 Liter.
Erwärmen wir nur auf 40 Grad, wären es nur noch 0.27 Liter, bei weniger als 38 Grad passiert überhaupt nichts mehr.

Durch weiteres Umformen ergibt sich, dass die Pumpe nur funktioniert, wenn T_e/T_a > 1 + Fh/10, d.h. je höher man fördern will, desto mehr muss man erwärmen, damit überhaupt der nötige Druck erreicht wird, um zu fördern (logisch, hätte man auch ohne Algebra erraten können)
Dadurch nimmt der Wirkungsgrad im Jahresverlauf stark ab, wenn die kritische Erwärmung nur noch selten überhaupt erreicht wird, sei es wegen Beschattung, wegen mangelnder Sonne oder wegen Wind. Bei gegebener Förderhöhe müsste man also den Behälter so bauen, dass er möglichst warm wird

Das mit dem Ekel von Thermodynamiker solltest du nicht persönlich nehmen. Ich hatte auch nur Kotzbrocken als Französischlehrer, und jetzt rede ich alle Tage welsch.
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Re: Ausdehnungspumpe

Beitragvon frodo am Mo 19. Feb 2018, 12:21

:lol: man merkt, dass es noch immer Winter ist...
Probleme kann man niemals mit derselben Denkweise lösen, durch die sie entstanden sind
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Re: Ausdehnungspumpe

Beitragvon Chiroptera am Mo 19. Feb 2018, 18:27

@emil17
Danke, das war ja mal ein weiterführender Beitrag!

Soweit zur Theorie. Doch ohne Praxis ist die Theorie auch nutzlos. Darum habe ich mich an das praktische gemacht und einen Versuchsaufbau realisiert. Natürlich habe ich alles fotografisch dokumentiert und lade die Bilder im nächsten Post hoch.

Doch erstmal die Auswertung:
Die Praxis bestätigt die Theorie von emil17!

Der Versuchsaufbau:

Alle Teile - bis auf die Flasche - habe ich von zwei Set's Düngerzumischer. Für je ca. 8 $ aus China bestellt.
Die Flasche ist eine 10l Glasflasche.
Die Ventile und Röhren entsprechend miteinander verschweisst und verleimt.
Das Ganze in der Badewanne mit einer Kalt- Warmdusche versehen.
Die Förderhöhe beträgt etwa 80cm.

Das Ergebnis:
Wasser wird durch die Zuleitung angesaugt.
Wasser wird sowohl über das Steigrohr, als auch über die Zuleitung wieder ausgestossen. Im Verhältnis 1:1

Fazit:
Das Prinzip funktioniert.
Die Ventile sind nicht wirklich dafür geeignet. Sie sind wohl auch nicht auf absolute Dichtheit ausgelegt.
Die Fördermenge ist ziemlich klein. Pro Pupvorgang mit einer 10l Glasflasche und einem Temperaturunterschied von ca. 45 Grad würde bei perfekt dichtenden Ventilen nur etwa 1dl befördert.

Was lernen wir daraus?
Mehr, grösser, schneller!
Mit einer 50l Flasche käme man ja schon auf einen halben Liter pro Pumpvorgang.
Es ist gut möglich, mehrere Flaschen parallel an die Ventile zu hängen.
Oder, um eine grössere Förderhöhe zu erreichen, mehrere Pumpen in Serie. Diese werden von der Sonne automatisch synchron getaktet. Allerdings sollten dafür alle Materialien identisch sein.
Was wohl passiert, wenn man das Fass einer mobilen Viehtränke als "Reaktor" verwendet. Oder gar ein ganzes Silo! So würden garantiert relevante Mengen befördert.

Fragen:
Könnte anstatt Luft ein anderes Gas verwendet werden, dessen Ausdehnungskoeffizient höher liegt als der von Luft? Leider ist dieser bei den meisten Gasen nahezu identisch.
Welche Ventile wohl am besten geeignet wären? Sie sollten absolut Wasser- und Gasdicht sein, in ihrer Funktion nicht von Algen und kleinen Partikeln beeinträchtigt werden und gut zu reinigen sein...
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Re: Ausdehnungspumpe

Beitragvon Manfred am Mo 19. Feb 2018, 18:38

Was für Ventile hast du denn verwendet?

Ein anderes Gas wird nicht viel bringen. Wenn, dann bräuchtest du einen Stoff, der in dem Temperaturbereich von der flüssigen in die gasförmige Phase übergeht und nicht wasserlöslich ist oder durch eine Membrane / einen Kolben vom Wasser getrennt wird.
Irgendwelche kurzkettigen Kohlenwasserstoffe evtl.
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