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Wie funktioniert ein Siphon? Atmosphärendruck, Schwerkraft und Dampfdruckgrenzen am Scheitel
Ein Siphon (auch Syphon geschrieben) ist ein gebogenes Rohr oder ein geschlossener Kanal, der Flüssigkeit aus einem Behälter über einen dazwischenliegenden Scheitel auf ein tieferes Niveau befördert, ohne dass kontinuierlich externe Pumpenergie benötigt wird. Dabei zieht die Schwerkraft die längere abwärtsführende Flüssigkeitssäule nach unten, während der atmosphärische Druck und der molekulare Zusammenhalt eine Dampfkavitation am Scheitel verhindern.
Im allgemeinen englischen Sprachgebrauch in Technik und Wörterbüchern wird siphon sowohl als Substantiv als auch als Verb verwendet; syphon ist eine anerkannte britische und Commonwealth-Schreibvariante. Technische Wörterbücher und Rohrleitungshandbücher definieren einen Siphon als umgekehrt U-förmiges Rohr mit unterschiedlich langen Schenkeln: Die Flüssigkeit steigt bis zum Scheitel und fließt dann zu einem Auslass ab, der tiefer als der Zulaufspiegel liegt. Allgemeine Thesauri führen drain, conduit oder pipette als Synonyme oder häufige Bezeichnungen für einen Siphon auf und nennen im Zusammenhang mit Gegenteilen des Siphonierens beim Flüssigkeitstransport fill oder block. Hydraulikingenieure beurteilen die Bedeutung eines Siphons dagegen ausschließlich anhand der Bernoulli-Energieerhaltung und der Zweiphasen-Grenzen des Dampfdrucks.
Betrachten wir einen Flüssigkeitssiphon, der Wasser aus einem höher gelegenen Speicher (Oberflächenhöhe z1) über einen Scheitel (zc) zu einem Druckauslass (z2) befördert, der zur Außenluft offen ist. Die Anwendung der stationären Bernoulli-Gleichung zwischen dem oberen Flüssigkeitsspiegel und dem Druckaustritt ergibt eine Antriebsgeschwindigkeit, die proportional zur Quadratwurzel aus dem Nettohöhenunterschied (ΔH = z1 – z2) abzüglich Rohrreibungs- und Einzelverlusten (hf) ist:
Formel für die Antriebsgeschwindigkeit: v = √[ 2g × (z1 – z2 – hf,1→2) / (1 + Kexit) ]
Wenn die Flüssigkeit von z1 zum Scheitel zc steigt, sinkt der statische Absolutdruck im Rohr unter den äußeren Atmosphärendruck (Patm = 101,325 kPa auf Meereshöhe), wie die strömungsmechanische Herleitung der Purdue University zeigt (Purdue ME30900 Bernoulli Siphon Analysis):
Formel für den absoluten Druck am Scheitel: Pcrest = Patm – ρg(zc – z1) – ρghf,1→c – 0.5ρv2
Sinkt Pcrest auf den Sättigungsdampfdruck der Flüssigkeit (Pv = 2,34 kPa bei Wasser mit 20 °C), siedet das Wasser am Scheitelpunkt, obwohl es kalt ist. Für Wasser mit 20 °C auf Meereshöhe (Atmosphärendruck 101,325 kPa und Sättigungsdampfdruck 2,34 kPa) beträgt der ideale hydrostatische Scheitelhub bis zum Erreichen des Dampfdrucks 10,10 m (33,1 ft). Der praktisch nutzbare Hub in industriellen Rohrleitungen ist aufgrund von Rohrreibung, Geschwindigkeitshöhe und der Freisetzung gelöster Gase geringer. Dichte Flüssigkeiten wie schweres Wasser (D2O, Dichte 1.105 kg/m3) oder mineralische Suspensionen (spezifisches Gewicht 1.35) erreichen diese Unterdruckgrenze bereits bei proportional geringeren Höhen.
Wie lässt sich Wasser über den Tankrand siphonieren, ohne die Füllung zu verlieren?
Um Wasser über den Tankrand zu siphonieren, ohne die Füllung zu verlieren, muss die Luft am Scheitel abgesaugt werden, bis das gebogene Rohr zu mindestens 95 % bis 100 % mit Flüssigkeit gefüllt ist. Tauchen Sie den Sauganschluss mindestens 3 bis 4 Rohrdurchmesser unter den niedrigsten Absenkstand ein und positionieren Sie den Auslass mindestens 0,3 m bis 1,0 m unter dem Flüssigkeitsspiegel des Zulaufbehälters. Bei kleinen, tragbaren Schläuchen (12 mm bis 25 mm Innendurchmesser) befüllen Bediener die Leitung mithilfe eines selbstansaugenden Rückschlagventils mit Schüttelmechanismus, einer Handquetschpumpe oder durch Vorfüllen des Schlauchs vor dem Eintauchen des Einlasses. Bei industriellen Rohrleitungen (50 mm bis 600 mm Innendurchmesser) wird die Leitung entweder mit einer Kreiselpumpe befüllt, bis die Strömung das Luftpolster am Scheitel nach unten ausspült, oder am höchsten Punkt mit einem Flüssigkeitsring-Vakuumfüller und einem Füllstandsschalter entlüftet.
Funktionieren Siphone im Vakuum oder nur unter Atmosphärendruck?
Laborversuche mit zuvor entgastem Wasser bei 25 °C zeigen, dass eine Flüssigkeitssäule dank intermolekularer Kohäsionsspannung und Schwerkraft unterhalb des Sättigungsdampfdrucks siphoniert werden kann. Bei gewöhnlichem, nicht entgastem Wasser tritt Kavitation auf, sobald der Druck am Scheitel den Sättigungsdampfdruck erreicht (2,34 kPa bei 20 °C). In Lehrbuchbeispielen heißt es häufig, der Atmosphärendruck drücke die Flüssigkeit im Zulaufschenkel nach oben. Veröffentlichungen in Physics Education / PMC4667279 und Nature Scientific Reports (srep04741) zeigen jedoch, dass die Schwerkraft an der schweren absteigenden Flüssigkeitssäule Zugspannung entlang der Wasserstoffbrückenbindungen erzeugt. Der Zusammenhalt hält die Flüssigkeitssäule in Bewegung; im alltäglichen industriellen Rohrleitungsbetrieb bestimmen dagegen das Verhältnis von Atmosphären- zu Dampfdruck und die Kavitation die Grenze.
Siphoneffekt in abfallenden Pumpendruckleitungen: Rückgewinnung statischer Druckhöhe und Anlagenkennlinien
Bei einer abfallenden Pumpendruckleitung, die zunächst über einen erhöhten Scheitel und anschließend auf ein niedrigeres Niveau führt, werden durch den Siphoneffekt 7,0 m bis 8,5 m (23 ft bis 28 ft) statische Druckhöhe zurückgewonnen, sobald der absteigende Schenkel vollständig gefüllt ist. Dadurch sinkt die Gesamtförderhöhe (TDH) und der Betriebspunkt der Kreiselpumpe verschiebt sich nach rechts.
Wenn Kreiselpumpen Wasser oder Suspensionen über einen Deich, eine Tankwand oder eine Rohrbrücke fördern, durchläuft die Rohrleitung zwei hydraulische Betriebszustände. Der erste tritt beim anfänglichen Befüllen der Leitung auf (Betriebszustand 1: Anfahren mit ungefülltem Scheitel). Ein Rohrleitungsabschnitt hinter dem Scheitel (dem höchsten Punkt der Rohrleitung) ist leer und zur Atmosphäre entlüftet. Die Pumpe muss genügend Förderhöhe aufbauen, um die Flüssigkeit bis zur Rohrleitungsscheitelhöhe anzuheben und zusätzlich die Reibungsverluste im ansteigenden Leitungsabschnitt zu überwinden. Im zweiten Betriebszustand (Betriebszustand 2: Betrieb mit gefülltem, siphonunterstütztem Rohr) strömt die Flüssigkeit schnell genug, um die Luft auszuspülen und den absteigenden Schenkel abzudichten. Das Gewicht des absteigenden Wassers erzeugt am Scheitel einen Unterdruck, der Flüssigkeit zum höchsten Punkt der Rohrleitung zieht. Eine ausführlichere Erläuterung finden Sie im Artikel Pumps & Systems Siphon Effect Analysis.
Wie der Leitfaden für hydraulische Anlagen der Kansas State University erläutert (K-State Gravity & Siphon Pipeline Systems), verändert auch die Absenkung des Behälterstands dieses Gleichgewicht im Laufe der Zeit: Sinkt der Füllstand im Zulaufbecken (z1(t)) oder steigt der Füllstand im Auffangbecken (z2(t)), ändern sich sowohl der wirksame Scheitelhub (zcrest – z1(t)) als auch die statische Nettoförderhöhe fortlaufend. Wird die Berechnung der Pumpen-Systemkennlinie für beide Betriebszustände vernachlässigt, kommt es häufig zu zwei typischen Problemen vor Ort: Wird nur für die Förderhöhe des gefüllten Siphons ausgelegt, kann die Pumpe beim Anfahren den Scheitel nicht überwinden. Wird nur für den ungefüllten Scheitel ausgelegt, läuft die Pumpe über den besten Wirkungsgradpunkt (BEP) hinaus, überlastet den Motor und kann nach dem Aufbau der Siphonwirkung durch erforderliche Zulaufhöhe (NPSHr) bedingte Kavitation auslösen.
Rechenbeispiel: Tabelle zur Berechnung der Förderhöhe bei zwei Siphon-Betriebszuständen
Angenommene Eingabewerte: Sauberes Wasser (20 °C, SG = 1.00) mit einem Auslegungsförderstrom von 150 m3/h (660 GPM) durch eine 150 mm (6 in) große Stahlrohrleitung nach Schedule 40 (Gesamtlänge 120 m). Flüssigkeitsspiegel im Zulaufbecken z1 = 0,0 m Bezugshöhe; Höhe des Rohrscheitels zcrest = +9,0 m; Höhe des eingetauchten Auslasses im Auffangbecken z2 = +2,0 m (ergibt einen abfallenden Siphonschenkel von -7,0 m hinter dem Scheitel, innerhalb der praktischen Unterdruckgrenze von 8,5 m).
| Hydraulischer Parameter | Betriebszustand 1: Anfahren ohne Füllung (Befüllen bis zum Scheitel) | Betriebszustand 2: Betrieb mit gefülltem, siphonunterstütztem Rohr | Auswirkungen auf die Pumpenauswahl |
|---|---|---|---|
| Wirksame statische geodätische Förderhöhe (Hstatic) | +9,0 m (zcrest – z1) | +2,0 m (z2 – z1, mit -7,0 m Siphon-Rückgewinnung) | Die statische Förderhöhe sinkt um 7,0 m (23,0 ft), sobald die Luft aus dem absteigenden Schenkel ausgespült ist |
| Rohrreibungs- und Einzelverluste (hf) | 3,2 m (nur im ansteigenden Schenkel bei 150 m3/h) | 5,2 m (gesamte Rohrleitung von 120 m bei 150 m3/h) | Die Reibungsverluste in der vollständig gefüllten Rohrleitung steigen leicht, da die Strömung die gesamte Leitung durchläuft |
| Geschwindigkeitshöhe (v2 / 2g bei 2,36 m/s) | 0,28 m | 0,28 m | Liegt über der erforderlichen Luftaustragungsgeschwindigkeit von 1,2 m/s, die Luftblasen am Scheitel ausspült |
| Erforderliche Gesamtförderhöhe (TDH) | 12,48 m (40,9 ft) | 7,48 m (24,5 ft) | Eine Verringerung der Gesamtförderhöhe um 40,1 % im Betriebszustand 2 erhöht den Förderstrom der Pumpe mit fester Drehzahl von 150 m3/h auf ~215 m3/h |
| Manometerdruck am Scheitel (Pcrest,gauge) | 0,0 kPa (vor dem Befüllen auf Atmosphärendruck) | -62,5 kPa (-0,63 bar Überdruck / 38,8 kPa absolut) | Bleibt sicher über dem Wasserdampfdruck (2,34 kPa absolut) und verhindert Kavitation am Scheitelpunkt |
| Empfohlene Regelungsmaßnahme | Frequenzumrichter mit 100 % Drehzahl (1.780 RPM) betreiben, bis der Druckmessumformer am Scheitel -55 kPa anzeigt | Drehzahl des Frequenzumrichters auf 78 % (1.390 RPM) reduzieren oder eine Laufradkennlinie ohne Überlastung auslegen | Verhindert eine Überlastung des Motorstroms und Kavitation auf der Saugseite bei kontinuierlicher Siphonwirkung |
Maximale Siphonhöhe und Rohrgeschwindigkeitsgrenzen: Berechnung des Unterdrucks am Scheitel und des Luftaustrags
Auf Meereshöhe (101,3 kPa) und bei Wasser mit 20 °C beträgt die theoretische maximale Siphonhöhe 10,1 m (33,1 ft), die Auslegungsgrenze liegt bei 7,0 m bis 8,5 m (23 ft bis 28 ft). Die Rohrleitung muss am Scheitel eine kritische Froude-Zahl aufrechterhalten, damit eingeschlossene Luftpolster stromabwärts ausgespült werden.
Bei einer Berechnung des Pumpenaustrittsdrucks über einem erhöhten Rohrleitungsgestell müssen Ingenieure die maximale Höhe des Siphonscheitels aufgrund von drei physikalischen Faktoren herabsetzen: der Standortshöhe (durch die der atmosphärische Umgebungsdruck Patm um etwa 11 kPa pro 1.000 m sinkt), der Flüssigkeitstemperatur (durch die der Dampfdruck Pv exponentiell von 2,34 kPa bei 20 °C auf 19,94 kPa bei 60 °C steigt) und der spezifischen Dichte der Flüssigkeit (SG). Bei hydraulischen Bauwerken, die im Zusammenhang mit der Publikation US Bureau of Reclamation Engineering Monograph 25 (USBR EM-25 Hydraulische Bemessung von Tosbecken und Energiedissipatoren) betrachtet werden, beginnt gelöste Luft typischerweise aus der Lösung auszutreten, wenn der Absolutdruck am Siphonscheitel unter etwa 30 kPa bis 35 kPa (-66 kPa bis -71 kPa Überdruck) fällt – lange bevor reines Wasser seinen Siededampfdruck erreicht.
| Betriebsfall | Standortshöhe und Barometerdruck (Patm) | Flüssigkeitstemperatur und Dampfdruck (Pv) | Spezifisches Gewicht (SG) | Theoretische statische Grenze (hmax,th) | Praktische Grenze für den Scheitel in Industrieanlagen (hdesign) |
|---|---|---|---|---|---|
| Fall 1: Kaltes Wasser auf Meereshöhe | 0 m (101,3 kPa) | 20 °C (2,34 kPa) | 1.00 | 10,09 m (33,1 ft) | 7,5 m – 8,5 m (24,6 ft – 27,9 ft) |
| Fall 2: Warmes Kühlwasser auf Meereshöhe | 0 m (101,3 kPa) | 40 °C (7,38 kPa) | 0.99 | 9,67 m (31,7 ft) | 6,8 m – 7,6 m (22,3 ft – 24,9 ft) |
| Fall 3: Heißes Prozesswasser auf Meereshöhe | 0 m (101,3 kPa) | 60 °C (19,94 kPa) | 0.98 | 8,46 m (27,8 ft) | 5,5 m – 6,3 m (18,0 ft – 20,7 ft) |
| Fall 4: Kondensatrücklauf auf Meereshöhe | 0 m (101,3 kPa) | 80 °C (47,39 kPa) | 0.97 | 5,67 m (18,6 ft) | 3,4 m – 4,1 m (11,2 ft – 13,5 ft) |
| Fall 5: Rohwasserentnahme im Hügelland | 750 m (92,6 kPa) | 20 °C (2,34 kPa) | 1.00 | 9,20 m (30,2 ft) | 6,5 m – 7,3 m (21,3 ft – 24,0 ft) |
| Fall 6: Wassertransport in großer Höhe | 1.500 m (84,5 kPa) | 20 °C (2,34 kPa) | 1.00 | 8,38 m (27,5 ft) | 5,8 m – 6,6 m (19,0 ft – 21,7 ft) |
| Fall 7: Grubenentwässerung im Gebirge | 2.000 m (79,5 kPa) | 20 °C (2,34 kPa) | 1.00 | 7,87 m (25,8 ft) | 5,2 m – 6,0 m (17,1 ft – 19,7 ft) |
| Fall 8: Leichte Suspension auf Meereshöhe (20 wt%) | 0 m (101,3 kPa) | 20 °C (2,34 kPa) | 1.15 | 8,77 m (28,8 ft) | 6,0 m – 6,8 m (19,7 ft – 22,3 ft) |
| Fall 9: Schwere Suspension auf Meereshöhe (35 wt%) | 0 m (101,3 kPa) | 20 °C (2,34 kPa) | 1.35 | 7,47 m (24,5 ft) | 4,8 m – 5,6 m (15,7 ft – 18,4 ft) |
Wie hoch kann ein Siphon Wasser heben, bevor Kavitation den Förderstrom unterbricht?
Bei einem Siphon mit sauberem Wasser auf Meereshöhe und 20 °C wird die Dampfdruckgrenze erreicht, wenn die Höhe des Scheitels über dem Zulaufspiegel, die Rohrreibungsverluste im Zulauf und die Geschwindigkeitshöhe zusammen etwa 10,1 m (33,1 ft) betragen. In industriellen Rohrleitungen geht die Siphonfüllung dagegen bei 7,0 m bis 8,5 m (23 ft bis 28 ft) verloren, weil gelöste Luft in den Scheitelbereichen Blasen bildet. Untersuchungen zu abfallenden Rohrleitungen (CalPoly Digital Commons Pipeline Air Pocket Study) zeigen, dass der Austrag eingeschlossener Luft am Scheitel nicht allein von einer bestimmten Geschwindigkeit abhängt. Die erforderliche Austragungsgeschwindigkeit richtet sich nach dem Rohrinnendurchmesser D, dem Gefällewinkel θ und dem Luft-Wasser-Verhältnis, ausgedrückt durch die Froude-Zahl der Rohrleitung (Fr = v / √(gD) ≥ 0.54 bis 0.85). Während in kleinen Wasserleitungen mit 50 mm bis 100 mm Durchmesser kleine Luftblasen bei 0,6 m/s bis 1,2 m/s ausgespült werden, treten in größeren Leitungen mit 200 mm bis 500 mm Durchmesser Zweiphasenströmungen mit Schichtung, Rückschlag und Pfropfen auf. Sie verursachen erhebliche Druckverluste, sofern die Geschwindigkeit nicht über 1,5 m/s bis 2,2 m/s liegt (und in Siphonen für Suspensionen mindestens ≥ 1,8 m/s bis 2,5 m/s beträgt, damit sich keine Feststoffschicht ablagert).
Siphonbrecher, atmosphärischer Vakuumbrecher oder Rückschlagventil: Rückströmung verhindern
Ein Rückschlagventil verhindert, dass Flüssigkeit durch eine stillstehende Pumpe zurück in den Zulaufsumpf strömt. Ein Siphonbrecher am Scheitel oder ein atmosphärischer Vakuumbrecher lässt dagegen am höchsten Punkt Luft ein, hebt das Vakuum auf und stoppt so sowohl die rückläufige Siphonwirkung als auch das vorwärts gerichtete gravitationsbedingte Leerlaufen der abfallenden Leitung.
Ein kostspieliger Fehler bei Rohrleitungen von selbstansaugenden und Tauch-Abwasserpumpen sowie bei Chemikalientransfers aus Tanks ist der Einbau eines Klappen- oder Federrückschlagventils in der Pumpendruckleitung in der Erwartung, dass es den Tank nach dem Abschalten der Pumpe vor dem Leerlaufen über eine abfallende Leitung schützt. Ein Rückschlagventil ist ein mechanisches Einwegventil, das schließt, wenn Flüssigkeit in Gegenrichtung zur Pumpe strömt. Liegt der Auslass der Druckleitung unterhalb des Zulauftanks, drückt die Schwerkraft die Ventilscheibe weit auf und entleert den gesamten Tank, sobald der Motor stoppt.
Ebenso wichtig ist die Unterscheidung zwischen Einrichtungen zur Unterbrechung eines vorwärts gerichteten industriellen Siphons und Sicherungseinrichtungen gegen Kreuzverbindungen in Trinkwasseranlagen. Nach den Richtlinien der US Environmental Protection Agency zur Vermeidung von Kreuzverbindungen (EPA Cross-Connection Control Best Practices Guide) und der Normenreihe ANSI/ASSE 1001 (einschließlich ASSE 1001-2017 und ASSE 1001-2021) ist ein atmosphärischer Vakuumbrecher (AVB) ausschließlich zum Schutz vor Rücksaugen in Trinkwasseranlagen bei nicht kontinuierlichem Druck ausgelegt (maximal 12 Stunden Dauerdruck). Er darf keine Absperrventile oder Gegendruck auf der Auslassseite haben und wird üblicherweise mindestens 152 mm (6 in) über dem höchsten nachgeschalteten Auslass oder Überflutungsrand installiert. Zum Stoppen einer vorwärts gerichteten Siphonwirkung in einer industriellen Pumpendruckleitung ist dagegen ein Siphonbrecher mit Lufteinlass am Scheitel, ein kombiniertes Luft-/Vakuumventil nach AWWA C512 / M51 oder eine kontinuierlich entlüftete Ablassöffnung am Rohrleitungsscheitel erforderlich.
„Atmosphärische Vakuumbrecher (ASSE 1001) dienen ausschließlich dem Schutz vor Rücksaugen. Sie dürfen nie länger als 12 Stunden unter Dauerdruck stehen, dürfen kein nachgeschaltetes Absperrventil haben und müssen mindestens 6 inches (152 mm) über dem höchsten nachgeschalteten Auslass oder Überflutungsrand installiert werden.“
ANSI/ASSE-Norm 1001 und Leitfaden der US EPA zur Vermeidung von Kreuzverbindungen
| Rohrleitungsszenario und Gefahrenart | Empfohlene Einrichtung | Gestoppte Förderrichtung | Zulässiger Dauerdruck | Vorschrift / Norm und Höhenregel | Eignung für Feststoffe und Suspensionen |
|---|---|---|---|---|---|
| 1. Abfallende Pumpendruckleitung für sauberes Wasser (vorwärts gerichtetes Leerlaufen des Tanks beim Abschalten verhindern) | Industrieller Siphonbrecher am Scheitel / Luft-Vakuumventil | Unterbricht den vorwärts und rückwärts gerichteten Siphonunterdruck | Für kontinuierlichen Pumpendruck ausgelegt | AWWA C512 / M51; am tatsächlichen Scheitelpunkt montieren | Nur für sauberes Wasser (Schwimmerdichtung wird durch Feststoffe verschmutzt) |
| 2. Abfallende Rohrleitung für abrasive Suspension oder Rohabwasser (vorwärts gerichteten Siphon ohne Verschmutzung des Ventils unterbrechen) | Entlüftete Öffnung / Entlüftungsleitung mit Standrohr am Siphonscheitel | Hebt den Unterdruck am Scheitel nach dem Pumpenstopp auf (Bypass 2 %–5 %) | Dauerbetrieb (kein beweglicher Ventilsitz) | USBR EM-25; Öffnung d ≈ 0.15 D–0.25 D, Rückleitung zum Zulaufsumpf | Ausgezeichnet (für Suspensionen mit 35 wt% Feststoffgehalt und Faserstoffen geeignet) |
| 3. Höher gelegener Auslasstank über der Pumpe (Rückwärtsdrehen der Pumpe durch Rückströmung verhindern) | Klappen-, Schrägsitz- oder Rückschlagventil mit Gummiklappe | Verhindert nur Rückströmung (unterbricht keine vorwärts gerichtete Siphonwirkung) | Dauerdruck bis ANSI Class 150/300 | ASME B16.34 / AWWA C508; in der Nähe des Pumpendruckstutzens montieren | Rückschlagventil mit Gummiklappe oder Kugel für Abwasser und Suspensionen |
| 4. Trinkwasser-Nachspeiseleitung zu einem offenen Prozesstank (nicht kontinuierlich, ≤ 12 h) | Atmosphärischer Vakuumbrecher (AVB) | Nur gegen Rücksaugen von Trinkwasser (kein Gegendruck) | Maximal 12 Stunden Dauerdruck | ANSI/ASSE 1001; kritisches Niveau ≥ 152 mm (6 in) über dem Überflutungsrand | Nur für sauberes Trinkwasser |
| 5. Trinkwasserverteilerleitung unter Dauerdruck zur Versorgung mehrerer nachgeschalteter Ventile | Druck-Vakuumbrecher-Baugruppe (PVB) | Nur Rücksaugen von Trinkwasser (kein Gegendruck) | Für den kontinuierlichen Druckbetrieb rund um die Uhr ausgelegt (24/7) | ASSE 1020; ≥ 305 mm (12 in) über dem höchsten Auslass installieren | Nur sauberes Trinkwasser |
| 6. Chemikaliennachspeisung bei hohem Gefahrenpotenzial mit Gegendruck und Rücksauggefahr | Baugruppe mit reduziertem Druckprinzip (RPZ) oder physischer freier Auslauf | Schutz vor Gegendruck und Rücksaugen | Für 24/7-Dauerbetrieb unter Druck ausgelegt | ASSE 1013 (RPZ) oder ASME A112.1.2 (physischer freier Auslauf ≥ 2× D) | Absperrung der Trinkwasserversorgung |
| 7. Dünnwandige HDPE-Leitung (SDR 21–32,5) über einen hohen Bergrücken, gefährdet durch Kollaps infolge von Unterdruck | Federbelastetes Vakuumentlastungsventil für Rohrleitungen mit Entlüftung | Lässt bei einem ansprechenden Unterdruck von -3,5 kPa große Luftmengen ein | Betriebsdruck in der Rohrleitung im Dauerbetrieb | AWWA M51; für den Volumenstrom bei vollständigem Rohrbruch bzw. Absperrung ausgelegt | Bei Schmutzwasser ein Abwassergehäuse mit Spülanschluss verwenden |
| 8. Automatisierte, siphonunterstützte Entwässerung (Siphon während des Betriebs aufrechterhalten, bei Auslösung unterbrechen) | Normalerweise geöffnetes Magnetventil für die Entlüftung, mit dem Pumpenstarter verdrahtet | Dichtet den Scheitel bei bestromtem Ventil ab; entlüftet bei Auslösung sofort | Dauerbetrieb während des Pumpenlaufs | NEMA 4X / IP66-Magnetventil am Scheitelpunkt (d ≥ 0.15 DRohr) | Auf einem 300 mm hohen Steigrohr über der Suspensionsleitung montieren |
| 9. Tauch-Sumpfpumpe mit Druckleitung über die Kellerwand in einen tiefer gelegenen Regenwasserkanal | Im Sammelschacht gebohrtes Antisiphon-Entlüftungsloch (4,8 mm / 3/16 in) und Rückschlagventil | Das Rückschlagventil verhindert Rückströmung; das Entlüftungsloch unterbricht die vorwärts gerichtete Siphonwirkung | Für den kontinuierlichen Sumpfpumpenbetrieb geeignet | Im Pumpensumpf oberhalb des Höchstwasserstands mit 45° nach unten bohren | Hohe Zuverlässigkeit in privaten und gewerblichen Pumpensümpfen |
Technische Entscheidungsregeln nach dem Muster „Wenn X, wählen Sie Y“
- Wenn sich der Druckseitenauslass unterhalb des maximalen Wasserstands im Saugbehälter befindet und Sie bei sauberem Wasser verhindern möchten, dass die Leitung nach dem Abschalten der Pumpe weiter in Förderrichtung entleert wird, können Sie am höchsten Punkt ein Apex Siphon Breaker / Air-Vacuum Valve (AWWA C512) oder ein normalerweise offenes Magnetventil zur Belüftung einsetzen.
- Bei Rohrleitungen mit abrasiver Suspension oder faserhaltigem Abwasser, in denen Schwimmerventilsitze verklemmen können, lässt sich eine Entlüftungsleitung mit Öffnung am Scheitelpunkt zusammen mit einer Rückschlagklappe mit Gummilippe am Pumpendruckstutzen einsetzen, damit die Leitung in den Nassschacht entleert werden kann.
- Um eine Trinkwasserleitung vor Rücksaugen in einen Industrietank zu schützen, installieren Sie ein ASSE 1001 AVB (mindestens 152 mm über dem Überlaufrand, maximal 12 h kontinuierlicher Druck, keine nachgeschaltete Absperrung) oder ein ASSE 1020 PVB (mindestens 305 mm über dem Auslass, für kontinuierlichen Druck ausgelegt) gemäß den ASSE International Product Standards.
Industrielle Siphonkonfigurationen: Umgekehrte Siphons, Glockensiphons zur Dosierung und Dampfmessgeräte-Pigtails
Neben den üblichen Siphons mit Scheitelpunkt über der Leitung kommen in Industrieanlagen umgekehrte Siphons zum Einsatz (abgesenkte Freispiegelkanäle, die unter Hindernissen hindurchgeführt werden), automatische Glockensiphons zur Dosierung (stromlose, intermittierend arbeitende Tankspüler) sowie Pigtail- oder Rohrschlangensiphons für Dampfmessgeräte gemäß ASME B40.100, die Kondensat zurückhalten und so Druckmessgeräte schützen.
Da der Begriff Siphon in Rohrleitungssystemen vier mechanisch unterschiedliche U-Rohr-Geometrien bezeichnet, kann die Angabe einer falschen Konfiguration zu verstopften Durchlässen oder beschädigten Drucktransmittern führen. Ein umgekehrter Siphon hat die Form eines normalen U und nicht die eines umgedrehten U. Er verläuft unter einem Fluss, einer Straße oder einem Versorgungskorridor hindurch und nutzt den hydraulischen Höhenunterschied zwischen dem vorgeschalteten Einlaufbauwerk und der nachgeschalteten Auslaufkammer, um die Flüssigkeit im ansteigenden Schenkel nach oben zu fördern. Bei geringem Förderstrom setzen sich Feststoffe im unteren Rohrbogen ab. Deshalb verlangen kommunale Normen für Abwassersiphons mindestens zwei parallele Leitungsstränge und eine Mindestgeschwindigkeit im mittleren Förderstrom von 3,0 ft/s (0,92 m/s) für häusliches Abwasser. Bei schwererem industriellem Grit oder einer Suspension werden höhere Geschwindigkeiten gewählt. Bei häuslichem Rohabwasser wird die Geschwindigkeit im mittleren Förderstrom auf 3.0 feet per second (0,92 m/s) gehalten. Für den Transport von schwererem industriellem Grit oder einer Suspension wird die Geschwindigkeit erhöht.
| Siphonkonfiguration | Rohrgeometrie und Förderstromverlauf | Primäre Antriebskraft | Betriebsbereich und Regelwerksgrundlage | Primärer Ausfallmodus im Betrieb |
|---|---|---|---|---|
| Umgekehrter Siphon (abgesenkter Abwasserkanal) | U-förmiger, abgesenkter, vollständig durchströmter Kanal unter einem Hindernis | Differenz der hydraulischen Gradiente zwischen Ober- und Unterlauf (ΔH) | Geschwindigkeit ≥ 0,9 m/s (Abwasser) oder ≥ 1,8 m/s (Suspension); zwei oder drei parallele Leitungsstränge | Grit setzt sich bei geringem Trockenwetter-Förderstrom im unteren Rohrbogen ab |
| Automatischer Glocken-/Dosiersiphon | Steigendes Rohr mit einer nach unten geöffneten Glocke als Abschluss in einer Dosierkammer | Steigendes Wasser komprimiert die Luft unter der Glocke, bis es über deren Rand tritt und die Luft verdrängt | Keine externe Energieversorgung; intermittierende Chargenförderung über Steigrohre mit 50 mm–300 mm Durchmesser | Eine verstopfte Entlüftungsöffnung verhindert den Lufteintritt am Ende des Spülzyklus |
| Pigtail- und Rohrschlangensiphon für Dampfmessgeräte | 180°-Schleife als vertikales Pigtail oder 360°-Rohrschlange in horizontaler Ausführung (1/4 in oder 1/2 in NPT) | Hält zwischen der Dampfleitung und dem Messgerät eine Kondensat-Wassersperre zurück | ASME B40.100; Schedule 40/80 aus 316 SS oder Kohlenstoffstahl für Dampf >100 °C (212 °F) bis 425 °C | Bei trockener Installation ohne vorherige Befüllung der Wassersperre überhitzen und beschädigen sich Bourdonrohr oder Membran |
| Thermosiphon-Schleife für Gleitringdichtungen | Geschlossener vertikaler Konvektionskreislauf zwischen dem Sperrflüssigkeitsbehälter nach API Plan 52/53a und der Stopfbuchse der Pumpe | Dichteunterschied durch Auftrieb (Δρ) zwischen heißer Sperrflüssigkeit und gekühltem Rücklauf | API 682 Plan 52/53a; 0,5 m–1,2 m Höhenunterschied über der Dichtungskammer, großzügige Rohrbögen | Ein Lufteinschluss am höchsten Punkt oder einschränkende Fittings bremsen die natürliche Wärmekonvektion |
Warum wird an Dampfdruckmessgeräten ein Pigtail-Siphonrohr verwendet?
Zwischen einer Dampfleitung und einem Druckmessgerät wird ein Siphonrohr als Schleife oder Rohrschlange installiert. Es hält eine schützende Kondensat-Wassersperre zurück, die verhindert, dass heißer Dampf direkt auf das Bourdonrohr oder das Druckmesselement trifft. Gemäß ASME B40.100 und der Inveno Engineering Best Practice 17 führt heißer Dampf in einem ungeschützten Messgerät zu einer thermischen Nullpunktverschiebung, erweicht Lötverbindungen oder beschädigt Elastomere, die für 60 °C bis 85 °C ausgelegt sind. Vor dem Öffnen des vorgeschalteten Absperrventils bei der Inbetriebnahme müssen Techniker die Pigtail-Schleife mit Wasser bei Umgebungstemperatur vorfüllen. So überträgt das inkompressible Kondensat den Dampfdruck und gibt zugleich Wärme an die Umgebungsluft ab.
Industrie-Antisiphonventile, Vakuumbrecher und Siphon-Transferpumpen: Auslegung und Kosten
Die Industrie-Antisiphonventile sowie atmosphärischen und druckbeaufschlagten Vakuumbrecher in unserer Preistabelle kosten bei den Nennweiten 1 in bis 2 in (DN25 bis DN50) zwischen $140 und $1.100 und bei geflanschten Nennweiten 3 in bis 6 in (DN80 bis DN150) zwischen $650 und $6.200+. Selbstansaugende Siphon-Transferpumpen liegen preislich zwischen $900 und $15.000+.
Bei der Auslegung oder Beschaffung von Ausrüstung zum Entleeren von Fässern oder für Chemikalien-Tagesbehälter wägen Ingenieure die Kosten für Ventile gegen die für Pumpen ab. Für kleine Chargen aus 200 L-Fässern (etwa 52.8 US gal) kosten manuelle Handpumpen aus Polyethylen $25 bis $160. Für den kontinuierlichen Anlagenbetrieb sind dagegen korrosionsbeständige Chemikalienpumpen mit einer geeigneten Antisiphonsicherung erforderlich. Ein patentierter automatischer Siphonunterbrecher (USPTO Patent US20090020163A1) kombiniert eine Rückschlagklappe und eine schalterbetätigte Ventilbaugruppe, damit Luft in die Leitung gelangen und den Rücksiphoneffekt unterbrechen kann.
Warum ist dieser Unterschied für die Betriebskosten wichtig? Angenommen, eine Entwässerungsleitung mit 150 m3/h Förderstrom verfügt über 6,5 m nutzbare Siphonwirkung im Gefälle und ist 6.000 Stunden/Jahr bei einem Wirkungsgrad von 72 % von Strom zu Wasser in Betrieb. Wenn der Scheitelpunkt über ein offenes Standrohr ständig zur Atmosphäre entlüftet wird, muss die Pumpe jede Stunde gegen die statische Förderhöhe von 6,5 m arbeiten. Dadurch verbraucht sie zusätzlich 3,69 kW beziehungsweise 22.140 kWh/Jahr ($2,650/Jahr bei $0.12/kWh). Ein geschlossenes Vakuum-Entlastungsventil, das nur bei Bedarf (bei Unterbrechung des Saugstroms) betätigt wird, amortisiert sich in weniger als 6 Monaten.
| Ausrüstungskategorie | Preisspanne in USD für 1 in, 2 in (DN25, DN50) | Preisspanne in USD für 3 in, 6 in (DN80, DN150) | Werkstoffe medienberührter Teile | Typische industrielle Anwendung |
|---|---|---|---|---|
| Manueller Fasssiphon / Hand-Transferpumpe | $25 – $160 | Nicht zutreffend (nur tragbare Schlauchgrößen) | PP, PVDF, 316 SS, PTFE-Dichtungen | Intermittierendes Umfüllen von Säure oder Lösungsmittel aus 200 L-Fässern und IBCs |
| Atmosphärischer Vakuumbrecher (ASSE 1001) | $140 – $520 | $650 – $2,400 | Bleifreie Bronze, 316 SS, PVC | Trinkwasser-Nachspeiseleitungen (≤ 12 h nicht kontinuierlicher Druck) |
| Druck-Vakuumbrecher (ASSE 1020) | $220 – $850 | $1,100 – $3,800 | Bronze, Sphäroguss (epoxidbeschichtet) | Industrielle Wasserverteilungsleitungen mit kontinuierlichem Druck |
| Geflanschter Vakuumbrecher für Rohrleitungen / Luft-Vakuumventil (AWWA C512) | $350 – $1,100 | $950 – $6,200+ | Sphäroguss, WCB-Kohlenstoffstahl, 316 SS | Scheitelpunkte von Pumpendruckleitungen, Schütze und Vakuum-Kollapsschutz für HDPE-Rohre |
| Selbstansaugende Kreiselpumpe zur Siphonförderung | $900 – $3,400 | $3,500 – $15,000+ | Grauguss, Duplexstahl CD4MCu, 316L SS, Fluorkunststoff | Entleerung von Pumpensümpfen bei großer Saughöhe, Überpumpen über Deiche, Tankentleerung |
Siphonische Dachentwässerung, Absenken von Reservoirs und Behebung von Lufteinschlüssen oder Druckstößen
Technisch ausgelegte Siphon-Dachentwässerungssysteme (ASPE 45 / EN 12056-3) verwenden Wirbelbremsen am Dachablauf, um das Eindringen von Luft zu verhindern, und arbeiten bei Unterdruck mit vollständig gefülltem Rohrquerschnitt (100 %), während industrielle Siphonleitungen durch Lufteinschlüsse am Scheitel, Ausgasung gelöster Gase, Beulen dünnwandiger Rohre oder Wasserschlag infolge einer Säulentrennung versagen.
Bei herkömmlichen Dachentwässerungssystemen mit Freispiegelentwässerung werden Fallleitungen üblicherweise so ausgelegt, dass sie zu etwa 20 % bis 33 % mit Wasser gefüllt sind und in der Mitte einen Luftkern aufweisen. Horizontale Regenwasser-Sammelleitungen haben üblicherweise ein Gefälle von 0,5 % bis 2 % (1/16 in/ft bis 1/4 in/ft). Bei einem ausgelegten siphonischen Entwässerungssystem verhindern Dachabläufe mit Leitblechen den Eintritt von Wirbelluft bei Bemessungsregen. Dadurch können horizontale Sammelleitungen ohne Gefälle (0°) mit 100 % Füllgrad betrieben werden; in kleineren Rohrdurchmessern werden so 3× bis 4× höhere Fördergeschwindigkeiten erreicht. Siphonische Dachabläufe und große Ablassleitungen für Reservoirs arbeiten jedoch beide mit starkem Unterdruck am Scheitelpunkt (-50 kPa bis -80 kPa relativ). Wenn ein Siphon bei einer Vorführung vor Ort oder im Dauerbetrieb aussetzt oder Druckstöße verursacht, können Wartungsingenieure die Ursache mithilfe der nachstehenden Diagnosetabelle eingrenzen.
| Ausfallart | Erkennbare Symptome vor Ort | Physikalische Ursache | Quantitativer Schwellenwert | Korrekturmaßnahme |
|---|---|---|---|---|
| 1. Lufteinschluss am Scheitelpunkt (unvollständige Befüllung) | Die Pumpe baut Druck auf der Druckseite auf, doch der Förderstrom ist nur tröpfchenweise oder bleibt ganz aus; am höchsten Punkt ist ein Gurgeln zu hören | Ein zu großes Rohr am Scheitelpunkt hält die Geschwindigkeit unterhalb der kritischen Geschwindigkeit zur Luftabfuhr; ein Lufteinschluss blockiert den Rohrquerschnitt | Geschwindigkeit < 0.6 m/s (Fr = v / √(gD) < 0.54) | Am höchsten Punkt ein kombiniertes Entlüftungs-/Vakuumventil installieren oder den Rohrdurchmesser am Scheitelpunkt verringern, um die Geschwindigkeit auf ≥ 1,2 m/s zu erhöhen |
| 2. Entgasung gelöster Gase / Dampfkavitation | Der Siphon läuft 30–120 min und verliert dann allmählich an Förderstrom; am Scheitelpunkt ist ein Rasseln zu hören | Der absolute Druck am Scheitelpunkt sinkt unter den Luftsättigungsdruck (30 kPa abs) oder den Dampfdruck (Pv); es bilden sich Gasblasen | Das Vakuummeter am Scheitelpunkt zeigt einen Unterdruck von mehr als -70 kPa (-0,7 bar) | Die Höhe des Scheitelpunkts verringern, die Flüssigkeit abkühlen oder am höchsten Punkt einen automatischen Vakuum-Ansauger ergänzen |
| 3. Kollaps eines dünnwandigen Rohrs durch Unterdruck | Ein HDPE- oder PVC-Rohr wird am Scheitelpunkt eingedrückt (oval) und drosselt den Förderstrom dauerhaft | Der äußere atmosphärische Druck übersteigt bei internem Unterdruck die Ringsteifigkeit des dünnwandigen Rohrs | SDR 26 oder SDR 32.5 HDPE unter einem Vakuum von -60 bis -80 kPa relativ | Die Rohrleitung am Scheitelpunkt auf SDR ≤ 17 (oder SDR 11) HDPE oder Schedule 40-Stahl aufrüsten und ein federbelastetes Vakuum-Entlastungsventil ergänzen |
| 4. Druckstoß durch Flüssigkeitssäulentrennung beim Pumpenausfall | 2–8 Sekunden nach dem Abschalten der Pumpe kommt es zu einem heftigen Rohrschlag und die Flanschdichtung wird herausgedrückt | Durch die schnelle Verzögerung trennt sich die Flüssigkeitssäule am Scheitelpunkt und bildet einen Dampfraum, der sich beim Rückfluss schlagartig schließt | Vorübergehender Druckanstieg auf das 3× bis 6× der Betriebsförderhöhe | Einen schnell öffnenden Vakuumbrecher am höchsten Punkt und ein gedämpftes, schlagfreies Rückschlagventil installieren oder ein durch einen Frequenzumrichter gesteuertes Abbremsen (10–20 s) vorsehen |
Auswahl von Industrie-Kreiselpumpen und Schlammpumpen für siphonunterstützte Druckleitungen
Bei der Auswahl von Kreiselpumpen, selbstansaugenden Abwasserpumpen, Axialgehäusepumpen mit geteiltem Gehäuse oder robusten Schlammpumpen für eine siphonunterstützte Druckleitung im Gefälle müssen Wellenleistung, Motorstrom und verfügbare positive Zulaufhöhe (NPSHa) geprüft werden. Maßgeblich sind dabei sowohl der Anfahrpunkt mit hoher Förderhöhe und noch nicht gefülltem Siphon als auch der Betriebspunkt mit hohem Förderstrom und gefülltem Siphon.
Wenn eine Rohrleitung über einen Rückhaltewall, einen Absetzdam oder einen Flussdeich geführt wird und anschließend zu einem tiefer gelegenen Auslass abfällt, muss die Pumpe beim Anfahren genügend Förderhöhe bei geschlossenem Ventil und im mittleren Kennlinienbereich bereitstellen, um die Flüssigkeit über den Scheitelpunkt zu heben. Gleichzeitig braucht sie eine nicht überlastende Leistungskennlinie und eine niedrige NPSHr bei dem höheren Förderstrom, der sich nach Ausbildung des Siphons einstellt. BBP Manufacturing Co., Ltd. entwickelt und fertigt 10 Industrie-Pumpenbaureihen mit Förderströmen von 3,6 m3/h bis 20.000+ m3/h und Förderhöhen von 5 m bis 680 m. Dazu passend bietet das Unternehmen sowohl robuste horizontale Schlammpumpen als auch Axialgehäusepumpen mit hohem Förderstrom für Rohrleitungssysteme mit zwei unterschiedlichen Betriebskennlinien.
Hinweis zu Leistungsumfang und Lieferung: BBP Manufacturing Co., Ltd. fertigt Industrie-Kreiselpumpen, Schlammpumpen, Abwasserpumpen und Chemikalienpumpen. Fremdprodukte wie Vakuumbrecher nach ASSE 1001/1020 oder Luftventile nach AWWA C512 werden in den Systemplänen als Rohrleitungszubehör spezifiziert.
| BBP-Pumpenbaureihe | Förderstrombereich (m3/h) | Gesamtförderhöhenbereich (m) | Maximaler Feststoffgehalt / Fördermedium | Rolle bei der Einbindung in siphonunterstützte Rohrleitungen |
|---|---|---|---|---|
| Horizontale Schlammpumpen ZJ / ZGB / AH / HH | 3,6 – 5.400 m3/h | 6 – 130 m | Abrassive Abgänge und mineralische Suspension (SG 1,15–1.50, bis zu 60 wt%) | Nassseitige Bauteile aus hochchromhaltigem Cr27 und Frequenzumrichterantrieb halten die Scheitelgeschwindigkeit zur Ausspülung bei ≥ 1,8 m/s, ohne Kavitation am Auslegungspunkt mit maximalem Förderstrom |
| Doppelsaugende Axialgehäusepumpen S / SH | 50 – 20.000+ m3/h | 8 – 160 m | Sauberes Flusswasser, Rücklauf von Kühltürmen, kommunales Rohwasser | Das doppelsaugende Laufrad mit niedrigem NPSHr widersteht Kavitation, wenn die Siphonwirkung im Gefälle den Betriebspunkt zu höheren Förderströmen verschiebt |
| Selbstansaugende ZW- und Tauch-Abwasserpumpen WQ | 5 – 10.000 m3/h | 5 – 80 m | Ungesiebtes kommunales Abwasser, Hochwasser, Feststoffe bis zu 100 mm | Entwässerung über Deiche und Pumpwerke in Verbindung mit Luftventilen als Siphonunterbrecher am höchsten Punkt |
| Prozess-Kreiselpumpen IS / IH mit axialem Saugstutzen | 3,6 – 1.200 m3/h | 5 – 125 m | Sauberes Wasser, Industrieabwässer, korrosive Chemikalien (304/316L/Duplex SS) | Tanklager- und Chemikalien-Transferleitungen mit automatischer Vakuumunterbrechung am Scheitelpunkt beim Pumpenstopp |
| Horizontale mehrstufige Kreiselpumpen D / DG | 6 – 850 m3/h | 50 – 680 m | Hochdruck-Grubenentwässerung, Kesselspeisewasser bis 160 °C | Rohrleitungsquerungen im steilen Gebirge, bei denen eine hohe Anfahrförderhöhe sowie gestaffelte Rückschlag- und Vakuumventile gegen Druckstöße erforderlich sind |
Checkliste mit 7 technischen Angaben für eine Angebotsanfrage zu siphonunterstützten Pumpenleitungen
Wenn Sie beim BBP-Engineeringteam eine Auslegung der Pumpenkennlinie für beide Betriebsbereiche anfragen, geben Sie die folgenden 7 Standortparameter an. So lassen sich die Gesamtförderhöhe beim Anfahren mit ungefülltem Siphon und die Gesamtförderhöhe bei gefülltem Siphon genau darstellen:
- Erfassen Sie die Flüssigkeitsspiegel auf der Saugseite (z1,max und z1,min), einschließlich des höchsten und niedrigsten Wasserstands im Zulaufpumpensumpf oder Reservoir.
- Messen Sie die Höhe des Rohrleitungsscheitelpunkts (zcrest) an der höchsten Mittellinie über dem Wall, der Tankwand oder der Rohrbrücke.
- Geben Sie die Höhe des endgültigen Druckseitenauslasses (z2) und seine Geometrie an. Geben Sie außerdem an, ob das Rohr in die Luft oder unterhalb der Oberfläche des aufnehmenden Beckens ausläuft.
- Geben Sie den Innendurchmesser (ID) und die Gesamtlänge (L) des Rohrs, den Werkstoff und die Wanddicke an (Länge des ansteigenden Schenkels L1→c, Länge des absteigenden Schenkels Lc→2 sowie SDR bei HDPE oder Schedule bei Stahl).
- Geben Sie die Flüssigkeitstemperatur (°C), den Dampfdruck (Pv), die relative Dichte (SG), die kinematische Viskosität (cSt) und die Feststoffkonzentration der Suspension (wt% und Partikelgröße d50 in μm) an.
- Geben Sie die Standortshöhe über dem Meeresspiegel in Metern und den atmosphärischen Druck (kPa) an, damit die Ingenieure den maximal zulässigen Unterdruck am Scheitelpunkt berechnen können.
- Legen Sie die Regelstrategie für den Scheitelpunkt fest: kontinuierliche Aufrechterhaltung des Siphons (mit Anpassung der Frequenzumrichterdrehzahl und Vakuumbrecher beim Abschalten) oder kontinuierliche Entlüftung zur Atmosphäre am höchsten Punkt.
Häufig gestellte Fragen zu Siphons und Pumpenleitungen
Was ist in Wörterbüchern und in der Technik der Unterschied zwischen „siphon“ und „syphon“?
Technisch gibt es keinen Unterschied zwischen „siphon“ und „syphon“: Beide Schreibweisen bezeichnen dieselbe Vorrichtung zur Flüssigkeitsförderung. In amerikanischen Wörterbüchern und Rohrleitungsnormen von ASME oder AWWA ist siphon die bevorzugte Schreibweise. In britischen und Commonwealth-Katalogen für die Technik steht dagegen häufig syphon, insbesondere bei Kondensatschleifen für Dampfdruckmessgeräte und Spülrohren für Zisternen.
Funktioniert ein Siphon bergauf oder kann er Flüssigkeit höher als den Ausgangsbehälter fördern?
Ein Siphon kann Flüssigkeit nur vorübergehend über einen dazwischenliegenden Höhenrücken oder den Rand eines Tanks heben (bei Wasser mit 20 °C auf Meereshöhe praktisch bis zu 7,0 m bis 8,5 m). Der endgültige Druckseitenauslass muss jedoch immer tiefer liegen als der Flüssigkeitsspiegel im Ausgangsbehälter. Ohne mechanische Pumpe kann die Schwerkraft keinen Nettoförderstrom bergauf zu einem höher gelegenen Auffangbehälter bewirken.
Warum tritt Wasser aus meinem Antisiphonventil aus, wenn die Pumpe abgeschaltet oder gestartet wird?
Kurzes Spritzen beim Anfahren oder Abschalten der Pumpe tritt auf, während der Schwimmerkegel abdichtet oder sich öffnet. Ein anhaltendes Leck deutet jedoch auf einen verschmutzten Elastomersitz, zu hohen Gegendruck oder eine zu tiefe Montage hin. Prüfen Sie, ob sich ein Vakuumbrecher nach ASSE 1001 mindestens 152 mm (6 in) über dem höchsten nachgeschalteten Auslass befindet und kein nachgeschaltetes Absperrventil vorhanden ist.
Ist das Absaugen von Kraftstoff per Siphon illegal, und warum darf man einen Siphon niemals mit dem Mund ansaugen?
Das unerlaubte Abzapfen von Kraftstoff aus Fahrzeugen oder Lagertanks wird als Diebstahl strafrechtlich verfolgt. Wenn Sie Kraftstoff oder Chemikalien mit dem Mund ansaugen, können Kohlenwasserstoffe in die Lunge gelangen und eine chemische Pneumonitis verursachen. Verwenden Sie immer ein selbstansaugendes Schüttelventil, einen mechanischen Handbalg oder eine dafür ausgelegte Pumpe.
Wie verhindert man, dass bei abgeschalteter Tauch- oder Kreiselpumpe Wasser durch die Pumpe siphoniert?
Ermitteln Sie nach dem Abschalten zunächst die Förderrichtung. Fließt Wasser aus einem höher gelegenen Druckbehälter rückwärts durch die stillstehende Pumpe in einen tiefer gelegenen Pumpensumpf ab, hilft ein federbelastetes Rückschlagventil oder eine Rückschlagklappe mit Gummilippe am Pumpendruckstutzen. Liegt die Druckleitung jedoch unterhalb des Saugbehälters und entleert sie sich weiter durch die Schwerkraft, hilft ein Rückschlagventil nicht. Dann muss am höchsten Punkt ein Siphonunterbrecher oder Vakuumbrecher installiert werden.
Kann ein Siphon als Perpetuum mobile unbegrenzt laufen?
Kein Siphon kann als Perpetuum mobile funktionieren, denn der Förderstrom wird durch die potenzielle Energie der Schwerkraft zwischen ungleichen Flüssigkeitsspiegeln angetrieben. Sobald sich die Flüssigkeitsspiegel in beiden Behältern angeglichen haben oder am Einlass Luft eintritt, kommt der Förderstrom automatisch zum Stillstand. Sinkt der Druck in der Saugleitung unter den Dampfdruck des Behälters, kann Kavitation die Flüssigkeitssäule unterbrechen.
Wie dimensioniert man eine Vakuumbrecher- oder Siphonunterbrecheröffnung für eine industrielle Pumpendruckleitung?
Ein Vakuumbrecher am höchsten Punkt wird anhand des maximalen Ablauf-Förderstroms (Qdrain) dimensioniert. Dabei darf der Unterdruck im Rohr den zulässigen Ringbeuldruck des Rohrs nicht überschreiten (bei Kunststoffrohren typischerweise -15 kPa bis -35 kPa). Gemäß AWWA M51 und USBR EM-25 muss ein Luft-Vakuumventil oder eine belüftete Entlüftungsleitung als Siphonunterbrecher am Rohrscheitel einen Nennöffnungsdurchmesser von 0.15 bis 0.25 des Rohrinnendurchmessers haben.
Quellen und Referenzen
- Purdue University School of Mechanical Engineering ME30900 Strömungsmechanik: Analyse der Bernoulli-Gleichung und Siphonkavitation
- U.S. Bureau of Reclamation (USBR) Engineering Monograph 25: Hydraulische Auslegung von Tosbecken und Energiedissipatoren
- Nature Scientific Reports Betrieb eines Siphons im Vakuum und Untersuchung von Kohäsionsspannung gegenüber atmosphärischem Druck (srep04741)
- Physics Education / PubMed Central Kettenmodell im Vergleich zum atmosphärischen Druck bei der Siphonmechanik (PMC4667279)
- ANSI / ASSE Standard 1001-2017 Leistungsanforderungen für atmosphärische Vakuumbrecher zur Montage an Rohrleitungen
- U.S. Environmental Protection Agency (EPA) Verhinderung von Querverbindungen: Leitfaden bewährter Verfahren zu Rücksaugen und Vakuumbrechern
- ASSE International Verzeichnis der Produktnormen für Sanitärtechnik und Rückflussverhinderung (ASSE 1001, 1013, 1020)
- Pumps & Systems Magazine Siphons und Siphoneffekt in Pumpendruckleitungen mit Gefälle
- CalPoly BioResource and Agricultural Engineering Lufteinschlüsse und kritische Geschwindigkeit zur Luftabfuhr in Rohrleitungssystemen
- Kansas State University Research and Extension Handbuch zur hydraulischen Auslegung von Freispiegel- und Siphonleitungen
- Inveno Engineering Best Practice 17: ASME B40.100-Pigtails und Rohrschlangensiphons für Dampfdruckmessgeräte
- United States Patent and Trademark Office (USPTO) US20090020163A1: Automatische Siphonunterbrecher-Ventilbaugruppe für Pumpendruckleitungen
