Strahlpumpe

Eine Strahlpumpe bewegt ein Fluid mit Hilfe eines anderen: Ein schneller Strahl aus Wasser, Dampf oder Luft tritt aus einer Düse und reißt das umgebende Fluid mit, ohne Kolben, Rad oder Ventil. Die älteste bekannte Beschreibung ist die des Wassergebläses, das Giambattista Della Porta in Rom Öfen anblasen sah und 1589 in seiner Natürlichen Magie abdruckte.

Was es ist

Eine Strahlpumpe fördert ein Fluid mit Hilfe eines anderen Fluids. Ein schneller Strahl aus Wasser, Dampf oder Luft tritt aus einer Düse, und das Fluid um ihn herum wird erfasst und mit dem Strahl fortgetragen. Das Gerät hat weder Kolben noch Laufrad noch Ventil. Es braucht nur einen Vorrat an Treibfluid, unter Druck oder aus einer gewissen Höhe fallend, und kann damit Wasser heben, Luft absaugen, zwei Flüssigkeiten mischen oder Wasser in einen Kessel drücken.

Dieselbe Idee trägt mehrere Namen. Ein Ejektor oder Eduktor wird von einer Flüssigkeit oder von Dampf getrieben und saugt oder mischt ein anderes Fluid. Ein Injektor drückt mit einem Dampfstrahl Wasser in eben den Kessel, der den Dampf erzeugt. Die Wasserstrahlpumpe des Labors hängt an einem Wasserhahn und saugt die Luft aus einer Flasche. Das Wassergebläse, französisch trompe, nutzt fallendes Wasser, um Luft anzusaugen und ein Feuer anzublasen.

Bei einem Wassergebläse für eine Schmiede fällt Wasser aus einer Rinne in ein senkrechtes Rohr, das nahe seinem oberen Ende Luftlöcher hat. Das fallende Wasser nimmt die Luft mit hinab in einen geschlossenen Windkasten; dort trifft das Wasser auf einen Stein und läuft unten ab, während sich die Luft oben sammelt. Ein Rohr führt diese Luft zur Blasdüse, durch die der Wind ins Schmiedefeuer tritt. Das Wassergebläse lieferte einen gleichmäßigen Wind ohne Blasebälge und war in Eisenschmieden Italiens, Spaniens und anderer Mittelmeerländer bis ins 19. Jahrhundert in Gebrauch.

Wie es funktioniert

Ein Rohr, das sich zu einer Düse verengt, beschleunigt das Treibfluid, und je schneller es wird, desto mehr sinkt sein Druck. Der Strahl tritt aus der Düse in eine Kammer mit einer zweiten Öffnung, dem Sauganschluss. Dort ist der Druck um den Strahl niedriger als im Fluid draußen, sodass dieses Fluid zum Strahl hin strömt.

Die Düse erzeugt einen schnellen Strahl, im Mischrohr reißt er das angesaugte Fluid mit, und der sich weitende Kegel verwandelt Geschwindigkeit wieder in Druck.

Hinter der Düse treten Strahl und angesaugtes Fluid gemeinsam in ein gerades Mischrohr. Der schnelle Strahl wird langsamer, das langsame Fluid schneller, bis beide als ein Strom fließen. Die Mischung gelangt dann in einen Diffusor, einen Kegel, der sich langsam erweitert. Während der Strom darin langsamer wird, wird seine Geschwindigkeit wieder zu Druck, und die Mischung verlässt das Gerät mit höherem Druck, als das Fluid am Sauganschluss hatte. So arbeitet Giffards Dampfstrahlinjektor: Der Dampf kondensiert im angesaugten kalten Wasser, und die Mischung verlässt den Diffusor mit einem Druck knapp über dem des Kessels, sodass sie in ihn eintreten kann.

Beim Wassergebläse ist das Treibfluid Wasser und das angesaugte Fluid Luft. Am Kopf des Fallrohrs passiert das Wasser eine Verengung, und gleich darunter öffnen sich Luftlöcher ins Freie. Das fallende Wasser saugt durch diese Löcher Luft an und trägt sie als Blasen nach unten. Unten tritt das Gemisch in den Windkasten und prallt auf einen flachen Stein. Die Blasen steigen auf, und die Luft sammelt sich unter dem Deckel, während das Wasser durch eine Öffnung abfließt, die stets unter dem Spiegel des äußeren Beckens liegt, damit dort keine Luft entweicht. Die Luft im Kasten drückt das Wasser darin unter den Spiegel draußen. Der Unterschied zwischen diesen beiden Spiegeln bestimmt den Druck des Windes.

Auch eine moderne Brunnenpumpe nutzt einen Ejektor. Eine Kreiselpumpe an der Oberfläche schickt einen Teil ihres Wassers zu einer Düse im Brunnen oder im Pumpengehäuse. Der Strahl hebt das Brunnenwasser mit, und die Pumpe gibt den Rest des Wassers an das Haus weiter.

So geht’s

Wer quer über das obere Ende des senkrechten Halms bläst, hebt das Wasser an und versprüht es.

Zwei Trinkhalme und ein Glas Wasser ergeben eine funktionierende Strahlpumpe nach Art eines Zerstäubers. Füllen Sie ein Glas fast bis zum Rand mit sauberem Wasser und stellen Sie es auf ein Tablett oder über ein Spülbecken. Schneiden Sie einen Halm mit der Schere in zwei Stücke. Stellen Sie ein Stück senkrecht ins Wasser, sodass sein oberes Ende ein wenig aus der Oberfläche ragt. Halten Sie den anderen Halm waagerecht, mit seinem Ende am oberen Ende des senkrechten Stücks und im rechten Winkel dazu, sodass seine Öffnung quer über die Öffnung des senkrechten Halms bläst.

Blasen Sie kräftig und gleichmäßig durch den waagerechten Halm. Die Luft muss über das obere Ende des senkrechten Halms streichen, nicht hineinblasen. Das Wasser steigt im senkrechten Halm auf und tritt oben als Wolke feiner Tröpfchen aus, die Ihr Atem fortträgt. Die schnelle Luft senkt den Druck über dem senkrechten Halm, die auf das Wasser im Glas drückende Luft schiebt das Wasser nach oben, und der Luftstrahl zerreißt es in Tropfen. Geschieht nichts, stecken Sie den senkrechten Halm tiefer ins Wasser, damit weniger davon herausragt, und bringen Sie die beiden Enden näher zusammen.

Sicherheit: Verwenden Sie nur sauberes Wasser, nie eine andere Flüssigkeit, arbeiten Sie über einem Tablett oder Spülbecken und wischen Sie verschüttetes Wasser auf, damit niemand ausrutscht. Durch die Halme blasen, nie saugen. Setzen Sie niemals einen Halm, eine Wasserstrahlpumpe oder ein anderes Sauggerät an irgendeinen Teil des Körpers an. Industrielle Ejektoren und Dampfstrahlinjektoren arbeiten mit hohen Drücken, Dampf und manchmal Chemikalien; nur geschultes Personal darf mit ihnen umgehen.

Geschichte und Entwicklung

Im Jahr 1589 veröffentlichte der neapolitanische Gelehrte Giambattista Della Porta in Neapel die erweiterte Ausgabe seiner Natürlichen Magie in zwanzig Büchern. Ihr Buch über die Luft erklärt, wie Luft die Arbeit von Blasebälgen tun kann: Wasser, das durch einen Trichter in eine kleine geschlossene Kammer gegossen wird, treibt die Luft durch ein Loch so kräftig hinaus, dass sie Öfen für Messing und Eisen anblasen kann. Er schreibt, er habe das in Rom gesehen. Historiker der Metallurgie sehen darin die älteste bekannte Beschreibung des Wassergebläses. Das Gerät verbreitete sich in Schmieden Italiens, Spaniens und anderer Mittelmeerländer; die katalanischen Schmieden waren dafür bekannt, und das Französische gab ihm den Namen trompe, den auch englische Autoren übernahmen.

Im späten 18. Jahrhundert bekam das Wassergebläse eine Theorie. 1797 veröffentlichte der italienische Physiker Giovanni Battista Venturi seine Versuche darüber, wie ein strömendes Fluid das Fluid neben sich mitnimmt, und die Encyclopaedia Britannica von 1801 schrieb ihm die erste genaue Erklärung des Wassergebläses zu.

Der französische Ingenieur Henri Giffard, der eine leichte Dampfmaschine für das Luftschiff gebaut hatte, mit dem er 1852 flog (siehe Luftschiff), suchte nach einem leichteren Weg, einen Kessel mit Wasser zu speisen, als die Dampfpumpen seiner Zeit. 1858 erhielt er das Patent auf seinen Injektor, in dem ein Dampfstrahl aus dem Kessel Wasser in eben diesen Kessel drückt. Er hatte keine bewegten Teile, und die Eisenbahnen übernahmen ihn, um die Kessel ihrer Lokomotiven zu speisen.

Eine gläserne Wasserstrahlpumpe am Hahn saugt die Luft aus einer Flasche, und die Außenluft drückt die Flüssigkeit durch den Filter.

Im Jahr 1865 beschrieb Hermann Sprengel, ein in London tätiger Chemiker, eine Luftpumpe, in der ein dünner Strahl fallenden Quecksilbers die Luft eines Gefäßes in kleinen Portionen zwischen den Tropfen hinausträgt. 1868 veröffentlichte Robert Bunsen eine Filtriereinrichtung aus einer dickwandigen Flasche, einer nach Sprengels Prinzip gebauten gläsernen Wasserpumpe, einem Manometer und einer Sicherheitsflasche. Die Pumpe wurde bald Bunsen-Pumpe genannt, ein Name, den Sprengel 1881 in einem Brief an Nature bestritt. Die gläserne Wasserstrahlpumpe am Hahn wurde zu einem gewöhnlichen Laborgerät für das Filtrieren. Strahlpumpen verbreiteten sich später überall dort, wo ein Treibfluid zur Hand war und bewegte Teile störten: Ejektoren heben zusammen mit einer Kreiselpumpe an der Oberfläche Wasser aus Brunnen, und Eduktoren mischen und fördern Flüssigkeiten überall dort, wo Wasser unter Druck zur Verfügung steht.