Grenze der Zulaufhöhe

Im Scheitel des Hebers herrscht ein verringerter Druck ${\displaystyle p_{1}}$, der temperaturabhängig ab einer gewissen Scheitelhöhe ${\displaystyle h_{1}}$ und geringem äußerem Luftdruck ${\displaystyle p_{0}}$ zum Sieden der Flüssigkeit ausreicht. Dabei wird am Scheitelpunkt eine dem Niveauunterschied entsprechende Höhe von einem Dampf-Flüssigkeitsgemisch durchflossen („Wasserfall-Phänomen“, Dampf aufgrund von Kavitation), ehe die Strömung bei weiter fallendem Luftdruck oder weiterem Anheben des Scheitelpunkts unterbrochen wird.

Für große Leitungsdurchmesser ${\displaystyle 2r>1\;\mathrm {mm} }$ ist der Kapillareffekt im Allgemeinen vernachlässigbar. Die Höhe ${\displaystyle h_{1}}$ ist daher durch die maximale geodätische Saughöhe begrenzt. Diese ist proportional zum Druck ${\displaystyle p_{0}-p_{1}}$, wenn ${\displaystyle p_{1}}$ dem Dampfdruck der Flüssigkeit entspricht. Voraussetzung ist, dass es nicht zum Siedeverzug kommt; unter entsprechenden Laborbedingungen, die Siedeverzug ermöglichen (mit entgastem Wasser), ist auch eine Überschreitung der geodätischen Saughöhe darstellbar. Oberhalb der geodätischen Saughöhe ist der Druck innerhalb des Hebers so gering, dass gasförmig der eigentlich stabile Zustand ist (vergleiche das Phasendiagramm der Flüssigkeit). Daher befindet sich die Flüssigkeit in diesem Bereich in einem metastabilen Zustand.

Bei normalem Luftdruck ${\displaystyle p_{0}=1013\;\mathrm {hPa} }$, Erdbeschleunigung ${\displaystyle g=9{,}81\;\mathrm {m} /\mathrm {s} ^{2}}$, Dampfdruck ${\displaystyle p_{1}=23\;\mathrm {hPa} }$ und Dichte ${\displaystyle \rho =998\;\mathrm {kg} /\mathrm {m} ^{3}}$ von Wasser bei 20 °C erhält man für große Leitungsdurchmesser eine maximale Scheitelhöhe von

${\displaystyle h_{1,\max }={\frac {p_{0}-p_{1}}{\rho g}}=10{,}112\;\mathrm {m} }$.

Je geringer der Leitungsdurchmesser ${\displaystyle 2r}$, desto stärker ist der Kapillareffekt. Dieser kommt dadurch zustande, dass die Kohäsionskräfte der Flüssigkeitsmoleküle an Phasengrenzen, also der Oberfläche zwischen Gas und Flüssigkeit sowie Flüssigkeit und Leitungsmaterial eine resultierende Adhäsionskraft ergeben. Diese führt dazu, dass die Flüssigkeit auch ohne eine Druckdifferenz ${\displaystyle p_{0}-p_{1}}$ eine gewisse Höhe in der Leitung aufsteigen kann. Die Kapillarkräfte addieren sich zu den Kräften aufgrund der maximal möglichen Druckdifferenz ${\displaystyle p_{0}-p_{1}}$. Bei einem Leitungsdurchmesser von ${\displaystyle 2r=1\;\mathrm {mm} }$, einer Oberflächenspannung ${\displaystyle \sigma =0{,}07\;\mathrm {N} /\mathrm {m} }$ und einem Kontaktwinkel ${\displaystyle \theta =20^{\circ }}$ ist die maximale Zulaufhöhe dann

${\displaystyle h_{1,\max }={\frac {1}{\rho g}}\left(p_{0}-p_{1}+{\frac {2\sigma \cos \theta }{r}}\right)=10{,}125\;\mathrm {m} }$,

also aufgrund des Kapillareffekts um 13 Millimeter höher als bei großen Leitungsdurchmessern. Ein Heber mit geringem Leitungsdurchmesser, der diesen Effekt nutzt, wird Kapillarheber genannt.

Heberwehr

Der Saughebereffekt wird in größerem Maßstab bei der Hochwasserentlastung von Talsperren angewandt. Ein gut zugängliches Beispiel für eine Hochwasserentlastung, die als Heberwehr konstruiert ist, kann man am Auslaufbauwerk des Hochwasserrückhaltebecken Treysa-Ziegenhain besichtigen.

Pumpenersatz nach Flutkatastrophen

(Selbstgebaute) Heber aus wassergefüllten Schläuchen können nach einer Flutkatastrophe anstelle einer Pumpe zum Leeren überfluteter Keller und Areale eingesetzt werden, sofern das Wasser dabei in ein tiefergelegenes Areal abgelassen werden kann.

Alternativ dazu werden Rohre verwendet, die bei Einlass und Auslass verschließbar sind und an der obersten Stelle der Konstruktion über eine sperrbare Einlass-Öffnung verfügen. Durch diese wird die Rohrkonstruktion mit Schlammwasser oder Leitungswasser befüllt und anschließend oben verschlossen. Öffnet man anschließend Einlass und Auslass, entleert sich das überflutete Areal. Mitunter hilft eine ansaugende Pumpe, dazu verwendete Rohre oder Schläuche mit Wasser zu füllen, das danach auch ohne Pumpe weiterrinnt.

Dies geschieht umso schneller, je größer die Höhendifferenz zwischen Wasseroberfläche oben und Wasserspiegel unten (oder Auslassöffnung unten) und (nicht nur wegen des größeren Durchmessers, sondern auch, aufgrund des Gesetzes von Hagen-Poiseuille, wegen geringerer Reibung an der Wandung) je größer der Schlauch- oder Rohr-Radius ist:

Fördermenge in m³/h = ca. 50.000 · (Höhendifferenz in m · Radius in m)².

Bemerkenswert ist die Abhängigkeit des Volumendurchflusses von der vierten Potenz des Radius des Rohres, so würde beispielsweise eine Verringerung des Rohrdurchmessers auf die Hälfte den Strömungswiderstand auf das 16fache erhöhen. Ein Feuerwehrschlauch fördert beispielsweise mit einem Durchmesser von 10 cm bei einer Höhendifferenz von 1 Meter ca. 125 Kubikmeter Wasser pro Stunde. Bei einem kleineren Schlauch (ca. 1–5 mm) wird die errechnete Leistung wegen des Schlauchwiderstands nicht erreicht. Bei einem noch kleineren Schlauch (< 1 mm) ist die Kapillarwirkung stärker als der Druckunterschied aufgrund der Höhendifferenz.

Üblicherweise wird ein Schlauch wie ein „U“ gehalten, der Schlauch mit Wasser gefüllt und ohne dass Luft in den Schlauch eindringt oder das eingefüllte Wasser ausläuft zuerst der Schlauch unter den Wasserspiegel des „Oberwassers“ gehalten und dann der Ablaufschlauch unterhalb verlegt. Es ist auch möglich, einen Schlauch in die Flüssigkeit des zu entleerenden Behälters zu versenken, bis er vollständig gefüllt ist. Dann wird das Ende des Schlauches verschlossen (evtl. durch Abknicken), aus dem Behälter gezogen und außerhalb unter das Flüssigkeitsniveau geführt und dort geöffnet.

„Hamburger Heber“ für Abwasser

Mittels eines sogenannten „Hamburger Hebers“ (erfunden in Hamburg) kann feststoffreiches Abwasser statt über einen Düker unterhalb einer Straße über eine Heberleitung oberhalb fließen. Sich absetzende Feststoffe verstopfen die Leitung weniger als bei einem Düker.

Dekantieren (in der Verfahrenstechnik)

Das Heberprinzip lässt sich auch beim Abziehen (Dekantieren) von Wein aus einem Gärballon oder zum Abziehen des Überstandes nach einem Sedimentationsprozess anwenden.

Handpumpen

Mit einer Handpumpe können Flüssigkeiten beispielsweise aus Fässern abgepumpt werden, wenn die Auslassöffnung tiefer als die Einlassöffnung liegt. Zum Füllen des eintauchenden Schlauchs oder eines Rohres, an dessen Ende ein Schlauch befestigt ist, werden verschiedene Methoden angewandt:

• Ansaugen notfalls durch Saugen mit dem Mund (am Ende des Schlauchs oder an einer zusätzlichen Rohröffnung – „T-Stück“),
• ansaugen mit einem Saugball
• durch Einstoßen des Rohres in die Flüssigkeit, wobei eine im Rohr befindliche Rückschlagklappe das Zurückfließen verhindert,
• durch Ziehen eines Schwammes oder Balles an einer Schnur oder eines Kolbens an einer Stange durch das Rohr
• durch Einblasen von Atemluft mithilfe eines zweiten Schlauches in das Gefäß (Prinzip wie bei einer gläsernen Spritzflasche) um einen Überdruck zu erzeugen. Die Öffnung des Gefäßes wird mit einem Lappen notdürftig luftdicht verschlossen.

Ablaufsiphon

Ein Ablaufsiphon (englisch siphon pump) ist ein hydraulisches Bauteil, das unter Ausnutzung des Heberprinzips einen (Wasser)Behälter in Intervallen in einem Schwall automatisch und ohne nötige Überwachung entleert. Dazu muss das Wasser in einem nach unten gebogenen Rohr oder in einer Glocke, die auf ein Wasserstandsrohr aufgestülpt ist, überlaufen.

Die Erfindung des Ablaufsiphons wird dem griechischen Philosophen Pythagoras von Samos (um 570 – 510 v. Chr.) zugeschrieben, der das Prinzip im Pythagoreischen Becher angewandt haben soll.

Das Wort Siphon ist eine Entlehnung aus dem französischen siphon (für „Heber“), das auf das lateinische sīpho zurückgeht, welches wiederum aus dem altgriechischen σίφων (síphōn) (für „(Wasser-)Röhre“) entlehnt worden ist. Gemeinsame Eigenschaft aller Siphone (beispielsweise Siphon (Höhlenkunde) oder beim Röhrensiphon) ist ein U-förmig gebogenes Rohr, das im Betrieb vollständig mit Wasser gefüllt ist.

Ein Ablaufsiphon wird bei mehreren Verfahren verwendet: