Getestete Umwälzpumpen für den Einsatz als Druck-Mix-Pumpe
Der allererste Versuch mit einer Umwälzpumpe aus einer Spülmaschine zum Einmixen von H2-Gas ins Badewasser war nicht erfolgreich, weil die Mixleistung und der erzeugte Druck zu gering waren. Daraufhin habe ich eine Pumpe nach dem Prinzip "Viel hilft viel" ausgewählt, so wie hier beschrieben.
Meine erste Pumpe mit hohem Durchfluss (600 Watt, 25 l/min bei 4 bar und 15 l/min bei 5 bar)
Diese Pumpe PKm70 von Pedrollo hatte ich zuerst gekauft, um mit ihr die 2 Wirbelduschen des Typs "Magic7" als Ausströmer zu betreiben. Diese Pumpe hat eine Leistung von 600 W und nach Kennlinie fließen ca. 25 l/min bei 4,2 bar und ca. 15 l/min bei 5,2 bar Gegendruck. Durch jeden der beiden Duschköpfe fließen nach Datenblatt 9 l/min bei einem idealen Druck von 4,5 bar, und es wäre auch noch zulässig, die Duschen mit bis zu 9 bar zu betreiben. Durch die zwei Duschen sollten also theoretisch 18 l/min bei einem Gegendruck von 4,9 bar fließen. Gemessen habe ich 4,4 bar.
Hier Bilder von meinem allerersten Versuch, H₂‑Gas in Badewasser zu mixen.
Bild 1: Umwälzpumpe PKm70 auf einem Rollbrett montiert Bild 2: Daneben ein Inhalator gestellt, der 2 mal 300 ml/min H₂‑Gas liefert.
Der auf den Bildern oben gezeigte Standard-Duschschlauch mit ∅ 7 mm als Druckschlauch erwies sich als zu dünn, daher habe ich ihn noch durch einen transparenten Gardena-Gartenschlauch (∅ 12 mm) mit den praktischen Schnellkupplungen ersetzt. Die Schnellkupplung erleichtert auch das Füllen der Schläuche vor dem Start der Umwälzpumpe, wenn, wie in Bild 3 gezeigt, auch ein Schnellanschluss am Wasserhahn angebracht wird.
Bild 3: Zwei defekte Wirbel-Duschen "Magic7" und als Ausströmer (unter Wasser stören die Undichtigkeiten durch Risse in den Duschen nicht.)
Bild 4: Der Ansaugschlauch endet in einem Edelstahl-Siebkorb, der das Ansaugen grober Partikel verhindert, und in den zugleich das H₂‑Gas aus dem Inhalator eingeleitet wird. (Es genügt auch, den kleinen weißen H2-Schlauch in die Nähe der Ansaugung zu platzieren, oder ihn mit Tape am Saugschlauch festzukleben.)
Diese Version mit 2 Wirbelduschen, die sich der Rundung der Badewanne anpassen und das Badewasser zusätzlich intensiv verwirbeln, ist die "Edel-Version" eines möglichen Ausströmers am Druckschlauch.
Achtung: Der transparente Gardena-Schlauch ohne Gewebeverstärkung ist mir später geplatzt! Den angegebenen Druck hält der Schlauch nur mit kaltem Wasser aus.
Elektronische Druckregelung der Pumpe PKSm70
Bild 5: Ergänzung der ersten Konfiguration aus Bild 2 um eine Schallschluck-Haube, eine elektronische Druckregelung und einen Zapfhahn zur Probenentnahme für die Messung des H2-Gehalts
Um auch andere Ausströmer testen zu können, die nach Möglichkeit nicht so teuer, aber ähnlich effektiv sind, habe ich diese Pumpe später mit einem elektronischen Frequenzumrichter betrieben, mit dem der Druck unabhängig vom möglichen Durchfluss des Ausströmers vorgegeben werden kann.
Hier ist dieses das "Bade-Monster" beschrieben.
Es zeigte sich jedoch, dass mit der Druckreduzierung durch Reduzierung der Drehzahl auch die Effektivität beim Einmixen von H₂‑Gas stark sinkt. Die Mixer-Pumpe sollte also möglichst ungeregelt betrieben, und der Ausströmer so angepasst werden, dass dieser an der Pumpe den gewünschten Druck von 4 bis 5 bar verursacht.
Zweite Pumpe mit halber Durchflussleistung (550 Watt, 15 l/min bei 4 bar und 5 l/min bei 5 bar)
Erstaunlicherweise ist diese Pumpe PKm65 von Pedrollo trotz halbem Wasserdurchsatz in Bezug auf das Einmixen von H2-Gas leistungsfähiger!
Vermutlich liegt das daran, dass diese Pumpe bei ähnlicher Leistung in Watt und gleicher Drehzahl ein kleineres "Schaufelrad" (s.o, Nr. 3) mit fast doppelt so vielen "Schaufeln" hat, wodurch das H₂‑Gas feiner "ein-mixt" wird. Nur so kann ich mir erklären, warum diese Variante trotz halber Durchflussmenge, etwas geringerer Energie-Leistung und etwas geringerem Gegendruck effektiver arbeitet.
Diese Variante habe ich hier als bestes Preis-Leistungs-Verhältnis beschrieben.
Das H₂‑Gas direkt an der Pumpe einleiten
Eine weitere Verbesserung ist es, das H₂‑Gas nicht vorn am Saugschlauch selbst ansaugen zu lassen, sondern es direkt am Saugstutzen der Pumpe einzuleiten. Das hat den Vorteil, dass das H₂‑Gas sich nicht mehr auf dem Weg zur Pumpe in großen Blasen ansammeln kann und dadurch unvollständig eingemixt wird, sondern als feine kontinuierliche Bläschenkette in den "Mixer" gelangt.
Damit im Stillstand der Pumpe kein Wasser in die Gaszuführung drücken kann, ist es sinnvoll, das H₂‑Gas über ein Rückschlagventil einzuleiten.
Während des Betriebs der Pumpe entsteht in der Gasleitung aber auch ein leichter Unterdruck, der das H₂‑Gas aus dem Inhalator "saugt", wodurch ohne das Rückschlagventil auch Inhalatoren verwendet werden können, die das Gas nur völlig drucklos abgeben können. Als Sicherung, dass kein Badewasser in den Inhalator gedrückt werden kann, sollte dann in den Gasschlauch eine "Wasserfalle" eingebaut werden, wie sie bei den meisten Inhalatoren schon mitgeliefert wird. Diese Varianten der H₂‑Gas-Einleitung habe ich ausprobiert.
Dritte Pumpe wie zuvor, aber in der Variation "selbstansaugend"
Die Pumpe PKSm65 von Pedrollo entspricht weitgehend der zweiten Pumpe PKm65, hat aber oben eine zusätzliche Ansaug-Kammer mit einer Gummi-Ventil-Klappe, wodurch sie in der Lage ist, das Wasser selbst anzusaugen, wenn in der Pumpe bereits etwas Wasser ist. Das ist komfortabler in der Handhabung. Diese Version ist aber auch deutlich teurer und es ist schwieriger, das H₂‑Gas wirkungsvoll einzuleiten. Erfolgt die Einleitung vor der Ansaug-Kammer, sammelt sich das Gas in der Kammer wieder zu ungünstig großen Blasen, bevor es ins Wasser eingemixt werden kann.
Bei dieser Pumpe muss also der H₂‑Gas-Austritt unten in der Ansaug-Kammer unmittelbar vor dem Schaufelrad erfolgen. Dazu muss die Pumpe angebohrt und mit einem H2-Gas-Anschluss versehen werden.
Vierte Pumpe mit sehr hoher Druckleistung (750 Watt, maximal 19,5 l/min bei 8 bar)
Diese Pumpe PV90 von Pedrollo erwies sich leider für sich genommen als ungeeignet zum Einmixen von H2-Gas, wenn das Gas, so wie zuvor immer, direkt vor der Pumpe in die Ansaugleitung eingeleitet wird. Diese Pumpe neigt dazu, dass sich die Gasbläschen in der Pumpenkammer ansammeln und dann schon nach kurzer Zeit gar kein Wasser mehr gefördert wird.
Vermutlich liegt das daran, dass die Kennlinie im Vergleich zu den anderen Pumpen viel steiler verläuft, da sie zum Erreichen sehr hoher Drücke optimiert wurde. Diese Pumpe erreicht 8,8 bar bei 5 l/min Druck, was einer Förderhöhe von 88 Metern entspricht!
Da war meine Enttäuschung zuerst riesengroß, aber dann kam mir die Idee, die selbstansaugende Pumpe PKSm65 dieser Pumpe vorzuschalten. Auf diese Weise entsteht eine "Kombipumpe" aus PKSm65 + PV90, die sowohl selbstansaugend ist, als auch eine weitere Drucksteigerung bringt!
Diese Kombipumpe verbraucht dann schon 1300 Watt (plus Inhalator 200 bis 400 Watt). Eine Zusatzheizung zum Warmhalten des Badewassers kann dann an einer gewöhnlichen Haushaltssicherung mit 16 A nicht mehr betrieben werden, aber die Pumpen geben selbst schon so viel Wärme an das Wasser ab, dass die Wassertemperatur in einer nach unten isolierten Badewanne nicht unter 37 °C abkühlt.
Außerdem ist es jetzt auch möglich, die zweite Pumpe PV 90 mit einer elektronisch gesteuerten Druckregelung zu versehen, ohne dass durch die heruntergeregelte Drehzahl das H₂‑Gas schlechter reingemixt wird, weil das ja schon die erste Pumpe erledigt hat. So kann der Druck jetzt auch an den jeweils verwendeten Ausströmer und die Liefermenge an H₂‑Gas des Inhalators angepasst werden.
Bild 6: Mein fertiges "High-End"-Kompakt-Gerät mit Doppelpumpe, elektronischer Druckregelung und zusätzlichem Auslass nach der ersten Druckstufe, wenn die geringere Leistung der Pumpe PKSm65 ausreicht. Die beiden Manometer und das blaue Durchflussmessgerät dienen der Geräte-Entwicklung und könnten auch entfallen.
Bild 5: Der Sicherungskasten enthält einen empfindlichen FI-Schalter (Personenschutz), einen Anlaufstrombegrenzer und eine Steckdose für den Inhalator.
Hier die gemessene Kennlinie dieser "Kombipumpe" der Effekt der elektronischen Druckregelung dieser bei einer guten Ausströmer-Variante.
Andere Ausströmer
Wie genau das Wasser nach der Anreicherung zurück in das Badewasser geleitet wird, ist von entscheidender Bedeutung für diese Mix-Methode! Das mit 4 bis 7,5 bar in den Druckschlauch gepresste H2-Wasser ist bei freiem Ausströmen in atmosphärischen Druck mit 1,3 bis 4 ppm H2-Gehalt übersättigt und jede Verwirbelung oder plötzliche Druckänderung lässt das bereits im Wasser gelöste H2-Gas wieder als Bläschen oder "Nebel" in die Luft entweichen.
Hier einige Beispiele unterschiedlichster Ausströmer, die ich getestet habe
Eigene Varianten entwickeln
Nach diesem Prinzip lassen sich sicherlich auch Geräte mit schwächerer oder noch stärkerer Leistung bauen. Weil das Badewasser immer wieder umgepumpt wird, sind auch Inhalatoren ausreichend, die nur 200 bis 300 ml/min angeben können, weil ja in dem wieder angesaugten Badewasser dann schon etwas H₂‑Gas gelöst ist und sich mit jedem Durchlauf weiter anreichert. Soll die mit der Pumpe maximal mögliche H₂‑Anreicherung schon im ersten Durchlauf erreicht werden, ist entsprechend H₂‑Gas zur Verfügung zu stellen.
Meine erste Pumpe hatte ich so gewählt, dass sie bei 4–5 bar Druck die gesamten 200 Liter Wasser in der Wanne innerhalb von ca. 10 Minuten einmal umwälzt. Die zweite Pumpe braucht dafür schon 20 Minuten. Am effektivsten ist es entsprechend, eine Sitzbadewanne zu verwenden, weil die anzureichernde Wassermenge viel geringer ist, und auch die kleinere Wasseroberfläche weniger H₂‑Gas wieder austreten lässt.
Anleitung für die Auswahl von Umwälzpumpen und Ausströmern
Hier beschreibe ich eine der vielen Möglichkeiten, ein Gerät zur Anreicherung von Badewasser mit H₂‑Gas zu bauen, das auf der Idee basiert, Wasserstoffgas mit in eine Umwälzpumpe für das Badewasser ansaugen zu lassen. Am Ende beschreibe ich, wie eigene Geräte mit anderen Bauteilen entworfen werden können. Soll das Wasser in erster Linie einen kosmetischen Nutzen haben, genügen auch schon weitaus kleinere Geräte, so wie die ebenfalls vorgestellte H2-Haube ohne Umwälzpumpe.
Einfache Alternativen mit anderen Pumpen und Ausströmern selbst entwerfen
Die erste Überlegung sollte sein, wie viel Wasser mit H2-Gas angereichert werden soll, denn die Wassermenge bestimmt die erforderliche Leistung der Pumpe, bzw. wie lange es dauert, bis das Wasser an die Sättigungsgrenze kommt.
Die Pumpe, welche ich gewählt habe, wälzt das Wasser in 10 Minuten einmal um. Bei 200 Litern Wasser in der Wanne bedeutet das eine Pumpleistung von 20 Litern je Minute. Das scheint ein sinnvoller Wert zu sein, denn nach 2 Umwälzungen ist das Wasser offenbar bereits nahe an der Sättigungsgrenze.
Damit die Methode funktioniert, sollte der Wasserdruck nach der Pumpe schon einen Wert von 4–5 bar erreichen. Der Ausströmer, durch den das Wasser gepresst wird, sollte bei 4–5 bar Druck in diesem Beispiel also nur etwa 20 l/min durchlassen, und er sollte bei diesem Druck unter Wasser einen oder mehrere kräftige Wasserstrahlen erzeugen, die das eingemixte H₂‑Gas noch feiner zerstäuben und den Wasserinhalt der Wanne etwas durchmischen.
Hier kommt jetzt die sogenannte Pumpenkennlinie ins Spiel, die angibt, wie viel Wasser eine Pumpe bei unterschiedlichem Gegendruck in bar noch pumpt, bzw. bis in welche Förderhöhe in Metern die Pumpe noch die gewünschte Wassermenge transportieren kann (1 bar entspricht dabei 10 m Förderhöhe). Bei einem gewünschten Druck von 4 bar sollte die Förderhöhe dann also 40 m sein.
Hier sind die Pumpenkennlinien des von mir gewählten Pumpentyps angegeben, wobei beliebige Fabrikate verwendet werden können, die den Druck über ein schnell drehendes Schaufelrad erzeugen (also Impeller- oder Peripherrad-Pumpen und keine Membran- oder Zahnrad-Pumpen):
In dem obigen simplen Bauvorschlag hatte ich etwa den Typ PKm 70 gewählt (gleiche Daten wie PQm 70, nur andere Rohrabgänge), der bei einem Durchfluss von 20 l/min 47 m hoch pumpen kann, also einen Druck von 4,7 bar erreicht. Bei der nächstgrößeren Pumpe wäre der Druck 5,1 bar und bei der kleineren PQm 65 nur 3,6 bar. Damit die kleinere Pumpe auch etwa 5 bar erreicht, müsste der Durchfluss durch den Ausströmer entsprechend der Pumpenkennlinie (oder der Tabelle) auf 5 l/min gedrosselt werden. Die Pumpe PQM 65 ist also für 5 bis 15 l/min geeignet, und die Pumpe PQm 70 für 17 bis 28 l/min, damit der Druck beim Einmixen zwischen 4 und 5 bar liegt.
Umgekehrt ist es auch möglich, für einen vorhandenen Ausströmer die passende Pumpe zu finden, um ihn diesen z.B. mit 3–4 bar zu betreiben.
Dazu den Ausströmer zunächst an die Hauswasserleitung anschließen und die Zeitdauer stoppen, die es braucht, um damit einen 10‑Liter-Wassereimer zu füllen. Daraus errechnet sich dann die Durchflussmenge [l/min] = 600 / Zeitdauer [in Sekunden]
Real ist die Durchflussmenge natürlich etwas größer, wenn die Pumpe mehr Druck als die Hauswasserleitung liefert, aber es ist eine erste zielführende Abschätzung.
Ist die so ermittelte Durchflussmenge z.B. 14,3 Liter je Minute (wie bei einem einzelnen der hier verwendeten Rasensprenger), kann ich diesen mit der Pumpe PQm 65 betreiben, um etwa auf 4 bar zu kommen. Mit der Pumpe PQm 70 würde an dem Sprinkler ein Druck von ca. 5 bar ankommen, aber laut Beipackzettel sind nur 4 bar erlaubt.
Hier ein simples, praktisches Beispiel:
Als Umwälzpumpe habe ich die Impeller-Pumpe PKm 70 von Pedrollo (252 EUR incl. 5-Wege-Anschluss, Manometer und div. Reduzier-Nippeln) und als Ausströmer zwei Gartensprinkler und eine Packung mit Schlauchkupplungen (36 EUR) verwendet. Die Rohrverbindungen zwischen den beiden Sprinklern kosteten 22 EUR im Toom-Baumarkt. Und so werden die beiden Sprinkler vom ALDI zu einem Ausströmer verschraubt:
Bild 1: Schlauch-Schnellanschluss herausschrauben (wird als Anschluss an der Pumpe gebraucht) und Reduzierstück 3/4" auf 1/2" dafür einschrauben
Bild 2: Genauso am anderen Sprinkler und über 1/2" T-Stück verbinden. Oben dann den Übergang 3/4" mit Dichtung auf 1/2" und die zweite Schnellkupplung aus dem anderen Sprinkler einschrauben … Fertig!
Die Gewinde vor dem Einschrauben mit 6 Wicklungen Teflon-Band als Dichtung umwickeln. Aber da alles im Betrieb unter Wasser ist, braucht es auch gar nicht dicht zu sein. Hier das Beiblatt zu den Sprinklern:
Die Sprühdüse, die auf dem Bild oben gerade eingeschaltet ist, habe ich auch für die Messung der erreichten H₂‑Gehalte verwendet. Es gibt noch 8 weitere Sprüh-Varianten, die man ausprobieren kann, Die Durchflussmenge und damit der erreichte Druck lagen aber bei allen Düsen-Varianten zwischen 3,6 und 3,7 bar.
Der Ansaug-Schlauch hat 19 mm ∅ bei 3 mm Wandstärke. (Damit im Saugschlauch kaum Unterdruck entsteht, der das H₂‑Gas wieder aus dem Wasser treibt, sollte dieser viel dicker als der Druckschlauch sein. Der verwendete klare PVC-Schlauch ist nicht ganz optimal, weil er sich bei dem Unterdruck zu sehr zusammenziehen kann. Besser ist ein steiferer Schlauch mit Verstärkungen.
Der Druckschlauch hat 12 mm ∅ (1/2") bei 2 mm Wandstärke, damit die üblichen Gartenschlauch-Schnellverbinder passen. Ich hatte zunächst transparente Schläuche ohne Gewebe-Einlage gewählt, um das H₂‑Gas darin "flitzen" zu sehen.
Aber Achtung: Bei 6 bar Druck und warmem Badewasser platzt der verwendete klare Gardena-Schlauch.
Dieses einfache Gerät ist nicht super effektiv, aber es schafft immerhin, 150 Liter Badewasser in 20 Minuten auf 1,1 ppm H₂‑Gas aufzuladen, also schon deutlich mehr als die meisten verkauften Badewasser-Geräte, die über 2000,– € kosten.
