Verfahrenstechnik

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Prof. Dr.-Ing. Paul Uwe Thamsen; Raja Abou Ackl; Mareen Derda; Andreas Swienty

Bier richtig einschenken! – Vorbild für AbwasserpumpschächteDas Zapfen von Bier könnte als Vorbild dienen – die richtige Zuströmtechnik ist auch bei Abwasserpumpschächten von großer Bedeutung.

Deutschland ist bekannt als Land der 1.000 Biere und natürlich gehört das

richtige Einschenken von Bier zu einem beliebten Kulturgut: Das frisch ausge-spülte Glas werde zunächst in einem Win-kel von etwa 45 Grad gehalten und der Auslass des Zapfhahns oder der Flasche werde tangential in das Glas geführt. Die „Blume“ bzw. die Schaumbildung wird anschließend über einen größeren Ab-stand bzw. direkten Strahleintrag gesteu-ert. In dem nachfolgenden Artikel wird gezeigt, dass diese Ansätze auch für eine günstige Zuströmung in Abwasser-pumpschächte gelten (Bild 1).Die Zuströmung in Abwasserpump- schächte ist eine maßgebende Einfluss-größe für die richtige Funktion der Ab-wasserförderung. Zum einen soll ein Lufteintrag in das Ab-wassersystem vermieden werden, da die eingetragene Luft die Funktion der Ab-wasserpumpe beeinträchtigt und vor al-lem auch zur Bildung explosionsfähiger

und gesundheitsschädlicher Gasgemische führen kann. Größere Luft- und Gasan-sammlungen in Abwassersystemen füh-ren außerdem zu Störungen des Abwas-sertransports, weshalb regelmäßige Ent-lüftungen an den Hochpunkten des Druckrohrnetzes vorgenommen werden müssen. Zum anderen ist die Sedimentation von Feststoffen und die Ansammlung von Fa-serstoffen zu vermeiden, da diese An-sammlungen im weiteren Verlauf die Pumpe verstopfen können. Die Sedimen-tation tritt in Zonen auf, deren Geschwin-digkeiten geringer als ca. 0,3 m/s sind. Zusätzlich sammeln sich die Feststoffe und auch Faserstoffe in Toträumen der Strömung an. Auch fangen sich langfase-rige Bestandteile an den Haltevorrichtun-gen für die Pumpen und Steigleitungen sowie an vorhandene Leitern oder ähnli-che Einbauten. Es gilt, diese negativen Einflüsse durch eine günstige Strömungs-zuführung zu minimieren.

Ausführung von Abwasserpumpschächten Abwasserpumpschächte werden nach Vorgaben aus nationalen und internatio-nalen Normen und Richtlinien dimensio-niert – beispielsweise in Deutschland das DWA-Arbeitsblatt ATV-DVWK-A134. Der meist runde Pumpschacht ist mehrere Meter tief und hat einen Durchmesser, der mit dem Zulaufstrom aus dem jewei-ligen Einzugsgebiet und der empfohlenen Schaltzahl der Pumpen harmoniert. Das Arbeitsblatt empfiehlt, den Saugraum so zu gestalten, dass der Lufteintrag in die Pumpen und Feststoffansammlungen ver-mieden werden. Zur Sicherheit gegen Ausfall sind zwei Tauchpumpen zu instal-lieren. Vom Boden zur Wand sollten Bermen mit Winkeln über mindestens 45 Grad ausgeführt werden. Die Zuströ-mung wird oberhalb der Pumpen in Rich-tung der Pumpen zentral oder seitlich dazu empfohlen (Bild 2).

Bild 1 Korrektes Einschenken von Bier Foto: TU Berlin

18 197-8/2015 wwt-online.de SPECIAL PUMPEN

SPECIAL PUMPEN Verfahrenstechnik

Modellprüfstand über die Zugabe von klei-nen roten Plastikteilchen simuliert, die eine etwas höhere Dichte als Wasser haben. Bei geringen Geschwindigkeiten sinken diese auf den Schachtboden und sammeln sich vorwiegend in den Toträumen an. Die Posi-

tion dieser kritischen Zonen ist abhängig von den Betriebsbedingungen, wie Zu- und Abströmung, Pegelstand und jeweils ge-schalteter Pumpe. Für alle relevanten Betriebspunkte wird je-weils ein Versuch zu den Sedimentationen

durchgeführt, der zu einer bestimmten Ver-teilung der roten Plastikteilchen bzw. der cha-rakteristischen Sedimentation führt. Die Ver-teilung wird mit „Höhenkarten“ dokumen-tiert, die Lage und Höhe der Ablagerungen widerspiegeln. Diese Höhenkarten werden anschließend für alle Betriebspunkte über-einander gelegt und ergeben die Zonen am Boden des Schachtes, an denen sich Ablage-rungen bilden. Daraus ergibt sich dann schließlich eine optimierte Bermenform, in-dem diese Zonen mit Material aufgefüllt wer-den. Die Bermen verhindern auf diese Weise eine Ablagerung bzw. Ansammlung von Fest- und Faserstoffen. Neben der Verhinde-rung von Ablagerungen führen die Bermen auch die Fest- und Faserstoffe gleichmäßig den Pumpen zu und gewährleisten so einen kontinuierlichen Transport dieser zusammen mit dem Abwasser. Dazu ist zu beachten, dass der Bermenwinkel zwischen Wand und Boden größer als 45 Grad ausgeführt wird, um das sichere Abrutschen von Feststoffen zu gewährleisten. Dieser Mindestwinkel wurde im Rahmen von Voruntersuchungen bestätigt und ist übrigens auch der beste Win-kel für das Einschenken von Bier. Die einzel-nen Schritte zur Entwicklung der Bermen sind in Bild 5 dargestellt.

Schaumbildung

Die Schaumbildung des Abwassers in Ab-wasserschachtpumpwerken führt im weite-ren Prozess zu der Bildung von Schwimm-decken, die ebenfalls zu Verstopfungen der Pumpe führen können. Auch die Schaum-bildung ist mit dem Modellprüfstand zu be-obachten, indem einige Tropfen Spülmittel zugegeben werden (vergl. Bild 6).

Diese Empfehlungen führen zu einem weit-gehend sicheren Betrieb der Anlagen. Trotz-dem kommt es relativ häufig zu Verstop-fungsproblemen vorwiegend in den Tauch-pumpen. Diese sind auch mit der Zunahme von Feststoffbelastungen des Abwassers in-folge textilartiger Hygieneartikel zu begrün-den. Des Weiteren führen auch Wasserspar-

maßnahmen der Verbraucher zu geringeren Geschwindigkeiten im Transportsystem und damit zu vermehrter Sedimentation. Auch spielen Klima- und Wettererscheinungen eine Rolle. So können Starkregenereignisse nach längeren Trockenperioden zu Verstop-fungen im Abwassersystem durch abschwim-mende Ansammlungen von Fest- und Faser-stoffen nach Einsatz des Regens führen, dem so genannten First-Flush-Effekt.

Untersuchungen an der TU Berlin

Im Fachgebiet Fluidsystemdynamik der TU Berlin werden mehrere Untersuchungen zu Phänomenen an Abwasserpumpschächten durchgeführt. Dazu werden u. a. Analysen der Verstopfungsereignisse bei verschiede-nen Wasserentsorgern vorgenommen, die zu Erkenntnissen über die wesentlichen in der Praxis auftretenden Phänomenen führen. Parallel dazu werden verschiedene Prüf-stände im Labor betrieben, darunter ein Ab-wasserpumpschacht als gesamtes System, der eine detaillierte Untersuchung des Sedi-mentations- und Verstopfungsverhaltens al-ler Komponenten erlaubt. Für die Analyse der Auswirkung der Zuströmung in einem

Abwasserpumpschacht wurde ebenfalls ein Modellprüfstand gefertigt, der eine gezielte Betrachtung des Lufteintrags und der Sedi-mentation erlaubt. Alle wesentlichen Ele-mente sind als Plexiglasteile ausgeführt, was eine gute Beobachtung der Strömung ermöglicht. Die Zu- und Abströmung sowie der Pegelstand werden über eine Kreisel-pumpe, Rohrleitungen und Armaturen ein-gestellt. Hierüber lassen sich alle relevanten Betriebszustände realisieren (Bild 3).Am Modellprüfstand lassen sich die Zulauf-richtungen variieren: neben den empfohle-nen Zuströmungen zentral und seitlich auf die Pumpen sind zusätzlich schräge und tan-gentiale Zuströmrichtungen auf die Pumpen ausgeführt. Dabei sind die tangentialen Zu-strömrichtungen von besonderem Interesse, da diese nur selten angewendet werden. Der Anschluss einer tangentialen Rohrleitung an den Schacht ist natürlich handwerklich et-was aufwändiger und damit etwas teurer. Allerdings ist bekannt, dass ein kräftiger Wirbel vor der Pumpe die Verstopfungsnei-gung reduziert und ein solcher würde von einer tangentialen Zuströmrichtung ange-regt werden.

Lufteintrag

Der Eintrag von Luft in Abwassersystemen ist grundsätzlich zu vermeiden, da es sich meist um explosionsfähiges und gesundheits-schädliches Gas handelt. Außerdem kann ein zu großer Luftgehalt in der Kreiselpumpe zum Abbruch der Förderung führen.Der Lufteintrag lässt sich am Modellprüf-stand bestimmen, indem das Volumen nach Tiefe und Länge visuell ausgemessen wird (vergl. Bild 3). Die Ergebnisse zeigen beson-ders geringe Eindringtiefen von Luft in den Fällen Z1 und Z5 der tangentialen Zuström-richtung in den Schacht. Dieses Ergebnis ist nicht erstaunlich, wenn es mit dem richtigen Einschenken von Bier verglichen wird: auch hier wird zur Vermeidung von Lufteintrag und zu großer Schaumbildung eine tangen-tiale Zuströmrichtung genutzt (Bild 4).Der Lufteintrag lässt sich auch über eine CFD-Berechnung des eintretenden Frei-strahls in die Wasseroberfläche bestimmen. Das einhüllende Volumen des Freistrahls stimmt mit den Ergebnissen aus experimen-tellen Untersuchungen überein. Diese Be-rechnungen sind heute mit geringem Auf-wand im Rahmen der Auslegung der Ab-wasserpumpschächte durchzuführen.In der Praxis werden bei Bedarf Maßnah-men zur Reduzierung des Lufteintrags vor-genommen, beispielsweise Rohrführungen der Zuströmung bis unterhalb des Pegels, Leitbleche oder Prallplatten.

Sedimentation

Die Sedimentation des Abwassers wird im

Bild 3 Modellprüfstand für Abwasserpumpschächte Quelle: TU Berlin

Bild 2 Abwasserpumpschächte nach ATV-DVWK A 134 Quelle: TU Berlin

Bild 4 Lufteintrag in Abwasserschatpumpwerken Quelle: TU Berlin

Bild 5 Formgebung der Bermen in Abwasserschachtpumpwerken Quelle: TU Berlin

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SPECIAL PUMPEN

Um eine Schaumbildung zu verhindern erwies sich erneut die tangentiale Zuström-richtung als die geeignetste. Hier wird der Vergleich mit dem Einschenken von Bier beendet – denn was wäre ein schönes Bier ohne Blume!

FazitDie Zuströmung in Abwasserpumpschäch-ten ist ein wichtiger Faktor für den sicheren Betrieb. In Untersuchungen am Fachgebiet Fluidsystemdynamik wurde aufgezeigt, dass eine tangentiale Zuströmrichtung in

den Schacht den Eintrag von Luft, die Bil-dung von Ablagerungen und die Schaumbil-dung reduzieren. Diese Phänomene sind längst vom richtigen Einschenken des Biers bekannt.

TU Berlin – FG Fluidsystemdynamik Prof. Dr.-Ing. Paul Uwe ThamsenM. Sc. Raja Abou Ackl, M. Ed. Mareen Derda M. Eng. Andreas SwientyStraße des 17. Juni 135 · 10623 BerlinTel.: 030/31425262E-Mail: paul-uwe.thamsen@tu-berlin.dewww.tu-berlin.de

/1/ Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 134, Planung und Bau von Abwasserpumpanlagen, ATV-DVWK-Regelwerk, GFA-Gesellschaft zur Förderung der Abwassertechnik e.V., Hennef, 2000

/2/ American National Standards Institute ANSI/HI 9.8, American National Standard for Pump Intake Design, 2012

/3/ Bin, A. K.: Gas entrainment by plunging liquid jets, Chemical Engineering Science, Vol. 48, p. 3585-3630, 1993

Bild 6 Schaumbildung in Abwasserschachtpumpwerken Foto: TU Berlin

Bild Sandgestrahl-tes, stark korro-diertes Altrohr

Bauhaus-Universität:

Kurs zur Rehabilitation von RohrleitungenUnter Leitung von Prof. Roscher fand zum 7. Mal im Rahmen des Masterstudiums Wasser und Umwelt an der Bauhaus-Universität Weimar der Kurs „Rehabilitation von Leitungen der Technischen Versorgung“ statt. Der Kurs ist Teil des Curriculums des weiterbil-denden Fernstudienprogramms. Grundlage des diesjährigen Kurses mit 26 Teilnehmern war die Publikation Rehabilitation von Rohrleitun-gen – Sanierung und Erneuerung von Ver- und Entsorgungsleitun-gen (Roscher u.a., Bauhaus-Uni Weimar, ISBN 978-3-95773181-4).Zu Beginn des Kurses wird die Herstellung von Rohren aus Guss, Stahl Kunststoffe, Asbestzement, Stahl und Spannbeton behandelt. Es folgt die Beurteilung des Zustandes von metallischen Altrohrlei-tungen, wofür schadhafte Altrohre aus Gusseisen verwendet wer-den. Diese werden in Teilstücke getrennt (in der Regel 3 Teilstücke), davon 1 Rohrstück sandgestrahlt, so dass die Studenten selbst beurteilen können wie der Zustand des Altrohres ist.

Referenten aus der PraxisBesonderes Kennzeichen des Kurses ist die Einbeziehung von Referenten aus Unternehmen, die in der Praxis auf diesem Gebiet arbeiten und sehr gern die Möglichkeit nutzen, ihre praktischen Erfahrungen an die Studenten weiterzugeben.So referiert z. B. seit einigen Jahren Prof. Bosseler vom IKT zu den Themen Verfahren der Renovierung von Abwasserleitungen, Schächten und Hausanschlüssen.

Themen der 3. Auflage des KursesDie 3. Auflage des Kurses enthält folgende Kapitel:Kapitel 1: Technische Versorgung und Nutzung des unterirdischen Bauraums

Prof. Dr.-Ing. habil. H. Roscher; Dr.-Ing. W. Berger; Dr.-Ing. D. MälzerKapitel 2: Begriffsbestimmungen der Rehabilitation – Sanierung und ErneuerungKapitel 3: Rohrmaterialien und ihre EigenschaftenKapitel 4: Sanierung und Erneuerung von WasserversorgungsnetzenKapitel 5: Sanierung und Erneuerung von GasrohrnetzenReferent jeweils: Prof. Dr.-Ing. habil. H. RoscherKapitel 6: RehabilitationsstrategienProf. Dr.-Ing. habil. H. Roscher; Dipl.-Ing. (FH) M. Beck; Dipl.-Ing. I. KroppKapitel 7: Sanierung von Abwasserkanälen und -leitungenProf. Dr.-Ing. B. Bosseler; Dipl.-Ing. B. DiburgKapitel 8: Rehabilitation von Fernwärmekanälen und -leitungenProf. Dr.-Ing. habil. H. Roscher

Anmeldung für 2016Der nächste Kurs „Rehabilitation von Rohrleitungen“ findet im kommenden Sommersemester von April bis September 2016 statt.Die Anmeldung ist ab sofort möglich – siehe Kontakt – und endet am 15. März 2016.

Bauhaus-Universität Weimar – weiterbildendes StudiumProf.-Dr. Harald Roscher; Dr. Christian SpringerWW 91, Zertifikat- und MasterstudiengangAnmeldung über:www.wbbau.de