Pumpen für Abwasser- und Kläranlagen

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Abwasser- und Klärwerkspumpen gehören zur Gruppe der Kreiselpumpen und Verdrängerpumpen mit speziellen Einsatzbedingungen und Betriebsanforderungen, die durch die verunreinigten und häufig mit Feststoff beladenen Fluide bedingt sind. Sie fördern das von den Menschen und den industriellen Anlagen genutzte, verunreinigte und entsorgte Wasser. Die Abwasserquellen sind im kommunalen Bereich die Waschbecken, Toilettenbecken, Wasch- und Spülmaschinen, Duschen und Badewannen. Die höchste Feststoffbeladung des Wassers erfolgt in den Toilettenbecken, weil sie die größten Durchgangsquerschnitte besitzen und mit Hilfe der Druckspülung die einfachste und bequemste Feststoffentsorgung im kommunalen Bereich darstellen.

Im industriellen Bereich wie z. B. in der chemischen und verfahrenstechnischen Industrie, in der Bauwirtschaft, im Bergbau und in der Lebensmittelindustrie wird das Abwasser neben den Feststoffen auch mit chemischen Substanzen und abrasiven Stoffen beladen und entsorgt. Dazu verfügen die meisten größeren Industriebetriebe über eigene, spezielle Kläranlagen.

Dominik Surek

2. Kläranlagen und Abwasseranlagen

Zusammenfassung

Die Natur hat durch die Verteilung von Land und Wasser, durch die Sonneneinstrahlung und Wasserverdunstung und Niederschläge in Form von Regen und Schnee einen Wasserkreislauf eingerichtet (Abb. 2-1).

Nach Beobachtungen von Baumgartner und Reichel aus dem Jahr 1975 wird darin jährlich ein Wasservolumen von ca. 1.000 km³ = 1012 m³ transportiert. Modellberechnungen des Wasserkreislaufs des MPI von 1992 ergeben die gleiche Größenordnung.

Die Menschen haben durch ihre Zivilisation einen eigenen Wasserkreislauf geschaffen, der als urbaner Wasserkreislauf bezeichnet werden kann und der durch die zivilisatorischen Ballungsräume der Menschen in Städten, in Großstädten und in industriellen Ballungsräumen notwendig wurde. Diese urbanen Wasserkreisläufe wachsen in den entwickelten Industrieländern immer weiter. Beispiele sind Tokio, Paris, London, Berlin und Sankt Petersburg.

In der Abb. 2-2 ist dieser Kreislauf für das Abwasser und die Klärung des benutzten Wassers dargestellt. Dieser Kreislauf wird durch die Förderung des Abwassers mittels spezieller Pumpen in den Abwasserpumpstationen und in den Kläranlagen in Gang gehalten. Nur in einigen Gebieten und Städten mit geeigneter Topographie wie z. B. in Leipzig sind die Kläranlagen und die groß dimensionierten Abwasserkanäle so angelegt, dass ein natürlicher Zufluss des Abwassers zur Kläranlage mit einem Gefälle von i = 0,003 bis 0,006 erfolgen kann. Wachsende Stadtteile kommen in der Regel nicht mehr ohne Abwasserpumpstationen aus.

Dominik Surek

3. Pumpenbauarten und Pumpenanlagen zur Abwasserförderung

Zusammenfassung

Bei der Klassifizierung der Pumpenbauarten für die Abwasserförderung ist zwischen folgenden Merkmalen zu unterscheiden:

• dem äußeren Design, z. B. Tauchmotorpumpen oder trocken installierte Pumpen
• dem hydraulischen Design bezüglich der Laufräder, des Wirkungsgrades, der Verstopfungssicherheit von Radialpumpen, Axialpumpen, Rührwerken und Strahlpumpen
• den Motoren, Unterwassermotoren, Asynchronmotoren Reluktanzmotoren oder Sondermotoren mit IE Klassifizierung wie z. B. der Line Start Permanent-Magnetmotor. Diese Motorklassifizierung erfolgt auch in Abhängigkeit der Leistungsgröße.

Zunächst wird eine Übersicht über die Bauarten mit dem äußeren Design gegeben, die von den folgenden Einsatzbedingungen bestimmt werden. Dazu gehören:

• Hausentwässerungspumpen von Ein- und Mehrfamilienhäusern (Abb. 3-1)
• Tauchmotorpumpen zur Baugrubenentwässerung und Wasserhaltung (Abb. 3-2, 3-3 und 3-4)
• Entwässerungspumpen von Industrieanlagen, z. B. der chemischen- und der Lebensmittelindustrie
• Abwasserpumpen für kommunale Abwassersammelstationen in Städten und Großstädten
• Abwasserpumpen, Rührwerke und Pumpen zur Klärschlammförderung.

Dominik Surek

4. Laufräder für Abwasserpumpen

Zusammenfassung

Laufräder für Abwasser- und Klärwerkspumpen unterliegen den gleichen Gesetzen wie alle anderen Pumpenlaufräder der fünf verschiedenen Bauarten. Die Laufräder für die Abwasser- und Klärwerkspumpen unterliegen aber anderen Randbedingungen als die Pumpen für reine Flüssigkeiten. Das sind:

• die Energieeffizienz durch einen hohen Wirkungsgrad und
• die Verstopfungsfreiheit auch bei hohem Feststoffgehalt und langfaserigen Faserstoffen.

Die nicht konstante Viskosität des Abwassers stellt eine starke Einschränkung bei der Auslegung von Laufrädern für Abwasserpumpen dar. Deshalb ist der Feststoffgehalt, die Feststoffart körnig, faserig oder langfaserig, die Laufradform und die Werkstoffausführung streng zu beachten. Daraus resultieren oft spezielle Laufradformen wie z.B. Freistromlaufräder, Ein-, Zwei- und Dreikanallaufräder oder Schneidlaufräder.

Dominik Surek

5. Kennfelder und Kennlinien von Abwasserpumpen

Zusammenfassung

Alle großen europäischen Pumpenhersteller verfügen über eine Zweigfirma oder mindestens einen Bereich für die Fertigung von Abwasser- und Klärwerkspumpen einschließlich des Zubehörs. Sie verfügen auch über eine Projektierungseinrichtung für die Abwasserpumpen und die Abwasserpumpenanlagen. Das ist deshalb notwendig, weil die Tauchmotorpumpen und auch die Tauchmotorrührwerke meist in die offenen Abwasserbecken eintauchen und außer der Pumpenströmung zur Förderung und der Zuströmung zum Pumpeneintritt auch eine Strömung im Abwasserbecken induzieren. Diese induzierte Beckenströmung unter dem Einfluss der Gravitationskraft, soll die störungsfreie, wirbelfreie und kavitationsfreie Zuströmung zur Pumpe oder zu den Pumpen, bei mehreren installierten Tauchmotorpumpen, unterstützen. Sie kann in Abhängigkeit der Beckengestaltung die Zuströmung zur Pumpe positiv beeinflussen oder zu Störungen im Kennlinienverlauf oder zu Betriebsstörungen führen.

Dominik Surek

6. Berechnung von Anlagenkennlinien

Zusammenfassung

Jedes Klärbecken, Vorklärbecken, biologisches Klärbecken, Nachklärbecken, Schlammbecken und auch der Reaktor (Faulbehälter) mit den zugehörigen Verbindungsrohrleitungen und Rühranlagen verfügt über eine Anlagenkennlinie H_A = f(Q, d) (Abb. 6-1), die vor der Auslegung und der Auswahl der Abwasserpumpen bekannt sein muss.

Die Schubspannungen τ und Druckverluste in den Rohrleitungen der Anlage werden für die strukturviskosen – und die Binghamfluide unter Berücksichtigung der vorhandenen Ruheschubspannung τ₀ ermittelt. Nach der Berechnung der Anlagenkennlinie kann die notwendige Pumpe mit der Pumpenkennlinie ausgewählt werden. Im Schnittpunkt der Pumpenkennlinie und der Anlagenkennlinie stellt sich der Arbeitspunkt der Pumpe ein, der im Punkt des maximalen Wirkungsgrades liegen soll.

Dominik Surek

7. Strömungstechnische Grundlagen

Zusammenfassung

Die Suspensionen Abwasser, Klärschlamm und Papierstoffe besitzen alle eine Fließgrenze mit einer Ruheschubspannung τ₀. Diese Suspensionen werden mit guter Näherung mit dem Ansatz von Herschel-Bulkley in der folgenden Form beschrieben

\( \mathtt{\tau}=\mathtt{\tau}_0+\mathrm{K}(\frac{\mathrm{dc}}{\mathrm{dy}})^\mathrm{n} \).

Das Geschwindigkeitsprofil einer Herschel-Burkley-Suspension in einer Rohrleitung ist gegenüber einem Newtonschen Fluid völliger und über dem Rohrdurchmesser gleichmäßiger verteilt. Die Reynoldszahlen der Suspensionsströmung (Abwasser und Papierstoff) liegen in einem geringeren Bereich von Reynoldszahlen Re = 10 bis 5•10⁴ und die auf eine Längeneinheit bezogenen Druckverluste Δp_G/l nehmen größere Werte an als jene der Newtonschen Fluide.

Dominik Surek

8. Auslegungsberechnung von Pumpen für Flüssigkeits-Feststoffgemische

Zusammenfassung

Die Pumpenauslegung und auch die Nachrechnung der Pumpen mit Hilfe von Simulationsprogrammen gelingt heute für Pumpen zur Förderung von Newtonschen Flüssigkeiten mit dem Schubspannungsgesetz \( \mathtt{\tau}=\mathrm{\eta} \cdot \delta \mathrm{c} /\delta \mathrm{y} \) für die die Gesetze der Hydrodynamik gelten. Dennoch werden erfolgreich auch Pumpen für Flüssigkeits- Feststoffgemische, wie z. B. für Abwasser, für Schlamm und für Papierstoff, mit den gewünschten oder geforderten Betriebskennlinien gebaut. Es gibt auch eine Reihe guter Ansätze für die eindimensionale Berechnung der Gemisch- und Abwasserpumpen als auch für die Nachrechnung der Pumpen mittels Simulationsprogrammen, wobei auch Zweiphasenrechnungen möglich sind. Bei der eindimensionalen Berechnung haben sich z. B. auch die Korrekturfaktoren für den Volumenstrom Q, die Förderhöhe H und für den Wirkungsgrad \( \mathrm{\eta} \) bewährt. Dafür ist besonders der Standard des Hydraulic-Instituts [46] zu empfehlen.

Auch hier wird keine geschlossene Theorie für die Flüssigkeits-Feststoffgemischpumpen vorgelegt, aber es werden einige Ansätze und Erfahrungen für die Auslegungsberechnung dargestellt.

Dominik Surek

9. Berechnung von Leiteinrichtungen

Zusammenfassung

Abwasser- und Klärwerkspumpen werden vorwiegend einstufig gebaut. Damit werden als Leiteinrichtungen speziell dimensionierte Spiralgehäuse oder Ringgehäuse eingesetzt. Nur im Ausnahmefall werden diese Kreiselpumpen mit einem Doppelspiralgehäuse ausgestattet. Die Spiralgehäuse haben die Aufgabe, das aus dem Laufrad ausströmende Fluid mit der Geschwindigkeit c₃ und der kinematischen spezifischen Energie von c₃ ²/2 zu reduzieren und in Druck umzusetzen.

Dominik Surek

10. Berechnung von Axialpumpen und Axialrührern

Zusammenfassung

Axialpumpen werden für große Volumenströme von Q = 1.000 m³/h bis 180.000 m³/h = 50 m³/s, geringe Förderhöhen von H = 2,0 m bis 25 m und Drehzahlen von n = 775 min^-1 bis 225 min^-1 mit Saugnennweiten von DN 500 bis DN 2000 gebaut.

Die erforderlichen Antriebsleistungen erreichen Werte von P_K = 20 kW bis ca. 4 MW. Die spezifischen Drehzahlen von Axialpumpen erreichen Werte bis n_q = 450 min^-1, die von Axialrührern ohne statische Förderhöhe spezifische Drehzahlen bis n_q = 2.500 min^-1 und Schnelllaufzahlen bis σ = 15,83. Axialpumpen, auch Propellerpumpen genannt, werden mit feststehenden Laufschaufeln oder mit verstellbaren Laufschaufeln gebaut. Axialpumpen mit Laufschaufeln, die während des Betriebes verstellbar sind und damit ein weites Betriebskennfeld bei hohen Wirkungsgraden abdecken, nennt man nach dem Erfinder Kaplanpumpen (Viktor Kaplan, 1876 bis 1934). Axialpumpen für Abwasser werden oft mit feststehenden Laufschaufeln und gelegentlich mit Vordrallregler gebaut. In der Abb. 10-1 ist eine vertikale axiale Abwasserpumpe für Q = 1.500 m³/h der Firma KSB AG dargestellt. Im Folgenden wird die Berechnung für axiale Pumpen für Newtonsche Fluide dargestellt.

Dominik Surek

11. Axial- und Radialkräfte

Zusammenfassung

Infolge der Rotation des Laufrades im ruhenden Gehäuse bildet sich durch die Haftbedingung am Laufrad mit der Umfangsgeschwindigkeit c_u = u = ω · r und der Haftbedingung an der ruhenden Gehäusewand (c_u = 0) eine Rotationsströmung mit der mittleren Winkelgeschwindigkeit β der Flüssigkeit von β = (0,55 bis 0,69) \omega; aus. Dabei bildet sich eine turbulente Strömung und bei ausreichend großen axialen Spaltweiten zwischen Laufrad und Gehäuse zwei Grenzschichten an beiden Wänden mit einer rotierenden Kernströmung, entsprechend Abb. 11-1.

Die Zentrifugalkraft in der rotierenden Grenzschicht an der Laufradwand bewirkt einen Massetransport \( \mathrm{\dot m_{sp}} \) radial nach außen. Aus Kontinuitätsgründen muss in der Grenzschicht an der ruhenden Gehäusewand der gleiche Massestrom \( \mathrm{\dot m_{sp}} \) nach innen strömen, sodass sich in den Radseitenräumen eine meridionale Zirkulationsströmung einstellt, die die Radseitenreibungsverluste beeinflusst.

Dominik Surek

12. Drehkolbenpumpen

Zusammenfassung

Drehkolbenpumpen und Exzenterschneckenpumpen gehören zu den rotierenden Verdrängerpumpen, deren Betriebskennlinie sich grundsätzlich von den Kennlinien der Kreiselpumpen unterscheidet.

Die theoretische Pumpenkennlinie ist unabhängig vom Volumenstrom Q. Sie kann nur durch die Drehzahlveränderung zu kleineren oder größeren Volumenströmen verschoben werden. Die tatsächliche Pumpenkennlinie rotierender Verdrängerpumpen verläuft, ähnlich wie die der Hubkolbenpumpe, geneigt zu kleineren Volumenströmen mit steigendem Druck (Abb. 12-1). In der Abb. 12-2 ist die zulässige Drehzahl in Abhängigkeit der kinematischen Viskosität dargestellt, die mit steigendem ν stark abfällt.

Dominik Surek

13. Wendelkolbenpumpen

Zusammenfassung

Im Bestreben nach einer stetigen Förderung mit geringerer Druckpulsation wurden die verwundenen Rotoren mit zwei oder drei Verdrängern entwickelt, entsprechend Abb. 13-1.

Sie werden, wie die Drehkolbenpumpen mit geraden Verdrängern, zur Förderung folgender Fluide, Gemische und Suspensionen eingesetzt:

• Förderung von Suspensionen mit und ohne abrasive Beimengungen, z. B. Schlamm
• Förderung von Emulsionen und Dispersionen, Pasten und Slurries
• Förderung aggressiver und korrosiver Stoffe
• Förderung von pastösen Lebensmitteln in Molkereien, in der Getränkeindustrie und in der Pharmaindustrie
• Förderung scherempfindlicher Stoffe
• Förderung gashaltiger Stoffe in der chemischen und pharmazeutischen Industrie.

Entsprechend den physikalischen, chemischen und teilweise auch den biologischen Eigenschaften der Förderstoffe folgt, dass die Drehkolbenverdränger und ihre Gehäuse vorwiegend aus CrNi-, CrNiMo-Stahl oder hochwertigem Grauguss gefertigt werden.

Dominik Surek

14. Exzenterschneckenpumpen

Zusammenfassung

Einspindelpumpen werden als Exzenterschneckenpumpen und als Einschraubenpumpen gebaut, die sich im Aufbau und in der Wirkungsweise unterscheiden. Die Einspindelpumpen werden zur Förderung viskoser und hochviskoser Fluide mit Viskositäten von η = 1 bis zu 1.000 Pa s, pastöser Fluide und von Flüssigkeits- Feststoffgemischen mit Transportkonzentrationen von c_T = 0,40 bis 0,60 gebaut. Die Korngröße beträgt in Abhängigkeit der Pumpenbaugröße von d_k = 2 bis 40 mm. Sie werden auch zur Förderung von Flüssigkeiten mit langfaserigen Bestandteilen verwendet und demzufolge in der Abwasser- und Klärtechnik, in der Umwelttechnik, in der Textilindustrie zur Abwasserbeseitigung, in Vakuumverdampfungsanlagen, in der Lebensmittelindustrie und in der verfahrenstechnischen und pharmazeutischen Industrie bevorzugt eingesetzt. Exzenterschneckenpumpen werden für Volumenströme bis Q = 120 m³/h, aber auch bis zu Volumenströmen von Q = 500 m³/h, und für Förderdrücke bis 7,2 MPa, in Ausnahmefällen bis 25 MPa, bei Drehzahlen von n = 10 bis 1.450 min^-1 in Abhängigkeit der Viskosität der Förderflüssigkeit gebaut. Sie sind selbstansaugend bis zu manometrischen Saughöhen h_s = 8,5 m WS.

In Exzenterschneckenpumpen rotiert eine ein- oder mehrgängige kreisrunde oder elliptische Spindel als Verdränger mit einem Kordelgewinde in einem schraubenförmig ausgebildeten Gehäuse mit großer Gewindetiefe und doppelter Ganghöhe. Eine Weiterentwicklung stellt die Tricam-Pumpe mit elliptischem Spindelquerschnitt dar. In der Abb. 14-1 sind die Geometrien von Exzenterschneckenpumpen mit Kreis- und elliptischen Rotorquerschnitten gegenübergestellt.

Dominik Surek

15. Schneckenpumpen

Zusammenfassung

In der Abwassertechnik, in Kläranlagen und als Polderpumpen in Überflutungsgebieten werden auch Schneckenpumpen eingesetzt. Sie arbeiten in offenen Systemen beim Umgebungsluftdruck und überwinden für das Abwasser oder einen Dünnschlamm geodätische Höhenunterschiede bis zu maximal H = H_geo = 15 m, erreichen aber große bis sehr große Volumenströme von Q = 2 m³/s bis ca. 0,03 m³/s (7.200 m³/h bis ca. 108 m³/h). Schneckenpumpen arbeiten bei geringen Drehzahlen von n = 15 min^-1 bis 180 min^-1 in Abhängigkeit der Baugröße (Schneckendurchmesser d) und des Volumenstromes Q. Nur beim Vertikaltransport mit Schneckenpumpen wird durch die Fliehkraft eine Wandreibung im Schneckentrog erzeugt. Dafür sind höhere Drehzahlen von n =240 min^-1 bis 400 min^-1 allerdings bei geringerem Schneckendurchmesser erforderlich.

Dominik Surek

16. Beanspruchung von Gehäuseflanschen

Zusammenfassung

Gehäuseflansche von Pumpen und Kompressoren übernehmen die Zu- und Ableitung des Fluids zu den weiteren Anlagenteilen, sowie die Abdichtung des Druckes im Druckstutzen bzw. des Vakuums im Saugstutzen gegenüber der Atmosphäre. Die Pumpen müssen kraft- und momentenfrei in die Anlage und die Rohrleitungen eingebaut werden (Abb. 16-1 und 16-2).

Die Rohrleitungen einer Anlage üben auf die Pumpenflansche folgende Kräfte und Momente aus:

• Eigengewichtskraft der Rohrleitungen und der Förderflüssigkeit
• stationärer Innendruck
• Druckpulsation
• Druckstöße von Rückschlagklappen und Schließorganen
• montagebedingte Spannungen
• thermische Spannungen und Dehnungen

Dominik Surek

17. Wälzlager und Lagerschmierung

Zusammenfassung

Die Lager für die Wellen sind in Pumpen und in Antriebsmotoren ein wichtiges Funktionselement für die schwingungsfreie Laufgüte von Pumpen und auch von Kompressoren. Von den Lagern sind die statischen Belastungskräfte durch die Rotormasse m_R und die dynamischen Kräfte aufzunehmen. Die dynamischen Kräfte werden von der rotierenden Masseunwucht und den Trägheitsmomenten des Rotors verursacht. Die Reibungskräfte in den Lagern üben eine dämpfende Wirkung auf die dynamischen Kräfte, die Schwingungen und die Laufruhe aus. Einen großen Einfluss hat dabei der Schmierfilm im Lager. Eine Besonderheit der Abwasser- und Klärwerkspumpen ist ihre Bauweise als Unterwassermotorpumpen mit hermetisch geschlossenen Motoren. Der Flüssigkeitsstrom in den Pumpen und in den Motoren besitzt ebenfalls eine dämpfende Wirkung auf den Rotor, der einen schwingungsarmen Lauf gewährleistet. In Abwasser- und Klärwerkspumpen ebenso wie in Rührern werden nahezu ausschließlich Wälzlager eingesetzt.

Die äußeren Quer- und Längskräfte zur Bewegungsachse müssen von den Lagern aufgenommen und auf die Gehäuse und Fundamente bei trocken installierten Pumpen weitergeleitet werden. Die Lagerbaugruppe wird als Lagerung bezeichnet.

Die zwischen den bewegten und ruhenden Teilen im Lager unter der Belastung auftretende Gleitreibung wird durch geringe Berührungsflächen und die Schmierstoffe oder durch ein Magnetfeld bei aktiven Magnetlagern gering gehalten.

Dominik Surek

18. Wellendichtungen

Zusammenfassung

Der Durchgang der Rotorwelle durch das Gehäuse muss abgedichtet werden, um Leckverluste und Gefährdungen durch technische Flüssigkeiten, wie z. B. verunreinigte Flüssigkeiten, Gülle oder Fäkalien zu vermeiden. Die Abdichtung der Welle im Gehäuse und die Abdichtung des rotierenden Laufrades zum Gehäuse in der Pumpe können mit folgenden Dichtungen vorgenommen werden:

• Radialdichtringe als schleifende Dichtung (Abb. 18-1)
• Stopfbuchspackung
• Schwimmringdichtung
• Einfach und doppelte Gleitringdichtungen als hochwertige Dichtungen
• Dichtungslose hermetische Kreiselpumpen als
• Hermetische Kreiselpumpen mit einfach oder doppeltem Spaltrohr

Dominik Surek

19. Einlaufbecken, Saugbecken und erforderliche Zulaufhöhe

Zusammenfassung

In einem Saugbecken mit freiem Fluidspiegel nach Abb. 19-1 wirken im Betrieb folgende Kräfte

Gravitationskraft\( \quad \mathrm{F_G} = \mathrm{g \cdot m} \quad \mathbf{(19.1)} \)

Trägheitskraft\( \quad \mathrm{F_T} = \mathrm{a \cdot m} = \mathrm{\frac {dc} {dn} m} \quad \mathbf{(19.2)} \)

Zähigkeitskraft oder Reibungskraft\( \quad \mathrm{F_R} = \mathrm{\tau A} = \mathrm{\eta A \frac {dc} {dn}} \quad \mathbf{(19.3)} \)

Druckkraft\( \quad \mathrm{F_p} = \mathrm{p \cdot A} \quad \mathbf{(19.4)} \)

Nun soll dafür nicht das Kräftegleichgewicht aufgestellt werden, sondern für diese Kräfte werden die bekannten Ähnlichkeitskennzahlen eingesetzt, in denen diese Kräfte enthalten sind.

In der Fluidströmung im offenen Einlaufbecken und im Pumpeneinlauf ist die Gravitationskraft F_G = g m größer als die Trägheitskraft F_T = a m mit g >> a bei der geringen Geschwindigkeit und Beschleunigung des Fluids im Einlaufbecken. Mit der Reynoldszahl Re und der Froudezahl Fr kann eine Beckenzahl definiert werden als \( \mathrm{Be = Re/Fr = \sqrt{g h^3 / v}} \), die Werte von Be = 10³ bis 10⁷ annehmen kann. Daraus kann schließlich die erforderliche Zulaufhöhe zur Tauchmotorpumpe ermittelt werden (Abb. 19-3)

Dominik Surek

20. Elektrische Antriebsmotoren

Zusammenfassung

Unterwassermotoren sind Elektromotoren die speziell dafür ausgelegt sind, dass der Motor unterhalb von Wasser oder anderen Flüssigkeiten arbeitet. Hierzu müssen die Motoren hermetisch abgedichtet sein und die Anschlüsse müssen in speziellen Anschlusskästen untergebracht werden, damit durch das Wasser oder die Flüssigkeit in der sich der Motor befindet, keine Kurzschlüsse entstehen. Unterwassermotoren werden auch nicht durch die Luft gekühlt, sondern direkt durch das Wasser oder die Flüssigkeit, die den Motor umgibt. Das hat den Vorteil, dass bei Unterwassermotorpumpen die Verlustwärme der Pumpe mit dem Fördermedium abtransportiert wird.

Unterwassermotorpumpen gibt es mit sehr unterschiedlichen Leistungen (Abb. 20-1 bis 20-5). Je nach Ausführung gibt es Pumpen für Volumenströme zwischen 1 m³/h und mehreren 1.000 m³/h. Die Förderhöhen der Pumpen liegen zwischen wenigen Metern und bis zu 700 – 800 m. Dabei haben die Unterwassermotoren (Abb. 20-5) Leistungen von 250 W bis 2 MW bei Nennspannungen von 230 V bis 10 kV. Die Pumpe oder Teile der Pumpe tauchen in das zu fördernde Fluid ein.

Dominik Surek

21. Simulationsrechnungen von Abwasser- und Saugbecken

Zusammenfassung

In der Regel werden für die Abwasser- und Saugbecken erprobte und bewährte Lösungen, wie z. B. Betonbecken oder Modulbecken eingesetzt. Sind diese Standardbauwerke, insbesondere für große Abwasserbecken und große Pumpstationen, wie z. B. für Großstädte oder große Industrieanlagen nicht verwendbar, so sind an die vorhandenen baulichen Gegebenheiten angepasste Lösungen für die Abwasserpumpstation zu entwickeln. Diese Aufgabe stellt eine strömungstechnische und konstruktive Aufgabe als Iteration dar. Die Strömung im Abwasserbecken wird durch die Beckengeometrie, die Abwasserpumpen und den Volumenstrom bestimmt. Sie kann durch eine Strömungssimulation Computational Fluid Dynamics (CFD) meist mit Fluent von ANSYS, CFX oder mit STAR-CD berechnet werden, nachdem die erforderliche Zulaufhöhe berechnet worden ist (Kap. 19). Alle europäischen Hersteller von Abwasserpumpen verfügen über die notwendige CFD-Software und das notwendige Know-How für die Simulationsrechnung.

Dabei wird nicht nur die maximale Zuströmgeschwindigkeit ermittelt, die etwa \( \mathrm{c \le 0,5 m/s} \) betragen kann. Es werden auch die Strömungsrichtung und die Geschwindigkeitsverteilung in der Regel für mehrere Betriebspunkte der Pumpe, ca. 4 bis 6 Betriebspunkte, berechnet.

Dominik Surek

22. Betriebsverhalten von Tauchmotorpumpen und Saugbecken

Zusammenfassung

Ein Abwassersystem besteht aus der Abwasserentstehungseinrichtung (Industriebetrieb, kommunales Haus, Wohnhaus), der Kanalisation mit unterschiedlichen Größen oder Nennweiten, einer Abwassersammelstation in Großstädten und der Kläranlage mit Vorklärbecken, Klärbecken, Belebungsbecken und Nachklärbecken, die alle Einfluss auf das Abwasser- und den Kläranlagenbetrieb nehmen. Den größten Einfluss auf eine Kläranlage nimmt natürlich die Abwasserzusammensetzung mit dem Feststoffanteil, dem Trockensubstanzgehalt bei faserigen Feststoffanteilen und der chemischen Zusammensetzung des Abwassers mit dem Säure- und Laugengehalt und mit dem pH-Wert.

Der Feststoffgehalt des Abwassers und die drohende Verstopfungsgefahr zwingen die Betreiber, die Abwasserpumpen mit Beratung des Pumpenherstellers richtig auszuwählen und den Kennlinienbereich nach den Abb. 22-1 und 22-2 zuverlässig einzugrenzen.

Dominik Surek

23. Automatisierung von Klär- und Abwasserpumpenanlagen

Zusammenfassung

Die Abwasserentsorgung unterliegt nicht nur fortschreitend anspruchsvolleren, umweltfreundlichen Forderungen, sondern auch dem Anspruch auf Minimierung der Verarbeitungs- und Reinigungskosten in den Abwasserund Kläranlagen sowie dem Transport in den Rohrleitungen und Kanälen. Die Kostenminimierung ist deshalb bedeutsam, weil die Wasserver- und Entsorgung gebührenfinanziert ist. Ein großer Anteil am Aufwand der Abwasserentsorgung tritt insbesondere in Landschaften mit einer flachen Topologie auf, weil dort das gesamte Abwasseraufkommen und ein großer Teil des Niederschlagwassers zu den Kläranlagen gepumpt werden muss, was die Installation von Abwasserpumpenanlagen erfordert.

Ein Beispiel sorgsamer Planung von Kläranlagen am tiefsten Höhenpunkt von Großstädten mit natürlichem Abwasserzulauf sind die Kläranlage Rosental in Leipzig und die Kläranlage Kaditz in Dresden. Für den natürlichen Abwasserzulauf sind Kanalneigungen von i = 0,005 - 0,02 erforderlich. Erst durch Anschluss weiterer Stadtteile und durch Eingemeindungen wurden teilweise Pumpwerke notwendig.

Die Gesamtkosten der Abwasserförderung setzen sich aus folgenden Anteilen zusammen.

• Investitionskosten
• Betriebskosten für Energie, Personal und Überwachung
• Instandhaltungskosten

Das Bestreben, diese Kosten, insbesondere die Personal- und Betriebskosten zu minimieren, führt zur Automatisierung der Abwasser- und Kläranlagen, die von einer zentralen Leitwarte bedient und überwacht werden sollen.

Dominik Surek

24. Werkstoffe für Abwasserpumpen und Klärwerkspumpen

Zusammenfassung

Für die Hauptbauteile von Abwasser- und Klärwerkspumpen werden vorwiegend hochwertige und veredelte Werkstoffe eingesetzt. Zu den Hauptbestandteilen der Pumpen gehören: Laufräder, Wellen, Wellenschutzhülsen, Gehäuse, Lager, statische und dynamische Wellendichtungen.

Die Werkstoffauswahl soll nach folgenden Kriterien erfolgen:

• Festigkeit und Lebensdauer
• Korrosionsbeständigkeit und pH-Wert-Beständigkeit
• Erosions- und Verschleißbeständigkeit
• mechanische Bearbeitbarkeit
• Kosten für Beschaffung und Bearbeitung

Die Laufräder und Verdränger der Pumpe werden vorwiegend aus Grauguss unterschiedlicher Qualität, Stahlguss oder nichtrostendem Stahl bzw. aus Duplexstahl hergestellt. Die Gehäuse werden häufig innen mit verschleißbeständigen Werkstoffen ausgekleidet wie z.B. Kunststoffe, Epoxidharze, Polyester, Kautschuk oder Gummi.

Dominik Surek

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