Hydraulischer Modellversuch: Feststofftransport in Abwasserleitungen

Feststoffe im Abwasser stellen für viele Anlagenbetreiber ein Problem dar. Denn lagern sich diese Feststoffe in den Rohrleitungen ab, kann dies zu erheblichen Beeinträchtigungen der Transportkapazität der Rohrleitungen und damit zu insgesamt ineffizienteren Prozessen innerhalb einer Anlage führen. Bermenwinkel oder Freigefälle leisten einen wichtigen Beitrag dazu, dass auch Fluide mit hohem Feststoffanteil zuverlässig transportiert werden. Aber auch diese baulichen Maßnahmen zahlen nur auf den wichtigsten Faktor im Transport von Flüssigkeiten ein: die Strömungsgeschwindigkeit. Und auf diese muss besonders geachtet werden. Denn dabei gilt es, genau das richtige Mittelmaß zu finden zwischen Ablagerungen bei einer zu niedrigen Geschwindigkeit und zu starken Reibungsverlusten bei einer zu hohen Geschwindigkeit. 

Um die Frage nach der optimalen Strömungsgeschwindigkeit zu beantworten, hat KSB in Kooperation mit der Technischen Universität Berlin (TU Berlin) einen umfassenden Modellversuch zur Mitförderung von Abwasserbestandteilen gestartet. Ziel des Modellversuchs war es, den Einfluss der Sedimentart und -größe auf den Sedimenttransport sowie notwendige Mindestgeschwindigkeiten für den Abwassertransport zu ermitteln. 

Fest steht, es ist immer eine bestimmte Mindestströmungsgeschwindigheit erforderlich, um Feststoffe vollständig abzutransportieren.

In dem Modellversuch „Feststofftransport“ hat KSB gemeinsam mit der TU Berlin das Verhalten verschiedener Feststoffe bei differenzierten Strömungsgeschwindigkeiten in Rohrleitungen genauer untersucht. Kernstück des Modellversuchs war eine horizontale und eine vertikale Rohrstrecke. Eine Pumpe in einem Wasserbecken auf der Rückseite sorgte für eine entsprechende Zirkulation des Fluids. Nach dem Versuchsdurchlauf wurde das Wasser in das Pumpenbecken zurückgeführt. Ausgetragene Materialien wurden dabei in einem Materialkorb aufgefangen. Schieber und Messtechnik für die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit ergänzten den Aufbau.

Über ein Einfüllrohr wurden verschiedene für Abwasser typische Feststoffe mit unterschiedlicher Dichte, Größe und Oberflächenstruktur (wie Steine, Metallteile und Glassplitter) in die horizontale Rohrleitung gefüllt. Durch Öffnen des Ventils auf der Druckseite der Pumpe wurde die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit dann so weit gesteigert, bis der jeweilige Feststoff durch die Förderflüssigkeit im horizontalen, bzw. vertikalen Rohrabschnitt transportiert wurde.

Im ersten Versuchsdurchlauf wurde das Verhalten von Glasbruch bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten untersucht. Dafür wurde der Glasbruch in die Rohrleitung eingebracht und blieb direkt unter dem Einfüllrohr liegen. Dann wurde die Pumpe angefahren und der Druckschieber langsam geöffnet. Der Versuch startete mit einer niedrigen Fließgeschwindigkeit: Bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,15 m/s bewegten sich die Feststoffe nicht. Dann wurde die Fließgeschwindigkeit Schritt für Schritt erhöht. Ab einer Fließgeschwindigkeit von ca. 0,4 m/s begannen die Glasteile sich zu bewegen. Bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 m/s bewegten sich die Glasteile bis zum Ende der horizontalen Rohrleitung, dort wo der Aufstieg in die vertikale Rohrleitung beginnt. Bei ca. 0,7 m/s bewegten sich die Glasteile auch im vertikalen Rohr aufwärts und wurden aus der Leitung ausgetragen.

Im zweiten Versuchsdurchlauf wurde das Verhalten von runden und glatten Steinen bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten untersucht. Bei einer Fleißgeschwindigkeit von 0,4 m/s begannen die Steine sich leicht zu bewegen. Ab 0,45 m/s bewegten sich die Steine ans Ende der horizontalen Rohrleitung und blieben dort lieben, wo diese in die Vertikale übergeht. Nach einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit auf 0,8 m/s bewegten sich die Steine anschließend in der vertikalen Rohrleitung nach oben.

Im dritten Versuchsdurchlauf wurde das Verhalten von rauen und kantigen Steinen bei zunehmender Fließgeschwindigkeit untersucht. Bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,45 m/s gerieten die ersten Steine in Bewegung. Bei ca. 0,5 m/s bewegten sich die Steine ans Ende der horizontalen Rohrleitung und blieben dort lieben, wo diese in die Vertikale übergeht. Nach einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit auf 0,8 m/s bewegten auch die rauen und kantigen Steine in der vertikalen Rohrleitung nach oben.

Im vierten Versuchsdurchlauf wurde das Verhalten von kleinen Stahlteilen (Schrauben und Muttern) bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten untersucht. Bei ca. 0,6 m/s begannen die ersten Teile sich zu bewegen. Bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,9 m/s bewegten sich alle Teile bis ans Ende der horizontalen Rohrleitung. Bei ca. 1,2 m/s bewegten sich die ersten Metallteile auch im vertikalen Rohr aufwärts. Erst bei einer Fließgeschwindigkeit von 1,7 m/s wurden auch alle anderen, verbliebenen Metallteile in der vertikalen Rohrleitung nach oben transportiert.

Im fünften Versuchsdurchlauf wurde das Verhalten eines Feststoffgemischs (bestehend aus Steinen, Glasbruch und Metallteilen) bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten untersucht. Bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,4 m/s kam Bewegung in die ersten Feststoffe: Glasteile und Steine lösten sich aus dem Gemisch. Bei ca. 0,45 m/s bewegten sich Glasbruch und Steine bis zum Ende der horizontalen Rohrleitung und blieben am Übergang zum vertikalen Rohr liegen. Bei ca. 0,55 m/s wurden Teile des Glasbruchs bereits über das vertikale Rohr nach oben transportiert. Bei ca. 0,7 m/s bewegten sich alle Steine im vertikalen Rohr nach oben. Bei ca. 1,7 m/s wurden alle im horizontalen verbliebenen Metallteile über das vertikale Rohr nach oben transportiert.

Der Modellversuch von KSB und der TU Berlin hat deutlich gemacht, dass die Geschwindigkeit, mit der ein Partikel sedimentiert, unter anderem von seiner Form, Größe und Dichte abhängig ist. Nahezu kugelförmiger Kies grober Körnung setzt sich dabei wesentlich schneller ab als Sand oder organische Fasern. Dazu sind für horizontale oder vertikale Rohrleitungen je nach Durchmesser verschiedene Mindest­strömungs­geschwindig­keiten einzuhalten. In vertikalen Rohrleitungen werden größere Strömungs­geschwindig­keiten benötigt, um die Feststoffe zu transportieren.

Grundsätzlich führt KSB immer dann Modelluntersuchungen an einem Objekt oder einem Vorgang durch, wenn technische oder wirtschaftliche Gründe gegen Messungen unter Originalbedingungen sprechen. Die experimentellen Untersuchungen ermöglichen es KSB, neue Potenziale zur Effizienzsteigerung in Pumpenanlagen aufzudecken.

Der hydraulische Modellversuch „Feststofftransport“ war nur einer von mehreren Modellversuchen, die KSB durchgeführt hat. Erweitern Sie Ihr Fachwissen auch mit den Ergebnissen unserer weiteren hydraulischen Modellversuche zu Themen wie „Gaseinschlüsse“, „Bermenwinkel“ oder „Lufteinträge“.

Gut zu wissen: Bei der Planung, Durchführung und Auswertung aller Modellversuche sowie der Übertragung der Ergebnisse auf die originalgroße Maschine und/oder Original-Betriebsbedingungen werden die Ähnlichkeitsgesetze beachtet bzw. angewendet. Dazu gehören neben der Einhaltung der geometrischen Ähnlichkeit auch die Berücksichtigung von Längenänderungen durch elastische und thermische Verformungen, die Umrechnung der Versuchsergebnisse auf Basis der Modellgesetze, die Beachtung von Flüssigkeitseigenschaften und vieles mehr. 

Alles, damit aus einem Modellversuch am Ende eine konkrete Optimierung im täglichen Anlagenbetrieb werden kann.

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