Hydraulisen mallin testaus:  Kiintoaineen siirto jätevesiputkissa

Jäteveden kiintoaineet ovat ongelma monille laitosten käyttäjille. Nämä putkistoon kertyvät kiintoaineet voivat johtaa putkiston siirtokapasiteetin huomattavaan heikkenemiseen ja siten tehottomampiin prosesseihin laitoksessa tai järjestelmässä. Kallistuskulmilla on suuri merkitys sen varmistamisessa, että myös runsaasti kiintoainetta sisältäviä nesteitä voidaan siirtää luotettavasti. Näillä rakenteellisilla toimenpiteillä on kuitenkin vain vähäinen merkitys verrattuna nesteiden siirron tärkeimpään tekijään: virtausnopeuteen. Tähän on kiinnitettävä erityistä huomiota. Tämä siksi, että on tärkeää löytää täsmälleen oikea tasapaino liian alhaisella nopeudella tapahtuvien saostumien ja liian suurella nopeudella tapahtuvien liiallisten kitkahäviöiden välillä.

Vastatakseen kysymykseen optimaalisesta virtausnopeudesta KSB on aloittanut yhteistyössä Berliinin teknillisen yliopiston (TU Berlin) kanssa kattavan mallitestauksen jäteveden komponenttien kulkeutumisesta. Mallien testauksella pyrittiin määrittämään sedimentin tyypin ja koon vaikutus sedimentin kulkeutumiseen sekä jäteveden siirron edellyttämät vähimmäisnopeudet.

Yksi asia on varma: Tarvitaan aina tietty vähimmäisvirtausnopeus, jotta kaikki kiintoaineet kulkeutuvat pois jäteveden mukana.

KSB on yhdistänyt voimansa Berliinin teknillisen korkeakoulun (TU Berlin) kanssa tutkiakseen yksityiskohtaisemmin eri kiintoaineiden käyttäytymistä putkissa eri virtausnopeuksilla. Mallitestin keskeinen osa koostui vaaka- ja pystysuorasta putkiosasta. Takana olevaan vesisäiliöön asennettu pumppu huolehti nesteen asianmukaisesta kierrättämisestä. Vesi pumpattiin takaisin säiliöön kokeen päätyttyä. Nesteen mukana kulkeutuneet kiintoaineet kerättiin koriin. Järjestelyä täydennettiin sulkuventtiileillä ja mittauslaitteilla virtausnopeuden säätämiseksi.

Vaakasuoraan putkeen syötettiin syöttöputken kautta erilaisia, tyypillisesti jätevedessä esiintyviä kiintoaineksia, joiden tiheys, koko ja pinta vaihtelivat (esim. kiviä, metalliosia ja lasinsiruja). Avaamalla venttiiliä pumpun poistopuolella nesteen virtausnopeutta nostettiin, kunnes vaaka- tai pystysuorassa putkiosassa käsiteltävä neste kuljetti kyseisen tyyppistä kiintoainetta.

Kokeen ensimmäisessä osassa tutkittiin rikkoutuneen lasin käyttäytymistä eri virtausnopeuksilla. Lasinsirut syötettiin putkeen ja ne jäivät suoraan syöttöputken alle. Tämän jälkeen pumppu käynnistettiin ja poistopuolen sulkuventtiiliä avattiin hitaasti. Koe aloitettiin alhaisella virtausnopeudella. Kun virtausnopeus oli 0,15 m/s, kiintoaine ei liikkunut. Sen jälkeen nopeutta lisättiin asteittain. Kun virtausnopeus oli noin 0,4 m/s, lasinpalat alkoivat liikkua. Noin 0,5 m/s nopeudella lasinpalat siirtyivät vaakaputken päähän, josta ne nousivat kohti pystyputkea. Noin 0,7 m/s nopeudella lasinpalat liikkuivat myös pystysuorassa putkessa ylöspäin ja kulkeutuivat putken läpi ja siitä ulos.

Kokeen toisessa osassa tutkittiin pyöreiden ja sileiden kivien käyttäytymistä eri virtausnopeuksilla. Noin 0,4 m/s virtausnopeuden yläpuolella kivet alkoivat hieman liikkua. Kun nopeus oli yli 0,45 m/s, kivet siirtyivät vaakasuoran putken päähän ja pysyivät paikallaan kohdassa, jossa putki muuttui pystysuoraksi. Kun virtausnopeus nostettiin arvoon 0,8 m/s, kivet siirtyivät pystysuoraa putkea pitkin ylöspäin.

Kokeen kolmannessa osassa tutkittiin karkeiden ja kulmikkaiden kivien käyttäytymistä kasvavassa virtausnopeudessa. Kun virtausnopeus oli 0,45 m/s, ensimmäiset kivet alkoivat liikkua. Kun nopeus oli yli 0,5 m/s, kivet siirtyivät vaakasuoran putken päähän ja pysyivät paikallaan kohdassa, jossa putki muuttui pystysuoraksi. Kun virtausnopeus nostettiin arvoon 0,8 m/s, karkeat ja kulmikkaat kivet siirtyivät pystysuoraa putkea pitkin ylöspäin.

Kokeen neljännessä osassa tutkittiin pienten teräsosien (pultit ja mutterit) käyttäytymistä eri virtausnopeuksilla. Ensimmäiset osat alkoivat liikkua noin 0,6 m/s nopeudella. Kun virtausnopeus oli 0,9 m/s, kaikki osat siirtyivät vaakaputken päähän asti. Ensimmäiset metallikappaleet siirtyivät pystysuorassa putkessa ylöspäin noin 1,2 m/s nopeudella. Vasta virtausnopeuden ollessa 1,7 m/s myös kaikki muut jäljellä olevat metalliosat kulkeutuivat pystysuorassa putkessa ylöspäin.

Viidennessä koeosassa tutkittiin kiintoaineseoksen (joka koostui kivistä, lasinsiruista ja metalliosista) käyttäytymistä eri virtausnopeuksilla. Kun virtausnopeus oli 0,4 m/s, ensimmäiset kiintoaineet alkoivat liikkua. Lasinpalaset ja kivet irtoavat seoksesta. Noin 0,45 m/s nopeudella lasinsirut ja kivet siirtyivät vaakaputken päähän ja jäivät pystysuoraan putkiosaan johtavan mutkan kohdalle. Noin 0,55 m/s nopeudella osa lasinsirpaleista kulkeutui pystysuoraa putkea pitkin ylöspäin. Noin 0,7 m/s nopeudella kaikki pystysuorassa putkessa olevat kivet siirtyivät ylöspäin. Noin 1,7 m/s nopeudella kaikki vaakaputkeen jääneet metalliosat kulkeutuivat pystysuoraa putkiosuutta ylöspäin. 

KSB:n ja Berliinin teknillisen yliopiston tekemissä mallikokeissa on käynyt selväksi, että hiukkasen laskeutumisnopeus riippuu muun muassa sen muodosta, koosta ja tiheydestä. Lähes pallomainen, karkearakeinen sora laskeutuu paljon nopeammin kuin hiekka tai orgaaniset kuidut. Tämän vuoksi vaaka- tai pystysuorassa putkistossa on säilytettävä eri vähimmäisvirtausnopeudet halkaisijasta riippuen. Pystysuorissa putkissa kiintoaineen kuljettumiseen tarvitaan suurempia virtausnopeuksia.

KSB tekee yleensä mallitestejä kohteelle tai menettelylle aina, kun alkuperäisten olosuhteiden mittaaminen ei ole teknisesti tai taloudellisesti mahdollista. Kokeellisten tutkimusten avulla KSB löytää uusia mahdollisuuksia pumppujärjestelmien tehokkuuden parantamiseen.

Kiintoaineen kuljettumisen hydraulinen mallitesti oli vain yksi monista KSB:n tekemistä mallitesteistä. Laajenna erikoisosaamistasi muiden hydrauliikkamallien testien tuloksilla, jotka koskevat esimerkiksi kaasutaskuja, kallistumia tai ilman pääsyä.

Hyvä tietää: Affiniteettilakeja noudatetaan ja sovelletaan, kun mallikokeita suunnitellaan, suoritetaan ja arvioidaan sekä kun tuloksia siirretään alkuperäisen kokoiseen koneeseen ja/tai alkuperäisiin käyttöolosuhteisiin. Geometrisen samankaltaisuuden säilyttämisen lisäksi tähän kuuluu kimmoisista ja lämpömuodonmuutoksista johtuvien pituuden muutosten huomioon ottaminen, testitulosten muuntaminen affiniteettilakien perusteella, nesteen ominaisuuksien huomioiminen ja paljon muuta.

Toisin sanoen kaikki se, jonka avulla mallitestillä voidaan optimoida pumppujärjestelmän päivittäinen toiminta tosielämässä.

Haluatko lisätietoja? Ota meihin yhteyttä. Odotamme yhteydenottoasi.