{"id":5155,"date":"2022-07-29T12:31:30","date_gmt":"2022-07-29T10:31:30","guid":{"rendered":"https:\/\/www.pleiger-maschinenbau.de\/erfolgreicher-kampf-gegen-die-verzopfung\/"},"modified":"2022-07-29T14:05:18","modified_gmt":"2022-07-29T12:05:18","slug":"erfolgreicher-kampf-gegen-die-verzopfung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.pleiger-maschinenbau.de\/en\/erfolgreicher-kampf-gegen-die-verzopfung\/","title":{"rendered":"Erfolgreicher Kampf gegen die Verzopfung"},"content":{"rendered":"
Fachbeitrag:<\/h5>\n

Erfolgreicher Kampf gegen die Verzopfung<\/strong><\/h1>\n

Entwicklung, Bau und erste Betriebserfahrungen eines optimierten Laufrades f\u00fcr Schmutzwasserpumpen <\/strong><\/p>\n

Markus Knop (Witten), Thomas Baack (Witten), Bernd Hohmeier (Witten), Marcello Di Brino (Dortmund), Guido Petrak (Dortmund), Markus Kamps (Dortmund), Hans Josef Dohmen (Duisburg), Friedrich-Karl Benra (Duisburg)<\/em><\/p>\n

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Abb. 1: Hygiene- und Feuchtt\u00fccher sowie immer geringere Wasseranteile sorgen f\u00fcr massive Verzopfungen in Schmutzwasserpumpen<\/em><\/p>\n

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Zusammenfassung<\/strong><\/p>\n

Ein zunehmender Anteil an Hygiene- und Feuchtt\u00fcchern und ein geringer Wasseranteil sorgen f\u00fcr eine deutliche Ver\u00e4nderung der Abwasserzusammensetzung, die zu massiven Verzopfungen in den Pumpen f\u00fchren. In der Folge sind die finanziellen Aufwendungen f\u00fcr Reinigung, Wartung und Reparatur f\u00fcr die Abwasserbetriebe in den vergangenen Jahren enorm gestiegen. Um dieses Problem nachhaltig zu l\u00f6sen, f\u00fchrte das Institut f\u00fcr Energie- und Umweltverfahrenstechnik an der Universit\u00e4t Duisburg-Essen im Auftrag der Pleiger Maschinenbau GmbH & Co. KG (Witten) eine str\u00f6mungsmechanische Untersuchung zum Verzopfungsverhalten von Einkanalradpumpen durch. Aus dieser Forschungsarbeit ist eine optimierte Laufradgeometrie f\u00fcr Abwasserpumpen entwickelt worden. Sie sorgt f\u00fcr eine deutliche Verbesserung der Str\u00f6mung hinsichtlich der Verzopfungsanf\u00e4lligkeit im Eintrittsbereich des Laufrades und somit f\u00fcr eine deutlich erh\u00f6hte Betriebssicherheit bei deutlich geringeren Wartungskosten. Der Beitrag stellt die umfangreichen Entwicklungsarbeiten des Laufrades \u00fcber den Einbau eines Prototypen durch den Abwasserentsorger und Kl\u00e4ranlagenbetreiber Emschergenossenschaft\/Lippeverband im Pumpwerk Dortmund-Deusen bis hin zu ersten Betriebserfahrungen vor.<\/em><\/p>\n

Schlagw\u00f6rter: <\/em>Verzopfung, Abwasserentsorgung, Einkanalradpumpe, Laufrad, Laufradgeometrie, Schaufelkanal, Saugmund, Str\u00f6mungsrechnung, Druckverteilung, Pumpwerk, Schmutzwasserpumpe<\/em><\/p>\n

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Hintergrund und Ausgangssituation<\/strong><\/p>\n

Allein im Referenzjahr 2017 wurden im Pumpwerk Dortmund-Deusen aufgrund von Verschmutzung, Verschlammung, Faser- und Sperrstoffen 65 St\u00f6rmeldungen vom Prozessleitsystem erfasst. Ausgel\u00f6st wurden sie von den ausgefallenen Pumpen. F\u00fcr den Betreiber, den Abwasserentsorger und Kl\u00e4ranlagenbetreiber Emschergenossenschaft\/Lippeverband, entstanden dadurch erhebliche Kosten. Die aufgetretenen Probleme f\u00fchrten neben den Materialsch\u00e4den zu 33 au\u00dferplanm\u00e4\u00dfigen Rufbereitschaftseins\u00e4tzen.<\/p>\n

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Das Pumpwerk Dortmund-Deusen<\/strong><\/p>\n

Das Pumpwerk Dortmund-Deusen, mit insgesamt acht installierten Pumpen verschiedener Nennweiten, arbeitet personell unbesetzt und vollautomatisch. Die Pumpen werden abh\u00e4ngig vom Wasserstand im Saugraum ein- und ausgeschaltet. Aufgrund der schwankenden Wasserst\u00e4nde sowie des unregelm\u00e4\u00dfigen Zuflusses zum Pumpwerk ergeben sich intermittierende Betriebsweisen der Pumpen.<\/p>\n

Bei Trockenwetter f\u00f6rderte jeweils nur eine von zwei Schmutzwasserpumpen 90 Liter\/Sekunde kl\u00e4rpflichtiges Abwasser zur Kl\u00e4ranlage Dortmund-Deusen. Bei dem Wasser handelt es sich um st\u00e4dtisches Abwasser aus einem geschlossenen Kanalsystem, das zuerst dem Pumpwerk zugef\u00fchrt wird. Ein Rechen ist den Pumpen nicht vorgeschaltet.<\/p>\n

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Abb. 2: Das Regen\u00fcberlaufbecken im Pumpwerk Dortmund-Deusen mit deutlich erkennbarer Verschlammung<\/em><\/p>\n

Dem Pumpwerk ist im Nebenschluss ein Regen\u00fcberlaufbecken (R\u00dcB) angeordnet (Abbildung 2). \u00dcbersteigt der Mischwasserzufluss am Pumpwerk beispielsweise aufgrund von Regenereignissen die genehmigte F\u00f6rdermenge von 90 Litern\/Sekunde, f\u00f6rdert eine separate Pumpe in das R\u00dcB. Nach dem Regenereignis, bei sinkendem Zufluss, wird das R\u00dcB automatisch in Richtung Pumpwerk entleert. Verbleibende Ablagerungen im R\u00dcB werden mit Hilfe von Sp\u00fclkippen gel\u00f6st und dem Pumpwerk zugef\u00fchrt.<\/p>\n

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Spezifische Problematiken<\/strong><\/p>\n

Die hier installierten Schmutzwasserpumpen m\u00fcssen in der Lage sein, das kommunale Abwasser rechenfrei zu f\u00f6rdern. Das Abwasser ist in seiner heutigen Zusammensetzung allerdings eine potenzielle Herausforderung f\u00fcr jede Pumpe: Faserstoffe, in Form von Hygiene- und K\u00fcchent\u00fcchern, verzopfen und f\u00fchren zu Verstopfungen in der Pumpe (Abbildung 1). Es droht der \u201eFeuchtt\u00fccher-Infarkt\u201c.<\/p>\n

Die beiden Pumpen sind bereits redundant aufgestellt, sodass \u00a0immer eine Pumpe die Schmutzwassergrundlast pumpt. Das Kanalnetz darf nicht unn\u00f6tig eingestaut werden, um die Reserven f\u00fcr ein m\u00f6gliches Regenereignis im Mischwasserkanal m\u00f6glichst gro\u00df zu halten. Daher musste seitens der Rufbereitschaft bei der genannten Abwasserbeschaffenheit schon beim Ausfall einer Trockenwettermaschine gehandelt werden. Steigt der Zufluss zum Pumpwerk \u00fcber die Menge des zweifachen Trockenwetterzufluss (2Qt), wird in einem Regen\u00fcberlaufbecken (R\u00dcB) zwischengelagert. Dies wird durch eine gr\u00f6\u00dfere Pumpe realisiert. F\u00fcr den Havariefall, dass beide Grundlastpumpen ausfallen, wird das genannte R\u00dcB sofort mit dem anspruchsvollen Abwasser beschickt. Im R\u00dcB sammelt sich das Wasser, die Feststoffe lagern sich hier mehr oder weniger ab. Nach Abschluss des Regenereignisses wird mittels Sp\u00fclkippen das R\u00dcB gereinigt und entleert. \u00dcber die Sp\u00fclschwellen gelangen dann die Ablagerungen wieder in den Pumpensaugraum und werden den Pumpen schwallartig und massiv zugef\u00fchrt, was zu erneuten Verstopfungen der Schmutzwasserpumpen f\u00fchren kann.<\/p>\n

Damit der Kl\u00e4ranlage die vorgegebene genehmigte Menge zugef\u00fchrt werden kann und das R\u00dcB seltener beaufschlagt wird und zeitnah geleert werden kann, ist ein kontinuierlicher st\u00f6rungsfreier Pumpenbetrieb unabdingbar.<\/p>\n

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L\u00f6sungsansatz<\/strong><\/p>\n

In der Diskussion um die L\u00f6sung der geschilderten Problematik und der damit verbundenen Optimierung des vorhandenen Pumpendesigns wurde entschieden, dass jegliche Einbauten vor dem Saugmund des Pumpenlaufrades vermieden werden sollen. Als L\u00f6sungsansatz wurde eine Geometrie\u00e4nderung der Pumpenlaufr\u00e4der f\u00fcr einen ungehinderten Str\u00f6mungsverlauf des Abwassers und der darin enthaltenen Fest- und Faserstoffe angestrebt.<\/p>\n

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Str\u00f6mungsmechanische Untersuchung der Universit\u00e4t Duisburg-Essen<\/strong><\/p>\n

Um sich dem Verzopfungsproblem zun\u00e4chst wissenschaftlich zu n\u00e4hern, gab Pleiger Maschinenbau an der Universit\u00e4t Duisburg-Essen eine str\u00f6mungsmechanische Untersuchung nach der Computational Fluid Dynamics-Methode (CFD) in Auftrag. Durchgef\u00fchrt wurde sie am Institut f\u00fcr Energie- und Umweltverfahrenstechnik des Lehrstuhls f\u00fcr Str\u00f6mungsmaschinen an der Fakult\u00e4t f\u00fcr Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau.<\/p>\n

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Vorgehensweise f\u00fcr das Rechenmodell<\/strong><\/p>\n

Um den Ist-Zustand abzubilden, wurde zun\u00e4chst die vorhandene Geometrie f\u00fcr die Str\u00f6mungsrechnung aufbereitet und die Rechennetze im Fluidvolumen erstellt. Es folgten das Pre-Processing, die Durchf\u00fchrung von \u201eSteady State\u201c Rechnungen und das entsprechenden Post-Processing.<\/p>\n

Auf Grundlage der dabei gewonnenen Ergebnisse sollte eine Geometrie\u00e4nderung des Pumpenlaufrades durchgef\u00fchrt und die erzielbaren Ergebnisse unter Ber\u00fccksichtigung aller wichtigen Randbedingungen des Prozesses (z.B. Totaldruck im Eintritt, Volumenstrom im Austritt, etc.) simuliert werden.<\/p>\n

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Ursache f\u00fcr das Verzopfungsszenario<\/strong><\/p>\n

Nach umfangreichen Simulationen konnte die bis zu diesem Zeitpunkt angestellte Annahme widerlegt werden, dass ein Drall im Eintritt der Pumpe die Ursache f\u00fcr das Verzopfen langfaseriger Bestandteile in der Str\u00f6mung ist.<\/p>\n

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Abb. 3: Druckverteilung im Achsnormalschnitt der Pumpe<\/em><\/p>\n

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In der Simulation wurde die Verteilung des statischen Druckes in einem Achsnormalschnitt am Saugmund der Pumpe und in der N\u00e4he der Deckscheibe der Pumpe dargestellt (Abbildung 3). Das dabei entstandene Druckfeld f\u00fchrte zu der Vermutung, dass der deckscheibenseitige Radseitenraum aufgrund der an der Au\u00dfenseite der Deckscheibe angebrachten Bauchschaufeln zumindest in Bereichen \u00fcber dem Umfang zentrifugal statt wie normal zentripetal durchstr\u00f6mt wird (Abbildung 4). Durch dieses Verhalten k\u00f6nnte das Verzopfungsszenario ausgel\u00f6st werden.<\/p>\n

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Abb. 4: Beschreibung des Laufrads<\/em><\/p>\n

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Daher beschlossen Pleiger Maschinenbau und das Institut, zun\u00e4chst keine Variation der Geometrie durchzuf\u00fchren, sondern das bestehende Rechenmodell um den Radseitenraum zwischen Deckscheibe und Geh\u00e4use zu erweitern und mit diesem angepassten Modell eine erweiterte Simulation f\u00fcr diesen Betriebspunkt durchzuf\u00fchren.<\/p>\n

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\nAbb. 5: Druckverteilung im Achsnormalschnitt der Pumpe mit Stromlinien im Radseitenraum und Geschwindigkeitsvektoren am Eintritt zum Dichtspalt im Einlauf-Radseitenraum<\/em><\/p>\n

In den anschlie\u00dfenden Simulationen zeigte sich, dass der Spalt zwischen Laufrad und Verschlei\u00dfring am Saugmund teilweise zentrifugal und teilweise zentripetal durchstr\u00f6mt wird (Abbildung 5). Diese Durchstr\u00f6mungsbereiche laufen mit dem Laufrad um und sind ortsfest im Relativsystem. Die daf\u00fcr verantwortlichen Druckfelder laufen ebenfalls mit dem Laufrad um. Die zentrifugale Einstr\u00f6mung in den Spalt liegt \u00f6rtlich in dem Bereich des Laufrades, an dem eine Kante aufgrund der starken Kr\u00fcmmung des Laufradkanals vorhanden ist.<\/p>\n

Mit dieser Konstellation konnte mit hoher Wahrscheinlichkeit die Ursache f\u00fcr die sich anbahnende Verzopfung und der folgenden Verstopfung gefunden werden: Langfaserige Bestandteile des Abwassers werden dabei sowohl in den Spalt als auch in den Hauptstr\u00f6mungskanal des Laufrades gezogen und legen sich somit um die beschriebene Kante. Damit baut sich nach und nach die Verstopfung des Laufrades auf.<\/p>\n

Als erstes Ergebnis der str\u00f6mungsmechanischen Untersuchung konnte somit ermittelt werden, dass das unsymmetrische Druckfeld im Saugmund des Laufrades als Ursache der Verstopfung beeinflusst werden muss. Eine Verstopfung l\u00e4sst sich daher nur durch eine Geometriever\u00e4nderung des Laufrades \u2013 und m\u00f6glicherweise des Pumpengeh\u00e4uses \u2013 erreichen.<\/p>\n

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Parametrische CAD-Volumenmodelle<\/strong><\/p>\n

F\u00fcr den folgenden Schritt beschlossen Pleiger Maschinenbau und das Institut, aus den vorliegenden Daten des Laufrades ein parametrisches CAD-Volumenmodell zu erstellen. Dieses sollte anschlie\u00dfend so ver\u00e4ndert werden, dass das Druckfeld beeinflusst werden kann. Als Ziel wurde ein Laufrad definiert, dessen Schaufelkanal so geformt ist, dass die f\u00fcr die Verzopfung kritische Kante im Laufradeintritt m\u00f6glichst vermieden wird. Um bestehende Einkanalradpumpen sp\u00e4ter m\u00f6glichst ohne gro\u00dfen Aufwand \u2013 also ohne Eingriff in die Geh\u00e4usekonstruktion \u2013 umr\u00fcsten zu k\u00f6nnen, sollten die Au\u00dfenabmessungen des Laufrades m\u00f6glichst nicht ver\u00e4ndert werden. Das entsprechende CAD-Modell wurde am Lehrstuhl f\u00fcr Str\u00f6mungsmaschinen der Universit\u00e4t Duisburg-Essen erstellt.<\/p>\n

In der Folge wurden im Institut mehrere Geometrievarianten des Laufrades simuliert, str\u00f6mungsmechanisch beurteilt und mit Pleiger Maschinenbau diskutiert. Zwei besonders bemerkenswerte Geometrien sollen an dieser Stelle n\u00e4her vorgestellt werden.<\/p>\n

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\nAbb. 6: Modifizierte Geometrievariante 1<\/em><\/p>\n

Die Abbildung 6 zeigt auch hier wieder die Druckverteilung im Achsnormalschnitt der Pumpe, die Stromlinien im Radseitenraum sowie die Geschwindigkeitsvektoren am Eintritt zum Dichtspalt im Einlauf-Radseitenraum f\u00fcr die neu entwickelte Geometrie analog zur Abbildung 1 der vorhandenen Ausgangsgeometrie.<\/p>\n

Es l\u00e4sst sich gut erkennen, dass die Druckverteilung auf dem Umfang wesentlich gleichf\u00f6rmiger verl\u00e4uft. Die Vektoren zeigen kein lokal starkes Einstr\u00f6men in den Spalt mehr und eine Analyse des Str\u00f6mungsfeldes f\u00fcr verschiedene Laufradstellungen relativ zum Geh\u00e4use zeigt, dass die noch vorhandenen Ein- und Ausstr\u00f6mgebiete in den Radseitenraum weder station\u00e4r zum Laufrad noch zum Geh\u00e4use sind und somit der Eintritt zum Radseitenraum nicht mehr die Ursache f\u00fcr Verstopfungen bilden sollte.<\/p>\n

Allerdings zeigt diese Variante im Hinblick auf die gew\u00fcnschte m\u00f6gliche Nachr\u00fcstung von Einkanalradpumpen gleich mehrere problematische Eigenschaften:<\/p>\n