KSB Know-how, Band 7

Planungshinweise KRT

More space for solutions.

> DN2 + 150

CCW

CW

CO

CO

CO

CB

A

CCp

2 × Di

Di

0,75 × Di

1

Seite Einleitung 31. Allgemeine Pumpenauswahl 41.1 Planungsgrößen / Bemessungsdaten 41.2 Die Förderhöhe 61.3 Der NPSH-Wert 8 1.4 Der Leistungsbedarf 101.5 Die Förderaufgabe 111.6 Pumpenauswahl 131.6.1 Kennlinien 131.6.2 Pumpenkennlinie 151.6.3 Anlagenkennlinie 151.7 Zulässige Betriebsgrenzen für Pumpen 161.7.1 Betriebs- oder Arbeitspunkt 161.7.2 Betriebsgrenzen Qmin und Qmax 161.7.3 Besonderheiten bei Abwassertransport 171.8 Pumpenfahrweise 191.8.1 Einzelbetrieb 191.8.2 Drosselregelung 191.8.3 Anpassung des Laufrad-Durchmessers 201.8.4 Drehzahlregelung 201.9 Parallelbetrieb identischer Baugrößen 211.10 Parallelbetrieb unterschiedlicher Baugrößen 221.11 Reihenschaltung 221.12 Pumpenstaffelung 231.13 Konzept der nass aufgestellten Pumpe 24

2. Maschinentechnik und Aufstellung 272.1 Auswahl der optimalen Laufrad-Geometrie 272.2 Werkstoffauswahl für differenzierte Anwendungen 292.3 Wellenabdichtung 312.4 Rotor und Lagerung 332.5 Aufstellung 34

3. Allgemeine Motorbeschreibung 363.1 Motorgrößen 373.2 Bauform 373.3 Betriebsart 383.4 Schutzart 383.5 Zündschutzart und Temperaturklassen 383.6 Elektrische Bemessungsdaten 383.7 KRT-Motoren am Frequenzumrichter 403.7.1 Bemessung der Frequenzumrichter 403.7.2 Explosionsgeschützte Antriebe 40

Inhaltsverzeichnis

2

3.8 Konstruktiver Aufbau des Motors 40 3.9 Kühlung 413.10 Überwachungseinrichtungen 413.11 Anschluss und Beschreibung der Überwachungseinrichtungen 443.12 Kraft- und Steuerleitung mit Leitungsdurchführung 483.13 Elektrische Anschlussleitungen 493.14 Tefzel Leitung (TEHSITE) 503.15 Geschirmte Gummischlauchleitung 513.16 Qualitätssicherung und Prüfprotokolle 52

4. Rohrleitungen und Armaturen 534.1 Planung der Rohrleitungsanlage 534.1.1 Rohrleitungen 534.1.1.1 Dimensionierung 534.1.1.2 Rohrleitungsführung 564.1.1.3 Rohrleitungsbefestigung / -halterung 594.1.1.4 Wanddurchführungen 614.1.1.5 Rohrleitungswerkstoffe 614.1.1.6 Messanschlüsse an Rohrleitungen 624.2 Auswahl der Armaturen 634.2.1 Vorbemerkungen 634.2.2 Auswahlkriterien 634.2.2.1 Fördermedien 634.2.2.2 Bauarten 634.2.2.3 Einbaulage und Fließrichtung 644.2.2.4 Werkstoffe 644.2.2.5 Nennweite 644.2.3 Zuordnungs- Tabelle „Armaturenbauarten zu Abwasserarten 654.2.4 Einbau 664.2.4.1 Einbaulage 664.2.4.2 Einbauposition 664.2.4.3 Technische Lösungen für den Armaturen-Ein- und -Ausbau 67

5 Bauwerksgestaltung 695.1 Vorbemerkungen 695.2 Recheneinrichtungen 715.3 Schwimmdeckenbildung in Abwasserpumpstationen 745.4 Bermenausbildung in Pumpensümpfen 755.5 Splitter zur Vermeidung getauchter Wirbel 775.6 Abmessungen für den Pumpensumpf und die Pumpenaufstellung 775.7 Pumpensümpfe mit hoher Schmutzfrachtbelastung 795.8 Die Notwendigkeit von Modelltests 805.9 Versuchsaufbau 815.10 Bewertung der Ergebnisse 825.11 Die Bedeutung von CFD-Simulationen 82

Diagramme 88

3

Einleitung

Diese Schrift soll Planern und

Betreibern helfen, die am besten

geeignete Tauchmotorpumpe

der Baureihe Amarex KRT

auszuwählen, zu dimensionieren

und zu betreiben.

KSB hat diese Tauchmotor-

pumpen als betriebssichere,

zuverlässige und energieeffi-

ziente Lösung für alle Förder-

aufgaben in der kommunalen

und industriellen Abwasser-

technik konzipiert. Zielsetzung

war die möglichst hohe Vielsei-

tigkeit auf der Basis einer

großen Auswahl von Materi-

alien, robusten Sensoren und

flexiblen Installationsmöglich-

keiten. Speziell abgestimmte

Hydrauliken, die mit großen

freien Durchgängen eine hohe

Betriebssicherheit bieten, sorgen

für eine optimierte, ökonomische

Förderung unterschiedlichster

Medien. Der Ex-Schutz erlaubt

einen Einsatz auch bei ex-

gefährdeter Umgebung. Ein

Schutz gegen zu hohe

Erwärmung der Motorwicklung,

die absolute Dichtheit aller

Kabeleinführungen, eine

spezielle Wellenabdichtung und

die auf hohe Standzeiten aus-

gelegten Lager sichern einen

langen, störungsfreien Betrieb.

4

1. Allgemeine Pumpenauswahl

1.1Planungsgrößen / Bemessungsdaten

Bei der Planung bzw. Bemessung

einer Pumpe / Pumpstation ist

das Ermitteln der Fördermenge

und der entsprechenden Förder-

höhe von größter Bedeutung.

Während beim Festlegen der

Förderhöhe konkrete Annahmen

über die Höhe der zu erwarten-

den Verluste getroffen werden

können, ist die tatsächlich

benötigte Fördermenge von einer

Reihe weiterer Einflüsse ab-

hängig. Dies wird im Folgenden

diskutiert.

Die Fördermenge

Die Fördermenge (auch Volumen-

strom Q genannt, Angabe z.B.

in [l/s] oder [m³/h]) ist definiert

als das nutzbare Volumen, das

von der Pumpe pro Zeiteinheit

durch den Druckstutzen geför-

dert wird. Interne Volumen-

ströme wie z.B. Leckagen oder

Sperrflüssigkeiten zählen natür-

lich nicht zum nutzbaren

Volumenstrom. Eine möglichst

genaue Ermittlung der benötig-

ten / anfallenden Fördermenge

ist äußerst wichtig für die

richtige Dimensionierung der

Pumpe(n) und nicht zuletzt für

die Größe der Pumpstation

selbst.

Der tägliche Zufluss zu einer

Abwasserpumpstation wird von

mehreren Faktoren entschei-

dend beeinflusst:

- der Art des Entwässerungs-

systems (Mischwasser oder

Trennsystem)

- der Größe und Struktur des

Einzugsgebietes

- der Zahl der ans Abwasser-

netz angeschlossenen Gebäude

(und der darin wohnenden

Bürger)

- der Zahl und der Art der ans

Abwassernetz angeschlossenen

Industrie- und Gewerbegebiete

(ist über die Bemessung der

Einwohnergleichwerte

berücksichtigt).

Dieser Zufluss ist in einer so

genannten Ganglinie darstell-

bar. Sie gibt die ermittelte /

typische Abwasser-Zulauf-

menge über den Verlauf eines

gesamten Tages wieder

siehe Beispiele in Bild 1.

Nennenswerte Unterschiede

können sich sowohl in der

Charakteristik als auch in der

Tagesmenge zwischen Werktagen

und arbeitsfreien Feiertagen bzw.

Wochenenden ergeben. Bei

Regenereignissen muss mit

erhöhten Zulaufmengen

gerechnet werden. Dies ist im

besonderen für das Entwäs-

serungssystem Mischwasser

(Abwasser und Niederschlags-

wasser werden in gemeinsamen

Rohrsystemen zur Kläranlage

geleitet) von Bedeutung.

Die Ganglinie ist somit eine

entscheidende Basis zur Aus-

legung der Pumpenbauart, der

Anzahl der Pumpen bzw.

Staffelung der Pumpen und

deren Antriebsart (z.B. starre

oder variable Drehzahl) und

nicht zuletzt für die damit

verbundene Festlegung der

erforderlichen Betriebspunkte

der einzelnen Aggregate.

Bild 1: Beispiel einer Zulaufgang-linie für mathematisches Berechnungsmodell

0

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

Zeit t in s

Beispiel Tagesganglinie

Zula

ufvo

lum

enst

rom

Qzu

in l/

s

Fakt

or Y

1

3600

7200

1080

014

400

1800

021

600

2520

028

800

3240

036

000

3960

043

200

4680

050

400

5400

057

600

6120

064

800

6840

072

000

7560

079

200

8280

086

400

Im Anhang vergrößert

1

5

Allgemeine Pumpenauswahl

Qzu(t)= Y1 + · Y1 · sin · (t-21600)π21600( )1

2

Qzu(t)= 1,1 · Y1

für 0 ≤ t ≤ 54000 oder t ≥ 64800

für 54000 < t < 64800

welches innerhalb eines

vorgegebenen Zeitinterwalls

zuströmt. So folgt aus

bestimmen, ist es vorteilhaft die

Berechnung auf der Basis von

Volumina fortzusetzen.

Ausgehend der Berechnung des

Zulaufvolumenstromes nach

Gleichung 01 wird nun das

Zulaufvolumen Vzu berechnet,

Um daraus den Nennförder-

strom ( QN = Förderstrom für

den die Pumpe bei Nenndreh-

zahl nN , der Nennförderhöhe

HN und einer angegebenen

Förderflüssigkeit vertraglich

bestellt wird) einer Pumpe zu

Y1 + · Y1 · sin · (t-21600)π

21600( )12

Vzu(t)= · dt

für 0 ≤ t ≤ 54000 v t ≥ 64800

für 54000 < t < 64800

Vzu(t)= · dt( )

3600

36001,1 · Y1

deckung und der maximal

zulässige Pegelstand. Nun folgt

die Berechnung des

Fördervolumens VP [1.5]:

Zu beachten bzw. einzuhalten

sind bei der Variation des

Pumpenfördervolumens VP

die beiden vorgegebenen

Grenzwerte der Mindestüber-

Aus dem Zulaufvolumen Vzu

sowie dem Pumpenförder-

volumen VP , das im Zeitinter-

vall gefördert wird, sowie der

Schachtgeometrie kann der neue

Pegelstand pegel aus dem alten

Pegelstand zuzüglich der

Volumendifferenz im Verhältnis

zur Schachtquerschnittsfläche

errechnet werden:

ihrer Ausprägung variiert

werden kann. Das 1,5-fache

dieser Variablen entspricht dem

Maximum der Tagesgangkenn-

linie, nach der nach EN 752-6

die Einwohnergleichwerte

bestimmt werden. So entspricht

ein maximaler Zulaufvolumen-

strom von 4 l/s in Deutschland

1.000 Einwohnergleichwerten.

in Zeitschritten t von 20 s

diskret berechnet werden

können. In der Berechnung wird

diese Tagesganglinie von Inbe-

triebnahme bis zum Lebens-

dauerende als periodisch wieder-

kehrend angenommen. Die

Größe Y1 ist die Variable, an-

hand der die Tagesganglinie in

Die starken Schwankungen des

Zulaufs an Schmutzwasser Q zu

siehe Tagesganglinie sind es, die

ein zeitindizierte Berechnung

erforderlich machen.

Die Tagesganglinie wird wie hier

im Beispiel Bild 1 nach

Gleichung 01 mathematisch

abgebildet, wobei die Zustände

(1)

(2)

· π · d2schacht

(Vzu - Vp)

14

pegel = pegelalt +

(3)

Vp = · dt [1.6] 3600

Q

(4)

1

6

Allgemeine Pumpenauswahl

1.2Die Förderhöhe

Die Förderhöhe H einer Pumpe

(Angabe z.B. in [m]) ist definiert

als die auf das Fördermedium

übertragene nutzbare mechan-

ische Arbeit, bezogen auf die

Gewichtskraft des geförderten

Fördermediums bei örtlicher

Fallbeschleunigung.

Die Dichte ρ des Fördermediums

(ρ = m / V [kg/m³], Verhältnis

der Masse m in einem gegebenen

Volumen V der Förderflüssig-

keit) hat keinen Einfluss auf die

Förderhöhe einer Kreiselpumpe;

sie beeinflusst lediglich den

Leistungsbedarf an der

Pumpenwelle.

Die kinematische Viskosität υ

des Fördermediums (υ = η / ρ [m²/s] oder [cSt], also das

Verhältnis der dynamischen

Viskosität bzw. dem Propor-

tionalitätsfaktor η zwischen der

Schubspannung und dem

Geschwindigkeitsgefälle zur

Dichte ρ des Fördermediums)

hat ab einer bestimmten Größe

Einfluss auf die Förderhöhe, die

Fördermenge und den Leistungs-

bedarf der Pumpe. Der Einfluss

auf die Förderdaten beginnt bei

Fördermedien mit einer kinema-

tischen Viskosität größer ~ 40

m²/s. Man spricht dann von

zähen Flüssigkeiten. In der Ab-

wassertechnik spielen zähe

Flüssigkeiten nur bei der

Schlammbehandlung in Klär-

anlagen eine Rolle.

Um die Gesamtförderhöhe H

einer Pumpenanlage / einer

Pumpe bestimmen zu können,

sind Kenntnisse über folgende

Verhältnisse von wesentlicher

Bedeutung:

- die Ordinate der Sohle des

Zulaufkanals bzw. des

Pumpensumpfes

- die Ein- und Ausschalt-

Ordinaten der Pumpen

(entspricht der Mindestüber-

deckung und dem maximal

zulässigen Pegelstand im

Pumpensumpf)

- der Verlauf des Geländes

(Länge und Höhenverlauf)

zwischen der Förderanlage

und dem Förderziel

- die verbauten Armaturen,

Formstücke und Rohrleit-

ungen mit Angabe ihrer

Nennweiten DN und ihren

Widerstandsbeiwerten ζ- die Auslauf-Ordinate des

Förderzieles.

Die Grundlagen über den

Zusammenhang zwischen

Druck und Geschwindigkeit

eines Fluids in einer Rohrleitung

werden in der Bernoulli-

Gleichung beschrieben.

In Worten besagt das Bernoulli-

Prinzip:

„Der Totaldruck in einem

reibungsfrei durchströmten Rohr

als Summe von statischem und

dynamischem Druck ist an allen

Stellen gleich.“ [1.8].

Gültig ist dieses Prinzip bei

stationärer, reibungsfreier Strö-

mung eines inkompressiblen

Fluids; im gegebenen, realen

Anwendungsfall liegt allerdings

eine instationäre, reibungsbe-

haftete Strömung eines inkom-

pressiblen Fluids vor. Die

Bernoulli-Gleichung muss aus

diesem Grund um die Reibung

und die Geschwindigkeitsän-

derungen erweitert werden. Im

Allgemeinen ist es üblich, Druck

als Förderhöhe H in Meter

Flüssigkeitssäule des geförderten

Fluids auszudrücken.

Bei Einsatz von Tauchmotor-

pumpen bleiben nur die Höhen-

differenzen, auch mit HGEO

beschreibbar, und die Summe

aller Verluste Σ HV übrig. Die

Gesamtförderhöhe H kann

somit mit der vereinfachten

Gl. (6) beschrieben werden [1.9]:

· ρ · v2 + p = const12

(5)

1

7

Allgemeine Pumpenauswahl

H = HGEO + Σ H V mit Σ H V = H VS + H VE + H VD

Hinweis:

KSB liefert zusammen mit

seinem Auslegungsprogramm

eine zusätzliche Software zur

Berechnung der erforderlichen

Förderhöhen, den so genannten

‚Rohrleitungsrechner’. Hier

können alle Armaturen,

Formstücke und Rohrleitungen

mit ihren Nennweiten und

Verlustbeiwerten kombiniert

und kalkuliert werden, um die

Nennförderhöhe der geplanten

Förderanlage zu bestimmen

[1.12]. Literaturstelle: KSB-Heft

Auslegung Kreiselpumpen [1.10]

Legende:

HGEO statische Förderhöhe,

messbare Höhendifferenz

zwischen saugseitigem und

druckseitigem Wasserspiegel

bzw. Ordinate

H V Gesamtverlusthöhe,

entspricht der manometrischen

Förderhöhe Hman

H VS Druckverlusthöhe der

Armaturen, Formstücke und

Rohrleitungen auf der Saugseite

der Pumpe - entfällt bei nass

aufgestellten Pumpen wie z.B.

der KRT und der Amacan

H VE Druckverlusthöhe der

Armaturen, Formstücke und

Rohrleitungen auf der

Druckseite der Pumpe -

Einzelstrangverluste bis zur

Sammeldruckrohrleitung bei

Mehrpumpenanlagen

H VD Druckverlusthöhe der

Armaturen, Formstücke und

Rohrleitungen auf der

Druckseite der Pumpe in der

Sammeldruckrohrleitung

Die Verlusthöhe H V berechnet

sich für gerade Rohrleitungen zu

[1.10]:

Für Armaturen und Formstücke

berechnet sich die Verlusthöhe

HV zu [1.11]:

H V = λ · · 2 · g

v2

dL

H V = ζ · 2 · g

v2

(6)

(7)

(8)

1

8

Allgemeine Pumpenauswahl

1.3Der NPSH-Wert

Der NPSH-Wert (Net Positive

Suction Head) ist eine wichtige

Größe zur Beurteilung des Saug-

vermögens einer Kreiselpumpe:

Er beschreibt den Mindestdruck

im Zulauf, den jede Kreisel-

pumpe benötigt, um kavitations-

frei und betriebssicher arbeiten

zu können [1.13].

Es ist zu unterscheiden zwischen

dem zugelassenen Kavitations-

einfluss mit 3prozentigem Förder-

höhenabfall NPSH3%-Wert der

Pumpe ((genannt NPSHerf (erf =

erforderlich; im Englischen

NPSHreg (req = required)) - auch

Haltedruckhöhe der Pumpe

genannt - und dem NPSH-Wert

der Anlage ((genannt NPSH

vorh (vorh = vorhanden; im

Englischen NPSHav (av =

available)), auch bezeichnet als

Haltedruckhöhe der Anlage.

Im allgemeinen lautet die

Bedingung für kavitationsfreien

Betrieb der Pumpe:

Die Höhe des Sicherheitszu-

schlages wird nach ATV und Hi

mit 30% von NPSH3% der

Pumpe festgelegt. Der NPSH-

Wert der Anlage kann nach Gl

(10a) berechnet werden.

Für ein offenenes System kann

man bei Aufstellung bis 1000 m

über NN und 20°C Medientem-

peratur die Formel ereinfachen:

Der NPSH3%-Wert der Pumpe

wird bei einem Prüffeldtestlauf

in einer speziellen Trockenauf-

stellung durch den Pumpen-

hersteller ermittelt und in den

Verkaufsunterlagen dokumen-

tiert. In der Nassaufstellung

kann der NPSH-Wert praktisch

nicht gemessen werden.

Da sich der NPSH3%-Wert auf

die Fördermenge bezogen

ändert, wird er als Funktion des

Förderstroms NPSHerf = f(Q)

aufgetragen.

Er gibt die erforderliche Druck-

höhe in Meter an, die über dem

Dampfdruck der Förderflüssig-

keit am Laufradeintritt (Bezugs-

punkt für NPSH = Schnittpunkt

der Pumpenwellenachse mit der

zu ihr senkrechten Ebene durch

die äußeren Punkte der Schaufel-

eintrittskante, siehe Bild 1.3)

vorhanden sein muss.

Bild 1.3: „Zur Lage des Bezugspunktes s’ für NPSH bei unterschiedlichen Laufradformen“(Quelle: KSB Auslegung von Kreiselpumpen)

PS'

PS'

PS' P

S'P

S' PS'

NPSHvorh = ze + + - Hvs

pe + pb - pD

ρ · g 2 · g

ve2

(10a)

NPSHvorh = ze + 10 m

(10b)

NPSHvorh ^ NPSHerf , NPSHerf = NPSH3% + Sicherheitszuschlag

(9)

1

zulässigen Bereichs läuft, dem

Fördermedium und nicht zuletzt

von den Werkstoffen, die für die

strömungsberührten Bauteile

verwendet werden (insbesondere

natürlich des Laufrades).

Bild 1.4 zeigt, wann das zulässige

Maß der Kavitation über-

schritten ist. Im Schnittpunkt

zwischen NPSHvorh und NPSHerf

wird die Bedingung aus Gl. (9)

nicht erfüllt, d.h. rechts des

Schnittpunktes findet kein

Fördermengenanstieg mehr statt

und die Förderhöhe fällt schnell

ab. Diese Art von Kurve

bezeichnet man als ‚Abreiss-Ast’.

Ein längerer Betrieb in diesem

Zustand führt zu Schäden an

Pumpenteilen (Laufrad,

Lagerung, Wellenabdichtung

usw.). Durch Erhöhung des

NPSHvorh -Wertes (z.B. höherer

Einstau im Zulauf) kann der

Betriebspunkt B wieder erreicht

werden.

9

Allgemeine Pumpenauswahl

Diese werden von der Strömung

mitgeführt und fallen schlagartig

zusammen, wenn der Druck im

Schaufelkanal wieder ansteigt

(Schadensbild s. Bild 1.5).

Bildung und schlagartiges

Zusammenfallen von Dampf-

blasen bezeichnet man als

Kavitation.

Da Kavitation gravierende nach-

teilige Auswirkungen haben

kann – das reicht vom Abfall der

Förderhöhe und des Wirkungs-

grades bis hin zum Förderabriss,

einer gestörten Laufruhe bzw.

einem unruhigen Schwingungs-

verhalten sowie starken

Geräuschemissionen durch das

‚Anfressen’ des Laufrads bzw.

der Pumpeninnenteile - kann sie

nur beschränkt zugelassen

werden. Im Einzelfall ist das

zulässige Maß der Kavitation

auch abhängig von den Betriebs-

bedingungen, dem Zeitraum in

dem die Pumpe außerhalb des

Der NPSH3%-Wert kann vom

Pumpenhersteller durch die

Vorgabe der Laufradform, die

konstruktive Ausführung des

Laufrades (Saugmund-

durchmesser, Schaufelzahl und

Eintrittskantengestaltung) sowie

die Auslegungsdrehzahl der

Pumpe beeinflusst werden.

Der Schaufelkanaleintritt des

Laufrades ist der kritische

Bereich, da hier nach der

Saugleitung bei trocken

aufgestellten Pumpen und nach

dem Pumpeneintritt bei nass

aufgestellten Pumpen der engste

vom Fördermedium zu

durchströmende Querschnitt

vorliegt. Mit der Umströmung

der Schaufeleintrittskanten ist in

diesem Bereich unvermeidlich

eine lokale Druckabsenkung

verbunden. Wird durch diese

Druckabsenkung der Dampf-

druck unterschritten, kommt es

zur Bildung von Dampfblasen.

Bild 1.4: Einfluss von NPSH vorh. auf die Drosselkurve der Pumpe (Quelle: KSB Kreiselpumpen-Lexikon).

Bild 1.5: Laufrad mit Kavitationsschäden (Quelle: KSB Kreiselpumpen- Lexikon).

Q1 Q2 Q

HNPSH

QH-Linie

HA

NPSHvorh (2)

NPSHvorh (1)

NPSHerf

A1

A2

B

1

Im Anhang vergrößert

10

1.4Der Leistungsbedarf

Der Leistungsbedarf P2 einer

Kreiselpumpe ist die an der

Pumpenwelle oder -kupplung

vom Antrieb aufgenommene

mechanische Leistung und kann

nach Gl. (11) bestimmt werden

[1.15]:

ηp Pumpen- oder

Kupplungswirkungsgrad

Trockensubstanzgehalt TS und

Beimengungen in der Förder-

flüssigkeit sind für erhöhten

Leistungsbedarf an der

Pumpenwelle verantwortlich

(das ist durch entsprechende

Leistungsreserven bei der

Motorauswahl zu berück-

sichtigen) [1.7].

Der Leistungsbedarf P2 ist nicht

mit der am Antrieb verfügbaren

Leistung (sprich Antriebs-

leistung oder auch Motornenn-

leistung PN zu verwechseln.

Diese wird vom Motorhersteller

auf dem Leistungsschild

ausgewiesen.

Bei einer Leistungsmessung an

Tauchmotorpumpen kann nur

die vom Motor aufgenommene

Leistung P1 gemessen werden.

Sie umfasst noch die internen

Verluste des Motors, die mit

dem Motorwirkungsgrad ηM

beschrieben sind. Somit kann

der Leistungsbedarf an der

Pumpenwelle auch nach Gl. (12)

berechnet werden:

Bei der Festlegung der not-

wendigen Antriebsleistung für

die Pumpe sind Leistungs-

reserven nach EN ISO 9908

vorzusehen. Damit sind Bau-

toleranzen und Schwankungen

der Fördermedieneigenschaften

von Abwasser im Normalfall

berücksichtigt. Weitere

ausführliche Hinweise und

Ausführungen zum Thema

‚Motoren’ finden sich im

Kapitel ‚Allgemeine Motor-

beschreibung’.

P2 = [kW]Q · H · g · ρ1000 · ηp

P2 = [kW]P1

ηM

ηM Motorwirkungsgrad

Allgemeine Pumpenauswahl

(11)

(12)

1

11

1.5

Die Förderaufgabe

Die Bezeichnung der Pumpe

nach ihrem Verwendungszweck

ist sehr verbreitet. Dabei wird

häufig die Betriebsart (z.B.

Haupt-, Vor-, Grundlast- oder

Spitzenlastpumpe u.a.), das

Einsatzgebiet (z.B. Be- oder

Entwässerungspumpe,

Umwälz-, Chemie-, Prozess-

pumpe, Regen- oder Trocken-

wetterpumpe u.a.) oder das

Fördermedium (z.B. Trink-

wasser-, Seewasser-, Wasser-

und Abwasserpumpe, Fäkalien-,

Gülle-, Schlamm-, Feststoff-

pumpe) als meist selbst erklär-

endes Kennzeichen genannt.

In der Abwassertechnik finden

beinahe ausschließlich Kreisel-

pumpen und Verdränger-

pumpen Verwendung. Während

Verdrängerpumpen im wesent-

lichem in der Schlammverar-

beitung eingesetzt werden (z.B.

am Faulturm, wo es darauf

ankommt, Fördermedien mit

hohem Trockensubstanzgehalt

(TS > 10 %) zu transportieren),

finden sich Kreiselpumpen in

nahezu allen Bereichen des

Abwassertransports und der

Kläranlage.

Kreiselpumpen werden ent-

sprechend ihrer konstruktiven

Merkmale insbesondere nach

der Laufradform, der

Strömungsrichtung und der

Aufstellungsart eingeteilt. Eine

wichtige Größe zur Beschrei-

bung des Verhaltens unter-

schiedlicher Laufräder ist die

spezifische Drehzahl nq

(Anmerkung: Im englisch-

sprachigen Raum außer den

USA wird die spezifische

Drehzahl mit ‚type number K’

bezeichnet, in den USA mit N).

Die aus der Ähnlichkeits-

mechanik übernommene Kenn-

zahl ermöglicht den Vergleich

von Laufrädern verschiedener

Baugrößen bei unterschied-

lichen Betriebsdaten (Q und H

im Punkt des besten Wirkungs-

grades sowie der Drehzahl des

Laufrades), die Klassifizierung

ihrer optimalen Bauform sowie

der charakteristischen Form

ihrer zugehörigen Kennlinien.

Sie berechnet sich zu:

Bild 1.6 und Bild 1.7 verdeut-

lichen den Zusammenhang

zwischen der spezifischen Dreh-

zahl und der Bauform des Lauf-

rades sowie deren zugehörigen

charakteristischen Kennlinien.

Die spezifische Drehzahl der im

Abwassergeschäft eingesetzten

Laufräder liegt zwischen nq ~ 45

bis 200 min-1. Dabei sind Lauf-

räder mit nq ~ 45 bis 90 min-1

hauptsächlich für den Transport

des Abwassers in und zur Klär-

anlage im Einsatz (z.B. Haupt -

und Zwischenpumpstationen,

Kläranlageneinlauf, Rücklauf-

chlamm bis hin zum Kläran-

lagenauslauf). Diesen gesamten

Bereich decken Tauchmotor-

pumpen der Baureihe KRT mit

unterschiedlichen Laufrädern ab.

In der Belebung einer Klär-

anlage sind eher größere

Fördermengen auf kleinere

Förderhöhen gefragt (also

Propellerräder mit nq ~ 160 bis

200 min-1). Weitere Einsatz-

gebiete von Propellerpumpen

sind z.B. die Flusswasserent-

nahme, der Kühlwassertrans-

port und der Hochwasserschutz.

In Freizeitparks dienen sie auch

als Umwälzpumpen für Fahr-

attraktionen.

Hinweis:

Zur Auslegung von Propeller-

pumpen und zur Planung der

zugehörigen Einlaufbauwerke

steht eine separate Druckschrift

zur Verfügung (KSB Know-

how, Band 6, 0118.55 10/07:

‚Planungshinweise für Rohr-

schachtpumpen Amacan’.

nq = n · [min-1]Hopt

¾

Allgemeine Pumpenauswahl

(13)

√ Qopt

1

12

Q/Qopt1

1

Q/Qopt1

1

HHopt

PPopt

Q/Qopt1

1

Q/Qopt1

1

ŋŋopt

NPSHNPSHopt

Betriebsgrenzebei kleiner Antriebsleistung

großer Antriebsleistung

300

150

70

40

25

300

150

70

40

25

300

150

70

40

25

25

300

300

150

70

40

25

300

25

Bild 1.6: Laufräder und deren spezifische Drehzahl nq (1/min)Quelle: KSB Kreiselpumpen-Lexikon

Bild 1.7: Charakteristische Kennlinienverläufe von Kreiselpumpen bei verschiedenen spezifischen Drehzahlen. Darstellung in Verhältnisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt (Quelle: KSB Auslegung von Kreiselpumpen).

Allgemeine Pumpenauswahl

Hochdruckrad

nq bis 25

Mitteldruckrad

bis 40

Niederdruckrad

bis 90

Halbaxialrad

bis 160

Propellerrad

140 bis 400 min-1

1

13

speziell auf die Anforderungen

im Abwassertransport mit

seinen speziellen Einsatzbeding-

ungen und Fördermedienzusam-

mensetzungen abgestimmt.

Ausführliche Hinweise zum

Einsatz der Laufräder mit Blick

auf unterschiedliche Förder-

medien sowie Einsatzgrenzen

der Laufräder finden sich im

Kapitel ‚Maschinentechnik und

Aufstellungsarten’.

1.6.1 Kennlinien

Kreiselpumpen liefern bei

konstanter Drehzahl einen mit

abnehmender Förderhöhe zu-

nehmenden Förderstrom. Die

Förderhöhe H über dem zuge-

hörigen Förderstrom Q aufge-

tragen ergibt die Förderhöhen-

kennlinie, auch Q-H-Kennlinie

genannt. Neben der Q-H-Kenn-

linie sind die – ebenfalls vom

Förderstrom abhängige -

Wirkungsgradkennlinie, die

NPSHR- oder NPSH3%-Kennlinie

und die Leistungsaufnahme-

kennlinie für jede Pumpe

kennzeichnend. Alle genannten

Kennlinien sind bei der Auswahl

einer Pumpe zu berücksichtigen.

1.6 Pumpenauswahl

Die Pumpenauswahl wird

maßgeblich bestimmt durch die

Vorgabe der Betriebsbeding-

ungen – also die vom Auftrag-

geber an die Pumpen gestellten

Forderungen nach bestimmten

Betriebseigenschaften. Als

Betriebsbedingungen verstehen

sich in erster Linie die Angaben

über das Fördermedium (z.B.

Temperatur, Dichte, Viskosität,

TS-Gehalt, Sandanteile oder

andere Beimengungen), den

erwarteten Förderstrom und die

erforderliche Förderhöhe, das

Saugverhalten und die Drehzahl

der Kreiselpumpe. Darüber

hinaus sind Angaben erforder-

lich zur Größe und den

Anschlusswerten der Antriebe,

die Fahrweise, die zu

erwartende Schalthäufigkeit

sowie anlagen- oder umwelt-

seitige Einflüsse wie z.B. die

maximal erlaubte Geräusch-

emission, zulässige Schwing-

ungen, Kräfte in Rohrleitungen

sowie potentielle Explosions-

gefährdungen (Angaben zu den

ATEX-Zonen).

Tauchmotorpumpen der Bau-

reihe KRT mit ihren abwasser-

spezifischen Laufradformen

(Schneidrad, Freistromrad, Ein-,

Zwei- und Dreikanalrad sowie

offenes Einkanalrad) sind

Als Beispiel sind in Bild 1.8 die

Kennlinien für eine Dreikanal-

radpumpe mit einer spezifischen

Drehzahl nq ~ 80 min-1 darge-

stellt (Niederdruckrad). Alle

Angaben der hydraulischen

Daten sind nach gültiger Norm

EN ISO 9906 erstellt und

beziehen sich auf den Betrieb in

reinem Wasser.

Die charakteristischen Kurven-

verläufe sind von der spezi-

fischen Drehzahl abhängig

(siehe dazu auch Bild 1.6). Man

unterscheidet in flache und steil

verlaufende Kurven. Bei einer

steil verlaufenden Kurve ändert

sich der Förderstrom bei gleicher

Förderhöhendifferenz gegenüber

der flachen Kurve nur gering-

fügig. Pumpen mit steiler Förder-

höhencharakteristik haben

Vorteile bei der Förderstrom-

regelung.

Allgemeine Pumpenauswahl 1

14

Bild 1.8: Kennlinien für ein Dreikanalrad nq ~ 80 min-1 bei der Pumpendrehzahl n = 960 min-1 (Quelle: KSB Auslegungsprogramm).

Allgemeine Pumpenauswahl

Baureihe-GrößeType-SizeModèle

TipoSerieTipo

NenndrehzahlNom. speedVitesse nom.

Velocità di rotazione nom.Nominaal toerentalRevoluciones nom.

Laufrad-øImpeller dia.Diamètre de roue

ø giranteWaaier øø rodete

ProjektProjectProjet

ProgettoProjektProyecto

Pos.-Nr.Item No.N° de pos.

N° posPos. nr.N° de art

Angebots-Nr.Quotation No.N° de l'offre

N° offertaOffertenr.N° oferta

KSB AktiengesellschaftPostfach 20074306008 Halle (Saale)Turmstraße 9206110 Halle (Saale)

Laufradaustrittsbreite/Impeller outlet width/Largeur à la sortie de la roueLuce della girante/Waaier uittredebreedte/Anchura de salida rodete

Amarex KRT 300-400K 960 1/min 408 mm

115 mm115 mm

Aus Kurve K41819/5 gerechnetH331-Ha, Hahn Ralf, 2010-11-02

0 2000 4000 6000 8000US.gpm

0 2000 4000 6000IM.gpm

0 100 200 300 400 500l/s

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800m³/h

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800m³/h

Fördermenge/Flow/Débit/Portata/Capaciteit/Caudal

50

20

90

ft

10

20

4

28

m

FörderhöheTDHHauteurPrevalenzaOpvoerhoogteAltura

65

70

hp

48

50

52

46.5

53.5

kWLeistungsbedarfPower InputPuiss. abs.Potenza ass.OpgenomenvermogenPotencia nec.

20

10

30

ft

5

10

2

m

NPSH R

0

50

100

%

Eta

η [%]

Qmin

ø408/A01

85.2

ø408/A01

ø408/A01

1

15

Während die Reibungsverluste

mit zunehmendem Förderstrom

stetig steigen, vergrößern sich

die Stoßverluste vom Ausle-

gungsförderstrom der Pumpe

(auch Qstoßfrei genannt) mit

abnehmender bzw. steigender

Fördermenge. In Bild 1.9 sind

die hydraulischen Verluste als

Verhältnisgrößen verdeutlicht.

Die Wirkungsgradkennlinie

(Q-η-Kennlinie) steigt vom

Punkt Fördermenge Null bis

zum Punkt Q η opt (~ Qstoßfrei)

auf einen maximalen Wert an

und fällt danach wieder ab. Der

Verlauf der Wirkungsgrad-

kennlinie spiegelt die internen

Verluste der Pumpe wider und

1.6.2 Pumpenkennlinie

Als Pumpenkennlinie wird

vordergründig die Förderhöhen-

kennlinie (Q-H-Kennlinie)

betrachtet. Da keine Pumpe

verlustfrei arbeitet, sind

ausgehend von der zur

Auslegung benutzten theore-

tischen oder auch verlustfreien

Förderhöhenkennlinie die

inneren hydraulischen Verluste

einer Pumpe abzuziehen. Die

inneren hydraulischen Verluste

setzen sich zusammen aus den

Reibungs- und den Stoß-

verlusten. Beide Verlustgrößen

sind als Funktion des Förder-

stroms definierbar.

zeigt an, in welchem Förder-

mengenbereich die Pumpe

eingesetzt werden sollte, um

möglichst energieeffizient zu

arbeiten. In Bild 1.10 ist der

Verlauf grafisch dargestellt.

Bild 1.11 bzw. Bild 1.12 zeigen

die Verläufe NPSH3% bzw. den

Leistungsbedarf P2 an der

Pumpenwelle. Während die

NPSH3%-Kennlinie das Saug-

vermögen der Pumpe ausweist

(s.a. das Kapitel ‚Der NPSH–

Wert’), ist die Kennlinie der

Leistungsaufnahme zur

Bemessung der erforderlichen

Motornennleistung von

Bedeutung.

1.6.3Anlagenkennlinie

Die Anlagenkennlinie wird

ebenfalls als Funktion des

Förderstroms aufgetragen. Wie

Bild 1.13 zeigt, besteht die

Anlagenkennlinie aus einem

konstanten statischen Anteil

und einer quadratisch propor-

tional vom Förderstrom

abhängigen dynamischen

Komponente (Anmerkung: Dies

gilt nur bei Vernachlässigung

der Abhängigkeit der Rohrrei-

bung von der Reynolds-Zahl Re).

Bild 1.9: Förderhöhenkennlinie und deren Verminderung um die inneren hydraulischen Verluste. Darstellung in Verhältnisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt.

Bild 1.10: Wirkungsgradkennlinie □ =f ( Q ). Darstellung in Verhält-nisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt.

Bild 1.11: NPSH3%-Kennlinie, NPSH3% = f (Q). Darstellung in Verhältnisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt.

Bild 1.12: Aufgenommene elek-trische Leistung P2 = f (Q). Darstellung in Verhältnisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt.

Allgemeine Pumpenauswahl

H

Q

Q-H Kennlinieverlustfreie KennlinieReibverlusteStoßverlusteQeta,opt

Heta,opt

Punkt Q stoßfrei

η

Q

H Q-H KennlinieQeta,opt

Heta,opt

Punkt Q stoßfreiQeta Kennlinie

H p

Q

Q-H KennlinieQeta,opt

Heta,opt

Punkt Q stoßfreiQ-P2 Kennlinie

H

Q

Q-H KennlinieQeta,opt

Heta,opt

Punkt Q stoßfreiQ-NPSH 3% Kennlinie

1

Im Anhang vergrößert Im Anhang vergrößert

Im Anhang vergrößert Im Anhang vergrößert

16

Bei Tauchmotorpumpen in

Nassaufstellung ist der statische

Förderhöhenanteil Hgeo die

messbare Höhendifferenz

zwischen saugseitigem und

druckseitigem Wasserspiegel.

Der dynamische Förderhöhen-

anteil setzt sich zusammen aus

der Gesamtheit aller Druck-

verlusthöhen geplanter oder

verbauter Armaturen, Form-

stücke und Rohrleitungen auf

der Druckseite der Pumpe bis

zum Auslauf in den druck-

seitigen Wasserspiegel. Im

Abschnitt ‚Die Förderhöhe’

wurden hierzu detaillierte

Informationen vorgestellt.

1.7 Zulässige Betriebsgrenzen für Pumpen

Jede Kreiselpumpe hat

empfohlene Einsatz- oder auch

Betriebsgrenzen. Diese bezeichnen

den Punkt, bis zu dem die Pumpe

aus konstruktiven, anlagen- und

antriebstechnischen Gründen

maximal eingesetzt werden kann.

Die Beachtung und Einhaltung

dieser Grenzen ist eine wichtige

Voraussetzung dafür, das die

Pumpe ihre Förderaufgabe über

den geplanten Einsatzzeitraum

erfüllen kann. Im Folgenden

werden die wichtigsten Einsatz-

oder auch Betriebsgrenzen

diskutiert.

1.7.1 Betriebs- oder Arbeits-punkt

Der Betriebs- oder Arbeitspunkt

einer Pumpenanlage ergibt sich

durch den Schnittpunkt (Bild

1.13) aus Anlagen- und Pumpen-

kennlinie (dem allgemeinen

Sprachgebrauch folgend wird

die Förderhöhenkennlinie der

Pumpe verkürzt als Pumpen-

kennlinie bezeichnet). Durch ihn

werden die sich einstellende

Förderhöhe und der zugehörige

Förderstrom bestimmt.

Dementsprechend muss

entweder die Anlagenkennlinie

oder die Pumpenkennlinie

verändert werden, soll der

Betriebspunkt verändert werden.

Konkretere Ausführungen dazu

finden sich unten im Abschnitt

‚Pumpenfahrweise’.

1.7.2 Betriebsgrenzen Qmin und Qmax

Das Betriebsverhalten einer

Kreiselpumpe (hydraulische,

mechanische und akustische

Eigenschaften) wird

wesentlich durch die Lage des

Betriebs- oder Arbeitspunktes

im Bezug auf den Punkt Q η opt

bestimmt.

Daher ist bei der Pumpen-

auswahl darauf zu achten, das

der Arbeitspunkt wenn möglich

in der Nähe des Bestpunktes

(Q AP ca. 0,8 bis 1,2 x Q η opt )

liegt. Nicht nur die Energie –

und Unterhaltskosten sondern

auch die hydraulischen

Erregerkräfte sind in diesem

Arbeitsbereich am geringsten.

In der täglichen Praxis kann der

Betrieb des Aggregates prozess-

bedingt abweichend im Teil-

oder Überlastbereich erfor-

derlich sein. Je weiter der

Arbeitspunkt vom Bestpunkt

entfernt ist, desto ungünstiger

wird die Anströmung der Lauf-

radschaufeln und der Leitein-

richtung (Gehäuse). Wenn die

Relativströmung der Schaufel-

kontur auf der Saugseite

(Teillastbetrieb) bzw. auf der

Druckseite (Überlastgebiet)

nicht mehr folgen kann, bilden

sich Strömungsablösungsgebiete,

die die Energieübertragung an

die Förderflüssigkeit zunehmend

stören. Die hydraulische Kräfte

(Radial- und Axialkräfte)

steigen an, mechanische

Schwingungen, Geräusche nicht

zuletzt Kavitation nehmen rasch

zu und sind die nach Außen hin

wahrnehmbaren Erscheinungs-

bilder. Die Pumpenhersteller

kennzeichnen durch Angabe

Bild 1.13: Anlagenkennlinie – Sum-me aus statischem und dyna-mischem Förderhöhenanteil.

Allgemeine Pumpenauswahl

H

Q

PumpenkennlinieAnlagenkennlinieHstatisch oder Hgeo

Hdynamisch

QAP

HAP

Arbeitspunkt der Pumpe

1

Im Anhang vergrößert

1.7.3 Besonderheiten beiAbwassertransport

Die Kreiselpumpe ist nur eine

Komponente der gesamten

Abwasseranlage. Sie kann nur

dann betriebssicher arbeiten,

wenn auch die peripheren Anla-

gensysteme, das zu fördernde

Medium (Eigenschaften und

Zusammensetzung), die Rege-

lung und die Fahrweise mit den

Eigenschaften der Kreiselpumpe

bzw. deren Hydraulik abge-

stimmt sind. In diesem

Zusammenhang sollte man sich

vor Augen führen, das die gern

gewählte Bezeichnung als

‚verstopfungsfreie Hydraulik’

nicht zutreffend ist - es ist nur

eine Frage der Belastung, bis

jede Hydraulik verstopft. Der

Terminus‚ verstopfungsarme

Hydraulik’ ist auf jeden Fall die

bessere, weil realistischere

Beschreibung.

Aus dem Erfahrungsschatz von

Praktikern sind im Folgenden

einige Besonderheiten beim

Abwassertransport zusammen-

gestellt. Diese sollten bei der

Planung einer Abwasseranlage

bedacht werden, um eine hohe

Betriebssicherheit (‚verstopfungs-

armer Betrieb’) zu erreichen.

einer Qmin und Qmax Grenze

(ohne Kennzeichnung ist das

Ende der dargestellten Pumpen-

kennlinie die Qmax Grenze) den

zulässigen Dauerarbeitsbereich

für ihre Pumpen. In der Regel

wird ein zulässiger Arbeits-

bereich von ca. 0,3 bis

1,4 x Q η opt angegeben.

Für Kreiselpumpen höherer

spezifischer Drehzahl ab ca.

nq= 140 1/min kann die Qmin

Grenze mit ca. 0,6 bis 0,7 x Q η opt

deutlich höher liegen.

Bei Betreiben der Aggregate

außerhalb dieses zulässigen

Betriebsbereiches ist mit

erhöhter Belastung und

entsprechend frühzeitigem

Verschleiß von Pumpenbauteilen

zu rechnen.

Gewährleisungsansprüche an

den Pumpenhersteller werden

dafür ausgeschlossen.

- Betriebspunkt in der Nähe des

Bestpunktes. Im Bereich Q AP ~

0,8 bis 1,2 x Q η opt liegt nicht

nur der energetisch günstigste

Arbeitsbereich, sondern auch

jener Bereich, in dem die im

Fördermedium enthaltenen

Beimengungen am schnellsten

mitgefördert werden. In Bild 1.15

ist dieser Bereich gekennzeich-

net. Speziell im Teillastbereich

zwischen Qmin und 0,8 x Q η op

ist die Mitförderbarkeit von

Beimengungen auf Grund der

geringeren Fördermengen

(geringere Durchflussgeschwin-

digkeiten) mehr oder minder

stark eingeschränkt. Dauer-

haftes Betreiben der Pumpen in

diesem Bereich kann zu

Verstopfungen im Laufrad-

kanal oder zum Festbrennen im

Radseitenraum führen. Diese

Eigenschaft von Kreiselpumpen

gewinnt an Bedeutung bei der

Festlegung des Regel- und

Fahrbereiches und der damit

verbundenen Verschiebung des

Arbeitspunktes. Als Stichworte

sind zu nennen:

Drehzahlregelung, Änderung

der statischen Förderhöhe

zwischen Ein- und Ausschalt-

wasserpegel im Pumpensumpf

und Parallelarbeit.

17

Allgemeine Pumpenauswahl

Bild 1.14: „Betriebsgrenzen Qmin und Qmax– Darstellung des zulä-sigen Dauerbetriesbereiches der Kreiselpumpe (Qmin ca. 0,3 * Q

eta,opt und Qmax ca. 1,4 * Q eta,opt)“

H

Q

Anlagenkennlinie

Hgeo

Qmin

Qηopt

PumpenkennlinieAP

Qmax

zulässiger Dauerbetriebsbereich

1

Im Anhang vergrößert

18

- Strömungsgeschwindigkeiten

in Rohrleitungen und das Regel-

regime beim Betrieb mit

Frequenzumformer. Zunehmend

werden Pumpen heute über

Frequenzumformer (FU) geregelt.

Dies ist energetisch vorteilhaft

und eröffnet die Möglichkeit

kontinuierlicher klärtechnischer

Prozesse. Die Regelbereiche selbst

sind im Allgemeinen nicht von

den konstruktiven und

maschinentechnischen Eigen-

schaften der Pumpe oder der

Antriebe abhängig, sondern

unter Berücksichtigung der

minimalen Mitfördergeschwin-

digkeit für Feststoffe und Fasern

stets individuell festzulegen.

Einschlägige Erfahrungen zeigen,

dass in vertikalen Druckrohr-

leitungen die Fließgeschwin-

digkeit des Abwassers nicht

unter 2 m/s liegen sollte, bei

horizontalen Leitungen genügen

meist Werte größer 1 m/s. Es

muss sichergestellt sein, das

Beimengungen vollständig aus

der Pumpe und der Druckrohr-

leitung ausgetragen werden,

auch bei niedriger Drehzahl!

Die Umfangsgeschwindigkeit

am Außendurchmesser des

Laufrades D2 von Abwasser-

laufrädern sollte nicht unter 15

m/s liegen. Eine Kreiselpumpe

ist grundsätzlich mit der

kürzesten Anfahrrampe, also

schnell auf eine möglichst hohe

Drehzahl hochzufahren. Erst

danach ist auf den gewünschten

- Ausreichende Motorreserve

vorsehen. Alle Herstelleran-

gaben zu den hydraulischen

Pumpendaten sind nach gültiger

Norm EN ISO 9906 erstellt und

beziehen sich auf den Betrieb in

reinem Wasser. Kein Planer kann

die tatsächlichen Abwassereigen-

schaften mit Sicherheit voraus-

sagen; der Trend geht zu immer

höheren Feststoff- und Faser-

anteilen im Abwasser. Die

Betriebssicherheit sollte hier vor

den Investitionskosten stehen

(siehe empfohlene Reserve nach

ISO 9908).

- Auswahl des geeigneten Lauf-

rads. Tauchmotorpumpen der

Baureihe KRT mit ihren abwas-

serspezifischen Laufradformen

(Schneidrad, Freistromrad, Ein-,

Zwei- und Dreikanalrad sowie

offenes Einkanalrad) sind speziell

auf die Anforderungen beim Ab-

wassertransport mit seinen spe-

ziellen Einsatzbedingungen und

Fördermedien-Zusammenset-

zungen abgestimmt. Ausführliche

Hinweise dazu finden sich im

Kapitel ‚Maschinentechnik und

Aufstellungsarten’.

Betriebspunkt herunterzuregeln.

Eigenfrequenzbereiche der

Anlage (Fundament / Pumpe /

Rohrleitung) sind am FU ent-

sprechend auszublenden und

dürfen nicht dauerhaft gefahren

werden.

Bei Parallelbetrieb sind alle

Pumpen möglichst mit der

gleichen Frequenz zu betreiben,

um ein Abdrücken einzelner

Aggregate in den nicht zuge-

lassenen Teillastbereich zu

vermeiden. Die Rückschlag-

klappen müssen in jedem

Betriebspunkt der Pumpe voll

öffnen, um wenig Angriffsfläche

für Beimengungen zu bieten und

Verstopfungen vorzubeugen.

- Zuströmbedingungen und

Bauwerksgestaltung. Voraus-

setzung für einen störungsfreien

Betrieb der Pumpen und das

Erreichen der vertraglich verein-

barten Förderleistungsdaten

sind hydraulisch optimierte Zu-

strömbedingungen (im Kapitel

‚Bauwerksgestaltung’ aus-

führlich erläutert). Bei Tauch-

motorpumpen der Baureihe

Amarex KRT sichern relativ

kleine Schächte mit Schrägen

am Schachtboden eine konti-

nuierliche Schmutzfrachtzu-

führung. Das vermeidet bei

relativ kleinen Schaltintervallen

eine Konzentration von Ablage-

rungen und die Schächte bleiben

sauber.

Bild 1.15: Bevorzugter bzw. optimaler Arbeitsbereich beim Abwassertransport.

Allgemeine Pumpenauswahl

H

Q

Anlagenkennlinie

Hgeo

Qmin

Qηopt

PumpenkennlinieAP

QmaxoptimalerArbeitsbereich

zulässiger Dauerbetriebsbereich

1

Im Anhang vergrößert

19

Allgemeine Pumpenauswahl

1.8.1 Einzelbetrieb

Die Veränderung der Anlagen-

kennlinie kann durch Variation

des statischen Förderhöhen-

anteils erfolgen.

Ausschlaggebend dafür kann,

wie in Bild 1.16 dargestellt, eine

Änderung der geodätischen Höhe

des Wasserspiegels im Saugraum

sein. Der Arbeitsbereich der

Pumpe bewegt sich auf der

Q-H-Kennlinie zwischen den

beiden Arbeitspunkten ‚Pumpe

ein’ und ‚Pumpe aus’.

Hinweis: Betriebspunkt in der

Nähe des Bestpunktes, also des

optimalen Arbeitsbereichs

beachten.

1.8.2Drosselregelung

Es bestehen zwei grundsätzliche

Möglichkeiten, die Anlagen-

kennlinie zu verändern. So

können zum einen die Strö-

mungswiderstände innerhalb

der Rohrleitung erhöht oder

verringert werden. Dies

geschieht entweder gezielt durch

Verstellen eines Drosselorgans,

das Benutzen eines anderen

Förderweges (andere Rohr-

leitungsnennweiten und -längen)

oder ungeplant durch Ablage-

rungen, Korrosion oder

Verkrustungen.

1.8 Pumpenfahrweise

Die Pumpenfahrweise ist von

vielen Faktoren abhängig. Eine

Änderung des Betriebspunktes

ist durch Veränderung des

Laufraddurchmessers, Dreh-

zahlverstellung oder durch

Parallel- oder Serienbetrieb

möglich. Nicht zu vergessen

sind dabei anlagentechnische

Randbedingungen wie Einstau-

höhen, Zulaufbedingungen,

NPSH-Wert der Anlage und

nicht zuletzt die Fördermedien-

eigenschaften wie Zusammen-

setzung, Dichte und Viskosität,

Temperatur usw. Darauf wird in

den nachfolgenden Abschnitten

näher eingegangen.

Beim Abschiebern oder

Drosseln einer Kreiselpumpe

wird bewusst bereits aufge-

brachte und in Förderhöhe

umgewandelte Energie

‚vernichtet’ (korrekt: nicht

nutzbar vergeudet). Dies ist

energetisch gesehen die

schlechteste Regelmöglichkeit

und zudem im Abwasserbereich

zu vermeiden (abgesehen von

An- und Abfahrvorgängen), um

kein erhöhtes Verstopfungs-

risiko in bzw. hinter diesen

Armaturen zu provozieren.

Bild 1.16: Veränderung des Arbeitspunktes der Pumpe bei starrer Drehzahl und Variation der statischen Förderhöhe zwischen saugseitigem Ein- und Ausschalt-wasserpegel.

H

Q

AP(ein)

Anlagenkennliniebei Ausschaltpegel

Hgeo,max

Qmin

Qηopt

PumpenkennlinieHgeo,min

AP(aus)

Anlagenkennliniebei Einschaltpegel

Bild 1.17: Veränderung des Ar-beits-punktes der Pumpe bei Veränderung der Druckverluste in der Förderleitung wie z.B. Ände-rung der Rohrleitungsnennweite, Änderung des Förderweges bzw. der -länge oder Ablagerungen und Verkrustungen in der Rohrleitung.

H

Q

AP1

Anlagenkennlinie 1

Hgeo

Qmin

Qηopt

Pumpenkennlinie

AP2AP3

Drosselkurve 2

Drosselkurve 3

1

Im Anhang vergrößert

Im Anhang vergrößert

20

Allgemeine Pumpenauswahl

1.8.3 Anpassung des Laufrad-

Durchmessers

Eine relativ einfache und

hydraulisch sehr wirksame

(allerdings unumkehrbare)

Maßnahme, um bei unverän-

derter Drehzahl den Förder-

strom und die Förderhöhe

gleichzeitig zu reduzieren, ist

das Anpassen des Laufrad-

durchmessers D2 durch Ab- oder

Ausdrehen (Bild 1.18). Da sich

durch diese Maßnahme die

Schaufellänge, die Schaufelaus-

trittsbreite und der Schaufelaus-

trittswinkel ändern, ist die

Wirkung - d.h. die Änderung

der Fördermenge, Förderhöhe

und des Wirkungsgrades - je

nach Bauart des Laufrades

(spezifische Drehzahl nq)

unterschiedlich. In grober

Näherung kann man sagen: Je

kleiner die spezifische Drehzahl

nq ist, um so stärker kann abge-

dreht werden, ohne mit

größeren Wirkungsgradein-

bußen rechnen zu müssen.

Pumpenhersteller geben in den

Dokumentationsunterlagen /

Kennlinienheften den möglichen

Abdrehbereich ihrer Laufräder

als Abdrehraster zur Einsicht. In

diesen Grenzen kann der

Zusammenhang zwischen Lauf-

raddurchmesser, Fördermenge

und Förderhöhe durch Gl. (14)

wiedergegeben werden:

1.8.4 Drehzahlregelung

Eine drehzahlgeregelte Kreisel-

pumpe erzeugt stets nur die

Fördermenge / Förderhöhe, die

tatsächlich benötigt wird. Damit

ist dies die hinsichtlich des

Energieverbrauches rationellste

und in Bezug auf die Belastung

der Pumpenbauteile schonendste

Möglichkeit der Regelung.

Zudem werden bei Drehzahl-

reduzierung auf der Zulaufseite

weitere Sicherheiten gegenüber

dem NPSH-Wert der Anlage

geschaffen. Den Zusammenhang

zwischen Drehzahl, Förder-

menge und Förderhöhe gibt das

Affinitätsgesetz - ein Spezialfall

der Modellgesetze für Kreisel-

pumpen – unter der Bedingung

unveränderter Dichte und

konstantem Pumpenwirkungs-

grad wieder:

Die zusammengehörigen Werte-

paare für Q und H liegen dabei

auf einer gedachten Gerade

durch den Ursprung des Q-H-

Koordinatensystems (Bild 1.18).

Der neue Arbeitspunkt des

Aggregates ist der sich

einstellende Schnittpunkt der im

Durchmesser (Trimmdurch-

messer) reduzierten Pumpen-

kennlinie und der unveränderten

Anlagenkennlinie.

Hinweis: Betriebspunkt in der

Nähe des Bestpunktes, also des

optimalen Arbeitsbereichs

beachten; die Umfangsgeschwin-

digkeit am Laufradaustritt sollte

nach Möglichkeit ca. 15 m/s

nicht unterschreiten.

= = Q2T

Q2max

H2T

H2max

D2T

D2max

( )2

H

Q

Bild 1.18: Trimmen oder Anpassen des Laufraddurchmessers auf den gewünschten Arbeitspunkt der Pumpe.

D2max

AP Anlagenkennlinie

Hgeo

Qmin

Qηopt

Trimmdurchmesser D2T

D2min

(14)

(15)

= Q1

Q2

n1

n2

= H1

H2

n1

n2( )

2

= P1

P2

n1

n2( )

3

1

Im Anhang vergrößert

21

Allgemeine Pumpenauswahl

Die zusammengehörigen Werte-

paare für Q und H liegen dabei

auf einer gedachten Parabel

durch den Ursprung des Q-H-

Koordinatensystems, in Bild

1.19 strichpunktiert einge-

tragen. Der neue Arbeitspunkt

des Aggregates ist der sich ein-

stellende Schnittpunkt zwischen

der in der Drehzahl reduzierten

Pumpenkennlinie und der

unveränderten Anlagenkenn-

linie. Bei einer Anlagenkenn-

linie mit geringem statischem

Anteil bleibt der neue Arbeits-

punkt in der Nähe des Best-

punktes. Je größer der statische

Anteil der Anlagenkennlinie ist,

desto mehr gerät die Pumpe bei

Drehzahlreduzierung zu kleinen

Fördermengen in das Gebiet

schlechter Teillastwirkungs-

grade und bei Drehzahler-

höhung in Richtung schlechter

Überlastwirkungsgrade.

Hinweis:

Betriebspunkt in der Nähe des

Bestpunktes, also des optimalen

Arbeitsbereichs beachten; die

Strömungsgeschwindigkeiten in

den Rohrleitungen bei Regel-

Regime mit Frequenzum-

formerbetrieb beachten; die

Umfangsgeschwindigkeit am

Laufradaustritt sollte nach

Möglichkeit ca. 15 m/s nicht

unterschritten werden;

ausreichende Motorreserve bei

Frequenzumformerbetrieb

vorsehen.

1.9Parallelbetrieb identischer Baugrößen

Der Parallelbetrieb von zwei

oder mehreren Kreiselpumpen

auf eine gemeinsame Förder-

leitung / Sammelleitung bietet

sich besonders bei flach verlau-

fenden Anlagenkennlinien an. Je

geringer der vom Förderstrom

quadratisch proportional

abhängige dynamische Förder-

höhenanteil der Anlagenkenn-

linie ist, desto größer ist die

erreichbare Steigerung der

Fördermenge. Die Zusammen-

hänge gehen aus Bild 1.20

hervor.

Die Gesamtfördermenge setzt

sich bei identischen Aggregaten

zu gleichen Teilen aus den zur

Förderhöhe gehörenden Förder-

strömen der Einzelpumpen

zusammen. Die Förderhöhe der

Einzelpumpen muss dabei um

den dynamischen Anteil der

Förderhöhenverluste der Einzel-

leitung bis zur Einbindung in

die Sammelleitung erhöht

werden. Die Anlagenkennlinie

der Sammelleitung enthält nur

die Förderhöhenverluste ab der

Vereinigungsstelle der

Einzelleitungen.

Hinweis:

Betriebspunkt in der Nähe des

Bestpunktes, also des optimalen

Arbeitsbereichs beachten;

Strömungsgeschwindigkeiten in

den Rohrleitungen beachten; bei

Auslegung der Pumpstation für

Parallelbetrieb zweier oder

mehrerer identischer Aggregate

muss unter Umständen der

Einzelbetrieb eines Aggregates

auf die Sammelleitung ausge-

schlossen werden - dieser Fall

tritt ein, wenn kein zulässiger

Arbeitspunkt als Schnittpunkt

zwischen Anlagen- und

Einzelpumpenkennlinie erreicht

werden kann.

Bild 1.19: Veränderung des Ar-beitspunktes einer Kreiselpumpe bei Variation der Drehzahl.

H

Q

n1

AP1

Anlagenkennlinie

Pumpenkennlinie

Hgeo

Qmin

Qηopt

AP2AP3

n2n3

Bild 1.20: Parallelbetrieb von zwei identischen Kreiselpumpen. Die Einzelstrangverluste (Druckver-luste bis zur Einbindung in die Sammelleitung) sind in der reduzierten Pumpenkennlinie berücksichtigt.

H

Q

Agg1 oder 2

Agg1 & Agg2reduzierte Kurven

AP

AnlagenkennlinieSammelleitung

FörderhöhenverlusteEinzelleitungen Agg1 bzw. Agg2

Hgeo

Qmin

Qηopt

um Einzelleitungsverlustereduzierte Pumpenkennlinie

1

Im Anhang vergrößert

Im Anhang vergrößert

22

Allgemeine Pumpenauswahl

1.10Parallelbetrieb unterschiedlicher Baugrößen

Der Parallelbetrieb von zwei

oder mehreren Kreiselpumpen

unterschiedlicher Baugröße ist

prinzipiell analog dem Parallel-

betrieb identische Baugrößen zu

sehen (Bild 1.21). Sie arbeiten

genau dann problemlos

zusammen, wenn es sich um

Aggregate mit stabilen Q-H-

Kennlinien handelt (Null-

Förderhöhe ist größer als die

Förderhöhe im Punkt Qmin),

die möglichst die gleiche

Nullförderhöhe haben.

Die Gesamtfördermenge setzt

sich aus dem zur Förderhöhe

entsprechend gehörenden

Förderstromanteilen der Einzel-

pumpen zusammen. Die Förder-

höhe der Einzelpumpen muss

dabei um den dynamischen

Anteil der Förderhöhenverluste

der Einzelleitung bis zur Ein-

bindung in die Sammelleitung

erhöht werden. Die Anlagen-

kennlinie der Sammelleitung

enthält nur die Förderhöhen-

verluste ab der Vereinigungs-

stelle der Einzelleitungen.

Hinweis:

Betriebspunkt in der Nähe des

Bestpunktes, also des optimalen

Arbeitsbereichs beachten. Das

Aggregat mit der kleineren

Nullförderhöhe kann sehr

schnell zu kleinen Förder-

mengen abgedrängt werden,

wenn die Gesamtförderhöhe

sich ändert (Hgeo max, Drosselung

usw.); Strömungsgeschwin-

digkeiten in den Einzelrohr-

leitungen beachten; bei Aus-

legung der Pumpstation für

Parallelbetrieb zweier oder

mehrerer unterschiedlicher

Aggregate muss unter Um-

ständen der Einzelbetrieb eines

Aggregates auf die Sammel-

leitung ausgeschlossen werden -

dieser Fall tritt ein, wenn kein

zulässiger Arbeitspunkt als

Schnittpunkt zwischen Anlagen-

und Einzelpumpenkennlinie

erreicht werden kann.

1.11 Reihenschaltung

Der Reihenbetrieb (Hinterein-

anderschaltung) von zwei

identischen Kreiselpumpen auf

eine gemeinsame Förderleitung

bietet sich besonders bei steil

verlaufenden Anlagenkennlinien

an. In Kombination mit flach

verlaufenden Pumpenkennlinien

ändert sich auch bei größeren

Förderhöhenschwankungen

(z.B. Änderung des statischen

Förderhöhenanteils Hgeo) die

sich einstellende Fördermenge

nur in engen Grenzen. Die

Gesamtförderhöhe setzt sich aus

den zur Fördermenge ent-

sprechend gehörenden Förder-

höhenanteilen der Einzelpumpen

zusammen. Die Zusammenhänge

sind in Bild 1.22 dargestellt.

Beim Abwassertransport findet

diese Fahrweise nur in den

seltensten Fällen Anwendung.

Hinweis:

Betriebspunkt in der Nähe des

Bestpunktes, also des optimalen

Arbeitsbereichs beachten;

Strömungsgeschwindigkeiten in

den Rohrleitungen beachten;

das zweite Aggregat in

Strömungsrichtung muss nicht

nur für die Druckerhöhung,

sondern auch für den Vordruck

aus dem ersten Aggregat

geeignet sein; Gehäusefestigkeit

/ Druckstufe der Gehäuse

beachten.

Bild 1.21: Parallelbetrieb von zwei unterschiedlichen Kreiselpumpen. Die Einzelstrangverluste (Druck-verluste bis zur Einbindung in die Sammelleitung) sind in der redu-zierten Pumpenkennlinie berück-sichtigt.

H

Q

Agg2Agg1 Agg1 & Agg2

reduzierte Kurven

AP

AnlagenkennlinieSammelleitung

FörderhöhenverlusteEinzelleitungen Agg1 bzw. Agg2

Hgeo

Qmin

Qηopt

H

Q

Bild 1.22: Reihenschaltung von zwei identischen Kreiselpumpen.

Agg1 & Agg2

AP

Anlagenkennlinie

Hgeo

Qmin

Qηopt

Agg1 bzw. Agg2

1

Im Anhang vergrößert

Im Anhang vergrößert

um Einzelleitungsverlustereduzierte Pumpenkennlinie

23

Allgemeine Pumpenauswahl

1.12Pumpenstaffelung

Bei Pumpwerken, die in größere

Netzwerke eingebunden sind,

zeitweise auf unterschiedlichen

Förderwegen arbeiten müssen

und großen Betriebsschwan-

kungen unterliegen, reichen der

Fahrbereich und die Regel-

möglichkeiten einer oder

mehrerer identischer Kreisel-

pumpen meist nicht aus. In Bild

1.23 ist eine mögliche Staffelung

unterschiedlicher Pumpen

schematisch dargestellt. Die

Gesamtheit der Förderwege /

Anlagenkennlinien wird in drei

Bereiche unterteilt, hier sind es

Regenwetter-, Tag- und Nacht-

betrieb.

Alle Pumpen können durch

Drehzahlregelung an die

aktuellen Randbedingungen

von Fördermenge und Förder-

weg angepasst werden. Jeder

Pumpe ist eine identische

Reservepumpe zugeordnet. Die

Tagespumpen sind doppelt

vorhanden und können auch im

Parallelbetrieb gefahren werden.

Für Regenwetter- und Tages-

betrieb kann mit ausreichender

Verdünnung des Abwassers

gerechnet werden. Hier können

Kreiselpumpen entsprechender

Größe mit Mehrkanalrädern

(Schaufelzahl z = 2 oder 3)

eingesetzt werden. Für die

Nachtpumpen werden Ein-

schaufelräder oder auch Frei-

tromräder eingesetzt, da auf

Grund der geringen Förder-

mengen im Fördermedium mit

einer starken Aufkonzentration

an Feststoffen zu rechnen ist.

Hinweis:

Betriebspunkt in der Nähe des

Bestpunktes, also des optimalen

Arbeitsbereichs beachten;

Strömungsgeschwindigkeiten in

den Rohrleitungen bei Regel-

regime mit Frequenzumformer-

betrieb beachten; die Umfangs-

geschwindigkeit am Laufrad-

austritt sollte nach Möglichkeit

ca. 15 m/s nicht unterschreiten;

ausreichende Motorreserve bei

Frequenzumformerbetrieb

vorsehen.

Regenwetterpumpe 1+1

Q/Qopt = 0,8

Q ηopt

Q/Qpot = 1,2

n1

n2

n3

Tagespumpen 2+1

Nachtpumpen 1+1

Q

H

Bild 1.23: Pumpenstaffelung inRegenwetter-, Tages- und Nacht-pumpen zum Abdecken unter-schiedlicher Förderwege bei unterschiedlichen Wasserständen und Tagesereignissen.

1

Im Anhang vergrößert

24

Allgemeine Pumpenauswahl

1.13Konzept der nass aufgestellten Pumpe

Das einfachste Konzept für ein

Pumpwerk sind nass aufgestellte

Pumpen: Die Pumpen sind

dabei direkt im Saugraum

untergebracht und während des

Betriebes ganz oder teilweise

von Abwasser umgeben. Dabei

kann die Pumpe entweder mit

vertikaler Welle von einem

oberhalb des Stauspiegels

angeordneten Motor ange-

trieben werden oder das

gesamte Aggregat wird als

Tauchmotorpumpe im Unter-

wasserbereich eingesetzt.

In der Praxis werden Pump-

werke in Nassaufstellung haupt-

sächlich bei kleineren Anlagen

(Förderstrom bis etwa 100 l/s)

eingesetzt; es handelt sich dabei

um so genannte Fertigpump-

stationen [1.17; 1.18].

Die Vorteile der Nassaufstellung

werden zunehmend auch in

Großpumpstationen (Förder-

strom bis etwa 16.000 l/s)

genutzt. Die Vor- und Nachteile

dieser Anordnung sind in Tab.

1.1 dargestellt [1.19].

Um Verstopfungen zu ver-

meiden, sind Verengungen der

Rohrleitung in Fließrichtung

unbedingt zu vermeiden und

der Innendurchmesser der

Druckleitungen muss min-

destens dem Innendurchmesser

des Druckstutzens entsprechen

[1.20]. Rohrverbindungen

sollten keine Verengungen auf-

weisen und geöffnete Arma-

turen dürfen den Durchfluss

nicht behindern [1.21; 1.22].

Der optimale Durchmesser ist

über die Mindestfließgeschwin-

digkeit zu berechnen – und

sollte dann durch die nächst

größere verfügbare Rohrgröße

ersetzt werden. Bei längeren

Druckleitungen haben Maß-

nahmen zur Druckstoßmin-

derung Priorität gegenüber

Maßnahmen zur Einhaltung

der Mindestfließgeschwin-

digkeit. Bei Druckleitungen

bis 500 m Länge gilt eine

Maximalgeschwindigkeit von

2,5 m/s [1.23].

Der Rohrwerkstoff muss für

das zu fördernde Schmutz-

wasser geeignet und korrosions-

fest sein (Schwefelwasserstoff!).

Das gilt auch für die Rohrhal-

terungen, die in kurzen Ab-

ständen vorzusehen sind. Die

Rohrleitung muss so befestigt

sein, dass keine Kräfte auf die

Pumpe übertragen werden. Sie

soll eine glatte Innenoberfläche

aufweisen, muss auch

zyklischen Belastungen stand-

halten und für einen Betriebs-

druck von 6 bis 10 bar

ausgelegt sein. Die Einbindung

der Pumpendruckleitung in die

Hauptleitung muss horizontal

erfolgen. Scharfe Richtungsän-

derungen sind zu vermeiden.

Rohrverbindungen und Form-

stücke müssen den einschlä-

gigen Produktnormen

entsprechen.

Absperrklappen sind als Ab-

sperrorgane nicht geeignet.

Empfehlenswert sind weich

dichtende Absperrschieber mit

außen liegendem Gewinde,

Gehäuse aus GGG, Spindel aus

1.4571, Spindelmutter und

Sitzringe aus 2.1060. Bei

Kraftantrieben ist darauf zu

achten, dass die maximal

mögliche Stellkraft den Schieber

nicht beschädigen kann [1.24].

Besonders gut als Rückfluss-

verhinderer geeignet sind

Rückschlagklappen mit Hebel

und Gewicht. Als Werkstoffe

werden für das Gehäuse Guss-

eisen mit Lamellengraphit

(GGL) oder Gusseisen mit

Kugelgraphit (GGG) empfohlen

[1.25]. Bei geringen Strömungs-

geschwindigkeiten können

Kugelrückschlagventile zum

Einsatz kommen [1.26]. Der

Rückflussverhinderer soll senk-

recht und möglichst hoch über

der Pumpe angeordnet sein,

damit der steigende Wasser-

spiegel Luft aus der Pumpe

1

25

Allgemeine Pumpenauswahl

Anmerkungen zur Reynolds-Zahl

Die Strömungsgeschwindigkeit

v ist über die Rohrquerschnitts-

fläche A nicht konstant. Als

Newtonsche (zähe) Flüssigkeit

haftet sie an der Rohrwand.

Dort ist die Strömungsgeschwin-

digkeit gleich Null. In der

Rohrachse erreicht die

Strömungsgeschwindigkeit ihr

Maximum. Beim Verlauf der

Strömungsgeschwindigkeit über

die Querschnittsfläche wird

zwischen laminarer und

turbulenter Strömung unter-

schieden (Bild 1.24) [1.35].

Die Strömungsform ist von der

mittleren Strömungsgeschwin-

digkeit ν, dem Rohrdurchmesser

d und der kinematischen Zähig-

keit ν des Fluids abhängig.

Diese Größen sind in der

Reynolds-Zahl Re zusammen-

gefasst. Innerhalb der KSB AG

ist die Reynolds-Zahl Re = 2320

als Grenze zwischen turbulenter

und laminarer Strömung

festgelegt.

verdrängen kann. Eine Vorrich-

tung zur Pumpenentlüftung ist

dann nicht erforderlich [1.27].

Das Aufstellen der (mindestens

zwei) [1.28] Pumpen soll so

erfolgen, dass ihnen das Wasser

frei zuströmt (Zulaufbetrieb)

[1.29]. Der Betrieb im instabilen

Bereich ist zu vermeiden.

Kavitation soll auf das zulässige

Maß beschränkt sein (NPSHvorh

/ NPSHerf ≥ 1,3) [1.30]. Die zum

Einsatz kommenden Pumpen

müssen für das zu fördernde

Abwasser und die Förder-

aufgabe geeignet sein [1.31].

Nach europäischer Normen-

gebung sind nichtexplosions-

geschützte Motoren ausrei-

chend. Für Deutschland legen

allerdings nationale Bestim-

mungen einen Explosionsschutz

nach Stufe Ex dII B T3 fest, da

Saugräume von Abwasserpump-

anlagen als explosionsgefährdete

Räume gelten [1.32].

Betriebsmeldungen sind einzeln

optisch und Störmeldungen

sowohl einzeln optisch als auch

zusammen akustisch anzuzeigen

[1.33]. Empfehlenswert ist

weiterhin, eine Pegelmessein-

richtung, eine Förderdruckmess-

einrichtung und eine Durchfluss-

messeinrichtung zu installieren

[1.34].

Anmerkungen zum Sau-graumvolumen

Für Pumpen mit fester Drehzahl

berechnet sich das verfügbare

Saugraumvolumen nach ATV-

DVWK-A 134 zu:

Für häusliche Schmutzwasser-

mengen bestehen normierte

Annahmen. Für Deutschland

wird von einer Schmutzwasser-

menge von 150 bis 300 l je

Einwohner und Tag (ohne

Infiltrationsreserve) und einem

Spitzenabfluss von 4 bis 5 l je

1000 Einwohner und Sekunde

(inklusive Infiltrationsreserve)

ausgegangen [1.36].

Bild 1.24: Laminare und turbu-lente Strömung.

V = 0,9 · QP

Z(16)

1

26

Literatur

[1.1] Vertiefungsliteratur: ATV-DVWK –A 134

[1.2] Vertiefungsliteratur: ATV-DVWK –A 118

[1.3] Vertiefungsliteratur: ATV-DVWK –A 134

[1.4] Mathematische Nachempfindung der Darstellung

von Turk, W.I. (1954), S.144

[1.5] Vergleiche Quellcode PWSIM 02, Zeile 353

[1.6] mathematische Nachempfindung der Darstellung

von Turk, W.I. (1954), S.144

[1.7] Vertiefungsliteratur: KSB Kreiselpumpen Lexikon

[1.8] Hahne, E. (2000), S.397

[1.9] Vertiefungsliteratur: KSB Auslegung von

Kreiselpumpen

[1.10] Vertiefungsliteratur: KSB Auslegung von

Kreiselpumpen

[1.11] Vertiefungsliteratur: KSB Auslegung von

Kreiselpumpen

[1.12] Vertiefungsliteratur: KSB Rohrleitungsrechner,

Auslegungssoftware

[1.13] Vertiefungsliteratur: Broschüre Europump 1974

„NPSH bei Kreiselpumpen – Bedeutung,

Berechnung, Messung“

[1.14] Vertiefungsliteratur: Broschüre Europump 1974

„NPSH bei Kreiselpumpen – Bedeutung,

Berechnung, Messung“

[1.15] Vertiefungsliteratur: KSB Kreiselpumpen-Lexikon

[1.16] Vergleiche KSB AG (1989)

[1.17] Vergleiche ATV e.V. (Hrsg.) (1982), S.443f.

[1.18] Vergleiche Weismann, D. (1999), S.100ff.

[1.19] Weismann, D. (1999), S.104F.

[1.20] Vergleiche ATV-DVWK-A 134 (2000), S.20

[1.21] Vergleiche EN 752-6 (1998), S.6

[1.22] Vergleiche ATV-DVWK-A 134 (2000), S.23

[1.23] Vergleiche ATV-DVWK-A 134 (2000), S.10

[1.24] Vergleiche ATV-DVWK-A 134 (2000), S.21ff.

[1.25] Vergleiche ATV-DVWK-A 134 (2000), S.24

[1.26] Vergleiche ATV-DVWK-A 134 (2000), S.24

[1.27] Vergleiche ATV-DVWK-A 134 (2000), S.24

[1.28] Vergleiche EN 752-6 (1998), S.4

[1.29] Vergleiche ATV-DVWK-A 134 (2000), S.7

[1.30] Vergleiche ATV-DVWK-A 134 (2000), S.15

[1.31] Vergleiche EN 752-6 (1998), S.6

[1.32] Vergleiche ATV-DVWK-A 134 (2000), S.18

[1.33] Vergleiche ATV-DVWK-A 134 (2000), S.30

[1.34] Vergleiche ATV-DVWK-A 134 (2000), S.30

[1.35] Vergleiche Hahne, E. (2000), S.395ff.

[1.36] Vergleiche EN 752-4 (1997), S.14f.

Vorteile Nachteile

geringer Aufwand bei Tief- und Hochbauarbeiten (teilweise als

Fertigpumpstationen verfügbar)

Ablagerungen im Saugraum werden durch Einbauten begünstigt.

geringer Raumbedarf schlechte Zugänglichkeit

geringer Investitionsbedarf unhygienische Wartungsbedingungen

einfache Anlagentechnik

großer NPSHvorh

Tabelle 1.1: Vor- und Nachteile von Pumpwerken in Nassaufstellung (Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Weismann, D. (1999), S.104f).

Allgemeine Pumpenauswahl1

27

Allgemeine Pumpenauswahl

2. Maschinentechnik und Auf-stellung

2.1Auswahl der optimalen Laufrad-Geometrie

In keinem anderen Anwendungs-

gebiet für Kreiselpumpen exist-

ieren so viele verschiedene Lauf-

radformen wie beim Transport

von Abwasser (Bild 2.1). Alle

diese Laufradformen haben

dabei ihre Berechtigung.

Das wichtigste Auswahl-

kriterium für die Form des

Laufrads ist die Betriebssich-

erheit. Daraus folgt auch die

Forderung der ATV-Richtlinie

(DVWK-A 134) nach einem

freien Durchgang von 100 (76)

mm. Auch der Pumpenwirk-

ungsgrad hat in den letzten

Jahren an Bedeutung gewonnen.

Bei den Anforderungen an die

Betriebssicherheit sind vor allem

der Gasgehalt, der Anteil an

Fasern, die Größe von Feststoff-

partikeln, der Trockensubstanz-

gehalt TSR und der Sandgehalt

zu berücksichtigen. In der Über-

sicht Tab. 2.1 sind die Erwar-

tungswerte von KSB hinsichtlich

der vorkommenden Medien im

Abwasserbereich aufgeführt.

Während man beim Gas-, Sand-

und Trockensubstanzgehalt die

Grenzen der einzelnen Laufrad-

formen recht klar definieren

kann, ist das bei den Beimeng-

ungen von Fasern und anderen

Feststoffen nicht so leicht quanti-

fizierbar. Die Zusammensetzung

des Abwassers kann sich auch

zeitlich ändern. Bei der Auswahl

sind die Erfahrungen des

Betreibers zu nutzen.

Die Übersicht in Tab. 2.2 zeigt

die Einsatzgrenzen der Laufrad-

formen auf.

Bei hohem Gasgehalt und

höherem Anteil an Fasern sind

offene Räder und vor allem das

F-Rad geeignet. Bei rechengerei-

nigtem Abwasser sind wiederum

die geschlossenen K-Räder wegen

ihres sehr guten Wirkungsgrades

zu empfehlen. Bei kleineren und

mittleren Baugrößen sind für

größere Feststoffe nur die Frei-

stromräder und Einkanalräder

einsetzbar, da diese den erforder-

lichen freien Durchgang besitzen.

Durch langfasrige Bestandteile

(Textilien, Putz- und Hygiene-

artikel, Pflanzenteile) wird die

Betriebssicherheit bei geschlos-

senen Rädern (mit Deckscheibe)

neben der Gefahr an der

Eintrittskante auch im saugsei-

tigen Radseitenraum gefährdet.

Aufgrund des Leckagevolumens-

troms durch den Spalt zwischen

Laufrad und Pumpengehäuse

besteht in diesem Bereich die Ge-

fahr einer Aufkonzentration von

Fasern (Bild 2.2), was zum so

genannten Festbrennen führen

kann (Bild 2.3). Reduziert wird

die Gefahr durch einen engen

Spalt, der durch verschleißfeste

Werkstoffe maßstabil gehalten

wird. Dies hat zusätzlich den

Vorteil eines stabilen Wirkungs-

grades.

Bild 2.2: Gefährdete Bereiche bei Fasern.

Bild 2.3: Festbrennung

Bild 2.1: Laufradformen

2

28

Maschinentechnik und Aufstellung

Gasgehaltvol%

Fasergehalt Feststoff-größe

TSR (%) Sandgehalt (g/l)

Regen- und Oberflächenwasser - niedrig klein - 0 - 3

Schmutzwasser (SW)

- kommunales SW

- häusliches SW 0 - 2 mittel mittel - 0 - 3

- gewerbliches SW 0 - 2 groß groß - 0 - 3

- industrielles SW 0 - 2 groß groß 0 - 5 0 - 3

Sandwasser - - - - 8 - 10

Schlämme

- Belebtschlamm 2 - 4 niedrig klein 1 - 2 -

- Primärschlamm 2 - 4 niedrig klein 2 - 6 -

- Sekundärschlamm 2 - 4 niedrig klein 2 - 3,5 -

- Eindickerschlamm 3 - 6 niedrig klein 2 - 5 0 - 2

- Stabilisierter Schlamm - niedrig klein 5 - 10 -

- Entwässerter Schlamm - niedrig klein 20 - 30 -

- Getrockneter Schlamm - niedrig klein 30 - 50 -

Tabelle 2.1: Erwartungswerte von Medien im Abwasserbereich.

* unter Voraussetzung eines geeigneten Werkstoffes

Tabelle 2.2 : Einsatzgrenzen verschiedener Laufradformen.

Gasgehalt Fasergehalt Feststoff-größe

TSR (%) Sandgehalt (g/l) *

Schneidräder - mittel - 2 -

Freistromräder (F-Rad) ≤ 8 hoch groß < 8 ≤ 10

geschlossenes Einkanalrad (E-Rad) ≤ 2 mittel groß ≤ 6 ≤ 6

offenes Einkanalrad (D-Rad) ≤ 4 hoch groß ≤ 13 ≤ 4

geschlossenes Zweikanalrad (K-Rad) - niedrig mittel ≤ 3 ≤ 4

offenes Zweikanalrad 4 hoch mittel 6 ≤ 6

Mehrkanalrad (K-Rad) - keine klein ≤ 5 ≤ 6

zu erwartende Laufzeit einer

Pumpe zu berücksichtigen. In

einigen Anwendungen müssen

die Pumpen mehr als 4000 h

pro Jahr arbeiten, während bei

der häuslichen Druckentwäs-

serung oder bei Regenüberlauf-

pumpen die Betriebszeit häufig

weit unter 100 h im Jahr liegt.

Bei der Bewertung des Wirkungs-

grades reicht es nicht aus, den

Bestwirkungsgrad von Pumpen

zu vergleichen. Es kommt viel-

mehr darauf an, wie hoch der

Wirkungsgrad in den tatsäch-

lich auftretenden Betriebs-

punkten ist. Auch ist bei der

energetischen Betrachtung die

So stehen bei der Auswahl einer

Abwasserpumpe neben der all-

gemeinen Forderung nach

Betriebssicherheit bei Dauer-

läufern der Wirkungsgrad, hin-

gegen bei der Druckentwässerung

die Investitionskosten der

Pumpe mit im Fokus.

2

29

Maschinentechnik und Aufstellung

2.2Werkstoffauswahl für dif-ferenzierte Anwendungen

Grauguss, im besonderen

JL1040, hat sich bei allen

Hauptbauteilen nass aufge-

stellter Tauchmotorpumpen in

der Anwendung ‚kommunales

Wasser und Abwasser’ sehr

bewährt.

Dieser Werkstoff kann dabei

mehrere Vorteile ausspielen:

Die chemische Beständigkeit im

neutralen und basischen Bereich

von Grauguss ist ebenso gut wie

dessen Widerstand gegen hydro-

abrasiven Verschleiß.

Bemerkenswert ist, dass die

stark mit Kohlenstoff, Eisen-

oxiden und Siliciumoxid ange-

reicherte Gusshaut gute Eigen-

schaften gegenüber Verschleiß

und Korrosion besitzt. Moderne

Konstruktionen kommen des-

halb mit einem Minimum an

Bearbeitung aus, um die Guss-

haut weitestgehend zu erhalten.

Die mit dem niedrigen E-Modul

einhergehende gute Schwing-

ungsdämpfung kommt sowohl

bei den Gehäuseteilen als auch

beim Fußkrümmer zum tragen.

Hier erlaubt auch der ver-

hältnismäßig geringe

Kilogrammpreis dem Hersteller

eine stabile und sichere Kon-

struktion, wobei selbst bei

höheren Drücken ein Abheben

vom Fußkrümmer nicht zu

befürchten ist.

Grauguss als Werkstoff für das

Motorgehäuse bietet z.B. gegen-

über Edelstahlblech eine sehr

gute Wärmeleitfähigkeit. In

weit über 90 % der Anwen-

dungen ist Grauguss somit

die erste Wahl.

Höher abrasive Fördermedien

Bei Anwendungen im Sandfang

oder in Gebieten, wo über das

Regenwasser große Mengen an

Sand mit ins Abwassersystem

gelangen, kann es erforderlich

sein, das Laufrad und sogar das

Pumpengehäuse besonders

resistent gegen abrasiven Ver-

schleiß zu gestalten. Hier ist ein

hochlegierter Grauguss 0.9635

zu empfehlen. In einem Modell-

verschleißversuch erreichte die

lineare Abtragungsrate von

JL1040 den 20fachen Wert

gegenüber 0.9635.

Bei Gehäuseteilen waren in den

letzten Jahren auch Beschich-

tungen erfolgreich. Zu achten ist

darauf, dass die Beschichtung

technologisch auf das Beschich-

tungsmedium abgestimmt ist.

Zudem ist das Beschichtungs-

medium nach der Art und

Konzentration der Feststoffe im

Fördermedium auszuwählen. Bei

Laufrädern hat die Beschichtung

eine zu kurze Standzeit und ist

daher nicht zu empfehlen.

2

30

Maschinentechnik und Aufstellung

Pumpen für korrosive

Fördermedien

Hierfür haben sich Duplexstähle

wie der 1.4517 und 1.4593

vielfach bewährt. Reine Austenite

wie der 1.4408 sind verschleiß-

anfälliger und in Meerwasser

auch nicht ausreichend beständig.

Neben der sehr guten Korrosions-

beständigkeit verfügen die

Duplexstähle mit einem Austenit/

Ferrit-Verhältnis von 1:1 über

sehr gute mechanische Eigen-

schaften wie Festigkeit, Bruch-

dehnung und auch eine akzep-

table Verschleißbeständigkeit.

Bei der Forderung nach sehr

hohen Standzeiten einer Pumpe

in Meerwasser ist es erforderlich,

mit dem Werkstoff die so

genannte PREN-Zahl von 35

oder sogar von 38 zu erreichen

(Bild 2.4).

Beschichtungen allein haben bei

korrosiven Medien wie z.B.

Meerwasser eine bedingte Wir-

kung. Wird die Beschichtung

auch nur gering geschädigt, kann

sich der Korrosionsprozess unter

der Beschichtung ungehindert

ausbreiten.

Eine spezielle Beschichtung in

Kombination mit Kathoden-

schutz durch Anoden hat schon

sehr erstaunliche Beständigkeiten

erzielt. So sind in Pumpstationen

am roten Meer derartige

Lösungen für Pumpen mit

einem Gehäuse aus JL1040 seit

über 5 Jahren ohne ersichtliche

Korrosion in Betrieb. Eine gute

Wartung und das regelmäßige

Anbringen neuer Anoden (im

Abstand von 1 bis 2 Jahren)

sind dafür Voraussetzung. Die

Pumpe darf bei der Installation

nicht elektrisch leitend mit

anderen großflächigen Ein-

bauten wie Rohrleitungen,

Gittern oder ähnlichen Teilen

verbunden werden. In diesem

Fall würde die Anode durch das

ungünstige Anoden-/Kathoden-

Verhältnis vorzeitig aufgezehrt

und der Schutz der Pumpe

würde leiden.

Bild 2.4: KRT für Meerwasser komplett in Duplexstahl-Ausführung

2

31

Maschinentechnik und Aufstellung

Spaltringe (K- und E-Räder) /

Schleißwand (D-Räder)

Der Spalt zwischen Spaltring

und Laufrad mit oder ohne

Laufring bestimmt den Leckage-

volumenstrom. Dieser wiede-

rum ist maßgeblich für den

Wirkungsgrad der Pumpe

verantwortlich. Bleibt der Spalt

konstant, ist in der Regel auch

der Pumpenwirkungsgrad

konstant. Vergrößert sich der

Spalt durch Verschleiß, nimmt

der Pumpenwirkungsgrad ab,

da sich der nutzbare Volumen-

strom verringert. Zudem hat ein

vergrößerter Spalt wie im

Abschnitt ‚Laufradauswahl’

beschrieben eine erhöhte Gefahr

des Festbrennens zur Folge.

Da beim Einsatz von K-Rädern

meist nur ein geringerer Anteil

an Feststoffen im Medium

vorliegt, reicht hierfür auch

meist der Spaltringwerkstoff

JL1040 aus. Für höhere Anfor-

derungen sind Werkstoffe mit

einer höheren Verschleißbestän-

digkeit einzusetzen. Bei K-Rädern

offeriert KSB optional einen

halbaustenitischen CrNi-

Stahlguss (VG 434).

Ein vergleichbarer Werkstoff ist

der 1.4464. Für Spaltringe bei

E-Rädern kann sogar ein hoch-

legierter Grauguss (0.9635)

eingesetzt werden. Ähnlich

verhält es sich bei den Schleiß-

wänden für die D-Räder. Auch

hier wird für eine bessere

Verschleißbeständigkeit

alternativ zum JL1040 der

hochlegierte Grauguß 0.9635

angeboten. Zur Erhöhung der

Verschleißbeständigkeit von

stark beanspruchten Kanten

und Flächen von Spaltringen

und Laufrädern wird bei Teilen

aus JL1040 das Härten mit

einer Eindringtiefe von

mehreren Millimetern erfolg-

reich angewendet.

Welle

Für die Welle verwendet KSB

standardmäßig einen ferri-

tischen Chromstahl (1.4021).

Dieser Werkstoff weist eine gute

Festigkeit auf und ist für über

90 % der Anwendungen

korrosionsbeständig. Bei stark

korrosiven Medien wie z.B.

Meerwasser sind Duplexstähle

mit den entsprechenden PREN-

Zahlen erforderlich. Dies kann

bei 2- und 4-poligen Motoren

dazu führen, dass die Welle aus

Magnetisierungsgründen als

Reibschweißwelle ausgeführt

wird, wobei der motorseitige

Teil der Welle ferritisch

ausgeführt wird.

2.3Wellenabdichtung

Bei Tauchmotorpumpen hat

sich seit Jahrzehnten die Wellen-

abdichtung mit zwei Gleitring-

dichtungen (GLRD) in Tandem-

anordnung durchgesetzt (Bild

2.5).

Der Raum zwischen den beiden

Gleitringdichtungen muss mit

einer geeigneten Flüssigkeit zu

85 bis 90 % gefüllt sein. Das

verbleibende Luftvolumen

verhindert im Vorlageraum bei

zunehmender Temperatur einen

zu großen Druckanstieg, um

nicht den pumpenseitigen

Gegenring aus dem Sitz zu

drücken. Die Flüssigkeit hat

ausschließlich die Aufgabe, bei

beiden GLRD einen Schmier-

film zwischen den Gleitflächen

des Gegenringes und des Gleit-

ringes zu bilden. Diese Schmie-

rung ist Voraussetzung für

einen geringen Verschleiß der

Gleitflächen.

2

32

Maschinentechnik und Aufstellung

Bei Tauchmotorpumpen in Ab-

wasseranwendungen besteht

immer die Möglichkeit des

Ausgasens des Mediums im

Pumpengehäuse. Das Gas

sammelt sich immer im Bereich

des niedrigsten Druckes und

somit im Gebiet der GLRD.

Ohne separate Schmierung

hätte die GLRD nur eine sehr

geringe Standzeit. Der Werk-

stoff des Gegen- und Gleitringes

ist standardmäßig Silicium-

carbid / Siliciumcarbid (SiC/

SiC). Dieser Werkstoff besitzt

eine relativ schlechte Notlauf-

eigenschaft, dafür aber eine

sehr gute Beständigkeit gegen

Feststoffe.

Die Elastomere der GLRD sind

aus NBR oder Viton gefertigt,

da EPDM nicht ölverträglich

ist. PTFE ist nur bei extremen

Anwendungen erforderlich.

Die GLRD selbst ist meist als

Gummibalgdichtung mit Einzel-

feder ausgeführt (Bild 2.6a).

Diese Balgdichtung hat nicht

nur den Vorteil der günstigen

Investitionskosten. Der Balg ist

zudem in der Lage, ein Durch-

biegen der Welle auf Grund der

Radialkräfte in der Pumpe voll-

ständig auszugleichen, ohne

dabei eine Relativbewegung auf

der Welle zu erzeugen.

Es findet daher kein Verschleiß

auf der Welle statt, weshalb auf

eine Wellenhülse verzichtet

werden kann. Bei Baugrößen

mit Wellendurchmessern > 100

mm sind Balgdichtungen mit

Einzelfeder wegen Montage-

problemen nicht mehr

praktikabel. Bei diesen Größen

sind stationäre entlastete

Dichtungen empfehlenswert

(Bild 2.6b). Bei den stationären

Dichtungen befindet sich der

Gleitring im Gehäuse und wird

durch Federn, die nicht im

Medium liegen, an den

rotierenden Gleitring gedrückt.

Bei Fördermedien mit scharf-

kantigen Beimengungen, wie

bei Spänepumpen in der mecha-

nischen Fertigung, sowie bei

Fördermedien mit langfasrigen

Beimengungen sind auch für

kleinere Baugrößen GLRD mit

abgedeckten Federn erforderlich.

Als Schmierflüssigkeit verwen-

det KSB ein nicht toxisches,

biologisch abbaubares Leichtöl.

Wird in einer Pumpe das

Schmiermittel der GLRD

zugleich als Kühlmittel des

Motors verwendet, kommt ein

Wasser / Glykol-Gemisch zum

Einsatz.

Bild 2.6b: Gleitringdichtung Fa. EagleBurgmann HJ

Bild 2.6a: Gleitringdichtung mit Gummibalg Fa. EagleBurgmann MG1

Bild 2.5: typische Tandemanordnung von GLRD mit Ölvorlage

Bild 2.7: stationär entlastete Gleitringdichtung

2

33

Maschinentechnik und Aufstellung

2.4Rotor und Lagerung

Es ist selbstverständlich, dass

die Welle und die Lager für die

Belastungen im zugelassenen

Betriebsbereich richtig dimen-

sioniert sein müssen.

Bei unsachgemäßer Fahrweise

außerhalb des zugelassenen

Betriebsbereiches können neben

den Gleitringdichtungen vor

allem die Lager, aber auch die

Welle geschädigt werden. Die

unterschiedlichen Gründe für

die Grenzen des Betriebs-

bereiches werden im Kapitel

‚Allgemeine Pumpenauswahl’

näher beschrieben.

Anlagenbedingt lässt sich nicht

immer der Betrieb einer Pumpe

gegen geschlossenen Schieber

ausschließen.

Neben hohen Lagerkräften

führen die auf das Laufrad

wirkenden Kräfte zu einer

starken Durchbiegung der

Welle. Diese Durchbiegung

kann zum Anlaufen des

Laufrades am Spaltring führen,

was wiederum bei längerem

Betrieb eine Erweiterung des

Dichtspaltes zwischen Laufrad

und Spaltring zur Folge hat.

Die Lagerdimensionierung

erfolgt bei Tauchmotorpumpen

über 4 kW-Antriebsleistung

generell für eine rechnerische

Lagerlebensdauer von mindes-

tens 25.000 h an den Betriebs-

grenzen Qmin und Qmax. Daraus

ergibt sich bei den typischen

Betriebspunkten meist eine

wesentlich höhere Lager-

lebensdauer.

Bei kleineren Pumpen muss von

einer kleineren rechnerischen

Lagerlebensdauer ausgegangen

werden. Sollen kleine Pumpen

als Dauerläufer eingesetzt

werden, ist diese Forderung in

der Spezifikation aufzuführen.

Die Schmierung der Lager

erfolgt generell durch Fett. Bei

Pumpen im kleinen und mitt-

leren Leistungsbereich (< 65

kW) werden meist lebensdauer-

geschmierte Lager eingesetzt.

Bei Pumpen größerer Leistung

ist häufig ein Nachschmieren

erforderlich. Diese Pumpen

verfügen über eine spezielle

Nachschmiereinrichtung. Die

erforderliche Fettqualität, Fett-

menge und die Wartungsinter-

valle sind der Betriebsanleitung

der Pumpe zu entnehmen.

2

34

sigen Belastung und der

Anschlussabmessung der am

Druckstutzen der Pumpe

befestigten Halterung (oder

Klaue) geeignet sein. Die

Anschlussabmessungen sind

nicht standardisiert. Bei

schweren Pumpen ist es erfor-

derlich, die Befestigung auf dem

Betonboden über Fundament-

schienen zu realisieren. Die

Befestigung des Fußkrümmers

bzw. der Fundamentschienen

erfolgt mit bautechnisch zuge-

lassenen Verbundankern

(Klebedübel) im Betonboden

mit ausreichender Betonfestig-

keit (mindestens Klasse C25/C30

nach DIN 1045) (Bild 2.11 a+b).

Zu achten ist auf einen ausrei-

chend großen Abstand des

Saugmundes der Pumpe zum

Beckenboden. Konkrete

Angaben sind dem Kapitel

‚Bauwerksgestaltung’ zu

entnehmen. Bevor die Pumpe

installiert werden kann, ist die

komplette Druckrohrleitung zu

montieren und die Führungs-

einrichtung für die Pumpe

anzubringen. Hinweise über die

Ausführung der Rohrleitung

sind ebenfalls im Kapitel ‚Bau-

werksgestaltung’ zu finden. Bei

der Führungseinrichtung sind

zwei unterschiedliche Systeme

verfügbar: Die Seilführung und

die Stangenführung (Bild 2.12

a+b + 2.13). Ein Vergleich

(Tab. 2.3) offenbart viele

Vorteile der Seilführung.

2.5Aufstellung

Für Tauchmotorpumpen

existieren drei übliche Aufstell-

varianten:

Die transportable Aufstellung

(Bild 2.8), die stationäre Nass-

aufstellung (Bild 2.9) und die

vertikale Trockenaufstellung

(Bild 2.10).

Bei der transportablen Aufstel-

lung ist zu berücksichtigen, dass

die Pumpe standsicher im

Pumpensumpf aufgestellt ist

und ein geeignetes Hebezeug

vorhanden ist, um die instal-

lierten Pumpen aufnehmen zu

können.

Die stationäre Nassaufstellung

erfolgt auf einem am Becken-

boden fest installierten Fuß-

krümmer. Der Fußkrümmer

muss für die zu installierende

Pumpe hinsichtlich der zuläs-

Bild 2.8: Abwasserpumpe in

transportabler Aufstellung.

Bild 2.9: Abwasserpumpe in

stationärer Nassaufstellung.

Bild 2.10: Abwasserpumpe in

vertikaler Trockenaufstellung.

Bild 2.11a+b:

Befestigung des Fuß-

krümmers bzw. der

Fundamentschienen.

Maschinentechnik und Aufstellung2

35

Maschinentechnik und Aufstellung

Deshalb bevorzugt KSB die Seil-

führung als Standardlösung;

alternativ steht natürlich auch

die Stangenführung zur

Verfügung.

Die oberen Halterungen der

Führungseinrichtung werden in

geeigneter Weise an einer

Betonwand oder -decke

ebenfalls mit Verbundankern

angeschraubt.

Bei großen Einbautiefen sind

bei der Seilführung Abstands-

halter erforderlich. Bei der

Stangenführung sind im

Abstand von 6 m Zwischen-

konsolen zu empfehlen, die

entweder an der Druckrohr-

leitung mit Schellen oder direkt

an der Pumpschachtwand

befestigt werden.

Die Trockenaufstellung wird

wie eine trocken aufgestellte

Pumpe behandelt und hier aus

diesem Grund nicht näher

diskutiert.

Seilführung Stangenführung

einfacher problemloser Transport Transportprobleme der Stangen

schnelle, somit Kosten sparende Montage unflexibel bei Bauabweichungen

Ausgleich von Bautoleranzen ohne zusätzliche Aufwand sehr hoher Aufwand bei großen Einbautiefen

Einbau auch in einer Schräglage bis + 5° möglich Korrosionsprobleme für Führungsstangen

flexible und betriebssichere Anpassung an unterschiedliche Einbautiefen bis 85 m

korrosionsbeständige Stangen führen zu hohen Kosten

Seilführung aus korrosionsbeständigem Edelstahl 1.4401 (316) Dichtungsprobleme (Metall auf Metall oder Abscheren der Kunststoffdichtung) am Fußkrümmer

Seilführung ist Bestandteil des KSB-Lieferumfanges versperrter Zugang zu Armaturen durch unflexible Stangen

Verschmutzungsprobleme bei starker Strömung im Pumpenschacht und bei Schwimmschlammbecken

unempfindlicher gegen Verschmutzung mit Fasern

Tabelle 2.3 : Vergleich der Seilführung und der Stangenführung.

Bild 2.12a: Seilführung Bild 2.12b: Seilführung Bild 2.13: Stangenführung

2

36

3. Allgemeine Motor-beschreibung

Der Motor der KRT ist ein

Drehstrom-Asynchronmotor

mit Kurzschlussläufer in druck-

wasserdichter Ausführung, der

speziell zum Antrieb von Tauch-

motorpumpen konstruiert und

ausgelegt wurde (Bild 3.1 und

Bild 3.2). Die Ausführung

erfolgt alternativ als ‚nicht

explosionsgeschützt’ und

‚explosionsgeschützt’ in der

Zündschutzart ‚druckfeste

Kapselung’.

Pumpe und Motor besitzen eine

gemeinsame Pumpen-Motor-

Welle und bilden somit eine

untrennbare Einheit. Für die

nachstehend beschriebenen

Spezialpumpenmotoren

existieren keine definierten

elektrotechnischen Normen;

soweit anwendbar folgen sie

jedoch der DIN EN 60034.

KSB-Tauchmotorpumpen sind

überflutbare, nicht selbstan-

saugende Blockaggregate, wobei

diese im Normalfall komplett

untergetaucht betrieben werden.

Sie können zeitweise im ausge-

tauchten Zustand eingesetzt

werden, die zulässige Motor-

temperatur wird dabei über

einen im Motor eingebauten

Temperaturfühler überwacht.

Dabei ist generell ein Mindest-

flüssigkeitsstand gemäß

Betriebsvorschrift zu beachten.

Für Anwendungen, die einen

permanenten, teilweise ausge-

tauchten Betrieb erfordern, gibt

es eine Motorausführung mit

Kühlmantel, die unabhängig

vom Flüssigkeitsstand im

Pumpensumpf eine ausreichende

Motorkühlung sicherstellt.

Bild 3.1: Schnittbild einer KRT 4

bis 60 kW.

Bild 3.2: Schnittbild einer KRT >

60 kW.

Maschinentechnik und Aufstellung3

37

Allgemeine Motorbeschreibung

3.1Motorgrößen

Standard-Bemessungsleistungen (polzahlabhängig): 4 bis 480 kW

darüber hinaus bis 880 kW

Standard-Polzahlen (leistungsabhängig): 2- bis 10polig

Standard-Bemessungsspannungen 400/690 V, 50 Hz

460 V; 60 Hz

Anmerkung: 1. Für 60 Hz Bemessungspannungen im Bereich 200 bis 575 V ausführbar.

2. Höhere Bemessungsleistungen und andere Bemessungsspannungen

(auch Hochspannung) auf Anfrage möglich.

3. Die individuelle Motorgröße ist in den Motordatenblättern angegeben

(Bestandteil der Projektunterlagen bzw. auf Anfrage erhältlich).

3.2

Bauform

KRT-Motoren werden ähnlich der Bauform IM V10 geliefert (nach DIN EN 60 034-7).

Aufstellung des Motors

Die Aufstellung des Motors

erfolgt zusammen mit der Pumpe

als Blockaggregat direkt im

Pumpensumpf, wobei der Motor

während des Betriebes im

Fördermedium untergetaucht ist.

Er kann aber auch zeitweise

ausgetaucht betrieben werden,

wobei die zulässige Motor-

temperatur über einen im Motor

eingebauten Temperaturfühler

überwacht wird. Dabei ist

generell ein Mindestflüssigkeits-

stand gemäß Betriebsvorschrift

zu beachten. Für große Tauch-

motorpumpen wird der Mindest-

wasserstand meist durch

hydraulische Parameter bestimmt

(z.B. luftziehende Wirbel, NPSH)

Temperatur des Fördermediums:

max. 40°C Standard

Für den Betrieb bei Temperaturen

> 40°C und < 60°C steht eine

Warmwasserausführung zur

Verfügung. Betrieb bei

Temperaturen > 60°C auf

Anfrage.

Baugrößen

Die Baugrößen-Standards für

Normmotoren nach IEC 72

sind für die integrierten Tauch-

pumpenaggregate nicht

anwendbar; die Motorblech-

schnitte entsprechen jedoch den

marktüblichen, so genannten

IEC-Abmessungen bzw.

Baugrößen.

Eintauchtiefe

Tauchmotorpumpen KRT

können bis zu einer Eintauchtiefe

von 30 m ohne Sondervorkeh-

rungen betrieben werden.

3

38

Allgemeine Motorbeschreibung

geeignet. In der Motorbezeich-

nung erfolgt die Kennzeich-

nung mit folgenden Buchstaben:

X -> T3 und Y → T4

3.6Elektrische Bemessungsdaten

Leistung

Mit Rücksicht auf eine lange

Lebensdauer der Motoren wird

die Einhaltung von Netzspan-

nungsabweichungen von ± 5 %

und Netzfrequenztoleranzen von

± 2 % entsprechend Bereich A

nach DIN EN 60 034-1

empfohlen.

Darüber hinaus können Amarex

KRT-Motoren im untergetau-

chten Zustand ihre Leistung

ohne Einschränkung abgeben,

sofern gegenüber den Bemes-

sungswerten die Netzspannung

maximal ± 10 % und die

Netzfrequenz maximal ± 2 %

schwankt.

Spannung und Frequenz

KRT-Motoren sind im Sinne der

DIN EN 60034-1 Absatz 12.3

voll funktionstüchtig, wenn

gegenüber den Bemessungs-

werten die Netzspannung bis zu

± 10 % und die Netzfrequenz

bis zu -5 % /+ 3 % entsprech-

end dem Bereich B nach DIN

EN 60 034-1 schwankt.

Strom und Anlaufstrom

Der Anlaufstrom beträgt je nach

Motorgröße das 4- bis 9fache

des Bemessungsstromes bei

Bemessungsspannung an den

Motorklemmen. Individuelle

Anlaufstromwerte: siehe Motor-

katalog oder Projektunterlagen.

Anlauf- und

Einschaltbedingungen

Das Einschalten der KRT-

Motoren kann in einer Stern-

Dreieck-Schaltung oder direkt

erfolgen. Die Wicklungsenden

sind dafür standardmäßig in

offener Schaltung ausgeführt.

Ist die Höhe des Anlaufstrom-

verhältnisses seitens des

Betreibers eingeschränkt, stellt

KSB berechnete Motor-Anlauf-

kurven (M - n -Kennlinien) für

die Auswahl, Dimensionierung

und Parametereinstellung eines

Sanftanlaufgerätes oder eines

Anlasstrafos, als Alternative zur

Stern-Dreieck-Einschaltung bei

400 V Netzspannung, zur

Verfügung.

Bei Verwendung von Sanftan-

laufgeräten müssen hinsichtlich

der elektromagnetischen Ver-

träglichkeit die EN 50081 und

die EN 50082 beachtet werden.

Für die Auswahl des Sanftan-

laufgerätes sind die Hersteller-

angaben und die elektrischen

Motordaten, insbesondere der

Bemessungsstrom, zu

berücksichtigen.

3.3Betriebsart

KRT-Motoren ohne Kühlsystem

(Aufstellart -S) sind im unterge-

tauchten Zustand für Dauerbe-

trieb S1 (nach DIN EN 60034-1)

ausgelegt. Im ausgetauchten

Zustand stellt sich bei Trocken-

lauf über den Bimetall-Schalter

in der Motorwicklung ein S3-

Betrieb ein.

KRT-Motoren mit Kühlsystem

(Aufstellart -K, -D) sind für alle

Wasserstände für Dauerbetrieb

S1 (nach DIN EN 60034-1)

ausgelegt.

3.4Schutzart

Der KRT-Motor ist nach der

DIN EN 60 034-5 in Schutzart

IP 68 ausgeführt. Das Gesamt-

aggregat ist nach DIN EN 60

529 in Schutzart IP 68

ausgeführt.

3.5Zündschutzart und Tempe-raturklassen

Explosionsgeschützte Amarex

KRT-Motoren werden nach

DIN EN 60079-0 / DIN EN

60079-1 in den Zündschutz-

arten Ex II2G Ex d IIB T3 und

zum Teil in T4 gefertigt und

sind für den Einsatz in Zone 1

3

39

Allgemeine Motorbeschreibung

Anlaufzeit

Die Anlaufzeit der Tauchmotor-

pumpen Amarex KRT liegt bei

Direkteinschaltung mit Bemes-

sungsspannung unter 1,5 s.

Zulässige Blockierzeit

Die zulässige Blockierzeit bei

Bemessungsspannung beträgt:

bei Kaltstart: ≤ 25 s

bei Warmstart ≤ 5 s

Momente

Da es sich bei den Tauchmotor-

pumpen um Komplettaggregate

handelt, ist die Angabe von

Trägheits-, Start- und Kipp-

moment für den Motor nicht

erforderlich. Für die optimale

Einstellung von Softstartern

stehen auf Anfrage die

entsprechenden Kurven zur

Verfügung.

Betriebsschaltung

Bei KRT-Motoren werden

unabhängig von der gewählten

Schaltungsart die sechs Enden

der Ständerwicklungsstränge

über entsprechende Leitungen

nach außen geführt. Diese

können dann je nach Spannung

in Dreieck (z.B. 400 V / 50 Hz

bzw. 460 V / 60 Hz) oder Stern

(z.B. 690 V / 50 Hz) geschaltet

werden. Anschlussschemen der

Motoren: siehe Projektunter-

lagen bzw. auf Anfrage.

Schalthäufigkeit

Um eine übermäßige thermische

Belastung des Rotors, mech-

anische Belastungen der Lager

und elektrische Belastungen der

Isolation zu vermeiden, darf

eine bestimmte Zahl von Ein-

schaltvorgängen pro Stunde

nicht überschritten werden

(Tab. 3.1). Zu beachten ist

hierbei der Zusammenhang

zwischen Fördermengen und

Volumen des Pumpensumpfes.

Es wird darüber hinaus

empfohlen, die Zahl der

Schaltungen pro Jahr auf

maximal 5000 zu begrenzen.

Drehrichtung

Die richtige Drehrichtung liegt

vor, wenn bei Sicht auf das freie

Wellen-Ende die Welle im umge-

kehrten Uhrzeigersinn dreht.

Drehrichtungskontrolle ist vor

dem Einbau der Pumpe

dringend zu empfehlen (siehe

Betriebsanleitung).

Individuelle Motordaten

Die individuellen Motordaten

wie lastabhängige Wirkungs-

grade, Leistungsfaktor, Bemes-

sungsstrom usw. werden in

Form von Motordatenblättern

inklusive Belastungskurven auf

Anfrage zur Verfügung gestellt

bzw. finden sich in den

Projektunterlagen.

Typenschild

Bild 3.3 zeigt das Typenschild

für das komplette Tauch-

pumpenaggregat.

Motorleistung maximale Zahl von Schaltungen

bis 7,5 kW 30/h

über 7,5 kW 10/h

Bild 3.3: Motortypenschild

3

40

3.7KRT-Motoren am Frequenzumrichter

Beim Betrieb des KRT-Motors

am Frequenzumrichter sind die

Hinweise für den Betrieb von

Tauchmotorpumpen am

Frequenzumrichter der KSB AG

oder die entsprechenden Ab-

handlungen von EUROPUMP

zu beachten.

KRT-Motoren sind für Fre-

quenzumrichterbetrieb geeignet.

Es kann jeder handelsübliche

IGBT Frequenzumrichter mit

Spannungszwischenkreis

eingesetzt werden. Auch bei

explosionsgeschützten Pumpen

gibt es keine Einschränkung

hinsichtlich Fabrikat. Die

Motorisolation ist für Puls-

spannungen bis 1600V geeignet.

Bei Bemessungsspannungen

über 500V treten häufig höhere

Pulsspannungen auf. Es sind

dann am Frequenzumrichter

dU/dt Filter vorzusehen oder

Motoren mit Sonderisolation

(lieferbar auf Anfrage)

einzusetzen.

Um Risiken bei der freien Kom-

binierbarkeit von Frequenz-

umrichtern und Motoren zu

minimieren empfiehlt KSB eine

zusätzliche Leistungsreserve

von 5%. Diese kann in jedem

Fall erhöhte Verluste durch

Oberwellen in der Ausgangs-

spannung der Frequenzum-

richter kompensieren.

3.7.1Bemessung der Frequenzumrichter

Für die Auswahl des Frequenz-

umformers sind die Hersteller-

angaben und die elektrischen

Daten des Motors zu berück-

sichtigen. Der Motorbemes-

sungsstrom ist hierbei wichtiger

als die Bemessungsleistung,

besonders bei hochpoligen

Motoren mit niedrigem cos phi.

3.7.2Explosionsgeschützte Antriebe

Für explosionsgeschützte KRT-

Motoren sind beim Betrieb am

Frequenzumrichter folgende

Bedingungen einzuhalten:

- Stationäre Betriebspunkte

müssen im Bereich von 50 bis

100% der Bemessungsfre-

quenz liegen. Überfrequenter

Betrieb ist in den vorhan-

denen Baumusterprüfbe-

scheinigungen ausgeschlossen.

- Die Strombegrenzung des

Frequenzumrichters darf auf

maximal 3 x lN eingestellt sein.

- Das Thermistorauslösegerät

muss das Prüfzeichen:

PTB 3.53 - PTC/A tragen.

3.8Konstruktiver Aufbau des Motors

Beim Motor des Tauchpumpen-

aggregates KRT handelt es sich

um einen Drehstrom-Asyn-

chronmotor mit Kurzschluss-

läufer in druckwasserdichter

Ausführung, der speziell zum

Antrieb von Tauchmotor-

pumpen konstruiert und aus-

gelegt wurde. Pumpe und

Motor besitzen eine gemein-

same Pumpen-Motor-Welle und

bilden somit eine untrennbare

Einheit.

Stator

Der Ständer des KRT-Motors

besteht aus einem Stator-Blech-

paket, in das eine Drehstrom-

wicklung aus Kupferdraht ein-

gelegt ist. Hochwertige Lack-

drähte und Isolierstoffe (in Nut

und Wickelkopf), verbunden

mit einer Polyesterharz-Impräg-

nierung, gewährleisten eine

hohe mechanische und elek-

trische Festigkeit.

Isolierstoffe und Wärmeklasse

Für das Isolationssystem des

Motors werden nur markter-

probte Komponenten namhafter

Hersteller verwendet. Alle Isola-

tionswerkstoffe entsprechen der

Wärmeklasse H. Das mecha-

nische Bandagieren der Wickel-

köpfe ist in unterschiedlicher

Technologie realisiert.

Allgemeine Motorbeschreibung3

Die Motorwicklungen erreichen

bei Bemessungsbetrieb Tempe-

raturen der Wärmeklasse F.

Rotor

Beim Rotor handelt es sich um

einen Kurzschlussläufer, bei

dem der im Rotor-Blechpaket

befindliche Läuferkäfig je nach

Motorgröße entweder aus

Aluminium-Druckguss oder aus

gelöteten Kupferstäben und

-ringen besteht.

Lagerung

Als A- und B-seitige Lager

werden bis zur Baugröße 280

lebensdauergeschmierte Wälz-

lager und ab Baugröße 315

Wälzlager mit Nachschmier-

einrichtung verwendet. Zum

Einsatz kommen Hochtem-

peraturfette auf Lithiumseifen-

Basis; deren Qualitäten sind in

der Betriebsanleitung definiert.

3.9Kühlung

Das primäre Kühlmittel in den

Motoren ist Luft. Sie wird im

Inneren durch die an beiden

Kurzschlussringen des Läufers

angebrachten Lüfterflügel in

einem geschlossenen System

bewegt und gibt die Motorver-

lustwärme über das Gehäuse

an das Wasser als sekundäres

Kühlmittel ab. Die Code-Be-

zeichnung gemäß EN 60034-6

lautet: IC 4 A 1 W 8

41

3.10Überwachungs-einrichtungen

Überstromschutz

Der Motor ist gegen Über-

lastung durch ein thermisch

verzögertes Überstromrelais

nach DIN VDE 0660/ IEC 947

zu schützen (Bild 3.5). Das

Relais ist auf den Motor-

Bemessungsstrom einzustellen,

der auf dem Typenschild

angegeben ist (s. Abschnitt

‚Typenschild’, in den Projekt-

unterlagen bzw. auf Anfrage).

Stillstandsheizung

Für die Motoren der KRT-

Tauchmotorpumpen sind keine

Stillstandsheizungen erford-

erlich (s.a. Abschnitt ‚Motor-

Feuchtschutz-Überwachung’).

Durch die druckwasserdichte

Ausführung kann es im Motor

keine Kondensatbildung geben.

Eine eventuelle Restluftfeuchte

aus der Montage wird mit Sili-

cagel-Trockenpacks gebunden.

Sensorik im Motorpumpen-

aggregat

Wicklungstemperatur-

Überwachung ohne Ex-Schutz

(Aufstellart S und P / nass)

Die Wicklung des KRT-Motors

wird durch einen Temperatur-

überwachungskreis geschützt.

Als Temperaturwächter dienen

dabei je nach Motorgröße zwei

in Reihe geschaltete Bimetall-

Schalter bzw. drei in Reihe

geschaltete Kaltleiter (PTC);

sie schalten die Pumpe beim

Erreichen der zulässigen

Wicklungstemperatur ab und

nach dem Abkühlen selbsttätig

wieder ein. Dies erfordert, dass

sie direkt in den Steuerstrom-

kreis des Motorschützes

geschaltet sind.

Wicklungstemperatur-

Überwachung mit Ex-Schutz

(Aufstellart S und P / nass)

Der explosionsgeschützte KRT-

Motor muss durch zwei unab-

hängige Temperatursensoren in

der Wicklung überwacht werden.

- Als Temperaturwächter

dienen zwei in Reihe geschaltete

Bimetall-Schalter; sie schalten

die Pumpe beim Erreichen der

maximal zulässigen Wicklungs-

temperatur ab und nach dem

Abkühlen selbsttätig wieder ein.

Die Bimetall-Schalter schützen

die Motoren vor Überlastung

und Trockenlauf

- Zusätzlich sind als Tempera-

turbegrenzer weitere drei in

Reihe geschaltete PTC-Kalt-

leiter mit 20 Kelvin höherer

Schalttemperatur eingebaut;

diese schalten die Pumpe beim

eventuellen Versagen der Tem-

peraturwächter ab, bevor die

für den Ex-Schutz zulässigen

Grenztemperaturen an der Ober-

fläche des Motorgehäuses über-

schritten werden.

Allgemeine Motorbeschreibung 3

42

Ihr Anschluß und ordnungs-

gemäße Funktion ist für ex-

plosionsgeschützte KRT-

Pumpen zwingend vorge-

schrieben. Eine automatische

Wiedereinschaltung ist hier

nicht zulässig. Dies erfordert im

Steuerkreis des Motorschützes

ein handelsübliches Thermistor-

auslösegerät mit Wiederein-

schaltsperre.

Wicklungstemperatur-Über-

wachung für trocken betreib-

bare Tauchmotorpumpen

(Aufstellart K und D) erfolgt

ausschließlich mit PTC.

Motor-Feuchtschutz-

Überwachung

Zur Überwachung des Motor-

raumes auf Dichtheit dient eine

eingebaute konduktive Sonde

als Feuchtigkeitsfühler. Über

diese fließt bei Feuchtigkeits-

eintritt ein Fehlerstrom zum

Gehäusepotential (Schutzleiter).

Zur Auswertung des Sensors

können handelsübliche Elektro-

denrelais verwendet werden, die

beim Unterschreiten eines

Elektrodenwiderstandes von 6

kΩ Alarm auslösen. Bei kleinen

Pumpen kann die Überwachung

alternativ mit einem handels-

üblichen 30 mA FI-Schutz-

schalter erfolgen.

Temperaturüberwachung

der Lager

Die Temperaturüberwachung

von Motorlagern ist in Abhäng-

igkeit der Motorgröße möglich:

- Motorleistung > 30 kW:

pumpenseitiges Festlager

optional

- Motorleistung > 60 kW:

pumpenseitiges Festlager

Standard, motorseitiges

Loslager optional.

Die Lager sind durch je einen

Temperaturüberwachungskreis

geschützt (Tab. 3.2). Als

Temperaturwächter dienen

dabei im Lagergehäuse einge-

baute Temperaturfühler PT

100, die ihren Widerstand

proportional mit der Tem-

peratur ändern.

Berechnungsformel:

Gleitringdichtungs-Überwachung

Die Gleitringdichtungs-Über-

wachung ist Standard bei

Motorleistungen > 60 kW. Zur

Überwachung der Gleitring-

dichtung dient ein eingebauter

Schwimmerschalter (Öffner),

dessen Kontakt bei einem

Wassereinbruch in die Leckage-

kammer infolge defekter Gleit-

ringdichtungen öffnet. Dadurch

kann ein Alarmsignal oder das

Ausschalten des Motors

bewirkt werden. Der Öffner-

kontakt kann mit maximal 250

V Wechselspannung / 1,5 A

belastet werden.

Überwachung der

Schwinggeschwindigkeit

Motoren mit einer Leistung

über 60 kW können optional

am oberen Lager mit einem

Sensor zur Überwachung der

effektiven Schwinggeschwin-

digkeit ausgerüstet werden. Der

Sensor liefert ein analoges 4 –

20 mA-Messsignal. Zur Versor-

gung des Sensors ist eine Gleich-

spannung von 15 bis 32 V

notwendig.

Für KSB-Tauchmotorpumpen

mit Mehrkanalrad (K-Rad)

gelten die Grenzwerte gemäß

Tab. 3.3.

Bei Tauchmotorpumpen mit

Einkanalrad (E-Rad) können

durch eine betriebspunkt-

abhängige hydraulische

Unwucht höhere Schwing-

geschwindigkeiten bis 17 mm/s

auftreten. Pumpen mit dieser

Option erhalten grundsätzlich

eine geschirmte Steuerleitung.

Allgemeine Motorbeschreibung

R = 100 Ω · 1 + 0.00383 ·T

°C( )(17)

1 1,2

10

100

1000

10000

10l / l Bemessung

2h

Ausl

ösez

eit i

n Se

kund

en

Bild 3.5: Auslösekennlinie für

thermisch verzögerte Überstrom-

auslöser der Klasse 10 nach

EN 60947-6-2

3

Im Anhang vergrößert

43

20°C 107.7 Ω Test

110°C 142.1 Ω Warnung

130°C 149.8 Ω Stopp

Sonderschmiermittel

130°C 149.8 Ω Warnung

150°C 157.0 Ω Stopp

Tabelle 3.2 : Temperaturüberwachung der Lager.

Vrms Vrms Vpeak Ausgangsstrom Kommentar

mm/s inch/s inch/s mA

0 0,00 0,00 4,0 Sensor min.

9 0,35 0,50 11,2 weniger ist besser

11 0,43 0,61 12,8 Alarm

14 0,55 0,78 15,2 Stopp

20 0,79 1,11 20,0 Sensor max.

Tabelle 3.3 : Grenzwerte der Schwinggeschwindigkeit für Tauchmotorpumpen mit Mehrkanalrad.

(s.a. EUROPUMP-Leitfaden / Schwingungen bei Kreiselpumpen

Tabelle A.1 / elastische Aufstellung, vertikal)

Allgemeine Motorbeschreibung 3

44

Allgemeine Motorbeschreibung

Thermische Motorüberwachung

Kurzbeschreibung der Sensorik

Anschluss bei Motorleistungen bis 4 kW

(nur bei Taumotorpumpen vom Typ "Amarex N")

Sensorik bei Motorleistungen > 4 kW

(Aufstellvarianten S und P)

Bi-Metall Bi-Metall

20 21 22

21 22

Bi-Metall

10 11

PTC

Bi-Metall-Schalter• TemperaturempfindlicherMiniaturkontakt• EingeklebtindieMotorwicklung• PotentialfreierÖffner;250V~;2A

Geschlossen Temperatur O.K.offen Temperatur zu hoch

PTC Thermistor• TemperaturabhängigerHalbleiterwiderstandmit positiven Temperaturkoeffizient• eingeklebtindieMotorwicklung•max.Spannung30V

R < 1250 Ω Temperator O.K.R > 4000 Ω Temperatur zu hoch

20 21

21 22

10 11

3.11Anschluss und Beschreibung

der Überwachungseinrichtungen

20 21

21 22

20 21

21 22

Motorversion U / WAnschluss direkt in den Steuerstromkreis

wird nicht benötigt, auf Leerklemme anschließen

Motorversion YAtex

Anschluss direkt in den Steuerstromkreis

Anschluss über Thermistor-Auslösegerät mit Wiedereinschaltsperre

20 21

10 11

20 21

10 11

Motorversion U / W / UN / WNAnschluss direkt an den Steuerstromkreis

wird nicht benötigt, auf Leerklemme anschließen

Motorversion X / Y / XNAtex

Anschluss direkt in den Steuerstromkreis

Anschluss über Thermistor-Auslösegerät mit Wiedereinschaltsperre

3

45

Allgemeine Motorbeschreibung

Anschluss Motorleistungen > 30

kW (Aufstellvarianten K und D)

Überwachung durch

Feuchtschutz-Elektrode (im

Motorraum)

Kurzbeschreibung der Sensorik

Anschluss für alle Motortypen

9

Feuchtschutz-Elektrode

M 3

10 11

10 11

9 MPLeckagesensorkonduktive Sondeangeschraubt am unteren Lagerträger bei Motoren >65 kW zusätzlich am oberen Lagerträger

Sensorspannung muss Wechselspannung sein, um Bildung von Isolierschichten zu verhindern.max. Spannung 250 V

Auslösung soll bei einem Ableitwiderstand von ca. 6 kΩ erfolgen.

Motorversion U / X / Y / W / UN / XN / WNmit und ohne Atex

Anschluss an ein Elektrodenrelais mit folgenden Parametern

Fühlerkreis 10 - 30 V~Auslösestrom 0,5 - 3 mA

Motorversion UNAnschluss über Thermistor-Auslösegerät mit Wiedereinschaltsperre

Motorversion XNAtex

Anschluss über Thermistor-Auslösegerät mit Wiedereinschaltsperre

9 MP

10 11

PTC

3

46

Allgemeine Motorbeschreibung

Thermische Lagerüberwachung

Kurzbeschreibung der Sensorik

Anschluss bei Motorleistungen

> 30 kW

PT100 PT100

15 16 17

PT100 - Kugellager PT100 WiderstandsthermometerM8 Gewinde im Lagergehäuseanaloges, kontinuierliches Temperatursignalmax. Spannung 6 V

unteres Lager

oberes Lager (Motoren >65 kW - optional)

15 16

16 17

15 16

16 17

15 16

16 17

Motorversion U / X / Y / Wmit / ohne Atex

Anschluss an PT100-Schaltrelais mit folgenden Parametern

Vorwarntemperatur: 110°CAbschalttemperatur: 130°C

Motorversion UN / XN / WNmit / ohne Atex

Anschluss an PT100-Schaltrelais mit folgenden Parametern

Vorwarntemperatur: 130°CAbschalttemperatur: 150°C

3

47

Allgemeine Motorbeschreibung

Gleitringdichtungs-

überwachung durch

Schwimmerschalter

Kurzbeschreibung der Sensorik

Anschluss für alle Motortypen

3 4

Schwimmschalter

M 3

3 4Schwimmerschalterpotentialfreier Öffner; 250 V ~; 2 A

geschlossen Leckagekammer leer

offen Leckage, Gleitringdichtung überprüfen

Motorversion U / X / Y / W / UN / XN / WNmit und ohne Atex

Anschluss für Alarm bzw. Abschaltung

3 4

3

48

3.12Kraft- und Steuerleitung mit Leitungsdurchführung

Tauchmotorpumpen Amarex

KRT werden mit angebauten

flexiblen Leitungen für den

Einsatz im Schmutzwasser

ausgeliefert. Der Anschluss der

Leitungen erfolgt über spezielle

Leitungsdurchführungen, die

im Motor wie folgt

angeschlossen sind:

- bei Motorleistung < 60 kW

mit Steckkontakten oder

Crimpverbindung

- bei Motorleistung > 60 kW

mit Klemmbrett und

Kabelschuhen.

Leitungsdurchführung

Die Leitungsdurchführungen

sind bis 30 m absolut druck-

wasserdicht und mehrfach

sicher (Bild 3.7):

1. aufgrund der langen

Gummistopfbuchse

2. der Leitungsmantel ist zusätz-

lich in Gießharz eingegossen

3. die einzelnen Leitungsadern

sind abisoliert, verzinnt und

in Gießharz eingebettet.

Die Kraft- und Steuerleitungen

sind abwassertauglich und

mechanisch besonders stabil

ausgeführt. Abhängig von den

Einsatzbedingungen stehen

folgende Leitungstypen zur

Auswahl:

- S1BN8-F / Standard

- S07RC4N8-F / optional

geschirmte Ausführung

- Tefzel mit einem Leitungs-

mantel aus ETFE / optional

für chemisch aggressive

Medien

Leitungszahl und -querschnitte:

siehe Projektunterlagen, das

Motordatenblatt bzw. auf

Anfrage.

Vorteil:

Lange Lebensdauer des Motors

durch absolute Wasserdichtheit

(siehe auch Abschnitt ‚Wellen-

abdichtung’)

Für den dauerhaft sicheren

Betrieb von Tauchmotor-

pumpen und eine lange

Lebensdauer werden nur

hochwertige flexible Anschluss-

leitungen für den Unterwasser-

einsatz verwendet. KSB hat

dafür zusammen mit einem

namhaften Leitungshersteller

abwassertaugliche elektrische

Anschlussleitungen optimiert.

Allgemeine Motorbeschreibung

1 Lange Gummistopfbuchse2 äußere Kabelisolation3 einzelne Adern zusätzlich in Harz eingegossen4 einzelne Adern abisoliert, verzinnt und in Gießharz eingebettet

12

3 4

Bild 3.7: Leitungsdurchführung

einer KRT

3

3.13Elektrische Anschlussleitungen

49

Technische Daten

feindrähtige Kupferleiter

Klasse 5 nach DIN VDE 0295

EPR-Isolierung

Gummi-Innenmantel

Spezial-Gummi-Außenmantel

aus synthetischem Kautschuk

Farbe: schwarz

dauernd zulässige Leitertemperatur

zulässige Leitertemperatur bei Kurzschluss (bis 5 s)

Brennverhalten nach DIN EN 50265-2-1

UV-, wetter- und ozonbeständig

ölbeständig nach DIN VDE 0473-811-2-1, Teil 10

flexibel

Temperatur bei Verlegung und

Transport: -25 bis +80°C

0,6/1 kV: mit grün-gelber Ader

Einsatz in Wasser/kein Trinkwasser

Kurzbeschreibung

OZOFLEX (PLUS) Gummischlauch-

leitungen S1BN8-F wurden für KSB-

Standardpumpen sowie für explosions-

geschützte Pumpen entwickelt. Sie sind

bestimmt für den beweglichen Anschluss

von KSB-Tauchmotorpumpen bis zu

einen Leitungsquerschnitt von 50 mm².

Wegen der unterschiedlichen und auch

häufig wechselnden Zusammensetzung

des Schmutzwassers dürfen die

Leitungen nur in leicht zugänglichen

und kontrollierbaren Bereichen

eingesetzt werden.

Bei aggressivem Wasser oder Wasser

mit besonderer Zusammensetzung ist

die Beständigkeit der Leitung im

Einzelfall zu überprüfen.

Sie sind verwendbar in Innenräumen,

im Freien, in explosionsgefährdeten

Bereichen, in feuergefährdeten Betriebs-

stätten, in der Industrie, in gewerb-

lichen und landwirtschaftlichen

Betrieben.

Darüber hinaus gelten die allgemeinen

Festlegungen der DIN VDE 0298-300.

Aufbau in Anlehnung an

DIN VDE 0828-16

VDE-REG.NR. 7586

Allgemeine Motorbeschreibung

90°C

200°C

3

50

Allgemeine Motorbeschreibung

3.14Tefzel Leitung (TEHSITE)

Technische Daten

feindrähtige Kupferleiter

Klasse 5 nach DIN VDE 0295

TE400-Isolierung

Silikon- Innenmantel

TE-400-Außenmantel

Farbe: schwarz

dauernd zulässige Leitertemperatur

zulässige Leitertemperatur bei Kurzschluss (bis 5 s)

Brennverhalten nach DIN EN 50265-2-1

UV-, wetter- und ozonbeständig

ölbeständig / allgemeine chemische Beständigkeit

flexibel

450/750 V: mit grün-gelber Ader

Einsatz in Wasser/kein Trinkwasser

Kurzbeschreibung

TEHESITE-Schlauchleitungen

(TEFZEL) sind hitzebeständige und

chemisch beständige Leitungen. Sie

sind bestimmt für den beweglichen

Anschluss von KSB-Tauchmotor-

pumpen, wenn die Fördermittel- und/

oder Umgebungstemperatur 60°C

übersteigt bzw. wenn eine hohe

chemische Beständigkeit gefordert ist.

Der Verwendungsbereich ist in einem

VDE-Gutachten vom 30.11.1983 mit

einem Nachtrag vom 14.10.1987

festgelegt.

Bedingt durch den Aufbau und die

verwendeten Materialien hat die

TEHESITE-Leitung eine geringere

Flexibilität als Gummischlauch-

leitungen

Darüber hinaus gelten die allgemeinen

Festlegungen der DIN VDE 0298-300.

Aufbau in Anlehnung an DIN VDE

0828-16

135°C

270°C

3

51

Allgemeine Motorbeschreibung

3.15geschirmte Gummischlauchleitung

Technische Daten

Feindrähtige Kupferleiter

Klasse 5 nach DIN VDE 0295

EPR Isolierung

Gummi-Innenantel

Schirmgeflecht aus verzinnten

Kupferdrähten

Spezial-Gummi-Außenmantel

aus synthetischen Kautschuk

Farbe: schwarz

Zulässige Leitertemperatur

Zulässige Leitertemp. bei Kurz-schluss (bis 5 s)

Brennverhalten nach DIN EN 60332-1-2

UV-, Wetter- und ozonbeständig

Ölbeständig nach DIN EN 60811-2-1

flexibel

Temp. bei Verlegung und Transport: -25 bis +80°C

450 / 750 V: mit grün-gelber Ader

Einsatz im Wasser/kein TrinkwasserDIN VDE 0282-16 HD 22.16

Kurzbeschreibung

OZOFLEX (FC+) Gummi-

schlauchleitungen S07RC4N8-F

wurden für den beweglichen An-

schluss von Tauchmotorpumpen an

Frequenzumrichter entwickelt. Sie

erfüllen die Anforderungen der EMV-

Richtlinie und sind bis zu einen

Leitungsquerschnitt von 50 mm²

verfügbar.

Wegen der unterschiedlichen und auch

häufig wechselnden Zusammensetzung

des Schmutz-Wassers dürfen die

Leitungen nur in leicht zugänglichen

und kontrollierbaren Bereichen

eingesetzt werden.

Bei aggressivem Wasser oder Wasser

mit besonderer Zusammensetzung ist

die Beständigkeit der Leitung im

Einzelfall zu überprüfen.

Sie sind verwendbar in Innenräumen,

im Freien, in explosionsgefährdeten

Bereichen, in feuergefährdeten

Betriebsstätten, in der Industrie, in

gewerblichen und landwirtschaftlichen

Betrieben.

Darüber hinaus gelten die allgemeinen

Festlegungen in DIN VDE 0298-300.

Aufbau in Anlehnung nach DIN VDE

0282 Teil 16

90°C

250°C

3

52

Rohrleitungen und Armaturen

3.16Qualitätssicherung und

Prüfprotokolle

Standard-Stückprüfung

Die Standard-Stückprüfungen

der KRT-Motoren werden nach

KSB-Werknormen durchgeführt.

Dazu gehören:

- Wicklungswiderstandsprüfung

- Isolationsmessung

- Hochspannungsprüfung der

Wicklung

- Schutzleiterprüfung

- Prüfung der Überwachungs-

einrichtungen

- Leerlaufstrom

- Drehrichtungskontrolle.

Einmalige Typprüfung

Nachstehende Prüfungen werden

als Typtest einmalig pro Motor-

typ nach Werknorm zusätzlich

zu den beschriebenen Stückprü-

fungen durchgeführt:

- Messung der Wicklungs-

widerstände

- Erwärmungsprüfung des

Motors gemäß DIN EN 60 034

- Kurzschlussmessung zur

Ermittlung des Anfahr-

stromes bei reduzierter

Spannung (alternativ

Direkteinschaltung mit

oszillographischer Messung)

- Ermittlung des Wirkungs-

grades nach dem Einzelver-

lustverfahren gemäß DIN

EN 60 034.

Optional können zur Pumpe so

genannte 2.2-Zeugnisse von

einem baugleichen Motor

geliefert werden.

3

53

Rohrleitungen und Armaturen

4. Rohrleitungen und Armaturen

Vorbemerkungen

Voraussetzung für den störungs-

freien Betrieb, die fachgerechte

Montage und Wartung sowie

hohe Verfügbarkeit von tech-

nischem Equipment ist eine

detaillierte Planung. Dies trifft

auch für die Rohrleitungen und

Armaturen innerhalb und

außerhalb einer Pumpstation

bzw. Pumpenanlage zu.

Die Druckleitungen transpor-

tieren das Fördermedium von der

Pumpe zum Förderziel.

Pumpe und Druckleitung sind

dabei als technisch-hydraulische

Einheit anzusehen. Die graph-

ische Darstellung erfolgt als

Pumpenkennlinie und Anlagen-

kennlinie, auch als Rohrlei-

tungskennlinie bezeichnet.

Nachfolgend bezeichnen wir die

Rohrleitungen in der Pumpen-

anlage als innere Rohrleitungen.

Die Druckrohrleitungen außer-

halb der Pumpenanlage bis zur

Auslaufstelle sind analog die

äußeren Druckrohrleitungen.

Die inneren Rohrleitungen einer

Pumpstation bestehen grund-

sätzlich aus den Saug- und den

Druckleitungen. Da es sich bei

den KRT- Pumpen um

Abwassertauchmotorpumpen

handelt, die in der Regel in

stationärer Nassaufstellung ein-

gesetzt werden, entfallen hier

die Saugleitungen.

Die äußeren Druckrohrleitungen

werden in der Praxis auch als

Abwasserdruckleitungen (ADL)

oder Transportleitungen

bezeichnet. Sie werden meist

frostfrei im Erdreich verlegt. Bei

der Planung ist darauf zu achten,

dass im Verlauf der ADL

extreme Hoch- und Tiefpunkte,

wenn möglich zu vermeiden

sind. Kann das aufgrund von

Zwangspunkten nicht gewähr-

leisten werden, sind zusätzliche

technische Maßnahmen vor-

zusehen, beispielsweise Spül-

anschlüsse und Entleerungen an

Tiefpunkten sowie Be- und

Entlüftungsventilen an Hoch-

punkten.

Um das sichere Fördern von

kommunalem Abwasser zu

gewährleisten, wird ein freier

Durchgang von 100 mm für das

Pumpenlaufrad wie auch für die

Armaturen und die Druck-

leitung empfohlen.

Eine lichte Weite der Rohrlei-

tungen von 80 mm sollte nicht

unterschritten werden.

4.1Planung der Rohrleitungsanlage

4.1.1 Rohrleitungen

4.1.1.1 Dimensionierung

Die Ausgangsparameter für die

Rohrleitungs-Dimensionierung

sind:

•Durchflussmenge

•Betriebsdruck

Die Rohrleitungs- Dimension-

ierung bzw. Berechnung der

lichten Weite (Nennweite) ist

abhängig von der

•Strömungsgeschwindigkeit.

Aus Festlegung der Nennweite

ergibt sich für den zu planenden

Durchfluss

•derDruckverlustbzw.

Rohrreibungsverlust

•dieVerlusthöheder

Rohrleitung

Aus geodätischer Höhe +

Verlusthöhe = manometrische

Förderhöhe wird dann der

•Betriebsdruckbestimmt.

Aus einer Druckstoßberechnung

ergeben sich erforderlichenfalls

zusätzliche Ansätze für Betriebs-

druck, Nenndruck und rohrsta-

tischen Bemessungen der Rohr-

leitungen (siehe weiter unten im

entsprechenden Abschnitt).

4

54

Rohrleitungen und Armaturen

Nachfolgend soll auf die

Auslegungsparameter näher

eingegangen werden.

Festlegung von

Strömungsgeschwindigkeit und

Auslegung der Nennweite

Ausgehend von der benötigten

bzw. geplanten Durchfluss-

menge ist die Nennweite der

Rohrleitung direkt abhängig

von der Strömungsgeschwin-

digkeit. In Abhängigkeit der

Strömungsgeschwindigkeit

ergeben sich dann die

Rohrreibungsverluste.

Unter wirtschaftlichen

Aspekten (Investitions- und

Betriebskosten) sind die

Strömungsgeschwindigkeiten

und damit die Nennweiten der

Rohrleitungen festzulegen,

wobei die nachfolgenden

Aspekte zu beachten sind.

Das Unterschreiten von

Mindest-Strömungsgeschwin-

digkeiten kann Betriebsstö-

rungen (Verstopfungen etc.) zur

Folge haben.

Das Überschreiten von Strö-

mungsgeschwindigkeiten kann

ebenfalls zu Betriebsstörungen

führen und erzeugt hohe Rohr-

reibungsverluste mit unnötigem

Energiebedarf.

Nennweite / lichte Weite

der Rohrleitung

Die Nennweite der Druckrohr-

leitung wird in Abhängigkeit des

maximalen vorgesehenen Förder-

stromes, der Rohrleitungslänge

und des Fördermediums unter

Beachtung der vorgenannten

Richtwerte ermittelt.

Durch eine Wirtschaftlichkeits-

berechnung ist die optimale

Nennweite zu bestimmen, d.h.

den Investitionskosten sind die

Betriebskosten und hier speziell

die Energiekosten gegenüberzu-

stellen. Kleine Nennweiten mit

hohen Strömungsgeschwindig-

keiten bedeuten bei längeren

Leitungen hohe Strömungsver-

luste, die den Einsatz von

Pumpen mit größerer Förderhöhe

und größerem Energiebedarf

erfordern (Bild 4.1.1.1a).

Die Rohrleitungen sollten in der

Nennweite mindestens gleich

oder größer der Nennweite des

Pumpenanschlusses ausgeführt

werden.

Bei kleinen Pumpwerken sind die

Pumpen nicht nur nach dem Zu-

fluss zu dimensionieren; es sind

auch die Verstopfungsunempfind-

lichkeit und die Mindestge-

schwindigkeit maßgebend zu

berücksichtigen.

Wird die empfohlene Strömungs-

geschwindigkeit in der vertikalen

Druckleitung bei diesen Pump-

werken nicht erreicht, sollte man

vorbeugende Maßnahmen für

den Fall einer möglichen

Verstopfung ergreifen (z.B. ein

Spülanschluss).

Ein Sonderfall ist die Entwässe-

rung einzelner Liegenschaften

(z.B. bei der „Druckentwässe-

rung“), die an eine zentrale Ab-

wasseranlage angeschlossen

werden sollen. Hier kann beim

Einsatz von Pumpen mit Schneid-

einrichtung die Rohrleitung mit

entsprechend kleinerer Weite

dimensioniert werden.

Strömungsgeschwindig-

keiten

Vergleicht man Trinkwasser-

und Abwasserleitungen, stellen

diese insofern eine Besonderheit

dar, als Abwasserleitungen Bei-

mengungen unterschiedlichster

Art und Zusammensetzung wie

Fasern, mineralische Feststoffe

unterschiedlicher Größe (Sand,

Streugut und Steine), sowie

organische Verunreinigungen

sicher mittransportieren müssen.

Bild 4.1.1.1a: Kostenstruktur für Bau und Betrieb einer Rohrleitung

Kost

en

Durchmesserder Rohrleitung

Investitionskostender Rohrleitung

Energiekosten

Gesamtkostenkosten

4

Im Anhang vergrößert

55

Rohrleitungen und Armaturen

Um dies zu gewährleisten ist

das Einhalten von Mindestströ-

mungsgeschwindigkeiten er-

forderlich. Randbedingungen

sind dabei:

•unterschiedlicheFließge-

schwindigkeiten für vertikale

und horizontale Rohrleitungen

•derausgeführteRohrleitungs-

innendurchmesser, wobei

größere Durchmesser auch

größere Fließgeschwindigkeiten

erfordern

•Zusammensetzungdes

Fördermediums (Bewertung

Faseranteil, Feststoffanteil und

Korngröße)

•BetriebsweisederRohrleitung

(diskontinuierlich oder

kontinuierlich)

•GesamtlängederRohrleitung

KSB hat an der TU Berlin

entsprechende Versuche zur

Mitförderung von Abwasser-

bestandteilen durchgeführt. Die

Ergebnisse sind im Bild 4.1.1.1b

Diagramm Mindestströmungs-

geschwindigkeiten dokumen-

tiert, wobei der Nennweiten-

bereich DN 100 bis DN 250

detaillierter untersucht wurde

und die Nennweitenbereiche

DN 500 bis DN 1000 extar-

poliert wurden. Die Beimeng-

ungen entsprechen den üblicher-

weise anzutreffenden Abwasser-

bzw. Schmutzwasserbestand-

teilen, wie Fasern, Kies 0/4, Kies

16/32 und Granitschotter 2/5.

Druckstoßuntersuchungen

In Wasserversorgungs- und

Abwassersystemen führt jede

Änderung des Betriebszustandes

zu dynamischen Druck- und

Durchflussänderungen. Diese

instationären Vorgänge in

Rohrleitungssystemen bei

Wassergewinnungs-, Aufberei-

tungs-, Transport- und Vertei-

lungsanlagen müssen bei der

Planung der Anlage beachtet

und untersucht werden, da sie

die Ursache für erhebliche

Schäden an den Rohrleitungen,

Armaturen oder anderen

Einbauten sein können. Die

Ursachen für die instationären

Betriebszustände sind vielfältig

und grundsätzlich unvermeid-

bar. Sie entstehen z.B. durch

Pumpenausfall, Pumpenstart,

Pumpenstop, Zuschalten oder

Abschalten von Pumpen zu

laufenden Pumpen, drehzahlge-

regelte Pumpen, schließende,

öffnende oder regelnde

Armaturen, druckmindernde

Armaturen etc.

Auf Grund der Komplexität der

Druckstoßproblematik sollte

vermieden werden, mit den

zahlreich existierenden

Näherungsverfahren Berech-

nungen durchzuführen, da diese

in ihrem Gültigkeitsbereich eng

begrenzt sind und damit keine

uneingeschränkte Gültigkeit

besitzen. Die Anwendung

außerhalb ihres Gültigkeits-

bereichs kann zu erheblichen

Fehlbemessungen führen.

In diesem Zusammenhang

verweisen wir auf das DVGW-

Regelwerk, Technische Regel,

Arbeitsblatt W 303 „Dyna-

mische Druckänderungen in

Wasserversorgungsanlagen“

sowie auf den KSB-Know-How-

Band 1 „Der Druckstoß“.

Es ist zu empfehlen, ausge-

wiesene Fachleute zur Begut-

achtung der Druckstoßproble-

matik und zur Festlegung von

Maßnahmen zu Rate zu ziehen.

0

1

2

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

horizontal

vertikal

2,4

1,4

Strö

mun

gsge

schw

indi

gkei

t

m/s

DN (mm)

Bild 4.1.1.1b: Mindestströmungs-geschwindigkeiten

4

Im Anhang vergrößert

56

Rohrleitungen und Armaturen

Rohrstatische

Berechnung

Die Rohrleitungen müssen den

auf das System wirkenden

Innen- und Außendruck

dauerhaft und schadlos auf-

nehmen können. Dazu gehören,

wenn keine anderen Sicherungs-

maßnahmen getroffen werden,

auch die Drücke transienter

Vorgänge (z.B. Druckstoß).

Für die Berechnung der

erforderlichen Rohrleitungs-

wandstärke sind die erforder-

liche Druckstufe, die äußeren

Belastungen und der Werkstoff

maßgebend.

Für das konkrete Projekt ist die

Notwendigkeit der Erstellung

einer „Rohrstatischen Berech-

nung“ zu prüfen.

Bestandteil der rohrstatischen

Berechnungen sind Berech-

nungen der:

- Primärlasten (Innendruck,

Gewichte des Rohrs, den

Armaturen, der Wasserfüllung)

- Sekundärlasten (Spannungen

bzw. Kräfte ergeben sich aus

Differenzen zwischen

minimaler und maximaler

Temperatur unter Ansatz der

Montagetemperatur)

- Gelegentliche Lasten (wie

zum Beispiel Wind, Eis,

Schnee)

- Dynamische Belastungen

- Spannungsanalyse

- Schwingungsverhalten

(Darstellung von Erreger- und

Eigenfrequenzen)

- Standsicherheit für

Erdbebenfälle

Ergebnisse dieser Berechnungen

sind u.a.:

- erforderliche Rohrwanddicke

für den gewählten Werkstoff

- Kraft- und Momentangaben

für die Bauwerks- bzw.

Tragwerksplanung (für

Mauerdurchführungen,

Fundamente und andere

Befestigungspunkte)

- Festlegung von Art (Festlager,

Gleitlager, Führungen) und

Position der Rohrleitungs-

halterungen

- Kraft- und Momentangaben

für Rohrleitungshalterungen

(Lagerbelastungen für Fest-

lager, Gleitlager, Führungen)

- konstruktive Vorgaben für die

Rohrleitungshalterungen

(Auslegung der Festlager,

Gleitlager, Führungen)

Hinweise:

Belastungen (Kräfte und

Momente) aus den Sekundär-

lasten, dem „Temperatur-

lastfall“, sind oft größer als die

Kräfte aus den Primärlasten

(Gewicht und Druck) -, insbe-

sondere dann, wenn die Leitung

steif zwischen zwei Festpunkten

eingespannt ist. So können oft

zulässige Krafteinträge in Bau-

werksteile (z.B. an Wanddurch-

führungen) überschritten werden,

was zusätzliche Maßnahmen

erforderlich macht.

Durch den Einsatz von Dehn-

stücken oder Kompensatoren

kann Abhilfe geschaffen

werden.

Mit dem Rohrleitungsverlauf

kann aber auch auf die Span-

nungen und Kräfte Einfluss

genommen werden. Während in

einem geraden Rohrleitungs-

verlauf zwischen zwei Wand-

durchführungen die Rohr-

leitung nicht „ausweichen“

kann, können Rohrleitungen

mit winkligem Verlauf

„auslenken“, so dass wesentlich

kleinere Spannungen und

Kräfte entstehen. Hier ist

natürlich auf den richtigen

Einsatz von Gleit- und Fest-

lagern sowie Führungen zu

achten.

4.1.1.2 Rohrleitungsführung

Innere Rohrleitungen

Zur Befestigung der Abwasser-

tauchmotorpumpe im Pumpen-

sumpf dienen die Aufstellungs-

teile, bestehend aus dem Fuß-

krümmer, der Führungsein-

richtung (Seil- oder Stangen-

führung) und der Kette bzw.

dem Seil.

4

57

Rohrleitungen und Armaturen

Auf dem Fußkrümmer, der auf

dem Pumpensumpfboden

befestigt wird, wird die Druck-

leitung montiert. Die Druck-

leitung besteht aus der vertikalen

Steigleitung und der abgehenden

horizontalen Druckleitung.

Befinden sich im Pumpwerk

mehrere Pumpen mit gleichem

Förderziel, so besitzt jede Pumpe

eine Einzeldruckleitung, die bei

größeren Leitungslängen

mindestens zu einer Sammel-

druckleitung vereinigt werden.

Die vom Pumpwerk abgehende

Druckrohrleitung sollte bis zum

Auslauf (Ende) steigend verlegt

werden. Ist aufgrund der topo-

grafischen Verhältnisse der

Verlauf der Rohrleitung deutlich

durch Hoch- und Tiefpunkte

gekennzeichnet, ist die Bildung

von Luftansammlungen an den

Hochpunkten, bzw. Sedimen-

tation an den Tiefpunkten

möglich. Hier ist eine Überprü-

fung der Strömungsgeschwin-

digkeit erforderlich.

Luftansammlungen führen zur

Steigerung der Druckverluste.

Damit reduziert sich u.U. der

Pumpenvolumenstrom und die

Frage einer möglichen Selbst-

entlüftung rückt verstärkt in den

Vordergrund. Ist die Selbstent-

lüftung nur eingeschränkt oder

nicht gegeben, sind Be- und

Entlüfter an den Hochpunkten

und Entleerungs-, sowie Spülan-

schlüsse an den Tiefpunkten vor-

zusehen. Darüber hinaus sind die

Be- und Entlüfter als Unterdruck-

brecher wirksam, wenn eine

nicht erwünschte bzw. nicht

kalkulierte Syphonwirkung

einsetzen sollte.

Die Anordnung der Armaturen

erfolgt entweder im Pumpen-

schacht vertikal in den Steig-

leitungen, oder in einem

separaten Armaturenschacht

horizontal.

Bei Einbau der Armaturen in den

Steigleitungen sollte dies im

oberen Bereich des Schachtbau-

werkes erfolgen. Vorteil: Die

Armaturen sind besser zugäng-

lich, und die mögliche Feststoff-

ablagerung auf dem Rückfluss-

verhinderer ist geringer. Bei

einem tieferen Einbau ist ein

Mindestabstand zum Fuß-

krümmer zu beachten, da sonst

durch Lufteinschlüsse Anlauf-

schwierigkeiten bei der Pumpe

nicht auszuschließen sind.

Beim Einbau der Absperrarma-

turen ist darauf zu achten, dass

die Stellung der Bedienungs-

elemente (z.B. Handrad) nicht

das Ziehen der Pumpen

behindert.

Steigleitungen über der Rück-

schlagklappe sollten wegen

möglicher Feststoffablagerungen

unter Beachtung der örtlichen

Gegebenheiten möglichst kurz

gehalten werden. Die Einbindung

der Steigleitungen in eine

Sammeldruckleitung muss

immer horizontal erfolgen. Die

Einbindungen sollten möglichst

strömungsgünstig gestaltet

werden. Unter Beachtung der

örtlichen Verhältnisse können

dazu u.a. Sattelstutzen, Ein-

schweißbogen, Hosenrohre und

die Realisierung von Einbinde-

winkeln dienen (Bild 4.1.1.2c).

Bild 4.1.1.2b: Armaturenraum

Bild 4.1.1.2c: Einbindung der

Einzeldruckleitung in

Fließrichtung

4

Bild 4.1.1.2a: Armaturenschacht

58

Rohrleitungen und Armaturen

Sind Querschnittserweiterungen

erforderlich, sollten Erweite-

rungen (werden im Rohr-

leitungsbau als „Reduzierung“

bezeichnet) mit möglichst

kleinem Öffnungswinkel

gewählt werden. Für Erweite-

rungen in der Steigleitung sind

exzentrische Reduzierungen

einzusetzen, damit es durch

Rohrleitungseinbauten nicht zur

Behinderung beim Ziehen der

Pumpe kommt.

Die Wanddurchführung der

abgehenden Druckleitung im

Bauwerk erfolgt, wenn eine

absolute Dichtung erforderlich

ist, durch ein Mauerflanschrohr

oder durch eine elastische

Mauerdurchführung.

Beim Abdichten mittels Ring-

raumdichtung ist darauf zu

achten, dass die Rohrleitung in

der Öffnung richtig zentriert und

fixiert wird.

Zur einwandfreien Montage mit

spannungsfreien Anschlüssen,

dem möglichen Ausgleich von

Längentolleranzen, sowie der

Demontagemöglichkeit im

Reparaturfall sollten je nach

Erfordernis Pass- und Ausbau-

stücke oder Kompensatoren in

die Rohrleitungen eingebaut

werden. Durch geeignete An-

ordnung der Rohrleitung kann

meist erreicht werden, dass

Rohrbögen mit Flansch diese

Aufgabe mit übernehmen.

Unter Beachtung der Montage-

und Reparaturfähigkeit ist die

Anzahl der Flanschverbin-

dungen möglichst gering zu

halten. Auf erforderliche

Reparaturflanschverbindungen

und Flanschverbindungen zum

Einbau vorgefertigter Rohr-

leitungen ist zu achten.

Baustellenschweißungen sollten

auf ein Minimum beschränkt

bleiben.

Die Flanschverbindungen sind

entsprechend Fördermedium,

gewähltem Rohrmaterial und

dem maximalen Anlagendruck

auszulegen. Flachdichtungen ab

DN 200 sollten in der Aus-

führung mit Stahleinlage zur

Anwendung kommen. Bei

Einsatz von Verbindungs-

elementen aus Edelstahl sind

die Schraube in der Qualität

V2A und die Sechskantmuttern

in V4A einzusetzen.

Wenn die Platzverhältnisse es

nicht anders zulassen, ist die

Anordnung des Sammlers auch

außerhalb des Bauwerks

möglich. Aus Platz- und Bedien-

gründen kann die separate

Anordnung eines Schieberbau-

werkes (auch Armaturenraum

oder Armaturenschacht genannt)

sinnvoll sein (Bilder 4.1.1.2a + b).

Lassen sich Hochpunkte in der

Druckleitung des Pumpwerks

nicht vermeiden, so ist eine

Entlüftungsmöglichkeit vor-

zusehen. Bei Abwasseranlagen

sollte diese automatisch er-

folgen, da mit Ausgasungen

gerechnet werden muss.

Ist die externe Rohrleitung mit

Gefälle verlegt, sollte am

höchsten Punkt im Pumpwerk

ein automatisches Be- und

Entlüftungsventil als Vakuum-

brecher angeordnet sein.

Kommt es beim Ausschalten der

Pumpe zu einer Heberwirkung,

können Anlaufschwierigkeiten

der Pumpe durch Luftein-

schlüsse nicht ausgeschlossen

werden.

Im Bedarfsfall sind Entleerungs-

möglichkeiten und Spülan-

schlüsse (z.B. Stutzen, Kugel-

hahn und Storzkupplung mit

Blindkappe) vorzusehen.

Beim Einbau einer Pumpen-

anlage in ein offenes Bauwerk

(Becken) sind erforderlichenfalls

Frostschutzmaßnahmen zu

ergreifen.

4

59

Rohrleitungen und Armaturen

Äußere Rohrleitungen

Die äußeren Rohrleitungen sind

entsprechend den gesetzlichen

Bestimmungen und Empfeh-

lungen der Fachverbände (siehe

ATV Arbeitsblatt 134) auszu-

führen.

Markante Hochpunkte sind zu

entlüften. Luftpolster in den

Leitungen können zu Förder-

mengenreduzierungen und

Betriebsstörungen, wie Klappen-

schlag und Rohrleitungs-

schwingungen führen.

Besonderer Hinweis

Am Übergang zwischen innerer

und äußerer Rohrleitung,

gemeint ist die Stelle vor der

Außenwand der Pumpstation,

muss wegen der „Setzungs-

problematik“ die Anordnung

eines Rohrgelenkes geprüft

werden.

4.1.1.3 Rohrleitungsbefestigung / Halterung

Allgemein

Die Befestigung bzw. Halterung

von Rohrleitungen erfolgt mit:

- Rohrschellen als Doppelschelle

• mit Bodenstütze

• mit Wandkonsole

• mit Deckenabhängung

- Sattellager mit und ohne Rohr-

schelle

- Spezialkonstruktionen

Den rohrstatischen Gesicht-

punkten folgend sind die Halter-

ungen als Festlager oder Gleit-

lager auszuführen.

Befestigungen / Halterungen

in KRT- Pumpstationen

Die Steigleitungen werden direkt

und fest an die Fußkrümmer

angeschlossen. Der Fußkrümmer

wird als Festpunkt unter Beach-

tung der zulässigen Belastungen,

die vom Hersteller angegeben

werden, benutzt. Zur Aufnahme

des Rohrleitungsgewichtes sind

für diesen speziell höhere

zulässige vertikale Kräfte ausge-

wiesen. Im Normalfall kann der

Fußkrümmer das Rohrleitungs-

gewicht der Steigleitung auf-

nehmen.

Die zulässigen Kräfte und Mo-

mente dürfen auch im Betrieb

nicht überschritten werden.

Rohrleitungshalterungen sollten

in kurzen Abständen angeordnet

und besonders stabil ausgeführt

werden.

Durch die Befestigungen sollen

das Gewicht von Rohrleitung

und Fördermedium aufgenom-

men, unzulässige Belastungen

(Kräfte und Momente) an den

Anschlussstellen und unzulässige

Schwingungen vermieden

werden.

Durch das Laufrad der Abwas-

serpumpen mit wenigen Kanälen

wird ein Pulsieren der Strömung

verursacht. Erregerfrequenz =

Drehzahl x Schaufelzahl

Am kritischsten sind die hydrau-

lischen „Schwingungen“ bei

Einschaufelradpumpen.

Die Erregerfrequenzen betragen

bei 1500 1/min = 25 Hz bzw.

1000 1/min = 17 Hz.

Stahlleitungen haben oft Eigen-

frequenzen, die gerade in diesem

Frequenzbereich liegen.

4

60

Rohrleitungen und Armaturen

Durch die Pulsation im Volumen-

strom, wird die Druckleitung

der Pumpe zum Schwingen

angeregt. Dabei muss Resonanz

vermieden werden – sie tritt auf,

wenn die Erregerfrequenz der

Pumpe mit der Eigenfrequenz

der Rohrleitung übereinstimmt.

Im Resonanzfall entstehen maxi-

male Schwingungsamplituden,

auf die Lager wirken sehr hohe

Kräfte ein.

Um den Resonanzfall sicher

ausschließen zu können, ist es

zwingend erforderlich, dass sich

diese beiden Frequenzen unter-

scheiden. Der Mindestabstand

muss dabei größer als 10 % des

Wertes der Erregerfrequenz sein.

Eine Veränderung der Erreger-

frequenz (Drehzahländerung an

der Pumpe > 30 %) ist nur sehr

selten möglich. Das bedeutet,

dass die Eigenfrequenz der

Rohrleitung angepasst werden

muss.

Die Eigenfrequenz der Rohr-

leitung ist dabei abhängig:

•vonderMasseverteilungim

System (Armaturenposition,

Wandstärke, Material)

•vomHalterungskonzept

Entscheidenden Einfluss auf

die Eigenfrequenz hat das

Halterungskonzept. Ungünstige

Eigenfrequenzen können

verändert werden durch Umposi-

tionierung oder Einfügung

einzelner Lager (vorzugsweise in

der Nähe von Armaturen,

Ausläufen etc.…). Auch die

Positionierung großer Einzel-

massen (Armaturen) beeinflusst

die Eigenfrequenz .

Die genauen Lagerpositionen

mit den dazugehörigen Eigen-

frequenzen können ausschließ-

lich mit einer speziellen rohr-

statischen Berechnung bestimmt

werden.

In geringerem Maß kann die

Eigenfrequenz durch Variation

der Wandstärke verändert

werden. Größere Wandstärken

bewirken bei Rohrleitungen aus

gleichem Werkstoff (gleichem

Elastizitäts-Modul) und gleicher

Erregung höhere Eigenfrequenz-

Werte. Auf die Lager wirkende

Kräfte, die durch Schwingungen

ent-stehen, lassen sich mit einer

harmonischen Erregung

berechnen.

Die Bestimmung der Eigen-

frequenzen ist ausschließlich

durch eine rohrstatische

Berechnung möglich.

Die Rohrleitungshalterungen

sind robust auszuführen, um die

wirkenden Kräfte sicher ins

Bauwerk eingeleiten zu können.

4

61

Rohrleitungen und Armaturen

4.1.1.4Wanddurchführungen

Werden Rohrleitungen durch

Bauwerks-Innen- und -Außen-

wände geführt, sind Wand-

durchführungen einzusetzen.

Unterschieden wird zwischen:

Starren Durchführungen

Die Wanddurchführung mit

Mauerring als Mediumrohr

(Mauerrohr) ist die starre

Durchführung.

Diese Durchführung wirkt als

Festpunkt. Aus der rohrsta-

tischen Berechnung sind die

Kräfte an diesem Punkt zu

ermitteln und mit dem bau-

konstruktiv zulässigen Kraft-

eintrag abzugleichen.

Diese Wanddurchführung

können als zwei Bauarten zur

Anwendung kommen:

• Mauerrohr mit Enden zum

Anschweißen

• Mauerrohr mit Anschluss-

flanschen

Beim Einsatz von Mauerrohren

zum Anschweißen ist ein

„schalungsdurchdringender“

Einbau erforderlich. In speziellen

Fällen kann der nachträgliche

Einbau in einer Wandaussparung

erfolgen, die mit „Zweit-Beton“

zu vergießen ist. Diese Bauweise

bedarf einer baukonstruktiven

Detailabstimmung mit dem

Bauplaner.

Mauerrohre mit Anschluss-

flanschen können wandbündig

und vorstehend zur Ausführung

kommen.

Der wandbündige Einbau stellt

hohe Anforderungen an die

Maßhaltigkeit beim Einbau

zwischen Schalung und

Bewehrung.

Flexiblen Durchführungen

Eine flexible Durchführung

besteht aus Hülsrohr mit

Mauerring und dem durchge-

führten Mediumrohr.

Zur Abdichtung zwischen Hüls-

und Mediumrohr stehen im

Prinzip zwei Ausführungen zur

Verfügung

• Ringraumdichtungen

• Flansch-Flansch-

Quetschdichtungen

Statt des Hülsrohres kann auch

eine Kernbohrung in die Stahl-

betonwand eingebracht werden.

Bei größeren Nennweiten

kommen Kernbohrungen im All-

gemeinen nicht zur Anwendung.

Muss beim Einsatz von flexiblen

Durchführungen ein Axialschub

verhindert werden, ist an geeig-

neter Position vor der Wand-

durchführung ein Rohrlager /

eine Halterung als Festpunkt

(Axialschubsicherung)

vorzusehen.

4.1.1.5 Rohrleitungswerkstoffe

Innerhalb der Pumpstation

werden Rohrleitungen vor-

zugsweise in Stahl ausgeführt.

Unter dem Gesichtspunkt des

Korrosionsschutzes werden die

Stahlrohrleitungen dickwandig

ausgeführt, beschichtet (z.B.

feuerverzinkt oder mit An-

strichsystem) oder in Edelstahl

(Werkstoff- Nr. 1.4571 / V4A)

ausgeführt.

Bei Einsatz von Gussrohrlei-

tungen sind die Verfügbarkeit

speziell von Formstücken und

das Gewicht zu beachten.

Beim Einsatz anderer Werkstoffe,

wie z.B. Kunststoff speziell bei

Industrieabwässern, ist ein

besonderes Augenmerk auf die

ausreichende Rohrleitungsbe-

festigung sowie die separate

Unterstützung von Einbauteilen

wie Armaturen zu legen.

4

62

Rohrleitungen und Armaturen

Rohrleitungswerkstoffe der

inneren Verrohrung sind:

•Stahl(z.B.beschichtetoder

verzinkt)

•Edelstahl(z.B.1.4301oder

1.4571)

•PE-HD

•Guss(bituminiert;EKB-

beschichtet)

Außerhalb der Pumpstation

erfolgt die Werkstoffauswahl

unter Berücksichtigung ört-

licher Verhältnisse (Baugrund,

korrosive Beanspruchung), bau-

und rohrtechnischen Ausfüh-

rungskriterien und wirt-

schaftlichen Aspekten.

Rohrleitungswerkstoffe der

äußeren Verrohrung sind:

•Guss(bituminiert,EKB-

beschichtet, zementmörtel-

ausgekleidet)

•PE-HD

•GfK

•bituminierterStahl

•zementmörtelausgekleideter

Stahl

Beachtet werden muss ein tech-

nisch und maßlich passendes

Verbindungs- / Übergangsstück

zwischen innerer und äußerer

Verrohrung der Pumpstation.

4.1.1.6 Messanschlüsse an Rohrleitungen

An den Druckrohrleitungen,

meist den „Inneren“, ist der Ein-

bzw. Anbau von Messgeräten

entsprechend dem Über-

wachungs- und Steuerungs-

konzept erforderlich.

Direkter Einbau in die

Rohrleitung

In die Rohrleitungen direkt

werden im Allgemeinen nur

•InduktiveDurchflussmengen-

messgeräte (MID) eingebaut

Äußerer Anbau bzw. Einbindung

in die Rohrleitung

An den Rohrleitungen angebaut

werden Messungen für:

•Druck(mittelsManometer

oder Transmitter)

•Strömung(Strömungswächter

als Trockenlaufschutz)

•Temperatur(inAbwasser-

leitungen unüblich)

•Durchflussmessungmit

Ultraschallsensoren

Anmerkung

An dieser Stelle soll erwähnt

werden, dass für die Steuerung

einer Pumpenanlage zusätzliche

Messungen wie das Niveau im

Pumpensumpf, gegebenenfalls

noch an der Auslaufstelle, in der

Praxis zur Anwendung kommen,

jedoch nicht mit der Rohrleitungs-

anlage in Verbindung stehen.

Hinweise zur Einbaulage der

MID- Messstellen

Beim Einbau bzw. der

Anordnung von MID`s sind zu

beachten:

- ausreichende Vor- und Nach-

laufstrecken zur Strömungs-

beruhigung. Dazu sind die

Angaben der jeweiligen Her-

steller zu beachten.

- Einbaulage nach Vorgaben des

Herstellers. Z.B. Dükerung der

Rohrleitung zur Erzielung

einer Vollfüllung der Mess-

strecke für Geräte , die nicht

für Teilfüllung geeignet sind.

Hinweise zur Einbaulage der

Druckmessstellen, Strömungs-

wächter und Ultraschallmessung

Anschlüsse für Druckmessstellen

sollten immer seitlich am Rohr

auf der Höhe der Rohrachse

vorgenommen werden.

Außerdem ist darauf zu achten,

dass die Messstellen an Rohr-

abschnitten mit beruhigtem

Strömungsverlauf angebracht

werden. Anordnungen an

Reduzierungen bzw. Erwei-

terungen, Umlenkungen,

Einbauten etc. sind zu

vermeiden.

Ebenfalls zu vermeiden sind

Anordnungen auf der Rohr-

sohle und dem Rohrscheitel,

können doch Verschmutzungen

und Lufteinschlüsse das

Messergebnis verfälschen.

4

4.2 Auswahl der Armaturen

4.2.1Vorbemerkungen

Armaturen sind funktionaler

Bestandteil der Rohrleitungs-

anlage zur Realisierung des

Förderprozesses.

Es geht dabei im Wesentlichen

um diese Funktionen:

•AbsperrenundÖffnender

Rohrleitung

•Rückflussverhindern

•Durchflussregeln(proble-

matisch im Abwasser)

•Be-undEntlüftender

Rohrleitung.

Dafür stehen:

•Absperrschieber(Keilschieber,

Plattenschieber), Absperr-

klappen, Ventile

•Regelschieber(Kolben-

schieber, Blendenschieber,

Plattenschieber)

•Rückschlagklappen(mit

Hebel und Gewicht oder

innen liegender Welle),

Rückflussverhinderer (mit

Membransitz oder mit

Flügelklappen), Kugelrück-

schlagventile

•Be-undEntlüftungsventile

unter schiedlicher Bauarten.

von der Armaturindustrie zur

Verfügung

63

4.2.2 Auswahlkriterien

Folgende Kriterien sind im

Wesentlichen bei der Auswahl

einer Armatur zu beachten:

•Fördermedium

•EignungderBauartund

Funktion für das Förder-

medium

•WerkstoffeinEignungfürdas

Fördermedium

•NennweiteinAbhängigkeit

von Fließgeschwindigkeit und

sich ergebenden Verlusthöhen.

4.2.2.1 Fördermedien

Beim Fördermedium „Abwasser“

ergeben sich spezielle Einsatz-

bedingungen für die Abwasser-

arten

•Regenwasser

•mitRechenvorgereinigtes

Oberflächenwasser

•industriellesAbwasser

•Grauwasserohneverzopfende

Bestandteile

•häuslichesAbwassermit

verzopfenden Bestandteilen

•Frischschlamm

•Rücklaufschlamm

•Überschussschlamm

•sauberesAbwasserohne

Verschmutzungen

•Brauchwasser.

Es wird auf die Auswahl-Ta-

belle „Armaturenarten in Ab-

hängigkeit des Fördermediums“

verwiesen (Bild 4.2.3a).

4.2.2.2

Bauarten

Der Einsatz von Armaturen im

Abwasser verlangt besondere

Anforderungen an deren

konstruktive Ausführung.

Die Gründe dafür liegen in den

Verunreinigungen durch Grob-

und Sperrstoffe, abrasive

Bestandteile und andere

Inhaltsstoffe.

Aufgrund der Verunreinigungen

ergeben sich u.a. folgende

Anforderungen an die Bauart

bzw. konstruktive Gestaltung:

•weitgehendfreierFließquer-

schnitt in der Armatur

•Ausschlussoderweitgehende

Verhinderung von Blockaden

bei der Betätigung der

Armatur

•EignungderDichtungsart

durch konstruktive Gestal-

tung und Werkstoffeinsatz.

Rohrleitungen und Armaturen 4

64

Rohrleitungen und Armaturen

4.2.2.3 Einbaulage und Fließrichtung

Bedingt durch die jeweils

spezielle Konstruktion einer

Armatur ist in vielen Fällen die

Fließrichtung und Einbaulage

vorgegeben.

So ist bei Rückschlagklappen

und allen anderen Rückfluss-

verhinderern immer die Fließ-

richtung konstruktiv vorbe-

stimmt.

In vielen Fällen sind auch Ein-

baubedingungen hinsichtlich

Eignung für Einbau in vertikaler

und horizontaler Lage zu

beachten.

Es sind die Angaben der

Hersteller (z.B. Einbau- und

Betriebsvorschriften) bereits bei

der Planung zu berücksichtigen.

4.2.2.4 Werkstoffe

In Abhängigkeit der o.g. Ab-

wasserarten sind die Werkstoffe

auszuwählen.

Werkstoffangaben werden von

den Armaturenherstellern meist

getrennt nach Bauteilen wie

Gehäuse, Verschlussplatte, Sitz,

Dichtung, Welle, Verbindungs-

schrauben etc. angegeben.

Grauguss- Werkstoffe können in

beschichteter Ausführung für

Oberflächen-/Regenwasser und

kommunales Abwasser zum

Einsatz kommen. EKB-

Beschichtungen können als

besonders geeignet angesehen

werden.

Bei besonders abrasiven Förder-

medien ist der Einsatz harter

Gusswerkstoffe und spezieller

Beschichtungen nötig.

Beachtet werden muss auch die

richtige Auswahl der Elastomere

für Dichtungen. Im Allgemeinen

kann im kommunalen Abwasser

EPDM und NBR eingesetzt

werden. Im Industrieabwasser

kann der Einsatz von Viton

(FPM) zweckmäßig sein.

Bei Industrieabwässern kann die

Verwendung von Edelstahlwerk-

stoffen erforderlich sein.

Für Industrieabwässer muss auf

der Grundlage der Kenntnis der

Inhaltsstoffe die Werkstoff-

auswahl immer im Einzelfall

entschieden werden.

Den Herstellern bzw. Anbietern

von Armaturen sollten die

Inhaltsstoffe des Fördermediums

angegebenen werden, so dass der

Hersteller in Kenntnis der

Einsatzverhältnisse die Auswahl

vornehmen kann.

4.2.2.5 Nennweite

Die Auswahl der Nennweite

erfolgt analog wie bei den

Rohrleitungen in Abhängigkeit

der Ansätze für die Fließgeschwin-

digkeiten (siehe Abschnitt

4.1.1.1), so dass im Normalfall

die Rohrleitungs-Nennweite der

Armaturen-Nennweite

entspricht. An dieser Stelle noch

einmal der Hinweis darauf, im

Abwasser Nennweiten nicht

kleiner DN 80 verwenden.

Besondere Beachtung sollten bei

der Wahl der Nennweite die

Verlusthöhen der Armaturen

finden.

Speziell bei den Rückschlag-

klappen sind die Verlustbeiwerte

teils so beträchtlich, dass dies der

Grund für die Wahl der nächst

größeren Nennweite sein kann,

die dann natürlich auch für die

Rohrleitungsdimensionierung

maßgebend ist.

4

4.2.3 Zuordnungs- Tabelle „Armaturenbauarten zu Abwasserarten

65

Rohrleitungen und Armaturen

AbsperrarmaturenHähneKugelhahn mit verengtem DurchlaßKugelhahn mit unverengtem DurchlaßAblaßhahnHahn mit konischen SitzHahn mit zylindrischen SitzVentileGeradsitzventilSchrägsitzventilEckventilRingkolbenventilSchieberSchieber, metallisch dichtendKeilrundschieberKeilovalschieberKeilflachschieberKeilplattenschieberSchieber, weichdichtendKeilschieberPlattenschiebergehäuseloser Schieber (Spindelschieber)Absperrklappenzentrisch gelagerte Absperrklappenexzentrisch gelagerte AbsperrklappenMembran- AbsperrarmaturenMembran- Absperrarmaturen in SchieberbauartMembran- Absperrarmaturen in VentilbauartMenbranquetscharmatur (hydaulisch oder pneumatischMembranarmatur mit RingmembranRückfluß stoppende ArmaturenRückschlagventilRückschlagventil, federbelastetFußventil mit Einlaufseiher und SaugkorbDüsenrückschlagventilRückschlagklappenRückschlagklappe mit / ohne Hebel und GewichtGruppenrückschlagklappeSchrägsitz-Kipp-Rückschlagklappe mit / ohne Hebel und GewichtRückflußverhindererKugelrückschlagventileDoppelflügelrückschlagklappenEinklemmrückschlagklappeMembran-RückflußverhindererDüsenrückschlagventilMembran-RückschlagventilSonstige ArmaturenSchwimmerausflußventileBe- und EntlüftungsventileAbwassertaugliche Be- und EntlüftungsventileSicherheitsventileFreilaufrückschlagventileAuslauf und Endklappe, Rückstauklappe

Legendenicht einsetzbar

bedingt einsetzbareinsetzbar

Zuordnung Armaturenbauarten zu den Abwasserarten

Armat

urenbau

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„

Abwas

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Regen

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Bild 4.2.3a: Zuordnungsübersicht

4

66

Rohrleitungen und Armaturen

4.2.4 Einbau

4.2.4.1 Einbaulage

Bezüglich der Fließrichtung und

des zulässigen vertikalen und/

oder horizontalen Einbaus wird

auf die Ausführungen in

Abschnitt 4.2.2.3 verwiesen.

4.2.4.2 Einbauposition

Die Einbauposition wird

bestimmt durch:

•diebetriebstechnische

Funktion

•diefunktionellenRand-

bedingungen

•dieZugänglichkeitbzw.

Bedienbarkeit.

Bei der Bestimmung der Einbau-

position der Armaturen sind alle

drei genannten Kriterien gleich-

rangig zu betrachten und zur

Projektlösung zusammen-

zuführen.

Betriebstechnische Funktion

Zunächst wird die Position der

Armatur bzw. deren Lage von

der betriebstechnischen Funktion

bestimmt.

Folgende Beispiele sollen zur

Erklärung dienen:

•DerAbsperrschieberaufder

Druckseite der Pumpe dient

dem Verschluss der Rohrlei-

tung im Reparaturfall von

Pumpe und Rückschlagklappe

und sollte eigentlich unmittel-

bar nach der Pumpe und der

Rückschlagklappe positioniert

werden. Die funktionelle

Randbedingung (max.

Wasserspiegel im Pumpen-

sumpf) und die Bedienbarkeit

ergeben dann aber eine andere

(höhere) Position.

•DieRückschlagklappesollte,

wie bereits im obigen Absatz

erwähnt, eigentlich unmittel-

bar hinter der Pumpe positio-

niert werden. Wasserspiegel

und Zugänglichkeit bestimmen

auch hier die zweckmäßige

Positionierung in der

Rohrleitung.

•DasBe-undEntlüftungsventil

ist immer nach der betriebs-

technisch bedingten Lage

direkt am Rohrleitungshoch-

punkt zu positionieren. Die

Zugänglichkeit muss dieser

Lage entsprechend baulich

geschaffen werden.

Funktionelle Randbedingungen

Die Einbaulage kann durch

funktionellen Randbedingungen

bestimmt werden. Dazu folgende

Beispiele:

•Einbauvorschriftendes

Armaturen-Herstellers

(vertikal / horizontal)

•VerlaufderDruckrohrleitung.

•Beieinemlangenvertikalen

Verlauf der Druckleitung

muss von einer tiefen Einbau-

position der Rückschlagklappe

in der vertikalen Rohrachse

abgesehen werden. Die

Funktion der Rückschlag-

klappe wird sonst durch

zurückfallende Verunreini-

gungen (Sand, Steine und

Schlammablagerungen)

gestört. Es könnte aber auch zu

direkten Beschädigungen

durch zurückfallende Steine

kommen. In solchen Fällen

muss die Rückschlagklappe in

einem horizontalen Rohr-

leitungsabschnitt angeordnet

werden. Gegebenenfalls muss

ein solcher Abschnitt dafür

geplant werden.

•MaximalerWasserspiegel

•VereinigungvomEinzel-

druckleitungen zu

Sammelleitungen.

4

Zugänglichkeit bzw.

Bedienbarkeit

Die Zugänglichkeit für das

Betreiberpersonal ist letztlich

ein sehr wichtiges Kriterium für

die Bedienbarkeit sowie für

Wartungs- und Reparatur-

arbeiten.

Dabei ist die Einhaltung der

Unfallverhütungsvorschriften

(UVVs, BGV und anderer

Verordnungen) sicherzustellen

und wird die Planung

beeinflussen.

Im Prinzip gibt es folgende

Möglichkeiten, um die

Bedienbarkeit und Zugäng-

lichkeit zu sichern.

•DieArmaturkannineinem

Teil des Bauwerkes

positioniert werden, das

ohnehin eine gute Bedien-

barkeit ermöglicht.

•DieBedienbarkeiterfordert

den Einbau von Leitern und

Podesten.

•DieGestaltungdesBauwerks

wird auf die Bedienung und

Instandhaltung eingerichtet.

Gute bauliche Lösungen für die

Zugänglichkeit und Bedien-

barkeit sind:

•Armaturenschächte

Neben dem Pumpenschacht

kann ein separater Fertig-

teilschacht für die Installation

der Armaturen vorgesehen

werden. Mit der richtigen

Positionierung der

67

Schachtabdeckungen wird die

Voraussetzung für den

unkomplizierten Einbau und

das Auswechseln geschaffen.

•Armaturenräume

Für große Pumpstationen mit

großen Rohr- und Armaturen-

nennweiten ist die Planung von

Armaturenräumen sehr zweck-

mäßig.

Die komplette Verrohrung von

Einzel- und Sammelleitungen,

alle Armaturen und die

Messgeräte lassen sich mit

guten Arbeitsbedingungen

baulich unterbringen.

4.2.4.3 Technische Lösungen für den Armaturen-Ein- und -Ausbau

Sowohl für die Erstmontage,

aber vor allem für die spätere

Instandhaltung muss planerisch

dafür gesorgt sein, dass

Armaturen eingebaut bzw.

gewechselt werden können.

Es stellt sich damit die Frage, ob

die Anordnung von speziellen

Pass- und Ausbaustücken neben

der Armatur oder einer Arma-

turengruppe erforderlich ist.

Anordnung ohne Pass- und

Ausbaustück

Sind im Rohrleitungsverlauf vor

und/oder nach der Armatur oder

einer Armaturengruppe Rohr-

bögen geplant, kann im

Allgemeinen auf die Anordnung

von Pass- und Ausbaustücken

verzichtet werden. Durch die

Demontage eines Rohrbogens

wird der betreffende Rohrab-

schnitt für den Armaturen-

wechsel freigelegt.

Anordnung mit Pass- und

Ausbaustück

In vielen Fällen erschwert der

Rohrleitungsverlauf den Ein-

und Ausbau von Rohrleitungsele-

menten bzw. der Armaturen

selbst.

Hier sollten neben der Armatur

oder Armaturengruppe Pass-

und Ausbaustücke angeordnet

werden.

Die Pass- und Ausbaustückes

verfügen über einen Baulängen-

Verstellbereich und ermöglichen

somit den spannungsfreien Ein-

und Ausbau der Armatur oder

Armaturengruppe.

Rohrleitungen und Armaturen 4

68

Rohrleitungen und Armaturen

Im Wesentlichen sind folgende

Bauarten zu nennen:

•feststellbarePass-und

Ausbaustücke

Diese Pass- und Ausbaustücke

sind im Allgemeinen lieferbar:

- mit durchgehenden

Gewindestangen

- mit nicht durchgehenden

Gewindestangen

•nichtfeststellbarePass-und

Ausbaustücke

Die Pass- und Ausbaustücke mit

nicht durchgehenden Gewinde-

stangen sind besonders mon-

tagefreundlich, da der Arbeits-

aufwand für die Baulängenver-

stellung verhältnismäßig klein ist.

Nicht feststellbare Pass- und

Ausbaustücke sind funktionell

als Dehnstücke und als Ausbau-

stück verwendbar.

Rohrkupplung als Ein- und

Ausbauhilfe

Der Einsatz einer Rohrkupplung

bietet möglicherweise eine

einfache Lösung. Die Rohr-

kupplung verbindet als äußere

Stahlmanschette zwei Rohr-

enden mit geringem Spalt-

abstand. Bei kleineren bis

mittleren Nennweiten kann der

geringe Spalt für den Ein- und

Ausbau des Rohrelementes

ausreichend sein und auch den

Armaturenwechsel ermöglichen.

Rohrkupplungen sind in den

Ausführungen ‚zugfest’ und

‚nicht zugfest’ lieferbar.

4

5 Bauwerksgestaltung

5.1

Vorbemerkungen

Die Bauwerksgestaltung einer

Pumpstation wird weitgehend

vom Einsatzzweck bestimmt.

Neben den rein baulichen und

mechanischen Anforderungen

sind aber auch hydraulische

(strömungstechnische) Aspekte

bei der Planung und Bauaus-

führung zu berücksichtigen.

Die Konzeption der strömungs-

führenden Bereiche beginnt mit

dem Zulauf zur Pumpstation,

führt über die teilweise

erforderliche Pumpensumpf-

kontur zu der (den) Pumpe(n)

und endet bei der Druckrohr-

leitung bzw. dem Auslaufsystem.

Die Pumpenhersteller sind

bemüht, die für den Einsatz der

Kreiselpumpen erforderlichen

Soll-Abmessungen (z.B. zur

Bauwerksgeometrie) entsprech-

end in den Produktunterlagen zu

dokumentieren. Diese Angaben

bilden für den Planungsprozess

wesentliche Anhaltswerte, um

die Hauptabmessungen einer

Pumpstation zu ermitteln. Die

erfolgreiche Planung einer

Pumpstation ist vielschichtig

und beinhaltet neben den reinen

Vorgaben zu Mindestabständen

zwischen den Pumpen oder

Soll-Abmessungen wie

69

Bodenabstand und Bodenkontur

auch Fragen zur Gestaltung

zwischen Zulauf und der (den)

Pumpe(n) selbst.

Kommt es bei der Planung oder

in der Bauphase zu gravierenden

Abweichungen bei den Soll-

Abmessungen, den Mindest-

wasserspiegeln oder der Geo-

metrie der strömungsführenden

Teile der Pumpstation, kann die

einwandfreie Funktion der ge-

samten Station in Frage gestellt

sein. Es ist dabei unbedeutend,

ob es sich um einzelne Abwei-

chungen handelt oder eine

ganze Summe von Abweich-

ungen die Probleme erzeugen.

Die für den Betrieb der Pumpe

erforderlichen Randbedingungen

werden durch die Änderungen

oder Abweichungen nicht erfüllt

und die Kreiselpumpe(n) weisen

entweder durch ihr Laufver-

halten oder ihre Leistungsab-

weichungen auf die vorliegenden

Probleme hin.

Fließen hingegen die Vorgaben

des Pumpenherstellers zur

hydraulischen und mechanischen

Gestaltung der Pumpstation

frühzeitig in das Gesamtlayout

mit ein, können Fehlfunktionen

- wie Nichterreichen der gefor-

derten Leistungsdaten und

Betriebsstörungen -

ausgeschlossen werden.

Nach Prosser [5.1] lassen sich

die Kriterien für ein schlechtes

Layout einer Pumpstation klar

benennen und bewerten.

Zunächst seien hier die geo-

metrischen Einflüsse aufgeführt:

1. zu klein ausgelegte Schütze

oder Steuerventile

2. abrupte Richtungswechsel

der Strömung (z.B. scharfe

Ecken)

3. getauchte Strömungsbereiche

mit hohen Geschwindigkeiten

(z.B. Diffusoren mit zu

großem Öffnungswinkel)

4. Stufen oder Absätze im

Bereich des Bodens

5. Wehre, die nicht der

Energievernichtung dienen

6. Pfeiler, Säulen und

Leitrippen

7. falsche Gestaltung des Bau-

körpers oder eine Betriebs-

weise, die zu asymmetrischer

Strömungsverteilung im

Sumpf führen

8. Zulauf oberhalb des

Wasserspiegels im Sumpf.

Bauwerksgestaltung 5

70

Bauwerksgestaltung

Die Punkte 1, 2, 3, 6 und 7

können Wirbel am Pumpenein-

lauf auslösen. In extremen Fällen

werden luftziehende Ober-

flächenwirbel und getauchte

Wirbel gebildet (Bild 5.1).

Die Punkte 4, 5, und 8 können

zum Lufteintrag in das Förder-

medium führen, während die

Punkte 3, 4 und 5 instationäre

Strömungszustände im Sumpf

auslösen können.

Aufgabe des Pumpensumpfes ist

es, eine Volumenvorlage zu

bilden und gute Zuströmbeding-

ungen für die Pumpen zu

generieren; dazu sind die

nachfolgenden hydraulischen

Bedingungen in der Pump-

station zu vermeiden:

1. Jets, also Zuflüsse mit hoher

Strömungsgeschwindigkeit,

die auf stehende oder langsam

fließende Fördermedien

treffen (da diese beim Auf-

treffen große instationäre

Wirbelgebiete im Nach- bzw.

Ablauf bilden)

2. Gebiete mit Strömungs-

ablösung

3. Strömungen mit hohen

Geschwindigkeiten (v > 2 m/s)

4. instationäre Strömungen

5. große Oberflächenwellen

6. frei abstürzende Zuläufe.

Werden die hier aufgeführten

Kriterien bei der Bauwerks-

planung und Bauausführung

berücksichtigt, ist dies ein

bedeutender Schritt zu einem

störungsfrei funktionierenden

Pumpwerk.

Vergleiche der erforderlichen

Soll-Abmessungen in Dokumen-

tationen verschiedener Hersteller

als auch in Dokumentationen

international anerkannter

Forschungseinrichtungen haben

gezeigt, dass die von KSB in den

jeweiligen Baureihenheften bzw.

Software-Tools dokumentierten

Geometrien, mit zu den

kleinsten erforderlichen

Abmessungen von

Pumpstationen führen und

damit auch zu entsprechenden

Kosteneinsparungen.

Bild 5.1: Luftziehender Wirbel an einer Modellpumpe

5

5.2 Recheneinrichtungen

Für den störungsfreien Betrieb

der Pumpen ist je nach Art und

Herkunft des Fördermediums

der Einbau von Grobrechen

(Stababstand zwischen 5 und

30 cm) und/oder Feinrechen

(Stababstand zwischen 5 und 20

mm) sowie gegebenenfalls vorge-

schalteten Geröllfängen erfor-

derlich. Deren Reinigung sollte

automatisch über eine entspre-

chende Mechanik bei laufendem

Pumpenbetrieb möglich sein.

Insbesondere bei Anwendungen

wie der Entnahme von Ober-

flächenwasser aus Flüssen, Seen

und Kanälen, aber auch Regen-

wasserpumpstationen (storm

water) sind diese Reinigungsein-

richtungen dringend geboten.

Besonders bei der Entnahme von

Flusswasser wird häufig das

Problem der Mitförderung von

Geröll und Sedimenten gern

verdrängt. Falls man die

Pumpstation aber nicht mit den

beschriebenen Einrichtungen

ausstattet, führt dies bei

längerem Betrieb zum Versanden

bzw. zu starken Ablagerungen in

Totwasserzonen im und am

Bauwerk, sowie zu einem

erhöhten Verschleiß der Kreisel-

pumpen. Mechanische Schäden

an den Laufrädern und anderen

Pumpenteilen sind nicht auszu-

schließen.

71

Wo der Rechen in die Pump-

werkskonzeption plaziert wird,

liegt in den Händen des Planers.

Entweder wird der Rechen vor

dem Pumpwerk bzw. vor dem

Sumpf installiert, um das

Eindringen von Grobstoffen in

das Bauwerk auszuschließen,

oder es werden Einzelrechen

direkt den einzelnen Pumpen

zugeordnet. Es muss immer ein

ausreichender Abstand zwischen

Rechen und Ansaugstutzen der

Pumpe(n) eingehalten werden, da

sich der freie Strömungs-

querschnitt durch den Einbau

des Rechens etwas verkleinert

und durch die Belegung mit

Sperrstoffen die Strömung nach

dem Rechen erheblich verformt

(ungleichförmig) werden kann.

Ohne Belegung der Rechenstäbe

entsteht hinter dem Rechen eine

über dem Strömungsquerschnitt

ausgeglichene Geschwindig-

keitsverteilung - günstig für den

Pumpenbetrieb.

Ebenso ist bei der Bewertung des

minimal zulässigen Wasser-

standes t1 im Pumpensumpf zu

berücksichtigen, dass ein belegter

Rechen einen Strömungswider-

stand darstellt und sich ein

Wasserspiegelunterschied

zwischen Vorder- und Hinter-

seite ausbildet. Hier darf der

Wasserstand hinter dem Rechen

nicht den minimal zulässigen

Wasserstand t1 für den Betriebs-

punkt der Pumpe unterschreiten

(Bild 5.2 a).

Bauwerksgestaltung

Bild 5.2-a: Rechen mit automatischer Reinigung

5

72

Als Richtwert für den maximal

zulässigen Stababstand des

Rechens sollte ein Wert von 0,3

bis 0,5 x freier Kugeldurchgang

des Pumpenlaufrades gelten.

Dieser Wert kann der entsprech-

enden Pumpenkennlinie ent-

nommen werden (siehe Bau-

reihenheft bzw. Auslegungs-

software).

Um den Einfluss des Rechens auf

den Wasserstand direkt vor den

Pumpen bewerten zu können,

sollte man - wenn keine Fein-

auslegung erfolgt - auf die

vereinfachte Berechnung nach

Hager [5.2] zurückgreifen (Bild

5.2 b).

Dabei ergibt sich die Wasser-

spiegelabsenkung hinter dem

Rechen ΔH zu

Hier ist v0 die Anströmge-

schwindigkeit vor dem Rechen.

Der Gesamtverlustbeiwert βRE ist

eine Funktion des Neigungs-

winkels des Rechens δRE zur

Horizontalen, dem Korrektur-

faktor für die Art der Reinigung

cRE sowie dem Koeffizienten ζRE .

Bei einem freien Rechen ist dieser

Korrekturfaktor = 1, bei

mechanischer Reinigung = 1,1

bis 1,3 und bei manueller

Reinigung = 1,5 bis 2. Der

Koeffizient ζRE beinhaltet die

Form der Rechenstäbe sowie die

Flächenverhältnisse zwischen

freier Strömungsfläche a– und

dem Mittenabstand der Stab-

querschnitte b (Bild 5.2 c).

Somit gilt:

Für die unterschiedlichen

Formen der Rechenstäbe (Bild

5.2 d) können folgende Werte

benutzt werden:

L– ist die Länge des Rechen-

stabprofils und a– die Breite.

Wenn jetzt das Verhältnis L– / a– ≈ 5

ist und die Bedingung > 0,5 erfüllt ist, kann die

Formel für ξRE vereinfacht

werden zu

Um die bei der Durchströmung

des Rechens auftretenden

Verluste ΔH zu kompensieren,

wird im Bereich des Unter-

wassers häufig der Boden des

Bauwerkes bzw. Kanals um

diesen Betrag Δz abgesenkt

(Bild 5.2 e):

ΔH = ξ RE x P1

ηM

ξ RE = βRE x ζRE x cRE x sin δRE

Form 1 2 3 4 5 6 7

ßRE 1 0,76 0,76 0,43 0,37 0,3 0,74

ab

Bauwerksgestaltung

Bild 5.2-b: Rechendurchströmung ohne Bodenabsenkung

δRevo

ΔH

Bild 5.2-c: Grundriss des Rechens

.

.

.

.

.

b–

a–

vo

Bild 5.2-d: Formen für Rechenstäbe

41 2 3 5 6 7

L– 0,

6L– 0,3

L–

d–

5

(18)

(19)

ξ RE = β RE x x c RE x sin δ RE

73 [ −1 ]

3–4

ab

(20)

ΔH = Δz

Allgemein übliche Größen-

ordnungen für Verluste durch

Rechen liegen bei 5 cm für

maschinelle Reinigung und ca.

10 cm bei manueller Reinigung.

Für die Durchführung einer

Feinauslegung von Rechen wird

die Vorgehensweise nach

Idelchik [5.3, S. 504 ff]

empfohlen.

73

Diese Verfahrensweise bietet sich

an, wenn auch der Einfluss von

schräger Anströmung des

Rechens mit berücksichtigt

werden muss oder die Form der

Rechenstäbe von der Form in

Bild 5.2-d stark abweicht.

Rechen werden häufig direkt in

der Nähe des Ansaugstutzens

geplant. Der erforderliche

Abstand einer Rechenanlage

zum Ansaugstutzen sollte

mindestens bei Y=4 x D für

einfache gerade Rechen liegen (D

= Außendurchmesser des

Ansaugstutzens). Bei anderen

Bauformen der Rechenanlage

kann es zur Ausbildung von

Jetströmungen hinter dem

Rechen kommen. Hier ist dann

ein Mindestabstand Y= 6 x D

einzuhalten und gegebenenfalls

durch detaillierte Modellunter-

suchungen zu überprüfen.

Die Reinigung des Rechens sollte

vorzugsweise automatisch

erfolgen. Um den Reinigungs-

vorgang auszulösen, kann die

Differenz der Wasserspiegel vor

und hinter dem Rechen genutzt

werden. Damit ist sichergestellt,

dass entsprechend dem Reini-

gungsbedarf auch eine Aktion

erfolgt.

Das manuelle Reinigen ist für

Pumpenanlagen im Dauerbetrieb

schlecht, muss doch das Betriebs-

personal regelmäßig den Wasser-

spiegel kontrollieren und immer

wieder die Reinigung durch-

führen. Auch die Variante durch

eine Zeitsteuerung ist nicht

zuverlässig genug.

Ob ein Rechen der Pumpstation

bzw. den Pumpen vorgeschaltet

wird und welcher Abstand

zwischen den Rechenstäben

erforderlich ist, ist mit der

gewählten Laufradform und

Laufradbaugröße sowie mit der

Art des Fördermediums

abzugleichen.

Bauwerksgestaltung

vo

ΔHRe

Δz

Bild 5.2-e: Rechendurchströmung mit Bodenabsenkung

5

(21)

74

5.3 Schwimmdeckenbildung in

Abwasserpumpstationen

Beim Betrieb von Abwasser-

pumpstationen kommt es

immer wieder zur Bildung von

Schwimmdecken.

Verantwortlich für diesen

Prozess sind die Inhaltsstoffe

des Abwassers. Sind diese

leichter als Wasser, steigen sie

an die Oberfläche auf und

sammeln sich in Bereichen

kleiner Strömungsgeschwin-

digkeit. Bestandteile mit

wasserähnlicher Dichte schweben

zunächst. Der Schwebezustand

wird dann aufgehoben, wenn es

z.B. durch einen Absturz des

Wassers zum Lufteintrag

kommt. Kleine Luftbläschen

verbinden sich dann mit den

Schwebstoffen und steigen

gemeinsam ebenfalls an die

Oberfläche. Bestandteile, deren

Dichte wesentlich größer ist als

Wasser, sinken auf den Boden

des Pumpensumpfes ab. Je nach

Zusammensetzung dieser Sedi-

mentationen sind dann weit

höhere Strömungsgeschwindig-

keiten als die bekannten 0,7 bis

0,8 m/s erforderlich, um die

Sedimentationen erneut aufzu-

brechen [vergl. 5.5].

Bei ausreichender Verweildauer

und einer geschlossenen

Schwimmdecke kommt es zum

luftdichten Abschluss des Ab-

wassers und der Sauerstoffüber-

gang von Luft zum Abwasser ist

gestört. Damit kommt der

aerobe Oxidationsprozess zum

Erliegen und die anaerobe Fau-

lung wird beschleunigt. Die aus

diesem Fäulnisprozess ent-

stehenden Reaktionsprodukte

müssen als sehr problematisch

klassifiziert werden. Hierbei

sind die Schwefelwasserstoff-

Verbindungen besonders unan-

genehm. Sie sind gesundheits-

schädlich, brennbar, korrosiv

und führen zu Geruchsbe-

lästigungen.

Abwasserbestandteile wie

Fäkalien, Öle, Fette, Haare und

andere Faserstoffe fördern das

Entstehen von Schwimmschlamm.

Um eine Sulfidbildung im Ab-

wasser zu vermeiden, sollte die

Sauerstoffaufnahme an der

Grenzschicht Luft/Abwasser

gleich der Sauerstoffzehrung

sein. Dies lässt sich nur er-

reichen, wenn die Oberfläche

des Abwassers weitestgehend

frei von Schwimmstoffen

gehalten bzw. die Entstehung

einer Schwimmschlammdecke

gezielt gestört wird.

Ansätze zum Vermeiden bzw.

Reduzieren von Schwimm-

schlammdecken sind:

- Schwimmstoffe wenn möglich

vermeiden

- Absturz von Abwasser in

einen Pumpensumpf kritisch

in der Auswirkung bewerten

- Verkrustungen gezielt manuell

durch Reinigung (Hochdruck-

wasserstrahl) beseitigen

- Oberflächenbeschichtung

vorsehen (Betonkorrosion

vermeiden)

- Verweildauer des Abwassers

im Pumpensumpf optimieren

(reduzieren), maximal 6 bis 8

Stunden unter Berücksichti-

gung der Tagesgangkurve

anstreben

- bei Auftreten von Schwimm-

decken die Oberfläche durch

Turbulenzen aufbrechen

(Spülleitungen, Rührwerke)

Bauwerksgestaltung

Bild 5.3: Schwimmdeckenbildung im Pumpensumpf

5

- Regelkreise für „Wasserstand

= konstant“ vermeiden, da

diese eine Schwimmdecken-

bildung begünstigen

- Pumpenauslegung optimieren.

Falls möglich, kein Einsatz von

Schneidradpumpen planen,

denn das vorgeschaltete

Schneidwerk unterdrückt die

saugseitigen Turbulenzen.

Möglichst den Abschaltpunkt

im Teillastbetrieb definieren,

da der Teillastwirbel im Sumpf

für große Durchmischung sorgt

- Definieren von Spülzyklen für

den Pumpensumpf möglichst

mit den installierten Betriebs-

pumpen

- den Pumpensumpf in der

Geometrie optimieren (kleinste

freie Oberfläche bezogen auf

das maximale Sumpfvolumen)

- maximale Nutzung des

Pumpensumpfvolumens als

Schaltvolumen für die

Pumpen.

Der Einbau von Zusatzeinrich-

tungen wie Sperrstoff-Sammel-

einrichtungen, Rührwerken oder

Rechen bringen immer einen

erhöhten Wartungs- und

Investitionsaufwand mit sich.

Außerdem ist abzusichern, dass

das zurückgehaltene Material

ordnungsgemäß entsorgt wird.

75

5.4 Bermenausbildung in Pumpensümpfen

Da es sich bei Abwasser oder

Schmutz- bzw. Oberflächen-

wasser meist um ein mit Fest-

stoffen beladenes Fördermedium

handelt, sollte man sich der

Planung des Pumpensumpfes

auch über den Mittransport der

Bestandteile Gedanken machen.

Verlässt das Fördermedium die

Zulaufleitung, sinkt die Strö-

mungsgeschwindigkeit und je

nach Geschwindigkeitsverteilung

im Bauwerk kommt es zu Sedi-

mentationserscheinungen. Die

Pumpe(n) ist (sind) nicht mehr in

der Lage, die sedimentierenden

Fluidbestandteile anzusaugen

und mit dem Wasser aus dem

Bauwerk zu transportieren.

Ist das Bauwerk nicht mit ent-

sprechenden Schrägen (Bermen)

ausgekleidet, bauen sich diese

Sedimentationen weiter auf und

können dann zur Veränderung

der Bauwerksdurchströmung

bzw. Verstopfung der Pumpe(n)

führen. Dieser Situation kann

vorgebeugt werden indem

ausreichend große Boden-

schrägen bzw. Bermen (Ecken-

auskleidungen) gestaltet werden.

Je nach Oberflächenbeschaf-

fenheit des Bauwerkes können

die Winkel variieren. Nach ATV-

DVWK-A134 werden Winkel

um 60 Grad empfohlen. Dies

führt jedoch bei gleichem Sumpf-

vorlagevolumen zu recht kosten-

intensiven Bauwerken, da das

Bauwerk sehr tief wird. Werden

die Oberflächen beschichtet,

kann der Winkel flacher gestaltet

und damit die Bauwerkstiefe

reduziert werden (man vergleiche

hierzu auch die Empfehlungen

des Hydraulic Instituts 9.8 von

1998).

Wird der Pumpensumpfboden

sehr flach gestaltet ist zu über-

legen, ob nicht durch gezielte

Strömungsführung (eventuell mit

Hilfe von Einbauten) ein Spülen

erreicht werden kann. Dies

geschieht z.B. durch lokale

Querschnittsveränderungen für

die Strömung, um die Strö-

mungsgeschwindigkeiten anzu-

heben und so die Feststoffe/

Sedimente weiterzubewegen.

Eine Faustregel besagt: Alle

Gebiete mit Strömungsschwach-

bzw. Totzonen mit Beton füllen,

um Ablagerungen grundsätzlich

auszuschließen.

Bauwerksgestaltung 5

76

Um Ablagerungen im Bereich

von Strömungsschwachzonen

vorzubeugen, bietet es sich an,

auch den Bereich zwischen dem

Fußkrümmer der Pumpe und

der Bauwerkswand (in An-

strömrichtung betrachtet) mit

einer entsprechend gestalteten

Berme zu schließen (Bild 5.4a).

Diese solle jedoch noch nach-

trägliche Montagearbeiten am

Fußkrümmer gestatten (Mon-

tagefreiheit für Ausrichtung

und Verschraubung).

Die Beschichtung der Beton-

kontur hat neben dem verbes-

serten Gleitverhalten der Ab-

wasserbestandteile noch den

Vorteil, dass der Baukörper vor

der so genannten Betonkorro-

sion geschützt ist. Auf dieses

Thema soll trotz seiner großen

Bedeutung hier nicht weiter

eingegangen werden.

Die TU Berlin hat im Auftrag

von KSB zu diesen Sachver-

halten umfangreiche Unter-

suchungen durchgeführt. Die

Ergebnisse zeigen den Einfluss

des Neigungswinkels einer

Berme mit entsprechender

Beschichtung auf das Abgleit-

verhalten einzelner Abwasser-

bestandteile (Bild 5.4 a).

Wird jetzt bei der Darstellung

in Bild 5.4 b noch von sich

einstellenden Strömungsge-

schwindigkeiten im Pumpen-

sumpf ausgegangen, kann unter

Umständen der Neigungswinkel

verringert werden, ohne dass

sich Sedimentationen im

Bereich des Bodens aufbauen.

Damit wäre wieder ein Einfluss

auf die Bauwerkskosten gegeben.

Eine genauere Vorhersage der

sich einstellenden Situation im

Pumpensumpf kann beispiels-

weise durch eine CFD-Simulation

gemacht werden (s. das Kapitel

5.11 Die Bedeutung von CFD-

Simulationen’). Der Einfluss

einer Oberflächenzerstörung

(Rauhigkeitsanstieg) durch feste

Abwasserbestandteile oder

durch Erhöhung des Gleitwider-

standes (Verkleben) durch Fette

und Öle war nicht Bestandteil

der Untersuchung und muss je

nach lokaler Abwasserzusam-

mensetzung geschätzt werden.

Bauwerksgestaltung

Bild 5.4a: Bau eines Modells für eine Abwasserpumpstation mit Bermen und Bodensplittern.

0

10

20

30

40

50

Stein Kunststo� Mullbinde Papiertuch Kies Sand

Keramik 1

Keramik 2

Epoxidharz - Anthracenöl

Epoxidharz, ausgehärtet

Polyurethan

α in Grad

Bild 5.4 b: Abgleitwinkel verschie-dener Abwasserbestanteile bei entsprechender Beschichtung (ohne Strömungseinfluss).

5

Im Anhang vergrößert

5.5Splitter zur Vermeidung

getauchter Wirbel

Bei der Aufstellung von Pumpen

kann es durch ungünstige An-

strömbedingungen zur Bildung

von getauchten Wirbeln

kommen, die dann einen nega-

tiven Einfluss auf die Leistung

bzw. Laufruhe der Pumpen

haben. Um diese Wirbelbildung

bereits bei der Planung der

Pumpstation mit zu berück-

sichtigen, kann durch den

Einbau von Bodensplittern bzw.

Trennsplittern zwischen den

Pumpen aktiv Einfluss

genommen werden (Bild 5.5 a).

Hierbei dienen die Bodensplitter

unter dem Ansaugquerschnitt

(Saugmund) der direkten

Beeinflussung der Zulauf-

strömung hinsichtlich Drall-

freiheit. Die Trennsplitter sollen

die Ausbildung getauchter

Wirbel zwischen den Pumpen

vermeiden; die erforderlichen

geometrischen Abmessungen

lassen sich aus der Geometrie der

geplanten Pumpenbaugröße

herleiten. Die Position der

Bodensplitter muss absolut

symmetrisch bezogen auf den

Saugmund der Pumpe erfolgen,

da sonst eine unsymmetrische

Laufradanströmung mit den

bekannten Folgen erzeugt wird.

77

Die ermittelten Abmessungen

werden dann an die Form des

Pumpensumpfes angepasst bzw.

abhängig von Bermen und

Wandkontur verlängert. Dies

reduziert zu geringe Strömungs-

geschwindigkeiten in unmittel-

barer Umgebung der Pumpe und

verhindert zugleich unerwün-

schte Ablagerungen.

Die Fertigung der Splitter kann

mitunter statt aus Beton alter-

nativ auch als Blechkonstruktion

(Edelstahl) erfolgen. Der Vorteil

von Blechkonstruktionen liegt

u.a. auch darin begründet, dass

die Montage nach Abschluss

aller Betonarbeiten und dem

Abschluss der Installation der

Pumpen erfolgen kann. Die

Bedingung der Symmetrie,

bezogen auf den Pumpensaug-

stutzen, ist dann leichter zu

beherrschen.

Die Position der Trennsplitter

zwischen den Pumpen basiert

auf den Mindestabständen, die

sich aus dem geforderten maxi-

malen Volumenstrom der

Einzelpumpe ableiten (Bild 5.5

b). Die dabei entstehende

optische Unsymmetrie ist für

die hydraulische Wirkung dieser

Splitter nicht von Bedeutung

und resultiert aus der Über-

lagerung der Position des

Saugmundes, bezogen auf die

spiralförmige Ausbildung des

Gehäuses der Pumpe.

5.6 Abmessungen für den Pumpensumpf und die Pumpenaufstellung

Die erforderlichen Mindest-

abmessungen zum Aufstellen

von Pumpen in einem Pumpen-

sumpf sind eine Funktion des

maximalen Volumenstromes

der Einzelpumpe sowie der

maximalen Zahl der Pumpen in

der Pumpstation. Dieser Einzel-

volumenstrom führt dann zu

Abmessungen, die den erforder-

lichen Wandabstand, den

Abstand zur nächsten Pumpe

und auch die Position zum

Zulauf (Kanal oder Rohr)

beschreiben. Die vorliegende

Bauwerksgestaltung

Bild 5.5a: Geometrische Ausbil-dung der Boden- und Trennsplitter.

DN3=500DIN EN 1092-2

DN1

30°1,2x

t3

1,5xDN1

0,5x

t3

1xDN1

45°

45°

C cp

60°..90°

C cp/2

45°

Bild 5.5b: Draufsicht - Trennsplit-ter zwischen zwei Pumpen.

bis an die Berme gezogen

5

Im Anhang vergrößert Im Anhang vergrößert

78

Orientierung (Zuströmrichtung

in den Pumpensumpf) des

Zulaufes in Bezug zur Aufstell-

ebene der Pumpen und das

Höhenniveau des Zulaufs sind

das Entscheidungskriterium für

die weitere Vorgehensweise

bzw. dafür, welche konstruktive

Gestaltung gewählt werden

muss. Der Gesamtvolumen-

strom der Pumpstation bzw. der

maximale Einzelvolumenstrom

der Pumpe(n) sollte auch hin-

sichtlich einer erforderlichen

Modelluntersuchung bewertet

werden [vergl. Absatz 5.8].

Mit Hilfe der Tabelle 5.1 kön-

nen die erforderlichen Mindest-

abmessungen zur Gestaltung

einer Pumpstation eindeutig

zugeordnet werden; sie orien-

tiert sich an der Terminologie

des international bekannten

Standards des Hydraulic Insti-

tuts H.I. 9.8 – 1998 [5.6].

Die Diagramme 5.6 a bis 5.6 c

liefern die erforderlichen Ab-

messungen in Abhängigkeit des

Förderstroms der Einzelpumpe.

Die Gültigkeit der Diagramme

beschränkt sich auf eine max.

Pumpenanzahl von 5 Einzel-

pumpen. Ist die Anzahl der

Pumpen pro Pumpensumpf

größer, muss eine Validierung

der Pumpensumpfabmessungen

mittels CFD und ggf. Modell-

versuch erfolgen.

Die Aufstellung von Pumpen

höherer Anzahl (>5) nebenein-

ander, führt zu schwer vorher-

sagbaren Einflüssen der Vertei-

lung des Eintrittsimpulses im

Pumpensumpf mit entsprech-

enden Auswirkungen speziell

bei der Förderung von Ab-

wasser.

Erfolgt der Zulauf direkt in

Richtung der Pumpenaufstel-

lung, ist der Eintrittsimpuls

durch eine Prallwand mit

Bodenöffnung zu zerstören. Ist

eine Höhendifferenz zwischen

Rohrsohle und minimalem

Wasserspiegel im Pumpensumpf

zu überwinden, kann dies mit

einer Art Balkonkonstruktion

erfolgen. Die Größe des Zulauf-

querschnittes muss sich an den

Bauwerksgestaltung

Dimension

Variable

Beschreibung

A Abstand der Mittellinie des Pumpensaugstutzens bis zum Zulauf

bzw. der gegenüberliegenden Wand

Ccp Mittellinienabstand benachbarter Saugstutzen / Pumpen

Ccw Seitenwandabstand bezogen auf die Mittellinie des Ansaugstutzens

Co Öffnung in der Prallwand bzw. im Balkon

Cw Breite des Tosbecken bzw. des Balkons

Cb Balkonhöhe über der Pumpensumpfsohle

Y Mindestabstand der Mittellinie des Saugstutzens bis zum

Auslass eines vorgeschalteten Rechens

α Winkel des Bodengefälles vor der Absaugebene

Tabelle 5.1:

Bedeutung der

Variablen und

Abmessungen.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Abm

essu

ng in

mm

1800

2000

Volumenstrom Q [l/s]

500,0 1000,00 1500,0 2000,00 2500,0 3000,00,0

Cb

C0

Ccw

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Volumenstrom Q [l/s]

500,0 1000,00 1500,0 2000,00 2500,0 3000,00,0

Abm

essu

ng [m

m]

Cw

Ccp

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Volumenstrom Q [l/s]

Abm

essu

ng [m

m]

500,0 1000,00 1500,0 2000,00 2500,0 3000,00,0

9000

10000

A

Bild 5.6a - 5.6c: Mindestabmes-sungen für den Pumpensumpf

5

Im Anhang vergrößert

Im Anhang vergrößert

Im Anhang vergrößert

zulässigen maximalen Eintritts-

geschwindigkeiten von 2,0 m/s

orientieren. Der Zulaufkanal

selbst muss mindestens eine

gerade Länge von 5 x Durch-

messer des Zulaufrohres

besitzen, um negative Effekte

aus Umlenkungen oder Ein-

bauten vor dem Pumpensumpf

auszugleichen. Dies gilt auch

für die Zulauforientierung längs

zur Pumpenaufstellung (siehe

hierzu die folgenden Beispiele

5.6.1a, 5.6.1b, sowie 5.6.2c).

79

Nassaufgestellte

Tauchmotorpumpen

Wichtig bei der Festlegung der

Mindestabmessungen für den

Pumpensumpf ist die Lage des

Zulaufkanals bzw. Zulaufrohres.

Also: ob der Zulauf auf dem

Höhenniveau der Pumpensumpf-

sohle erfolgt, oder ein zusätz-

licher Höhenunterschied zu über-

winden ist (Absturz auf freie

Oberfläche, verbunden mit der

Gefahr eines zusätzlichen Luft-

eintrages in das Fördermedium)

und welche Richtungsorientie-

rung der Zulauf zur Aufstell-

ebene der Pumpen besitzt.

5.7 Pumpensümpfe mit hoher Schmutzfrachtbelastung

Selbst wenn die Schmutzfracht

temporär oder auch dauerhaft

größer ausfällt als normal, stellt

das moderne Abwasserpumpsta-

tionen heute vor keine beson-

deren Probleme.

Dazu müssen jedoch folgende

Voraussetzungen erfüllt sein:

•DerPumpensumpfist

hinsichtlich Größe und Form

richtig dimensioniert.

•DieoperativeFahrweiseist

nicht so angelegt, dass die

Hydraulik überfordert würde

(wie die Konzentration der

Gesamtschmutzfracht z.B.

eines Regenüberlaufbeckens

auf eine kurze Stoßbelastung

von Minuten).

•DieSchmutzfrachtbzw.das

Medium ist hinsichtlich ihrer

Beschaffenheit kein Extremfall.

Die Erfahrungen der letzten

Jahre zeigen weltweit, dass etwa

nur maximal 3 % der Pumpsta-

tionen Probleme mit zurückblei-

benden Schmutzfrachten, Fest-

stoffen oder Schlamm haben.

Für diese Fälle hat es sich als ab-

solut erfolgreich erwiesen, einen

kleinen Tauchmotormischer

einzusetzen (Bild 5.7).

Dies ist eine der flexibelsten Mög-

lichkeiten, zielgerichtet für Abhilfe

zu sorgen – zeitlich wie örtlich:

Zeitlich: Der Mixer kann z.B.

vor dem eigentlichen Pump-

vorgang nur kurzzeitig einge-

schaltet werden, wenn keine

längere Betriebszeit erforderlich

ist. Damit wird die Gesamt-

schmutzlast auf das Gesamt-

flüssigkeitsvolumen verteilt, um

die Pumpfähigkeit so optimal

wie möglich zu gewährleisten.

Damit wird die Schmutzlast von

Anfang an mit ausgetragen und

nicht als Satz zurückgelassen.

Bauwerksgestaltung

Tabelle 5.1:

Bedeutung der

Variablen und

Abmessungen.

Bild 5.6.1a: Beispiel KRT (nass aufgestellt) mit direkter Anströmung und Höhendifferenz zwischen Rohrsohle und Pumpensumpf.

1.5xC o

C w

A

C c

wC

cp

A

A

2x in

let p

ipe

diam

eter

C o

C o

6xC o

>DN2+150C o

C b

45°

>5x Ø

0,75

x in

let p

ipe

dia

C w

Bild 5.6.1b: Beispiel KRT (nass aufgestellt) mit Anströmung längs zur Pumpenaufstellung und Diffe-renz zwischen Rohrsohle und Pumpensumpf.

C c

wC

cp

A

A

A

h= 0,06 inlet pipe dia

h= 0,18 inlet pipe dia

2 C

o

C o

>5x

Ø

C w (1.25 inlet pipe dia)

C o

6xC o

>DN2+150

C b

45°

>0,7

5 in

let p

ipe

dia

C w (>1.25 inlet pipe dia)

Bild 5.6.1c: Beispiel KRT (nass aufgestellt) mit Anströmung längs zur Pumpenaufstellung, ohne Differenz zwischen Rohrsohle und Pumpensumpf.

C cw

C cp

A

A

>A/2

>5x

Ø

2x C

o

C w (1.25 inlet pipe dia)

C o

6xC o

>DN2+150

45°

C w (>1.25 inlet pipe dia)

C o

Bild 5.7: Tauchmotormischer im Pumpensumpf

5

Im Anhang vergrößert

Im Anhang vergrößert

Im Anhang vergrößert

80

Örtlich: In Fällen von örtlichen

Ablagerungen kann der Mixer

mit dem Kern des Strahles direkt

auf die Problemzone ausgerichtet

werden; Zonen, die durch die

Form oder den Zulauf genügend

suspendieren, können ohne

Zusatzaufwand belassen werden.

Auch Schwimmschlamm kann

durch die Positionierung des

Mischers eingemischt und damit

abgepumpt werden. Die wesent-

lichen Vorteile sind demnach:

•DerMischerkannentsprech-

end der Schwere der Situation

z.B. durch Flüssigkeitsgemisch

(spezifisches Gemisch), Größe

und Gestalt des Sumpfes usw.

ausgelegt werden.

•DasgesamteSumpfvolumen

kann durch einen kleinen

Mixer erfasst werden.

•Flexibilität(sieheoben)

•KeineReduzierungdes

Pumpenvolumenstromes und

vollständiges Abpumpen ohne

zusätzliche Reinigungsvorgänge.

5.8 Die Notwendigkeit von Modelltests

Aufgabe von Modelltests ist es,

die Ausbildung der Strömungen

in einer geplanten Pumpstation

in einem verkleinerten Modell

maßstäblich nachzubilden.

Damit erhält man die

Möglichkeit, Problemzustände

(Wirbelbildung, ungleichförmige

Geschwindigkeitsverteilung

usw.) gezielt zu erfassen und bei

Bedarf positiv zu beeinflussen.

Wegen der guten Transparenz

benutzt man in der Regel

Acrylglas als Modellwerkstoff.

Um die Strömungsverhältnisse

auf das Original übertragen zu

können, werden zur Gestaltung

des Modells dimensionslose

Kennzahlen genutzt. Diese

Kennzahlen beschreiben die in

der Flüssigkeitsströmung

wirkenden Kräfte; sie sollen für

Modell und Original möglichst

gleich sein. Die relevanten

Kräfte sind u.a. die Schwerkraft

sowie die Kräfte aus dynami-

scher Viskosität, Oberflächen-

spannung und Massenträgheit

der strömenden Flüssigkeit. Die

dafür geltenden dimensions-

losen Kennzahlen lauten:

Legende:

v = Durchflussgeschwindigkeit

in m/s

d = hydraulischer Durchmesser

in m

ν = kinematische Viskosität in

m2/s

g = Fallbeschleunigung in m/s2

l = charakteristische Länge (in

der Hydraulik) in m

σ = Oberflächenspannung in

N/mm2.

Da diese Kennzahlen zum Teil

wiederum voneinander ab-

hängen, können sie bei der

maßstäblichen Umsetzung in

das Modell nicht alle gleich-

zeitig eingehalten werden. Es

muss daher ein Kompromiss

dahingehend gefunden werden,

der für den gegebenen An-

wendungsfall ein Optimum

darstellt.

Die Modelluntersuchungen sind

dann unbedingt erforderlich,

wenn eines oder mehrere der

nachstehenden Kriterien für das

Einlaufbauwerk bzw. den

Pumpensumpf zutreffen:

•DasBauwerkskonzeptweicht

von den bewährten Ausfüh-

rungen hinsichtlich der

Kammermaße bzw. Rohrlei-

tungsführung, Wandabstände,

starke Richtungsänderungen

zwischen Einlauf ins Bauwerk

und Zuströmung zur Pumpe

usw. ab

•DerVolumenstrombeträgt

pro Pumpe mehr als 2,5 m3/s

bzw. für die gesamte Pump-

station mehr als 6,3 m3/s.

•DieZuströmungerfolgt

asymmetrisch und / oder

ungleichförmig.

•BeiwechselndemBetriebder

Pumpen in einer Mehr-

pumpenstation gibt es jeweils

starke Richtungsänderungen.

•EineexistierendePumpstation

bereitet Probleme.

REYNOLDS-Zahl Rev dν

=

FROUDE-Zahl Frv

√gl=

WEBER-Zahl Weρ v 2 l

σ=

Bauwerksgestaltung5

(22)

5.9 Versuchsaufbau

Die Geometrie des Modells muss

entsprechend dem gewählten

Maßstab und unter Beachtung

der beschriebenen Kennzahlen

mit dem Original überein-

stimmen. Dies betrifft den

wasserführenden Teil des

Baukörpers und die Pumpen.

Neben dem Bauwerksteil werden

auch die Pumpen aus transpa-

rentem Werkstoff nachgebildet.

Auf die Nachbildung des Lauf-

rades kann verzichtet werden, da

das Ziel der Untersuchung nur

die Laufradanströmung ist.

Anstatt eines Laufrades setzt

man ein Rotameter ein, dessen

Umdrehungszahl einen Rück-

schluss auf die Wirbelbildung im

Zulauf zulässt.

Über den gesamten Ansaug-

querschnitt der Modellpumpe

werden an Referenzstellen die

Strömungsgeschwindigkeiten

gemessen. Dies geschieht per

Pitot-Rohr oder Laser. Bei der

Bewertung von Wirbelausbil-

dungen wird neben der Flüssig-

keitsoberfläche auch der

darunter liegende Wand- und

Bodenbereich beobachtet. Die in

einem gedachten Strömungs-

querschnitt vorhandene Wirbel-

intensität wird mittels Farb-

sonden sichtbar gemacht und in

ihrer Größe mit dem Drallwinkel

θ des Rotameters gemessen.

81

Hierfür gilt:

Legende:

dm = Rohrdurchmesser (hier

des Pumpensaugrohrs) m

n = Umdrehungen des

Rotameters 1/s

u = axiale Strömungs-

geschwindigkeit m/s

Nach Hecker werden die Ober-

flächenwirbel in sechs Kate-

gorien (1 = gering, 6 = sehr

stark, Bild 5.9a) und die getau-

chten Wirbel in drei Kategorien

eingeteilt (Bild 5.9b).

Solange man sich an Grafiken

orientiert, sehen diese Wirbel-

entwicklungen recht harmlos

aus. Doch bereits Wirbelaus-

bildungen im Rahmen von

Modelluntersuchungen ver-

mitteln einen Eindruck dessen,

welche Gegebenheiten sich in

der realen Anlage einstellen

können. Anders als im Labor

hat man es in Pumpstationen

selten mit klarem Wasser zu tun

und es ist schwierig, auftretende

Wirbelformationen als Problem-

ursache zu ermitteln, besonders

wenn es sich um getauchte

Wirbel handelt.

Die für die Untersuchungsme-

thode geltenden Kriterien

können je nach Pumpenbauart

sowie Ausführung und Größe

der Anlage geringfügig variieren.

Θπ° dm n

u= ( )tan-1

Bauwerksgestaltung

Bild 5.9a: Klassifizierung von Oberflächenwirbeln nach Hecker (Typen 1 bis 6 )

Bild 5.9b: Klassifizierung von getauchten Wirbeln nach Hecker (Typen 1 bis 4 )

leichte Oberflächen-drehung

Oberflächendrehungmit Eindellung

ausgeprägte Ober-flächendelle, derenKernbereich visualisiert werden kann (Farbe)

voll ausgebildeter Luftkern bis in die Einlaufdüse der Pumpe

Wirbel, der Luftblasen separiert und diese in die Pumpe zieht

Wirbeldelle, die Verunreinigungen von der Oberfläche nach unten zieht

Typ 4 Typ 5 Typ 6

Typ 1 Typ 2 Typ 3

Typ 1: Leichter Bodenwirbel bzw.leichter Seitenwandwirbel

Typ 2: Bodenwirbel bzw. Seitenwandwirbel

Typ 3: Luftziehender Bodenwirbel bzw. Seitenwandwirbel

Typ 4: Bodenwirbel bzw. Seitenwandwirbel mit Dampfkern

5

(23)

82

5.10 Bewertung der Ergebnisse

Die Messergebnisse sollten vor

Abschluss der Planungen vom

Bauwerksplaner, dem End-

kunden, dem Pumpenhersteller

und der untersuchenden

Institution gemeinsam bestätigt

werden.

Hauptkriterien sind:

1. Die mittlere Strömungs-

geschwindigkeit an den

definierten Messpunkten des

Ansaugquerschnitts sollten

nicht mehr als 10 % vom

Mittelwert abweichen.

2. Der Drallwinkel sollte nicht

mehr als 5 Grad betragen. Ein

Drallwinkel von 6 Grad ist

dann noch zu tolerieren, wenn

dieser in weniger als 10 % des

Betrachtungszeitraums auftritt.

3. Oberflächenwirbel dürfen

nur bis zum Typ 2 und

getauchte Wirbel nur bis zum

Typ 1 akzeptiert werden. In

Ausnahmefällen kann ihr

Auftreten in weniger als 10 %

des Betrachtungszeitraums

toleriert werden.

Generell gilt: Im Modell nur

schwach ausgeprägte Effekte

können im Großmaßstab

(Original) wesentlich stärker

ausgeprägt sein!

Die Untersuchungen sind mit

einem detaillierten Bericht der

untersuchten Betriebszustände

abzuschließen. Die beobachteten

Wirbelformationen und Betriebs-

zustände (entsprechend der ge-

testeten Wasserstände im Bau-

werk) sind auf Videoband zu

dokumentieren und dem

Auftraggeber zu übergeben.

KSB unterstützt und koordi-

niert auf Wunsch die Durch-

führung von projektbezogenen

Modelluntersuchungen.

5.11Die Bedeutung von CFD-Simulationen

Einlaufbauwerke müssen oft

den jeweiligen lokalen Gegeben-

heiten angepasst werden und

sind somit schwer zu standar-

disieren. Deshalb werden im

Vorfeld immer wieder Modell-

versuche durchgeführt, die

einen sicheren Betrieb der

Großausführung gewährleisten

sollen. Die Hauptaufgabe dieser

Untersuchungen ist der Aus-

schluss von luftziehenden

Oberflächenwirbeln sowie von

Unterwasserwirbeln und die

Sicherung einer zulässigen

Geschwindigkeitsverteilung im

Eintrittsbereich der Pumpe.

Aufgrund der Strömung mit

freier Oberfläche wird dabei

das Froudsche Ähnlichkeits-

gesetz zur Skalierung

verwendet.

Eine gezielte örtliche Analyse

der Strömungsverhältnisse ist

nur über eine aufwendige

Messung der örtlichen Ge-

schwindigkeiten oder über

Farbsonden möglich. Eine oft

gewünschte Beurteilung des

Sedimentationsverhaltens von

festen Bestandteilen oder eine

Übersicht der Geschwindig-

keitsverhältnisse an beliebiger

Stelle im Einlaufbauwerk ist nur

begrenzt möglich.

Ausgehend von möglichen

Problemen, die beim Einsatz

von Pumpen in der Abwasser-

technik auftreten können,

bietet KSB an, diese unter

Einsatz einer bewährten CFD-

Simulations-Software zu analy-

sieren und damit vorhersagbar

zu machen.

Bauwerksgestaltung5

Um den hierfür erforderlichen

Erfahrungshorizont bereitzu-

stellen, werden die im eigenen

Haus durchgeführten Modell-

versuche und ihre Ergebnisse

numerisch analysiert. Dabei

konnte festgestellt werden, dass

die für Pumpen relevanten

Probleme qualitativ richtig

widergespiegelt werden. Dazu

gehören im Prinzip alle unter

Wasser auftretenden Wirbel-

typen. Auch die sich einstellende

charakteristische Strömungsform

wird im Allgemeinen richtig

wiedergegeben. Hierbei seien

stellvertretend die für Pumpen

gefährlichen instationären

Strömungen im Zulaufbereich,

das Auftreten von Vordrall und

die Analyse von Ablösezonen

genannt.

Wenn letztere die Wasserober-

fläche betreffen, beeinflussen sie

auch in starkem Maße ein früh-

zeitiges Auftreten von luftzie-

henden Wirbeln. Während die

Entstehung und die Ausbreitung

dieser durch Lufteintrag oft

großvolumigen Wirbelformen

der numerischen Behandlung nur

schwer zugänglich sind, erscheint

- entsprechende Erfahrung

vorausgesetzt - eine numerische

Vorhersage durchaus möglich.

83

Obwohl in der Simulation die

freie Oberfläche normalerweise

als reibungsfreie Wand ange-

nommen wird, können die

Gründe für luftziehende Wirbel

gefunden werden. In diesem

Zusammenhang wird versucht,

eine Verbindung zwischen dieser

vereinfachten Annahme und dem

tatsächlichen Auftreten

luftziehender Wirbel zu finden.

Das Ziel der Berechnungen ist

erreicht, wenn die sich aus der

numerischen Analyse ergebenden

Schlussfolgerungen auch bei ex-

tremen Zuströmbedingungen mit

den Resultaten aus dem Modell-

versuch übereinstimmen und

somit der sichere Betrieb der

Pumpen gewährleistet werden

kann. Nach den bisherigen

Erfahrungen bei KSB ist dies

möglich.

Das Rechenergebnis liefert im

Allgemeinen aufgrund seiner

Komplexität mehr Hinweise auf

problematische Strömungs-

formen als der Modellversuch.

Entscheidend ist die richtige

Interpretation des Rechenergeb-

nisses, um das Wesentliche vom

Unwesentlichen zu trennen und

Risikofaktoren zu quantifizieren.

Die Kontrolle von Einlaufver-

hältnissen durch eine CFD-

Simulation ist heute etabliert.

Dies zeigt auch die zunehmende

Forderung von Kunden, für

vorgegebene Einlaufbauwerke

entsprechende Berechnungen

durchzuführen.

Um CFD-Berechnungen effektiv

anwenden zu können, sollten die

durch die Simulation zu beant-

wortenden Fragen im Vorfeld

mit dem Auftraggeber eingehend

diskutiert werden. Nur wenn

klar ist, welche Probleme zu ana-

lysieren sind, ist ein effizienter

Einsatz des doch recht aufwen-

digen Hilfsmittels CFD möglich.

Bauwerksgestaltung 5

84

Nutzen der CFD-Analyse

Der Hauptnutzen einer CFD-

Analyse ist nicht das Ersetzen

von Modellversuchen. Das

Hilfsmittel CFD sollte einge-

setzt werden, wenn der

Charakter von zu erwartenden

Betriebsproblemen seine

Anwendung erfordert. So

können Strömungsformen mit

instationärem Charakter oder

das Sedimentationsverhalten

des Pumpensumpfes einfacher

analysiert werden als im

Modellversuch.

Im Vorfeld müssen deshalb

durch eine logische Analyse

potentielle Probleme und deren

Charakter abgeschätzt werden.

Nachfolgend ist zu entscheiden,

ob ein Modellversuch, eine

CFD-Analyse oder Beides zu

erwartende Betriebsprobleme

ausschließt.

Verwendete Software

Für die Lösung der allgemeinen,

die Strömung beschreibenden

Navier-Stokes-Gleichungen

wurde in der Vergangenheit

eine entsprechende Software

entwickelt; diese wird heute

kommerziell angeboten. KSB

verwendet mit der Software des

Anbieters ANSYS ein wirksames

Instrument, um Strömungsvor-

gänge recht präzise vorhersagen

zu können. Der Zeit- und

Kostenaufwand einer derartigen

Simulation hängt ab von

- der Größe des zu modellie-

renden Strömungsbereiches

- der gewünschten

geometrischen Auflösung

- der Rechnerleistung

- der Aufbereitungsform

(Report) und dem Umfang der

Ergebnisse.

Methode

Basis für die mathematische

Beschreibung von Fluidströ-

mungen sind die Gleichungen

von Navier-Stokes. Diese

beschreiben die Vorgänge in

jedem Punkt einer Strömung

mittels partieller Differential-

gleichungen für die Massen-, die

Energie- und die Impulsbilanz.

Die Berechnung jedes einzelnen

räumlichen Punktes einer

Strömung ist wegen des im-

mensen Aufwandes nicht

realisierbar. Daher legt man ein

Gitternetz an und berechnet

dessen Knotenpunkte. Nach

entsprechender Aufbereitung

dieses Gittermodells lässt sich

eine Aussage für die Druck- und

Geschwindigkeitsverteilung

machen bzw. lassen diese sich

einer numerischen und/oder

grafischen Analyse zuführen.

Um die Rechnungen vergleichbar

zu machen, wird ein Turbulenz-

modell verwendet, das die realen

Gegebenheiten erfahrungsgemäß

richtig widerspiegelt.

Bauwerksgestaltung

Bild 5.11a: Strömungsausbildung in einer KRT Pumpstation.

5

Ziele

Der Modellversuch ist besonders

aussagefähig bei der Diagnose

von Oberflächenwirbeln und

Drallwerten in den Pumpenein-

trittsebenen. Mit großem Auf-

wand können Geschwindig-

keitsverteilungen in der Lauf-

radebene untersucht werden. Die

Qualität der Strömung bei

komplizierten Einlaufkammer-

geometrien ist innerhalb des

Modellversuches nur mit viel

Erfahrung zu erkennen.

Hier liegt die Stärke der CFD-

Analyse: Die Strömung kann im

ganzen Volumen gut sichtbar

gemacht werden. Durch Gebiete

konstanter Geschwindigkeiten

und Schnittebenen kann die

Qualität der Strömung gut

analysiert werden.

In der Einlaufkammer können

folgende schwerwiegenden

Probleme auftreten:

85

•instationäreStrömungenim

Bereich der Pumpen.

•Sedimentationingroßen

Abwasseranlagen

•luftziehendeWirbelund

Unterwasserwirbel

•drallbehafteteZuströmungen

zu den Pumpen (Vordrall

führt zur verstärkter

Kavitation oder zu

Förderhöhenänderungen)

•Lufteintrag(hier:

Lufttransport durch die

Strömung).

Unter instationären Strömungen

versteht man zeitabhängige

Strömungen. Ändert sich die

Qualität der Strömung mit der

Zeit, müssen die Beschleuni-

gungskräfte durch die Pumpe

erzeugt werden, was im Normal-

fall zu Schwingungen führt.

Stark gefährdet sind hier

Pumpen hoher spezifischer

Drehzahl.

Sedimentbildung gefährdet bei

Abwasseranlagen im hohen

Maße den Betrieb der Anlage.

Das Austragen abgelagerter

Sedimente kann hohe Kosten

verursachen. Durch die

Kontrolle der bodennahen

Geschwindigkeiten kann die

Pumpenkammer hinsichtlich

der Sedimentationsgefahr

analysiert werden.

In der qualitativen Kammer-

strömung begründete luftzie-

hende Wirbel können gut vorher-

gesagt werden. So wird eine

tangentiale Einströmung in die

Kammer mit großer Sicherheit

einen Kammerwirbel und in

dessen Zentrum einen luftzie-

henden Wirbel verursachen.

Bild 5.11c zeigt das Beispiel

einer solchen Strömung.

Drallbehaftete Strömungen

beeinflussen die Förderhöhe der

Pumpe und die Leistungsauf-

nahme. Sie verändern aber auch

die Kavitationscharakteristik.

fx _ 1

ρ=∂ u∂ z

+w∂ u∂y

+v∂ u∂x

+u∂ u∂t

∂p∂x

+v [ +∂2u∂x2

+∂2u∂y2

∂2u∂z2 ]

fy _ 1

ρ=∂ v∂ z

+w∂ v∂y

+v∂ v∂x

+u∂ v∂t

∂p∂y

+v [ +∂2v∂x2

+∂2v∂y2

∂2v∂z2 ]

fz _ 1

ρ=∂ w∂ z

+w∂ w∂y

+v∂ w∂x

+u∂ w∂t

∂p∂z

+v [ +∂2w∂x2

+∂2w∂y2

∂2w∂z2 ]

Bild 5.11b: Navier – Stokes Gleichungssystem zur Strömungsbeschreibung.

Bauwerksgestaltung 5

Bild 5.11c: Ausgeführtes Bauwerk

(24)

86

Der Lufteintrag kann zwar

nicht berechnet werden; der

Transport von eintretender Luft

durch die Strömung ist aber

durch die Geschwindigkeits-

verteilung im Volumen

abschätzbar.

Zusammenfassung

Sind Betriebsprobleme zu

erwarten, sollte jedes Mittel

genutzt werden, um diese zu

analysieren und somit nach-

folgend Kosten zu vermeiden.

Für die Bewertung von

Strömungen in Einlaufbau-

werken und Pumpensümpfen ist

die CFD-Simulation ein geeig-

netes Mittel. Ihr Nutzen liegt in

der Vermeidung von Betriebs-

problemen in der späteren

Wasser- oder Abwasseranlage.

Die logische Analyse der zu

betrachtenden Anlage ist die

Basis für die Effizienz von

Modelltest und CFD-Analyse.

Bei KSB gehört das Instrument

der CFD-Simulation seit Jahren

zu den Engineering-Standard-

werkzeugen. Bei bestimmten

Pumpstationen bietet sich auch

eine Kombination von CFD-

Simulation und Modellversuch

zur Optimierung bzw.

Lösungsfindung an.

Bauwerksgestaltung

Bild 5.11d: Simulation einer Pump-station mit mehreren Pumpen.

Bild 5.11e: Ausgeführtes Bauwerk, der vorher berechneten KRT Pumpstation.

5

Quellennachweis

[5.1] M. J. Prosser, The Hydraulic Design of Pump Sumps and Intakes, BHRA, July 1977

[5.2] W.H. Hager, Abwasserhydraulik: Theorie und Praxis, Springer Verlag, ISBN 3-540-55347-9, 1994

[5.3] I.E. Idelchik, Handbook of Hydraulic Resistance, 3rd Edition,

Research Institute for Gas Purification, Moscow 1994, ISBN 0-8493-9908-4

[5.4] W. Kröber, Entwicklung eines Abwasserpumpschachts mit optimierter Strömungsführung zur

Verhinderung von Schwimmschlammdecken und Sedimentationen, Diplomarbeit an der TU Berlin,

Mai1996

[5.5] Norma Kirchheim, Kanalablagerungen in der Mischkanalisation, DWA 2005

[5.6] Hydraulic Institute, American National Standard for Pump Intake Design, ANSI / HI 9.8-1998

Autoren

Kapitel 1 - Hr. Dipl.-Ing. Hahn, Ralf

Kapitel 2 - Hr. Dipl.-Ing. Pensler, Thomas

Kapitel 3 - Hr. Dipl.-Ing. Kurrich, Ralf

Kapitel 4 - Hr. Dipl.-Ing. Grothe, Günter ; Hr. Dipl.-Ing. Deutsch, Karl-Heinz

Kapitel 5 - Hr. Dipl.-Ing. Springer, Peer ; Hr. Dipl.-Ing. Kothe, Bernd

87

Bauwerksgestaltung 5

88

Diagramme

Grafiken

Bild 1: Beispiel einer Zulaufganglinie für mathematisches Berechnungsmodell

0

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

Zeit t in s

Beispiel Tagesganglinie

Zula

ufvo

lum

enst

rom

Qzu

in l/

s

Fakt

or Y

1

3600

7200

1080

014

400

1800

021

600

2520

028

800

3240

036

000

3960

043

200

4680

050

400

5400

057

600

6120

064

800

6840

072

000

7560

079

200

8280

086

400

Bild 1.4: Einfluss von NPSH vorh. auf die Drosselkurve der Pumpe (Quelle: KSB Kreiselpumpen-Lexikon).

Q1 Q2 Q

HNPSH

QH-Linie

HA

NPSHvorh (2)

NPSHvorh (1)

NPSHerf

A1

A2

B

89

Grafiken

Bild 1.9: Förderhöhenkennlinie und deren Verminderung um die inneren hydraulischen Verluste. Darstellung in Verhältnisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt.

H

Q

Q-H Kennlinieverlustfreie KennlinieReibverlusteStoßverlusteQeta,opt

Heta,opt

Punkt Q stoßfrei

Bild 1.10: Wirkungsgradkennlinie η =f ( Q ). Darstellung in Verhältnisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt.

η

Q

H Q-H KennlinieQeta,opt

Heta,opt

Punkt Q stoßfreiQeta Kennlinie

90

Bild 1.11: NPSH3%-Kennlinie, NPSH3% = f (Q). Darstellung in Verhältnisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt.

Bild 1.12: Aufgenommene elektrische Leistung P2 = f (Q). Darstellung in Verhältnisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt.

H p

Q

Q-H KennlinieQeta,opt

Heta,opt

Punkt Q stoßfreiQ-P2 Kennlinie

H

Q

Q-H KennlinieQeta,opt

Heta,opt

Punkt Q stoßfreiQ-NPSH 3% Kennlinie

Grafiken

91

Bild 1.13: Anlagenkennlinie – Summe aus statischem und dynamischem Förderhöhenanteil.

H

Q

PumpenkennlinieAnlagenkennlinieHstatisch oder Hgeo

Hdynamisch

QAP

HAP

Arbeitspunkt der Pumpe

Bild 1.14: „Betriebsgrenzen Qmin und Qmax– Darstellung des zuläsigen Dauerbetriesbereiches der Kreiselpumpe (Qmin ca. 0,3 * Q eta,opt und Qmax ca. 1,4 * Q eta,opt)“

H

Q

Anlagenkennlinie

Hgeo

Qmin

Qηopt

PumpenkennlinieAP

Qmax

zulässiger Dauerbetriebsbereich

Grafiken

92

Bild 1.15: Bevorzugter bzw. optimaler Arbeitsbereich beim Abwassertransport.

H

Q

Anlagenkennlinie

Hgeo

Qmin

Qηopt

PumpenkennlinieAP

QmaxoptimalerArbeitsbereich

zulässiger Dauerbetriebsbereich

Bild 1.16: Veränderung des Arbeitspunktes der Pumpe bei starrer Drehzahl und Variation der statischen Förderhöhe zwischen saugseitigem Ein- und Ausschaltwasserpegel.

H

Q

AP(ein)

Anlagenkennliniebei Ausschaltpegel

Hgeo,max

Qmin

Qηopt

PumpenkennlinieHgeo,min

AP(aus)

Anlagenkennliniebei Einschaltpegel

Grafiken

93

Bild 1.17: Veränderung des Arbeitspunktes der Pumpe bei Veränderung der Druckverluste in der Förderleitung wie z.B. Änderung der Rohrleitungsnennweite, Änderung des Förderweges bzw. der -länge oder Ablagerungen und Verkrustungen in der Rohrleitung.

H

Q

AP1

Anlagenkennlinie 1

Hgeo

Qmin

Qηopt

Pumpenkennlinie

AP2

AP3

Drosselkurve 2

Drosselkurve 3

Bild 1.18: Trimmen oder Anpassen des Laufraddurchmessers auf den gewünschten Arbeitspunkt der Pumpe.

H

Q

D2max

AP Anlagenkennlinie

Hgeo

Qmin

Qηopt

Trimmdurchmesser D2T

D2min

Grafiken

94

Bild 1.19: Veränderung des Arbeitspunktes einer Kreiselpumpe bei Variation der Drehzahl.

H

Q

n1

AP1

Anlagenkennlinie

Pumpenkennlinie

Hgeo

Qmin

Qηopt

AP2

AP3

n2n3

Bild 1.20: Parallelbetrieb von zwei identischen Kreiselpumpen. Die Einzelstrangverluste (Druckverluste bis zur Einbindung in die Sammelleitung) sind in der reduzierten Pumpenkennlinie berücksichtigt.

H

Q

Agg1 oder 2

Agg1 & Agg2reduzierte Kurven

AP

AnlagenkennlinieSammelleitung

FörderhöhenverlusteEinzelleitungen Agg1 bzw. Agg2

Hgeo

Qmin

Qηopt

um Einzelleitungsverlustereduzierte Pumpenkennlinie

Grafiken

95

Bild 1.21: Parallelbetrieb von zwei unterschiedlichen Kreiselpumpen. Die Einzelstrangverluste (Druckverluste bis zur Einbindung in die Sammelleitung) sind in der reduzierten Pumpenkennlinie berücksichtigt.

H

Q

Agg2Agg1 Agg1 & Agg2

reduzierte Kurven

APAnlagenkennlinieSammelleitung

FörderhöhenverlusteEinzelleitungen Agg1 bzw. Agg2

Hgeo

Qmin

Qηopt

Bild 1.22: Reihenschaltung von zwei identischen Kreiselpumpen.

H

Q

Agg1 & Agg2

AP

Anlagenkennlinie

Hgeo

Qmin

Qηopt

Agg1 bzw. Agg2

um Einzelleitungsverlustereduzierte Pumpenkennlinie

Grafiken

96

Regenwetterpumpe 1+1

Q/Qopt = 0,8

Q ηopt

Q/Qpot = 1,2

n1

n2

n3

Tagespumpen 2+1

Nachtpumpen 1+1

Q

H

Bild 1.23: Pumpenstaffelung in Regenwetter-, Tages- und Nachtpumpen zum Abdecken unterschiedlicher Förderwege bei unterschiedlichen Wasserständen und Tagesereignissen.

Grafiken

97

1 1,2

10

100

1000

10000

10l / l Bemessung

2h

Ausl

ösez

eit i

n Se

kund

en

Bild 3.5: Auslösekennlinie für thermisch verzögerte Überstromauslöser der Klasse 10 nach EN 60947-6-2

Kapitel 4.1.1.1a: Kostenstruktur für Bau und Betrieb einer Rohrleitung

Kost

en

Durchmesserder Rohrleitung

Investitionskostender Rohrleitung

Energiekosten

Gesamtkostenkosten

Grafiken

98

Kapitel 4.1.1.1b: Mindestströmungsgeschwindigkeit

0

10

20

30

40

50

Stein Kunststo� Mullbinde Papiertuch Kies Sand

Keramik 1

Keramik 2

Epoxidharz - Anthracenöl

Epoxidharz, ausgehärtet

Polyurethan

α in Grad

Bild 5.4 b: Abgleitwinkel verschiedener Abwasserbestanteile bei entsprechender Beschichtung (ohne Strömungseinfluss).

0

1

2

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

horizontal

vertikal

2,4

1,4

Strö

mun

gsge

schw

indi

gkei

t

m/s

DN (mm)

Grafiken

99

Bild 5.5a: Geometrische Ausbildung der Boden- und Trennsplitter.

DN3=500DIN EN 1092-2

DN1

t3

30°1,2x

t3

1,5xDN1

0,5x

t3

1xDN1

45°

45°C cp

60°..90°

C cp/2

45°

DN3=500DIN EN 1092-2

DN1

t3

30°1,2x

t3

1,5xDN1

0,5x

t3

1xDN1

45°

45°

C cp

60°..90°

C cp/2

45°

Grafiken

100

Bild 5.5b: Draufsicht - Trennsplitter zwischen zwei Pumpen.

bis an die Berme gezogen

Grafiken

101

Bild 5.6a: Mindestabmessungen für den Pumpensumpf

Grafiken

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Abmessung in mm

1800

2000

Volu

men

stro

m Q

[l/s

]

500,

010

00,0

015

00,0

2000

,00

2500

,030

00,0

0,0

C b C 0 C cw

102

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Volu

men

stro

m Q

[l/s

]

500,

010

00,0

015

00,0

2000

,00

2500

,030

00,0

0,0

Abmessung [mm]

C w C cp

5.6b: Mindestabmessungen für den Pumpensumpf

Grafiken

103

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Volu

men

stro

m Q

[l/s

]

Abmessung [mm]

500,

010

00,0

015

00,0

2000

,00

2500

,030

00,0

0,0

9000

1000

0

A

Bild 5.6c: Mindestabmessungen für den Pumpensumpf

Grafiken

104

Bild 5.6.1a: Beispiel KRT (nass aufgestellt) mit direkter Anströmung und Höhendifferenz zwischen Rohrsohle und Pumpensumpf.

1.5xC o

C w

A

C c

wC

cp

A

A

2x in

let p

ipe

diam

eter

C o

C o

6xC o

>DN2+150C o

C b

45°

>5x Ø

0,75

x in

let p

ipe

dia

C w

1.5xC o

C w

A

C c

wC

cp

A

A

2x in

let p

ipe

diam

eter

C o

C o

6xC o

>DN2+150C o

C b

45°

>5x Ø

0,75

x in

let p

ipe

dia

C w

Grafiken

105

Bild 5.6.1b: Beispiel KRT (nass aufgestellt) mit Anströmung längs zur Pumpenaufstellung und Differenz zwischen Rohrsohle und Pumpensumpf.

C c

wC

cp

A

A

A

h= 0,06 inlet pipe dia

h= 0,18 inlet pipe dia

2 C

o

C o

>5x

Ø

C w (1.25 inlet pipe dia)

C o

6xC o

>DN2+150

C b

45°

>0,7

5 in

let p

ipe

dia

C w (>1.25 inlet pipe dia)

C c

wC

cp

A

A

A

h= 0,06 inlet pipe dia

h= 0,18 inlet pipe dia

2 C

o

C o

>5x

Ø

C w (1.25 inlet pipe dia)

C o

6xC o

>DN2+150

C b

45°

>0,7

5 in

let p

ipe

dia

C w (>1.25 inlet pipe dia)

Grafiken

106

Bild 5.6.1 c: Beispiel KRT (nass aufgestellt) mit Anströmung längs zur Pumpenaufstellung, ohne Differenz zwischen Rohrsohle und Pumpensumpf.

C cw

C cp

A

A

>A/2

>5x

Ø

2x C

o

C w (1.25 inlet pipe dia)

C o

6xC o

>DN2+150

45°

C w (>1.25 inlet pipe dia)

C o

C cw

C cp

A

A

>A/2

>5x

Ø

2x C

o

C w (1.25 inlet pipe dia)

C o

6xC o

>DN2+150

45°

C w (>1.25 inlet pipe dia)

C o

Grafiken

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