Pumpen für Abwasser- und Kläranlagen: Auslegung und Praxisbeispiele

373 Pages·2014·20.16 MB·German

by  Dominik Surek (auth.)

Dominik Surek
Pumpen für
Abwasser- und
Kläranlagen
Auslegung und Praxisbeispiele
Pumpen für Abwasser- und Kläranlagen
Dominik Surek
Pumpen für Abwasser- und
Kläranlagen
Auslegung und Praxisbeispiele
DominikSurek
An-InstitutFluid-undPumpentechnik
HochschuleMerseburg
Merseburg,Deutschland
ISBN978-3-658-02959-3 ISBN978-3-658-02960-9(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-02960-9
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Meinem Sohn
Frank Michael
gewidmet
Vorwort

Gegenwärtig haben sich Abwasserpumpen- und Kläranlagen zu beachtlichen verfahrenstechnischen Anlagen und zu
einem nennenswerten Wirtschaftsbereich herausgebildet, in denen die unterschiedlichsten Kreiselpumpen und Ver-
drängerpumpen für Abwasser bis zum konzentrierten Schlamm eingesetzt werden. Dieser Entwicklung folgend
bildeten sich auch in der Pumpenindustrie Bereiche und teilweise Werke für Abwasser- und Klärwerkspumpen her-
aus, die mit steigenden Umsatzzahlen erfolgreich arbeiten. Dabei bestehen folgende vier Forderungen:
- Energieeffizienz
- Betriebssicherheit
- Verstopfungsfreiheit
- Automatisierungsfähigkeit.
Gegenwärtig werden diese Forderungen sehr deutlich erhoben, sodass auch die Universitäten und Hochschulen
diesem Ruf durch neue Aktivitäten folgen sollen. Bisher gibt es kein spezielles Pumpenfachbuch für die Abwasser-
und Klärwerkspumpen. Das mag daran liegen, dass die Abwasserförderung und die Klärtechnik infolge der Konsis-
tenz der Fluide, Pumpen der verschiedenen Bauarten von speziellen Kreiselpumpen bis zu rotierenden Verdränger-
pumpen, Exzenterschneckenpumpen und Membrankolbenpumpen fordern. Infolge dieses Tatbestandes sind von
allen größeren Pumpenfirmen, die Abwasser- und Kläranlagenpumpen fertigen, auch Handbücher, Planungsunterla-
gen und Spezialkataloge erarbeitet worden, die die Planungsbüros und die Betreiber dieser Pumpen unterstützen.
Voran ist die Firma Flygt, heute Xylem, zu nennen, die bereits 1991 den Spezialkatalog Nr. 8 herausgab und im Jahr
2013 einen neuen Abwasserkatalog vorlegte. Die KSB-Aktiengesellschaft legte von 2005 bis 2012 einen Pumpenka-
talog für die Auslegung von Kreiselpumpen und sechs Schriften für Abwasserpumpen mit Planungsunterlagen für
die Entwässerung, die Pumpenregelung und die Anlagenautomatisierung vor. Zu nennen sind auch die Planungs-
handbücher für die Abwassertechnik und Klärwerksprozesse von den Firmen WILO SE, Sulzer, Grundfos, Egger,
Netzsch, Seepex und Allweiler, um nur einige zu erwähnen.
Unternimmt man den inzwischen überfälligen Versuch ein Buch über die Abwasser- und Klärwerkspumpen zu ver-
fassen, so kommt man an diesem reichen Firmenfundus nicht vorbei. Es muss jedoch ein Integrationskonzept für die
Belange der Abwasserbehandlung, des Abwassertransports und der Abwasserreinigung entwickelt werden, das unter
den gegenwärtigen und den zukünftigen Anforderungen Bestand hat und dem sinkenden Trinkwasserverbrauch je
Einwohner und Tag und der zunehmenden Abfallentsorgung mit dem Abwasser Rechnung trägt.
Darin sind die schwierigen theoretischen Aufgaben der Pumpenauslegung für Schmutz- und Abwasser mit nicht-
Newtonschem und Bingham- sowie dilatantem Verhalten und für strukturviskose Fluide ebenso zu behandeln wie
die Strömungsvorgänge in den Zulauf- und Saugstutzen, um verstopfungsfreie Laufräder wie beispielsweise Frei-
stromlaufräder und Einkanallaufräder zu entwickeln. Die Anwender werden auch Hinweise erhalten über den weite-
ren Entwicklungstrend der Abwasserpumpen als trocken installierte Pumpen mit ihren hygienischen und technischen
Vorteilen aber der schwächeren Motorkühlung und über Tauchmotorpumpen mit der direkten Flüssigkeitskühlung,
der schwierigen Zulaufströmung und der Gefahr der Wirbelbildung und Ausbildung luftziehender Wirbel.
In dem Buch werden eine Reihe quantitativer Hilfen für die Auswahl der richtigen und zweckmäßigen Abwasser-
pumpen, aber auch qualitative Auswahlhilfen unter den o. g. Randbedingungen bereitgestellt. Einige Grundlagen
und Resultate über die Simulationsrechnungen der Strömung in den Saug- und Zulaufbecken entstanden mit der
Hilfe von Frau Dipl.-Ing. Silke Stempin und der Firma KSB AG, wofür der Verfasser außerordentlich dankbar ist.
Die Berechnung der erforderlichen Zulaufhöhe des Fluids zur Pumpe im offenen Zulaufbecken erfolgt mit Hilfe der
Ähnlichkeits-Kennzahlen unter dem Einfluss der Gravitationskraft. Ein Vergleich mit den bisher genutzten empiri-
schen Verfahren zur Bestimmung der Mindestzulaufhöhe zur Pumpe zeigt zufriedenstellende Resultate, sodass ein
weiterer Schritt bei der Bestimmung der erforderlichen Zulaufhöhe getan wurde. Dafür wurde die Beckenzahl Be als
neue dimensionslose Kennzahl eingeführt, die das Verhältnis der Reynoldszahl zur Froudezahl darstellt.
Der Verfasser dankt allen einschlägigen Pumpenfirmen, insbesondere den Firmen Xylem, KSB AG, WILO SE,
Sulzer, Grundfos, Egger, Allweiler, Netzsch und Seepex für die großzügige Bereitstellung ihrer Kataloge und Pros-
pekte sowie für die Bereitschaft zur Veröffentlichung des Bildmaterials. Für den fachlichen Gedankenaustausch soll
besonders Herr Prof. Dieter-Heinz Hellmann, Vorstandsmitglied der KSB AG, Herrn Dipl.-Ing. Bernd Kothe der
Firma KSB AG und Herrn Johannes Jaschke von der Firma Xylem gedankt werden. Schließlich gebührt ein herzli-
cher Dank nochmals Frau Silke Stempin für die Bearbeitung des Layouts und Herrn B.Eng. Michael Richter für die
Anfertigung der Zeichnungen und der Abbildungen. Frau Stempin dankt der Verfasser für das Lesen des Manuskrip-
tes.
VIII Vorwort
Nicht zuletzt aber dankt der Verfasser sehr aufrichtig dem Springer-Vieweg-Verlag und dort besonders dem Chef-
lektor im Lektorat Maschinenbau Herrn Dipl.-Ing. Thomas Zipsner und Frau Ellen Klabunde für die stets gute und
konstruktive Zusammenarbeit.
Dem Autor bleibt die Hoffnung, dass das Werk viele interessierte Leser findet. Für neue und weitere Anregungen
zur Vervollständigung des Buches ist der Autor allen aufmerksamen Lesern dankbar. Für Vorschläge steht Ihnen die
E-Mail-Adresse [email protected] und die Postadresse An-Institut Fluid- und Pumpentechnik, Geu-
saer Straße, 06217 Merseburg zur Verfügung.

Dominik Surek Merseburg, im März 2014
Inhaltsverzeichnis

Vorwort.......................................................................................................................................................VII
Inhaltsverzeichnis.......................................................................................................................................IX
Bezeichnungen..........................................................................................................................................XIV
Indizes und Abkürzungen.......................................................................................................................XVI
1 Einleitung......................................................................................................................................................1
2 Kläranlagen und Abwasseranlagen.............................................................................................................2
2.1 Natürlicher und Urbaner Wasserkreislauf.......................................................................................................2
2.2 Klärbecken und Wasseroberflächen von Klärbecken.....................................................................................4
2.3 Abwasserzufluss zur Kläranlage.....................................................................................................................9
3 Pumpenbauarten und Pumpenanlagen zur Abwasserförderung...........................................................12
3.1 Tauchmotorpumpen für die Nassinstallation................................................................................................13
3.2 Abwasserpumpen für die Nass- und die Trockeninstallation........................................................................13
3.3 Tauchgeneratorturbinen und Hydrokinetische Turbinen..............................................................................17
3.3.1 Dimensionslose Kennzahlen Hydrokinetischer Turbinen.............................................................................19
3.3.2 Kennlinien von Tauchgeneratorturbinen und Hydrokinetischen Turbinen...................................................21
3.3.3 Ausgeführte Wasserturbinenanlagen............................................................................................................22
3.4 Pumpenanlagen für die Abwasserförderung.................................................................................................24
3.5 Rührwerke für Abwasserbecken...................................................................................................................30
3.6 Strahlreiniger für Klärbecken.......................................................................................................................34
4 Laufräder für Abwasserpumpen...............................................................................................................35
4.1 Ein- und Mehrkanallaufräder........................................................................................................................37
4.2 Freistromlaufräder........................................................................................................................................39
4.3 Abwasserpumpen mit Kanalrad bis Axialrad...............................................................................................45
4.4 Axiallaufräder für Rührwerke.......................................................................................................................52
5 Kennfelder und Kennlinien von Abwasserpumpen.................................................................................54
5.1 Kennfelder....................................................................................................................................................54
5.2 Kennlinien....................................................................................................................................................58
5.3 Kennlinien für Kanallaufräder......................................................................................................................59
5.4 Kennlinien für Axialpumpen........................................................................................................................62
5.5 Anlagenkennlinien und Betriebspunkt..........................................................................................................64
5.6 Kennlinien für Parallel- und Reihenschaltung von Abwasserpumpen..........................................................66
5.7 Kennlinien und Leistungskennlinien bei Parallelbetrieb..............................................................................68
6 Berechnung von Anlagenkennlinien.........................................................................................................71
6.1 Reynoldszahl der Anlagenströmung.............................................................................................................72
6.2 Geometriegröße in der Reynoldszahl............................................................................................................73
6.3 Druckverlustbeiwerte und äquivalente gerade Rohrlängen..........................................................................76
X Inhaltsverzeichnis
6.4 Rohr- und Pumpenwerkstoffe und Rohrrauigkeiten.....................................................................................79
6.5 Lösung der Bewegungsgleichung für ein Binghamfluid im Rohr................................................................80
6.6 Berechnung der Druckverluste und der Anlagenkennlinien.........................................................................81
6.7 Auswahlberechnung für eine Tauchmotorpumpe.........................................................................................83
7 Strömungstechnische Grundlagen............................................................................................................85
7.1 Physikalische Beschreibung von Abwasser, Schlamm und Papierstoff........................................................85
7.2 Geschwindigkeitsgradienten und Reynoldszahlen von Suspensionen..........................................................87
7.3 Strömungseigenschaften von Abwasser, Schlamm und Papierstoff.............................................................89
7.4 Binghamflüssigkeiten...................................................................................................................................89
7.5 Sinkgeschwindigkeit, Pumpenströmung und kritische Geschwindigkeit.....................................................92
7.5.1 Sinkgeschwindigkeit von Feststoffpartikeln.................................................................................................95
7.5.2 Kritische Geschwindigkeit............................................................................................................................96
8 Auslegungsberechnung von Pumpen für Flüssigkeits-Feststoffgemische..............................................98
8.1 Auslegungs- und Betriebskriterien...............................................................................................................99
8.2 Berechnung von Laufrädern.......................................................................................................................100
8.3 Ein- und Mehrkanallaufräder......................................................................................................................109
8.4 Freistromlaufräder......................................................................................................................................121
8.5 Diagonallaufräder und Inducer...................................................................................................................127
8.5.1 Diagonallaufräder.......................................................................................................................................127
8.5.2 Inducer........................................................................................................................................................129
8.6 Schneidlaufräder.........................................................................................................................................131
8.7 Korrekturkoeffizienten für Volumenstrom, Förderhöhe und Wirkungsgrad..............................................133
9 Berechnung von Leiteinrichtungen.........................................................................................................140
9.1 Spiralgehäuse..............................................................................................................................................140
10 Berechnung von Axialpumpen und Axialrührern.................................................................................145
10.1 Axiale ebene Schaufelgitter........................................................................................................................145
10.2. Schaufelprofile und Auftrieb......................................................................................................................148
10.2.1 Schaufelprofil mit unendlicher Spannweite................................................................................................150
10.2.2 Auftrieb von Schaufelgittern.......................................................................................................................151
10.2.3 Auftrieb und Profilwiderstand unter Berücksichtigung der Reibung..........................................................152
10.3 Induzierter Widerstand an Axialschaufeln..................................................................................................153
10.4 Profilpolare für Schaufelprofile..................................................................................................................154
10.5 Einfluss der Reynoldszahl auf die Schaufelumströmung............................................................................158
10.6 Entwicklung von Schaufelprofilen von Axialpumpen und Axialrührern...................................................160
10.7. Berechnung von Axialrührern.....................................................................................................................165
10.7.1 Berechnung der Schaufeln in 10 Koaxialschnitten von r/r = 0,15 bis 1,0.................................................166
2
10.7.2 Berechnung der Geschwindigkeiten im Laufschaufelgitter für eine Axialschaufel mit drallbehafteter
Zuströmung und drallfreier Abströmung....................................................................................................166
11 Axial- und Radialkräfte............................................................................................................................167
11.1 Spaltströme am Laufrad..............................................................................................................................167
Inhaltsverzeichnis XI
11.2 Axialkräfte..................................................................................................................................................168
11.3 Radialkräfte.................................................................................................................................................169
12 Drehkolbenpumpen..................................................................................................................................173
12.1 Bauarten und Wirkungsweise.....................................................................................................................174
12.2 Bauarten mit ruhender Nabe.......................................................................................................................175
12.3 Berechnung rotierender Verdrängerpumpen...............................................................................................178
12.4 Spezifische Nutzarbeit, Leistung und Wirkungsgrad..................................................................................180
12.5 Spaltvolumenströme im radialen Umfangs- und Verdrängerspalt..............................................................184
12.6 Spaltvolumenstrom in den zwei Stirnspalten..............................................................................................185
12.7 Gesamtspaltvolumenstrom in einer dreiflügeligen Drehkolbenpumpe.......................................................186
12.8 Optimale Drehzahl......................................................................................................................................190
12.9 Kennfelder und untere Grenzdrehzahl........................................................................................................192
13 Wendelkolbenpumpen..............................................................................................................................195
14 Exzenterschneckenpumpen......................................................................................................................200
14.1 Aufbau und Wirkungsweise........................................................................................................................201
14.2 Auslegungsberechnung von Exzenterschneckenpumpen............................................................................206
14.3 Bauarten von Exzenterschneckenpumpen..................................................................................................209
14.4 Kennlinien und Leistungen von Exzenterschneckenpumpen......................................................................213
14.5 Wirkungsgrade von Exzenterschneckenpumpen........................................................................................222
14.6 Anfahrdrehmoment.....................................................................................................................................223
15 Schneckenpumpen....................................................................................................................................224
15.1 Berechnung von Schneckenpumpen...........................................................................................................225
16 Beanspruchung von Gehäuseflanschen...................................................................................................229
16.1 Rohrleitungskräfte......................................................................................................................................230
16.2 Diagnose an vertikalen Axialpumpen im Einlaufbauwerk.........................................................................231
17 Wälzlager und Lagerschmierung............................................................................................................233
17.1 Einteilung von Wälzlagern.........................................................................................................................233
17.2 Aufbau von Wälzlagern..............................................................................................................................234
17.3 Auswahl von Wälzlagern............................................................................................................................239
17.4 Überwachung von Wälzlagern....................................................................................................................241
17.5 Wälzlagerschmierung.................................................................................................................................242
17.6 Einfluss der Lagerschmierung und des Schmierstoffes auf die Lagerzuverlässigkeit................................243
18 Wellendichtungen.....................................................................................................................................245
18.1 Radialdichtungen........................................................................................................................................245
18.2 O-Ringdichtungen.......................................................................................................................................245
18.3 Gleitringdichtungen (GRD)........................................................................................................................249
19 Einlaufbecken, Saugbecken und erforderliche Zulaufhöhe..................................................................259
19.1 Berechnung der erforderlichen Zulaufhöhe für Tauchmotorpumpen.........................................................259
19.2 Mindestzulaufhöhe für Tauchmotorpumpen...............................................................................................263
19.3 Einlaufbecken.............................................................................................................................................266