Warum jetzt die Zeit für das S-Tube®-Laufrad gekommen ist

Warum jetzt die Zeit für das S-Tube®-Laufrad gekommen istDas S-Tube®-Laufrad von Grundfos wurde entwickelt, um ein erhöhtes Volumen und eine erhöhte Vielfalt von Abwasser über längere Strecken zu transportieren und dabei weniger Energie und Transportmedium zu verbrauchen.
Technische Analyse

Die Grundlagen des revolutionären S-Tube®-Laufrads, das 2012 von Grundfos auf den Markt gebracht wurde, befanden sich schon jahrzehntelang auf den Zeichenbrettern von Pumpenkonstrukteuren. Doch viele Jahre lang waren die Hersteller von Abwasserpumpen nicht in der Lage, diese Laufradkonstruktion erfolgreich umzusetzen. Die Menge und Vielfalt der zu transportierenden Abfallstoffe war damals relativ gering. Daher haben Versorgungsunternehmen Aspekte wie Wasser- und Energieverbrauch kaum berücksichtigt.

Erst in den letzten zwanzig Jahren hat eine Vielzahl von Faktoren die S-Tube®-Konstruktion relevant gemacht. Dazu gehören: ein stärkeres Umweltbewusstsein, neue Vorschriften und Richtlinien der Regierung sowie die steigenden Kosten für Wasser, Energie und den Abwassertransport.

Herausforderungen für moderne Versorgungsunternehmen
Die zentralen – und miteinander verbundenen – Herausforderungen, denen sich die Versorgungsunternehmen heutzutage in Bezug auf den Abwassertransport stellen müssen, lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

• Steigende Wasser- und Energiekosten sowie strengere staatliche Kontrollen (zum Beispiel Ökosteuern auf Wasser und Energie für die Verbraucher)
• Niedrigerer Wasserverbrauch – und geringere Energienutzung
• Weniger verschiedene Flüssigkeiten im modernen Schmutzwasser

Ein Hauptgrund für Versorgungsunternehmen, ihren Ansatz im Abwassermanagement zu ändern, waren die steigenden Wasserkosten (siehe Abbildung 1). Folglich haben die Verbraucher ihren Wasserverbrauch reduziert. Dies wiederum bewirkte eine Veränderung in der Abwasserzusammensetzung und führte dazu, dass das Abwasser einen höheren Trockenstoffgehalt als vorher aufwies.

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ABBILDUNG 1: Steigende Gesamtabwasserkosten haben viel dazu beigetragen, dass Versorgungsunternehmen auf der ganzen Welt ihren Ansatz für das Abwassermanagement überdenken mussten. * Euro-Umrechnung nach dem Stand vom 14. April 2014. Quelle: GWI Water Tariff Survey – 2013 Update

Staatliche Vorschriften, Normen und Richtlinien haben zu weiteren Komplikationen geführt. Zum Beispiel besagt Absatz fünf der EU-Richtlinie über Pumpanlagen DIN EN 752-6: 2008, dass Pumpanlagen so geplant und konstruiert werden sollen, dass sie Faktoren wie den Energieverbrauch, die Betriebs- und Wartungsanforderungen sowie deren Umwelteinfluss berücksichtigen.

Zusätzlich zu strengeren Verbrauchskontrollen haben auch die steigenden Energiekosten den Anreiz erhöht, effizientere Methoden für den Abwassertransport zu finden. Zudem haben wassersparende Innovationen neue Probleme geschaffen. Zum Beispiel verbrauchen effizientere Toiletten weniger Transportmedium. Dadurch wird das Risiko einer Verstopfung weiter unten in der Leitung erhöht.

Anstatt das Verstopfungsrisiko zu senken, erhöhen herkömmliche Abwasserpumpen das Risiko aufgrund der folgenden Konstruktionsprobleme:

• Eintrittskanten, an denen sich das Abfallmaterial leicht sammeln kann
• Biegungen im Rohrsystem
• Schneidmechanismen
• Weniger freie Durchgänge.

Das Schmutzwasser stellt nun ein schwieriges Problem dar: Wie kann über längere Strecken mehr Abwasser als zuvor transportiert werden, während gleichzeitig weniger Wasser verbraucht wird und nach dem Einbau nur noch ein geringer oder gar kein Wartungsaufwand mehr erforderlich ist?

„Wenn es um den Abwassertransport geht, sehen wir zwei große und globale Herausforderungen“, erklärt Maurice Martaud, Ingenieur des Technischen Supports des führenden französischen Wasserversorgers Lyonnaise des Eaux, der Teil der multinationalen Suez Environnement Gruppe ist. „Die erste Herausforderung liegt in dem sich verändernden sozialen Verhalten der Verbraucher. Einerseits führt dies zur Umsetzung von wassersparenden Maßnahmen zur Reduzierung des Wasserverbrauchs auf ein Minimum. Andererseits bewirkt es in den Sammelanlagen einen Anstieg der Faserstoffe. Diese Veränderungen stellen für die Hydraulik der Abwasserpumpen und die Rohrsysteme Herausforderungen dar. Denn der Strom aus Feststoffen, der vom Abwasser befördert wird, wird dicker und ist somit schwieriger zu transportieren.

„Die zweite Herausforderung bezieht sich auf den steigenden Bedarf einer Überwachung von Sammelanlagen, um die Verstopfung von drucklosen Abwasserleitungen, Pumpen und Druckleitungen zu verhindern“, so Martaud. „Verstopfungen, die durch das Mischen von Fetten, Sedimenten und Ablagerungen entstehen, werden zu einem zunehmenden Problem, das hohe Anforderungen an Wartungsressourcen stellt. Daher muss jede Tendenz einer Verstopfung so gut wie möglich vorhergesehen werden.“

FOTO: Das S-Tube®-Laufrad von Grundfos bietet hydraulische Effizienz sowie freien Durchgang und beugt so einem Verstopfen der Pumpe vor.

Verschiedene Laufräder, verschiedene Probleme
Die Industrie reagiert auf diese Veränderungen. So ist das Einsetzen von Drücken, wo möglich, ein allgemeiner Trend für zentralisierte Abwasserentsorgungsanlagen. Drehzahlgeregeltes Pumpen wurde ebenfalls zu einem alltäglichen Mittel zur Energieeinsparung. Aber mit einer reduzierten Strömungsgeschwindigkeit gehen auch größere Verstopfungsrisiken in der Anlage einher, die sowohl den Wirkungsgrad als auch die Lebensdauer beeinflussen.

Dies stellt insgesamt für die Konstrukteure von Abwasserpumpen ein schwieriges Problem dar: Wie kann über längere Strecken mehr Abwasser als zuvor transportiert werden, während gleichzeitig weniger Wasser und Energie verbraucht wird und nach dem Einbau nur noch ein geringer oder gar kein Wartungsaufwand mehr erforderlich ist?

Im Laufe der Jahre wurden auf der Suche nach einer höheren Betriebssicherheit und einem höheren hydraulischen Wirkungsgrad verschiedene Typen von Abwasser-Laufrädern entworfen: Vortex-Laufräder, halboffene oder geschlossene Laufradlösungen oder Mischformen dieser Typen.

„Kunden wurden auch gebeten, teure Zusatzbauteile zu kaufen“, erzählt Mikael Nedergaard, Global Product Manager bei Grundfos. „Diese sollen das Abwasser ableiten, schneiden oder beim Durchfließen behandeln. Aber sie bieten keine spürbaren Verbesserungen bezüglich der langfristigen Betriebssicherheit.“

Das S-Tube®-Laufrad: keine Kompromisse
EN 752-6: 2008 bestimmt einen optimierten Wirkungsgrad und die Fähigkeit, Feststoffe von zulässiger Größe ohne Verstopfung durchzulassen, als entscheidende Eigenschaften einer Pumpe. Allerdings wurden laut Mikael Nedergaard Kunden oft „in dem Glauben gelassen, dass sie einen Kompromiss zwischen dem hydraulischen Wirkungsgrad und der Sicherheit vor Verstopfung akzeptieren müssen.“ Das S-Tube®-Laufrad, das in Grundfos-Abwasserpumpen zum Einsatz kommt, räumt mit dieser Vorstellung auf. Denn es bietet sowohl einen ausgezeichneten hydraulischen Wirkungsgrad als auch einen freien Durchgang, der die Verstopfung der Pumpe verhindert.

„Der entscheidende Vorteil des glatten S-Tube®-Designs gegenüber Laufrädern mit Eintrittskanten ist, dass nirgendwo Abfallstoffe hängen bleiben und Verstopfungen verursachen können“, erklärt Flemming Lykholt-Ustrup, Leiter von Global WW Fluid & Mechanics bei Grundfos.

ABBILDUNG 2: Diese kolorierte Abbildung zeigt, wo welcher Druck auf die Oberfläche eines typischen hydraulischen S-Tube®-Laufrads wirkt. (Es wurde kein Material hinzugefügt.) Die blaue Farbe steht für den niedrigsten Druck. Vom Eintritt des Mediums in das Laufrad bis zu seinem Austritt steigt der Druck an, sichtbar an der gelben, grünen und letztlich roten Färbung. Dieser Druckaufbau ist ein Indiz für einen vielversprechenden Wirkungsgrad und nicht vorhandenen Rückfluss, wodurch keine Schmutzablagerung von Feststoffen eintritt. Selbst am markierten Punkt, an dem das Rohr am meisten gekrümmt ist, ist es für Feststoffe nahezu unmöglich, im S-Tube®-Laufrad steckenzubleiben, da im Laufraddesign keine Eintrittskante vorhanden ist.

„Besondere Features auf der vorderen und hinteren Platte des geschlossenen S-Tube®-Laufrads optimieren außerdem den Leckfluss in den Hohlräumen zwischen dem rotierenden Laufrad und dem feststehenden Pumpengehäuse.

Da der nicht beeinträchtigte Innendurchmesser des S-Tube®-Laufrads einheitlich groß ist (s. Abbildung 2), ist die Wahrscheinlichkeit einer Verstopfung geringer, selbst mit einer relativ kleinen Menge an Transportmedium, wie es im heutigen Abwasser zu finden ist.

Wassersparende Innovationen haben neue Probleme geschaffen. Effizientere Toiletten verbrauchen weniger Transportmedium. Dadurch wird das Risiko einer Verstopfung weiter unten in der Leitung erhöht.

„Konsequente Steigerungen des hydraulischen Wirkungsgrads senken die Energiekosten für den Endverbraucher“, erklärt Lykholt-Ustrup. „Zudem hat das Nichtvorhandensein einer Eintrittskante den Vorteil, dass die Haltedruckhöhe (NPSH) innerhalb der Kreiselpumpe, wo die Hydraulik sehr anfällig für Kavitation ist, deutlich gesenkt wird.“

Der umfassende Ansatz
In dem Buch Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems vom Europump and Hydraulic Institute wurden Untersuchungen veröffentlicht. Sie zeigen, dass der Anschaffungspreis kaum mehr als fünf Prozent der Gesamtkosten einer Pumpe während ihrer Lebensdauer ausmacht. Die Leistungsaufnahme ist mit 85 Prozent der Gesamtkosten bei Weitem der ausschlaggebendste Faktor, während Wartungskosten bei ungefähr 10 Prozent zu erwarten sind.

Daher ist es verständlich, dass einige der marktführenden Pumpenhersteller erkannt haben, dass ein umfassender Ansatz erforderlich ist, um eine Pumpanlage zu optimieren. Grundfos’ modus operandi ist in der iSOLUTIONS-Philosophie (intelligent solutions = intelligente Lösungen) verankert. Diese umfasst den gesamten Lebenszyklus einer Pumpe von der Konstruktion und der Entwicklung über die Herstellung, den Einbau und die Wartung sowie bis hin zum Recycling.

Laut Mikael Nedergaard sind die Rückmeldungen der Kunden der Schlüssel für diesen Ansatz.

„Die Einbindung der Endverbraucher während der Produktentwicklung gewährleistet, dass die Lösungen im Endprodukt den Kundenanforderungen entsprechen“, so Nedergaard. „Dies ist jedoch nicht der einzige Faktor, der Konstruktionsverbesserungen antreibt.“ Beispielsweise wird das Thema des Umgehens mit Luft von den Kunden oft unterschätzt (s. Foto unten). Es ist wichtig, sicherzustellen, dass eine Pumpe in der Lage ist, mit einer bestimmten Menge an Luft im Medium umzugehen. Die Ingenieure bei Grundfos haben umfangreiche CFD-Untersuchungen (Computational Fluid Dynamics = Numerische Strömungsmechanik) durchgeführt, um die kritischen Bereiche, in denen sich Luft ansammelt, zu optimieren und so Durchflussverringerungen im S-Tube®-Laufrad zu minimieren, wenn gas- oder lufthaltige Medien gefördert werden.

Viele moderne Abwasserpumpenlösungen verlangen vom Verbraucher, einen niedrigeren hydraulischen Wirkungsgrad zu akzeptieren, um das Verstopfungsrisiko zu senken. Mit dem S-Tube®-Laufrad, muss der Verbraucher bei keinem dieser beiden Aspekte einen Kompromiss eingehen.

FOTO: In dieser mehrphasigen CFD-Simulation haben die beiden Laufräder die gleiche Größe, weisen jedoch geringfügige (im Bereich weniger Millimeter liegende) Unterschiede in der Form auf. Der Mediendurchfluss ist bei beiden Laufrädern gleich und enthält acht Prozent kontinuierlich zum Durchfluss zugefügte Luft. Die eingekreisten Bereiche zeigen die angesammelten Luftblasen in jedem Laufrad und ebenso, wie der Umgang mit Luft durch eine spezielle Konstruktion optimiert werden kann.

Zusammenfassung
Moderne Abwasserentsorgungsanlagen müssen in der Lage sein, eine größere Menge und Vielfalt an Abfallstoffen über längere Strecken zu transportieren und dabei weniger Energie und Transportmedium zu verbrauchen. Diese Umstände erfordern eine Kreiselpumpe, die keinen Kompromiss zwischen dem hydraulischen Wirkungsgrad und der Sicherheit vor Verstopfung eingeht und eine lange Lebensdauer mit geringem Wartungsaufwand bietet. Das klassische Tube-Konzept, das von qualifizierten Ingenieuren des 21. Jahrhunderts und mithilfe der Rückmeldungen der Endverbraucher weiterentwickelt wurde, erweist sich als effektivste Allround-Lösung.





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