Mythos Kugeldurchgang
Aussage über Verstopfungsanfälligkeit bei Abwasserpumpen?

Seit mehr als einhundert Jahren wird Abwasser gepumpt – etwa genauso lange bilden sich auch Verstopfungen in mehr oder weniger großer Ausprägungen in den Abwasserpumpen (Bild 1). Diese Verstopfungen müssen auch heute noch aufwendig von Hand beseitigt werden, wodurch auch Probleme hinsichtlich der Hygiene und der Arbeitssicherheit auftreten können.

Natürlich haben die Hersteller von Pumpen die Funktionalität der Abwasserpumpen kontinuierlich verbessert und heute sind überwiegend gute Abwasserpumpen im Einsatz, die eine hohe Zuverlässigkeit gegen Verstopfungen aufzeigen.

Neben der Verstopfungsanfälligkeit stehen natürlich auch der Energiebedarf bzw. der Wirkungsgrad im Fokus. Hierzu müssen eine möglichst gute Strömungsführung und enge Spalte realisiert werden. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades könnte sich zu Lasten der Verstopfungsanfälligkeit auswirken.

Andererseits existiert bis heute kein standardisierter Test für Abwasserpumpen, bei denen Wirkungsgrad und Funktionalität objektiv geprüft wird. Abwasserpumpen werden daher meist nach plausiblen Erfahrungswerten auf Grundlage der Laufradform und des Kugeldurchgangs spezifiziert.

Im folgendem werden diese Aussagen über eine neuartige Funktionsprüfung für Abwasserpumpen näher betrachtet.
 

Laufradformen

Für den Abwassertransport werden meist Freistromrad- oder Kanalradpumpen eingesetzt. Freistromradpumpen haben dabei einen relativ großen Spalt zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse, der mindestens 75% der maximalen Laufschaufelhöhe entspricht. Daraus ergibt sich ein relativ großer Freiraum zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse. Durch die Rotation des Laufrades und durch einen entsprechenden Energieeintrag in das Fluid bildet sich ein relativ großer Wirbel (Hamel-Oseen Wirbel) zwischen Laufrad und Gehäuse aus, indem der Druck von innen nach außen zunimmt. Diese Druckdifferenz bildet das physikalische Grundprinzip des Flüssigkeitstransports der Freistromradpumpe. Weitere Beschreibungen dazu finden sich in /1/.
 
Kanalradpumpen unterscheiden sich nach der Anzahl der Kanäle bzw. Laufschaufeln und werden meist als Ein-, Zwei- oder Dreikanalradpumpen eingesetzt. Diese Abwasserpumpen arbeiten nach dem Prinzip eines rotierenden Laufrades, das mit Schaufeln besetzt ist und von dem eine Energieübertragung in das Fluid in Form von Beschleunigungen und Verzögerungen stattfindet, wie bei allen Kreiselpumpen.
 
Weitere Laufradformen sind Sonderbauformen aus den vorgenannten, beispielsweise Diagonalradpumpen mit einem Laufrad ähnlich einer Schraubenkontur oder Topflaufräder mit einem großem Raum ohne Schaufeln (Topf) und mehreren abgehenden Kanälen.
 
Eine Übersicht der üblichen Laufradformen ist in Bild 2 dargestellt.

Kugeldurchgang

Der Kugeldurchgang einer Abwasserpumpe ist der Durchgang im Laufradkanal oder im Freiraum zwischen Laufrad und Gehäuse durch den eine entsprechend große Kugel hindurchpassen würde. So würden einzelne Bestandteile im Abwasser, die kleiner sind als der Kugeldurchgang aller Wahrscheinlichkeit nach störungsfrei durch die Pumpe hindurchgehen.
 

Künstliches Abwasser

Im Labor kann aus hygienischen Gründen natürlich kein reales Abwasser verwendet werden. Dennoch besteht der Bedarf, die Eigenschaften von realem Abwasser möglichst gut abzubilden. In umfangreichen Tests über die Bestandteile im realen Abwasser /2/, /3/ konnte nachgewiesen werden, dass nicht zersetzte Textilien im Abwasser (Babyfeuchttücher, Hygienetücher) mit Hauptverursacher von Verstopfungen sind. Hieraus wurde ein künstliches Prüfabwasser konzipiert, das jeweils mit einer bestimmten Anzahl von Tüchern versetzt wird, um leicht, mittel oder schwer verschmutztes Abwasser widerzuspiegeln. Es konnte erfolgreich nachgewiesen werden, das sich sehr ähnliche Verstopfungsphänomene ausbilden, wie im realen Abwasser.

Vorherrschende Meinung

Werden die üblichen Laufräder betrachtet und mit den Herausforderungen des Abwassers – insbesondere textile Bestandteile – verglichen, so würde sich zunächst vermuten lassen, dass Laufräder mit großem Freiraum bzw. Kugeldurchgang von Vorteil wären. Damit würde vermutlich das Freistromrad am wenigsten verstopfen.
Bei Einkanal- und Zweikanalradpumpen spielt der Kugeldurchgang die entscheidende Rolle. Je größer der Kugeldurchgang, desto geringer die Verstopfungsanfälligkeit.
 
Natürlich gibt es meist keinen Vorteil ohne Nachteil: der Wirkungsgrad bei Pumpen mit großem Kugeldurchgang fällt zumeist deutlich geringer aus. Aufgrund dieser Zusammenhänge hat sich die Meinung etabliert, dass ein verstopfungsfreies Pumpen von Abwasser mit einem höheren Energieaufwand verbunden ist.
 
Jedoch gibt es bis heute keinen standardisierten Test, der die Funktionalität und somit die Verstopfungsanfälligkeit von Abwasserpumpen, feststellt. Die bisherigen Meinungen beziehen sich daher meist auf die genannten Überlegungen zu den Laufradformen und Kugeldurchgang. Diese Meinungen finden sich teilweise auch in einschlägigen Standards /4/ wieder.
 
Folgende Meinungen sollen daher hinterfragt werden:
-       Freistromradpumpen verstopfen wenig.
-       Ein großer Kugeldurchgang vermeidet Verstopfungen.
-       Verstopfungsfreie Pumpen haben meist einen schlechten Wirkungsgrad.
 

Funktionstest für Abwasserpumpen

Im Rahmen einer Forschungsarbeit an der Technischen Universität Berlin, Fachgebiet Fluidsystemdynamik, wurde ein neuartiger Versuchstand entwickelt, der speziell zur Untersuchung der Funktionalität von Abwasserpumpen ausgelegt ist. Dieser wurde bereits im Jahr 2014 in der WWT /5/ erstmals vorgestellt.

Der Prüfstand ist in Bild 3 dargestellt. Er besteht aus zwei größeren Behältern: dem Abwasserbehälter (3) und dem Frischwasserbehälter (2). Zwischen den Behältern ist ein Filter (4) angeordnet und die Behälter sind mittels Rohrleitungen verbunden, deren Durchströmung von der zu testenden Abwasserpumpe (1) geleistet wird.

Die Funktionalität der Abwasserpumpen wird mit zwei unterschiedlichen Prüfungen getestet.
 
In einem Einmal-Funktionstest wird ein definiertes Volumen von etwa 3  – 4 m³ an Prüfabwasser einmal vom Abwasserbehälter (3) über die Pumpe und den Filter in den Frischwasserbehälter (2) gepumpt. Alle Tücher, die erfolgreich von der Pumpe gefördert wurden, finden sich dann im Filter. Sind alle Tücher gepumpt, ist der Einmal-Funktionsgrad D_F entsprechend 1.
 
Die entsprechende Formel zur Definition des Einmal-Funktionsgrades D_F lautet:

Der zweite Test, der sogenannte Dauer-Funktionstest, erfolgt über eine längere Zeit ohne Filter im geschlossenen Kreislauf (von 3 nach 3 in Bild 3), indem die Abwasserpumpe eine Stunde lang mit dem Prüfabwasser betrieben wird. Dadurch passieren alle Inhaltsstoffe des Prüfabwassers die Pumpe mehrfach und werden somit auch von der Pumpe zerkleinert. Bei allen Versuchen werden Förderhöhe, Volumenstrom und die elektrische Leistungsaufnahme des Motors gemessen und aufgezeichnet. Im Anschluss werden die Wirkungsgrade während einer Messung mit dem Wirkungsgrad im jeweilig untersuchten Betriebspunkt bei Klarwasser verglichen. Ist kein Abfall des Wirkungsgrades zu verzeichnen, ist dieser Anteil in der Formel 1. Dazu kommt jedoch noch der Vergleich der in der Abwasserpumpe verstopften Bestandteile im Verhältnis zu der gesamten Textilbeladung im Prüfabwasser.
 
Die entsprechende Formel zur Definition des Dauer-Funktionsgrades D_LTF lautet:

Dabei bildet der Einmal-Funktionsgrad D_F den ersten Pumpvorgang in einer Pumpstation nach, der frühzeitig nach dem Einleiten des Abwassers in das Abwassersystem erfolgt.

Der Dauer-Funktionsgrad D_LTF hingegen entspricht einem Pumpvorgang, der zu einem späteren Zeitpunkt im Abwassersystem erfolgt, also bereits nach einer Pumpstation oder im Laufe des Kanals oder Druckrohres.
 

Testergebnisse des Einmal-Funktionsgrad D_F

In Bild 4 ist der Verlauf des Einmal-Funktionsgrades verschiedener Abwasserpumpen über die einzelnen Beladungsstufen des Prüfabwassers dargestellt. Die gefärbte Fläche des Diagramms spiegelt dabei die Messergebnisse von mehr als dreißig getesteten Abwasserpumpen verschiedener Hersteller wider.

Schon bei leichter Beladung mit 25 Tüchern/m³ fällt eine große Spreizung der Messergebnisse auf, die sich mit zunehmender Beladung weiter verstärkt. Die Funktionalitäten der geprüften Abwasserpumpen unterscheiden sich stark. Die besten Ergebnisse werden dabei von einer Einkanalradpumpe mit 80mm Kugeldurchgang und einer Zweikanalradpumpe mit 39mm Kugeldurchgang und einer Freistromradpumpe mit 100mm Kugeldurchgang erreicht. Mit zunehmender Beladung verändert sich das Bild etwas, indem eine zweite Einkanalradpumpe mit 100mm Kugeldurchmesser bessere Werte aufzeigt und die genannte Freistromradpumpe mit 100mm Kugeldurchgang etwas schlechtere Werte erzielt.

Es fällt auf, dass kein wesentlicher Zusammenhang zwischen Laufradform und Kugeldurchgang des Laufrades und der Einmal-Funktionalität des Laufrades erkennbar ist. Wie im Diagramm zu sehen, können sich Pumpen gleicher Bauart und gleichen Kugeldurchganges stark gegensätzlich verhalten.
 

Testergebnisse des Dauer-Funktionsgrad D_LTF

Gleichsam wie der Einmal-Funktionsgrad, zeigt der Verlauf des Dauer-Funktionsgrades mit zunehmender Beladung des Prüfabwassers, eine deutliche Unterscheidung der verschiedenen Laufräder. Es finden sich die Einkanalradpumpe mit 80mm Kugeldurchgang, die Zweikanalradpumpe mit 39mm Kugeldurchgang und die Freistromradpumpe mit 100mm Kugeldurchgang in der Spitzengruppe wieder. Die Spreizung ist hier noch ausgeprägter, was durch Selbstreinigungsfähigkeiten der verschiedenen Laufräder zu erklären ist, die bei einer Laufzeit von einer Stunde natürlich mehr zum Tragen kommt, als bei einem einzelnen Durchlauf. Auch wird hier deutlich, dass es Pumpen gibt, die im Laufe einer relativ kurzen Zeit alle im Prüfabwasser befindlichen Textilien sammeln und damit zu einer Totalverstopfung bzw. zu einem Totalausfall D_LTF=0 führen.

Wirkungsgradverlauf

In Bild 6 ist der Wirkungsgradverlauf verschiedener Abwasserpumpen während des Funktionstests dargestellt. Hier ist auch der Vergleichswert für Förderung von Klarwasser – Anzahl der Tücher ist Null – eingetragen. Der Wirkungsgrad nimmt üblicherweise infolge der zunehmenden Verstopfung der Abwasserpumpe ab. Auffällig ist jedoch das völlig unterschiedliche Verhalten der Abwasserpumpen: bei stark verstopften Freistromrädern bleiben der Volumenstrom und die Förderhöhe annähernd konstant, jedoch steigt die aufgenommene Leistung sehr stark an. Bei Kanalradpumpen hingegen zeigen sich bei verstopften Pumpen starke Abweichungen im Volumenstrom und der Förderhöhe.
Bei allen Pumpentypen, also Freistrom-, Einkanal- und Zweikanalradpumpen sind verstopfungsarme Pumpen dabei, deren Wirkungsgrad nur geringfügig abnimmt aber auch gänzlich verstopfte Abwasserpumpen, deren Wirkungsgrad total mit der Verstopfung zusammenbricht. Bemerkenswert ist hier, dass die Pumpen mit hoher Funktionalität teilweise auch gute Wirkungsgrade aufzeigen. Lediglich die getesteten Freistromradpumpen erreichen etwas geringere Wirkungsgrade im Vergleich zu den Ein- und Zweikanalradpumpen. Auch hier lässt sich wieder kein Zusammenhang zu Laufradform und Kugeldurchgang ableiten.
 

Zusammenfassung und Fazit

Zur Beurteilung der Verstopfungsanfälligkeit von Abwasserpumpen wurde erfolgreich ein neuartiger Prüfstand und eine Prozedur entwickelt, die zur objektiven Beschreibung der Funktionalität geeignet ist.

Das Prüfabwasser bildet sehr ähnliche Phänomene ab, wie diese auch in der Realität beobachtet werden können. Hiermit steht ein Prüfabwasser zur Verfügung, das in anderen Prüfständen gleichermaßen hergestellt und betrieben werden kann.

Für alle getesteten Laufradformen Freistrom-, Einkanal- und Zweikanalradpumpen sind gute aber auch schlechte Werte für die Verstopfungsanfälligkeit respektive Funktionalität erzielt worden. Ein eindeutiger Zusammenhang mit der Laufradform besteht also nicht. Ebenso wenig deutet ein hoher Klarwasserwirkungsgrad auf eine geringe Funktionalität hin, wie umgekehrt.
 
Aus den Messergebnisse lassen sich folgende Aussagen ableiten:
-       Die Laufradform sagt nur wenig über die Verstopfungsanfälligkeit von Abwasserpumpen aus.
-       Der Kugeldurchgang sagt nur wenig über die Verstopfungsanfälligkeit von Abwasserpumpen aus.
-       Eine gute Funktionalität der Abwasserpumpe kann auch bei gutem Wirkungsgrad erreicht werden.
 
Es zeigt sich vielmehr, dass für die Funktionalität einer Abwasserpumpe das Gesamtkonzept der Pumpe, also Laufrad, Leitrad, Nabe, Eintrittskante sowie weitere Elemente wie z.B. Schneidkanten entscheidend für die Funktionalität sind.
 
Zukünftig sollte ein Funktionstest für Abwasserpumpen eingesetzt werden, um geeignete und zuverlässige Pumpen für den verstopfungsarmen Betrieb auszuwählen. Dabei eignen sich der Einmal-Funktionsgrad D_F sowie der Dauer-Funktionsgrad D_LTF zur Spezifizierung der Abwassertauglichkeit.

Der Funktionstest wird aktuell von mehreren Herstellern übernommen und für den industriellen Einsatz weiterentwickelt. Parallel dazu wird er in den einschlägigen Verbänden diskutiert, um eine standardisierte Prüfung der Funktionalität von Abwasserpumpen zu definieren.
 
Literatur
/1/        Gerlach, A., 2016: The Influence of the impeller design on the performance of a vortex pump, Doktorarbeit, Technische Universität Berlin
/2/        Mitchell, R.-L., Gunkel, M., Waschnewski, J., Thamsen, P.U., Nonwoven wet wipes can be hazardous substances in wastewater systems – evidences from a field measurement campaign in Berlin, Germany, Water Energy Nexus Conference, 14-17 November 2018, Salerno, Italy
/3/        Mitchell, R.-L., Busche, S., Thamsen, P.U., Investigations into wet wipe related clogging phenomena of wastewater pumps , Proceedings of the AJKFluids 2019 Conference, 28 July - 1 August 2019, San Francisco, USA
/4/        ATV-DVWK-A 134 Planung und Bau von Abwasserpumpanlagen, Juni 2000, ISBN 3-933707-47-1
/5/        Mengdehl, T., Thamsen, P.U., 2014, Abwasserpumpenteststandard – oder: Wie kann eine Abwasserpumpe anforderungsgerecht getestet werden, WWT 7-8/2014
/6/           KSB AG (2005), Selecting Centrifugal Pumps, ISBN 3-00-04734-4

Ein Beitrag von M.Sc Michael Pöhler; Prof. Dr.-Ing Paul Uwe Thamsen

Fachartikel aus wwt wasserwirtschaft wassertechnik Nr. 7-8/2019

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