Auslegung von Hebeanlagen

Auslegung von Hebeanlagen Helmut Jaberg, o.Prof. Dr.-Ing. Verbundene Unternehmensberatungen Prof. Dr. Jaberg und Partner Worms-Graz-Berlin Wildstrasse...
Author: Ingrid Fromm
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Auslegung von Hebeanlagen Helmut Jaberg, o.Prof. Dr.-Ing. Verbundene Unternehmensberatungen Prof. Dr. Jaberg und Partner Worms-Graz-Berlin Wildstrasse 19 67550 Worms

Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen Technische Universität Graz Kopernikusgasse 24 8010 Graz

Wie allgemein bekannt können auch korrekt ausgelegte öffentliche Kanalisationen volllaufen und zu Rückstau führen. Die Ursachen können ganz verschiedener Natur sein, führen aber in allen Fällen zu dem gleichen Ergebnis, nämlich dass sich die Kanalisation bis zur sogenannten Rückstauebene füllt, die im Allgemeinen die Straßenoberkante darstellt. Gemäss dem Gesetz kommunizierender Röhren füllen sich alle Anschlussleitungen, die unterhalb der Rückstauebene, also unterhalb der Straßenoberkante, an die Kanalisation angeschlossen sind ebenfalls mit Wasser, das durch die angeschlossenen Entwässerungsgegenstände wie Waschbecken, WCs, Badewannen oder andere austritt und die Rückstauebene Räume soweit füllt, bis das Wasser dort genauso hoch steht wie die Rückstauebene: die Keller oder tiefliegende Wohnräume sind vollgelaufen. Um diese Konsequenzen zu vermeiden gibt es verschiedene Methoden zur Rückstausicherung, hier werden Abwasserhebeanlagen mit Rückstauschleife (Bild 1) besprochen.

Abwasserhebeanlagen

Bild 1: Abwasserhebeanlage mit Rückstauschleife (DIN EN 12050)

Laut DIN EN 12056 Teil 4 sind europaweit Abwasserhebeanlagen mit Rückstauschleife dann vorgeschrieben: - wenn die Räume, die durch die Abwasserhebeanlage entsorgt werden, nicht von untergeordneter Bedeutung sind, - wenn die Zahl der Benutzer nicht klein ist, - wenn den Benutzern kein WC oberhalb der Rückstauschleife zur Verfügung steht. DIN EN 12056 Teil 1 grenzt den Begriff „ von untergeordneter Bedeutung“ noch weiter ein und konkretisiert: „...wenn es nichts ausmacht, wenn die Räume überflutet werden ...“ Im allgemeinen ist zur Zeit ein Trend zu kleineren Anlagen zu beobachten: Die Antriebsleistungen werden kleiner, die Behältervolumina nehmen ab, die Durchmesser von Druckleitungen und Lüftungen werden geringer dimensioniert. Kleinere Anlagen und dünnere Rohrleitungen sind naturgemäß kostengünstiger als größer dimensionierte Komponenten, sind aber naturgemäß nicht so leistungsfähig wie größere Ausführungen. Es ist klar zu erkennen, dass wirtschaftliche Überlegungen bei den Investitionskosten Zugeständnisse bei der Betriebssicherheit erzwingen!

Typen von Hebeanlagen Die Norm unterscheidet 3 Klassen von Hebeanlagen: - Teil 1: Hebeanlagen für fäkalienhaltiges Abwasser. Diese unterliegen keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der Anwendung auf Grund strenger technischer Anforderungen. Das Nutzvolumen wird mit mindestens 20 Litern (oder größer) festgelegt, wobei wegen der oben geschilderten Trends zu kleineren Anlagen zukünftig in der Norm wahrscheinlich ein geringeres Nutzvolumen festgeschrieben wird. Die Norm befindet sich aber erst in der Ausarbeitung. Bei diesen Hebeanlagen nach Teil 1 der Norm, also ohne Beschränkung des Einsatzbereiches, werden die elektrischen Einrichtungen außerhalb dieses Behälters angeordnet, weil das Innere des Behälters als explosionsgefährdeter Raum definiert ist. Hier wird es voraussichtlich ebenfalls zu einer Änderung kommen, weil zwischenzeitlich die berühmte ATEX-Richtlinie in Kraft getreten ist, nach der die Einteilung der Ex-Zonen dem Betreiber, hier also dem Hausbesitzer, obliegt und dies ist nach übereinstimmender Ansicht dem Hausbesitzer nicht zumutbar und daher in der Praxis nicht praktikabel ist. Außerdem verlangt die Norm, dass die Behälter vom Gebäude getrennt aufgestellt werden, ein Betonschacht als Behälter ist für diese Geräte innerhalb des Hauses also nicht zugelassen. In Teil 2 der Norm sind Hebeanlagen für fäkalienfreies Abwasser erfasst, außer dem Anwendungsbereich für fäkalienfreies (!) Abwasser unterliegen diese Geräte keinen weiteren Einschränkungen. In Teil 3 der Norm sind die Hebeanlagen für fäkalienhaltiges Abwasser zur begrenzten Verwendung behandelt, worunter die Kleingeräte zu verstehen sind, die i.A. hinter dem WC oder auch hinter der Vorwandinstallation angeordnet sind. Wegen der begrenzten Anwendbarkeit dieser Geräte in der Praxis schränkt die Norm die zulässige Verwendung streng ein: - es dürfen nur wenige Benutzer auf das Gerät angewiesen sein, - ein weiteres WC oberhalb der Rückstauebene muss diesem Benützerkreis verfügbar sein, - es sind nur die Entwässerungsgegenstände 1 WC, 1 Handwaschbecken, 1 Dusche, 1 Bidet, erlaubt und sonst nichts: keine Waschmaschine, keine Badewanne, kein weiteres WC o.ä., - die Hebeanlage zur begrenzten Verwendung muss im gleichen Raum wie der Entwässerungsgegenstand angeordnet sein, damit eine eventuelle Fehlfunktion durch den Benutzer sofort festgestellt werden kann. Ein Nutzvolumen besitzen diese Geräte nicht, das anfallende Wasser wird sofort weggepumpt. Es handelt sich also gegenüber Teil 1 um stark abgespeckte Geräte. Pumpgeräte oberhalb der Rückstauebene, sind zwar eigentlich verboten, weil dort an sich nur die Schwerkraftentwässerung eingesetzt werden darf, aber in bestimmen Ausnahmefällen wie z. Bsp. Altbaurenovierungen dürfen sie trotzdem eingesetzt werden. Diese Pumpgeräte oberhalb der Rückstauebene unterliegen keiner Norm.

Rohrleitungen Die Zulaufleitungen zu den verschiedenen Typen der Hebeanlagen nach Teil 1, Teil 2 oder Teil 3 sind nach DIN EN 12056 auszuführen. Die Installationsrichtlinien auf der Zulaufseite

unterscheiden sich also nicht im Geringsten von den Einrichtungen oberhalb der Rückstauebene. Die Druckleitungen sind jedoch so auszuführen, dass immer eine Mindestfließgeschwindigkeit von 0,7 m/sec über die gesamte Druckleitungslänge erreicht wird, um Ablagerungen zu vermeiden. Auch diese Mindestfließgeschwindigkeit ist in der Installationstechnik wohlbekannt, allerdings ist bei Hebeanlagen zusätzlich zu berücksichtigen, dass diese 0,7 m/sec bei einer manometrischen Förderhöhe der Pumpanlage von 0,4 bar zu erreichen sind. Am allerwichtigsten ist es jedoch, dass die Sohle der Rückstauschleife unbedingt über die Rückstauebene geführt wird, anders wäre eine Rückstausicherung nicht möglich! Die Rohrleitungen sind spannungsfrei an belüftete Grund- oder Sammelleitungen anzuschließen, und ein Absperrschieber ist vorzusehen. Zwar sind Ausnahmen möglich, z. Bsp. bei den Anlagen zur begrenzten Verwendung, es ist aber nicht empfehlenswert, auf einen Absperrschieber zu verzichten, um im Reparaturfall zuverlässig absperren zu können. Die Dimensionen der Druckleitung-Mindestnennweiten sind Tabelle 1 zu entnehmen, wobei die Mindestnennweite DN 80 bei Hebeanlagen ohne Fäkalienzerteilung zukünftig wahrscheinlich herabgesetzt wird. Typ der Abwasserhebeanlage Mindestnennweite Fäkalienhebeanlagen ohne Fäkalienzerteilung DN 80 nach prEN 12050-1 Fäkalienhebeanlagen mit Fäkalienzerteilung DN 32 nach prEN 12050-1 Abwasserhebeanlagen für fäkalienfreies AbDN 32 wasser nach prEN 12050-2 Fäkalienhebeanlagen zur begrenzten VerwenDN 25 dung ohne Fäkalienzerteilung nach pr EN 12050-3 Fäkalienhebeanlagen zur begrenzten VerwenDN 20 dung mit Fäkalienzerteilung nach prEN 12050-3 Tabelle 1: Nennweiten für Druckleitungen von Abwasserhebeanlagen Lüftungsleitungen: Die Hebeanlagen nach 12050-1 (zur unbeschränkten Verwendung) und 12050-2 (für fäkalienfreies Abwasser) sind immer über Dach zu entlüften, allerdings ist die Einführung in Haupt- und Sekundärlüftungen statthaft, nicht jedoch der Anschluss an die zulaufseitige Lüftung von Fettabscheidern. Nur bei Fäkalienhebeanlagen nach Teil 1 ist ein Mindestdurchmesser von DN 50 vorgeschrieben, der jedoch zukünftig in der Norm wahrscheinlich auch kleiner dimensioniert werden wird. Die anderen Hebeanlagen nach Teil 2 oder Teil 3 müssen nach Norm nur mit einer „ausreichenden“ Lüftung versehen werden, wobei für die Kleinhebeanlagen zur begrenzten Verwendung auch die geruchsfreie Lüftung in den Aufstellraum erlaubt ist, zum Beispiel durch Aktivkohlefilter oder andere Methoden. Die Rolle einer Lüftungsleitung wird häufig unterschätzt, weil man meint, dass auch dünne Lüftungsleitungen ausreichen, „denn es strömt ja nur Luft hindurch“. Allerdings wird eine zu

kleine Lüftungsleitung beim Abpumpen mit durchaus leistungsstarken Pumpen notwendigerweise zu einem Unterdruck im Behälter führen, der Geruchsverschlüsse leersaugen kann. Die Folgen sind bekannt. Bemessung Für den Förderstrom einer Abwasserhebeanlage gilt, dass die Pumpe mehr oder mindestens den gleichen Volumenstrom VP wegfördert denn als V zuläuft . •



VP ≥ V Diese an sich selbstverständliche Forderung wird allerdings bei den Anlagen zur begrenzten Verwendung (Teil 3) „nach Herstellerangabe“ aufgeweicht und auch kleinere Pumpenförderströme als der rechnerische Zulauf sind erlaubt. Der Zulauf selbst wird nach DIN EN 12056 – Teil 2 / Teil 3 ermittelt und folgt somit den hinreichend bekannten Regeln der Technik. Zusätzlich sind allerdings bei der Entwässerung von Grundstücksflächen unterhalb der Rückstauebene eventuell Pumpenzuflüsse zu berücksichtigen. Etwas schwieriger gestaltet sich die Bemessung der Förderhöhe. Die Gesamtförderhöhe Htot ist gleich dem Anlagenwiderstand und berechnet sich nach Htot

= Hgeo + HV

Hv

= HVA + HVR

und die Verlusthöhen Hv nach

Darin sind Hgeo die Höhendifferenz vom Wasserspiegel bis zur Sohle der Rückstauschleife und HVA bzw. HVR die Summe aller Verluste der Armaturen (HVA) und der Rohrleitung (HVR) inklusive aller Krümmer oder anderer Formstücke. Da die Verluste vom Förderstrom abhängen, ergibt sich immer eine nach oben verschoPumpenkennlinie bene parabelförmige Anlagenkennlinie (Bild 2). Die Pumpenförderhöhe muss so gewählt werden, dass sie genau bei dem zuvor berechneten Förderstrom VP größer oder gleich der bei diesem Förderstrom anliegenden Anlagenkennlinie ist. Mit anderen Worten: Die Pumpe muss so gewählt werden, dass - ihre Pumpenkennlinie genau durch diesen Betriebspunk VP mit der Pumpenförderhöhe HP = Htot geht. - dass bei dieser Fördermenge VP die Pumpe auch ihren optimalen Wirkungsgrad erreicht.

H

Betriebspunkt = Optimalpunkt Anlagenkennlinie HV

Hgeo

H P ≥ H tot



VP Bild 2: Anlagenkennlinie und Pumpenkennlinie

Die Notwendigkeit für den optimalen Betriebspunkt bei der berechneten Fördermenge resultiert nicht aus Gründen der Energieersparnis, sondern einzig aus Überlegungen zur Betriebssicherheit! Wird nämlich aus vermeintlicher Sicherheit eine zu große Pumpe oder Hebeanlage gewählt, so wird sich in der Praxis natürlich trotzdem nur der kleinere Förderstrom einstellen

und die Pumpe läuft in Teillast. Was auf den ersten Blick ohne Belang ist (die Pumpe läuft ja!), wird beim zweiten Hinsehen problematisch, denn Pumpen in Teillast haben (auch schon bei kleinen Baugrößen!) hohe Radialkräfte, die zum Ausfall der Lager und (wegen einer nur leichten Durchbiegung der Pumpenwelle) zum Ausfall der Gleitringdichtungen und somit zum Ausfall der Hebeanlage führen werden. Außerdem wird der Betrieb in Teillast zu starken Geräuschentwicklungen führen, insbesondere wenn - wie meistens – 1-Schaufelräder verwendet werden. Und nicht zuletzt wird die Teillastkavitation auftreten mit ihren bekannten Folgen wie Lärm und Materialzerstörung. Den Betrieb der Pumpe bei optimalem Durchsatz kommt also ganz besonders hohe Bedeutung zu. Hierzu ist es ebenfalls unabdingbar, dass nicht nur die Pumpe nicht zu groß gewählt werden darf, sondern auch bei der Berechnung der Anlagenkennlinie dürfen keine Sicherheitszuschläge und keine Toleranzen addiert werden! Dieser Verzicht auf Sicherheit und Toleranz ist vielen Ingenieuren zwar fremd, weil man es gewohnt ist, Sicherheitszuschläge zu berücksichtigen (in vielen Fällen ist dies sogar Vorschrift!), bei der Berechnung von Anlagenkennlinien zur Auswahl der Pumpen hingegen wäre die Berücksichtigung von Sicherheitsund Toleranzzuschlägen zwangsläufig ein Fehler. Nutzvolumen Die Berechnung des Nutzvolumens gilt naturgemäß nur für Anlagen nach DIN EN 12050 Teil 1/Teil 2, nicht jedoch für Anlagen zur begrenzten Verwendung (Teil 3), die definitionsgemäß gar kein Nutzvolumen besitzen. Das Nutzvolumen berechnet sich aus dem Förderstrom der Pumpe VP und der Mindestlaufzeit T, die im Allgemeinen von der Motorleistung abhängt: Je größer der Motor, desto größer die Mindestlaufzeit. Das Nutzvolumen muss also mindestens so groß sein, dass während der gesamten Mindestlaufzeit genügend Abwasser angesammelt worden ist, sodass während dieser Mindestlaufzeit die Pumpe zuverlässig arbeiten kann, ohne Luft zu ziehen oder unzulässige Betriebszustände einzunehmen. Ein Richtwert für Mindestlaufzeiten in Abhängigkeit der Motorgröße ist Tabelle 2 zu entnehmen, die auf Erfahrungswerten beruht, naturgemäß können die Hersteller andere Angaben zur Verfügung stellen. Das berechnete Nutzvolumen ist abschließend noch dahingehend zu überprüfen, dass es größer ist als das Motorleistung Mindestlaufzeit T kW s Rohrleitungsvolumen zwischen Rückflussverhin2,2 derer und Rückstauschleife. Einerseits soll durch bis 2,5 5,5 genügend großes Nutzvolumen der Austausch des 2,5 bis 7,5 Rohrleitungsvolumen bei jedem Pumpvorgang sicher- über 7,5 8,5 gestellt werden, um Faulung in der Rohrleitung zu ANMERKUNG: Diese Faktoren vermeiden. Noch wichtiger ist aber ein hinreichend beruhen auf Erfahrungswerten. großes Nutzvolumen, weil Rückflussverhinderer in der Praxis oft nicht absolut dicht sind und daher der Tabelle 2: Mindestlaufzeiten Rohrleitungsinhalt im Laufe der Zeit langsam wieder in den Behälter der Abwasserhebeanlage zurücksickert. Wäre das Nutzvolumen also zu klein gewählt, würde in einem solchen Falle die Hebeanlage immer wieder in Betrieb gehen, das Medium in die Druckleitung befördern, von wo es im Laufe der Zeit wieder in den Behälter zurücksickert, und das Spielchen beginnt wieder von vorne.

Zusammenfassung und Allgemeines Es ist dringend zu empfehlen, die Abmaße von Abwasserhebeanlagen nicht zu knapp zu bemessen: Nutzvolumen, Leitungsdurchmesser, Kugeldurchgänge und Motorleistungen sollten lieber zu groß, als zu klein gewählt werden. Die Kunden werden dies dem Planer und dem Installateur danken, auch wenn etwas höhere Installationskosten anfallen. Um Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb zu erhalten, sind diese Mehrausgaben gut angelegtes Geld. Der Betriebspunkt einer Abwasserhebeanlage VP und HP ist exakt zu bemessen und muss ziemlich genau im Optimalpunkt der Pumpanlage liegen, nicht wegen der Energieersparnis, die ein angenehmer Nebeneffekt ist, sondern wegen Betriebssicherheit und der langen Lebensdauer. Schließlich ist nichts so unangenehm wie der Ausfall einer Abwasseranlage.

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