Strömungsphysikalische Versuche für die Dimensionierung von Loch- Durchmessern der Auslassrohre im Abwasserverteilsystem des Belebungsbeckens der Kläranlage Herdorf

Projektdaten

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Projektbeschreibung

Der Abwasserverband Hellertal baut zurzeit die Belebungsstufe in der Kläranlage Herdorf um. Ziel des Umbaus ist eine verfahrenstechnische Optimierung dieser Belebungstufe. Hierbei wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Abwassers angestrebt. Über ein neu geplantes, stark verzweigtes Druckrohrsystem soll das Abwasser im Belebungsbecken eingeleitet und verteilt werden. Die Zuleitung in das Becken erfolgt im Hauptstrang über ein Kreisrohr DN700 (Qmax = 380 l/s) In die einzelnen Kammern des Belebungsbeckens erfolgt ein Abzweig aus dem Hauptstrang jeweils mittels 90°-T-Bogens (DN700), anschließend wird durch ein 180°-T-Hosenstück die Verteilung in zwei benachbarte Kammern erreicht. Im weiteren Verlauf der Rohleitung wird der Leitungsdurchmesser durch mehrere konische Reduzierungen bis auf den Durchmesser DN200 der Verteilleitungen vermindert. Insgesamt wird der Zufluss auf 10 einzelne Leitungen in jeder Kammer, also insgesamt 20 Leitungen unterschiedlicher Länge verteilt. Für eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Abwasserzuflusses im Becken müssen die Löcher in den Verteilleitungen hinsichtlich Anzahl und Größe auf den vorhandenen Vordruck des abzweigenden Rohres angepasst werden. Für die Bemessung der Lochdurchmesser fehlen aber die zugehörigen dimensionslosen Verlustbeiwerte; die üblicherweise verwendeten Tabellenwerke geben diesen speziellen Fall „Ausfluss aus einer kreisförmigen scharfkantigen Öffnung in einer Kreisrohrwand (mit Gegendruck)“ leider keine Auskunft. Auch eine umfassende Recherche zu anderen Literaturquellen blieb erfolglos. Die Verlustbeiwerte für „Ausfluss aus einem scharfkantigen, kreisförmigen Loch“ sind hierbei zu unsicher, da der Lochquerschnitt hierbei stets „eben“, d.h. zweidimensional ist. Die Anströmung erfolgt im hier betrachteten Fall auch nicht in Achsrichtung des Loches, sondern in Achsrichtung des ankommenden Rohres, also im Winkel von etwa 90° zur Öffnung. Zudem ist die Öffnung in der Rohrwandung mit 100 mm Radius nicht eben, sondern besitzt die Form einer Sattelfläche (= dreidimensionaler Lochrand).

Lösungsansatz: Die anzunehmenden Rechenwerte für die dimensionslosen Verlustbeiwerte können für einen geometrisch ähnlichen Fall (bei variabler Lochanzahl) im Wasserbaulabor gemessen werden. Da sich alle Verteilstränge bei ähnlichem Durchfluss und ähnlicher Druckhöhe gleich verhalten, ist es ausreichend im Modell einen einzelnen Verteilstrang abzubilden. Der verwendete Versuchsaufbau ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Für den Versuch wird ein Kunststoff-Rohr verwendet. In dieses Material können präzise Löcher mit dem Nenndurchmesser D gefräst werden. Die Lochgröße D orientiert sich dabei am Verhältnis von Modellrohr- zum Naturrohrdurchmesser. Über einen senkrecht gestellten TStück- Fitting kann die Druckhöhe am Eingang des gelochten Rohrstranges als Differenz aus der Messung zweier Ultraschall-Distanzsensoren bestimmt werden. Die Geschwindigkeitshöhe ergibt sich aus der Kontinuitätsbedingung des gemessenen Zuflusses (induktives Durchflussmessgerät IDM) im Zulauf.

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