KSB Modellversuch: „Gaseinschlüsse“ – und was man dagegen tun kann.

KSB geht Gaseinschlüssen in Rohrleitungen im Rahmen eines Modellversuchs auf den Grund. 

Regelmäßig führt KSB Modellversuche durch, um verschiedenste Vorgänge in Pumpenanlagen zu simulieren, und um daraus neue Erkenntnisse für die Optimierung und Effizienzsteigerung abzuleiten. Nun haben die Experten von KSB ein neues Funktionsmodell zu einem Thema entwickelt, das viele Anlagenbetreiber beschäftigt: Gaseinschlüsse in Rohrleitungen. Solche Gaseinschlüsse sind für viele Anlagenbetreiber ein leidiges Thema, weil ungelöste Gase in Rohrleitungen mit ausgeprägten Hochpunkten den Strömungswiderstand erhöhen können, was zu kostenintensiven Energieverlusten und Mindermengen in der Förderung führen kann. 

Das Funktionsmodell von KSB ermöglicht es, verschiedene Möglichkeiten zur Entlüftung von Rohrleitungen bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zu veranschaulichen. Damit diese Simulation möglich wird, besteht das Funktionsmodell von KSB aus einer Rohrleitung mit ausgeprägten Hoch- und Tiefpunkten und ist im Zulauf mit einer in einem Wasserbecken stehenden Pumpe verbunden. Im Auslauf wird das Wasser wieder ins Becken zurückgeführt. Über Schieber im Zulauf und im Ablauf lässt sich die Fördermenge und damit die Fließgeschwindigkeit regeln. Die zu erbringende Förderhöhe der Pumpe wird durch die Wassersäule im Steigrohr verdeutlicht. Ein Display zeigt die Durchflussmenge an. 

Das sollten Sie über Gaseinschlüsse wissen.

Die Bewegung von Wasser in Rohrleitungen kann durch Lufteinschlüsse in Rohrleitungen mit ausgeprägten Hochpunkten stark beeinflusst werden, weil sie den Strömungswiderstand erhöhen. Wobei der Begriff „Lufteinschluss“ genau genommen missverständlich ist. Treffender ist der Begriff „Gaseinschluss“, da Luft eine Mischung aus bestimmten Gasen im entsprechenden Verhältnis ist. Damit wird das Thema Abwasser mit Ausgasungen, Methangasentwicklung oder Gasbildung mit chemischer Ursache ebenfalls abgedeckt. Gaseinschlüsse können entstehen, wenn das Fördermedium zur Gasbildung neigt oder bereits Gas beladen ist. 

Gaseinschlüsse können dazu führen, dass die projektierte Fördermenge der ausgelegten Pumpe gegebenenfalls nicht erreicht wird – hervorgerufen durch energetische Verluste. Der KSB Modellversuch hat ergeben, dass Pumpen je nach Ausprägung in einen nichtstationären Betriebszustand übergehen können, weil die Flüssigkeitssäule im Rohrsystem schwingt. Die zusätzlichen Druckverluste durch die Gaspolster an der Hochpunkten der Rohrleitung erhöhen die Gefahr des Teillastbetriebs der Kreiselpumpe. Auch ergab der Modellversuch, dass die Förderlinien-Kennlinie mit steigendem volumetrischem Gasanteil abfällt. 

Wie lassen sich Gaseinschlüsse vermeiden? 

Die Experten von KSB empfehlen: 

• Bewertung des zu transportierende Fluid hinsichtlich seines Gasgehalts bzw. seiner Potenziale zur Gasbildung. 
• Beachtung der Pumpensumpfausbildung. Der Pumpensumpf sollte dabei so gestaltet sein, dass ein Gaseintrag durch Absturz auf die Flüssigkeitsoberfläche vermieden wird. Lässt sich dies nicht vermeiden, sollte der Abstand der Pumpe zu dieser Stelle erhöht werden, um den Gasbläschen die Möglichkeit des Aufsteigens (Ausgasens) zu geben.
• Entlüftung der betroffenen Hochpunkte der Rohrleitung. 
• Berechnung der Fähigkeit zur Selbentlüftung. Meist ist dies aufgrund der knappen Pumpenauslegung allerdings nicht machbar: Voraussetzung dafür ist ein ausreichendes Pumpensumpf-Nutzvolumen.

In welchen Rohrleitungen entstehen eigentlich Gaseinschlüsse?

Zu Gaseinschlüssen kann es kommen, wenn das Fördermedium zur Gasbildung neigt oder bereits Gas beladen ist. Mit steigendem Gasanteil pro Volumen Förderflüssigkeit wird die Förderleistung der Pumpe stärker beeinträchtigt.

Je stärker sich geodätische Hochpunkte im Profil einer Rohrleitung ergeben, desto stärker ist die Tendenz zu ernsten Problemen beim Fördervorgang.

Fazit des Modellversuchs “Gaseinschlüsse”

Bei allen Versuchen hat sich gezeigt: Mit steigendem Gasanteil pro Volumen Förderflüssigkeit wird die Förderleistung der Pumpe stärker beeinträchtigt. Denn das Gas-Gemisch ist leichter als das Fördermedium und wird von diesem beim Durchströmen der Pumpe durch die Rotation des Laufrades getrennt. Je nach Laufradform kann es dabei zu starker Schwingungsanregung der Pumpe kommen. Das transiente Verhalten des gesamten Systems (Pumpe – Rohrleitung – Fluid) verändert sich. Genaue Berechnungen (z. B. Druckstoßberechnungen) werden so erschwert und bergen ein entsprechendes Gefahrenpotenzial. Bei Abwasserstationen besteht zudem die Gefahr von Schwimmschlammbildung an der Wasseroberfläche durch das Austreten des Gases. Bereits beim erstmaligen Füllen einer Rohrleitung können sich Gaseinschlüsse ergeben.

Modellversuche bei KSB: Im Kleinen gedacht, im Großen gemacht! 

Grundsätzlich führt KSB immer dann Modelluntersuchungen an einem Objekt oder einem Vorgang durch, wenn technische oder wirtschaftliche Gründe gegen Messungen unter Originalbedingungen sprechen. Die experimentellen Untersuchungen ermöglichen es KSB, neue Potenziale zur Effizienzsteigerung in Pumpenanlagen aufzudecken.

Der hydraulische Modellversuch „Gaseinschlüsse“ ist nur einer der vielen Modellversuche, mit denen KSB wertvolle Erkenntnisse gewonnen hat, die wir gern an unsere Kunden weitergeben. Erweitern Sie Ihr Fachwissen auch mit den Ergebnissen unserer weiteren hydraulischen Modellversuche zu Themen wie „Bermenwinkel“, „Feststofftransport“ oder „Lufteinträge“.

Gut zu wissen: Bei der Planung, Durchführung und Auswertung aller Modellversuche sowie der Übertragung der Ergebnisse auf die originalgroße Maschine und/oder Original-Betriebsbedingungen werden die Ähnlichkeitsgesetze beachtet bzw. angewendet. Dazu gehören neben der Einhaltung der geometrischen Ähnlichkeit auch die Berücksichtigung von Längenänderungen durch elastische und thermische Verformungen, die Umrechnung der Versuchsergebnisse auf Basis der Modellgesetze, die Beachtung von Flüssigkeitseigenschaften und vieles mehr. 

Alles, damit aus einem Modellversuch am Ende eine konkrete Optimierung werden im täglichen Anlagenbetrieb kann!

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