Braun, Gerhard (2023)
Erarbeitung einer Methode zur Berechnung des Stauhöhenverlustes von Feinrechen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024262
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Arbeit entstand in Kooperation mit der TU Darmstadt, Lehrstuhl für Wasserbau und Hydraulik, im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (htw saar). Sie beschäftigt sich mit dem hydraulischen Verhalten von unbelegten stabförmigen Rechenanlagen, welche vorwiegend Anwendung in der mechanischen Abwasserreinigung kommunaler Kläranlagen finden. Die grundlegenden Erkenntnisse aus diesen Vorhaben lassen sich jedoch auch auf andere Anwendungen von Rechenanlagen, wie z. B. auf Rechenanlagen vor Flusskraftwerken oder Ähnlichem anwenden. Die Verwendung von Grob- und Feinrechen in kommunalen Kläranlagen ist bereits seit Jahren Stand der Technik. Rechen verhindern bzw. reduzieren den Feststoffeintrag in die nachfolgenden Reinigungsstufen und leisten damit einen maßgeblichen Beitrag im gesamten Abwasserreinigungsprozess. Einen wesentlichen Aspekt der hydraulischen Auslegung stellt der hydraulische Stauhöhenverlust des eingebauten Rechens dar. Die bisherige rechnerische Bestimmung des Stauhöhenverlustes beruht im Wesentlichen auf einer empirisch an Messwerte angepassten Gleichung, die 1925 von Otto Kirschmer veröffentlicht wurde und die in etwas modifizierter Form auch in der DIN 19569-2 (2017) zu finden ist. In der Praxis zeigt sich bei Anwendung dieser für Einlaufrechen an Wasserkraftanlagen konzipierten Gleichung auf Feinrechen, dass sich die berechneten und gemessenen Werte z.T. erheblich voneinander unterscheiden. Im Hydrauliklabor der htw saar wurden Experimente zur Untersuchung des Stauhöhenverlustes an Rechen durchgeführt. Hierbei konnten bereits Abweichungen zwischen den messtechnisch erfassten und den mittels der Kirschmer-Gleichung berechneten Werten festgestellt werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden die bereits bestehenden Daten durch zusätzliche umfangreiche Messungen im Rahmen dieser Arbeit ergänzt. Hierzu wurden sowohl hydraulische Experimente in einem Versuchsgerinne als auch numerische Berechnungen mittels CFD-Simulationen durchgeführt. Unter Zuhilfenahme von über 1600 Experimenten wurden in der Herleitung der Kirschmer-Gleichung die für die Abweichungen verantwortlichen Annahmen, welche bei Feinrechen in heutigen Kläranlagen oft nicht mehr zulässig sind, identifiziert. Mithilfe der Ergebnisse aus den Laborexperimenten hinsichtlich Stauhöhenverlust konnte die Qualität der bestehenden Berechnungsmethoden nach Kirschmer und DIN 19569-2 dargestellt werden. Des Weiteren wurden zwei analytische Berechnungsmodelle zur Bestimmung des Stauhöhenverlustes erarbeitet und mithilfe der Messergebnisse aus den Laborexperimenten und numerischen Strömungssimulationen validiert: Die erste in dieser Arbeit erstellte Methode kek-Modell beruht auf der Modifizierung der Kirschmer-Gleichung, die unter Berücksichtigung der Änderung der kinetischen Energie aufgrund der unterschiedlichen Wasserhöhen und der damit verbundenen Änderung der Fließgeschwindigkeit erweitert wurde. Zudem wurden neue Formbeiwerte in Abhängigkeit des Stababstands für unterschiedliche Stabformen bestimmt. Als weiteres analytisches Berechnungsmodell wurde in dieser Arbeit das BKW-Modell zur Berechnung des Stauhöhenverlustes von stabförmigen Rechen auf Grundlage der drei Einzelströmungswiderstände „Einströmung in den Stabzwischenraum“, „Reibung im Stabzwischenraum“ und "Ausströmung aus dem Stabzwischenraum“, erstellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Stauhöhenverlustberechnung nach Kirschmer nur sehr eingeschränkt für die Berechnungen von stabförmigen unbelegten Rechen mit einem Stababstand von b_R≤10 mm genutzt werden kann. Häufig werden durch Kirschmer deutlich zu geringe Stauhöhenverluste berechnet. Die modifizierte Kirschmer-Gleichung nach DIN 19569-2 liefert zwar im Mittel sehr gute Ergebnisse, allerdings ist die Streubreite der berechneten Werte groß. Die in dieser Arbeit erstellte Modifikation der Kirschmer-Gleichung liefert gute Ergebnisse; zudem ist die Streubreite der Ergebnisse deutlich kleiner als nach der Methode DIN 19569-2. Die Berechnungsmethode „BKW-Modell“ liefert ebenfalls gute Ergebnisse hinsichtlich der Stauhöhenverlustberechnung. Die Streubreite der Abweichungen gegenüber den Ergebnissen aus den Labormessungen ist hier im Vergleich zu den Werten nach Kirschmer und DIN deutlich geringer.

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