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Erarbeitung einer Methode zur Berechnung des Stauhöhenverlustes von Feinrechen

Braun, Gerhard (2023)
Erarbeitung einer Methode zur Berechnung des Stauhöhenverlustes von Feinrechen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024262
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Erarbeitung einer Methode zur Berechnung des Stauhöhenverlustes von Feinrechen
Language: German
Referees: Lehmann, Prof. Dr. Boris ; Wagner, Prof. Dr. Martin
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: X, 181 Seiten
Date of oral examination: 5 July 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024262
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

This paper was developed in cooperation with the TU Darmstadt, Chair of Hydraulic Engineering, as part of several research projects at the Saarland University of Applied Sciences (htw saar). It addresses the hydraulic behaviour of unoccupied rod-shaped screening plants, which are mainly used in the mechanical wastewater treatment of municipal sewage treatment plants. However, the basic findings from these projects can also be applied to other applications of screening plants, such as, for example, screening plants upstream of hydraulic power stations or the like. The use of coarse and fine screens in municipal sewage treatment plants has been state of the art for years. Screens prevent or reduce the introduction of solids into the subsequent purification stages and thus make a significant contribution to the entire wastewater purification process. An essential aspect of the hydraulic design is the hydraulic head loss of the built-in screen. The computational determination of the head loss to date has essentially been based on an equation empirically adapted to measured values, which was published in 1925 by Otto Kirschmer and which can also be found in a somewhat modified form in DIN 19569-2 (2017). In practice, when this equation, designed for intake screens on hydroelectric power plants, is applied to fine screens, we see that the calculated and measured values differ considerably from one another in some cases. In the hydraulic laboratory of htw saar, experiments were carried out to investigate the head loss at screens. As part of this process, it has already been possible to ascertain deviations between the metrologically recorded values and the values calculated by means of the Kirschmer equation. Building on these results, the already existing data were supplemented by additional extensive measurements in the context of this paper. For this purpose, both hydraulic experiments in an experimental channel and numerical calculations by means of CFD simulations were carried out. With the help of more than 1600 experiments, the assumptions responsible for the deviations, and which are often no longer permissible in today's sewage treatment plants, were identified in the derivation of the Kirschmer equation. The quality of the existing calculation methods according to Kirschmer and DIN 19569-2 was able to be demonstrated with the help of the results from the laboratory experiments relating to head loss. In addition, two analytical calculation models to determine head loss were developed and validated with the help of the measurement results from the laboratory experiments and numerical flow simulations: The first method developed in this work, the cake model, is based on the modification of the Kirschmer equation, which was extended taking into account the change in kinetic energy due to the different water heights and the associated change in flow velocity. In addition, new shape coefficients were determined as a function of the rod spacing for different rod shapes. As a further analytical calculation model, the BKW model for calculating the head loss of rod-shaped screens was created as part of this work, on the basis of the three individual flow resistances "inflow into the rod interspace", "friction in the rod interspace" and "outflow from the rod interspace ". The results show that the Kirschmer head loss calculation can only be used to a very limited extent for calculations of rod-shaped, unoccupied screens with a rod spacing of b_R≤10 mm. Often, the Kirschmer equation calculates head losses that are significantly too low. Although the modified Kirschmer equation according to DIN 19569-2 gives very good results on average, the spread of the calculated values is large. The modification of the Kirschmer equation developed in this work gives good results; moreover, the spread of the results is significantly smaller than according to the method in DIN 19569-2. The "BKW model" calculation method also delivers good results with respect to calculation of head loss. The spread of the deviations with respect to the results from the laboratory measurements is significantly smaller here compared to the values according to Kirschmer and DIN.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-242624
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 624 Civil engineering and environmental protection engineering
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Hydraulic and Water Resources Engineering
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Hydraulic and Water Resources Engineering > Hydraulic Engineering
Date Deposited: 18 Jul 2023 11:53
Last Modified: 21 Jul 2023 07:41
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/24262
PPN: 509787657
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