Sådan hjælper S-tube®-løberen med at imødegå spildevandsudfordringer

Sådan hjælper S-tube®-løberen med at imødegå spildevandsudfordringer
Af Justyn Barnes

Resumé

Ved planlægningen af et moderne spildevandsanlæg skal der tages højde for de stigende vandpriser samt en række nye miljømæssige og politiske faktorer. I denne artikel kan du læse, hvordan Grundfos S-tube®-løberen hjælper med at løse forskellige udfordringer ved hjælp af sit innovative design.

Grundfos S-tube løberen er designet til at transportere en øget mængde spildevand med større tørstofindhold og større varians over længere afstande mere energibesparende.

Grundprincipperne for den revolutionerende S-tube®-løber, der blev introduceret tilbage i 2012, har faktisk været på pumpedesignernes tegnebrætter i årtier. Men i mange år lykkedes det ikke nogen producent af spildevandspumper at få løberkonstruktionen til at fungere. Mængden og mangfoldigheden af det affaldsmateriale, der skulle transporteres, var forholdsvis lav, og derfor havde forsyningsselskaberne knap nok fokus på forhold som vand- og energiforbrug.
Inden for de seneste to årtier har en række samtidige faktorer gjort S-tube®-designet relevant. Dette omfatter øget miljøbevidsthed, ny lovgivning og nye direktiver samt stigende omkostninger i forbindelse med transport af vand, energi og affald.

Udfordringerne for moderne forsyningsselskaber

De største og indbyrdes forbundne udfordringer, som forsyningsselskaber står over for i dag i forbindelse med transport af affald, kan opsummeres som følger

• Stigende priser på vand og energi og strengere offentlige kontroller (fx grønne afgifter på vand og energi til forbrugerne)
• Lavere vand- og energiforbrug
• Mindre variation i faststoffer i moderne spildevand

En vigtig årsag til, at forsyningsvirksomhederne har ændret deres tilgang til spildevandshåndtering, har været de stigende vandpriser (se fig. 1). Som følge deraf har forbrugerne skåret ned på forbruget, hvilket har medført en ændring i sammensætningen af spildevand med et højere indhold af tørre faste stoffer end tidligere.

Offentlige regler, standarder og direktiver har været med til at øge komplikationerne. Fx fremgår det af punkt 5 i den europæiske standard for pumpeanlæg, EN 752-6:2008, at pumpesystemerne skal "planlægges og udformes under hensyntagen til" faktorer såsom "energiforbrug," "drifts- og vedligeholdelseskrav" og "miljøpåvirkning".

Bortset fra strengere kontrol med brugen har de stigende energipriser øget incitamentet til at finde mere effektive metoder til transport af spildevand.

Innovationer inden for vandbesparelse har skabt nye problemer. Eksempelvis bruger mere effektive toiletter mindre væske til transport, hvilket øger risikoen for tilstopning længere nede i ledningen. Traditionelle spildevandspumper øger risikoen til tilstopning frem for at mindske den på grund af følgende konstruktionsproblemer:

• Forkanter, hvor affaldsmateriale let sidder fast
• Bøjninger i rørene
• Skæremekanismer
• Mindre fri passage

"Vi ser to store og globale udfordringer, når det gælder transport af spildevand," siger Maurice Martaud, Technical Support Engineer for det førende franske vandforsyningsselskab Lyonnaise des Eaux, en del af den multinationale Suez Environnement Group. "Den første udfordring handler om forbrugernes ændrede sociale adfærd. På den ene side driver dette installationen af vandbesparende tiltag for at reducere vandforbruget til et minimum, og på den anden side en forøgelse af fibrøst affaldsmateriale til opsamlingssystemerne. Disse ændringer udfordrer både spildevandspumpernes hydraulik og rørsystem, efterhånden som den faste strøm, der transporteres af spildevandet, bliver tykkere og sværere at transportere. "Den anden udfordring fokuserer på det stigende behov for overvågning af indsamlingssystemer for at forhindre tilstopning af kloakker, pumper og transportnet," siger han. "Tilstopning forårsaget af blanding af fedtstoffer, sedimenter og makroaffald er et stigende problem, der stiller store krav til serviceressourcerne. Derfor er det vigtigt så vidt muligt at forudse enhver tendens til tilstopning.

Forskellige løbere, forskellige problemer

Industriens respons på ændringerne og presset har været en generel tendens til at centralisere affaldshåndteringssystemerne, hvor det er muligt. Hastighedsregulerede pumper er også blevet almindelige som et middel til at spare energi. Men med et reduceret flow følger større risiko for tilstopning i systemet, hvilket påvirker både virkningsgraden og levetiden.  

Samlet udgør det et vanskeligt problem for konstruktørerne af spildevandspumper: hvordan transporterer man mere affald end nogensinde før over længere afstande, men med mindre vand- og energiforbrug og med begrænsede eller ingen krav til vedligeholdelse efter installationen.

Der er udviklet forskellige typer af spildevandsløbere gennem årene for at opnå større pålidelighed og højere hydraulisk virkningsgrad – Vortextyper, halvåbne eller lukkede løbere eller hybridvariationer over disse temaer.

"Kunderne er også blevet bedt om at købe dyre udvidelsesenheder," fortæller Mikael Nedergaard, Global Product Manager hos Grundfos. "Disse er beregnet til at føre, skære eller behandle spildevand, når det passerer igennem, men giver ingen mærkbare forbedringer, når det gælder langsigtet pålidelighed."

S-tube®-løberen: Intet kompromis

EN 752-6:2008 identificerer både ""optimering af virkningsgrad"" og ""evnen til at overføre tilladte faste stoffer uden tilstopning"" som vigtige egenskaber for en pumpe. Men ifølge Mikael Nedergaard har ""kunderne ofte fået det indtryk, at de var nødt til at acceptere en afvejning mellem de to"". Dette bestrides af S-tube®-løberen, som findes i Grundfos' spildevandspumper og tilbyder både god hydraulisk virkningsgrad og fri passage, hvilket forhindrer tilstopning af pumpen."

"Den største fordel ved den glatte S-tube®-konstruktion over løberen med forkanter er, at der ingen steder er, hvor affald kan blive fanget og forårsage tilstopning," forklarer Flemming Lykholt-Ustrup, leder af Global WW Fluid & Mechanics hos Grundfos. "Specialfunktioner på forsiden og bagsiden af den lukkede S-tube® optimerer også lækageflowet ind i spalterne mellem den roterende løber og det stationære pumpehus.

Da den kompromisløse indvendige diameter af S-tube® er ensartet (se fig. 2), er der mindre risiko for tilstopning, selv med den forholdsvis lave mængde tørstoffer, der findes i spildevand i dag.

"Derfor reducerer forbedringer af den hydrauliske virkningsgrad energiomkostningerne for brugeren," siger Flemming Lykholt-Ustrup. “Desuden har den manglende forkant den fordel, at den sænker NPSH i centrifugalpumpen, hvor der er størst risiko for kavitation i det hydrauliske system.

Den holistiske tilgang

Forskning offentliggjort i bogen ""Pump Life Cycle Costs"": ""A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems"" fra Europump og Hydraulic Institute viser, at købsprisen sjældent udgør mere end 5 % af en pumpes samlede omkostninger i hele dens levetid. Strømforbruget er med sine 85 % af de samlede udgifter langt den største faktor, mens vedligeholdelsesomkostningerne sandsynligvis ligger omkring 10 %.

Derfor er det forståeligt, at nogle af de førende aktører på markedet har anerkendt, at der kræves en holistisk tilgang for at optimere et pumpeanlæg. Grundfos' arbejdsmetode er forankret i iSOLUTIONS-filosofien [Intelligent Solutions], der dækker hele livscyklussen for en pumpe fra design og udvikling til produktion, installation og vedligeholdelse, skrotning og genbrug.

Kundens engagement i produktudviklingsprojektet sikrer, at løsningerne i slutproduktet opfylder kundernes krav," siger Flemming Lykholt-Ustrup. Men det er ikke den eneste motivation for et optimeret design, tilføjer han. For eksempel er et emne, som ofte undervurderes af kunderne, håndtering af luft (se fig. 3). Det er vigtigt at sikre, at pumpen kan håndtere en vis mængde luft i mediet.

Grundfos' ingeniører gennemførte omfattende CFD-undersøgelser for at optimere de vigtige områder, hvor der opsamles luft, for at minimere flowreduktionen gennem S-tube®-løberen ved drift med gas- eller luftholdige medier.

Sammenfatning

Moderne spildevandsanlæg skal kunne transportere en øget mængde spildevand med større tørstofindhold og større varians over længere afstande mere energibesparende. Dette kræver en centrifugalpumpe, der ikke går på kompromis med hverken tilstopning eller den hydrauliske virkningsgrad, og som tilbyder længere levetid med minimal vedligeholdelse. Det ældgamle rørkoncept, forbedret af dygtige ingeniører i det 21. århundrede efter feedback fra brugerne, har vist sig at være den mest effektive allround-løsning.

Grundfos er verdens største producent af pumper med ca. 17.000 medarbejdere på verdensplan. Selskabets årlige produktion på mere end 16 millioner pumpeenheder, cirkulationspumper, dykpumper og centrifugalpumper udgør ca. 50 % af verdensmarkedet for disse typer pumper og pumpeanlæg. Grundfos, der har base i Danmark, producerer også elmotorer til pumperne samt et betydeligt antal elmotorer til separat salg. Derudover udvikler Grundfos topmoderne elektronik til styringer, pumper og andre anlæg. Få mere at vide på grundfos.dk.

Fig. 1:
Stigende samlede spildevandsomkostninger har været en vigtig faktor til at tvinge forsyningsselskaber over hele verden til at genoverveje deres tilgang til spildevandsadministration.* Euro-konvertering korrigeret pr. 14. april, 2014. Kilde: GWI Water Tariff Survey, 2013 opdatering

Fig. 2:
Dette farvekodede billede viser, hvordan tryk påvirker en typisk hydraulisk S-tube® overflade (intet materiale tilføjet). De blå mærker ved det laveste tryk stiger til grøn og endelig fra gul til rød, som er det højeste tryk, idet mediet forlader løberen. Denne opbygning af tryk tyder på en lovende virkningsgrad og intet returløb, som kan starte akkumuleringen af faste stoffer. På det markerede sted, hvor slangen er bøjet mest, er det stadig nærmest umuligt for faste stoffer at sidde fast i S-tube®, da der ikke er nogen forkanter i løberkonceptet.

Fig. 3:
I denne flerfasede CFD-simulering har de to løbere samme størrelse, men der er en mindre geometrisk forskel på formen (inden for nogle få millimeter). Væskeflowet er ens for begge løbere, og der føjes løbende 8 % luft til flowet. De omkransede områder viser de samlede luftbobler i hvert område, og hvordan lufthåndteringen kan optimeres af det specifikke design.