Hvordan S-TUBE-pumpehjulet bidrar til å motvirke utfordringene ved avløpsvann

Sammendrag
Den økende prisen på vann pluss en rekke nye miljømessige og politiske faktorer må legges til grunn til når man planlegger et moderne avløpssystem. I denne artikkelen lærer du hvordan Grundfos S-tube®-pumpehjulet kan bidra til å møte disse ulike utfordringene gjennom sin nyskapende konstruksjon.

Grundfos S-tube®-pumpehjulet er konstruert for å transportere økt volum og et mangfold av avløpsvanntyper over lengre avstander samtidig som de bruker mindre energi og transportfluid.

Det grunnleggende ved det revolusjonerende S-tube®-pumpehjulet, som ble introdusert av Grundfos i 2012, har faktisk vært på pumpekonstruktørenes tegnebrett i flere tiår. Det fantes i mange år rett og slett ikke noen avløpspumpeprodusent som kunne få denne pumpehjulkonstruksjonen til å fungere. Volumet og variasjonen i avfallsmaterialet som skulle transporteres, var relativt lavt, og derfor ble detaljer som vann- og energiforbruk knapt nok tatt med i vurderingen av de offentlige vann- og avløpstjenestene.

Det er bare de siste to tiårene at en rekke faktorer har kommet sammen for å gjøre S-tube®-konstruksjonen relevant. Det inkluderer økt miljøbevissthet, ny lovgivning og nye direktiver, og økende kostnader for vann, energi og avfallstransport.

1. Utfordringene som moderne vann- og avløpstjenester står overfor

De viktigste utfordringene som vann- og avløpsetater står overfor i dag ved transport av avfall, kan oppsummeres slik:

- Stigende kostnader for vann og energi og strengere offentlig kontroll (for eksempel miljøavgift på vann og energi for forbrukere),
- Lavere vannforbruk – og energiforbruk,
- Mindre væskeandel i moderne avløpsvann.

En viktig grunn til at vann- og avløpsetater må endre sin strategi for avløpsvannbehandling har vært den økende kostnaden for vann (se figur 1). Følgelig har forbrukerne redusert sitt forbruk, noe som har medført endringer i sammensetningen av avløpsvannet og gitt et høyere tørrstoffinnhold enn tidligere.

Offentlige forskrifter, standarder og direktiver har gjort det hele enda mer komplisert. Punkt 5 i den europeiske standarden for pumpeanlegg, EN 752-6: 2008, fastslår for eksempel at pumpeanlegg skal planlegges og utformes under hensyntagen til faktorer som energiforbruk, drift, vedlikeholdskrav og miljøpåvirkning.

Bortsett fra strengere kontroller med bruken, har de stigende energikostnadene økt incentivet for å finne mer effektive metoder for transport av avløpsvann. Vannsparende innovasjoner har skapt nye problemer. For eksempel bruker mer effektive toaletter mindre vann, noe som øker risikoen for tilstopping lenger ned langs linjen. Tradisjonelle avløpspumper øker denne tilstoppingsrisikoen snarere enn å løse den på grunn av følgende konstruksjonsproblemer:

- Ledekanter som avfallsmaterialet lett hekter seg opp i,
- Bøyer i rørene,
- Kuttemekanismer
- Reduserte frie passasjer.

«Vi ser to store og globale utfordringer når det gjelder transport av avløpsvann», sier Maurice Martaud, teknisk ingeniør i det ledende franske vannfirmaet Lyonnaise des Eaux, en del av den multinasjonale Suez Environnement-gruppen. «Den første utfordringen gjelder forbrukerens endrede sosiale atferd. På den ene siden fører dette til vannreduksjonstiltak for å minske vannforbruket til et minimum, og på den annen side øker andelen fibrøst materiale i innsamlingssystemene. Disse endringene utfordrer både avløpspumpehydraulikken og rørene, ettersom det faste materialet som transporteres av avløpsvannet, blir tykkere og seigere å transportere. «Den andre utfordringen fokuserer på det økende behovet for overvåkning av innsamlingssystemer for å hindre tilstopping av tyngdekraftbaserte avløp, pumper og trykksatte hovedledninger», sier han. «Tilstopping forårsaket av blanding av fett, sedimenter og andre fremmedlegemer er et økende problem som stiller store krav til serviceressursene. Derfor må tendenser til tilstopping forutses i så høy grad som mulig.»

2. Ulike pumpehjul, ulike problemer
Bransjens respons på disse endringene og pressfaktorene har vært en generell tendens mot sentraliserte avfallshåndteringssystemer der dette er mulig. Pumper med variabel hastighet er også blitt vanlig som et middel til å spare energi, men med redusert strømningshastighet oppstår det større risiko for tilstopping i systemet, noe som påvirker både effektivitet og levetid.

Totalt sett skaper dette et krevende problem for konstruktører av avløpspumper: hvordan skal man forflytte mer avfall enn noen gang, over lengre avstander, bruke mindre vann og mindre energi, og med lite eller intet vedlikehold etter installasjonen.

Ulike typer pumpehjul for avløpsvann er blitt utviklet gjennom årene på jakt etter større pålitelighet og høyere hydraulisk virkningsgrad – pumpehjul av virveltypen, halvåpne eller lukkede pumpehjulsløsninger eller hybridvariasjoner over disse temaene.

«Kundene er også blitt bedt om å kjøpe dyre tilleggskomponenter», sier Mikael Nedergaard, Global Product Manager i Grundfos. «Disse er tiltenkt å frakte, bryte opp eller behandle avløpsvann når det passerer, men det gir ingen merkbare forbedringer i langsiktig pålitelighet.

3. S-tube®-pumpehjulet: Ingen kompromisser
EN 752-6: 2008 identifiserer både «optimaliseringseffektivitet» og «evnen til å la tillatte faste stoffer passere gjennom uten tilstopping» som viktige egenskaper ved en pumpe. Men ifølge Mikael Nedergaard har kundene ofte blitt ledet til å tro at de må godta et kompromiss mellom disse to kravene. S-tube®-pumpehjulet, som er montert i Grundfos avløpsvannspumper, eliminerer dette problemet og gir både utmerket hydraulisk virkningsgrad og fri passasje, noe som forhindrer pumpen i å tette seg til.

«Hovedfordelen ved den glatte S-tube®-konstruksjonen fremfor skovlhjulene med ledekanter er at det ikke finnes noe sted avfallet kan hekte seg fast og forårsake tilstopping», forklarer Flemming Lykholt-Ustrup, leder av Global WW Fluid and Mechanics på Grundfos. «Spesielle trekk ved for- og bakplaten i den lukkede S-tube® optimaliserer også lekkasjer inn i hulrommet mellom det roterende pumpehjulet og det stasjonære pumpehuset.

Fordi den innvendige diameteren til S-tube® er ensartet (se figur 2), er det mindre sannsynlighet for tilstopping, selv med et relativt lavt volum av transportvæske, slik det er med avløpsvann i dag.

«Følgelig vil hydrauliske effektivitetsgevinster redusere energikostnadene for sluttbrukeren», sier Flemming Lykholt-Ustrup. «Dessuten gir mangelen på ledekanter den fordelen at NPSH i betydelig grad reduseres inne i sentrifugalpumpen, der det hydrauliske systemet er mest utsatt for kavitasjon.

4. Den helhetlige tilnærmingen
Analyser som er publisert i boken Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems fra Europump and Hydraulic Institute, viser at den opprinnelige kjøpsprisen sjelden utgjør mer enn fem prosent av en pumpes totale kostnad gjennom hele levetiden. Energiforbruket er langt den viktigste faktoren, med 85 prosent av totale utgifter, mens servicekostnadene sannsynligvis vil være på omtrent ti prosent.

Det er forståelig at noen av de ledende aktørene i markedet da har skjønt at en helhetlig tilnærming er nødvendig for å optimalisere et pumpesystem. Grundfos’ tilnærming er forankret i iSolutions [Intelligent Solutions]-filosofien , som omfatter hele livssyklusen til en pumpe, fra design og utvikling til produksjon, installasjon og vedlikehold, kassering og resirkulering.

«Sluttkundens engasjement i produktutviklingsprosjektet sikrer at løsningene i sluttproduktet tilfredsstiller kundens krav», sier han. Men dette er ikke den eneste faktoren bak designforbedringer, legger han til. For eksempel er håndtering av luft et problem som ofte ikke verdsettes av kundene (se figur 3). Det er viktig å sikre at en pumpe er i stand til å håndtere en viss mengde luft i væsken. Grundfos’ ingeniører gjennomførte omfattende CFD-undersøkelser for å optimalisere de kritiske områdene der luft samler seg opp for å minimere strømningsreduksjonen gjennom S-tube®-pumpehjulet når det brukes med gass- eller luftholdige medier.

5. Sammendrag
Moderne avløpsbehandlingssystemer må kunne transportere økt volum og et større mangfold av avfall over lengre avstander, men samtidig bruke mindre energi og transportfluid. Dette krever en sentrifugalpumpe som ikke inngår kompromisser mellom tilstopping og hydraulisk virkningsgrad og som har utvidet levetid med minimalt vedlikehold. Det eldgamle rørkonseptet, foredlet av dyktige ingeniører i det 21. århundre samt tilbakemeldingene fra sluttbrukerne viser seg å være den mest effektive universalløsningen.

Grundfos er verdens største pumpeprodusent, med om lag 17 000 ansatte globalt. Selskapets årlige produksjon av mer enn 16 millioner pumpeenheter, sirkulasjonspumper, nedsenkbare pumper og sentrifugalpumper står for om lag 50 prosent av verdensmarkedet for disse pumpene og pumpesystemene. Grundfos, med hovedkontor i Danmark, produserer også elektromotorer for pumper, samt en betydelig mengde elektromotorer for separat salg. Videre utvikler Grundfos toppmoderne elektronikk for betjeningssystemer, pumper og andre systemer. For mer informasjon, gå inn på grundfos.com.

Figur 1:
Stigende totale avløpsvannkostnader har vært en avgjørende faktor for å tvinge vann- og avløpsetater over hele verden til å revurdere sin tilnærming til avløpsvannbehandling. * eurokonvertering er korrekt per 14. april 2014, kilde: GWI Water Tariff Survey – 2013 Update

Figur 2:
Dette fargekodede bildet viser hvordan trykket virker på overflaten av en typisk hydraulisk S-tube® overflate (ingen materialer er tilsatt). Blått markerer det laveste trykket, og det øker via grønt og deretter gult til rødt, høyeste trykk når væsken forlater pumpehjulet. Denne trykkoppbyggingen gir en lovende virkningsgrad uten tilbakestrømning som kan forårsake opphopning av faste stoffer. På punktet som er avmerket, hvor røret er bøyd mest, er det fortsatt nesten umulig for faste stoffer å sette seg fast inne i S-tube®, siden det ikke er noen ledekant i pumpehjulkonseptet.

Figur 3:
I denne flerfasede CFD-simuleringen er de to pumpehjulene av tilsvarende størrelse, men med en liten geometrisk forskjell (kun noen få millimeter) i form. Væskestrømmen er den samme for begge pumpehjul, med 8 prosent luft kontinuerlig tilsatt i væskestrømmen. Områdene med ring rundt viser de akkumulerte luftboblene og hvordan luftbehandlingen kan optimaliseres gjennom spesifikke konstruksjonsprinsipper.