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Die Konzentrationsverteilung der Feststoffe über den Rohrquerschnitt ist von deren Eigenschaften und insbesondere von der mittleren Fließgeschwindigkeit (vm) abhängig. Sie wird unter anderem von folgenden Randbedingungen der durchflossenen Rohrleitungen beeinflusst:
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Der Zustand "schwebende Bewegung" (a) ist gekennzeichnet durch eine über die Höhe weitgehend konstante Feststoffkonzentration. In dieser Phase ist die mittlere Fließgeschwindigkeit der Gemischströmung (vm) sehr viel größer als die für den ablagerungsfreien Feststofftransport erforderliche Mindestfließgeschwindigkeit (vc). Zur Aufrechthaltung dieses Transportzustandes sind hohe Fließgeschwindigkeiten erforderlich [SteinR2005] [Führb62]. (Bild: … |
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In Bezug auf den Zustand "schwebende und springende Bewegung" (b) ist ersichtlich, dass bei abnehmender mittlerer Fließgeschwindigkeit das Konzentrationsprofil im unteren Fließquerschnitt völliger wird, wobei sich aber noch sämtliche Feststoffteilchen in Schwebe befinden. Hervorgerufen wird diese ungleichmäßige bzw. heterogene Konzentrationsverteilung durch die gegenüber dem Zustand (a) geringere Fließgeschwindigkeit. Die zurückgehende Turbulenz … |
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Der Zustand "schwebende und gleitende Bewegung" (c) ist durch eine zur Kanalsohle hin zunehmende Feststoffkonzentration und das Auftreten von Geschiebe geprägt. Die Feststoffteilchen bewegen sich schwebend und gleitend, wobei keine Ablagerungen auftreten [Führb62] [SteinR2005]. (Bild: Konzentrationsprofile der Feststoffe über den Fließquerschnitt in Abhängigkeit von der mittleren Fließgeschwindigkeit - Zustand c) |
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Im Zustand "schwebende und gleitende Bewegung über Ablagerungen" (d) besitzt die Strömung nicht mehr genügend Energie, um alle Feststoffpartikel zu transportieren. Die Bewegung der Feststoffe erfolgt zugleich in Form von Geschiebe und Suspension. Darüber hinaus bilden sich über den Transportbereich Körper in Form von Riffeln, Bänken bzw. Dünen aus. Liegt dabei die mittlere Fließgeschwindigkeit im Kanalquerschnitt wesentlich unter der kritischen Fließgeschwindigkeit, … |
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Der Feststofftransport wird in drei Basisprozesse gegliedert:
[Bollr89] |
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(Bild: Sinkgeschwindigkeit vs für Kugeln einer Dichte von 2,65 g/cm3 in Abhängigkeit vom Durchmesser und von der Temperatur des Wassers [Kalbs97]) Die Sedimentation (Absetzvorgang), ist abhängig von der Sinkgeschwindigkeit der Partikel. |
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Erosion und Deposition sind geprägt von den Bewegungs- und Ruhephasen der Partikel. Ein Feststofftransport im Abwasser beginnt bei Überschreitung der kritische Fließgeschwindigkeit vcrit (im weiteren Verlauf des Moduls: vc) oder der (Grenz-)Schleppspannung Tau (τ). Die Schleppspannung τ kann auch als Erosionsschubspannung bezeichnet werden.
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Mit zunehmender Turbulenz und Fließgeschwindigkeit werden Feststoffe mit zunehmender Korngröße und Dichte in Schwebe gebracht. Bei nachlassender Geschwindigkeit sinken diese wieder zur Kanalsohle ab. Näherungsweise können diese Zusammenhänge über die FROUDE-Zahl des Kornes beschrieben werden: (Formel: FROUDE-Zahl des Kornes) Untersuchungen von [Kress1964] ergaben, dass … |
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Vor der Neuauflage des ATV-DVWK-A 110 im Jahre 1988 gingen Planer davon aus, dass die erforderliche Schleppkraft des Abwassers gewährleistet ist, wenn bei Teilfüllung Fließgeschwindigkeiten von mindestens 0,5 m/s und bei Vollfüllung von mindestens 1,0 m/s eingehalten werden. Auf dieser Grundlage und den Untersuchungen von Karakassonis wurde in der Praxis das Mindestgefälle oftmals nach der Faustformel Icrit = 1000/DN (Kreisrohre bei Halb-/Vollfüllung … |
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Der aktuelle Ansatz für die hydraulische Dimensionierung von Kanalisationen unter Verwendung einer differenzierten Feststofftransportgleichung in teilgefüllten Rohrleitungen lautet: Gleichung 3: (Formel: hydraulische Dimensionierung von Kanalisationen unter Verwendung einer differenzierten Feststofftransportgleichung in teilgefüllten Rohrleitungen) mit: Q = Durchfluss, Abfluss, Zufluss, Volumenstrom [m3/s] cT = Feststoffkonzentration im Abwasser ρF = … |
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Die Sinkgeschwindigkeit hat bei der Beschreibung des Transportverhaltens von ungelösten Feststoffen eine zentrale Bedeutung, da sie das Sedimentationsvermögen der Feststoffe bestimmt. Sie wird beeinflusst durch:
[Glazi1989] |
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Die Sinkgeschwindigkeit kann mit der Stokes´schen Bewegungsgleichung für kugelförmige Teilchen beschrieben werden. Da die Teilchenform in der Regel von der Kugelform abweicht, wird der Teilchendurchmesser einer dem Teilchenvolumen gleichen Kugel verwendet [Kalbs97] [Kalbs97] [Hörni1989] [SteinR2005]. Gleichung 4: (Formel: Stokes Sinkgeschwindigkeit Bewegungsgleichung für kugelförmige Teilchen) vs = Sinkgeschwindigkeit [m/s] g = Erdbeschleunigung [… |
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Nach den Untersuchungen von Macke werden ablagerungsfreie Zustände bei stationärer Strömung erreicht, wenn folgende Bedingungen bei der dafür maßgebenden kritischen Geschwindigkeit vc eingehalten sind: Gleichung 5: (Schmutzwasser) (Formel: ablagerungsfreie Zustände bei stationärer Strömung-Schmutzwasser) Gleichung 6: (Misch- und Regenwasser) (Formel: ablagerungsfreie Zustände bei stationärer Strömung-Misch- und Regenwasser) [Macke82] Die zugehörige Wandschubspannung … |
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Das Mindestgefälle nach ATV-A 110 (1988), bei dem der Feststofftransport endet (Ic), ist als Funktion des Kreisrohrdurchmessers (lichte Weite) d für den Strömungszustand „Halbfüllung“ im Bild dargestellt. Treten in Abwasserleitungen und -kanälen häufig niedrige Füllungsstände ht/d <0,3 auf, sind Zuschläge bei der Festlegung des erforderlichen Gefälles notwendig [ATVA110:1988]. (Bild: Mindestgefälle beim ablagerungsfreien Betrieb von Abwasserleitungen … |
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Die für einen ablagerungsfreien Betrieb erforderliche Mindestwandschubspannung ist von der Volumenkonzentration an absetzbaren Feststoffen abhängig. Sie beträgt für die im ATV-DVWK-A 110 für Misch- und Regenwasser zugrunde gelegte Konzentration von cT = 0,05 ‰ [ATVDVWKA 110]: Gleichung 8: (Formel: Volumenkonzentration von der an absetzbaren Feststoffen) mit Q in m³/s und zwar unabhängig vom Durchmesser und Gefälle der betrachteten Leitung Die jeweils … |
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Die bisherige Gestaltung von Kanalisationen basiert auf der Vorgabe, dass ein Feststoffeintrag in die Mischwasserkanäle im Mischsystem und in die Regenwasserkanäle im Trennsystem durch Schmutz-, Regen- und Fremdwasser unvermeidlich ist. Während die Absetzbaren Stoffe (ASS) vorwiegend den Betrieb und Unterhalt der abwassertechnischen Anlagen (und hier insbesondere der Kanalisationen) in Form von Ablagerungen beeinflussen, bewirken die Abfiltrierbaren … |
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Nach DIN EN 14654-1 versteht man unter Ablagerungen „durch Schwerkraft an der Sohle oder am Boden eines Teils des Entwässerungssystems abgelagertes Material“ [DINEN 14654-1:2005]. Die Feststoffe sinken erst dann ab und bilden Ablagerungen, wenn die Grenzgeschwindigkeit der Gemischströmung unterschritten wird. Diese ist von folgenden Parametern abhängig [KA30]:
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(Bild: Abflusshindernis) (Bild: Hindernis allgemein #literature( '0000009649')) Auch bei Anwendung der vorgestellten Bemessungsansätze kann die Entstehung von Ablagerungen nicht ausgeschlossen werden. Gründe hierfür sind:
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(Bild: Entwässerungssystem als modifiziertes Trennsystem) (Bild: Muldenversickerung) (Bild: Flächenversickerung) (Bild: Renovierung) |
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(Bild: Inkrustationen) (Bild: Durch einen Kanal gebohrte Ankerstange) (Bild: Lageabweichung, Versatz … |
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In Misch- und Regenwasserkanälen entspricht die Anteilsverteilung der mineralischen und organischen Inhaltstoffe im Abwasser nicht der in den gebildeten Ablagerungen [SteinR2005]. Dies resultiert aus der Tatsache, dass die organischen Feststoffe während des Transports Umsetzungs- und Zerkleinerungsprozessen unterliegen, während mineralische Feststoffe hingegen in ihrer Form und Größe über den gesamten Fließweg erhalten bleiben. |
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Die organischen und mineralischen Inhaltsstoffe von Ablagerungen werden an der Trockensubstanz mit dem Glühversuch bestimmt. Der dabei ermittelte Glühverlust gibt Aufschluss über den organischen und der Glührückstand über den mineralischen Anteil [DIN38409:1987]. |
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Auch die Jahresbilanz des Ein- und Austrages von mineralischen und organischen Feststoffen in Entwässerungssysteme wurde mehrfach untersucht. Dabei kam Artières am Beispiel der Stadt Entzheim zu dem Ergebnis, dass der Anteil der mineralischen Feststoffe 55 % und der der organischen 45 % betrug. Nahezu die Hälfte der mineralischen Feststoffe wurden dabei über den Straßenabfluss in das Kanalnetz eingeleitet; der Rest stammte aus den Haushalten. Dabei … |
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