3/2011. Neu entwickelte Pumpen Erfüllung von Markttrends im Wassersektor. Energiekosten sparen Turboverdichter in der Abwasserreinigung

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1 3/2011 Energiekosten sparen Turboverdichter in der Abwasserreinigung Neu entwickelte Pumpen Erfüllung von Markttrends im Wassersektor Voraussage von Kräften Simulation im Pumpensumpf

2 EDITORIAL Sulzer heute 1834 legten die Gebrüder Sulzer in Winterthur, Schweiz, den Grundstein zum Sulzer-Konzern, welcher heute global an über 160 Standorten im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Oberflächentechnik tätig ist. Die Divisionen nehmen weltweit Spitzen - positionen in ihren Märkten ein. Dazu gehören die Branchen Öl und Gas, Kohlen wasserstoff ver arbeitende Industrie, Energie erzeugung, Papier und Zellstoff, Luftfahrt und Automobilindustrie. Im Konzern erarbeiten über engagierte Mitarbeitende innovative technische Lösungen. Diese Produkte und Dienstleistungen ermöglichen Sulzer-Kunden, ihre Wettbewerbs - position nachhaltig zu stärken. Den Megatrend Wasser nutzen Die Nachfrage nach Wasser ist ein Megatrend, den wir bei Sulzer nutzen. Sulzer ist ein führender Anbieter von Lösungen für Transport, Produktion und Behandlung von Wasser sowie für die Energieerzeugung mit Wasserkraft. Die ab geschlossene Akquisition von Cardo Flow Solutions hat Sulzer zudem zu einem führenden Anbieter von Pumpen und zugehöriger Ausrüstung im Abwassermarkt gemacht. Unsere neuen Technologien steigern die Energieeffizienz und schonen die Umwelt. Die Artikel der vorliegenden Sulzer Technical Review (STR) stellen einige neue Lösungen und Technologien für den Wassermarkt vor. Zum Beispiel führt die Ver wendung von Turbokompressoren anstelle von Drehkolbengebläse zu Energieund Kosteneinsparungen in der Abwasserbehandlung. In einem weiteren Artikel erhalten Sie Einblicke in den Entwicklungsprozess der neuen SMD-Wasserpumpe für Wassertransport und Entsalzungsanlagen. In dieser Ausgabe werden auch das Verfahren für die Reinigung von Industrie - abwässern und die Analyse der Wasserqualität behandelt. Lernen Sie mehr über die Beschichtungslösungen von Sulzer für Wasserkraftwerke, und erfahren Sie, wie die Leistung von Wasserkraftwerken gesteigert werden kann. Ich wünsche Ihnen eine anregende Lektüre. Hans-Walter Schläpfer CTO Sulzer Sulzer Pumps Das Angebot an Kreiselpumpen reicht von komplexen Einzelanfertigungen bis hin zu standardisierten Serien. Forschung und Entwicklung anwendungsspezifischer Materialien sowie ein zuverlässiger Service unterstützen die führende Stellung der Division. Die Kunden kommen aus den Branchen Öl und Gas, Kohlenwasserstoffverarbeitung, Papier und Zellstoff, Energieerzeugung, Wasser und Abwasser sowie aus weiteren Spezialbereichen. Sulzer Metco Thermisches Spritzen sowie das Dünnschichtverfahren in der Oberflächentechnik sind hier die Schwerpunkte. Die Division beschichtet und veredelt Oberflächen, produziert Materialien und Anlagen und entwickelt Fertigungsverfahren für Spezialkomponenten. Kunden sind die Luftfahrt- und die Automobilindustrie, die Energieerzeugung und weitere spezialisierte Industrien. Sulzer Chemtech Für Technologien in den Bereichen Trennkolonnen, Prozesstechnologie, statisches Mischen und Kartuschen ist die Division Marktführer. Mit Standorten für Verkauf, Engineering, Produktion und Service ist Sulzer Chemtech für ihre Kunden aus den Bereichen Öl und Gas, Petrochemie, Chemie und Kunststoff industrie weltweit präsent. Sulzer Turbo Services Sulzer Turbo Services ist ein führender unabhängiger Anbieter von Reparatur- und Unterhaltsservice für Turbomaschinen, Generatoren und Motoren mit ausgezeichneten Fachkenntnissen über rotierende Maschinen. Die Division fertigt und vertreibt zudem Ersatzteile für Gas- und Dampfturbinen, Kompressoren, Generatoren und Motoren. Die Kunden von Sulzer Turbo Services kommen aus den Industrien Öl und Gas, Kohlenwasserstoffverarbeitung, Energieerzeugung, Transport, Bergbau und anderen Industriebranchen. 2 Sulzer Technical Review 3/2011 Sulzer Innotec Die Forschungs- und Entwicklungseinheit von Sulzer unterstützt die Divisionen des Konzerns sowie Industrieunternehmen weltweit in ihren Entwicklungsvorhaben mit Auftragsforschung und speziellen technischen Dienstleistungen. Sulzer Innotec verfügt über ein ausgezeichnetes Fachwissen in der Material-, Oberflächenund Strömungstechnik sowie der Mechanik. In diesen klassischen Disziplinen liegen auch die Kernkompetenzen in der Auftragsforschung.

3 INHALT Wasser und Abwasser 4 Nachrichten Messen, Veranstaltungen 6 Energiekosteneinsparung bei der Belüftung Drehkolbengebläse gegen Turboverdichter 11 Sulzer-Analogie Spaziergänger im Wildwasser 12 Pumpen der Spitzenklasse Neu entwickelte Wasserpumpen erfüllen Markttrends im Wassersektor 16 Simulation der Strömung im Pumpensumpf Voraussage der auf die Welle wirkenden dynamischen Kräfte 20 (Auf-)Lösung eines hochsiedenden Problems Reinigung von industriellen Abwässern 25 Sulzer weltweit Willkommen bei Sulzer Chemtech in Rio Grande do Sul 26 Oberflächen für längere Lebensdauer und höhere Energieeffizienz Einsatz thermisch gespritzter Schichten in Wasserturbinen 31 Modernisierung von Hydrogeneratoren Kraftwerks-Upgrade für mehr Effizienz 34 Wasseranalytik bei Sulzer Innotec Vermeidung von wasserbedingter Korrosion 38 Interview Marcos Koyama, Sulzer Pumps 39 Impressum Titelbild: Sulzer ist ein führender Komplettanbieter von Pumpen und dazugehöriger Ausrüstung für die Wasserund Abwasserindustrie. Die Lösungen von Sulzer decken den gesamten Wasserkreislauf ab. Sulzer Technical Review 3/2011 3

4 Messen, Veranstaltungen 29. November 1. Dezember 2011, Barcelona, Spanien European Refinery Technology Conference Information für Sulzer Chemtech: Giuseppe Mosca Telefon November 2. Dezember 2011, Genf, Schweiz Russian and CUS Refining Conference Information für Sulzer Chemtech: Albert Hug Telefon November 2011, Esslingen, Deutschland 2. ATZ-Fachtagung Reibungsminimierung im Antriebsstrang Information für Sulzer Metco: Nadine Pernhardt Telefon November 2. Dezember 2011, Las Vegas, NV, USA NGWA National Ground Water Information für Sulzer Pumps: Jim Willis Telefon Dezember 2011, Las Vegas, NV, USA PowerGen International Information für Sulzer Pumps: Jim Willis Telefon Information für Sulzer Turbo Services: Stephanie King Telefon Januar 2012, Stavanger, Norwegen Produced Water Management Information für Sulzer Chemtech: Daniel Egger Telefon Sulzer schließt Akquisition von Cardo Flow Solutions ab Die angekündigte Akquisition von Cardo Flow Solutions ist am 29. Juli 2011 abgeschlossen worden. Für einen Kaufpreis von total SEK 5,9 Milliarden (CHF 852 Millionen) in Cash hat Sulzer einen der führenden Anbieter von Pumpen und zugehöriger Ausrüstung im attraktiven Abwassermarkt übernommen. Das Unternehmen beschäftigt rund 1900 Mitarbeitende. Cardo Flow Solutions mit Hauptsitz in Malmö, Schweden, ist ein Komplettanbieter von Pumpen und zugehöriger Ausrüstung wie Hebeanlagen, Mixern, Belüftungssystemen, Kompressoren, Kontroll- und Prüfungsinstrumenten sowie Services für den Abwassermarkt, in dem das Unternehmen etwa 90% seines Umsatzes erzielt. Mit dieser Akquisition wird Sulzer im Markt für Abwasserpumpen aktiv und eine führende Stellung darin einnehmen. Zusätzlich stärkt Sulzer seine globale Position als Anbieter von Pumpen und zugehöriger Ausrüstung in den allgemeinen Industrie märkten, inklusive der Papier- und Zellstoffindustrie. Scania-Euro-6-Motor mit SUMEBore -Technologie Wasser und Abwasser werden zu einem strategischen Schlüsselmarkt für Sulzer, mit einem Anteil von rund 16% am jährlichen Umsatz (Pro-forma- Kombination auf Basis des Geschäfts - jahrs 2010). Der Abwassermarkt bietet Wachstumspotenzial sowohl in den entwickelten als auch den aufstrebenden Märkten, insbesondere gestützt durch langfristige Trends wie Bevölkerungswachstum, zunehmender Wasserverbrauch, Urbanisierung und Umweltschutz. Die Übernahme schafft eine starke Plattform für weiteres Wachstum durch geografische Expansion und kontinuierliche technologische Weiterentwicklungen von kompletten Pumpenlösungen. Außerdem bietet sie eine gute Aus - gangslage für das Geschäft mit Ersatzteilen und Services aufbauend auf dem bestehendem Servicenetzwerk von Sulzer und Möglichkeiten für bereichsübergreifende Verkäufe (Cross-Selling) auf Basis des kombinierten Produktportfolios. Das akquirierte Geschäft wird vollständig in Sulzer Pumps integriert. Der Lastwagenhersteller Scania stellt erstmals seine neuen Euro-6-Motoren vor. Diese vereinen innovative technische Lösungen zur radikalen Senkung der Emissionen bei tiefem Kraftstoffverbrauch. Für die Plasmabeschichtung der Zylinderlaufbuchsen kommt Sulzers SUMEBore -Technologie zum Einsatz. SUMEBore-Beschichtungslösungen verringern die Reibung, senken den Öl- und Kraftstoffverbrauch und verbessern die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit. Martin Lundstedt, Executive Vice President, verantwortlich für Vertrieb und Marketing bei Scania: «Wir sind stolz, diese beeindruckende Leistung unserer Ingenieure bereits heute unseren Kunden zur Verfügung stellen zu können. Wir haben alles getan, um bei den neuen Motoren einen Mehrverbrauch an Kraftstoff zu vermeiden.» Peter Ernst, Leiter Automotive Venture SUMEBore bei Sulzer Metco, ergänzt: «Die SUMEBore-Beschichtungslösung von Sulzer Metco wird seit über zehn Jahren in verschiedenen Motoren und auch in Großserien erfolgreich angewendet. Langjährige Erfahrun gen und kontinuierliche Weiterentwicklung führten zu einem hohen Standard bezüglich Technologie und Betriebssicherheit. Für die neuen Motoren von Scania haben wir die Beschichtungswerkstoffe und die Anlagentechnik für die Serien - beschichtung von Zylinderlaufbuchsen von LKW-Motoren erfolgreich adaptiert.» 4 Sulzer Technical Review 3/

5 Erfolgreicher Sulzer Turbo Machinery Technology Day Am 15. September fand in Winterthur, Schweiz, der Sulzer Turbo Machinery Technology Day, veranstaltet von Sulzer Innotec, mit über 70 Teilnehmern statt. Die hervorragenden Vorträge von Red - nern von Sulzer Innotec, Sulzer Turbo Services, Sulzer Metco, der EMPA und der ETH wurden mit großem Interesse auf genommen. Durch die Vorträge, die Gespräche im Rahmen der Tagung und Eröffnung des Pumpen-Service-Centers von Sulzer in Russland Sulzer Pumps, einer der weltweit führenden Pumpenhersteller, eröffnet sein erstes Pumpen-Service-Center in Russ - land. Das neue Service-Center befindet sich in Khimki, Moskau, und bietet russischen Kunden Reparatur und Retrofit- Service für industrielle Pumpsysteme. Zudem stärkt es die Präsenz von Sulzer Pumps in Russland. Sulzer Pumps betreibt über 60 Service-Einrichtungen weltweit und hat somit eines der größten Service-Netzwerke der Branche mit erfahrenen Spezialisten. Das Service-Center in Moskau wurde nach den globalen Qualitätsstandards von Sulzer Pumps gebaut und erfüllt alle lokalen branchenspezifischen Vorschriften. Die Spezialisten vor Ort ver - die an schließende Führung durch Sulzer Innotec ergaben sich viele Anknüpfungspunkte für Zusammenarbeiten zwischen Sulzer Innotec, den Teilnehmern aus der Industrie sowie den Sulzer-Divisionen. fügen über Erfahrung in lokalen Raffinerien und Kraftwerken, sind geschult und kennen die breite Produkte - palette und das Können von Sulzer Pumps. Das Service-Center ist ausge - stattet für Reparaturen, Retrofit- und für Effizienzsteigerungsmaßnahmen für be stehende Pumpen sowie für die komplette Konfektionierung von neuen Pum pen. Das Service-Center bietet auch Schulungen für die Mitarbeitenden der Kunden vor Ort. Pratt & Whitney unterzeichnet langfristige Vereinbarung mit Sulzer Eldim Pratt & Whitney hat einen langfristigen Vertrag (LTA) mit Sulzer Eldim, eine Gesellschaft von Sulzer Metco, unterzeichnet zur Herstellung von kritischen Komponenten für die F135-, F100-, F119-, PW4000-, PW2000- und V2500-Triebwerke. Messen, Veranstaltungen März 2012, San Diego, CA, USA NPRA Annual Meeting Information für Sulzer Chemtech: Rodney Alario Telefon März 2012, Weimar, Deutschland Jahrestreffen der Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Computational Fluid Dynamics Information für Sulzer Chemtech Mass Transfer Technology: Marc Wehrli Telefon Information für Sulzer Chemtech Process Technology: Juan Herguijuela Telefon März 2012, Köln, Deutschland Anuga Foodtec Information für Sulzer Chemtech Mixing and Reaction Technology: Andrea Schwarz Telefon Information für Sulzer Chemtech Process Technology: Norbert Martin Telefon April 2012, Houston, TX, USA AIChE Spring Meeting Information für Sulzer Chemtech: Mark Pilling Telefon Sulzer Technical Review 3/2011 5

6 Drehkolbengebläse gegen Turboverdichter Energiekosteneinsparung bei der Belüftung Der Vergleich der Belüftungsleistung vorhandener Drehkolbengebläse mit dem ABS Turboverdichter HST ermöglichte dem spanischen Abwasserreinigungsunternehmen FACSA eine erhebliche Reduzierung seiner Energie- und Wartungskosten. ABS ist eine Produktmarke von Sulzer Pumps, die für Innovation und bewährte Lösungen im Bereich der Abwassersammelsysteme und der Abwasser behandlung steht. Die hohe Kom petenz von ABS basiert auf über 100- jähriger Erfahrung auf dem Gebiet der Abwassertechnik. Heute verfügt ABS über eines der weltweit umfassendsten Technologieportfolios zur Bewältigung der täglichen Herausforderungen im kommunalen, industriellen, gewerblichen und häus lichen Abwassersektor. Ein wichtiges strategisches Ziel von ABS ist es, Lösungen für die Abwasserbranche bereitzustellen, die dabei helfen, den Energieverbrauch und den CO 2- Ausstoß zu reduzieren und gleichzeitig die Effizienz und Zuverlässigkeit von Anlagen zu erhöhen. Um diese Ziele zu erreichen, bringt ABS im Rahmen seiner «ABS EffeX Revolution» eine Reihe von Weltneuheiten auf den Markt. Der erste Schritt war die Einführung der Abwassertauchpumpen der ABS EffeX-Reihe XFP mit IE3-Premium-Effizienz-Motoren im Jahr Die Reihe umfasst sechs Das Bild zeigt Castellón de la Plana und das Gebirge der Wüste «Desert de Les Palmes» aus der Luft. Kai Schreiber CC-BY-SA 6 Sulzer Technical Review 3/

7 130 Modelle mit Motorenleistungen zwischen 1,3 und 350kW. Im Jahr 2010 folgte der ABS Konzeptmixer XRW mit Permanentmagnetmotor, der eine Effizienzsteigerung von bis zu 35% gegenüber anderen Mixern im mittleren Drehzahlbereich ermöglicht. Noch in diesem Jahr wird ABS zwei weitere Weltneuheiten zur Reduzierung des Energieverbrauchs und zur Verbesserung der Betriebsabläufe in Abwasserreinigungsanlagen präsentieren. Herausragend: Turboverdichter HST Eine weitere innovative ABS Produkt - reihe mit nachweislich geringerem Energieverbrauch, reduzierten CO 2-Emissionen und niedrigeren Wartungskosten ist die Turboverdichterreihe HST, die vorwiegend zur Belüftung bei der Abwasserbehandlung eingesetzt wird. Folgende Merkmale sorgen dabei für geringere Lebenszykluskosten und einen einfachen Betrieb: Magnetlager minimale Energie - verluste und kein mechanischer Verschleiß Integriertes Design Verdichter, Motor, Frequenzumwandler und Schaltschrank in einer einfach zu installierenden Einheit Kompakte Bauweise geringer Platzbedarf, niedrige Gebäudekosten Niedrige Installationskosten kein externer Anlauf oder Steuerschrank erforderlich; weder Kran noch spezielle Fundamente notwendig Modulares System ermöglicht den parallelen Betrieb mehrerer Ver - dichter und maßgeschneiderte Lösungen Kompatibel kann problemlos mit anderen Verdichtertypen eingesetzt werden und ermöglicht eine flexible Modernisierung von Anlagen ABS Turboverdichter HST können in Gruppen eingesetzt werden und so zu maßgeschneiderten Gesamtanlagen kombiniert werden. Die Modulare Kontroll einheit von ABS optimiert den Ver dichter betrieb entsprechend dem ge - wünschten Volumenstrom und steuert die ganze Gruppe so, als handelte es sich um einen einzigen Verdichter. Das ermöglicht einen optimierten Betrieb der gesamten Gruppe hinsichtlich der Luftleistung und des Energieverbrauchs. Die Leistungskurven von vier Modellen des ABS Turboverdichters HST sind in 1 dargestellt. Energieintensive Belüftung Den größten Einzelanteil an den Gesamtbetriebskosten einer Abwasserreinigungsanlage haben mit geschätzten 15 30% die Energiekosten für die Motoren. Davon entfallen 43% auf die Belüftung, 33% auf die Vorbehandlung und 24% auf die Schlammentwässerung. Aufgrund des hohen Energieverbrauchs bei der Belüftung hat sich das spanische Abwasserreinigungsunter - nehmen FACSA dazu entschlossen, die Leistung seiner vorhandenen Dreh - kolbengebläse mit einem ABS Turbo - verdichter HST 6000 mit hoher Drehzahl zu vergleichen, um zu sehen, ob sich damit bedeutende Energieeinsparungen erzielen lassen. Belüftung in der Abwasser - behandlung Die in diesem Artikel beschriebene Untersuchung fand in der Abwasser - reinigungsanlage in Castellón in der Region Levante statt 2. Die Anlage ist ausgelegt auf eine Behandlung von bis zu 45000m 3 Abwasser/Tag bei einer elektrischen Gesamtanschlussleistung von 1370kW. Die 1980 erbaute Anlage Druck (kpa) HST 2500 HST k 2 k 4 k 6 k 8 k 10 k 12 k 14 k 16 k Volumenstrom (Nm 3 /h) 1 Kennlinien für Druck (kpa) und Volumenstrom (Nm 3 /h) von vier Modellen des ABS Turboverdichters HST. 2 Abwasserreinigungsanlage von FACSA in Castellón in der spanischen Region Levante. HST 9000 HST 40 Sulzer Technical Review 3/2011 7

8 Energieverbrauch kw h kw h 50,00 40,00 30,00 20,00 EUR 4,00 3,73 2,80 1,86 Der Luftstrom wird durch einen eingebauten Frequenzumwandler geregelt, der in der Lage ist, das Luftvolumen und den Druck durch Veränderung der Drehzahl und des Drehmoments präzise zu regulieren. Hier können bei niedri - geren Drehzahlen erhebliche Energie - einsparungen erzielt werden. 4 Energieverbrauch des Drehkolbengebläses. Energieverbrauch kw h 10,00 3 Energieverbrauch des ABS Turboverdichters HST kw h 50,00 40,00 30,00 20,00 10, Zeit (h) umfasst zwei Straßen zur biologischen Reinigung mit einem Fassungsvermögen von 4428m 3 und 5125m 3. Die Luft - versorgung erfolgt über vier Dreh - kolben gebläse (zwei pro Straße) und feinblasige Tellerbelüfter. Die elektrische Gesamtleistung der Gebläse beträgt 160 kw bei einem Nennvolumenstrom von 11238m 3 /h für die Straße 1 und 7326m 3 /h für die Straße 2 bei Standardbedingungen. Für den Vergleich der Drehkolben - gebläse (Typ Roots-Gebläse) mit den Hochgeschwindigkeits-Turboverdichtern mit Magnetlagertechnik musste ein Turbo verdichter mit einer ähnlichen Zeit (h) 0,83 Kapazität wie die vorhandenen Gebläse verwendet werden. Gewählt wurde ein ABS Turboverdichter HST 6000 mit folgenden Spezifikationen und Betriebs - daten: Auslegung desvolumenstroms: zwischen 2475m 3 /h und 7462 m 3 /h bei Standardbedingung Aufstellungshöhe der Anlage: 0 m (Meereshöhe) Umgebungslufttemperatur: zwischen 0 C und 35 C Relative Luftfeuchte: 50% bis 80% Druckerhöhung: 53 kpa (Eingangsdruck: Pa, Auslassdruck: Pa) EUR 4,00 3,73 2,80 1,86 0,83 Energieverbrauchsanalyse Um einen korrekten Vergleich beider Belüftungstechnologien zu ermöglichen, wurde eine Abwasserbehandlungsstraße abwechselnd mit dem Drehkolbengebläse und dem Turboverdichter betrieben. Danach wurde der Energieaufwand in kwh/kg für den BSB 5-Abbau gemessen. Der Bedarf an biochemischem Sauerstoff oder BSB 5 ist die Menge an ge - löstem Sauerstoff, die von aeroben biologischen Organismen im Wasser benötigt wird, um organisches Material in einer bestimmten Menge Wasser bei einer bestimmten Temperatur in einem bestimmten Zeitraum abzubauen. Um die Normierung der Ergebnisse zu erleichtern, wurde in beiden Fällen die gleiche Belebtschlammkonzentration verwendet. Der Energieverbrauch beider Systeme wurde mithilfe eines Analysegeräts verglichen, das in einem Intervall von 15 Minuten die Betriebsdaten der Ausrüstung aufzeichnete. Wartungskostenanalyse Die Analyse der Wartungskosten beider Technologien erfolgte theoretisch durch den Vergleich ihrer präventiven Wartungsaufgaben. Während für die vorhandenen Drehkolbengebläse ein vollständiges Protokoll der durchgeführten Wartungshandlungen vorlag, war dies für den ABS Turboverdichter HST nicht möglich, da dieser erst kurz zuvor (im Sommer 2009) in der Kläranlage installiert worden war. Es muß aber betont werden, 8 Sulzer Technical Review 3/2011

9 1,4 1, dass seit Inbetriebnahme des Verdichters im September 2009 keinerlei Reparaturmaßnahmen vorgenommen werden mussten. Darüber hinaus gibt es eine bedeutende Anzahl von Referenzen bestehender Anlagen, in denen die Turbo verdichter seit mehreren Jahren einwandfrei in Betrieb sind. Energieverbrauch Die Ergebnisse von zwei Tagen mit praktisch identischen Systembedingungen sind in 3 und 4 dargestellt. Wie man sehen kann, ist der Energieverbrauch des Drehkolbengebläses höher als der des Turboverdichters. Der Energieverbrauch und die Eigenschaften beider Technologien sind in 5 und 6 aufgeführt. Für die Berechnung der täglichen Kosten wurde von einem Energiepreis von 0,098 EUR/kWh ausgegangen. Deutliche Ergebnisse lieferte der Vergleich des Energiebedarfs für den BSB 5- Abbau (kwh/kg BSB 5) und der täglichen Kosten (EUR/Tag). Die Ergebnisse einer Varianzanalyse (ANOVA) zeigen, dass der durchschnittliche Energieaufwand für den BSB 5-Abbau mit dem ABS Turbo verdichter HST (0,86 kwh/kg BSB 5) deutlich niedriger ist als mit dem 5 Eigenschaften des Drehkolbengebläses. Drehkolbengebläse Größe Mittelwert Minimum Maximum 6 Eigenschaften des ABS Turboverdichters HST Drehkolbengebläse (1,23 kwh/kgbsb 5) 7. Dies entspricht einem Unterschied von 0,37 kwh/kg BSB 5. Gleichzeitig liegen die durchschnittlichen Kosten für das Drehkolbengebläse mit 258 EUR/Tag höher als für den ABS Turbo verdichter HST (233 EUR/Tag) 8. Wartungskosten Bedingt durch das Arbeitsprinzip des ABS Turboverdichters HST ist der präventive und korrektive Wartungsbedarf der mechanischen Teile unter korrekten Betriebsbedingungen sehr gering. Betrachtet man die in den Wartungshandbüchern aufgeführten Wartungs - arbeiten, liegen die theoretischen Wartungs kosten für ein Drehkolben - kwh/kg BSB5 1,1 0,63 1,57 0,306 EUR/Tag 258,08 210,14 298,08 24,183 ABS Turboverdichter HST 6000 Größe Mittelwert Minimum Maximum Standardabweichung Standardabweichung kwh/kg BSB5 0,78 0,43 1,47 0,193 EUR/Tag 233,60 187,01 290,59 24,067 kwh/kg BSB5 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 ABS Turbocompressor HST 6000 Drehkolbengebläse 7 Ergebnisse der Varianzanalyse des Energiebedarfs für den BSB 5-Abbau beim ABS Turboverdichter HST 6000 und beim Drehkolbengebläse. EUR/Tag ABS Turbocompressor HST 6000 Drehkolbengebläse 8 Ergebnisse der Varianzanalyse der täglichen Kosten für den ABS Turboverdichter HST 6000 und das Drehkolbengebläse. gebläse über einen Zeitraum von fünf Jahren bei maximal EUR Bei Drehkolbengebläsen ist eine sorgfältige Kontrolle des Schmieröls in den Lagern und der beweglichen Teile im Allgemeinen erforderlich. Zur Schätzung der Wartungskosten für das Gebläse wurde ein Näherungswert ermittelt, der die Material- und Personalkosten für die im Laufe der Jahre durchgeführten Wartungen einschließt. Nach Betriebsstunden (ca. 2,5 Betriebsjahre) ist eine Überholung fällig, die beim Lieferanten durchgeführt wird und mit etwa EUR 8150 zu Buche schlägt. Damit betragen die Gesamtwartungskosten für das Drehkolbengebläse etwa EUR Hinzu kommt, dass zum Transport eines Drehkolbengebläses ein oder mehrere Krane oder Gabelstapler notwendig sind, während ein ABS Turboverdichter HST mit einem normalen Hubwagen bewegt werden kann. Der ABS Turboverdichter HST als Energiesparer Die bei der Untersuchung gewonnenen Daten lassen darauf schließen, dass ein ABS Turboverdichter HST geringere Betriebskosten verursacht als ein herkömmliches Drehkolbengebläse. Die höhere Energieeffizienz des Turboverdichters ist auf den größeren optimalen Sulzer Technical Review 3/2011 9

10 Arbeitsbereich des Systems zurückzuführen, d.h., kleine Veränderungen im Druck erhöhen den Energieverbrauch nicht in dem Maße, wie es bei einem normalen Drehkolbengebläse der Fall ist. Durch die Magnetlagertechnik kann auf herkömmliche Lager und bewegliche Teile z.b. einen Riemenantrieb, wie es bei einem herkömmlichen Drehkolben - gebläse zum Einsatz kommt verzichtet werden, was zu erheblichen Energie - einsparungen führt. Nach mehreren Monaten des Betriebs sowohl mit den vorhandenen Gebläsen als auch mit dem Turboverdichter wurden Energieeinsparungen zwischen 20% und 30% erzielt. So sank der Energie bedarf zum BSB 5-Abbau von 1,23 kw/kg BSB 5 auf 0,86 kw/kg BSB 5. Geht man von einem Energiepreis von 0,098 EUR/kWh aus, entspricht dies einer Einsparung von EUR im Jahr. Vergleicht man darüber hinaus die Wartungskosten für das Drehkolben - gebläse ( EUR/5 Jahre) mit den Kosten für die präventive und korrektive Wartung des ABS Turboverdichters HST 6000 ( EUR/5 Jahre), können mit dem Turboverdichter EUR eingespart werden. Zufriedene Beteiligte Alle an der Vergleichsstudie Beteiligten zeigten sich sehr zufrieden mit den Ergebnissen. So sagte David Castell, Manager der Abwasserreinigungsanlage von FACSA in Castellón: «Ich bin sehr zufrieden mit dem Betrieb des ABS Turbo verdichters HST , der wissenschaftlich nachweisbare Energieein - sparungen von 20 30% liefert. Dank des geringeren Energiebedarfs wird der CO 2- Ausstoß mit dem Turbo verdichter um schätzungsweise Tonnen im Jahr gesenkt. Wartungsmäßig läuft das System in Castellón seit der Installation 9 ABS Turbocompressor HST vor zwei Jahren, ohne dass irgendwelche Eingriffe erforderlich waren. Darüber hinaus bietet der ABS Turboverdichter HST zwei weitere Vorteile, die dem Kunden zugute kommen: Durch seine geringe Größe und das niedrige Gewicht kann das System mithilfe eines gewöhnlichen Hub wagens viel einfacher von Hand bewegt werden als ein Gebläse. Bei einem Anlagenneubau reicht ein kleinerer Raum für die Installation der Maschine. Weder Krane noch anderes schweres Hebezeug sind erforderlich. Darüber hinaus erleichtern die geringen Geräuschemissionen des ABS Turbo verdichters HST die Einhaltung von Lärmvorschriften. Während das Personal bei Drehkolben - gebläsen eine Schutzausrüstung verwenden muss, ist dies bei Turboverdichtern nicht erforderlich. Das wiederum bedeutet komfortablere Arbeitsbedingungen für das Personal und keine Beschwerden von Anwohnern der Kläranlage. Mit der Einheit in Castellón betreibt FACSA mittlerweile zwei ABS Turbover - dichter HST, und ich freue mich darauf, in Zukunft von neuen Technologien von Sulzer zu hören, die zur Verbesserung von Abwasserprozessen beitragen.» Lobende Worte fand auch der Vertriebsingenieur für die Region Levante, Juan Luis Alonso: «Wir waren uns sicher, dass die ABS Turboverdichter der HST- Reihe die Anforderungen unserer Kunden in Bezug auf Energieeinsparungen, geringere Wartungskosten und einen leisen Betrieb erfüllen können. Der erfolgreiche Betrieb der ABS Turboverdichter HST bei FACSA und die Ver öffentlichung der Vergleichsstudie hat das Interesse der Kunden geweckt und zur Installation sechs weiterer Belüftungssysteme mit ABS Turboverdichtern in der Region Levante geführt. Jetzt, wo ihre hohe Leistungsfähigkeit durch unsere enge Zusammenarbeit mit FACSA zweifelsfrei nach gewiesen wurde, freuen wir uns darauf, den Erfolg in Zukunft weiter auszubauen.» Bart Janssen Cardo Flow Solutions Spain C/Madera, Madrid Spanien Telefon Tom Albrecht Cardo Flow Solutions Finland Tekniikantie 4 D Espoo Finnland Telefon Sulzer Technical Review 3/2011

11 SULZER-ANALOGIE Spaziergänger im Wildwasser Wo der Bergbach hoch aus der Wand herunterdonnert und schäumend über die Felsblöcke tanzt, scheint kein passender Ort für Lebewesen. Trotzdem spazieren hier Larven einer Netzflügel mückenart über die glitschigen Steine und weiden wie Mikrokühe auf dem Algenrasen. A. Frutiger Eawag Wasserforschung Hapalothrixlarven leben im reissenden Wasser, wo kein Feind sie erwischen kann. Sechs Saugnäpfe verschaffen ihnen dort Halt. Mitte der 1990er Jahre suchte Andreas Frutiger, damals Gewässerbiologe am Wasserforschungs-Institut des ETH- Bereichs (Eawag) in Dübendorf, im Wildwasser von Schweizer Bächen nach solchen «Blephs», wie die Familie der Netzflügelmücken (Blepharoceridae) im Forscherslang heißt. Entgegen der Annahme, diese hochspezialisierten Insekten seien sehr selten, stieß Frutiger an 400 Stellen auf Vertreter von fünf verschiedenen Arten. Biophysikalische Vakuumpumpe Blephs werden seit über hundert Jahren in den Alpen und in den Rocky Mountains studiert. Faszinierend ist die Lösung des Rätsels, wie sich die Larven im reißenden Wasser fortbewegen: Sie heften sich mit einer Reihe von Saugnäpfen an der glitschigen Felsunterlage fest. Auch Tintenfischen nutzen Haftung per Saugnapf; dieser wird beim Auftreten flach gedrückt und haftet so auf glatter Unterlage wegen des Unterdrucks. Was die Blephs jedoch erfunden haben, ist ungleich raffinierter. In der Mitte jedes der sechs Körpersegmente sitzt als Saugnapf eine biophysikalische Vakuumpumpe. In einer festen Stielröhre aus Chitin ziehen nach dem Aufsetzen des Saugnapfs Muskeln einen Kolben nach oben, wobei in der Röhre ein Vakuum entsteht. Dadurch klebt die ringförmige Haftscheibe am untern Ende des Stiels unverrückbar an der Unterlage. Spekuliert wurde auch darüber, wie die Larve den Saugnapf während der Fortbewegung möglichst rasch von der Unterlage löst. Andreas Frutiger hat das Rätsel 1998 gelöst. Im künstlichen Wildwasserkanal in Dübendorf ließ er Larven über eine Glasscheibe spazieren und filmte sie von unten. Und er sah, dass das Tier den einzelnen Saugnapf bereits weiterschob, als der Kolben noch oben im Stielhals war also scheinbar auf Saugbetrieb stand. Frutiger entdeckte im Rand der Haftscheibe schließlich eine feine Kerbe, die sich kurz vor dem Ende der Haftphase wie ein Mund öffnet: ein Ventil, das die Vakuumkammer innert Sekundenbruchteilen flutet und so das Haften rasch beendet. Deshalb kann sich das Körpersegment verschieben, noch bevor der Kolben in die untere Start - position zurückgefahren ist. Mobil in alle Richtungen Die weitere Analyse der Videosequenzen zeigte die ganze Vielfalt der Saugnapftechnik. Beginnend mit dem hintersten Körpersegment, bewegt das Tier wellenartig einen Saugnapf nach dem andern. Die in der Schweiz bis 2300 Meter über Meer vorkommende, häufigste Art, Liponeura cinerascens minor, braucht für einen Zyklus aller sechs Saugnäpfe lediglich Verastuchelova Dreamstime.com Trotz schäumendem Wasser über den Steinen spazieren hier Larven einer Netzflügelmückenart. ein bis zwei Sekunden und kommt so in einer Minute fünf Zentimeter weit. Für den Seitwärtsgang verschiebt die Larve einzelne Saugnäpfe quer zur Körper achse. Und hat sie es besonders eilig, löst sie mehrere Saugnäpfe gleichzeitig und schwingt den Vorder- oder Hinterteil schräg zur Seite. Manche Blephs haben sogar einen Rückwärtsgang, den sie etwa einschalten, wenn sie unvermittelt auf schwache Strömung treffen und möglichst rasch wieder ins reissende Wasser zurückwollen. Doch wozu all die Mühe im reißenden Bergbach, wenn es doch meist nur wenige Meter entfernt stilleres Wasser gibt? Mit der Spezialisierung auf extreme Starkströmung haben sich die Blephs eine ökologische Nische erobert, wo sie vor Räubern wie vor Nahrungs - konkurrenten relativ sicher sind. Lässt die Strömung bei sinkendem Wasserstand nach, lösen sie sich von der Unterlage und lassen sich bachabwärts treiben, bis sie lebhafteres Wasser finden und blitzschnell an einem Stein wieder Saugfuß fassen. Herbert Cerutti 4355 Sulzer Technical Review 3/

12 Neu entwickelte Wasserpumpen erfüllen Markttrends im Wassersektor Pumpen der Spitzenklasse Der Transport und die Aufbereitung von Wasser spielen in vielen Industriezweigen eine bedeutende Rolle. Gleichzeitig ist Wasser eine grundlegende Ressource für das Leben auf unserer Erde. Als führender Pumpenkonstrukteur und -hersteller hat Sulzer Pumps vor kurzem zwei Pumpenreihen auf den Markt gebracht, die speziell für Wassertransport- und Entsalzungsanlagen ausgelegt sind. Dank moderner Konstruktions- und Fertigungsprozesse zeichnen sich diese Pumpen durch einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Wartungsfreundlichkeit aus. Vom gesamten Wasservorkommen auf der Erde sind nur 2,5 % nicht salzig 1. Zwei Drittel dieses Süß - wassers sind in den Polkappen und Gletschern gebunden. Von dem ver - bleibenden rund 0,8 % (ca. ein Drittel von 2,5 %) befindet sich ein Fünftel in entlegenen, unzugänglichen Gebieten oder kann nicht genutzt werden, weil es saisonal in Form von monsunartigen Regenfällen und Überschwemmungen auftritt. Die weltweiten Süßwasserreserven belaufen sich auf ca. 35 Millionen km 3. Davon werden jährlich etwa 3700 km 3 also nur ein Bruchteil der geschätzten Reserven entnommen. Obwohl Wasser die am häufigsten vorkommende Sub - stanz auf der Erde ist, sind Angesichts des stetig steigenden Wasserbedarfs für sanitäre Zwecke, Trinkwasser, Industrie, Freizeit und Landwirtschaft enorme Anstrengungen erforderlich, um eine vernünftige und optimierte Wasser - nutzung zu gewährleisten und die Auswirkungen des Wasserverbrauchs auf die Umwelt zu minimieren. Spezialisiert auf den Wassertransport Die Landwirtschaft und die Industrie sind mit einem Anteil von 70% und 20% die größten Süßwasserverbraucher welt weit. Die restlichen 10% entfallen auf Städte und Kommunen. Laut einer Studie des International Water Management Institute (IWMI) leben über 1,2 Milliarden Menschen also etwa ein Fünftel der Weltbevölkerung in Gegenden mit physischer Wasserknappheit. Für weitere 1,6 Milliarden Menschen hat die Wasserknappheit wirt- Sulzer ist spezialisiert auf die Herstellung von Pumpen für den Transport großer Wassermengen über große Entfernungen und große geo - dätische Höhen. Darren Bradley Dreamstime.com 12 Sulzer Technical Review 3/

13 GesamtesWasservorkommen 2,50 % Süßwasser 0,93% Salziges Grundwasser 0,07% Salzseen 96,50% Ozeane Süßwasser Quelle: Igor Shiklomanov: World fresh water resources in Peter H. Gleick (Hrsg.): Water in Crisis: A Guide to the World s Fresh Water Resources Verteilung der Wasservorkommen auf der Erde. schaftliche Gründe, wobei häufig mangelnde Investitionen oder unzureichende menschliche Kompetenz eine Deckung des Wasserbedarfs verhindern. Eine mangelnde Versorgung mit sauberem Wasser und fehlende Abwasser - systeme sind nach wie vor ein großes Problem in vielen Teilen der Welt. Um diese sicherzustellen, sind erhebliche Investitionen im Wassersektor erforderlich. Mit zwei neuen Pumpenreihen, die speziell für Wassertransport- und Ent - salzungsanlagen entwickelt wurden, ist Sulzer in der Lage, das Wachstum auf dem Wassermarkt in diesen zwei wichtigen Bereichen zu unterstützen. Sulzer Pumps ist spezialisiert auf die Herstellung von Pumpen für den Transport großer Wassermengen über große Entfernungen und große geodätische Höhen. Auf der Grundlage ihres umfangreichen hydraulischen Know-hows hat die Division kürzlich eine neue Reihe von einstufigen, doppelflutigen Pumpen 1,30% Oberflächen- undanderes Süßwasser 30,10% Grundwasser 68,60% Gletscher und Polkappen Oberflächenwasserund anderessüßwasser 0,44% Atmosphärisches und biologisches Wasser 0,46% Flüsse 2,53% Sümpfe und Feuchtgebiete 3,52% Bodenfeuchtigkeit 20,00% Seen 73,05% Eis und Schnee mit axial geteiltem Gehäuse für Wasseranwendungen wie den Wassertransport, kommunale Aufbereitungs- und Ver - teilungssysteme, Entsalzungsanlagen und Umwälzsysteme in Kraftwerken entwickelt. Die neuen Pumpen sind besonders kompakt ausgeführt und wurden speziell für die in Wasseranwendungen typischen hohen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit ausgelegt. Entwicklung durch Optimierung Automatische Optimierungswerkzeuge spielten bei der Entwicklung der neuen SMD-Pumpen eine wichtige Rolle. Die Pumpenreihe wurde am Produkt - entwicklungszentrum in Winterthur, Schweiz, in enger Zusammenarbeit mit den weltweiten Fertigungsstandorten von Sulzer entwickelt. Im Rahmen des Konstruktionsprozesses wurden modernste 3-D-Werkzeuge wie numerische Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD) 2 für das hydraulische Design und Finite-Elemente- Analysen (FEA) 3 zur Gewährleistung der mechanischen Integrität eingesetzt. Die Ergebnisse wurden anschließend durch Modell- und Prototypentests validiert. Diese Vorgehensweise ermöglichte eine wesentlich schnellere und bessere Integration der verschiedenen Analysewerkzeuge und trug zur Verbesserung der gesamten Produktionskette bei. Das Ergebnis ist ein innovatives Design, das für jeden Betriebspunkt die passende Hydraulik liefert. Dies sorgt für einen niedrigeren Energieverbrauch und eine optimale hydraulische Leistung über eine große Bandbreite von Fördermengen. Hohes Maß an Standardisierung Um bei der neuen Pumpenreihe ein hohes Maß an Standardisierung zu er - reichen, wurde zur Deckung des hydraulischen Leistungsbereichs von standardisierten Leistungen und nicht wie üblich von standardisierten Größen und Hydrauliken mit spezifischen Drehzahlen ausgegangen. Während die neue Pumpenreihe insgesamt 43 hydraulische Designs auf der Grundlage von 20 verschiedenen Gehäusen mit zwei oder drei Laufrädern pro Gehäuse umfasst, konnte die Anzahl der Standardkomponenten durch den neuen Ansatz auf lediglich drei standardisierte Wellendurchmesser, Dichtungssysteme und Lagergehäuse drastisch reduziert werden. Bei einem solchen Ansatz ist für jede Pumpengröße ein spezifisches hydrau - lisches Design erforderlich, wobei eine 2 Die Pumpenreihe wurde am Produktentwicklungszentrum in Winterthur, Schweiz, in enger Zusammenarbeit mit den weltweiten Fertigungs standorten von Sulzer entwickelt. Im Rahmen des Konstruktionsprozesses wurden modernste 3-D-Werk - zeuge wie numerische Strömungs simulationen (CFD) für das hydraulische Design eingesetzt. 3 Die mechanische Integrität wurde mithilfe von Finite-Element-Analysen (FEA) sichergestellt. Sulzer Technical Review 3/

14 4 Dank des robusten mechanischen Designs sind die neuen Pumpen äußerst vibrationsarm und haben eine Lagerlebensdauer von über Stunden, was wiederum zur Senkung der Lebenszykluskosten beiträgt. 5 Das standardmäßige SMD-Package besteht aus Fundamentschienen für den Motor und einer separaten Grundplatte für die Pumpe bzw. aus einer kombinierten Grundplatte für Pumpe und Motor. 6 Bei der neuen mehrstufigen MBN-RO-Gliederpumpe sorgen eine spezielle Saugstufe für einen niedrigen NPSH R-Wert (geringe erforder - liche Haltedruckhöhe) und hochwertige gegossene Laufräder und Stufen gehäuse für eine höhere Effizienz. Systematisierung dieser Designs durch Verwendung einer spezifischen Standarddrehzahl nicht möglich ist. Die Vielzahl der hydraulischen Designs machte einen neuen, schnelleren Designprozess erforderlich. Sulzer Pumps hat einen hohen Entwicklungsaufwand betrieben, um ein automatisches Optimierungswerkzeug mit eigenen Tools für das hydraulische Design von Laufrädern und Gehäusen sowie Leistungsprognosen mithilfe von CFD-Simulationen auf der Basis von Reynoldsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) zu koppeln. Niedrige Lebenszykluskosten Durch diesen automatisierten Designprozess erfüllt die neue Pumpenreihe nicht nur die hohen Anforderungen an die Saugfähigkeit und den Wirkungsgrad, sondern besitzt auch äußerst kompakte hydraulische Kanäle. Darüber hinaus sorgt das innovative Design des Spiralgehäuses und der Gehäusezunge für eine drastische Reduzierung von Druckpulsationen, Wellen- und Lagervibrationen sowie der mechanischen Belastungen. Die kompakten hydraulischen Dimensionen in Verbindung mit der geringen Anzahl von Teilen unterstützen einen kostengünstigen Fertigungsprozess sowie eine Senkung der Produkt- und Lagerhaltungskosten. Die Leistungsfähigkeit der neuen hydraulischen Designs wurde durch umfangreiche Modelltests verifiziert. Da diese Validierung auf dem kritischen Pfad des Entwicklungsprozesses lag, wurden die Modellpumpen mithilfe von Rapid-Prototyping-Verfahren erstellt. Acrylglasfenster in den Modellen ermöglichten eine Beobachtung der Kavitationsbildung in Abhängigkeit von der vorhandenen Haltedruckhöhe (NPSH A). Der NPSH A-Wert beschreibt die Differenz zwischen Pumpeneintrittsdruck und Dampfdruck. Das Verhältnis zwischen beginnender Kavitation und NPSH A- Wert ist ein wichtiges Maß für die Qualität einer Pumpe. Da die Kavitation durch die Sichtfenster beobachtet werden konnte, war es möglich, den erforderlichen NPSH-Wert zur Vermeidung von Kavitationserosion für verschiedene Laufradmaterialien zu bestimmen. Gleichzeitig wurden die dynamischen und statischen Komponenten der axialen und radialen Lasten sowie die Saug- und Förderdrücke gemessen, um den sicheren Betrieb der Pumpen über ihren gesamten Betriebsbereich hinweg zu verifizieren. Dank des robusten mechanischen Designs sind die neuen Pumpen äußerst vibrationsarm und haben eine Lager - lebensdauer von über Stunden, was wiederum zur Senkung der Lebenszykluskosten beiträgt 4. Gewährleistung der mechanischen Integrität Die mechanische Integrität der neuen Pumpen wurde mithilfe von Finite- Elemente-Analysen (FEA) überprüft. Diese umfassten mehrere Aspekte des Pumpendesigns: Belastungen im Gehäuse und in der Verschraubung der Pumpe im normalen Betrieb und bei maximal zulässigem Arbeitsdruck gemäß Hydrotest Analyse der Flanschdichtung und der internen Leckage bei maximalem Arbeitsdruck Eigenfrequenzen der gesamten Pumpe und der Lagergehäuse sowie die Verformung des Gehäuses bei den verschiedenen Schwingungsmoden Besonderes Augenmerk wurde auf das Design des gesamten Aggregats (das sogenannte «Packaging»), insbesondere der Grundplatte für die Pumpe und den Antrieb, gelegt. Das Packaging erfolgt in 3-D mithilfe eines parametrischen Ansatzes, der eine schnelle Reaktion beim auftragsspezifischen Design des Gesamtaggregats erlaubt 5. Darüber hinaus ermöglicht er eine Analyse der mechanischen Integrität des Aggregats durch Berechnung der Eigenfrequenzen der Grundplatte mithilfe finiter Elemente. Je nach hydraulischer Konfiguration sind die neuen SMD-Pumpen in der Lage, Fördermengen von bis zu m 3 /h und Förderhöhen von bis zu 260 m zu bewältigen. Die Verwendung von 3-D-Designwerkzeugen und den dazugehörigen numerischen Werkzeugen für das hydraulische und mechanische Design spielte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der neuen kompakten Pumpen, ohne 14 Sulzer Technical Review 3/2011

15 dass dabei Abstriche beim Wirkungsgrad oder der Saugfähigkeit in Kauf ge - nommen werden mussten. Dank der neuen Designs und der reduzierten Anzahl von Standardkomponenten stellen die einstufigen, doppelflutigen Pumpen mit axial geteiltem Gehäuse sowohl im Hinblick auf die Kosten als auch das Leistungsvermögen eine äußerst wettbewerbsfähige Lösung für Wasseranwendungen dar. 7 Die Pumpen der MBN-RO-Reihe sind speziell auf die Anforderungen im Umkehr - osmose- und Entsalzungssektor ausgerichtet. Trinkwassergewinnung Neben dem Wassertransport gehört die Trinkwassergewinnung zu den wichtigsten Bereichen der Wasserversorgung. Sulzer Pumps bietet ein komplettes Portfolio von hocheffizienten Pumpen für Meerwasserentsalzungsanlagen auf der Basis von Umkehrosmose- oder Mehrfacheffekt-Verdampfungsverfahren (MED). Die Umkehrosmose (auch Revers - osmose, RO) ist ein Membranfilterverfahren zur Entfernung größerer Moleküle und Ionen aus Lösungen, bei dem die betreffende Flüssigkeit auf der einen Seite einer selektiven Membran unter Druck gesetzt wird. Dabei verbleiben die gelösten Stoffe auf der Druckseite, während die Trägerflüssigkeit durch die Membran dringt. Dieses Verfahren wird häufig zur Trinkwassergewinnung aus Meerwasser eingesetzt, um Salz und andere Stoffe aus dem Wasser herauszufiltern. Die Umkehrosmose erfordert einen hohen Druck und eine zuverlässige Ausrüstung, da die Anlagen für gewöhnlich rund um die Uhr laufen. Häufig werden solche Anlagen zur Versorgung von Industriebetrieben wie Minen oder Siedlungen in Gegenden eingesetzt, in denen keine anderen Süßwasserressourcen zur Verfügung stehen. Für hohe Drücke ausgelegt Die neu entwickelten mehrstufigen MBN/MBN-RO-Gliedergehäusepumpen 6 sind speziell für die hohen Druck- und Wirkungsgradanforderungen von Pumpanwendungen in kleinen bis mittelgroßen Meerwasser-Umkehrosmoseanlagen ausgelegt 7. Mit Fördermengen von bis zu 1100 m 3 /h und Drücken von bis zu 90 bar sind die Pumpen der MBN-RO Reihe speziell auf die Anforderungen im Umkehrosmose- und Entsalzungssektor ausgerichtet. Durch ihre verbesserte hydraulische Leistung eignen sich die Pumpen auch für andere Hochdruckanwendungen mit sauberen Flüssigkeiten. Ihr hoher Wirkungsgrad eine der wichtigsten Anforderungen auf dem Entsalzungsmarkt gehört zu den besonderen Merkmalen der neuen Pumpenreihe. Um Lochfraß und Spaltkorrosion zu verhindern, werden die Pumpen der MBN-RO-Reihe standardmäßig aus Duplex- oder Super- Duplex-Material für eine Vielzahl von Meerwasserqualitäten hergestellt. Durch die Verwendung der gleichen verbesserten Laufräder mit niedrigem NPSH- Wert für jede Stufe sind die Pumpen äußerst modular und durch ihre Einfachheit sehr wartungsfreundlich. Hauptverschleißteile wie Gleitringdichtungen oder Lager sind schnell und leicht zugänglich, ohne dass Saug- und Druckstutzen demontiert werden müssen. Wartungsfreundlichkeit Die neuen Pumpen sind mit zwei spe - zifischen Drehzahlen von nq = 29 und nq = 33 erhältlich. Die spezifische Dreh - zahl ist ein Verhältnis von Fördermenge und Förderhöhe einer Pumpe und beschreibt die Geometrie eines Laufrads. Radiale Laufräder mit niedriger spezifischer Drehzahl stehen im Allgemeinen für ein Design mit geringer Fördermenge und hoher Förderhöhe, axiale Laufräder mit hoher spezifischer Drehzahl dagegen für eine hohe Fördermenge und eine geringe Förderhöhe. Um ein modulares Design mit einer minimalen Anzahl von Teilen und einer 8 Um ein modulares Design mit einer minimalen Anzahl von Teilen und einer guten Austauschbarkeit zu erzielen, werden für die beiden Hydrauliken so viele gemeinsame Teile wie möglich verwendet. guten Austauschbarkeit zu erzielen, werden für die beiden Hydrauliken mit nq = 29 und nq = 33 so viele gemeinsame Teile wie möglich verwendet 8. Teile wie Sauggehäuse, Stufengehäuse, Welle, Lagerteile und Hülsen sowie einige Teile der Dichtung und Ausgleichsscheibe sind zwischen beiden Typen austauschbar. Das Druckgehäuse, der Diffusor und das Laufrad sind speziell für jede spezifische Drehzahl konzipiert. Die Laufräder der Saug- und der Hauptstufen basieren jedoch auf dem gleichen hydraulischen und mechanischen Design, was zur Senkung der Fertigungs- und Lagerhaltungskosten beiträgt. Mit der gezielten Entwicklung neuer Pumpenreihen für Wassertransport- und Entsalzungsanwendungen ist es Sulzer Pumps gelungen, an die Spitze des Wasserpumpenmarktes vorzurücken. Die Ingenieure von Sulzer sind sich der besonderen Anforderungen dieser wichtigen Anwendungen bewusst und haben es geschafft, effiziente und kostengünstige Pumpen zu entwickeln, die sich dank des vorausschauenden modularen Designansatzes mit einer reduzierten Anzahl von Teilen durch eine hohe Wartungsfreundlichkeit auszeichnen. Philippe Dupont Sulzer Pumps Ltd. Zürcherstraße Winterthur Schweiz Telefon Jukka-Pekka Peri Sulzer Pumps Finland Oy P.O. Box Kotka Finnland Telefon Sulzer Technical Review 3/

16 Voraussage der auf die Welle wirkenden dynamischen Kräfte Simulation der Strömung im Pumpensumpf Die Ingenieure von Sulzer Pumps und Sulzer Innotec konnten mit einer Strömungssimulation zeigen, dass eine modifizierte Pumpensumpfgeometrie zu einer deutlich ruhigeren und gleichmäßigeren Strömung beim Pumpeneintritt führt. Die auf die Welle wirkenden Radialkräfte werden somit reduziert und um den Wellenmittelpunkt zentriert, was die Lebensdauer der Lager deutlich erhöht. Die numerische Strömungs - simulation (Computational Fluid Dynamics CFD) wird bei der Entwicklung und Optimierung von Pumpen schon seit vielen Jahren erfolg reich eingesetzt. Weit verbreitet ist der Einsatz von CFD für die Voraussage von Förderhöhe, Leistungsauf - nahme und Wirkungsgrad von Pumpenstufen. Um diese Größen korrekt be rechnen zu können, ist aber eine genaue Kenntnis der Einströmbedingungen nötig. Deshalb ist es auch von Interesse, die Strömungsverhältnisse im Pumpensumpf, aus welchem die Vertikalpumpe Wasser ansaugt, mittels CFD korrekt voraussagen zu können. Wesentlich für eine erfolgreiche Anwendung von CFD sind die kontinuierliche Weiterentwicklung der numerischen Modelle, eine stetige Steigerung der verfügbaren Rechenleistung sowie eine sorgfältige Validierung anhand experimenteller Daten mit genau definierten Randbedingungen. Letzteres ist absolut notwendig, um basierend auf der numerischen Strömungs - simulation Pumpen und andere hydraulische Komponenten zuverlässig aus - zulegen. 1 Pumpensumpf mit Vertikalpumpe: Darstellung der freien Wasseroberfläche (grün) und der Stromlinien, eingefärbt mit der Geschwindigkeit (zunehmende Geschwindigkeit: blau, grün, rot). 16 Sulzer Technical Review 3/

17 Ruhige Anströmung für einen ruhigen Pumpenbetrieb Große Vertikalpumpen, wie sie bei der Wasserversorgung, bei verfahrenstechnischen Anlagen und bei Kühlprozessen von thermischen Kraftwerken eingesetzt werden, sind in ein Wasserbecken, den sogenannten Pumpensumpf, eingetaucht, von wo sie das Wasser ansaugen 1. Diese halbaxial durchströmten Pumpen müssen in einem großen Betriebsbereich, von tiefer Teillast bis Überlast, zuverlässig einsetzbar sein. Das Betriebsverhalten dieser Vertikalpumpen wird sehr stark durch die Strömungsbedingungen am Pumpeneintritt beeinflusst. Die Bildung von Wirbeln und starke Geschwindigkeitsgradienten am Eintritt der Pumpe können die Leistung beeinträchtigen sowie durch das Auftreten von dynamischen Radialkräften Vibrationen der Welle hervorrufen. Dies kann zu Schäden an der Welle und der Lager führen und im schlimmsten Fall zum Versagen die ser Komponenten. Aus diesem Grunde existieren industrielle Standards des Hydraulic Institutes 1, die festlegen, welche Wirbelstrukturen und Geschwindigkeitsgradienten an einem Pumpeneinlauf zulässig sind. Um für den Kunden nachzuweisen, dass in einem Pumpensumpf keine unzulässigen Strömungsphänomene vor der Pumpe auftreten, wurden bisher Modellversuche durchgeführt. Da diese sehr zeitaufwändig und auch kostspielig sind, ist es naheliegend, diese experimentellen Untersuchungen durch numerische Strömungssimulationen zu er - gänzen oder zu ersetzen. Oft müssen verschiedene Pumpensumpfkonfigurationen untersucht wer - den, bis eine günstige Anströmung der Pumpe erzielt wird. Solche Varianten - untersuchungen können mittels numerischen Simulationen viel effizienter durchgeführt werden, was die Entwicklungszeiten und Kosten reduziert. Modellierung der Strömungsverhältnisse für einen Pumpensumpf auf dem Computer Um die Möglichkeiten und Grenzen der numerischen Strömungssimulation beurteilen zu können, wurde das Betriebsverhalten eines typischen Pumpensumpfes mit einer Vertikalpumpe numerisch auf dem Computer modelliert und mit Resultaten aus Modellversuchen verglichen. Um sicherzustellen, dass die numerischen Methoden auch bei unterschiedlichen Strömungsbedingungen richtige Voraussagen machen, wurden zwei Pumpensumpf-Designs analysiert 2: Basisgeometrie, bei der die auftretenden Wirbel gemäß den industriellen Standards nicht zulässig sind Verbesserte Geometrie, bei der keine Wirbel oder nur solche auftreten, die gemäß den industriellen Standards zulässig sind Mittels instationären Strömungssimulationen sollte nun das Auftreten dieser Wirbelstrukturen nachgewiesen werden. Die reale Strömung in einem Pumpensumpf umfasst eine freie Wasserober - fläche, die gegebenenfalls durch hohe Geschwindigkeitsgradienten und durch auftretende Strömungswirbel deformiert werden kann. Die Modellierung dieser freien Oberfläche mittels CFD ist möglich, aber komplexer und somit viel rechenintensiver. Grund für diesen Mehraufwand ist die Tatsache, dass eine Zweiphasensimulation aufgesetzt werden muss, die neben der Flüssigphase auch die Gasphase, also die Luft über dem Wasser, berücksichtigt. In einigen Fällen können einfachere Modelle auch zuverlässig die gewünschten Informationen liefern. Daher wird 2 Anströmung zu den Vertikalpumpen. Links ursprüngliche Sumpf - geometrie mit ausgeprägten Wirbelstrukturen, rechts modifizierte Sumpfgeometrie mit ruhigerem Strömungs verlauf. Sulzer Technical Review 3/

18 die freie Wasseroberfläche durch eine feste ersetzt. Diese Vereinfachung bedeutet, dass Deformationen an der Wasseroberfläche nicht mehr erfasst werden können. Ebenfalls um den Rechenaufwand möglichst gering zu halten, wird das Laufrad der Pumpe nicht modelliert. Es werden lediglich die Außen- und Innenkontur des Pumpengehäuses berücksichtigt. Damit wird angenommen, dass das Laufrad keinen wesentlichen Einfluss auf die Strömung im Pumpensumpf hat. Abbildung 3 zeigt einen Vergleich zwischen Simulation und Experiment für die Basisgeometrie. Bei den Modellversuchen konnten fünf Wirbelstrukturen visuell festgestellt werden. Zwei davon sind in den Aufnahmen aus den Modellversuchen zu sehen und ebenfalls im Stromlinienbild der Simulation gekennzeichnet: der «Floor vortex» sowie der «Side wall vortex». Es sind dauerhafte Unterwasserwirbel vom Typ 2 gemäß HI. Die aufwändigere Simulation dieser Geometrie mit einer freien Oberfläche konnte deren vier voraussagen. Mit der einfacheren Simulation mit einer festen Wasseroberfläche dagegen war es nicht eindeutig möglich, den als «Back Wall» bezeichneten pulsierenden Wirbel zu eruieren. Die Darstellung der Stromlinien für den Fall mit der modifizierten Geometrie 4 zeigt eine viel ruhigere Strömung auf, die auch durch die Bilder der Modellversuche bestätigt wird. Wie schon erwähnt treten bei dieser Konfiguration keine nennenswerten Wirbelstrukturen auf. Dieses Verhalten konnte mit beiden CFD-Modellierungen, mit und ohne freie Wasseroberfläche, vorausgesagt werden. Die Resultate dieser Simulationen ergeben, dass die numerischen Modelle in der Lage sind, die verschiedenen Wirbel typen, wie sie vom Hydraulic Institute 1 festgelegt sind, zu erkennen. «Floor vortex» «Side wall vortex» «Back wall vortex» 3 Vergleich der mit CFD berechneten Wirbelstrukturen mit Resultaten aus den Modellversuchen für die Basisgeometrie des Pumpensumpfes. 4 Vergleich der mit CFD berechneten Wirbelstrukturen mit Resultaten aus den Modellversuchen für die verbesserte Geometrie des Pumpensumpfes. Ruhige Strömung 18 Sulzer Technical Review 3/2011

19 Strömung aus dem Becken Ebenfalls wurde der Einfluss der Modifizierung der Geometrie des Pumpensumpfes auf die Wirbelbildung wiedergegeben. Die Validierung zeigt auf, dass die CFD-Modellierung mit freier Oberfläche bei der Basisgeometrie, wo unzulässige Wirbelstrukturen auftreten, diese etwas besser voraussagt als die einfachere Methode mit fester Wasseroberfläche. Diese genaueren Resultate erfordern aber einen erheblich größeren Rechenaufwand. Deshalb wird man sich in der industriellen Praxis in den meisten Fällen genügen, mit dem effizienteren Modell mit fester Oberfläche zu simu - lieren. Bestimmung der auf die Welle wirkenden dynamischen Kräfte Ebenfalls von Interesse für die Pumpenentwicklung ist der Einfluss der Einströmung in die Pumpe auf die radialen Kräfte, die auf die Pumpenwelle und Lager wirken. Dazu muss eine transiente Simulation der Vertikalpumpe mit Laufrad durchgeführt werden. Das Rechengebiet umfasst nur die Pumpe ohne den Sumpf und beginnt beim Pumpeneinlauf. Um die korrekte Anströmung des Laufrades in der Simulation zu erhalten, werden die Eintrittsgeschwindigkeitsprofile aus einer Pumpensumpfsimulation, die wie oben geschildert durchgeführt wurde, verwendet. Zum Vergleich wurde im vorliegenden Fall zusätzlich noch ein uniformes Eintrittsgeschwindigkeitsprofil verwendet. Durch Aufsummierung der auf die rotierenden Teile der Pumpe wirkenden Drücke können die Kräfte ermittelt werden. Die räumliche Verteilung der Kraftkomponenten, F x und F y, wird für eine Laufradumdrehung aufgetragen. Die resultierenden Kräfte auf der Welle bei einem Pumpenbetrieb mit gleich - mäßigem Geschwindigkeitsprofil am Eintritt sind in 5 dargestellt. Dabei ist zu sehen, dass die Kräfte weitgehend um den Nullpunkt, den Wellen mittelpunkt, zentriert sind. Den Fall für eine Anströmung mit ungleichmäßigem Geschwindigkeitsprofil aus einer Pumpensumpfsimulation zeigt 6. Hier sind die resultierenden Kräfte nicht mehr um den Wellenmittelpunkt zentriert. Die Kräfte werden ungefähr um einen Faktor zwei in Richtung entgegen der Hauptströmung verstärkt. Dies bedeutet, dass eine starke dynamische Belastung der Welle vorliegt, was zu deren Versagen oder zu Schäden an den Lagern führen kann. Weniger Modellversuche dank moderner Simulationsmethoden Dank moderner Simulationsmethoden ist es heute möglich, bei der Auslegung von Pumpensümpfen die Anzahl der aufwändigen Modellversuche stark zu reduzieren. Die numerische Strömungssimulation ist in der Lage, die Wirbelstrukturen und Geschwindigkeitsgradienten, welche für die Beurteilung gemäß industriellen Standards relevant sind, vorauszusagen. Überträgt man die Geschwindigkeitsprofile am Pumpeneintritt in eine Simulation für das Laufrad, so können die radialen Kräfte, die auf die Welle wirken, ermittelt werden. Gekoppelte Strömungssimulationen (Pumpensumpf und Pum - pe) haben sogar größere Kräfte vorausgesagt. Damit ist es möglich, schon in der Designphase festzustellen, ob allfällige unzulässige dynamische Belastungen auf die Welle, und somit auf die Lager, auftreten. Voraussetzung für zuverlässige Voraussagen durch die numerische Strömungsberechnung ist eine gründliche Validierung anhand experimenteller Daten sowie die genaue Kenntnis der Grenzen dieser Methoden Mit CFD berechnete räumliche Verteilung der auf das Laufrad wirkenden Radialkräfte während einer Laufradumdrehung bei einem uniformen Geschwindigkeitsprofil am Pumpeneintritt Mit CFD berechnete räumliche Verteilung der auf das Laufrad wirkenden Radialkräfte während einer Laufradumdrehung bei einem nicht uniformen Eintrittsgeschwindigkeitsprofil aus einer Pumpensumpfsimulation. Felix A. Muggli Sulzer Markets & Technology AG Sulzer Innotec Sulzer-Allee Winterthur Schweiz Telefon Susanne Krüger Sulzer Pumps AG Zürcherstraße Winterthur Schweiz Telefon Fy (N) Fy (N) Literaturhinweise 1 ANSI/HI 9.8, 1998, Pump Intake Design Standards, Hydraulic Institute, Parsippany, New Jersey Fx (N) Strömung aus dem Becken Fx (N) Sulzer Technical Review 3/

20 Reinigung von industriellen Abwässern (Auf-)Lösung eines hoch - siedenden Problems Sulzer-Equipment kann Schadstoffe in großen Abwasserflüssen kosteneffizient abspalten. Abhängig von der Lage des Siedepunktes der zu trennenden Schadstoffe im Verhältnis zu Wasser, empfiehlt Sulzer einen Abwasserstripper oder eine Flüssig-Flüssig-Extraktion. Ein großer Teil der Schadstoffe in vielen industriellen Abwässern sind im Wasser gelöste organische Chemikalien. In den seltensten Fällen sind diese biologisch abbaubar, so dass diese nicht in einer kommunalen Kläranlage zusammen mit Haushaltsabwässern gereinigt werden können. Oftmals stören die Substanzen den Stoffwechsel der Mikroorganismen oder sind sogar giftig. Darum müssen solche Schadstoffe vor einer Einleitung des Abwassers gesondert entfernt werden, wie dies z.b. bei einer Belastung mit organischen Löse mitteln der Fall ist. Die typischen Konzentrationen des Lösemittels liegen je nach Abwasserquelle im Bereich von 1 20 Gewichts-%. Für eine thermische Behandlung, was nichts anderes als eine Verbrennung ist, sind diese Konzentrationen der Schadstoffe zu niedrig. Der Heizwert des Abfallstroms ist zu gering. Hier wäre ein sehr hoher Bedarf an Sekundärbrennstoff notwendig, was zu hohen Kosten und zusätzlicher Umweltbelastung führen würde. Abwasserstripper Ein bewährtes und effektives Verfahren zur Behandlung von mit Lösemitteln belastetem Abwasser stellt die Strippung dar. Bei diesem Verfahren wird das Teil einer Extraktionskolonne auf einem Tieflader. Während des Kontakts der beiden Flüssigkeiten in der Extraktionskolonne findet ein Stofftransport des Phenols vom Wasser in das Extraktionsmittel statt, da letzteres eine höhere Affinität zum Phenol hat als das Wasser. 20 Sulzer Technical Review 3/

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