In dieser Arbeit wird anfangs dargestellt, wie kostenintensiv und problematisch die Kanalreinigung ausfällt. Durch die demographisch bedingt rückläufigen Schmutzwassermengen und gleichzeitig prognostizierten langen Trockenperioden in den Sommermonaten muss allerdings mit einer verstärkten Akkumulation von Ablagerungen in den Kanalsystemen gerechnet werden. Zudem erweist es sich in Voraussicht auf den Klimawandel als notwendig, den gesamten Kanalquerschnitt für Starkregenereignisse von Ablagerungen freizuhalten; ansonsten ist die häufigere Entlastung des Abwassernetzes in den Vorfluter nach Füllung der vorhandenen Regenrückhaltebecken vorprogrammiert. Die Kanalreinigung wird somit in den nächsten Jahren an Bedeutung gewinnen. Vor allem bei der Reinigung von Großprofilen ist jedoch der Stand der Technik noch nicht ausgereift und die jetzigen Reinigungsmethoden erweisen sich wegen des niedrigen Reinigungserfolges sowie der starken Umweltbelastung durch die genutzten Geräte als ungeeignet.
Durch die in dieser Arbeit vorgestellte und auf den Stand der Technik gebrachte Reinigungsmethode wird jedoch eine leistungsstarke Alternative geboten. In Zukunft wird es möglich sein, große Kanaldurchmesser fast vollkommen umweltneutral zu reinigen und nur mit Hilfe der Wasserkraft das gesammelte Sediment bis zum nachgeschalteten Sandfang zu mobilisieren.
Mit den durchgeführten und hier dargestellten numerischen Versuchen wird in erster Linie eine geometrische Optimierung zur Erreichung der größten Mobilisierungskräfte im Hinblick auf einen ausgewählten Abschnitt der Dresdner Kanalisation vollzogen. In der nachfolgenden physikalischen Modellierung wird der Schwerpunkt auf die optimale Reinigungsgeschwindigkeit gelegt, um ein möglichst großes Volumen an Ablagerungen zu bewegen. Es muss allerdings präzisiert werden, dass während der Modellierung kein Grenzzustand erreicht werden konnte. Dieser wird schließlich durch die folgende analytische Beschreibung des Transportvorganges theoretisch bestimmt. Für das genutzte physikalische Modell wird analytisch ein Grenztransportkörper aus Modellsediment errechnet. Bei einer Übertragung auf den dazugehörigen vorhandenen Abschnitt im Dresdner Kanalnetz durch Ansetzen des Ähnlichkeitsgesetzes wird ein mobilisierbares Grenzvolumen überschlagen.
Die hier dargestellten Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen bzw. der physikalischen Modellierung wurden mit den Betreibern und den Herstellern des neuen Stauwagens diskutiert und hinsichtlich konstruktiver Schwerpunkte optimiert. Unter besonderer Berücksichtigung der Kostenoptimierung und der konstruktiven Realisierung wurde von der Firma 'WKS Technik GmbH' ein Forschungsmuster zur Untersuchung in einer Pilottestphase entwickelt und gebaut.
In der nachfolgenden dargestellten Testphase wurde das Ergebnis als Pilotprojekt im Dresdner Kanalnetz in mehreren Testläufen erprobt und untersucht. Nach jedem Testlauf wurden die aufgetretenen Probleme analysiert und durch Umbauten oder Veränderungen behoben. Regelmäßige Reinigungsfahrten sollten wegen der geringeren Ablagerungsmengen ein gleichmäßiges Fahren gewährleisten bzw. die Ablagerungen vollständig mobilisieren und bis zum Sandfang transportieren, um sie dort zu entnehmen.
Während der Testphase wurde eine viel höhere Sedimentmenge gesammelt und transportiert als die, welche sich aus der analytischen Berechnung ergab. Dies folgte aus dem beim Naturversuch zugelassenen höheren Aufstauniveau hinter dem Spülwagen, welches ausnahmsweise zugelassen wurde, um auf eine zwischenzeitliche Sedimentabsaugung zu verzichten. / The early pages of this research thesis demonstrate how costly and problematic sewer cleaning is. Due to changing demographics causing declining amounts of wastewater and, at the same time, to predicted long dry spells during the summer months, an increased accumulation of sediments in the sewer systems has to be expected. With respect to climate change it is necessary to keep the entire sewer cross section free of sediments in order to manage heavy rainfall events; otherwise a more frequent relief of the wastewater system into the receiving water is inevitable once the rain retention basins have been filled. Thus sewer cleaning will gain in importance within the next few years. Predominantly the cleaning of large-diameter profiles, however, has not reached a state-of-the-art technology, and the current cleaning methods prove themselves to be inapt due to their very limited success as well as to the environmental burden posed by the equipment they employ.
The state-of-the-art cleaning method presented in this research paper constitutes a high-powered alternative. In the future, it will be possible to clean large sewer cross sections almost entirely in an environmentally neutral fashion and to mobilize the accumulated sediment all the way to the downstream sand trap by exclusively harnessing water power.
The numerical experiments conducted for this paper primarily effected a geometric optimization to achieve the maximal mobilization forces in a selected section of Dresden's sewer system. In the subsequent physical modeling the emphasis is placed on the optimal cleaning speed in order to move a maximum volume of sediments. It has to be clarified, however, that no limit state could be reached during the modeling procedure. This limit state is determined theoretically only through the following analytical description of the transport process. For the physical model at hand, the maximum transportable sediment volume made of model sediment is calculated analytically. In an extrapolation for the associated existent section in the Dresden sewer system, a mobilizable limit volume is estimated applying the law of similarity.
The results of the theoretical analysis and the physical modeling presented in this work were discussed with the operators and manufacturers of the new storage vehicle and were optimized with regard to constructional core aspects. In special consideration of the cost optimization and the constructional realization, the 'WKS Technik GmbH' company developed and constructed a research prototype for a survey in a pilot test phase.
During the subsequent test phase, the result was tried out and examined as a pilot project in several trial runs in Dresden's sewer system. After each trial run, the problems which had occurred were analyzed and then eliminated through constructional modifications or other alterations. Regular cleaning runs were intended to guarantee a steady movement of the cleaning vehicle due to a reduced amount of sediments, or to completely mobilize the sediments and transport them to the sand trap in order to remove them there.
The sediment volume actually gathered and transported during the test phase was significantly larger than the one derived from the analytical calculation. This increase results from greater storage depths behind the flush car, which were permitted as an exception for the field test in order to go without any interim sediment extractions. / La prima parte della presente tesi di dottorato mette in evidenza le problematicità legate alla pulizia dei canali delle acque reflue, sottolineando in particolare gli enormi costi generati dall 'alta frequenza di depositi e dalla grandezza delle reti di raccolta presenti sui territori. A causa della riduzione demografica e delle condizioni meteorologiche che si stanno alterando, per il prossimo futuro si prevedono lunghi periodi di siccità, interrotti da acquazzoni intensi e brevi. Questo porterà ad un accumulo di depositi nelle reti di raccolta delle acque miste soprattutto nei mesi estivi, che implicherà a sua volta la necessità di tenere le sezioni dei canali presenti libere da depositi per consentire un appropriato deflusso e ritenzione in presenza delle suddette intense precipitazioni. Se in questi casi la ritenzione della rete fognaria non sarebbe data, infatti, si andrebbe a scaricare acque sporche sempre in maggiore quantità e con maggiore frequenza nei corsi d 'acqua di superficie, inquinando in secondo luogo anche le falde acquifere. Da questo quadro, si evince come la pulizia delle canalizzazioni acquisterà in futuro sempre una maggiore importanza. Attualmente, per la pulizia di canali di grandi dimensioni (maggiori di 1000 mm) non esistono metodi efficaci ed ecologici per movimentare i depositi presenti.
Il presente lavoro espone una soluzione competitiva ai suddetti problemi. Grazie al lavoro di ricerca e sviluppo svolto, infatti, è stato elaborato un metodo con cui sarà possibile in futuro pulire canali di grosse dimensioni pressoché senza l\'impiego di energia esterna, ma solamente grazie all 'utilizzo dell 'energia dell 'acqua reflua presente nei canali, mobilizzando i depositi fino al prossimo punto presente dove sarà possibile estrarre dalla rete fognaria il materiale raccolto.
L 'analisi numerica eseguita e qui rappresentata porta innanzitutto ad un 'ottimizzazione geometrica ed idraulica che consente il raggiungimento delle maggiori forze di mobilizzazione possibili per un segmento scelto della rete fognaria della città di Dresda (Sassonia). Nelle prove in laboratorio correlate si è cercato di ottimizzare la velocità con la quale deve avvenire la pulizia del fondo del canale in modo da poter trasportare il più elevato volume di sedimenti possibile. Si precisa a questo riguardo che in laboratorio non è stato possibile raggiungere il limite volumetrico correlato al modello fisico utilizzato, perché i soli 24 m di lunghezza del banco di prova non hanno consentito il raggiungimento di tale stato limite.
Questo limite è stato determinato successivamente attraverso un modello analitico sviluppato appositamente, il quale descrive la mobilizzazione dei sedimenti attraverso la tecnologia di pulizia utilizzata. Attraverso i fattori di conversione che regolano le leggi fisiche presenti tra modello di laboratorio e natura è stato possibile in seguito rapportare il limite volumetrico al segmento reale utilizzato per le prove numeriche.
Usando i risultati ottenuti sia dalle analisi numeriche che dalle prove di laboratorio è stato sviluppato e poi realizzato un prototipo assieme al partner commerciale 'WKS Technik GmbH', prestando particolare attenzione all 'ottimizzazione costruttiva e dei costi di produzione. Questo prototipo è stato testato per diverse volte in un tratto di circa quattro chilometri della canalizzazione di Dresda. Dopo ogni corsa sono stati analizzati i punti deboli del metodo di pulizia nonché del prototipo stesso e si è provveduto ad eliminarli. Gli ultimi test hanno confermato il funzionamento di tale prototipo offrendo inoltre una buona validazione del modello analitico sviluppato in precedenza.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:29151 |
| Date | 15 January 2016 |
| Creators | Dapoz, Paolo |
| Contributors | Stamm, Jürgen, Tränckner, Jens, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-805378, qucosa:80537 |
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