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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Zerkleinern
partikulärer
organischer Substanzen in Suspensionen von Mikroorganismen in einem
Trägermedium,
insbesondere in Abwässern
oder Schlämmen
biologischer Kläranlagen.
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Bei
der Aufbereitung von Abwasser in industriellen und kommunalen biologischen
Kläranlagen
nach dem sogenannten Belebungsverfahren entsteht durch Verstoffwechselung
biologisch abbaubarer Stoffe durch Bakterien Klärschlamm in Form von Bakteriensuspensionen.
Da dieser Klärschlamm
aufgrund von Gesetzen und wirtschaftlichen Zwängen nur noch beschränkt deponiert,
verbrannt oder landwirtschaftlich verwertet werden kann, kommt der
Verringerung oder Vermeidung von Klärschlamm eine immer größere Bedeutung
zu.
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Als
ein Verfahren der Abfallverminderung wurde in den letzten Jahren
der mechanische Zellaufschluss (Desintegration) der im Klärschlamm
enthaltenen Organismen untersucht. Bei der Desintegration von Klärschlämmen ist
beabsichtigt, die Zellwände
der Mikroorganismen im Klärschlamm
zu zerstören
und die Zellinhalte freizusetzen.
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Dieser
Zellaufschluss verfolgt im wesentlichen zwei Zielsetzungen. Zum
einen soll die anaerobe Schlammbehandlung durch einen beschleunigten
und verstärkten
Abbau verbessert werden. Diese Beschleunigung beruht auf der mechanischen
Unterstützung
der Hydrolyse, da der Zellaufschluss zu einer Freisetzung des leicht
abbaubaren Zellinnenwassers führt.
Zusätzlich
sollen fakultativ anaerobe Mikroorganismen aufgeschlossen werden,
die ansonsten teilweise den Faulprozess überleben können und im Faulschlamm für den Restgehalt
an organischen Stoffen mit verantwortlich sind. Durch den Zellaufschluss
sollen sie dem verstärkten
Abbau zugänglich
gemacht werden.
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Zum
anderen soll die Desintegration die Möglichkeit eröffnen, das
Zellinnenwasser, das organische Substanzen wie Protein und Polysaccharine
enthält,
als interne Kohlenstoffquelle zu verwenden. Dadurch sollen sowohl
eine Verringerung der Schlammmenge und Faulzeit als auch eine Erhöhung der
Menge von energetisch verwertbarem Faulgas erreicht werden. Weitere
Vorteile sind unter anderem die Zerstörung von Schwimmschlamm und
Fadenbakterien sowie eine Verbesserung der Absetzeigenschaften der
Schlämme.
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Einen Überblick über die
herkömmlichen
mechanischen Desintegrationsverfahren geben N. Dichtl, J. Müller, E.
Englmann, F. W. Günthert
und M. Osswald in einem Aufsatz "Desintegration
von Klärschlamm – ein aktueller Überblick" in "Korrespondenz Abwasser" 1997 (44) Nr. 10,
S. 1726 bis 1738 ff. Danach eignen sich für den großtechnischen Einsatz vor allem
- – die
Rührwerkskugelmühle,
- – der
Hochdruckhomogenisator und
- – der
Ultraschallhomogenisator.
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Während der
Zellaufschluss in der Rührwerkskugelmühle in einem
zylindrischen, mit Mahlkugeln aus Hartglas oder Keramik gefüllten Mahlraum
durch die Rotation der Kugeln bewirkt wird, werden zum Aufschluss der
Zellen im Ultraschall- und im Hochdruckhomogenisator Kavitationsvorgänge genutzt.
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Allen
bekannten Verfahren zur mechanischen Desintegration ist gemeinsam,
dass der Kosten- und Energieaufwand zur Erzeugung der Kavitationsvorgänge, durch
welche die eine Aufspaltung der Zellwände der Mikroorganismen bewirkenden
Kräfte
entstehen, sehr hoch ist. Das gilt sowohl für die Herstellung als auch für den Betrieb
und die Wartung von Hochdruck- und Ultraschallhomogenisatoren. Während bei
den Hochdruckhomogenisatoren sehr hohe Drücke erzeugt werden müssen, die
eine hohe Pumpenkapazität
erfordern, wird bei Ultraschallverfahren eine große Menge
elektrischer Energie zur Speisung der Sonotroden benötigt. Ein
Nachteil der Nutzbarmachung von Kavitationserscheinungen in diesem
Zusammenhang ist weiterhin, dass es zu Ablöseerscheinungen an den Geräten und
Materialien kommt, weshalb speziell für verschleißintensive Bauteile, wie zum
Beispiel die Ultraschallsonotroden, kostspielige Materialien, wie
zum Beispiel Titan, verwendet werden müssen.
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In
der nicht vorveröffentlichten
DE 102 14 689.6-44 ist
zur Verringerung des Energie- und Ausrüstungsaufwandes bei der Erzeugung
von Kavitationserscheinungen schon vorgeschlagen worden, für den Aufschluss
organischer Substanzen nicht maschinen- und energietechnisch aufwändige Ultraschall-
oder Hochdruckdesintegratoren einzusetzen, sondern die Suspension
unter Druck durch eine Düse
mit sich zunächst verengendem
und dann wieder erweiterndem Querschnitt, eine sogenannte Lavaldüse, zu fördern. Dabei
wird durch die Verringerung des Querschnitts die Fließgeschwindigkeit
der Suspension derart erhöht,
dass der Druck unter den Dampfdruck der Trägersubstanz, also Wasser, absinkt,
während
beim Durchströmen
des sich anschließend
wieder erweiternden Querschnitts durch Druckausgleich kollabierende
Kavitationsblasen erzeugt werden.
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Die
Behandlung von solchen Suspensionen durch Verfahren mit Kavitationserscheinungen
hat zwar einen gewissen Erfolg erbracht, d. h. es gelingt eine Erhöhung der
Ausbeute an Faulgas sowie eine Verringerung des Klärschlammanteils,
es ist aber nicht zweifelsfrei zu klären, ob diese Wirkungen durch
im Strömungskanal
auftretende Scherbeanspruchungen, durch das Entstehen und das Zusammenfallen
der Kavitationsblasen oder durch andere, bislang nicht zweifelsfrei
geklärte
Erscheinungen verursacht werden. Jedenfalls hat das Entstehen und
Zusammenfallen der Kavitationsblasen in einer Art Implosion im Grunde
nur lokale Wirkung, verursacht aber nicht primär eine Zerstörung der
Zellen und somit den Aufschluss der Mikroorganismen.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Möglichkeit
zu schaffen, durch welche mit ähnlich
geringem Material- und Energieaufwand ein gezielter Aufschluss der
Mikroorganismen im Sinne einer Zerstörung der Zellen erreicht werden
kann.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten
Merkmalen gelöst.
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Gegenstand
der Erfindung ist noch eine Einrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens gemäß Anspruch
8.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird die
desintegrierende Wirkung auf hydrodynamischem Wege erreicht. Dabei liegt
der Erfindung der Gedanke zugrunde, im Zuge der Förderung
der Suspension in einem geschlossenen Strömungskanal, insbesondere einer
Rohrleitung, einen Wirkraum zu schaffen, in dem die Fließgeschwindigkeit
des Trägermediums
der Suspension, also des Wassers, so gesteigert wird, dass durch
den dadurch bedingten Druckabfall der Dampfdruck deutlich unterschritten
wird, so dass nicht nur Kavitationsblasen entstehen, die sogleich
wieder zusammenfallen, sondern dass die flüssige Phase praktisch vollständig in
Dampf verwandelt wird, der allerdings unmittelbar nach Verlassen
dieses Wirkraumes sogleich wieder kondensiert.
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Infolge
der enormen Vergrößerung des
Volumens der flüssigen
Phase beim Übergang
in den Dampfzustand steigert sich die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums
im gleichen Ausmaß.
Das hat zur Folge, dass auf die Beladung der flüssigen Phase, also auf die
Bakterien und sonstigen Partikel, die von dem Dampfstrom mitgerissen
werden, extreme Beschleunigungskräfte ausgeübt werden, die unmittelbar
darauf bei Kondensation des Dampfes in die flüssige Phase wieder in Verzögerungskräfte übergehen.
Infolge der Trägheit der
Partikel, insbesondere der Zellkerne gegenüber dem Plasma und der Plasmahaut,
werden dabei durch die Aggregatszustandsänderung des die Mikroorganismen
umgebenden Trägermediums
auf diese Kräfte
ausgeübt,
die über
Veränderungen
der Struktur von Schlammflocken und über Veränderungen der Eigenschaften
an der Membranoberfläche
bereits zu Effekten führen,
ohne dass die Mikroorganismen total zerstört und deren Inhaltsstoffe
freigesetzt werden. Insbesondere durch Dehnung der Membranoberflächen der
Mikroorganismen durch die Trägheitskräfte, die
noch nicht zum Zerreißen
führen,
können
schon oberflächenaktive
Stoffe von den Mikroorganismen abgelöst werden, bis die Trägheitskräfte schließlich zu
einem Zerreißen
der Plasmahaut und somit einer Zerstörung der Zellen führen.
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Von
besonderem Vorteil ist, dass durch entsprechende Wahl der Strömungsgeschwindigkeit
des Trägermediums
in dem Wirkraum unterschiedliche Behandlungsarten der Suspension
gewählt
werden können, die
vom Aufbrechen großer
Flocken über
die Zerstörung
fadenförmiger
Bakterien bis hin zum vollständigen Zellaufschluss
reichen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt
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1 eine schematische Darstellung
einer Förderstrecke
mit Pumpe und Wirkraum nach der Erfindung, die
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2 und 3 diagrammartige Darstellungen des Druckverlaufs
der Suspension im Bereich des Wirkraums,
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4 eine schematische Darstellung
der Bildung eines Wirkraums durch eine Drosselstelle in einer Rohrleitung,
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5 eine diagrammartige Darstellung
unterschiedlicher Behandlungsarten und
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6 ein Schema einer Desintegrationsanlage
mit einer Einrichtung nach der Erfindung.
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Wesentliches
Merkmal der Erfindung ist – physikalisch
gesehen – ein
Wirkraum, der sich im Zuge der Förderung
der zu behandelnden Suspension durch einen Strömungskanal ausbildet. In 1 ist schematisch angedeutet,
wie die Suspension praktisch aus der Ruhe eines Behälters (Anfangsgeschwindigkeit
u ≈ 0) bei Umgebungsdruck
p0 mittels einer Pumpe 1 unter
Einsatz äußerer Energie/Zeit
Pel durch eine Rohrleitung 2 in einen
Wirkraum 3 einer Desintegrationseinrichtung gefördert wird.
In diesem Wirkraum 3 wird das Trägermedium, also das Wasser,
durch Aggregatzustandsänderung
Phasen extremer Beschleunigung und Verzögerung unterworfen, bevor es
diesen danach im anschließenden
Strömungspfad 4 mit
der Strömungsgeschwindigkeit u
bei Umgebungsdruck p0 wieder verlässt.
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Erfindungsgemäß wird angestrebt,
die Strömungsgeschwindigkeit
u im Eintrittsbereich des Wirkraumes 3 so zu steigern,
dass in dem Wirkraum selbst keine detaillierten Dampfblasen und
keine übliche
Kavitation mehr entstehen können,
sondern dass ein Übergang
zu einer kompletten Dampfströmung
erreicht wird, die an der gesamten Oberfläche der Beladung des Trägermediums,
also den Mikroorganismen, angreift, so dass auf diese ein Beschleunigungseffekt
wirkt, der unmittelbar danach wieder in eine Verzögerung infolge Kondensation
des Dampfes übergeht.
Durch diesen kombinierten Beschleunigungs- und Verzögerungseffekt, der
ins Innere der Mikroorganismen wirkt, wird im Endeffekt deren Zellmembran
zerstört
und werden Zellplasma sowie Zellkern freigesetzt.
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In 2 sind in einem Druckdiagramm
in Abhängigkeit
von der Förderstrecke
x Anstieg und Abfall des statischen Drucks der Suspension dargestellt.
Während
der Druck vor der Pumpe 1 dem Umgebungsdruck p0 entspricht,
steigt er entsprechend der elektrischen Leistung Pel der
Pumpe 1 auf den Betriebsdruck pp an,
um in dem Wirkraum 3 der Desintegrationseinrichtung auf
einen Druck pK abzusinken, der unter dem
Dampfdruck p0 des Trägermediums liegt. Nach dem
Verlassen des Wirkraumes 3 und der Durchströmung des
Pfades 4 stimmt der statische Druck in der Suspension wieder
mit dem Umgebungsdruck p0 überein.
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Aus 3, die ein Diagramm der
Strömungsgeschwindigkeit
in Abhängigkeit
von der Förderstrecke zeigt,
ist ersichtlich, wie durch die Erhöhung der Fließgeschwindigkeit
des Wassers die kinetische Energie/Volumen der Wasserströmung bis
auf einen Höchstwert ρw·uK 2/2am Eintritt
in den Wirkraum ansteigt, so dass sich in dem Wirkraum infolge des
Abfalls des statischen Drucks unter den Dampfdruck die Dampfströmung ausbilden
kann. Diese Dampfströmung
kann zur Zerkleinerung bzw. Zerstörung der zellularen Strukturen
genutzt werden, bevor sie durch Kondensation wieder auf die kinetische
Energie/Volumen in der sich anschließenden Rohrleitung 4 abfällt. Hierin
bedeuten ρw die Dichte des Trägermediums (bei Wasser zum
Beispiel ρw = 10 kg/m3) und
uK die Strömungsgeschwindigkeit beim Eintritt
in den Wirkraum.
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Praktisch
lässt sich
der die Grundlage der Erfindung bildende Wirkraum 3 durch
eine im Strömungskanal 5 angeordnete
Drossel oder Blende 6 realisieren, durch welche der Querschnitt
des Strömungskanals 5 sehr
stark verengt wird (4).
Durch Erhöhung
des Drucks auf die Suspension durch entsprechende Pumpeinheiten
und Wahl des Durchmessers d der Drossel lässt sich über die Länge l der Drosselstelle die
Strömungsgeschwindigkeit
der Suspension so steigern, dass der Dampfpunkt unterschritten wird,
dass also das Trägermedium,
nämlich
Wasser, vollständig
in die Dampfphase übergeht.
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Je
nach Eintrittsgeschwindigkeit der Suspension in den Wirkraum sind
die Aufschlussgrade der zellularen Strukturen unterschiedlich; hieraus
lassen sich unterschiedliche Behandlungsarten X ableiten, die sich als
Multiplikator für
eine universelle, gewissermaßen
ideale Geschwindigkeit uW,id von etwa 14
m/s definieren lassen. Dies kann anhand eines Diagramms gemäß 5 erläutert werden.
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Die
universelle Wassergeschwindigkeit uw,id ist
gewissermaßen
die "kritische" Geschwindigkeit,
bei der sich rein rechnerisch bereits die ersten Kavitationserscheinungen
zeigen müssten,
die aber, bedingt durch Reibungs- und sonstige Verluste, tatsächlich erst
bei etwa dem doppelten Wert, also bei uw 28
m/s auftreten. Hieraus folgt, dass der Zustand X = 1 nur die kritische
Geschwindigkeit definiert, so dass erst der Zustand X = 2 mit einer
Wassergeschwindigkeit von uw ≈ 28 m/s mit
dem Beginn der Änderung
der Flockenstruktur als Behandlungstufe bezeichnet werden kann.
Die Behandlungsstufe X = 3 mit uw ≈ 42 m/s bewirkt
bereits eine Beeinflussung der Membranoberflächen mit Freisetzung oberflächenaktiver
Stoffe bis hin zur Zerstörung
der fadenförmigen
Bakterien, während
die Behandlungsart X = 4 mit uw >≈ 50 m/s den Beginn von Zellaufschlüssen, d.
h. die Zerstörung
der Membranen mit Freisetzung der Inhaltsstoffe bewirkt.
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Die Öffnungsweite
d der Drossel und deren Länge
l (4) werden zweckmäßig so gewählt, dass
insbesondere die Beschleunigungsphase und die Verzögerungsphase
zur Zerstörung
der Mikroorganismen ausgenutzt werden können. Zugleich kann durch entsprechende
Wahl des Verhältnisses
von d : l auch der Energieeinsatz minimiert werden. Als vorteilhaft
hat sich ein Verhältnis
d : l = 1 : 5 erwiesen.
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Beim
Betrieb einer solchen Anlage werden im Staubereich vor der Drossel
und im Entspannungsbereich dahinter im Betrieb der Anlage Ablagerungen
entstehen, die in 4 bei 6 anzudeuten
versucht wurde. Eine solche Querschnittsveränderung, die unter Umständen auch
geräuschvermindernd
wirken kann, ähnelt etwas
der bekannten Lavaldüse.
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Als
Beispiel für
die technische Anwendung der Erfindung zeigt 6 schematisch eine Anlage 10,
die Teil eines zweistufigen Desintegrationsverfahrens für Abwasser,
Klärschlamm
oder dergleichen ist. Eine solche Suspension von Mikroorganismen
wird dabei in Richtung des Pfeils 11 durch die Einrichtung 10 gefördert, die
aus einer Rohrleitung 12, einer Förderpumpe 13 und einer
in erfindungsgemäßer Weise
einen Wirkraum umfassenden Desintegrationsvorrichtung 14 besteht.
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Vorzugsweise
wird als erste Stufe des Desintegrationsverfahrens eine Homogenisierungsvorrichtung, zum
Beispiel ein Zerkleinerungsgerät 15,
vorgeschaltet, das zu einer möglichst
gleichmäßigen Korngrößenverteilung
in der Suspension beitragen soll und den Wirkraum vor groben Stoffen
schützt.
Danach wird die Suspension mittels der Förderpumpe 13 durch
die eigentliche Desintegrationsvorrichtung 14 gefördert, wo
erfindungsgemäß die gewünschte Zerstörung der
Aggregate und der Zellaufschluss bewirkt werden.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 6 befindet sich
der Wirkraum im zentralen Durchgang einer Düse 16 mit entsprechend
geringem Querschnitt. Vorteilhafterweise verengt sich der Förderquerschnitt
der Rohrleitung 12 stetig auf den geringen Querschnitt,
um sich danach in entsprechender Weise wieder zu erweitern. Zweckmäßigerweise
befindet sich die Düse 16 in
einem vertikal verlaufen Ast der Rohrleitung 12, um etwaige Auswirkungen
der Schwerkraft auf die Vorgänge
in dem Wirkraum auszuschließen.
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Als
Beispiel für
die Bemessung der Desintegrationsdüse 16 kann die Behandlung
eines Überschussklärschlamms
mit 5–10%
Trockenmasse und einem Betriebsvolumenstrom V .B =
12 m3/h zugrundegelegt werden.
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Zur
Behandlung der Beladung der Suspension aus Mikroorganismen wird
eine Geschwindigkeit u
w,B des am Eintritt
in den Wirkraum noch flüssigen
Trägermediums
(Wasser)
uw,B = X·uw,id gewählt. Darin bedeuten X den Multiplikator
der Behandlungsart und u
w,id die für das Trägermedium
Wasser universelle Geschwindigkeit von 14 m/s. Die Behandlung des Überschussschlamms
soll mit X = 3 durchgeführt werden,
die in der Regel die gewünschten
biologischen Wirkungen im Faulturm sicherstellt (
5). Mit der so gewählten Geschwindigkeit
uw,B = 42 m/sergibt
sich zusammen mit dem vorgegebenen Betriebsvolumenstrom V .
B = 12 m
3/h der erforderliche
Durchmesser d des Wirkraums:
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Die
Länge des
Wirkraums wird mit l = 50 mm so gewählt, dass die Aggregatzustandsänderung
des Trägermaterials
(Wasser → Wasserdampf) über den
ganzen Wirkraum sichergestellt ist und damit die von der Pumpe in
das System eingetragene Energie möglichst intensiv im Wirkraum
zur Behandlung der Beladung (Mikroorganismen) genutzt wird.
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Zur
Dimensionierung der Pumpe wird die benötigte Druckerhöhung Δp mit dem
Staudruck am Eintritt in den Wirkraum bei Beachtung der Dichte des
noch flüssigen
Trägermaterials
(Wasser) mit ρ
w = 10
3 kg/m
3 zu
abgeschätzt und danach die erforderliche
hydraulische Leistung mit
berechnet.
Grundlage der Berechnung ist die Erkenntnis, dass die hydraulische
Pumpenleistung letztlich allein zur Erzeugung der erforderlichen
Eintrittsgeschwindigkeit u
w,B benötigt wird.
P
hyd entspricht somit der kinetischen Energie/Zeit
der in den Wirkraum eintretenden Strömung.
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Mit
dem mechanisch-hydraulischen Wirkungsgrad η ≈ 0,5 einer beispielsweise einsetzbaren
hydrostatischen Schneckenpumpe kann schließlich noch die von der Pumpe
aus dem elektrischen Netz entnommene Leistung P
= Pel = Phyd/η = 6 kWangegeben
werden.
berechnet. Grundlage der Berechnung ist die Erkenntnis, dass die hydraulische Pumpenleistung letztlich allein zur Erzeugung der erforderlichen Eintrittsgeschwindigkeit uw,B benötigt wird. Phyd entspricht somit der kinetischen Energie/Zeit der in den Wirkraum eintretenden Strömung.