Die häufigste Frage bei der Spezifikation eines Coanda-Rechens lautet: Welche Spaltweite soll ich wählen?
Es ist die richtige Frage. Die Spaltweite ist der Einzelparameter mit dem größten Einfluss bei der Auslegung eines Coanda-Rechens. Sie bestimmt, was hindurchgelangt (sauberes Wasser plus alles, was feiner als der Spalt ist) und was zurückgehalten wird (alles Gröbere). Sie beeinflusst den Druckverlust, die Verschmutzungsrate, die Spaltgeschwindigkeit, die Überströmgeschwindigkeit und letztlich, ob sich der Rechen unter den Betriebsbedingungen Ihres Projekts zuverlässig selbst reinigt.
Es ist zugleich eine Frage, auf die es nicht nur eine richtige Antwort gibt. Die passende Spaltweite hängt von der Anwendung ab, vom Geschwemmselprofil, von den Anforderungen an den Fischschutz und von der verfügbaren Fallhöhe: mitunter auch von der Wasserchemie und der Betriebstemperatur. Es gibt keine universell „gute" Spaltweite; es gibt eine anwendungsgerechte Spaltweite.
Dieser Beitrag ist die Matrix, nach der EPC-Unternehmen (Engineering, Procurement and Construction) und beratende Ingenieure fragen: eine Tabelle empfohlener Spaltweiten nach Anwendung, samt der Begründung zu jeder Zeile. Wo die Matrix eine Spanne zeigt, bestimmen projektspezifische Faktoren den endgültigen Wert bei der Prüfung durch einen Ingenieur von ADENCO.
Warum die Spaltweite der wichtigste Parameter ist
Am Spalt geschehen drei Dinge:
1. Trenngrenze der Filtration. Partikel, die größer als die Spaltweite sind, können nicht hindurchgelangen. Kleinere Partikel schon. Der Spalt bestimmt die Obergrenze dessen, was zu den nachgeschalteten Anlagenteilen gelangt (Turbine, Pumpen, Umkehrosmose- bzw. RO-Membranen, nachgeschaltete Aufbereitung).
2. Spaltgeschwindigkeit. Bei gegebenem Durchfluss bieten engere Spalte weniger freie Fläche, das heißt, das Wasser muss schneller durch jeden Spalt fließen. Eine hohe Spaltgeschwindigkeit reißt mehr Feinpartikel mit und überschreitet (entscheidend für Anwendungen mit Fischschutz) die behördlichen Grenzwerte für den Fischeinzug.
3. Selbstreinigende Hydraulik. Die abstreifende Wirkung des Coanda-Effekts beruht darauf, dass das Wasser schneller über die Rechenoberfläche schert, als es hindurchtritt. Die Spaltweite beeinflusst dieses Gleichgewicht. Zu eng, und man kämpft mit dem Druckverlust. Zu grob, und der Rechen filtert nicht mehr nennenswert.
Wird die Spaltweite falsch gewählt, entsteht eines von drei Problemen. Zu grob: unzureichende Filtration, Geschwemmsel gelangt zu den nachgeschalteten Anlagenteilen. Zu eng: übermäßiger Druckverlust, schnellere Verschmutzung, hohe Spaltgeschwindigkeit. Falsche Wahl für die Wasserchemie: Die Korrosion an den Keildrahtkanten schreitet schneller voran als ausgelegt.
Die Abwägungen klingen komplex, sind aber gut erforscht. Die nachstehende Matrix fasst 12 Jahre Betriebsergebnisse von ADENCO zusammen sowie die Auslegungsgrenzen aus dem Coanda Design Guide des US Bureau of Reclamation (USBR) (Wahl, 2003, Bericht R-2003-03).
Der grundlegende Zielkonflikt
Vor der Matrix die zugrunde liegende Physik. Drei gegenläufige Faktoren beeinflussen die Wahl der Spaltweite:
Das Filtrationsziel drückt die Spaltweite NACH UNTEN. Trinkwasser erfordert eine feinere Filtration als industrielles Kühlwasser. Ausrüstung mit engen Toleranzen (RO-Membranen, bestimmte Turbinentypen) erfordert eine feinere Filtration als robuste Ausrüstung.
Die Geschwemmselbelastung treibt die Spaltweite NACH OBEN. Hoher Geschwemmselanfall spricht für gröbere Spalte, die nicht so schnell verschmutzen. Sedimentreiche Flüsse fordern enge Spalte heraus. Bei Hochwasser mitgeführtes Stoßgut (Baumstämme, Kies) spricht für gröbere Spalte mit vorgelagerten Schutzstäben (Edelstahlstäbe, die vor dem Keildraht montiert sind und den Aufprall von Steinen und Holz aufnehmen).
Die verfügbare Fallhöhe begrenzt, wie eng man gehen kann. Engere Spalte erzeugen beim Bemessungsdurchfluss einen höheren Druckverlust. Verfügt Ihr Standort nur über eine knappe Fallhöhe (weniger als 0,7-0,8 m), können Sie die Spalte nicht unter etwa 1,0 mm verringern, ohne die Selbstreinigungsfunktion zu verlieren.
Diese drei Faktoren ergeben zusammen die folgende Matrix. Wo die Matrix eine Spanne angibt, ist damit zu rechnen, dass projektspezifische Faktoren bei der Prüfung durch einen Ingenieur den Wert zum einen oder anderen Ende hin verschieben.
Die Matrix der Spaltweite nach Anwendung
| Anwendung | Empfohlene Spaltweite | Begründung |
|---|---|---|
| Wasserkraft: Laufwasserkraftwerk, Süßwasser, mäßiges Geschwemmsel | 1,0 mm | Standardanwendung in der Wasserkraft. Reinigt sich über den gesamten Betriebsbereich des Durchflusses zuverlässig selbst. ADENCOs am häufigsten eingesetzte Spaltweite in Kleinwasserkraftwerken (SHP). |
| Wasserkraft: SHP-Nachrüstung (Ersatz eines Tiroler Wehrs) | 1,0-1,5 mm | Etwas gröber als bei neuen Wasserfassungen an Gebirgsbächen, weil Nachrüstungen häufig ein Geschwemmselaufkommen vorfinden, von dem das ursprüngliche Tiroler Wehr bereits überfordert war. Die größere Spaltweite stellt die Zuverlässigkeit bei starkem Geschwemmsel über die Filtration. |
| Wasserkraft: schlickreicher Flachlandfluss | 1,0 mm mit vorgelagerten Schutzstäben | Sediment passiert; die Schutzstäbe halten das Geschwemmsel zurück, das Schlagschäden verursacht. |
| Trinkwasser: kommunal, keine Anforderung an den Fischschutz | 0,5-1,0 mm | Engeres Ende der Spanne, wenn die nachgeschaltete Aufbereitung auf die Filtration in der Einlaufstufe angewiesen ist; gröber, wenn nachgeschaltet eine eigene Filtrationsstufe vorhanden ist (Sandfilter, Klärbecken usw.). |
| Trinkwasser: kommunal, Fischschutz erforderlich (NMFS-konform) | 0,5-1,0 mm mit Spaltgeschwindigkeit ≤ 0,12 m/s | Die NMFS-Kriterien verlangen einen Spalt ≤ 1,75 mm und eine Geschwindigkeit ≤ 0,12 m/s. ADENCO wählt standardmäßig das engere Ende dieser Spanne, um Reserve zu schaffen. |
| Rohwasser: industrielle Kühlung | 1,0-2,0 mm | Kühlwasser verträgt eine gröbere Filtration; der nachgeschaltete Wärmetauscher wird durch feine Partikel geschädigt, benötigt aber keine Genauigkeit im Submillimeterbereich. |
| Rohwasser: erste Stufe der Meerwasserentsalzung (Meerwasser) | 0,5-1,0 mm | Die nachgeschalteten RO-Membranen sind teuer; ein Coanda-Rechen als erste Stufe mit anschließender Sandfiltration ist der typische mehrstufige Ansatz. |
| Rohwasser: Prozesswasser mit empfindlichen nachgeschalteten Anlagen | 0,5-1,0 mm | Empfindliche Ausrüstung (Wärmetauscher mit kleinen Rohrdurchmessern, bestimmte Pumpenbauarten) bestimmt die Trenngrenze. |
| Beschneiung: alpines Süßwasser | 1,0-1,5 mm | Schneekanonen vertragen gröberes Wasser als Trinkwassersysteme. Eine größere Spaltweite verringert die Verschmutzung während der Frost-Tau-Wechsel. |
| Landwirtschaftliche Bewässerung: Ausleitung im Freispiegel in einen Kanal | 1,0-2,0 mm | Offene Kanäle sind nachgeschaltet unkritisch. Folgt eine Tropfbewässerung, ist das engere Ende der Spanne zu wählen. |
| Landwirtschaftliche Bewässerung: Versorgung von Tropfersystemen | 0,5-1,0 mm | Tropfer vertragen kein Geschwemmsel. Ein feinerer Spalt an der Wasserfassung verringert die Reinigungshäufigkeit der Tropfer. |
| Geothermie: chloridreiches Rohwasser | 1,0-1,5 mm | Geothermales Wasser führt in der Regel mäßiges Geschwemmsel, ist chemisch aber korrosiv. Die Wahl der Spaltweite ist der Werkstoffwahl (Super Duplex 2507) nachgeordnet. |
Einige Punkte sind hervorzuheben:
- Der Spalt mit 1,0 mm ist die häufigste Wahl. Er eignet sich für die meisten Anwendungen in der Wasserkraft, für die meisten Trinkwasseranwendungen ohne Fischschutz und für die meisten industriellen Kühlanwendungen. Im Zweifelsfall ist er der richtige Ausgangspunkt.
- Der Spalt mit 0,5 mm ist für Anwendungen mit Feinfiltration gedacht: Trinkwasser mit empfindlichen nachgeschalteten Anlagen, Projekte, die Fischschutzvorgaben unterliegen, Abscheidung feiner Partikel.
- Der Spalt mit 1,5-2,0 mm ist für Anwendungen mit starkem Geschwemmsel gedacht: SHP-Nachrüstungen als Ersatz überforderter Tiroler Wehre, landwirtschaftliche Ausleitungen, Rohwasser für unempfindliche nachgeschaltete Anlagen.
Wir bieten den Bereich von 0,5 bis 2,0 mm an (Standard 1,0 mm); engere Spalte sind auf Anfrage erhältlich, auch wenn bisher kein ausgeliefertes Projekt einen solchen benötigt hat. Unterhalb von 0,2 mm ist der Rechen kein Coanda-Rechen mehr: Der Druckverlust wird untragbar und die selbstreinigende Hydraulik funktioniert nicht mehr. Oberhalb von 2,0 mm handelt es sich faktisch um einen passiven Stabrechen, bei dem die Coanda-Fläche Kosten verursacht, ohne einen Nutzen für die Filtration zu bringen.
Der Sonderfall Fischschutz
Anforderungen an den Fischschutz unterliegen einem anderen regulatorischen Rahmen als der Rest der Matrix. Sie verdienen eine eigene Zeile, weil die Kriterien von externen Behörden festgelegt werden und nicht aus technischen Abwägungen hervorgehen.
Nachstehend die beiden am häufigsten zitierten Kriteriensätze. Sie sind ein Ausgangspunkt und nicht der verbindliche Text: Kriterien werden überarbeitet, und die Auflagen der örtlichen Behörde haben Vorrang vor den allgemeinen Vorgaben.
Vereinigte Staaten: NMFS Anadromous Salmonid Passage Facility Design (2008/2011):
- Spaltweite ≤ 1,75 mm (0,069 in) zum Ausschluss juveniler Salmoniden
- Anströmgeschwindigkeit ≤ 0,12 m/s (0,4 ft/s)
- Spaltgeschwindigkeit ≤ 0,12 m/s
Europäische Union: Wasserrahmenrichtlinie 2000/60/EG und zugehörige Leitfäden:
- Spaltweiten, die auf die örtlich geschützten Fischarten abgestimmt sind, wobei meist die Kriterien für Jungfische die Spezifikation bestimmen
- Geringe Anströmgeschwindigkeiten sind erforderlich, damit die Fische wegschwimmen können
- Maximale Spaltweiten an Standorten mit Aalschutz können bis zu 4 mm betragen, liegen je nach Einstufung des Standorts aber häufiger bei 1-2 mm
Bei einem nach Fischschutzkriterien ausgelegten Coanda-Rechen verläuft das Auslegungsgespräch so:
- Den für den Standort geltenden regulatorischen Rahmen klären (NMFS, EU WFD, IHA Sustainability Standard, regionale Varianten).
- Die örtlichen Kriterien für die Zielart klären: Häufig haben örtliche Behörden konkrete Werte, die die allgemeinen Vorgaben oben außer Kraft setzen.
- Die Spaltweite auf den Kriterienwert festlegen (typisch: 1,0 mm für NMFS-konforme Standorte; 1,0-1,5 mm für Standorte nach EU WFD).
- Prüfen, dass die Spaltgeschwindigkeit beim Bemessungsdurchfluss unter dem behördlichen Grenzwert bleibt. Dafür ist häufig eine größere Siebfläche erforderlich, als der Bemessungsdurchfluss allein verlangen würde.
- Die Einhaltung im Umweltgenehmigungspaket des Projekts dokumentieren.
Bei Lieferungen mit Fischschutz legt ADENCO die Hinweise zur Konformität mit der EU WFD standardmäßig als Projektdokument bei. Die Abstimmung mit den örtlichen Behörden liegt in der Verantwortung des EPC-Auftragnehmers oder des Projekteigentümers; wir stellen die technischen Informationen bereit, die dieser für den Nachweis der Einhaltung benötigt.
Wie ADENCO die Spaltweite in der technischen Prüfung abstimmt
Die Matrix ist ein Ausgangspunkt. Projektspezifische Faktoren verschieben die endgültige Spaltweite in der technischen Prüfung um 0,1-0,5 mm nach oben oder unten. Die Faktoren, die wir betrachten, in der Reihenfolge ihrer Bedeutung:
1. Geschwemmselanalyse des Standorts. Wie sieht das Geschwemmsel am Standort im ungünstigsten Fall aus? Fotos und Beschreibungen des Betreibers helfen mehr als allgemeine Einstufungen. „Starkes Geschwemmsel“ an einem Standort an der Schwarzmeerküste sieht anders aus als „starkes Geschwemmsel“ an einem alpinen Bach.
2. Zulässiger Druckverlust. Wie viel Druckverlust kann das Projekt aufnehmen, bevor die Stromerzeugung oder der Anlagenbetrieb beeinträchtigt wird? Standorte mit reichlich Fallhöhe können engere Spalte nutzen; Standorte mit knapper Fallhöhe werden zum gröberen Ende der Anwendungsspanne gedrängt.
3. Empfindlichkeit der nachgelagerten Anlagen. Was geschieht mit Partikeln zwischen dem Spalt und der nachgelagerten Ausrüstung? Ein Coanda-Rechen, der einen Sandfilter speist, ist eine andere Filtrationsauslegung als einer, der direkt eine Turbine speist.
4. Betriebstemperaturbereich. Kalte Bedingungen (unter 0 °C, Frost-Tau-Wechsel, Risiko von Frazil-Eis) vertragen breitere Spalte besser als schmale Spalte. Ein Betrieb unter null Grad verschiebt uns zum breiteren Ende des Anwendungsbereichs.
5. Zugang für die Wartung. Wo der Betreiber den Rechen im Rahmen der geplanten Wartung reinigen kann, sind schmale Spalte vertretbar. Wo er das nicht kann (abgelegene Standorte, schwieriger Zugang), sind breitere Spalte zu bevorzugen, die weniger stark zusetzen.
6. Künftiger Ausbau. Ein Projekt, das später Kapazität ergänzen könnte, wählt heute möglicherweise einen etwas breiteren Spalt, um den künftigen Durchflussbereich ohne Austausch des Rechens abzudecken.
Die Prüfung durch unsere Ingenieure dauert 1-2 Arbeitstage. Das Ergebnis ist eine konkrete Empfehlung zur Spaltweite mit dokumentierter Begründung sowie ein geschätzter Druckverlust beim Bemessungsdurchfluss.
Was Sie für eine ingenieurgeprüfte Spaltempfehlung senden sollten
Wenn Sie über die Matrix hinaus sind und eine projektspezifische Empfehlung wünschen, senden Sie:
- Anwendungskontext: wofür das Wasser genutzt wird, welche Ausrüstung nachgeschaltet ist.
- Bemessungsdurchfluss in l/s oder m³/h.
- Verfügbare Wehrbreite in Metern.
- Verfügbare Fallhöhe (Absturzhöhe) unter der Wehrkrone in Metern.
- Beschreibung des Geschwemmsels: Fotos, Beschreibungen des Betriebspersonals, gegebenenfalls Historie von Verstopfungsereignissen an benachbarten Standorten.
- Anforderungen an den Fischschutz, sofern vorhanden. Nennen Sie das geltende Regelwerk.
- Wasserchemie: mindestens pH-Wert, Chlorid, Sedimentfracht.
- Betriebstemperaturbereich über die Jahreszeiten hinweg.
- Wartungsregime: Zugänglichkeit, geplante Reinigungsintervalle.
Reichen Sie dies über das Auslegungstool ein, um ein sofortiges Ergebnis auf der Seite zu erhalten, oder als formfreie Angebotsanfrage (RFQ) über das Kontaktformular. Beide Wege münden in dieselbe Prüfung durch einen Ingenieur.
Eine Anmerkung zur Spalttoleranz
Die Spaltweite ist ein Fertigungsparameter. Die Toleranz ist entscheidend.
ADENCO fertigt Keildrahtpaneele mit einer Toleranz der Spaltweite von ±0,1 mm über das gesamte Paneel. Das ist der Wert, den Sie in Ihre Spezifikation schreiben sollten.
Eine enge Toleranz zu fordern und sie über einen Bericht zum Werksabnahmetest (FAT) nachzuweisen, gehört dazu, die Spaltweite „richtig“ zu treffen.
Die Matrix liefert Ihnen den Ausgangspunkt. Projektspezifische Faktoren verschieben den endgültigen Wert um 0,1-0,5 mm nach oben oder unten. Die Prüfung durch unsere Ingenieure dokumentiert die Begründung. Die Fertigungstoleranz hält den gefertigten Spalt auf dem spezifizierten Wert.
Im Zweifelsfall ist 1,0 mm für die meisten Coanda-Wasserfassungen die richtige Standardwahl. Wenn Vorschriften zum Fischschutz gelten, 0,5-1,0 mm mit Disziplin bei der Spaltgeschwindigkeit. Wenn Geschwemmsel die beherrschende Sorge ist, 1,5-2,0 mm mit vorgelagerten Schutzstäben. Darüber hinaus fragen Sie nach.