Inhalte des Arbeitsblatts
Übersicht aller Aufgaben und Lesetexte aus diesem Materialpaket.
Infoblatt / Fachtext
1. Einführung: Warum fließt Wasser (fast immer) abwärts?
Als Anlagenmechaniker/in für SHK sorgst du dafür, dass sauberes Wasser ins Haus kommt und Schmutzwasser sicher abgeleitet wird. Eine funktionierende Entwässerung ist entscheidend für Hygiene und den Schutz des Gebäudes. Aber was steckt physikalisch dahinter? Die treibende Kraft ist die **Gravitation**. Sie zieht das Wasser nach unten. Damit das aber in einem Rohrsystem kontrolliert funktioniert, müssen wir die physikalischen Prinzipien wie Gefälle, Druck und Fließgeschwindigkeit verstehen und richtig anwenden.
2. Physikalische Grundlagen der Entwässerung
*1.1 Das Gefälle** Das Gefälle ist die wichtigste Voraussetzung für die Freispiegelentwässerung, bei der das Wasser allein durch die Schwerkraft fließt. Es beschreibt den Höhenunterschied einer Rohrleitung auf eine bestimmte Länge und wird meist in Prozent (%) angegeben. **Formel:** Gefälle [%] = frac{Höhenunterschied [cm]}{Länge [cm]} * 100 **Praxisregel:** Für liegende Schmutzwasserleitungen ist in der Regel ein Gefälle von 1 % bis 2 % vorgeschrieben. Das entspricht 1 cm bzw. 2 cm Höhenunterschied auf 1 m Rohrlänge. **Wirkung:** Ein zu geringes Gefälle führt zu Ablagerungen, da die Fließgeschwindigkeit zu niedrig ist, um Feststoffe mitzuspülen. Ein zu starkes Gefälle kann dazu führen, dass das Wasser zu schnell abfließt und die Feststoffe liegen bleiben. *1.2 Volumenstrom und Fließgeschwindigkeit** Der **Volumenstrom (Q̇)** gibt an, wie viel Volumen einer Flüssigkeit pro Zeiteinheit durch einen Querschnitt fließt. Er hängt von der **Fließgeschwindigkeit (v)** und der **Querschnittsfläche (A)** des Rohres ab. **Formel:** Q̇ = A * v **Einheiten:** Der Volumenstrom wird oft in Litern pro Sekunde (L/s) oder Kubikmetern pro Stunde (m³/h) angegeben. **Bedeutung:** Die Dimensionierung von Abflussrohren muss auf den maximal zu erwartenden Volumenstrom ausgelegt sein, um einen Rückstau zu verhindern. Die Fließgeschwindigkeit ist entscheidend für die **Selbstreinigungsfähigkeit** der Leitung. *1.3 Hydrostatischer Druck** Der hydrostatische Druck (oder Schweredruck) ist der Druck, der innerhalb einer ruhenden Flüssigkeit durch ihr Eigengewicht entsteht. Er nimmt mit der Tiefe (der Füllhöhe h) zu. **Formel:** p = ρ * g * h * Dabei ist ρ (rho) die Dichte der Flüssigkeit (Wasser: ca. 1000 kg/m³), g die Erdbeschleunigung (ca. 9,81 m/s²) und h die Höhe der Flüssigkeitssäule.
3. Wichtige Bauteile und ihre Physik
*Geruchsverschluss (Siphon)** Ein Siphon ist ein U-förmig gebogenes Rohrstück, das z.B. unter Waschbecken zu finden ist. Seine Funktion beruht auf dem Prinzip der **kommunizierenden Röhren**. Im unteren Bogen sammelt sich Wasser, das sogenannte **Sperrwasser**. Diese Wassersäule bildet eine Barriere, die verhindert, dass übelriechende Gase aus der Kanalisation in den Raum aufsteigen können. *Hebeanlage** Eine Hebeanlage wird benötigt, wenn Abwasser unterhalb der sogenannten **Rückstauebene** anfällt. Das ist der höchste Punkt, bis zu dem das Wasser im öffentlichen Kanalnetz ansteigen kann. Da das Wasser von hier nicht von allein nach oben in den Kanal fließen kann, sammelt eine Hebeanlage das Abwasser in einem Behälter und pumpt es bei Erreichen eines bestimmten Füllstands über die Rückstauebene in die Kanalisation.
4. Schlüsselbegriffe im Überblick
| Begriff | Definition | |---|---| | **Gefälle** | Der Höhenunterschied einer Rohrleitung, bezogen auf ihre Länge. | | **Volumenstrom (Q̇)** | Das Volumen an Flüssigkeit, das pro Zeit durch einen Rohrquerschnitt fließt. | | **Selbstreinigung** | Die Fähigkeit einer Rohrleitung, durch ausreichende Fließgeschwindigkeit Feststoffe mitzuspülen und Ablagerungen zu verhindern. | | **Sperrwasser** | Die Wassermenge, die im Bogen eines Siphons steht und als Geruchsbarriere dient. | | **Rückstauebene** | Die höchste Ebene, bis zu der das Wasser in der Kanalisation ansteigen kann. Meist die Höhe der Straßenoberkante. |
5. Das musst du wissen!
* Die Entwässerung in Gebäuden funktioniert hauptsächlich über die Schwerkraft (Freispiegelentwässerung). * Ein korrektes Gefälle (meist 1-2 %) ist entscheidend für die Funktion und Selbstreinigung von Abwasserleitungen. * Die Fließgeschwindigkeit des Wassers muss hoch genug sein, um Feststoffe mitzuspülen. * Ein Siphon nutzt eine Sperrwasserfüllung, um Kanalgase zu blockieren. * Fällt Abwasser unterhalb der Rückstauebene an, ist eine Hebeanlage zwingend erforderlich.
Aufgabenstellung (6 Aufgaben)
- Damit Abwasser in einer Leitung zuverlässig abfließt, muss diese mit einem stetigen ___ verlegt werden. Dieses wird in der SHK-Praxis meist in ___ angegeben.
- Ein Geruchsverschluss (Siphon) verhindert durch eine stehende Luftsäule das Eindringen von Kanalgasen in den Raum.
- Erläutere die Formel zur Berechnung des Volumenstroms und berechne den Volumenstrom Q̇ in Litern pro Sekunde (L/s). Die Formel für die Kreisfläche lautet A = π * r^2.
Eine Haupt-Abwasserleitung (DN 100) hat einen Innendurchmesser von 104 mm. Bei starkem Regen fließt das Wasser mit einer Geschwindigkeit von 0,9 m/s. Wir nehmen für die Berechnung an, dass das Rohr vollgefüllt ist.
- Ein Kollege schlägt vor, für den Anschluss einer einzelnen Küchenspüle eine Abwasserleitung mit einem sehr großen Durchmesser (DN 100 statt DN 50) zu verwenden, mit dem Argument „viel hilft viel, dann läuft es besser ab“. Erläutere den physikalischen Effekt, der hier tatsächlich auftritt.
- Die Fließgeschwindigkeit erhöht sich durch den größeren Querschnitt, was die Selbstreinigung verbessert.
- Der Druck im Rohr nimmt stark zu, was zu gurgelnden Geräuschen führt.
- Bei normaler Wassermenge sinkt in einem zu großen Rohr die Fließhöhe und damit auch die Fließgeschwindigkeit, was die Selbstreinigung stark verschlechtert.
- Der Rohrdurchmesser hat keinen Einfluss auf die Fließgeschwindigkeit, solange das Gefälle gleich bleibt.
- Ordne den typischen Problemen in einer Entwässerungsanlage die wahrscheinlichste physikalische Ursache zu.
- Gurgelnde Geräusche im Siphon
- Plötzlicher Rückstau bei Starkregen
- Siphon ist nach längerer Nichtbenutzung leer
- Beurteile, ob eine normale Entwässerung nur mit Gefälle hier möglich ist. Begründe deine Entscheidung physikalisch und nimm Stellung zu einer fachgerechten technischen Lösung für dieses Problem.
Ein Kunde möchte im Keller seines Hauses ein neues Bad mit WC und Dusche einrichten. Der Anschluss an das Hauptabwasserrohr der Straße befindet sich jedoch 50 cm oberhalb des geplanten Kellerfußbodens.