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Dietmar

FG-Meeresaquaristik Berlin-Brandenburg

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Mittwoch, 9. Oktober 2013, 18:43

Strömung im Aquarium

Closed Loop1

Eine gute Wasserbewegung im Aquarium gehört zu einer der wichtigsten Voraussetzung für eine erfolgreiche Tierpflege. Darum lege ich bei der Konzeption und Aufbau des Aquariums besonderen Augenmerk auf die sorgfältige und überlegte Umsetzung. Dafür ist ein Closed Loop bzw. geschlossener Ring hervorragend geeignet um ganz gezielt diese Vorstellungen umzusetzen. Wie man solch ein System in der Praxis umsetzen kann, möchte ich mit diesem Beitrag erläutern. Natürlich habe ich im Laufe der Zeit immer wieder Veränderungen und Anpassungen bei der Konstruktion vorgenommen um sie weiter zu optimieren.

Funktionsweise
Das Ringsystem bietet gegenüber Turbellen und Pumpen zur Wasserbewegung einige Vorteile, auf die ich zunächst eingehen möchte bevor ich die konkrete Beschreibung der technischen Umsetzung erläutere.
In einem geschlossenem Ring herrscht an jeder Position innerhalb des Rings der gleiche Druck- vergleichbar mit einem Autoreifen. Somit ist die Kraftübertragung die von der Pumpe ausgeht an jeder beliebigen Stelle des Ringes verfügbar. Die Wasseraustrittstellen können je nach Geometrie des Behälters und gerichtet zu den Tieren angeordnet werden. Das ist ein großer Vorteil gegenüber einzelnen Pumpen und Turbellen, die eine mehr oder weniger gerichtete Strömungskeule erzeugen; außerhalb dieser Keule ist die Wasserbewegung ungenügend. Mehrere Wasseraustrittstellen aus dem Ring ermöglichen diesen unangenehmen Effekt zu vermeiden und es gelingt bei einer Vielzahl an Ausströmern eine recht gleichmäßige und großvolumige Wasserbewegung aufzubauen. Strömungsringe lassen sich unsichtbar im Aquarium installieren. Im Bodengrund verborgen oder über der Wasseroberfläche montiert bleiben nur die kleinen und gut zu kaschierenden Ausströmer sichtbar. Das ist gegenüber Turbellen mit einem gewissen Volumen und Kleistaquarien mit begrenztem Volumen ein großer Vorteil. Eine Kombination zweier oder mehrerer solcher Ringe lässt zudem eine Vielzahl und variable Strömungsmuster entstehen, die mit punktuell arbeitenden Systemen so nicht möglich sind. Weiterhin lassen sich Ringsysteme kombinieren, so dass mittels dimmbarer Pumpen realistische Dünungsbewegungen und Überlagerungseffekte erzeugen lassen. Und ein ganz wichtiger Punkt ist die Brauchbarkeit bei Aquarien, die mit sehr feinem und hohem Sand dekoriert sind. Die Verschleppung und Verwirbelungen des Materials sind viel geringer als bei punktuell arbeitenden Systemen. Das ist von wesentlichem Vorteil für Tiere, die empfindlich auf Ablagerungen reagieren welche oftmals von Fischen vom Bodengrund bis in die oberen Teile der Wassersäule getragen werden. Besonders empfindliche Pflanzen wie zum Beispiel die Seegräser können mit kräftiger Wasserströmung so versorgt werden, dass sie nicht zerbrechen oder verheddern; Fische die sich bevorzugt in Schwärmen und großen Gruppen aufhalten kann man eine Wasserbewegung bieten, die ihren Bedürfnissen entgegenkommen.

Grundregeln
Ein Ringsystem mit hohem Wirkungsgrad bedarf einiger konstruktiver Voraussetzungen. Zunächst ist die Reibung des Wassers mit den Rohrwänden zu berücksichtigen. Eine große Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Rings sollte deshalb vermieden werden, dennoch sollte im Ring ein relativ hoher Druck aufgebaut werden. Das erreicht man durch den Einsatz großer Rohre, deren Profil keine Kanten aufweist. Knicke im Ring sollten vermieden werden. Hier benutzt man besser Bögen; Abzweige werden idealerweise als Y-Stücke ausgeführt. Das vermeidet weitestgehend Wirbelbildung und die damit verbundenen Verluste und ist zudem Geräusch mindernd. Die Geräuschkulisse im Aquarium wird mittels Montage auf Silenten und Silikonverklebungen wirksam begrenzt. Die gleiche Vorgehensweise trifft auf die Lagerung und Befestigung von Pumpen zu, die mittels Silikonschläuchen an das Ringsystem gekoppelt werden. Hier sollte
zusätzlich mittels einer Sandwich Montageplatte ein Schwingungsdämpfer als Grundplatte vorgesehen werden.


Bei der Geräuschkulisse im Aquarium hat nicht nur die Form der Flügelräder erheblichen Einfluss sondern hinsichtlich auf den Wirkungsgrad sollte hier etwas mehr Geld eingeplant werden. Das ist natürlich abhängig von der Größe der Anlage ob sich solche Investitionen rentieren. Ich werde noch einige Beispiele der konkreten technischen Umsetzung und verschiedene Varianten vorstellen. Wichtig erscheint noch dass Pumpen einen sehr großen Wassereinlass besitzen sollten bzw. das Verhältnis zwischen Saug- und Druckseite der Pumpe kann durchaus ungünstig sein. Kavitation und Geräuschbildung sind dann die Folge; man hat ständig feinste Luftblasen im Wasser. Die Wellen und Lagerungen der Pumpen unterliegen einem höheren Verschleiß.
Einen sehr wichtigen Punkt bei der Planung eines Strömungsringes möchte ich noch besonders herausstellen: Der Ausfall einer Pumpe kann ein gefährlicher Abfall des Redoxpotenzials des stagnierenden Wassers im Ring nach sich ziehen. Verursacht durch den Bewuchs von Organismen, die dann absterben wird bei wiedereinschalten dem Aquarium möglicherweise Schaden zugefügt. Pumpen sollten regelmäßig gewartet und gereinigt werden, daher ist für diesen Fall eine Lösung vorzusehen. Bei mehreren Ringen mit mehreren Pumpen betrieben, ist das recht einfach möglich wenn eine kleine Verbindung zwischen den Ringen besteht um eine minimale Wasserbewegung aufrecht zu erhalten. Nach meiner Erfahrung können einige Tage durchaus überbrückt werden. Eine Reservepumpe sollte aber auf jeden Fall bereit liegen. Sie darf durchaus mit geringerer Leistung und Fördermenge diese Zeit überbrücken. Wie schaut es aber bei Stromausfall aus? Auch hier stelle ich eine Lösung vor, die man in Betracht ziehen kann. Abhängig von der Größe des Aquariums, des Besatzes und der Häufigkeit von Störfällen ist auch dieser Punkt sorgfältig abzuwägen. Bei der Planung eines neuen Aquariums bietet sich das an; die heutigen elektronischen Steuerungssysteme lassen hier einige Dinge möglich werden. Es ist immer eine Frage des Aufwandes.

Umsetzung in einem Aquarium 120x40cm
Bei diesem Aquarium mussten besondere Voraussetzungen berücksichtigt werden. Der Bodengrund ist ein sehr feinkörniges Material und durfte nicht verdriftet werden, da auch Filtrierer im Aquarium gepflegt wurden. Ein weiteres Problem war die Anpassung von Fischen an Trocken- und Frostfutter sowie Experimente zu Einflüssen der Wasserbewegung auf das Schwimmverhalten von Fischen, die überwiegend in größeren Verbänden leben. Dieses Aquarium wurde im Verbund mit einem weiteren Aquarium betrieben und hatte die Funktion eines Refugiums. Für dieses Aquarium fertigte ich einen Ring mit den Abmaßen 70x40cm und 36 Wasseraustrittstellen.


Als Pumpe diente eine Powerhead 402. Der Ring wurde im Bodengrund installiert, die Wasseraustrittstellen mit einem Winkel von 30° in Richtung Wasseroberfläche gerichtet. Somit entstand eine zur Mitte hin aufsteigende rotierende Strömung mit feinen Verwirbelungen. Sie hielten das Frost- und Trockenfutter in Schwebe und sorgte gleichzeitig für Bewegung des Futters für einen lang anhaltenden Jagdtrieb der Fische. Die Filtrierer waren außerhalb des Strömungsringes angesiedelt und wurden dennoch ausreichend versorgt. Die Wasserbewegung war im Aquarium innerhalb des Ringes ausreichend. Es gab allerdings zwei Nachteile: Der Ring war nicht ausreichend fixiert, so dass beim Hantieren an der Pumpe der Ring nach und nach aus dem Bodengrund gehoben wurde und die Wasseraustrittstellen waren zu klein ausgelegt (3mm) so dass sie in recht kurzer Zeit mit Algenbewuchs nicht mehr funktionierten. Ein ständiges Eingreifen durch Aufbohren der Durchbrüche war erforderlich.
Sehr gut sind die sehr geringe Sanddrift sowie die kaum sichtbaren Wasseraustritte. Das Futter blieb ausreichend lange in Schwebe und innerhalb des Ringes konzentriert. Zudem war die Konstruktion nur mit wenig Kosten verbunden.

Umsetzung in zwei Kaltwasseraquarien
Auch in diesem Fall habe ich auf dieses System zurückgegriffen. Es wurden zwei Ringe in zwei Aquarien mittel einer Pumpe versorgt. Die Pumpe stand in einem dritten Behälter, der für die Wasserbehandlung vorgesehen war und in den das Wasser aus beiden Aquarien zulief. Die Aquarien hatten jeweils ein Volumen von 50 und 40 Litern; eins war als Sandaquarium konzipiert, das andere mit Substraten für Algen und Tangbewuchs.


Hier wurde allerdings weniger Wert auf Wirkungsgrad sondern auf Funktion gelegt. Die Wasseraustritte wurden durch kleine Rohrstücke ersetzt um die Probleme mit dem Algenwuchs zu minimieren. Man darf nicht vergessen, das Wasser war wirklich kalt und das Hantieren macht keinen Spass! Es war wichtiger das Futter in Schwebe zu halten und meine ersten Versuche Seegras zu kultivieren. Hier war es erforderlich eine großflächige, senkrecht aufsteigende Strömung zu erzeugen um das empfindliche Seegras nicht zu verheddern oder zu zerbrechen. Auf die gesamte Aquarienfläche wurden die Ausströmer so angeordnet, dass es zu einer nahezu laminaren Strömung kam. Teichfaden und Seegras wurden dadurch nicht zur Seite geneigt. Insgesamt lief diese Anlage etwa 2 Jahre ohne nennenswerte Störungen.

Ein größeres Kaltwasseraquarium 100x35x60cm
Als ich beschloss, die Kaltwasseraquaristik weiter auszubauen, kam auch eine veränderte Ausführung mit einem Ringsystem zum Einsatz. Hier bestand die Aufgabe darin ein Sandbett Aquarium mit hoher Auflage sowie einem Kaltwasser Riffabschnitt in einem Behälter zu kombinieren. Besonderer Wert wurde auf eine größere Fläche mit Seegras gelegt. Das Riff wurde mit groben Gestein auf einem Podest gebaut. Zwischen dem groben Gestein sollte eine Hinterspülung zum Abtrag der Sedimente und Futterreste sorgen. Als Pumpe wurde eine Aquabee 2000/1 gewählt, die hinter einer Blende so montiert wurde, dass sie zu Wartungszwecken mit einer Hand entnommen und wieder montiert werden konnte. Der Ring wurde abweichend von meinen ersten Plänen als Einzelring konzipiert und in das Sandbett verlegt. Für dieses Aquarium wurden nach einiger Betriebszeit allerdings zwei leistungsschwache Strömungspumpen für eine horizontale Wasserbewegung an der Oberfläche zusätzlich installiert. Insgesamt wurden die vorgesehenen Aufgaben der Hinterspülung und der Wasserströmung im Seegras befriedigend gelöst. Das Sandbett wird bis an die Unterkante der Tragplatte der Festsubstrate aufgefüllt.


Diese Variante eignet sich auch für eine Kultur von Algen wie Caulepa prolifera gut um deren Blätter eine gewünschte Ausrichtung zu geben. Die Hinterspülung des Riffs wurde mittels flexiblen Schläuchen verlegt und auf der Gerüstplatte fixiert. Der Vorteil ein Riff auf ein Gerüst zu stellen ist dass man darunter ein geschlossenes Sandbett hat, in dem das Eindringen von Sedimenten kaum möglich ist. Es gab in diesem Aquarium keine Ablagerungen im Riffaufbau und somit keine Stellen, wo der Bodengrund verdarb.

Ein Lagunenaquarium
Für mein großes tropisches Aquarium ist eine mehrfach Ringvariante vorgesehen. Ein Ring im Sandgrund mit schräg aufsteigender Strömung und ein zweiter Ring an der Wasseroberfläche mit schräg abfallender Strömung werden die gewünschte Wasserbewegung erzeugen. Für diese Variante werden zwei Pumpen benötigt, die mittels Controler gesteuert werden. Da die Prozessortechnik hervorragend geeignet ist neben Steuerungsaufgaben auch eine Überwachung zu ermöglichen, erhalten beide Ringe einen Drucksensor. Er hat die Aufgabe die richtige Funktion der Pumpen zu überwachen und Fehlfunktionen zu signalisieren. Beide Ringe erhalten zusätzlich eine Verbindung, so dass bei Ausfall einer Pumpe eine geringe Strömung in dem nicht versorgten Ring erhalten bleibt. Bei einem Stromausfall von länger als 3 Minuten werden die Pumpen etwa 2 Minuten Zeitverzögert anlaufen. In diesem Zeitraum erfolgt ein Absaugen des in den Rohren stehenden Wassers mittels Magnetventil und Schwerkraft in einen Auffangbehälter um kein abgestorbenes Material dem Aquarium zuzuführen. Beide Pumpen erhalten eine Drehzahlregelung um eine Dünungsbewegung großvolumig zu erzeugen, eine Reduzierung in den Nachtstunden und zusätzlich bei Bedarf bei der Fütterung. Die Ansteuerung der Pumpen erfolgt so, dass sich eine Niedrigstfrequenz mit überlagernden Zeiten ergibt. Als Pumpen benutze ich hier die Ocean Runner 3000. Das Ziel ist eine großvolumige, nahezu laminar gestaltete Strömung mit einer Dünungsbewegung zu erzeugen. Fische werden gezwungen bestimmte Schwimmverhalten einzunehmen, unbelebtes Futter wird in Schwebe gehalten. Man darf das ganze aber nicht mit der Schaukelbewegung vergleichen, die mit dem Equipment eines namhaften Herstellers möglich ist. In einem weiteren Beitrag werde ich konkret auf die Konstruktion dieser Anlage eingehen. Es müssen dafür die Geometrie des Aquariums und die Dekoration berücksichtigt werden, die ich hier mit dieser Zeichnung nur ungenügend darstellen kann. Leider ist der Bypass nur schlecht zu sehen an dem sich der Zwangsablass der beiden Ringe nach Stromausfall anschließt.


Bei den großen Pumpenleistungen ist die Entkopplung von Schwingungen ein wichtiger Bestandteil der Konstruktion. Bei meinem Neubau werde ich dafür eine Dämpfung vorsehen. Es entsteht durch das Flügelrad eine hochfrequente Schwingung mit unberechenbarer Amplitude. Neben oder in dem Ausgleichsbehälter wird der Drucksensor zur Überwachung der Pumpe vorgesehen. Er meldet die richtige Funktion an den Controler zurück. Ich dachte hier an einen pneumatischen Drucksensor. Der Ausgleichsbehälter muss dafür nicht kugelförmig sein, er funktioniert auch mit einem längeren Rohr, an dessen Ende der Sensor eingeklebt wird.

Die Wasseraustrittstellen des CL sollten alle den gleichen Durchmesser haben um Druckverluste zu vermeiden. Das macht bisweilen Probleme, wenn man für bestimmte Bereiche den Wasserstrahl entspannen muss oder mehr Volumen bewegt werden soll. Ich setze dafür kleine, kurze Ejektoren ein. Der mit hohen Druck durch die Düse eingetragene Wasserstrahl reißt im Ejektor das Wasser großvolumig mit.




Mit freundlichen Grüßen
Dietmar
Signatur von »Dietmar« FG Meeresaquaristik Berlin-Brandenburg

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