Welkom bij PUMP TALK

Hier vind u technische achtergrondartikelen en wetenswaardigheden over alles wat met industriële pompen te maken heeft. U kunt zelf ook zelf redactionele bijdragen leveren, stuur deze in naar info@pompforum.nl.

DE DRUKRICHTLIJN EN POMPEN - EEN TOELICHTING

De discussie op het pompforum, maar ook signalen uit de markt wijzen er op dat er nog onbekendheid met of onduidelijkheid over de drukrichtlijn bestaat, vooral in relatie met pompen.

Reden voor pompforum.nl om aan dit onderwerp aandacht te besteden. Wij beschrijven waarom de richtlijn in het leven is geroepen, wat de richtlijn inhoudt, welke uitzonderingen er zijn en wat de gevolgen zijn voor pompen en pompgerelateerde componenten.

De meeste richtlijnen die als basis veiligheid hebben, zijn bedoeld om het vrije verkeer van goederen en diensten binnen de Europese Unie te bevorderen. Het voorkomt, dat bijvoorbeeld een Italiaans product door Duitse afnemers wordt geweerd met als reden "de wettelijke bepalingen hier zijn anders" (een richtlijn heeft de status van wet!). Zo hebben we in 1995 de invoering gehad van de machinerichtlijn, een wet die eisen stelt aan bewegende machines.

Drukrichtlijn 97/23/EG:
Voor de drukrichtlijn die in 1997 van kracht is geworden, is dit niet anders. Ook bij deze
richtlijn gaat het om vrij handelsverkeer te bewerkstelligen. De basisvoorwaarde daarbij is dat de veiligheid van de apparatuur niet in het geding komt, en om dat te realiseren is een harmonisatie van EU-eisen nodig.

Overgangsperiode:
De drukrichtlijn is officieel op 29 mei 1997 aangenomen. In twee jaar tijd, dus uiterlijk 29 mei 1999, moest deze richtlijn in alle lidstaten geïmplementeerd zijn, om een half jaar later in werking te treden. Op dat moment, 29 november 1999, startte de overgangs-periode van 2,5 jaar, waarin het oude en nieuwe regime naast elkaar mochten bestaan. Vanaf 29 mei 2002 geldt alleen nog het nieuwe regime van de richtlijn.

Waarop is de drukrichtlijn van toepassing?
De richtlijn is van toepassing op alle apparatuur en samenstellen die gassen en/of vloeistoffen onder een druk van meer dan 0,5 bar overdruk bevatten. Om te voorkomen dat deze relatief lage ondergrens zou leiden tot onzinnige gevolgen, zijn er twee beperkingen: ten eerste is de richtlijn in veel gevallen alleen van kracht boven een bepaalde druk / volumewaarde, ten tweede geldt de richtlijn niet voor drukapparatuur met een flexibele wand. Belangrijk om te weten is verder dat deze richtlijn alléén geldt voor nieuwe installaties, waarin producten met CE-markering verwerkt moeten zijn. Verder is het zo dat, in afwijking van andere richtlijnen de CE markering op de afzonderlijke delen wordt vereist en niet op de totale installatie.

Categoriëen:
Zelfcertificatie is in de meeste gevallen mogelijk, net als bij machinerichtlijn. Binnen de richtlijn worden een aantal categorieën onderscheiden, afhankelijk van een aantal risicocriteria. Een fabrikant moet, volgens de in de richtlijn aangegeven methodiek, nagaan onder welke categorie 'zijn' apparatuur valt. Veiligheidsventielen bijvoorbeeld vallen altijd in de hoogste categorie (categorie IV) omdat hier een koppeling gemaakt wordt met het geheel wat het ventiel beveiligt.
De fabrikant kan ook zelf bepalen of hij kiest voor typekeuring en productie volgens een kwaliteitssurvey, of voor productiekeuring door een onafhankelijk instituut.
De categorieën verschillen niet in veiligheidseisen aan drukapparatuur, maar in controleregime, dat wordt strenger naarmate de categorie stijgt. Overigens wordt het gebruik niet Europees geregeld, maar overgelaten aan de lidstaten, omdat dit voor vaste installaties immers geen handelsbelemmering kan vormen. Er kunnen dus wél per land aanvullende eisen worden gesteld aan het gebruik (bijvoorbeeld vanuit milieu - oogpunt) maar niet aan de apparatuur.

Uitzonderingen:
Er bestaat een vrij uitgebreide reeks uitzonderingen op de drukrichtlijn, productgroepen die om verschillende redenen niet onder de richtlijn vallen. Het voert te ver om ze allemaal te noemen, wij beperken ons tot het noemen van slechts een aantal voorbeelden.
Niet onder het toepassingsgebied van de richtlijn vallen:

- Transportleidingen
- Apparatuur vallend onder de richtlijnen drukvaten van eenvoudige vorm (87/404/EEG),
  de richtlijn motorvoertuigen aan aanhangers daarvan (70/156/EEG), de richtlijn
  landbouw- of bosbouwtrekkers op wielen (74/150/EEG), de richtlijn betreffende
  Aerosols (75/324/EEG), de richtlijn twee- of driewielige motorvoertuigen (92/61/EEG).
- Apparatuur die ten hoogste vallen onder categorie 1 in artikel 9 van de richtlijn en
  tevens valt onder richtlijnen betreffende onderlinge afstemming van wetgeving
  betreffende elektrisch materiaal bestemd voor gebruik binnen bepaalde spannings-
  grenzen (73/23/EEG), machines (98/37/EG) of gastoestellen (90/396/EEG) of
  medische hulpmiddelen (93/42/EEG) of ATEX (94/9/EG) of liften (95/16/EG).
- Apparatuur speciaal ontworpen voor nucleair gebruik.
- Ruimschoots voldoende drukbestendige apparaten zoals motoren, turbines, stoom-
  machines, turbogeneratoren, compressoren, servomechanismen en.. pompen!
- Drukapparatuur met flexibele buitenwand zoals luchtbanden, opblaasboten, lucht-
  kussens etc.
- In- en uitlaatdempers.
- Radiatoren en buizen in systemen voor warmwaterverwarming.
- Vaten voor vloeistoffen waarin de gasdruk boven de vloeistof ten hoogste 0,5
  bar bedraagt.

Wat betekent de drukrichtlijn voor pompen?
In de drukrichtlijn zijn de pompen opgenomen in de lijst van uitzondering. Pompen hoeven dus niet te voldoen aan de drukrichtlijn 97/23/EG. Het is overigens niet zo dat alleen statisch belaste componenten moeten voldoen aan de drukrichtlijn. De reden waarom pompen uitgesloten zijn, is het feit dat druk één van de basis uitgangsposities van het ontwerp is. Bovendien vindt bij een pomp geen gelijke drukverdeling over de gehele behuizing plaats. Direct met de pomp verbonden componenten, zoals afsluiters, leidingwerk en eventuele pulsatiedempers, dienen weer wel aan de drukrichtlijn te voldoen.

Tot slot:
Verwar richtlijnen niet met normen. Normen kenmerken zich door een zekere vrijblijvendheid, maar kunnen wel dienen als basis voor de risicobeoordeling die noodzakelijk is voor de invulling van de eisen van de richtlijn.
Elke pomp dient te voldoen aan de machinerichtlijnen en minimaal te voorzien zijn van een IIB-verklaring en (tegenwoordig steeds vaker) een CE-verklaring (IIA).

Terwijl de drukrichtlijn nog niet eens alle betrokken partijen volledig duidelijk is, is de volgende richtlijn alweer in aantocht: in juli 2003 wordt de ATEX van kracht. Deze richtlijn stelt eisen aan de explosieveiligheid van machines. Pompfabrikanten zullen door deze richtlijn gedwongen worden alle facetten binnen het ontwerp van de pomp die tot explosiegevaarlijke situaties kunnen leiden te toetsen op confirmiteit aan de richtlijn.
Op de ATEX zullen wij zeker in het voorjaar van 2003 nog terugkomen.

Voor de pompforumbezoeker die meer wil weten over de drukrichtlijn 97/23/EG verwijzen wij naar de site van het Ministerie van SZW: www.minszw.nl op de pagina 'veilig werken' en vervolgens 'apparatuur'.

ELECTRONIFICATIE VAN POMPEN: TOENEMENDE ROL VAN ELECTRO IN WERKTUIGBOUWKUNDIGE 'WERELD'

Moderne technieken bieden steeds meer mogelijkheden om, vaak in combinatie met de computer, betere inzichten te krijgen in de prestaties, het uit te voeren onderhoud en het eventueel falen van machines. Ook aan pompen is deze ontwikkeling niet voorbijgegaan. Een pomp, die correct is afgestemd op de toepassing en binnen het werkgebied draait waarvoor hij is ontworpen, kan vele jaren goede diensten bewijzen. Onderhoud is in dit geval eenvoudig in te plannen en bij een eventueel defect zijn de gevolgschades meestal beperkt.

Helaas wijst de praktijk uit dat er, ondanks goede wil van zowel leverancier als gebruiker, vele pompen buiten het werkgebied, als bedoeld door de fabrikant, worden ingezet.
Veel gehoorde klachten zijn dan ook:

- overmatig trillen en productie van lawaai
- laag rendement/overbelasting van de aandrijving
- lekkages aan mechanical seals en pakkingen
- overmatige slijtage van alle pomponderdelen
- niet beantwoorden aan gewenste capaciteit en opvoerhoogte
- onderhoudsintervallen volgen te kort op elkaar.

Voor een goede analyse van de mogelijke oorzaken van bovenstaande problematiek is het belangrijk om te weten welke van de bovengenoemde parameters een rol spelen.
Bij een aantal van deze parameters is het relatief eenvoudig vast te stellen in hoeverre deze zich naar behoren ontwikkelen en ze waar nodig te verhelpen. Indien bijvoorbeeld het vermoeden bestaat dat een pomp te weinig opbrengst levert, is de combinatie van doorstroom- en manometer voldoende om te bepalen of de vermoedens juist zijn.

Het kritisch bekijken van de toe- en afvoercondities van de pomp en deze eventueel aanpassen volstaat in de meeste gevallen. De situatie kan echter ook aanzienlijk complexer liggen, indien het probleem wordt gevormd door het samenspel tussen twee of meer parameters of indien zich in de pomp verschijnselen voordoen die geheel aan oog en oor onttrokken blijven. In deze situaties zal de hulp van moderne elektronica onontbeerlijk zijn. Tevens zal het monitoren van relevante data van het pompbedrijf, de basis zijn om de onderhoudsplanning voor de toekomst op te baseren.

In de volgende alineas volgt een beschrijving van electronische meetmethodes, de conclusies die men hieruit mag trekken en de invloed van de meetwaarden op de onderhoudsplanning.

Vermogensmeting (bewaking):

Elke pomp neemt energie op om de vloeistof te verplaatsen. Dit opgenomen vermogen kan men verdelen in de hoeveelheid energie die nodig is om:
- de vloeistof te verplaatsen
- de verliezen die in de pomp optreden te compenseren

Het deel dat nodig is om de vloeistof te verplaatsen, is voor elke pomp gelijk, als zodanig natuurkundig bepaald. De verliezen in de pomp, uiteindelijk bepalend voor het rendement hiervan, verschillen sterk van uitvoering, werkingsprincipe en kwaliteit van het product. Doordat in bedrijf beide een vast gegeven zijn, althans op het werkpunt en toepassing waarop de pomp gekocht is, zullen veranderingen in het opgenomen vermogen maatgevend zijn voor een verschuiving van de parameters. Bijvoorbeeld: een centrifugaalpomp die ineens een viskeuzer product te verwerken krijgt, zal een toename in opgenomen vermogen te zien geven. Een zijkanaalwaaierpomp, die een toename in opvoerhoogte moet compenseren, gaat ook meer vermogen vragen. Een drieplunjerpomp die te maken krijgt met een hogere inlaatdruk laat een afname van vermogen zien. Ook inwendige slijtage aan roterende delen of andere mechanische problemen laat zich direct vertalen in vermogensverandering.

Bij de toepassing van een draaistroommotor wordt het opgenomen vermogen bepaald door (in formule): v3 x U x I x cos f. (waarbij U= spanning over de klemmen, I= gemeten stroom en cos f= arbeidsfactor). Door simpelweg de stroom te meten zou men de belasting van de pomp/motor-combinatie eenvoudig kunnen bepalen. In de praktijk is het zeer gangbaar dat motoren met een groter vermogen dan gecalculeerd worden gekozen als veiligheid. Doordat veelal in vermogensberekeningen ook al veiligheden worden ingebouwd, zal het uiteindelijk geïnstalleerde vermogen ver boven het opgenomen vermogen liggen. In eerste instantie lijkt dit positief, echter in de wetenschap dat zowel het rendement, als de arbeidsfactor (cos f) afnemen bij belasting kleiner dan 100%, neemt de uiteindelijke stroomopname niet lineair af. Gevolg hiervan is dat het ook lastiger word om een vermogingsmeting alleen op opgenomen stroom toe te passen. Om het opgenomen vermogen van pompen te meten kunnen we gebruik maken van een zogenaamd vermogensmeetrelais).
De meest gangbare vermogensmeetrelais hebben als basis:

- Stroom en arbeidsfaktor (cos f)
- Daling van spanning bij toename belasting (hoe klein ook) in combinatie met cos f meting.

Beide geven een goed beeld, zelfs bij kleinere motoren waar de opgenomen stroom stijgt naarmate de belasting daalt (door sprongsgewijzedaling van het rendement).

De meeste relais kennen twee instelwaarden: hoog, waarbij na overschrijding de motor wordt gestopt of alarm wordt gegeven, en laag, waarbij de ondergrens wordt bewaakt. De waarden kunnen door calculatie of, meer gangbaar, empirisch worden bepaald. Bij centrifugaalpompen wordt vaak gekozen als instelwaarde de beide werkpunten, die op de pompcurve niet over- of onderschreden mogen worden. Overschrijding (te veel rechts in de curve) kan leiden tot cavitatie of overbelasting van de motor. Teveel links in de curve kan bij asafdichtingsloze pompen een te lage circulatie kan tot gevolg hebben, of bij andere typen centrifugaalpompen temperatuurs-verhoging van de vloeistof.

Voor verdringerpompen past men vermogensbewakingrelais toe om de pomp (en wellicht het systeem) te behoeden voor een langdurig bedrijf bij een te hoge druk, effecten van viscositeit te detecteren en, ook van toepassing bij centrifugaalpompen, te bewaken tegen drooglopen.

Temperatuurmeting (bewaking):

Een van de oudste en waarschijnlijk meest gebruikte sensoren in een pomp is de temperatuur-meting. Uiteraard wordt deze nagenoeg altijd ingezet indien een stollingsgevoelig of polymeriserend product word verpompt. Maar ook buiten deze twee inzetgebieden kan een temperatuursensor van nut zijn. Elke pomp draagt in meer of mindere mate bij tot een temperatuurverhoging van de verpompte vloeistof. Dit leidt zelden tot problemen behalve bij een paar fragiele vloeistoffen. Temperatuurvoelers worden dan ook meestal niet gebruikt om, anders dan bij stollingsgevoelige producten, de vloeistoftemperatuur te meten. Zij worden ingebouwd om temperatuurverhoging door mechanisch contact tussen pomponderdelen te meten. Dit komt men vooral tegen bij asafdichtingsloze pompen. Bij droogloop of langdurig draaien tegen gesloten pers, constateert de sensor direct een forse temperatuurverhoging.

PT 100 elementen worden vaak ingebouwd voor een betrouwbare meting tussen de -80 en
+350 °C. In aandrijfmotoren ziet men regelmatig de inbouw van PTC elementen. Bij de opkomst van frequentiegeregelde pompsystemen dragen deze in het bijzonder bij tot het beschermen van de aandrijfmotor bij langdurig bedrijf op laag toerental. In specifieke gevallen (o.a. bij busmotor-pompen) worden klixon contacten, dit zijn bimetaal contacten met een vaste openings temperatuur, ingezet.

Trillingsmeting:

Steeds populairder is het gebruik van trillingsopnemers, die iets zeggen over de algehele "gesteldheid" van de pompset. Door het aanbrengen van vaste meetpunten op de componenten van een pompset kan de toestand van de desbetreffende apparatuur bewaakt worden. Veelal herhaalt men de meting met tussenpozen, om de meetwaarden in de tijd met elkaar te vergelijken en hier eventuele veranderingen in te constateren.
De fabrikanten van de apparatuur waarop gemeten wordt, geven de maximale waarden aan, zodat na overschrijding hiervan de noodzakelijke stappen kunnen worden genomen.
Voordeel van trillingsmeting is de eenvoudige wijze van meten en de mogelijkheid om ontwikkelingen in de tijd vast te kunnen leggen. Nadeel is dat er een grote kennis van het vakgebied trillingen nodig is om de status van de resultaten op juiste manier te kunnen interpreteren.

Meting van procesgegevens:

Ook het aantal metingen wat voor en na de pomp word uitgevoerd neemt de laatste jaren enorm toe. Variabelen zoals druk, doorstroming en temperatuur worden als standaard meetwaarden, in procesystemen opgenomen. Uiteraard zeggen de gemeten waarden iets over de toestand van de pomp. Nadeel van deze opstelling is wel dat het uiteindelijke doel van de meting niet het bewaken van de pomp is, maar het bewaken van de toestand van het systeem.
Ten tijde van een storing kunnen de meetwaarden indicatief zijn voor de beoordeling van de storing en de voorafgaande procescondities. Het past niet binnen het kader van dit artikel om alle (on-) mogelijkheden van de metingen te bespreken. Voor nadere informatie kunnen diverse leveranciers van deze apparatuur de geïnteresseerde verder helpen.

Metingen naar type/uitvoering pomp:

Steeds meer pompen worden voorzien van ingebouwde sensoren of anderssoortige opnemers. Soms omdat ze simpelweg nodig zijn voor de juiste werking van de pomp, soms om de toestand van de pomp te kunnen bewaken.

Een aantal voorbeelden van ingebouwde sensoren:

- Lagerbewaking: bij een aantal fabrikanten van busmotoren pompen is het mogelijk de toestand van de lagers te laten bewaken door opnemers. Dit is zowel mogelijk in elekrische uitvoering als op een mechanische basis. De mechanische uitvoering wordt gerealiseerd door een met stikstof gevulde houder die doorslijt als de rotor door axiale en/of radiale slijtage van positie verandert. De modernste uitvoeringen werken electronisch. Door middel van spoelen in rotor en stator of door magneetjes word de verplaatsing gemeten.


- Drukbewaking: op vele doseerpompen is het z.g. sandwich membraan-principe leverbaar. Hiermee kan ten tijde van een breuk in 1 van de membranen een melding worden gegenereerd. Het principe is eenvoudig: door twee membranen vlak op elkaar te drukken, ontstaat hiertussen een vacuüm. Bij breuk van één van de membranen, onstaat een opening en 'breekt' het vacuüm. Ofwel de procesdruk, ofwel de druk vanuit de aandrijving, zal uiteindelijk, via een doorschakeling een melding afgeven.

- Lekkagebewaking: Op kritieke pomponderdelen of in dedirecte nabijheid hiervan, kunnen lekkage-opnemers worden geplaatst. Meestal gebaseerd op geleiding, zorgen deze er voor dat bij contact met het product een melding wordt afgegeven. Op dezelfde wijze kan water in olie worden gedetecteerd, zoals dat gebeurt bij diverse typen verdringerpompen en lang-gekoppelde centrifugaalpompen.

-Rotorpositiebepaling: Bij asafdichtingsloze pompen is de rotor, die in de vloeistof draait, op glijlagers gelagerd. Deze maken het mogelijk dat een rotor zich axiaal kan bewegen al naar gelang de omstandigheden waarin de pomp in bedrijf is. Axiale balancering van de rotor/waaier-combinatie zorgt dat de beweging beperkt blijft. Tijdens abnormale bedrijfscondities, zoals draaien tegen gesloten pers en bij cavitatie, wordt de axiale balancering verstoord. De axiale lagering wordt dan aangesproken en het interne stromingsprofiel wordt verstoord. Complicaties zoals sterke temperatuursverhoging, slijtage van lagers en andere mechanische schades kunnen optreden. Door een positie van de rotor te meten en hier maximale waarden aan toe te kennen, kan tijdens abnormale bedrijfscondities de pomp worden afgeschakeld. De werking van de rotorpositiebepaling berust op een aantal electrische spoelen in de rotor en op een vaste positie in de behuizing. Het instructieveld wordt gemeten en direct beïnvloed door de afstand van de stationaire spoeler ten opzichte van de roterende spoeler.

In grote lijnen zijn hiermee een aantal mogelijkheden voor pompbewaking beschreven. Door de recente ontwikkelingen van electrotechnische systemen wordt het steeds eenvoudiger, betrouwbaarder en goedkoper om pompen hiermee uit te rusten. Zij nemen uiteraard de noodzaak tot preventief onderhoud niet weg, maar dragen in alle fasen van onderhoud (preventief, storingsgericht of als het 'kwaad' al is geschied) bij tot een juiste diagnose en tot lering voor de toekomst.




THERMISCHE EXPANSIEVATEN BESCHERMEN TEGEN LEIDINGBREUK

Drukvaten en vast leidingwerk zijn gewoonlijk door veiligheidstoestellen beschermd tegen excessieve drukstijging. Het ontbreken van deze veiligheidstoestellen kan leiden tot storingen met rampzalige gevolgen. Zelfs een minimale uitzetting van vloeistof door een drukstijging kan grote ongemakken veroorzaken, zoals het opnieuw inregelen van veiligheden of het vervangen van breekplaten. Een thermisch expansievat of drukvat op het leidingsysteem onderdrukt een snelle drukstijging en biedt extra veiligheid.

Indien een vloeistof opgesloten zit in een vast leidingsysteem, leidt een temperatuurverhoging direct tot een forse stijging van de druk omdat er geen mogelijkheid is tot expansie.
Het gevolg kan zijn een uitgedreven pakking, een gescheurde breekplaat, het openen van een veiligheidsventiel en in het ergste geval zelfs leidingbreuk.
De uitzettingscoëfficiënt hangt van de vloeistof af, maar zelfs een beperkte stijging van de temperatuur kan een significante volumestijging veroorzaken. Deze expansie kan naar een goed gedimensioneerd thermisch expansievat worden geleid dat de uitgezette vloeistof opneemt en daarmee elasticiteit geven aan een anders vast leidingwerk . Het leidinggedeelte staat wel bloot aan een drukstijging, maar die is begrensd door een vooraf bepaald maximum dat uiteraard onder de openingsdruk van een breekplaat of veiligheid ligt. Het thermische expansievat brengt feitelijk rek in het systeem.

De constructie:

De drukvaten zijn inzetbaar bij diverse toepassingen. Ze kunnen werken als thermische expansievaten, als pulsatiedemper in combinatie met verdringerpompen of als waterslagdemper ten behoeve van de eliminatie van hydraulische drukpieken.
In principe is het expansievat een extra drukvat dat direct op het leidingwerk wordt gemonteerd. Het kan in diverse vormen, maten en ontwerpen worden uitgevoerd. Voor alle modellen geldt dat een flexibel element de scheiding vormt tussen het product en een hoeveelheid stikstof op een vooraf bepaalde druk. De meest toegepaste materialen zijn koolstofstaal en roestvaststaal en speciale legeringen of kunststoffen bij agressieve producten.
Ongeacht de afmetingen of de geometrie van het vat zijn alle modellen ontworpen volgens de nationale drukvatencode zoals Stoomwezen, de geldende drukrichtlijnen of de klantspecificatie zoals ASME en TÜV.
Het scheidingsmembraan kan van veel verschillende materialen worden vervaardigd. Veel gebruikte materialen zijn elastomeren zoals Buna, EPDM of Viton, dit mede gezien de relatief lage kosten en de eenvoudige vorm. Teflon scheidingsmembranen zijn daarentegen gevormd tot schijven of balgen. Metalen balgen zijn eveneens mogelijk wanneer er sprake is van zeer hoge temperaturen of drukken.

Voorspelling van drukstijgingen

Uitgangspunt is dat vloeistoffen niet of nauwelijks samendrukbaar zijn. Indien een leiding volledig is gevuld met vloeistof en aan beide zijden is afgesloten, zal iedere expansie leiden tot een drukstijging.
De volgende methode is te gebruiken om de omvang van deze drukstijging te voorspellen.
We veronderstellen dat het leidingsysteem een totale inhoud heeft van 400 liter en een gasbel van 4,04 liter. De initiële druk is 1 bar. De vloeistof gaat door opwarming 1% expanderen, dus slechts 4 liter. Als gevolg hiervan vermindert het volume van het gas tot 0,04 liter.
Voor de bepaling van de uiteindelijke systeemdruk gaan we uit van een ideaal gas. De vloeistof zal de compressiewarmte absorberen, dus er is sprake van een constante temperatuur.
(voor toelichting afkortingen - zie tabel)

P1 =1,0 bar P2 = P1 x Vb1 / Vb2 = 101 bar

Deze hoge druk blijft niet lang in het systeem gehandhaafd. Een veiligheid opent of er treedt schade op aan het leidingwerk.

Calculatie van de juiste inhoud

Het thermische expansievat vormt een ruimte om de geëxpandeerde hoeveelheid product op te slaan. Beide zijden (vloeistof en stikstof) van het expansievat laten een drukstijging zien, echter niet in dezelfde mate als in bovenstaand voorbeeld. Er wordt een veel groter gasvolume gebruikt, zodat de uiteindelijke druk veel lager zal zijn en dus beneden de ontwerpdruk van het systeem uitkomt.
Bij toepassingen van drukken lager dan 20 bar zal het gebruikmaken van de gaswet gebaseerd op ideale gassen acceptabel zijn. Hieronder volgen de stappen ter bepaling van het juiste volume van het expansievat.

1. Bepaal het opgesloten of initieel volume van het systeem,V1
    Bereken V1 als de som van de individuele leidingsegmenten en de eventuele vaten die deel     uitmaken van de ingesloten sectie.

2. Bereken het dimensieloze getal bepalend voor de dichtheden van de vloeistoffen. Deel
    hoogste dichtheid, ρ1, bepaald door de laagste temperatuur, door de laagste dichtheid,     ρ2, bepaald door de hoogste temperatuur. Indien de gekozen vloeistof inkrimpt in plaats     van uitzet, geldt de inverse relatie.
    S= (ρ1/ρ2)

3. Om het geëxpandeerde volume te bepalen is de eenvoudige calculatie:
    V2=S x V1

4. Het verschil tussen deze twee volumes is de hoeveelheid vloeistof die uiteindelijk in het     thermisch expansievat dient te worden opgenomen.
    Vexp = V2 -V1

5. Selecteer een expansievat met deze inhoud of bij voorkeur een maat groter zoals in de     catalogus van de fabrikant is weergegeven.

6. De ontwerpcriteria van het geselecteerde expansievat moeten binnen de ontwerpcriteria van     het systeem vallen.

Voorbeeld:

Deze calculatie wordt het eenvoudigst verduidelijkt aan de hand van een voorbeeld.
Soortgelijke calculaties zijn uitgevoerd om de inhoud van een thermisch expansievat voor ethyleen-oxide te bepalen. Het voorbeeld is enigszins vereenvoudigd tot twee leidingsegmenten en een expansievat.
De resultaten staan in tabel 1.

Bepaal nu het volume dat na het inblokken is achtergebleven. De volgende formule bevat de omzetting van de beschikbare leidingdiameters en lengtes naar de inhoud in liters.

V = (π.d².L1)/4 + (π.d².L1)/4 = π.7,797².104/10³ /4 + π.5,258².0,85.104/10³ /4

Bepaal de verhouding tussen de dichtheden bij maximale en minimale temperatuur
S= 1,608 / 1,564 = 1,028

Bepaling van het geëxpandeerde volume
V²= S x V1 = 680,5 dm³
Vexp = V² - V1 =18,5 dm³

Maak een initiële keuze voor het expansievat dat het dichtst bij de betreffende inhoud ligt. Het zal regelmatig voorkomen dat de selectie een aantal malen herhaald moet worden om de meest geschikte keuze te maken. In dit voorbeeld kiezen we uiteindelijk een inhoud van 100 liter.
Thermische expansievaten worden voorgevuld met stikstof, waarvan de druk enigszins hoger ligt dan de druk in het systeem. Neem hiervoor de druk die geldt bij de laagste temperatuur, dus in dit specifieke voorbeeld 10°C.
De temperatuur van het gas in het droge gedeelte zal de drukstijging beïnvloeden.
Pn= 10,2 bar Va=100 lit. T1=273 + 10 = 283K
Voorvuldruk= Pv - 10,3 bar

Indien het voorvullen bij een omgevingstemperatuur van 20°C heeft plaatsgevonden, wordt op het certificaat vermeld:
Pf = Ppc (273 + 20) / 283 = 10,664 bar

Het expansievolume zal een gedeelte van het totale volume innemen:

Vmin = Va - Vexp= 100 - 18,5 = 81,5 dm³

Vervolgens wordt de druk bij de maximale temperatuur berekend:

P2 =(Ppc .Va . T2) / (Vmin . T1) = (10,3 . 100 . 303) / (81,5.283) = 13,53 bar

Aangezien deze druk lager is dan de ontwerpdruk van het 100 liter expansievat is de keuze van dit type dus de juiste geweest.

Een andere methode om het juiste type te bepalen is het volume te berekenen en na te gaan of dit toereikend is om de maximale systeemdruk niet te overschrijden.

Vmin =(Ppc .Va . T2) / (T1 . Pmax) = (10,3 . 100 . 303) / (283 . 16,6) = 66,4 dm³

Theoretisch is dus een netto volume van 66 liter toereikend voor deze toepassing, echter 50 en 100 liter uitvoeringen zijn standaardmaten. De keuze valt op 100 liter.

Het laatste aspect om rekening mee te houden is het temperatuurbereik. In het voorbeeld is er voldoende volume ter beschikking om de temperatuur verder te laten oplopen. Echter hoeveel? De dichtheden van de vloeistof zijn berekend door middel van lineaire extrapolatie. Het leidingsysteem heeft een inhoud van 662 dm³. Het beste is om exacte waarden te gebruiken.

Voor een temperatuur van 60°C met een dichtheid van 1498 kg/m³ geldt de volgende berekening:

S = 1,608 / 1,498 = 1,073

V2 = 1,073 x 662 = 710,6 dm³

Vexp = 710,6 - 662 = 48,6 dm³

P2 = (10,3 x 100 x 333) / (283 x 51,4) = 23,6 bar

Hier komen we uit boven het toegestane maximum.

Stel de temperatuur is 40°C en de dichtheid 1542 kg/dm³, dan geldt de volgende berekening:

S = 1,608 / 1,542 = 1,043

V2 = 1,043 x 661,6 = 690,5 dm³

Vexp = 690,5 - 662 = 28,5 dm³

P2 = (10,3 x 100 x 313) / (283 x 71,5) = 15,9 bar

Deze uitkomst ligt binnen het toegestane bereik. Door de calculatie enige malen te herhalen zal de maximale temperatuur bereikt worden bij 43°C bij 16,2 bar.

Met bovenstaande toelichting en rekenvoorbeeld heeft u inzicht gekregen in hoe een relatief simpele oplossing kan bijdragen in de betrouwbaarheid en veiligheid van systemen.

Bijlagen:

* De voorvuldruk dient iets boven Pn te liggen bij de laagste temperatuur
** Deze waarden zijn door de gebruiker bepaald.

------
Tabel I Berekeningen

-----
Tabel II Extrapolatie van de dichtheid

-----
Tabel III Gebruikte symbolen


NPSH IN THEORIE EN PRAKTIJK

Eén van de meeste besproken onderwerpen in de pomptechniek is ongetwijfeld NPSH (net positive suction head), netto positieve zuighoogte in het Nederlands. Niet ten onrechte, want de meeste schade/storingen treden op als gevolg van een verkeerde berekening van NPSH.

De NPSH-beschikbaar is een maat voor de druk die beschikbaar is aan de zuigzijde van de pomp. Een juiste berekening van deze waarde is belangrijk om te voorkomen dat de vloeistof overgaat in dampvorm, met alle schades die daar vaak uit resulteren. Deze schades kunnen bestaan uit hydraulische gevolgen, zoals reductie in capaciteit/opvoerhoogte en mechanische schade aan de pomp.

De NPSH benodigd geeft het intrededrukverlies aan (drukverlies vanaf de intrede van de vloeistof in de pomp tot aan het punt van de laagste druk in de pomp).

Voor een goed ontwerp van een leidingssyteem èn de uiteindelijke goede werking van een pomp, kunnen we niet om NPSH heen. In de praktijk bestaat nog redelijk wat onbegrip over NPSH.
Binnen deze Pump Talk wordt getracht zowel de praktische als theoretische kanten van NPSH te verduidelijken, waar nodig met wiskundige onderbouwing. Tevens wordt de relatie met cavitatie besproken en een calculatie van een praktijkvoorbeeld uitgewerkt.

Cavitatie en NPSH:

Er worden per jaar aanzienlijke bedragen uitgetrokken voor de reparatie van centrifugaal- en verdringerpompen met schade die het gevolg is van cavitatie.
Cavitatie wordt meestal omschreven als het ontstaan van dampbellen in de waaier met twee belangrijke gevolgen:

1.    er ontstaan drukstoten die het materiaal beschadigen
2.    de opbrengst van de pomp gaat achteruit omdat de damp meer ruimte inneemt dan de vloeistof
       zelf.

Zolang de NPSH-beschikbaar > NPSH-benodigd treedt cavitatie in principe niet op. Helaas is het niet altijd zo zwart-wit als in deze stelregel.

Een verklaring geven voor het optreden van cavitatie is lastig omdat het optreedt in een zeer korte periode , op een zeer klein oppervlakte ( ) en met een zeer hoge druk (1.000 tot 10.000 bar). Daarbij komt nog de hoge frequentie (ca. 2500 Hz).

De wet van Bernoulli verschaft ons meer inzicht, deze luidt: In een stationaire flow van een ideale vloeistof in een homogene omgeving is de som van alle energieën altijd constant.

In formule:

H = potentiële energie   V = snelheid       Z = statische hoogte

In het geval de vloeistof zich in een horizontaal vlak verplaatst zal de Z dus vervallen en krijgen we:

Uit deze formule volgt dat als de interne druk H daalt, de snelheid van de vloeistof moet stijgen. De natuurkundige limiet wordt uiteindelijk bepaald door de dampdruk van de vloeistof, die hoofdzakelijk zal afhangen van de temperatuur. Als de druk beneden deze dampdruk komt, in ieder punt binnen de vloeistof, vormen er zich dampbellen. De dampbellen worden door de vloeistof verplaatst naar een positie met lagere snelheid en dus een hogere druk. De implosie van deze dampbellen gaat gepaard met zeer grote krachten in een kort tijdsbestek, wat bovendien een zeer klein oppervlak bestrijkt.

Het resultaat van deze krachten is dat het pomponderdeel telkens belast wordt met wisselende krachten, hetgeen kan leiden tot vermoeidheidsverschijnselen en breuken. Het vormen en uiteindelijk imploderen van dampbellen wordt cavitatie genoemd.

Voorbeeld van een door cavitatie aangetaste waaier

Cavitatie manifesteert zich eerst als kleine putjes in het metaaloppervlakte. Bij het voortdurend bedrijf onder cavitatieomstandigheden verandert het gehele oppervlak in een 'maanlandschap'. Cavitatie neemt toe naarmate het oppervlak ruwer wordt en van cavitatie wordt een oppervlak ruw, een zichzelf versterkend proces dus, met als eindresultaat dat hele stukken materiaal zullen verdwijnen en er gaten en scheuren ontstaan.

Berekening van beschikbare NPSH:

Aan de hand van een ladderdiagram, zoals hieronder afgebeeld, is eenvoudig te berekenen of de beschikbare NPSH (NPSHa) boven de benodigde NPSH (NPSHr) ligt. Onder aan dit artikel is een volledig uitgewerkt voorbeeld opgenomen van hoe NPSH berekend kan worden.

NPSH-waarde bij centrifugaal pompen:

De toeloopdruk, het toerental van de waaier en de toeloopcondities zijn vooral bepalend voor het ontstaan van cavitatie bij centrifugaalpompen. Ook de plaats van het werkpunt op de pompcurve is bepalend voor het wel of niet ontstaan van cavitatie.

Hoewel cavitatie in de werkomgeving van de pomp vaak slecht waarneembaar is, geven we toch een paar signalen waarbij de waarnemer bedacht moet zijn op cavitatie:

•  Auditieve vaststelling van de gevolgen van NPSH  aanvang van de ruis (akoestisch): het geoefend oor kan dit typische ruisen, later gevolgd door “geknetter” waarnemen. Overigens ook goed meetbaar.
  
  
• Visuele vaststelling van begincavitatie: alleen toepasbaar in laboratoria door speciaal leidingwerk en stroboscooplamp.
  
  
• Terugvallen van de totale opvoerhoogte: door de ruime aanwezigheid van damp in de pomp komt de centrifugale werking in het geding. Hierdoor neemt de opvoerhoogte af, duidelijk herkenbaar aan een onrustige manometer, en zal de capaciteit teruglopen.
  
  
• Afname van materiaal: bij voortzetting van het bedrijf zonder de oorzaken van de cavitatie weg te nemen zal er schade aan de pomp optreden. Deze is duidelijk herkenbaar aan het al eerder genoemde optreden van putten en het uiteindelijke ''maanlandschap''.
  
  

Deze grafiek toont duidelijk welke effecten er in welke cavitatiefase optreden. We kunnen hieruit opmaken dat naarmate de cavitatie toeneemt de ruis en de materiaalafname afneemt. Uit alle aspecten is vermeerderde cavitatie te signaleren.

NPSH waarde bij verdringerpompen:

De kenmerken van cavitatie en de symptomen hiervan, zijn bij verdringerpompen niet wezenlijk anders dan bij centrifugaalpompen.
Bij verdringerpompen spelen een aantal extra aspecten in de benadering van het probleem.
De benodigde NPSH ligt bij bijna alle verdringerpompen ruim boven de kentallen van centrifugaalpompen, door de constructieve details in en om de verdringerpomp.
Bij verdringerpompen maken we het onderscheid tussen de roterende pompen en de reciprocerende (op en neer gaande) pompen. Bij het eerste type verloopt de NPSH calculatie in grote lijnen gelijk aan die bij centrifugaalpompen. Bij reciprocerende pompen moet echter ook rekening gehouden worden met acceleratie en deacceleratie, drukstoten en weerstand in de kleppen, die effect hebben op de aanzuigcondities van de pomp. Veelal is een pulsatiedemper in de zuig noodzakelijk. Voor laagtoerige plunjer-, plunjermembraan- of doseerpompen is het raadzaam de NPSHa calculatie in samenwerking met de leverancier uit te voeren. Het voert te ver om in deze Pump Talk de vele verschillende NPSH calculaties voor alle typen verdringerpompen te omschrijven.

Tot slot:

De netto positieve zuighoogte is een begrip in de wereld van pompen. Het goed functioneren van een pomp hangt mede af van de juistheid van de keuze van pomp en systeem met betrekking tot de NPSH. Door de schadelijke gevolgen van cavitatie blijven de capaciteit en opvoerhoogte achter bij de verwachtingen, en leiden veelvuldig onderhoud en reparatie tot nogal wat ergernis.

In deze Pump Talk zijn de hoofdaspecten van NPSH aan de orde gekomen er is een calculatie-methode besproken. Deze informatie is toereikend om het merendeel van de pomptoepassingen juist uit te leggen. Uiteraard is de achterliggende theorie veel uitgebreider en completer dan hier aangegeven, in specifieke gevallen dienen dan ook meer verfijnde calculaties toegepast te worden.

Uw reacties op dit artikel zijn vanzelfsprekend welkom op info@pompforum.nl.

Bijlage: Praktijkvoorbeeld van een NPSH berekening:

VOORBEELD CALCULATIE BEPALING NPSH

Het is wenselijk om in de praktijk altijd een NPSH benodigd berekening uit te voeren. Bij een groot verschil tussen de benodigde en de beschikbare NPSH kan een nauwkeurige berekening achterwege blijven. Dit verschil dient dan wel groter dan 1 meter vloeistofkolom te zijn. Als dit niet het geval is zal ook aanpassing van het leidingwerk voor de pomp of de procescondities nader beschouwd te worden.

Aan de hand van het volgende voorbeeld word de NPSH beschikbaar op eenvoudige wijze bepaald. De opstelling is als volgt:

De volgende proces gegevens zijn van toepassing:

Product: warm water

Viscositeit: 1,0 cP                                                 Dichtheid: 978 kg/m³

Temperatuur: 62 °C                                                Dampspanning: 0,26 barA @ 62°C

Capaciteit: 27 m³/h                                                Verschilhoogte: 60 mvk

Aan de hand van deze gegevens valt de keuze op een chemienorm pomp type 40-250

Uit de curve valt tevens de waaierdiameter ø 220 mm en de NPSHR van 2,6 mvk te halen.

V=  vloeistofsnelheid in leiding (m/s)                        d= inwendige leiding diameter (m)

Q = Capaciteit door de leiding (m³/h)

De snelheid in het zuigleiding-gedeelte ligt tussen 1 en 1,5 m/s en voldoet dus aan de algemeen geldende norm.

Vervolgens zal er bepaald moeten worden of er een laminaire of turbulente stroming in de zuigleiding optreed in verband met de leidingverliezen.

Hiervoor word het zogenaamde Reynolds getal vastgesteld.

Dit kunnen we nu in de formule ter bepaling van het Reynolds getal invullen.

 
Doordat het Reynoldsgetal > 2320 is duidelijk dat we hier met een turbulente stroming te maken hebben. Om nu de leidingverliezen te kunnen bepalen zal eerst het wrijvingsgetal l moeten worden bepaald. Hiertoe gebruiken we de formule:

De wandruwheid van het in dit voorbeeld gekozen RVS buismateriaal bedraagt 0,05 mm

Na de verliezen in het rechte gedeelte van de leiding te hebben bepaald dienen nog de verliezen in de appendages te worden uitgerekend. Dit gebeurt door de weerstandsfactor over het betreffende appendage in de volgende formule in te vullen:

De factor x van de appendages is proefondervindelijk bepaald en word in tabellen gespecificeerd. In elk handboek zijn ze te vinden tot in elk detail gespecificeerd.

In ons voorbeeld krijgen we dus:

Hdyn leiding                                                               0,272 m       

 voor de bochten 0,074 m

 voor de afsluiters  0,316 m

Hdyn voor het filter word aangenomen 3,50   m

Totaal  4,162 m

We beschikken nu over voldoende parameters om de NPSH calculatie te gaan uitvoeren.

* Indien er sprake is van een aanzuighoogte dient een negatief getal in de calculatie te worden opgenomen

** Met de formule P = r . g . h       P (Pa) r (kg/m³)  g (m/s²)  h (m)  kan eenvoudig druk naar meters vloeistofkolom worden omgerekend

Uit de tabel blijkt dat er 15,5 m ten gunste werkt en dat er 9,57 m minimaal noodzakelijk is. Het verschil hiervan, te weten 5,93 m, is de veiligheidsmarge die we in deze toepassing hebben. Voldoende om de gekozen pomp probleemloos in bedrijf te nemen.