Home » Cavitatie: oorzaken en oplossingen
Het klinkt als rollende knikkers in het systeem maar is waarschijnlijk cavitatie. En waar de medische wereld het gebruikt om nierstenen te vergruizen, wordt een pomp er niet blij van. Het fenomeen veroorzaakt schade aan pompwaaier, lagers en zelfs het pomphuis.
Zo’n twintig jaar geleden vormde de oplossing ‘een paar extra gaten in de waaier’. Maar zo simpel is het niet. In dit artikel lees je wat de mogelijke oorzaken zijn van cavitatie en hoe je deze problemen kunt oplossen.
Putvormige kraters op de waaierschoepen of het huis? Drukschommelingen die zichtbaar zijn op de manometer? Onverklaarbare drukschommelingen in de persleiding? Overmatig trillen? Dan zal het wel cavitatie zijn….
Technisch gezien impliceert cavitatie het verschijnsel dat in een turbulent bewegende vloeistof de Waterdampbellen Cavitatie draait dus om vorming en vernietiging van waterdampbellen in een (kokende) vloeistof terwijl het door de pomp beweegt. Als de interne druk daalt, moet de snelheid van de vloeistof stijgen (wet van Bernoulli). 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, vormen er zich in ieder punt binnen de vloeistof 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. Bij hogere temperatuur neemt de kans op cavitatie toe. Bij hogere druk neemt die kans juist af omdat de dampbellen dan worden dichtgedrukt. Toch kan ook bij hogere druk cavitatie in leidingsystemen ontstaan. Bijvoorbeeld in kleppen en achter obstakels, bramen, enzovoort. Hierbij speelt de lokale vloeistofsnelheid en de vorm van het obstakel een rol. Zuigzijde of afvoerzijde van de pomp Bij NPSH of cavitatie gaat het voornamelijk over de zuigzijde van de pomp. Aan de drukzijde is meestal voldoende druk voorhanden om dampvorming te voorkomen. Voor een goede werking van de pomp moet NPSHa > NPSHr (zie latere uitleg). In de praktijk geldt een verschil van ongeveer 0,5 mvk of hoger om cavitatieproblemen op een bepaald werkingspunt te vermijden. Zuigcavitatie treedt op wanneer de pompaanzuiging onder een lage druk/hoge vacuümtoestand de vloeistof verandert in een damp bij het oog van de pompwaaier. Deze damp wordt overgebracht naar de perszijde van de pomp waar geen vacuüm meer zit en door de persdruk weer in een vloeistof wordt samengeperst. Naast een onvoldoende NPSHa kan de oorzaak liggen in verstopte filters, verstopping van de leidingen aan de aanzuigzijde, een slecht ontwerp van de leidingen of een pomp die te ver rechts op de pompcurve loopt. Er kan overigens wel ontladingcavitatie of afvoercavitatie optreden wanneer de afvoerdruk van de pomp extreem hoog is. Dat komt normaal gesproken voor in een pomp die op minder dan 10 procent van het hoogste efficiëntiepunt draait. De hoge persdruk zorgt ervoor dat het merendeel van de vloeistof in de pomp circuleert in plaats van uitstroomt. Omdat de vloeistof rond de waaier stroomt, moet deze met een extreem hoge stroomsnelheid door de kleine speling tussen de waaier en het pomphuis gaan. Deze stroomsnelheid zorgt ervoor dat er een vacuüm ontstaat aan de behuizingswand, vergelijk het met een venturi waardoor de vloeistof in een damp verandert. Dit manifesteert zich in slijtage van de uiteinden van de waaierschoepen en het pomphuis. De hoge druk kan ook een voortijdige uitval van de mechanische afdichting en lagers van de pomp veroorzaken. En onder extreme resulteert dat in een gebroken waaieras. Minimale druk Om cavitatie te voorkomen, moet er dus een minimale druk aanwezig zijn aan de zuigopening. Deze zogenaamde beschikbare netto positieve aanzuighoogte (NPSHa) voorkomt dat de vloeistof gaat koken of verdampen. De aangelegde druk bij de aanzuigopening moet altijd hoger zijn dan de dampdruk van de vloeistof bij een bepaalde temperatuur van het medium. Bij cavitatie in de pomp kan de regelklep aan de drukzijde worden geknepen om het debiet en daarbij de benodigde NPSH-waarde te verlagen. Het resterende debiet dient daarbij hoog genoeg te blijven om de pomp voldoende te koelen en te smeren. Met een zo goed mogelijk hydrodynamisch ontwerp streven ontwerpers er vaak naar cavitatie te beperken. Maar voorkomen is natuurlijk altijd beter dan genezen. Dus de pomp ‘voldoende’ vullen en het ontwerp laten voldoen aan NPSHa > NPSHr. En de pompselectie moet worden gebaseerd op de verwachte werkomstandigheden! Ook af en toe herijken omdat die omstandigheden veranderen. Vier mogelijke oorzaken waardoor NPSHa < NPSH Te hoog toerental Te kleine toeloopleiding Te hoge dampdruk Te lage druk in het toeloopvat NPSHa = de voordruk van de pomp (available= beschikbaar) en NPSHr= de dampspanning van de pomp (required= benodigd). Hierbij dient de NPSHa-waarde minimaal 1 mWk hoger te zijn dan de NPSHr-waarde. Obstakels die de flow beïnvloeden De gebruiker kan de statische druk berekenen maar de druk voor de waaier niet. Omdat bij binnentreding via de zuigflens er op weg naar de waaier nog enige drukval zal plaatsvinden. Dat komt onder andere door botsingen met de wanden, botsingen met de waaier, wrijving, vernauwing in de pomp, enz… Maar er kunnen ook nog allerlei obstakels zijn die de stroomverdeling naar de waaier negatief beïnvloeden. Zoals bijvoorbeeld een nauw gekoppelde elleboog op de inlaatflens. Dat kan komen door beperkingen in de ruimte en de indeling van apparatuur. Bij een pomp met dubbele aanzuiging die is vastgemaakt aan een nauw gekoppelde elleboog, is de stroomverdeling ongelijk en meer gekanaliseerd naar de buitenkant van de elleboog. Daardoor ontvangt één zijde van de dubbelaanzuigende waaier meer stroming bij een hogere stroomsnelheid en druk. De andere kant krijgt een turbulente en potentieel schadelijke stroming. Dit verslechtert de algehele pompprestaties (geleverde opvoerhoogte, debiet en stroomverbruik) en veroorzaakt axiale onbalans die de levensduur van de afdichting, lager en waaier verkort. Regelkleppen Ook regelkleppen fungeren als obstakel. Als bijvoorbeeld de werkelijke drukval over de klep, zoals gedefinieerd door de stroomopwaartse en stroomafwaartse drukken in het systeem, groter is dan de dimensioneringsberekeningen toelaten, krijg je drukval of cavitatie. De verandering van een vloeibare toestand naar een damptoestand is het gevolg van de toename van de stroomsnelheid. Een constante vloeistofstroom vraagt om een grootste stroomsnelheid bij het punt waar het dwarsdoorsnedegebied het kleinst is. Als de hier druk < dampdruk van de vloeistof ontstaan bellen in het stromingspatroon. De toename van de stroomsnelheid gaat gepaard met een aanzienlijke afname van de vloeistofdruk die gedeeltelijk stroomafwaarts wordt hersteld naarmate het oppervlak toeneemt en de stroomsnelheid afneemt. Als de druk zich na de klep herstelt tot druk > dampdruk dan zullen de dampbellen inzakken en ontstaat cavitatie. Afvoerkanalen Wanneer water over een damoverlaat stroomt, zullen de onregelmatigheden op het overlaatoppervlak kleine gebieden van stroomscheiding veroorzaken in een snelle stroming. Dat resulteert in een drukverlaging. Als de stroomsnelheden hoog genoeg zijn, wordt druk < lokale dampdruk van het water en ontstaan dampbellen. Stroomafwaarts in het hogedrukgebied klappen de bellen in hetgeen resulteert in hoge drukken en mogelijke cavitatieschade. Verplaatsing van een klep naar een deel van de leiding waar de druk hoger is, kan een oplossing bieden. Ook drukvalreductie per klep door het plaatsen van meerdere kleppen in serie valt te overwegen of ander klepmateriaal zoals keramiek. Druk en materiaal om motorschade te beperken Sommige grotere dieselmotoren hebben last van cavitatie als gevolg van hoge compressie en ondermaatse cilinderwanden. Trillingen van de cilinderwand veroorzaken afwisselend lage en hoge druk in het koelmiddel tegen de cilinderwand. Dat resulteert in putjes in de cilinderwand. Hierdoor kan koelvloeistof in de cilinder lekken en verbrandingsgassen in de koelvloeistof komen. Het gebruik van chemische toevoegingen in de koelvloeistof vormt een beschermende laag op de cilinderwand. Bovendien voorkomt een gereguleerde overdruk in het koelsysteem (geregeld en gehandhaafd door de veerdruk van de koelvloeistofdop) cavitatievorming. Ook kan het gebruik van duurzame materialen zoals Cr-, CrNi- of CrNiMo-gietstaal bij cavitatie uitkomst brengen. Kunststof blijkt minder gevoelig voor cavitatie dan metaal. Zo’n veertig jaar geleden kwam er behoefte aan kleinere en lichtere motoren. Het daarmee gepaard gaande, kleinere koelvloeistofvolume en een overeenkomstig hogere koelvloeistofstroomsnelheid vormde aanleiding tot snelle veranderingen in stroomsnelheid en daardoor snelle veranderingen van statische druk in gebieden met een hoge warmteoverdracht. Met dampbellen tot gevolg. Bovendien vormde een verhoogde materiaaltemperatuur een probleem bij de relatieve, elektrochemische reactiviteit van het basismetaal en zijn legeringsbestanddelen. Negen mogelijke verbeteringen aan een pompsysteem Verlagen van de temperatuur van het medium.Verlagen van de volumestroom.Verlagen van het toerental. Let op: Een 4-polige machine heeft meestal wel een lagere NPSHr) en het resulteert in een (ongewenste) verlaging van de capaciteit en opvoerhoogte.Verhoog de zuigdruk indien mogelijk. Bij een reservoir moet je daarvoor het niveau verhogen of de pomp lager opstellen.Verlaag de vloeistoftemperatuur indien mogelijk.Geef gas terug op de afvoerklep om het debiet te verlagen.Laat gassen uit het pomphuis ontsnappen.De weerstand in de zuigleiding verlagen door de diameter te vergroten. Maar ook het zuigfilter reinigen wil nog wel eens helpen.Bij volumetrische pompen: plaats nooit een smoorventiel voor debietregeling in de zuigleiding maar juist in de persleiding. Als het geluid en de trilling blijven aanhouden, is er in veel gevallen al sprake van waaier- of lagerschade en resteert slechts revisie. Pompkarakteristiek Het verband tussen pompcurve en opvoerhoogte Bij het ontwerp van een pomp spelen nog meer begrippen een rol. Zoals de pompcurve. Bij een centrifugaalpomp, in de praktijk de meest gebruikte pomp geeft deze het verband weer tussen de capaciteit en de totale verschilhoogte, meestal uitgedrukt in ‘meter vloeistofkolom’. Dezelfde hoogteterm wordt gebruikt om de kinetische energie, voortgebracht door de pomp te meten. De Engelse term ervoor, head is een maat voor de hoogte van de vloeistofkolom die de pomp kan creëren uit de kinetische energie die aan de vloeistof meegegeven wordt. Het wordt in dit geval hoogte genoemd (in plaats van het meer gebruikelijke druk) omdat de druk van de pomp zal veranderen als het soortelijk gewicht van de vloeistof verandert terwijl de hoogte niet verandert. Best Efficiency Point Iedere centrifugaalpomp moet voor een specifieke capaciteit en opvoerhoogte worden ontworpen. Dit ontwerppunt is in de pompcurve gemakkelijk terug te vinden door te kijken naar de efficiëntie in de pompcurve. Daar waar de efficiëntie de hoogste waarde heeft, bevindt zich het ontwerppunt van de pomp. Dit BEP (Best Efficiency Point) geeft de langste standtijden en het laagste energieverbruik. Een gegeven centrifugaalpomp met een gegeven waaierdiameter en snelheid zal een vloeistof een bepaald aantal meters opvoeren, onafhankelijk van het gewicht van de vloeistof. De statische hoogte die overeenkomt met een bepaalde druk is afhankelijk van het soortelijk gewicht van de vloeistof. De formule daarvoor luidt: Hoogte (mvk) = Druk (bar) x 10 / Soortelijk gewicht (kg/dm³) Soortelijke gewichten van vloeistoffen gaan van ongeveer 0,5 (lichte koolwaterstoffen) tot 1,8 (geconcentreerd zwavelzuur). Water dient als referentie met een soortelijk gewicht van 1,0. Bijna alle pompcurves voor centrifugaalpompen zijn op water gebaseerd. De verschillende hoogtetermen op een rij: Statische hoogte aan de zuigzijde, hs (Static Suction Head) Statische hoogte aan de drukzijde, hd (Static Discharge Head) Wrijvingshoogte, hf (Friction Head) Dampspanningshoogte, hvp (Vapor Pressure Head) Drukhoogte, hp (Pressure Head) Snelheidshoogte, hv (Velocity Head) Totale hoogte aan de zuigzijde, Hs (Total Suction Head) Totale hoogte aan de drukzijde, Hd (Total Discharge Head) Totale verschilhoogte, HT (Total Differential Head) Netto positieve hoogte aan de zuigzijde vereist, NPSHr (Net Positieve Suction Head Required) Netto positieve hoogte aan de zuigzijde beschikbaar, NPSHa (Net Positive Suction Head available) Waarbij de kleine letters ‘s’ en ‘d’ verwijzen naar respectievelijk zuigzijde (Suction) en drukzijde (Discharge). Statische hoogte Statische hoogte aan de zuigzijde (hs): hoogte resulterend uit de vloeistofhoogte t.o.v. de centerlijn van de pomp. Als het vloeistofniveau > centerlijn van de pomp dan is hs positief. Als het vloeistofniveau onder de centerlijn van de pomp komt, is hs negatief. Een negatieve hs wordt gewoonlijk de aanzuighoogte genoemd. Statische hoogte aan de drukzijde (hd): de verticale hoogte in meter tussen de centerlijn van de pomp en het uitlooppunt van de leiding (bij vrije uitloop). Of het vloeistofniveau van de uitlooptank (bij vulling onderaan of zijdelings van de tank). Soms wordt ook het hoogste punt van de leidingen aan de drukzijde van de pomp genomen om zeker te zijn dat de pomp deze hoogte kan halen bij het starten. Verschillende hoogte Wrijvingshoogte (Hf): de nodige hoogte om de stromingsweerstand in de buizen, toestellen en fittingen te overwinnen. Afhankelijk van de grootte en het type buis, aantal en soort toestellen en pijpfittingen, debiet en de natuur van de vloeistof. De bepaling gebeurt aan de hand van grafieken of tabellen die gepubliceerd zijn en gegevens van de fabrikant van de toestellen. Dampspanningshoogte (hvp): De dampspanning is de druk waarbij een vloeistof en zijn damp samen in evenwicht bestaan bij een gegeven temperatuur. Deze dampspanning kan men vinden in dampspanningstabellen. Als de dampspanning omgezet wordt in hoogte, heet hij hvp. De hvp-waarde van een vloeistof stijgt bij hogere temperatuur en werkt in feite de druk op het vloeistofoppervlak tegen. Oftewel, de hvp verlaagt de drukhoogte aan de zuigzijde. Drukhoogte (hp): De drukhoogte doet er toe als het pompsysteem in een tank begint of eindigt en als deze tanks onder een druk staan die afwijkt van de atmosferische druk. De druk in de tank moet eerst worden omgezet in meter vloeistofkolom. Snelheidshoogte (hv): verwijst naar de energie van een vloeistof als resultaat van de beweging met een bepaalde snelheid ‘v’= equivalent om de vloeistof een bepaalde snelheid te geven. Meestal zodanig klein dat hij buiten beschouwing kan blijven Totale hoogte aan de zuigzijde (Hs): de drukhoogte op de tank aan de zuigzijde (hps) plus de statische hoogte aan de zuigzijde (hs) plus de snelheidshoogte aan de pompinlaatflens (hvs) min de wrijvingshoogte aan de zuigzijde (hfs). (Hvs buiten beschouwing laten): Hs = hps + hs (+ hvs) – hfs De totale hoogte aan de zuigzijde kan worden afgelezen op de manometer aan de inlaatflens van de pomp, omgezet naar meter vloeistofkolom. Totale hoogte aan de drukzijde (Hd): de drukhoogte op de tank aan de drukzijde (hpd) plus de statische hoogte aan de drukzijde (hd) plus de snelheidshoogte aan de pompuitlaatflens (hvd) (meestal verwaarloosbaar) plus de totale wrijvingshoogte van de leidingen, toestellen en fittingen aan de drukzijde (hfd): Hd = hpd + hd (+ hvd) + hfd De totale hoogte aan de drukzijde kan worden afgelezen op de manometer aan de uitlaatflens van de pomp, omgezet naar meter vloeistofkolom. Totale verschilhoogte (HT): is de totale hoogte aan de drukzijde min de totale hoogte aan de zuigzijde: HT = Hd – Hs Hoe wordt NPSH bepaald De meest gebruikte pompen, de centrifugaalpompen kunnen alleen vloeistoffen en geen dampen verpompen. Dat betekent dat vloeistofverdamping moet worden voorkomen. Het volume gaat sterk omhoog als een vloeistof verdampt. Zo wordt 1 m³ water bij kamertemperatuur omgezet in 1700 m³ damp bij dezelfde temperatuur. De verdamping begint als de dampspanning van de vloeistof bij een bepaalde werkingstemperatuur gelijk is aan de uitwendige systeemdruk. In een open systeem geldt uitwendige systeemdruk = atmosferische druk. Elke verlaging van de uitwendige druk of verhoging van de werkingstemperatuur kan leiden tot verdamping. Door de centrifugaalpomp steeds een voldoende grote hoogte aan de zuigzijde te geven, kan verdamping worden vermeden in het punt met de laagste druk in de pomp. Een drukverhoging verder in de pomp kan leiden tot implosie van de gevormde dampbellen en het al eerdergenoemde cavitatie. Fabrikanten testen de pomp met water bij verschillende debieten door het smoren van de zuigzijde. Wanneer de eerste tekenen van dampvorming optreden en de cavitatie begint, per definitie bij drie procent verlaging van de verschilhoogte, wordt de druk aan de zuigzijde genoteerd. Deze druk wordt dan omgezet in hoogte. Deze hoogte wordt genoteerd op de pompcurve = netto positieve hoogte aan de zuigzijde (Net Positive suction Head= NPSH). De NPSH is de totale hoogte aan de zuigzijde van de pomp min de dampspanning omgezet in meter vloeistofkolom absoluut. De NPSH is altijd positief gezien en uitgedrukt in absolute vloeistofhoogte. Net Positive Suction Head Required (NPSHr) De NPSHr (benodigd) is de positieve hoogte uitgedrukt in meter waterkolom absoluut aan de zuigzijde van de pomp die nodig is om de drukverliezen in de pomp te compenseren en ervoor te zorgen dat de vloeistof boven zijn dampspanning blijft. De NPSHr van een bepaalde centrifugaalpomp gaat omhoog als het debiet toeneemt omdat de snelheid van de vloeistof toeneemt waardoor de druk daalt. De NPSHr is onafhankelijk van het soortelijk gewicht van de vloeistof, zoals alle ander hoogtewaarden. Net Positive Suction Head Available (NPSHa) De NPSHa (werkelijk) is de functie van het systeem waarin de pomp staat. Het overschot aan druk van de vloeistof wordt uitgedrukt in meter vloeistofkolom absoluut boven zijn dampspanning als deze vloeistof aan de zuigzijde van de pomp aankomt. Dit voorkomt cavitatie. De NPSHa wordt berekend op basis van systeem- en procesparameters NPSHa = hps + hs – hvps – hfs Bij atmosferische tank is hps = 10 mwk op water maar 20 mvk op een vloeistof met SG = 0,5 kg/dm³ Verwarmings- of koelsysteem In een verwarmings- of koelsysteem spelen zowel systeemdruk als drukverliezen een rol. De systeemdruk is het deel van de druk dat niet wordt gecreëerd door de pomp. Deze druk ontstaat door het gewicht van de waterkolom in het systeem en de extra druk door het expansievat. Dat laatste kan leiden tot cavitatie. Dat vraagt om controle of de pomp tegen de maximale systeemdruk bestand is. Bij dit soort gesloten systemen speelt opvoerhoogte weer een minder belangrijke rol. Open systemen vallen alleen te overwegen als de warmtebron een ketel op bijvoorbeeld vaste brandstof is. Dan bepaalt de waterkolom in het expansievat de systeemdruk. Algemeen advies Kies de juiste pomp. Een bewust te klein gekozen pomp kost natuurlijk minder maar resulteert in een sterk verkorte levensduur en hogere onderhoudskosten.Bereken de leidingverliezen voor aanschaf van de pomp. De keuze uit beschikbare leidingdiameters is veel kleiner dan het aanbod pompgrafieken. Bereken daarom eerst de leidingverliezen en ga dan pas op zoek naar een passende pomp. Probeer in de berekening van de leidingverliezen altijd de praktijksituatie zo dicht mogelijk te benaderen om de installatie optimaal te laten functioneren. Soms kost het wat moeite om aan de juiste gegevens te komen maar het is de moeite waard. De leidingverliezen zijn namelijk bepalend voor het werkpunt waarop de pomp gaat functioneren.Door hogere leidingverliezen in de praktijk schuift het werkpunt in de pompcurve op naar links. Dat resulteert in afnemende capaciteit en stijgende opvoerhoogte. En andersom natuurlijk: door lagere leidingverliezen schuift het werkpunt in de pompcurve op naar rechts en stijgt de capaciteit en daalt de opvoerhoogte. Om nog maar te zwijgen van de energie-efficiëntie. Grappig weetje Cavitatie ondersteunt ook het identificeren van bepaalde type schepen. Het geluid van caviterende scheepsschroeven is afhankelijk van het type schip en kan worden gebruikt door onderzeebootbemanningen om het type schip mee te identificeren. En er worden bevuilde oppervlakken mee gereinigd.
Cavitatie draait dus om vorming en vernietiging van waterdampbellen in een (kokende) vloeistof terwijl het door de pomp beweegt. Als de interne druk daalt, moet de snelheid van de vloeistof stijgen (wet van Bernoulli). 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, vormen er zich in ieder punt binnen de vloeistof 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.
Bij hogere temperatuur neemt de kans op cavitatie toe. Bij hogere druk neemt die kans juist af omdat de dampbellen dan worden dichtgedrukt.
Toch kan ook bij hogere druk cavitatie in leidingsystemen ontstaan. Bijvoorbeeld in kleppen en achter obstakels, bramen, enzovoort. Hierbij speelt de lokale vloeistofsnelheid en de vorm van het obstakel een rol.
Bij NPSH of cavitatie gaat het voornamelijk over de zuigzijde van de pomp. Aan de drukzijde is meestal voldoende druk voorhanden om dampvorming te voorkomen.
Voor een goede werking van de pomp moet NPSHa > NPSHr (zie latere uitleg). In de praktijk geldt een verschil van ongeveer 0,5 mvk of hoger om cavitatieproblemen op een bepaald werkingspunt te vermijden.
Zuigcavitatie treedt op wanneer de pompaanzuiging onder een lage druk/hoge vacuümtoestand de vloeistof verandert in een damp bij het oog van de pompwaaier. Deze damp wordt overgebracht naar de perszijde van de pomp waar geen vacuüm meer zit en door de persdruk weer in een vloeistof wordt samengeperst. Naast een onvoldoende NPSHa kan de oorzaak liggen in verstopte filters, verstopping van de leidingen aan de aanzuigzijde, een slecht ontwerp van de leidingen of een pomp die te ver rechts op de pompcurve loopt.
Er kan overigens wel ontladingcavitatie of afvoercavitatie optreden wanneer de afvoerdruk van de pomp extreem hoog is. Dat komt normaal gesproken voor in een pomp die op minder dan 10 procent van het hoogste efficiëntiepunt draait. De hoge persdruk zorgt ervoor dat het merendeel van de vloeistof in de pomp circuleert in plaats van uitstroomt. Omdat de vloeistof rond de waaier stroomt, moet deze met een extreem hoge stroomsnelheid door de kleine speling tussen de waaier en het pomphuis gaan. Deze stroomsnelheid zorgt ervoor dat er een vacuüm ontstaat aan de behuizingswand, vergelijk het met een venturi waardoor de vloeistof in een damp verandert. Dit manifesteert zich in slijtage van de uiteinden van de waaierschoepen en het pomphuis. De hoge druk kan ook een voortijdige uitval van de mechanische afdichting en lagers van de pomp veroorzaken. En onder extreme resulteert dat in een gebroken waaieras.
Om cavitatie te voorkomen, moet er dus een minimale druk aanwezig zijn aan de zuigopening. Deze zogenaamde beschikbare netto positieve aanzuighoogte (NPSHa) voorkomt dat de vloeistof gaat koken of verdampen. De aangelegde druk bij de aanzuigopening moet altijd hoger zijn dan de dampdruk van de vloeistof bij een bepaalde temperatuur van het medium.
Bij cavitatie in de pomp kan de regelklep aan de drukzijde worden geknepen om het debiet en daarbij de benodigde NPSH-waarde te verlagen. Het resterende debiet dient daarbij hoog genoeg te blijven om de pomp voldoende te koelen en te smeren.
Met een zo goed mogelijk hydrodynamisch ontwerp streven ontwerpers er vaak naar cavitatie te beperken. Maar voorkomen is natuurlijk altijd beter dan genezen. Dus de pomp ‘voldoende’ vullen en het ontwerp laten voldoen aan NPSHa > NPSHr.
En de pompselectie moet worden gebaseerd op de verwachte werkomstandigheden! Ook af en toe herijken omdat die omstandigheden veranderen.
NPSHa = de voordruk van de pomp (available= beschikbaar) en
NPSHr= de dampspanning van de pomp (required= benodigd). Hierbij dient de NPSHa-waarde minimaal 1 mWk hoger te zijn dan de NPSHr-waarde.
De gebruiker kan de statische druk berekenen maar de druk voor de waaier niet. Omdat bij binnentreding via de zuigflens er op weg naar de waaier nog enige drukval zal plaatsvinden. Dat komt onder andere door botsingen met de wanden, botsingen met de waaier, wrijving, vernauwing in de pomp, enz…
Maar er kunnen ook nog allerlei obstakels zijn die de stroomverdeling naar de waaier negatief beïnvloeden. Zoals bijvoorbeeld een nauw gekoppelde elleboog op de inlaatflens. Dat kan komen door beperkingen in de ruimte en de indeling van apparatuur. Bij een pomp met dubbele aanzuiging die is vastgemaakt aan een nauw gekoppelde elleboog, is de stroomverdeling ongelijk en meer gekanaliseerd naar de buitenkant van de elleboog. Daardoor ontvangt één zijde van de dubbelaanzuigende waaier meer stroming bij een hogere stroomsnelheid en druk. De andere kant krijgt een turbulente en potentieel schadelijke stroming. Dit verslechtert de algehele pompprestaties (geleverde opvoerhoogte, debiet en stroomverbruik) en veroorzaakt axiale onbalans die de levensduur van de afdichting, lager en waaier verkort.
Ook regelkleppen fungeren als obstakel. Als bijvoorbeeld de werkelijke drukval over de klep, zoals gedefinieerd door de stroomopwaartse en stroomafwaartse drukken in het systeem, groter is dan de dimensioneringsberekeningen toelaten, krijg je drukval of cavitatie. De verandering van een vloeibare toestand naar een damptoestand is het gevolg van de toename van de stroomsnelheid. Een constante vloeistofstroom vraagt om een grootste stroomsnelheid bij het punt waar het dwarsdoorsnedegebied het kleinst is. Als de hier druk < dampdruk van de vloeistof ontstaan bellen in het stromingspatroon. De toename van de stroomsnelheid gaat gepaard met een aanzienlijke afname van de vloeistofdruk die gedeeltelijk stroomafwaarts wordt hersteld naarmate het oppervlak toeneemt en de stroomsnelheid afneemt. Als de druk zich na de klep herstelt tot druk > dampdruk dan zullen de dampbellen inzakken en ontstaat cavitatie.
Wanneer water over een damoverlaat stroomt, zullen de onregelmatigheden op het overlaatoppervlak kleine gebieden van stroomscheiding veroorzaken in een snelle stroming. Dat resulteert in een drukverlaging. Als de stroomsnelheden hoog genoeg zijn, wordt druk < lokale dampdruk van het water en ontstaan dampbellen. Stroomafwaarts in het hogedrukgebied klappen de bellen in hetgeen resulteert in hoge drukken en mogelijke cavitatieschade.
Verplaatsing van een klep naar een deel van de leiding waar de druk hoger is, kan een oplossing bieden. Ook drukvalreductie per klep door het plaatsen van meerdere kleppen in serie valt te overwegen of ander klepmateriaal zoals keramiek.
Sommige grotere dieselmotoren hebben last van cavitatie als gevolg van hoge compressie en ondermaatse cilinderwanden. Trillingen van de cilinderwand veroorzaken afwisselend lage en hoge druk in het koelmiddel tegen de cilinderwand. Dat resulteert in putjes in de cilinderwand. Hierdoor kan koelvloeistof in de cilinder lekken en verbrandingsgassen in de koelvloeistof komen. Het gebruik van chemische toevoegingen in de koelvloeistof vormt een beschermende laag op de cilinderwand. Bovendien voorkomt een gereguleerde overdruk in het koelsysteem (geregeld en gehandhaafd door de veerdruk van de koelvloeistofdop) cavitatievorming.
Ook kan het gebruik van duurzame materialen zoals Cr-, CrNi- of CrNiMo-gietstaal bij cavitatie uitkomst brengen. Kunststof blijkt minder gevoelig voor cavitatie dan metaal.
Zo’n veertig jaar geleden kwam er behoefte aan kleinere en lichtere motoren. Het daarmee gepaard gaande, kleinere koelvloeistofvolume en een overeenkomstig hogere koelvloeistofstroomsnelheid vormde aanleiding tot snelle veranderingen in stroomsnelheid en daardoor snelle veranderingen van statische druk in gebieden met een hoge warmteoverdracht. Met dampbellen tot gevolg. Bovendien vormde een verhoogde materiaaltemperatuur een probleem bij de relatieve, elektrochemische reactiviteit van het basismetaal en zijn legeringsbestanddelen.
Als het geluid en de trilling blijven aanhouden, is er in veel gevallen al sprake van waaier- of lagerschade en resteert slechts revisie.
Bij het ontwerp van een pomp spelen nog meer begrippen een rol. Zoals de pompcurve. Bij een centrifugaalpomp, in de praktijk de meest gebruikte pomp geeft deze het verband weer tussen de capaciteit en de totale verschilhoogte, meestal uitgedrukt in ‘meter vloeistofkolom’.
Dezelfde hoogteterm wordt gebruikt om de kinetische energie, voortgebracht door de pomp te meten. De Engelse term ervoor, head is een maat voor de hoogte van de vloeistofkolom die de pomp kan creëren uit de kinetische energie die aan de vloeistof meegegeven wordt.
Het wordt in dit geval hoogte genoemd (in plaats van het meer gebruikelijke druk) omdat de druk van de pomp zal veranderen als het soortelijk gewicht van de vloeistof verandert terwijl de hoogte niet verandert.
Iedere centrifugaalpomp moet voor een specifieke capaciteit en opvoerhoogte worden ontworpen. Dit ontwerppunt is in de pompcurve gemakkelijk terug te vinden door te kijken naar de efficiëntie in de pompcurve. Daar waar de efficiëntie de hoogste waarde heeft, bevindt zich het ontwerppunt van de pomp. Dit BEP (Best Efficiency Point) geeft de langste standtijden en het laagste energieverbruik.
Een gegeven centrifugaalpomp met een gegeven waaierdiameter en snelheid zal een vloeistof een bepaald aantal meters opvoeren, onafhankelijk van het gewicht van de vloeistof.
De statische hoogte die overeenkomt met een bepaalde druk is afhankelijk van het soortelijk gewicht van de vloeistof. De formule daarvoor luidt:
Hoogte (mvk) = Druk (bar) x 10 / Soortelijk gewicht (kg/dm³)
Soortelijke gewichten van vloeistoffen gaan van ongeveer 0,5 (lichte koolwaterstoffen) tot 1,8 (geconcentreerd zwavelzuur). Water dient als referentie met een soortelijk gewicht van 1,0. Bijna alle pompcurves voor centrifugaalpompen zijn op water gebaseerd.
Waarbij de kleine letters ‘s’ en ‘d’ verwijzen naar respectievelijk zuigzijde (Suction) en drukzijde (Discharge).
Statische hoogte aan de zuigzijde (hs): hoogte resulterend uit de vloeistofhoogte t.o.v. de centerlijn van de pomp. Als het vloeistofniveau > centerlijn van de pomp dan is hs positief. Als het vloeistofniveau onder de centerlijn van de pomp komt, is hs negatief. Een negatieve hs wordt gewoonlijk de aanzuighoogte genoemd.
Statische hoogte aan de drukzijde (hd): de verticale hoogte in meter tussen de centerlijn van de pomp en het uitlooppunt van de leiding (bij vrije uitloop). Of het vloeistofniveau van de uitlooptank (bij vulling onderaan of zijdelings van de tank). Soms wordt ook het hoogste punt van de leidingen aan de drukzijde van de pomp genomen om zeker te zijn dat de pomp deze hoogte kan halen bij het starten.
Wrijvingshoogte (Hf): de nodige hoogte om de stromingsweerstand in de buizen, toestellen en fittingen te overwinnen. Afhankelijk van de grootte en het type buis, aantal en soort toestellen en pijpfittingen, debiet en de natuur van de vloeistof. De bepaling gebeurt aan de hand van grafieken of tabellen die gepubliceerd zijn en gegevens van de fabrikant van de toestellen.
Dampspanningshoogte (hvp): De dampspanning is de druk waarbij een vloeistof en zijn damp samen in evenwicht bestaan bij een gegeven temperatuur. Deze dampspanning kan men vinden in dampspanningstabellen. Als de dampspanning omgezet wordt in hoogte, heet hij hvp. De hvp-waarde van een vloeistof stijgt bij hogere temperatuur en werkt in feite de druk op het vloeistofoppervlak tegen. Oftewel, de hvp verlaagt de drukhoogte aan de zuigzijde.
Drukhoogte (hp): De drukhoogte doet er toe als het pompsysteem in een tank begint of eindigt en als deze tanks onder een druk staan die afwijkt van de atmosferische druk. De druk in de tank moet eerst worden omgezet in meter vloeistofkolom.
Snelheidshoogte (hv): verwijst naar de energie van een vloeistof als resultaat van de beweging met een bepaalde snelheid ‘v’= equivalent om de vloeistof een bepaalde snelheid te geven. Meestal zodanig klein dat hij buiten beschouwing kan blijven
Totale hoogte aan de zuigzijde (Hs): de drukhoogte op de tank aan de zuigzijde (hps) plus de statische hoogte aan de zuigzijde (hs) plus de snelheidshoogte aan de pompinlaatflens (hvs) min de wrijvingshoogte aan de zuigzijde (hfs). (Hvs buiten beschouwing laten): Hs = hps + hs (+ hvs) – hfs
De totale hoogte aan de zuigzijde kan worden afgelezen op de manometer aan de inlaatflens van de pomp, omgezet naar meter vloeistofkolom.
Totale hoogte aan de drukzijde (Hd): de drukhoogte op de tank aan de drukzijde (hpd) plus de statische hoogte aan de drukzijde (hd) plus de snelheidshoogte aan de pompuitlaatflens (hvd) (meestal verwaarloosbaar) plus de totale wrijvingshoogte van de leidingen, toestellen en fittingen aan de drukzijde (hfd): Hd = hpd + hd (+ hvd) + hfd De totale hoogte aan de drukzijde kan worden afgelezen op de manometer aan de uitlaatflens van de pomp, omgezet naar meter vloeistofkolom.
Totale verschilhoogte (HT): is de totale hoogte aan de drukzijde min de totale hoogte aan de zuigzijde: HT = Hd – Hs
De meest gebruikte pompen, de centrifugaalpompen kunnen alleen vloeistoffen en geen dampen verpompen. Dat betekent dat vloeistofverdamping moet worden voorkomen. Het volume gaat sterk omhoog als een vloeistof verdampt. Zo wordt 1 m³ water bij kamertemperatuur omgezet in 1700 m³ damp bij dezelfde temperatuur.
De verdamping begint als de dampspanning van de vloeistof bij een bepaalde werkingstemperatuur gelijk is aan de uitwendige systeemdruk. In een open systeem geldt uitwendige systeemdruk = atmosferische druk. Elke verlaging van de uitwendige druk of verhoging van de werkingstemperatuur kan leiden tot verdamping. Door de centrifugaalpomp steeds een voldoende grote hoogte aan de zuigzijde te geven, kan verdamping worden vermeden in het punt met de laagste druk in de pomp.
Een drukverhoging verder in de pomp kan leiden tot implosie van de gevormde dampbellen en het al eerdergenoemde cavitatie.
Fabrikanten testen de pomp met water bij verschillende debieten door het smoren van de zuigzijde. Wanneer de eerste tekenen van dampvorming optreden en de cavitatie begint, per definitie bij drie procent verlaging van de verschilhoogte, wordt de druk aan de zuigzijde genoteerd. Deze druk wordt dan omgezet in hoogte. Deze hoogte wordt genoteerd op de pompcurve = netto positieve hoogte aan de zuigzijde (Net Positive suction Head= NPSH). De NPSH is de totale hoogte aan de zuigzijde van de pomp min de dampspanning omgezet in meter vloeistofkolom absoluut.
De NPSH is altijd positief gezien en uitgedrukt in absolute vloeistofhoogte.
De NPSHr (benodigd) is de positieve hoogte uitgedrukt in meter waterkolom absoluut aan de zuigzijde van de pomp die nodig is om de drukverliezen in de pomp te compenseren en ervoor te zorgen dat de vloeistof boven zijn dampspanning blijft. De NPSHr van een bepaalde centrifugaalpomp gaat omhoog als het debiet toeneemt omdat de snelheid van de vloeistof toeneemt waardoor de druk daalt. De NPSHr is onafhankelijk van het soortelijk gewicht van de vloeistof, zoals alle ander hoogtewaarden.
De NPSHa (werkelijk) is de functie van het systeem waarin de pomp staat. Het overschot aan druk van de vloeistof wordt uitgedrukt in meter vloeistofkolom absoluut boven zijn dampspanning als deze vloeistof aan de zuigzijde van de pomp aankomt. Dit voorkomt cavitatie. De NPSHa wordt berekend op basis van systeem- en procesparameters NPSHa = hps + hs – hvps – hfs
Bij atmosferische tank is hps = 10 mwk op water maar 20 mvk op een vloeistof met SG = 0,5 kg/dm³
In een verwarmings- of koelsysteem spelen zowel systeemdruk als drukverliezen een rol. De systeemdruk is het deel van de druk dat niet wordt gecreëerd door de pomp. Deze druk ontstaat door het gewicht van de waterkolom in het systeem en de extra druk door het expansievat. Dat laatste kan leiden tot cavitatie. Dat vraagt om controle of de pomp tegen de maximale systeemdruk bestand is. Bij dit soort gesloten systemen speelt opvoerhoogte weer een minder belangrijke rol. Open systemen vallen alleen te overwegen als de warmtebron een ketel op bijvoorbeeld vaste brandstof is. Dan bepaalt de waterkolom in het expansievat de systeemdruk.
Grappig weetje Cavitatie ondersteunt ook het identificeren van bepaalde type schepen. Het geluid van caviterende scheepsschroeven is afhankelijk van het type schip en kan worden gebruikt door onderzeebootbemanningen om het type schip mee te identificeren. En er worden bevuilde oppervlakken mee gereinigd.
PompNL.nl is een activiteit van Eisma Industriemedia. Auteursrecht voorbehouden.