Cavitatie in Pompen, Kleppen en Leidingen

Ongecontroleerde cavitatie in pompen, kleppen en leidingen veroorzaakt schade. Cavitatie vermindert de doeltreffendheid en de levensduur van het onderdeel aanzienlijk: cavitatie beschadigt de zitting van een klep, de wand van een leiding en de waaier van een pomp. Een belangrijk probleem met cavitatie is dat het kan worden voorkomen door een goed systeemontwerp.

Inhoudsopgave

• Wat is cavitatie?
• Cavitatie in pompen
• Cavitatie in kleppen
• Cavitatie in leidingen
• FAQs

Wat is cavitatie?

Cavitatie is een tweeledig proces. Ten eerste daalt de druk in een vloeistofsysteem tot onder de dampdruk van de vloeistof bij stromingstemperatuur. Deze druppel doet de vloeistof faseren in dampbellen. Ten tweede stuiten de dampbellen op een druk boven de dampdruk van de vloeistof, waardoor ze imploderen. Deze implosie veroorzaakt een schokgolf en micro-jets. Als het zich voordoet binnen één bel-diameter van een systeemcomponent (bv. klepzitting, pijpwand of pompwaaier), veroorzaakt het schade. Indien niet behandeld, zal cavitatie deze systeemcomponenten na verloop van tijd ernstig beschadigen en hun doeltreffendheid verminderen. Lees ons artikel over cavitatie voor meer informatie over cavitatie en flashing.

Cavitatie in pompen

Cavitatie treedt om verschillende redenen op in pompen:

• Systeemontwerp
  • Reservoir boven de pomp: Als het reservoir zich boven de middellijn van de pomp bevindt, creëert de pomp een zone van lage druk bij de inlaat, zodat de atmosferische druk, of drukkop, de vloeistof naar de inlaat kan duwen. Cavitatie begint als de druk bij de inlaat onder de dampdruk zakt.
  • Reservoir onder de pomp: Een pomp creëert een zuigkracht om vloeistof uit het reservoir te trekken. De opvoerhoogte is de verticale afstand van de middellijn van de pomp tot het vloeistofoppervlak in het reservoir. Als de opvoerhoogte te groot is, creëert de pomp een vacuümeffect, waardoor cavitatie mogelijk wordt.
• Vacuüm cavitatie: Andere oorzaken van vacuümtoestanden in een zuigleiding zijn een vuil filter, een verstopte inlaat, te lange leidingen, beperkte of ingeklapte slangen, of een te viskeuze vloeistof (bv. gekoelde olie). In elk geval komt er niet genoeg vloeistof in de pomp, waardoor er meer damp kan binnenkomen.
• Beluchting: Beluchting betekent dat lucht een systeem binnenkomt, al dan niet opzettelijk. In pompsystemen kan ongewenste lucht binnendringen via gaten of lekken, vooral rond aansluitingen en verbindingen. Beluchting kan gasvormige cavitatie veroorzaken, die doorgaans wordt onderschat omdat zij niet de putschade veroorzaakt die cavitatie in dampvorm veroorzaakt. Gasvormige cavitatie kan de bedrijfsefficiëntie van hydraulische en smeersystemen echter aanzienlijk verminderen.

Hoe cavitatie in pompen vermijden

De eerste stap om cavitatie in pompen te voorkomen is een goed systeemontwerp. Dit betekent dat de netto positieve zuighoogte (NPSH) van de inlaat hoog genoeg moet zijn. De NPSH meet hoeveel hoger de absolute druk is dan de dampdruk van de stromende vloeistof. Tabel 1 geeft een overzicht van de variabelen die ten grondslag liggen aan de NPSH. De combinatie van de eerste drie componenten, drukhoogte, atmosferische drukhoogte en snelheidshoogte, resulteert in absolute druk, ofwel:

• P: Druk
• Pa: Atmosferische druk
• V: Vloeistofsnelheid
• ρ: Vloeistofdichtheid
• g: Gravitatieversnelling
• Pv: Dampdruk

De absolute druk moet groter zijn dan de dampdrukkop om cavitatie te voorkomen, of:

Tabel 1: Variabelen die nodig zijn om de NPSH te berekenen.

Component	Beschrijving	Formule
Drukkop	De druk bij de pompinlaat als gevolg van de hoogte van de waterkolom in het reservoir
Atmosferische kop	De atmosferische druk die op het oppervlak van de waterkolom werkt.
Snelheidskop	De kinetische energie van de vloeistof die in de pomp stroomt
Dampdrukkop	De dampdruk van de vloeistof bij stromingstemperatuur

Een pomp heeft waarschijnlijk last van cavitatie als er een geluid klinkt als van grind of knikkers die door de pomp stromen. Enkele suggesties om cavitatie te verminderen zijn:

• Motorsnelheid: Door de motorsnelheid van de pomp te verlagen wordt de snelheid waarmee de vloeistof de pomp binnenkomt vertraagd, waardoor de drukval bij de inlaat wordt verminderd.
• Waaierinductor: De waaierinducer werkt direct vóór de waaier. Het doel daarvan is de absolute druk bij de inlaat te verhogen, waardoor de kans op cavitatie afneemt.
• Vloeistofniveau bij inlaat: Het verhogen van het vloeistofniveau bij de inlaat kan de kans op vacuümvorming verkleinen.
• Temperatuur: Verlaag indien mogelijk de temperatuur van de systeemcomponenten rond de pomp of de temperatuur van de vloeistof. Als de temperatuur stijgt, neemt de dampdruk exponentieel toe.

Cavitatie in kleppen

Bij sommige regelkleppen is er een aanzienlijk drukverlies bij de inlaat van de klep. Enkele opmerkelijke uitzonderingen zijn kogelkleppen, schuifafsluiters en kegelafsluiters, zolang gebruikers de aanbeveling opvolgen om geen van deze kleppen te gebruiken om de doorstroming te smoren. Stromingsmodulerende kleppen, zoals naald-, bol- en vlinderkleppen, zijn veel gevoeliger voor cavitatie wegens drukverliezen bij de inlaat.

Let op: Kogelkranen moduleren de stroming in het dagelijks leven. Deze kleppen zijn bijvoorbeeld gebruikelijk voor slangkranen buitenshuis of keukengootstenen. Wanneer echter precisie vereist is, zijn kogelkranen niet optimaal. Lees ons artikel over gekarakteriseerde kogelkleppen voor meer informatie.

Cavitatie begint (d.w.z. er vormen zich bellen) bij de klepinlaat. Waar cavitatie eindigt (d.w.z. de bellen imploderen) hangt af van het ontwerp van de klep. Als de druk in de klep zich snel herstelt, zoals bij een vlinderklep, dan ontstaat een luchtbelimplosie, waardoor de klep of de zitting beschadigd kan raken. Na verloop van tijd wordt de cavitatieschade zo ernstig dat de klep moet worden vervangen.

Hoe cavitatie in kleppen vermijden

Net als bij pompen kan een goed systeemontwerp de schade aan kleppen door cavitatie aanzienlijk beperken; de keuze van de juiste klep voor een toepassing is essentieel. De grootte van een klep speelt samen met de stromingscoëfficiënt(Cv) een belangrijke rol. De Cv is het volume water in gallons bij 60 °F (16 °C) dat per minuut door een klep stroomt met een drukval van 1 psi (0,07 bar) van inlaat naar uitlaat. Het metrische equivalent is de stroomfactor (Kv) met een afvoer in kubieke meter per uur. Als de Kv bekend is, bereken dan de Kv met het volgende:

Kleppen met een te kleine Cv voor een systeem leiden tot hogere drukverliezen over de klep. Als de druk onder de dampdruk zakt, imploderen de bellen wanneer de druk aan de uitgang van de klep weer toeneemt. Als de Cv te groot is voor het systeem, zal de klep van een smoorklep zeer dicht bij de klepzitting zitten. Vloeistof die de plug passeert zal aanzienlijk in druk afnemen, wat mogelijk leidt tot cavitatie in de klep.

In sommige gevallen is cavitatie onvermijdelijk, bijvoorbeeld bij vloeistoffen met een hoge temperatuur of viscositeit. Er zijn echter nog mogelijkheden om de potentiële schade van cavitatie te beperken.

• Klep locatie: Installeer een klep indien mogelijk in een zone met relatief hoge druk, bijvoorbeeld op het laagste punt in een leidingsysteem. De drukval bij de klep is misschien niet laag genoeg om de dampdruk te bereiken.
• Meerdere kleppen: Indien het systeem een grote drukval vereist (bv. warmtewisselaar), overweeg dan het gebruik van meerdere kleppen met gematigde drukverschillen om het resultaat te bereiken. De geleidelijke drukval kan de cavitatie-intensiteit op elk punt beperken.
• Multi-stage trim: Een meertraps trim in een klep vermindert geleidelijk de drukval, waardoor de opbouw van luchtbellen wordt verminderd.
• Geharde afwerking: Bij lichte (beginnende) cavitatie kan een harder trimmateriaal, zoals stelliet, de schade aan belangrijke kleponderdelen beperken.

Cavitatie in leidingen

Inzicht in cavitatie in leidingen betekent begrijpen waar en hoe drukverlies optreedt. Drukverlies in een pijp is gemakkelijk te begrijpen en te berekenen met de Hazen-Williams vergelijking:

• h_f: opvoerhoogteverlies door wrijving
• k: constante gebaseerd op het eenhedenstelsel (0,85 voor metrisch, 1,32 voor imperiaal)
• Q: Volumetrisch debiet
• L: Lengte
• C: Ruwheidscoëfficiënt van de pijp (1 = glad, <1 = ruw)
• d: Diameter pijp

En Minor Loss formule:

• h_f: gering hoogteverlies
• k: kleine verliescoëfficiënt
• V: stroomsnelheid
• g: versnelling als gevolg van de zwaartekracht

En tenslotte, de Totale Energie Verlies formule:

Belangrijke conclusies uit de Hazen-Williams vergelijking zijn dat de lengte van de pijp, het vloeistofdebiet en de pijpdiameter een belangrijke rol spelen bij het drukverlies in een pijp.

• Lengte: Hoe langer de pijp is, hoe meer drukverlies.
• Debiet: Hoe hoger het debiet, hoe meer drukverlies.
• Pijp diameter: Hoe breder de buisdiameter, hoe minder drukverlies.

Volgens deze conclusies zou het verminderen van het drukverlies even eenvoudig moeten zijn als het vergroten van de diameter van een leiding. Uit de experimentele resultaten blijkt echter dat een grotere pijpdiameter alleen bij lage stroomsnelheden het drukverlies vermindert. De reden hiervoor is een kleine verliesvariabele waarmee de Hazen-Williams-vergelijking geen rekening houdt: turbulentie.

Wanneer de vloeistof in een pijp in aanraking komt met de wanden van de pijp of met een bocht (bv. een elleboogverbinding), ontstaat turbulentie. Turbulentie in een heel systeem, vooral in kleinere systemen, leidt tot aanzienlijke drukverlieszones, waardoor de kans op cavitatie toeneemt.

Hoe cavitatie in leidingen vermijden

Bij het ontwerpen van een leidingsysteem kunnen bepaalde ontwerpkeuzes het drukverlies aanzienlijk verminderen en de kans op cavitatie verkleinen.

• Lengte: Onderzoeken hoe de lengte van de leidingen waar mogelijk kan worden ingekort.
• Boosterpomp: Drukverhogingspompen verhogen de druk in een vloeistof. Bepaal voor relatief lange stukken leiding (bv. olieleidingen) of een of meer boosterpompen nodig zijn om de druk boven de dampdruk te houden.
• Lassen: Als stukken pijp aan elkaar worden gelast, moet ervoor worden gezorgd dat het lasoppervlak in de pijp niet te dik is. Dit kan turbulentie veroorzaken, waardoor de druk afneemt en cavitatie kan ontstaan.
• Pijpen buigen: Een pijpbocht leidt tot minder wrijvingsverlies dan de abrupte verandering van richting die elleboogverbindingen bieden.
• Fittingen: Elke toevoeging van een fitting (bv. kleppen en verbindingen) aan een leidingsysteem vormt een bron van potentiële storingen, waardoor lucht in de pijp kan komen en de kans op cavitatie toeneemt.

FAQs

Wat veroorzaakt cavitatie in een klep?

De druk van een vloeistof neemt sterk af bij de inlaat van een klep. Als de druk daalt tot de dampdruk van de vloeistof, vormen zich bellen. Bij drukherstel aan de uitlaat imploderen de bellen en veroorzaken schade.

Wat veroorzaakt cavitatie in een pomp?

Als de absolute druk bij de inlaat van de pomp niet hoog genoeg is, zal de drukval door de pomp onder de dampdruk van de vloeistof komen.

Wat veroorzaakt cavitatie in een pijp?

Drukverlies in een pijp door een verkeerde dimensionering of turbulentie kan cavitatie veroorzaken.