Stromingsprincipes

Stroomprincipes

Stromingseigenschappen veranderen wanneer ze door een vernauwing stromen

Figuur 1: Stromingseigenschappen veranderen wanneer ze door een vernauwing stromen

Vloeistofstroming in een systeem heeft veel eigenschappen die variëren op basis van verschillende factoren. Bij het ontwerpen van een systeem en het selecteren van kleppen is het belangrijk om deze factoren te begrijpen en in overweging te nemen om een optimale klep te selecteren. Dit artikel geeft een overzicht van de verschillende stromingsprincipes om lezers te helpen begrijpen hoe ze de best mogelijke klep kunnen kiezen.

Te overwegen stromingsfactoren

Druk

Druk wordt gedefinieerd als de hoeveelheid kracht per oppervlakte-eenheid:

p=F/A

waar:

  • p: druk in Pascal (N/m2)
  • F: kracht in Newton (N)
  • A: oppervlakte (m2)

Pascal (Pa) is een relatief kleine eenheid. Daarom worden vaak bar en psi gebruikt. 1 bar = 105 Pa.

Bij het maken van drukberekeningen voor het bepalen van het juiste klepontwerp voor gebruik in een systeem, moet je de verschillende aspecten van druk begrijpen:

  • Absolute vs. relatieve druk: Absolute druk gebruikt het absolute nulpunt als referentiepunt. Relatieve druk of overdruk gebruikt de atmosferische druk als referentiepunt. Bij het selecteren van een klep zorgt het gebruik van absolute druk ervoor dat de atmosferische druk wordt meegenomen bij het bepalen van de totale druk die op de klep wordt uitgeoefend. Lees meer over de druksoorten in ons artikel over verschillende druksoorten.
  • Statische vs. dynamische druk: Statische druk is de druk die een vloeistof of gas in rust uitoefent. Dynamische druk is de druk die wordt uitgeoefend door een vloeistof in beweging.
    • Statische druk: Deze druk wordt weerstaan door de structurele sterkte van de klep. Zorg er daarom bij het ontwerpen van een systeem voor dat de kleppen voldoende sterk en integer zijn om de verwachte statische druk te weerstaan.
    • Dynamische druk: Dynamische druk is afhankelijk van de snelheid en dichtheid van de vloeistof. Het ontwerpen van systemen voor dynamische druk is gecompliceerder omdat er rekening moet worden gehouden met factoren zoals leidingdiameter, stroomsnelheid, vloeistofviscositeit en de lay-out van het systeem.

Statische en dynamische drukvergelijkingen

Hieronder staan standaardvergelijkingen om een idee te krijgen van de statische en dynamische druk van een systeem. Werkelijke klep- en leidingsystemen kunnen complexer zijn vanwege de samendrukbaarheid van vloeistoffen, wrijvingsverliezen, hoogteverschillen en stromingsversnelling.

De statische drukvergelijking is:

Statische drukvergelijking.

Waar:

  • P: statische druk
  • ⍴: vloeistofdichtheid
  • g: versnelling als gevolg van de zwaartekracht
  • h: hoogte vloeistofkolom boven het punt in kwestie

De dynamische drukvergelijking is:

Dynamische drukvergelijking

Waar:

  • q: dynamische druk
  • ⍴: vloeistofdichtheid
  • v: vloeistofsnelheid

Drukval

Houd bij het kiezen van een klep voor een systeem rekening met de drukval over de klep. De drukval van de regelklep verschilt tussen de stroomopwaartse en stroomafwaartse druk. Drukdaling heeft op de volgende manieren invloed op een systeem:

  • Efficiëntie: Een hoge drukval over een klep kan inefficiënt energiegebruik veroorzaken, wat leidt tot hogere operationele kosten.
  • Debiet: Een hoge drukval kan ook leiden tot een lage stroomsnelheid, waardoor de werking van het systeem wordt verstoord.
  • Controle: De drukval over een regelklep regelt het debiet. De drukregelklep moet ontworpen worden om het gewenste debiet te leveren bij een minimale drukval om energie te besparen.

Lees ons artikel over drukdaling voor meer informatie over de factoren die drukdaling veroorzaken.

Druk- en snelheidsrelatie

Druk en snelheid hebben een omgekeerd evenredige relatie. Daarom wordt bij het aanpassen van de stroomsnelheid tegelijkertijd de druk aangepast. Alle kleppen beperken de doorstroming enigszins, variërend van bijna onbeduidend(kogelklep) tot zeer aanzienlijk(wereldklep). Deze beperking heeft meestal de vorm van een kleiner oppervlak voor de stroming, waardoor de snelheid toeneemt en de druk afneemt.

Het punt met de hoogste snelheid, en dus de laagste druk, wordt de vena contracta genoemd (figuur 2).

Het product van de snelheid en het oppervlak stroomopwaarts van de vernauwing is gelijk aan het product van de snelheid en het oppervlak stroomafwaarts van de vernauwing.

V1 * A1 = V2 * A2

Daarom kunnen snelheid en druk worden aangepast door de grootte van de vernauwing aan te passen. Bij regelkleppen betekent dit dat het sluitmechanisme naar een punt tussen open en gesloten wordt bewogen om de stroomsnelheid te moduleren.

Het punt waar de snelheid het meest beperkt is, is de hoogste snelheid en de laagste druk.

Figuur 2: Het punt waar de snelheid het meest beperkt is, is de hoogste snelheid en de laagste druk.

Temperatuur en doorstroming

Temperatuur kan een grote invloed hebben op de stroming door een klep. Houd daarom rekening met het bedrijfstemperatuurbereik bij het ontwerpen van een systeem en het selecteren van een klep. Temperatuur kan de doorstroming door een klep op de volgende manieren aanzienlijk beïnvloeden:

  • Uitzetten/krimpen van materiaal: Kleppen hebben onderdelen van verschillende materialen. Temperatuurveranderingen kunnen ervoor zorgen dat deze materialen uitzetten of krimpen. Wanneer de onderdelen van een klep door de hoge temperatuur te veel uitzetten, kunnen er lekken en verminderde efficiëntie optreden.
  • Viscositeit verandert: De viscositeit van een vloeistof is een maat voor de stromingsweerstand. Viscositeit wordt aanzienlijk beïnvloed door temperatuur. Als de temperatuur toeneemt, neemt de viscositeit meestal af, waardoor het gemakkelijker vloeit. Bij lagere temperaturen neemt de viscositeit toe, waardoor het vermogen van de klep om de stroom te regelen mogelijk afneemt. Lees meer over kleppen die ontworpen zijn voor hoge viscositeit in ons artikel over kleppen voor vloeistoffen met hoge viscositeit.
  • Drukveranderingen: Een stijgende temperatuur kan de druk in een klep verhogen en een dalende temperatuur kan de druk verlagen.
  • Prestaties afdichting: Als de temperatuur lager of hoger is dan de nominale temperatuur van de klepafdichting, kan de afdichting verslechteren of defect raken, wat kan leiden tot lekkage.

Doorstroomcoëfficiënt

De doorstroomcoëfficiënt, Cv of Kv, is een maat voor de capaciteit van de klep voor vloeistofstroming. Kv drukt de hoeveelheid water uit die door een klep kan stromen in kubieke meter per uur bij een drukdaling van één bar. Cv drukt de hoeveelheid water uit die door de klep kan stromen in gallons per minuut bij een drukdaling van één psi. Een hogere doorstroomcoëfficiënt duidt op een grotere doorstroomcapaciteit, wat betekent dat er meer vloeistof door de klep kan bij een gegeven drukdaling.

Bovendien zal een klep met een hogere doorstroomcoëfficiënt een lagere drukval hebben. De stromingscoëfficiënt kan worden gebruikt om de drukval over de klep te schatten.

Doorstroomcoëfficiënt Vergelijking om drukval te schatten
Kv pressure-drop-kv.png
Cv pressure-drop-cv.png

Waar:

  • ΔP: drukval over de klep (bar, psi)
  • Q: Debiet door de klep (m3/h, gpm)
  • SG: soortelijk gewicht van de vloeistof

Lees meer over de verschillende stromingscoëfficiënten en hoe je ze kunt berekenen in onze kv- en cv-calculatorartikelen .

Verstikte stroom

Verstikte stroming betekent dat de drukval door de klep toeneemt, maar de stroomsnelheid niet omdat deze een maximum heeft bereikt. Dit gebeurt meestal wanneer de snelheid van de vloeistof de geluidssnelheid heeft bereikt, ook wel een kritische stromingstoestand genoemd. Verstopte doorstroming is een groot probleem omdat dit kan leiden tot schade aan apparatuur en geluiden die harder zijn dan de aanbevolen of vereiste veiligheidsniveaus.

Om een verstikte doorstroming te voorkomen, moet je bij het kiezen van een klep rekening houden met het volgende:

  • Stroomcapaciteit: Een te kleine klep kan snel verstikken, waardoor de stroomsnelheid ongeacht de druk wordt beperkt.
  • Drukverlies: Omdat klepstroming optreedt wanneer de stroomneerwaartse druk tot een bepaald niveau daalt, moet ervoor worden gezorgd dat kleppen zijn berekend op de maximale stroomopwaartse en stroomneerwaartse druk die ze tijdens bedrijf zullen ondervinden.
  • Type vloeistof: Gassen en vloeistoffen gedragen zich verschillend wanneer ze door een klep stromen. Hun specifieke eigenschappen, zoals temperatuur, druk en specifieke warmteverhouding, beïnvloeden het punt waarop verstikking optreedt.

Knipperen en cavitatie

Verstikte stroming is vaak een voorloper van knipperen en cavitatie. Deze twee fenomenen treden op wanneer de druk in het systeem daalt tot onder de dampdruk van de vloeistof, waardoor zich bellen vormen in de vloeistof. Wanneer de druk weer toeneemt, imploderen de bellen, waardoor schokgolven ontstaan die onderdelen van de klep kunnen beschadigen. Net als verstikte stroming zijn cavitatie en flashing schadelijk voor apparatuur en gevaarlijk voor operators omdat ze veel lawaai maken. Lees meer over de specifieke kenmerken van de twee in ons artikel over cavitatie en knipperen. In ons artikel over cavitatie in pompen, kleppen en leidingen gaan we dieper in op de invloed ervan op kleppen.

Soort stroming

In een systeem kunnen verschillende stromingstypen voorkomen. Sommige van deze stromingstypen kunnen in specifieke toepassingen beter presteren dan andere. Dit begrijpen is belangrijk bij het selecteren van een klep voor een specifieke functie:

  • Laminerend: Laminaire stroming (Figuur 3 links) is een vloeistofstroming waarbij vloeistofdeeltjes in parallelle lagen bewegen met minimale menging. Laminaire stroming is geschikt voor toepassingen die een soepele stroming vereisen, zoals laboratoriumtoepassingen. Globe valves hebben uitstekende smoor- en regelcapaciteiten, waardoor ze geschikt zijn voor het creëren van laminaire stromingsomstandigheden.
  • Turbulent: Turbulente stroming (Figuur 3 rechts) is het tegenovergestelde van laminaire stroming. De vloeistofdeeltjes bewegen chaotisch met menging en wervelingen. Het komt meestal voor bij hoge stroomsnelheden en met grotere pijpdiameters. Turbulente stroming kan gunstig zijn in mengtoepassingen. Vlinderkleppen werken goed in turbulente stromingssystemen vanwege hun robuuste ontwerp en hun vermogen om hoge stroomsnelheden aan te kunnen.
Laminaire stroming (links) en turbulente stroming (rechts)

Figuur 3: Laminaire stroming (links) en turbulente stroming (rechts)

  • Tijdelijk: Overgangsstroming vindt plaats tussen laminaire en turbulente stroming. Operators moeten zich bewust zijn van dit stromingstype om te begrijpen dat de stroming heen en weer kan schakelen tussen laminaire en turbulente stroming. Schuifafsluiters werken goed in deze stromingsomstandigheden omdat ze een breed scala aan stromingsomstandigheden aankunnen en volledig openen om hoge stroomsnelheden mogelijk te maken.
  • Stabiel en onvast: Bij constante stroming verandert de snelheid van de vloeistof niet in de tijd, of het nu laminair of turbulent is. Bij een onrustige stroming varieert de snelheid op een bepaald punt in de tijd. Voor een constante doorstroming is een klep nodig die een consistente doorstroomsnelheid biedt, zoals kogelkleppen. Onregelmatige stroming vereist een klep die snel kan reageren op veranderingen in het systeem, zoals een magneetventiel.
  • Samendrukbaar en onsamendrukbaar: Samendrukbare stroming heeft meer invloed op gassen dan op vloeistoffen, terwijl incompressibele stroming meestal wordt beschouwd voor vloeistoffen. Voor samendrukbare stroming is een klep nodig die veranderingen in dichtheid en volume aankan, zoals een membraanafsluiter. Voor een onsamendrukbare stroom is een klep nodig die hoge drukken aankan zonder te lekken, zoals schuifafsluiters.

FAQs

Hoe zijn vloeistofdruk en -snelheid aan elkaar gerelateerd?

Vloeistofdruk en -snelheid hebben een omgekeerd evenredige relatie. Als de één stijgt in het systeem, daalt de ander.

Wat is een stromingscoëfficiënt?

Een doorstroomcoëfficiënt (Cv of Kv) meet het debiet door een klep bij een specifieke temperatuur bij 1 bar of 1 psi.

Hoe beïnvloedt de temperatuur de doorstroming?

Temperatuurveranderingen kunnen de viscositeit en druk van een vloeistof veranderen. Ook de temperatuur kan een negatieve invloed hebben op de behuizing en afdichtingsmaterialen van een klep, waardoor de stromingsomstandigheden verslechteren.