Wat is waterslag?

Waterslag, ook wel hydraulische schok genoemd, is een leidingverschijnsel dat optreedt wanneer een vloeistof in beweging wordt gedwongen om plotseling te stoppen of van richting te veranderen. Het komt voornamelijk voor bij vloeistoffen, zoals water, vanwege de incompressibiliteit, maar het kan ook voorkomen bij gassen. De plotselinge verandering in het vloeistofmomentum, meestal door een sluitende klep, veroorzaakt een drukgolf die met de snelheid van het geluid een golf heen en weer stuurt in het leidingnetwerk.

Het effect van waterslag gaat gepaard met een bonkend geluid dat een paar keer herhaald kan worden voordat de druk verdwijnt. De drukstoot kan meerdere malen de werkdruklimiet van het leidingsysteem bedragen, wat kan leiden tot potentiële schade aan de leiding, de apparatuur die op de leiding is aangesloten en in sommige gevallen kan het een gevaar vormen voor mens en milieu. Het is prominenter voor elektrische of pneumatische kleppen die snel sluiten, zoals een magneetventiel.

Oorzaken van waterslag

Zoals uitgelegd treedt waterslag op in een leidingsysteem wanneer vloeistof tegen een wand loopt en de kracht een drukstoot veroorzaakt in het leidingnetwerk. De meest voorkomende wand is wanneer een klep snel sluit. Als we kijken naar een paar veelvoorkomende toepassingen, kunnen we zien hoe waterslag hierin wordt veroorzaakt:

Huishoudelijke toepassing

In een residentiële toepassing, wanneer een vaatwasser of wasmachine het water uitschakelt, sluit een magneetventiel snel en kan dit waterslag veroorzaken. Meestal veroorzaakt het geen schade, maar je kunt het wel horen. 

Industriële processen

Soortgelijke handelingen in industriële processen, zoals het snel sluiten van een klep stroomafwaarts van een draaiende pomp, kunnen leiden tot waterslag. Andere industriële processen zijn onder andere:

• Een plotselinge stop van een pomp met afdichting: Wanneer een kolom water door een pomp beweegt (een verdringerpomp en geen rotodynamische pomp), zal een plotselinge stop van de pomp zonder geleidelijke vertraging waterslag veroorzaken. In dit geval werkt de pomp als een stroomafwaartse klep die plotseling wordt gesloten.
• Het dichtslaan van een terugslagklep: Waterslag kan optreden wanneer een terugslagklep sluit. Terugslagkleppen kunnen bijna onmiddellijk sluiten als het drukverschil lager is dan de specificaties van de terugslagklep.
• In stoomproductie: Bij het opstarten van de stoomproductie leidt de hoge condensatiesnelheid tot een stroom vloeibaar condensaat die zich met een hoge snelheid verplaatst. Wanneer deze vloeistof een scherpe bocht raakt, treedt waterslag op.
• Stroomopwaarts van een draaiende pomp: Een omgekeerd effect treedt op wanneer een klep stroomopwaarts van een draaiende pomp plotseling wordt gesloten, wat resulteert in een vacuüm vlak na de klep. Dit vacuüm kan leiden tot het imploderen van de pijp.
• Initiële pijpvulling: Een ander verschijnsel van waterslag treedt op wanneer een lege pijp met hoge snelheid met water wordt gevuld en de lucht door een klein gaatje naar buiten komt. Wanneer de lucht volledig uit de pijp is, wordt de waterstroom plotseling gestopt, wat leidt tot een drukpiek.

Effecten van waterslag

Het meest fundamentele resultaat van waterslag is het bonkende geluid en de trillingen wanneer de golf heen en weer stuitert in een leidingnetwerk. De trillingen kunnen leiden tot verzwakte pijpverbindingen, vervormde pijpen en verzwakte steunen en hangers. Het kan ook leiden tot lekkages, schade aan de pijp en schade aan de apparatuur (instrumenten, pompen of drukmeters) die aan de pijp is bevestigd. In zeldzame maar ernstige gevallen kan het leiden tot ongelukken en soms zelfs tot dodelijke ongevallen.

Waterslag voorkomen

Tijdens het ontwerp en de aanleg van het leidingnetwerk is het van vitaal belang om het risico op waterslag in het leidingsysteem te beoordelen en preventieve maatregelen te installeren. Je moet zorgvuldig nadenken over de regeling van de vloeistofstroom. Mogelijke maatregelen om waterslag tegen te gaan zijn:

• Vermijd snel sluitende kleppen: Handmatige kleppen moeten langzaam worden gesloten, vooral wanneer de pompen nog draaien. Snel sluitende magneetventielen moeten worden vermeden als er geen andere mitigerende maatregelen zijn geïnstalleerd. Voor huishoudelijk gebruik zijn hoekzittingafsluiters of handmatige kogelkranen die je langzaam sluit een uitstekende afsluiter om te gebruiken in drinkwatersystemen.
• Installeer expansietanks, watertorens, surgetanks of hydraulische accumulatoren: Deze systemen vangen drukpieken op door expansie van de vloeistof toe te staan en waterslag te voorkomen.
• Verlaag de werkdruk: Vaak is de hoofddruk niet nodig in het hele leidingnetwerk. Plaatselijk de druk verlagen helpt waterslag voorkomen.
• Installeer leidingen met een hoge druk: Dit voorkomt waterslag niet, maar beschermt tegen beschadiging van de pijp.
• Procesbesturingsprocedure: Bij procedures voor opstarten en afsluiten moet rekening worden gehouden met de effecten van waterslag.
• Installeer afblaaskleppen en luchtkleppen: Luchtkleppen helpen om lagedrukgebieden te verkleinen die de versnelling van de vloeistof voorkomen. Met afblaaskleppen kan overtollige druk in de stroom worden afgevoerd.

Toepassingen van het waterslageffect

De effecten van waterslag hebben over het algemeen ongewenste gevolgen, maar het kan een aantal nuttige toepassingen hebben wanneer het opzettelijk gesimuleerd wordt. Een hydraulische ram gebruikt het waterslageffect om water op te pompen door een waterdrukhoogte bij een hoge stroomsnelheid om te zetten in een hogere drukhoogte bij een lage stroomsnelheid. Het waterslageffect kan ook lekken in een pijp detecteren en ingesloten luchtzakken opsporen.

Conclusie

Waterslag kan behoorlijk schadelijk zijn voor leidingen en de aangesloten apparatuur. Het lawaai, de trillingen en de drukpieken die worden veroorzaakt, kunnen het comfort van mensen verstoren en tot ongelukken leiden. Het wordt veroorzaakt door het plotseling stoppen van een snel bewegende vloeistof, zoals water, meestal door een klep of een scherpe bocht in een pijp. Verschillende maatregelen voorkomen waterslag, zoals het verlagen van de werkdruk, langzaam sluitende kleppen en expansietanks. Het principe van waterslag kan ook praktische toepassingen hebben, zoals het pompen van water, zoals bij de hydraulische ram.