Druk vasthouden: Stromingsverliezen bij industriële afsluiters
Door de beweging van het medium in hydraulische systemen ontstaat weerstand - als gevolg van wrijving van de vloeistof tegen de leidingwand, door richtingsveranderingen en door de ingebouwde afsluiters. Ontdek welke factoren bepalend zijn voor de efficiëntie van een systeem.
Door de beweging van het medium in hydraulische systemen ontstaat weerstand - als gevolg van wrijving van de vloeistof tegen de leidingwand, door richtingsveranderingen en door de ingebouwde afsluiters. Ontdek welke factoren bepalend zijn voor de efficiëntie van een systeem.
Pompen hebben veel energie nodig, maar verbruiken deze niet.
Volgens een onderzoek in opdracht van de Europese Commissie door het Fraunhofer-Institut wordt 12,6% van alle in de EU verbruikte energie gebruikt voor de aandrijving van pompen, het grootste deel daarvan in de industrie. Moderne, uiterst efficiënte toerengeregelde motoren en voor stroming geoptimaliseerde pomphydrauliek bieden enorme besparingsmogelijkheden. Maar pompen die vloeistoffen transporteren in industriële installaties zijn altijd slechts een onderdeel van het totale systeem. Dergelijke installaties bestaan ook uit leidingen en afsluiters. De vraag is: Bestaan er voor deze componenten ook mogelijkheden om de efficiëntie te verhogen - zodat pompen compacter kunnen worden ontworpen of met een lager toerental kunnen draaien? Het antwoord is: Ja, door stromingsverliezen te beperken.
Strikt genomen is het verkeerd om aan te nemen dat pompen veel energie verbruiken, omdat ze er eigenlijk relatief weinig van verbruiken. Integendeel: Het is juist de taak van een pomp om energie aan een systeem te leveren - in de vorm van kinetische energie van de vloeistof. De energie wordt uiteindelijk pas verbruikt in het systeem. Als we ervan uitgaan dat een pomp een rendement van maximaal 90% kan bereiken, is het werkelijke energieverbruik van de pomp zelf slechts 10% - de resterende energie wordt naar het systeem overgebracht en pas daar verbruikt, zie afbeelding.
Het is hier gemakkelijk te zien: De door de pomp opgebouwde verschildruk - dat wil zeggen de energie die in het systeem wordt gepompt - gaat tijdens het traject verloren via de leidingen en de geïnstalleerde afsluiters.
Waar bevinden zich dan de echte energievreters?
Als een vloeistof door een leiding stroomt, treden er onvermijdelijk drukverliezen op. Ten eerste door de wrijving tussen de vloeistof en de pijpwand: Hoe ruwer de binnenkant van de pijp, hoe hoger de wrijving en daarmee het drukverlies. Hier spelen het materiaal (bijv. metaal, kunststof of klei) en mogelijke afzettingen en oxidatie in de buis een rol. Aan de andere kant treden er ook wrijvingseffecten op in de vloeistof zelf vanwege de viscositeit (interne wrijving). Hoe sneller de vloeistof stroomt, hoe groter het interne wrijvingseffect. Adviseurs kunnen de verliezen als gevolg van de stromingssnelheid aanzienlijk beïnvloeden door de diameter van de leiding te vergroten. Opmerking: Bij de berekening is het drukverlies evenredig met het kwadraat van de stroomsnelheid.
Stroomverliezen en dus drukverliezen worden echter voornamelijk veroorzaakt door wervelingen en afzettingen. Kortom: Er gaat energie verloren wanneer de vloeistof wordt gehinderd om gelijkmatig te stromen. Een leidingsysteem bestaat niet slechts uit één rechte pijp. Het is gewoonlijk opgebouwd uit meerdere bochtstukken, aftakkingen, verloopstukken, verlengstukken, meters, filters en natuurlijk de aangebrachte afsluiters (van het type open/gesloten tot regelafsluiters). Elk van deze componenten leidt op zijn beurt tot drukverlies en daarmee tot energieverlies.
Deze drukverliezen worden uitgedrukt met de drukverliescoëfficiënt ζ - zeta, ook bekend als de weerstandscoëfficiënt. Het is een dimensieloze maat voor het drukverlies van een onderdeel (bijv. een afsluiter). Hoe hoger de zeta-waarde van een afsluiter, hoe hoger het drukverlies. Afsluiterfabrikanten geven bij hun afsluiters ook de KVS-waarde bij 100% klepopening aan als stromingscoëfficiënt.Deze stromingscoëfficiënt is de stroomsnelheid van water bij 20 graden Celsius, waarbij in de afsluiter een drukverschil van één bar wordt gegenereerd.
Door alle drukverliezen in de verschillende leidingelementen bij elkaar op te tellen, kan de installatiegrafiek van het leidingsysteem worden weergegeven. Aan de hand van deze installatiegrafiek wordt de stroomsnelheid berekend als functie van de doorstroming. Als u naar grote installaties kijkt met honderden afsluiters, veel afbuigingen en lange leidingen, wordt al snel duidelijk dat hier veel energie verloren gaat.
Welke rol spelen afsluiters bij het drukverlies in een leidingsysteem?
Omdat het wandoppervlak binnen een afsluiter meestal erg klein is ten opzichte van het gehele leidingsysteem, kunnen de verliezen die worden veroorzaakt door wandwrijving in een afsluiter meestal worden verwaarloosd.Het grootste deel van het drukverlies (d.w.z. deweerstandscoëfficiënt zeta ζ)wordt veroorzaakt door wervelingen, afzettingen en secundaire stromingen. De stromingsweerstand van afsluiters is daarom hoofdzakelijk afhankelijk van hoe sterk het medium wordt afgebogen bij het passeren van de afsluiter, of de dwarsdoorsnede smaller wordt en of er turbulentie optreedt aan de randen.
Afsluiters verschillen van elkaar op basis van de constructieeigenschappen van de basistypen: afsluiters, schuifafsluiters, kleppen, kranen en membraanafsluiters, evenals op basis van de functionele kenmerken van afsluit-, veiligheids-, bedienings-, regelafsluiters, terugslagkleppen en filters. Als we kijken naar de interne structuur van de verschillende typen, wordt al snel duidelijk dat de verschillen in stroomeigenschappen zeer groot zijn.
Bij deze eenvoudige schuifafsluiter van het type KSB ECOLINE GT 40 is duidelijk te zien dat de doorstroming van het medium slechts zeer weinig wordt verstoord wanneer de afsluiter volledig geopend is. De vloeistof kan vrijwel ongehinderd doorstromen.
De opening van deze klepafsluiter met schuine zitting van het type BOA-Compact is nog steeds gunstig voor de doorstroming - toch kan er hier al een klein drukverlies optreden als gevolg van vernauwingen en wervelingen. Door de speciale vorm van het afsluithuis als regelconus is deze afsluiter zeer geschikt voor afsluit- en regeltoepassingen.
Bij deze balgafsluiter van het type KSB BOA-H is duidelijk te zien in welke richting de vloeistof door de afsluiter moet stromen. De stroming wordt op verschillende punten omgeleid.Hoewel deze omleidingen een bepaalde stromingsweerstand met zich meebrengen, zorgen ze ook voor goede afsluit- en regeleigenschappen van de afsluiter.
De tabel toont de zeta-waarden van verschillende KSB-afsluiters voor verschillende nominale diameters (voor de BOA-W zijn dit waarden van de oude serie, de huidige waarden zijn beter). De weerstanden van de series verschillen doorgaans vanwege hun zeer verschillende ontwerpeigenschappen. De eenvoudige relatie tussen lage zeta-waarde en hoge energie-efficiëntie geldt in principe hoofdzakelijk voor afsluitkleppen. Bij afsluiters voor smoren en regeling is een ontwerp met extra weerstand gewenst of absoluut noodzakelijk.
KSB biedt voor elke toepassing de passende afsluiters
Als leverancier van een totaalpakket op het gebied van afsluiters bieden wij een breed scala aan verschillende ontwerpen. Naast afsluiters, schuifafsluiters, kleppen, kogelkranen, membraanafsluiters en regelafsluiters vindt u bij KSB ook passende aandrijvingen, positieregelaars en filters. We bieden zeer uiteenlopende producten die stuk voor stuk profiteren van onze 150 jaar aan ervaring en ons streven om altijd de beste oplossing voor onze klanten te ontwikkelen.
Vooral in tijden van sterk stijgende energieprijzen wordt efficiëntie steeds belangrijker - in uitgebreide industriële toepassingen nog meer dan in de gebouwentechniek. Hier zijn drukverliezen minder relevant, omdat de stroomsnelheden van 0,7 m/s relatief gering zijn. In de industrie stromen vloeistoffen met snelheden tot 4 m/s, daarom wordt hier eerder naar het energieverbruik van het gehele systeem gekeken.
Onze technici richten zich daarom bij de productontwikkeling op een aantal prioriteiten: Natuurlijk ligt de focus van onze inspanningen op maximale operationele veiligheid en een lange levensduur. Tegelijkertijd worden de afsluiters zo ontworpen dat ze de doorstroming zo min mogelijk belemmeren. Onze BOAX- of ISORIA-vlinderkleppen hebben bijvoorbeeld bijzonder dunne schijven om zo min mogelijk weerstand te genereren. De rentabiliteit van onze producten is een derde prioriteit. Niet alles wat technisch mogelijk is, is ook commercieel zinvol. Hier is het belangrijk de optimale keuzes te maken zonder dat dit ten koste gaat van de kwaliteit.
Duidelijke ontwikkeling naar grotere efficiëntie: Aan de linkerkant een zachtdichtende klep van het verouderde type BOA-W, in het midden een BOA Compact en rechts de bijzonder efficiënte en compacte klep van het type BOA SuperCompact.
Over het algemeen hecht KSB grote waarde aan de hoogst mogelijke efficiëntie van zijn producten, of het nu gaat om gigantische motoren voor de aandrijving van grote pompen of een kleine vlinderklep. Ons doel is altijd om de gebruikte middelen zo spaarzaam mogelijk te gebruiken en de CO2-voetafdruk zo klein mogelijk te houden.
Gebruikte producten
BOA-Compact
Afsluiter conform DIN/EN met flenzen, in korte bouwlengte EN 558/14, uitvoering met schuine zitting en recht bovendeel, eendelig huis, EPDM-ommantelde regelconus, zachtdichtende doorlaatafdichting en terugstroomafdichting, standindicator, vastzetinrichting, slagbegrenzing, isolatiekap met dauwpuntblokkering, onderhoudsvrij, volledig isoleerbaar.
BOA-H
Afsluiter conform DIN/EN met flenzen, met balg, recht bovendeel, met afsluitconus of regelconus, standaard standindicator met kleuraanduiding om de uitvoering te onderscheiden, vervangbare conus, beveiligde balg bij volledig geopende afsluiter, afdichtingsvlakken van slijtvast en corrosiebestendig chroomstaal of chroomnikkelstaal.
ISORIA 10/16
Centrische vlinderklep met vierkant asuiteinde volgens ISO 5211, met elastomeer-ringbalg, handgreep of handbediende reductiekast, pneumatische, elektrische of hydraulische actuator, ringvormig huis (T1), huis met centreerogen (T2), huis met draadflensogen (T4), huis in U-profielmodel zonder afdichtvlak (T5). De huistypen T2 en T4 staan eenzijdig afflenzen en inbouw als eindafsluiter met tegenflens toe. Aansluitingen conform EN, ASME, JIS.
SISTO-20
Membraanafsluiter conform DIN/EN met flenzen, draadmofaansluiting of lasmofaansluiting, recht model met verbindingsstuk, afdichting in doorlaat en naar buiten door een ondersteund en ingesloten afsluitmembraan, huis met coating en bekleding, klepstandindicatie met geïntegreerde spindelbeveiliging, alle werkende delen die buiten het bedrijfsmedium liggen zijn onderhoudsvrij.
NORI 40 ZXLF/ZXSF
Afsluiter conform DIN/EN met flenzen (ZXLF), lasuiteinden of lasmoffen (ZXSF), met stopbuspakking, recht bovendeel, met afsluitconus of regelconus, niet-draaiende spindel, geïntegreerde standindicator, afdichtingsvlakken van slijtvast en corrosiebestendig chroomstaal of chroomnikkelstaal.
SERIE 2000
Tweebladige terugslagklep in klemuitvoering, eendelig huis van lamellair gietijzer, nodulair gietijzer, staal, roestvast staal of metaal-elastomeer-afdichting of metaal-metaal-afdichting, onderhoudsvrij, aansluitingen conform EN, ASME of JIS.
