Guinguette Marais Poitevin

Figuur 1. Centrifugaalpomp

Karakteristieken

Het creëren van een weerstand tegen de stroming regelt de kinetische energie van een vloeistof die uit een waaier komt. De eerste weerstand wordt opgewekt door het pomphuis, dat de vloeistof opvangt en afremt. Wanneer de vloeistof in het pomphuis afremt, wordt een deel van de kinetische energie omgezet in drukenergie. Het is de weerstand tegen het debiet van de pomp die wordt afgelezen op een manometer die aan de persleiding is bevestigd. Een pomp creëert geen druk, maar alleen stroming. De druk is een maat voor de weerstand tegen de stroming.

Figuur 2. Weergave van statische opvoerhoogte, statische zuighoogte en totale statische opvoerhoogte

opvoerhoogte-weerstand tegen stroming

In Newtoniaanse (echte) vloeistoffen (niet-visceuze vloeistoffen, zoals water of benzine) is de term opvoerhoogte de meting van de kinetische energie die een centrifugaalpomp opwekt. Stel je een pijp voor die een waterstraal recht de lucht in schiet. De hoogte die het water bereikt is de opvoerhoogte. De opvoerhoogte meet de hoogte van een vloeistofkolom, die de pomp kan creëren als gevolg van de kinetische energie die de centrifugaalpomp aan de vloeistof geeft. De belangrijkste reden om de opvoerhoogte in plaats van de druk te gebruiken om de energie van een centrifugaalpomp te meten, is dat de druk van een pomp verandert als het soortelijk gewicht van de vloeistof verandert, maar de opvoerhoogte verandert niet. Eindgebruikers kunnen de prestaties van een pomp op een Newtonse vloeistof, of deze nu zwaar (zwavelzuur) of licht (benzine) is, altijd beschrijven aan de hand van de opvoerhoogte. De opvoerhoogte is gerelateerd aan de snelheid waarmee de vloeistof door de pomp stroomt.

Alle vormen van energie die bij een vloeistofstroming zijn betrokken, kunnen worden uitgedrukt in voeten vloeistof. Het totaal van deze opvoerhoogten bepaalt de totale opvoerhoogte van het systeem of het werk dat een pomp in het systeem moet verrichten. De verschillende soorten opvoerhoogte – wrijving, snelheid en druk – worden in dit hoofdstuk gedefinieerd.

Wrijvingsopvoerhoogte (hf)

Wrijvingsopvoerhoogte is de opvoerhoogte die nodig is om de stromingsweerstand in de leiding en appendages te overwinnen. Deze opvoerhoogte is afhankelijk van de grootte, de conditie en het type leiding; het aantal en type fittingen; de stroomsnelheid; en de aard van de vloeistof.

Wrijvingsopvoerhoogte (hv)

Wrijvingsopvoerhoogte is de energie van een vloeistof als gevolg van zijn beweging met een bepaalde snelheid (V). Het is de equivalente opvoerhoogte in voeten waardoor het water zou moeten vallen om dezelfde snelheid te bereiken of, met andere woorden, de opvoerhoogte die nodig is om het water te versnellen. De opvoerhoogte kan worden berekend met de volgende formule:

Waar:
g = 32.2 ft./sec.2
V = vloeistofsnelheid in ft./sec.

De snelheidsopvoerhoogte is meestal onbelangrijk en kan worden genegeerd in de meeste systemen met hoge opvoerhoogte. De opvoerhoogte kan echter een grote factor zijn en moet in aanmerking worden genomen bij systemen met lage opvoerhoogte.

Drukopvoerhoogte
Drukopvoerhoogte moet in aanmerking worden genomen wanneer een pompsysteem begint of leegloopt in een tank die onder een andere druk staat dan de atmosferische druk. De druk in zo’n reservoir moet eerst worden omgerekend naar voeten vloeistof. Een vacuüm in de aanzuigtank of een positieve druk in de afvoertank moet bij de opvoerhoogte van het systeem worden opgeteld, terwijl een positieve druk in de aanzuigtank of een vacuüm in de afvoertank daarvan moet worden afgetrokken. Hieronder volgt een formule voor het omzetten van inch kwikvacuüm in voet vloeistof:

De verschillende soorten opvoerhoogte worden gecombineerd om de totale systeemopvoerhoogte te vormen bij een bepaald debiet. De beschrijvingen in dit hoofdstuk hebben betrekking op deze gecombineerde of dynamische opvoerhoogten, zoals die van toepassing zijn op de centrifugaalpomp.

Totale dynamische opvoerhoogte (hs)
De totale dynamische opvoerhoogte is de statische opvoerhoogte minus de snelheidsopvoerhoogte bij de zuigflens van de pomp plus de totale wrijvingsopvoerhoogte in de zuigleiding. De totale dynamische zuighoogte, zoals bepaald bij een pomptest, is de aflezing van een meter op de zuigflens, omgerekend in voeten vloeistof en gecorrigeerd naar de middellijn van de pomp, min de opvoerhoogte op het punt waar de meter is bevestigd.

Totale dynamische opvoerhoogte (hd)
De totale dynamische opvoerhoogte is de statische opvoerhoogte plus de opvoerhoogte bij de pompafvoerflens plus de totale wrijvingsweerstand in de persleiding. De totale dynamische opvoerhoogte, zoals bepaald bij een pomptest, is de aflezing van een meter bij de persflens, omgerekend naar voet vloeistof en gecorrigeerd naar de hartlijn van de pomp, plus de snelheidsopvoerhoogte op het punt waar de meter is bevestigd.

Pomptermen

Aanzuighoogte bestaat wanneer de toevoerbron zich onder de hartlijn van de pomp bevindt. Daarom is de statische opvoerhoogte de verticale afstand in voeten van de middellijn van de pomp tot het vrije niveau van de te verpompen vloeistof.

Aanzuighoogte bestaat wanneer de toevoerbron zich boven de middellijn van de pomp bevindt. Daarom is de statische opvoerhoogte de verticale afstand in voeten van de middellijn van de pomp tot het vrije niveau van de te verpompen vloeistof.

Statische opvoerhoogte is de verticale afstand in voeten tussen de middellijn van de pomp en het punt van vrije uitstroom of het oppervlak van de vloeistof in de afvoertank.

Totale statische opvoerhoogte is de verticale afstand in voeten tussen het vrije niveau van de toevoerbron en het punt van vrije uitstroom of het vrije oppervlak van de te verpompen vloeistof.

Totale opvoerhoogte of totale dynamische opvoerhoogte
Totale opvoerhoogte (H), of totale dynamische opvoerhoogte (TDH), is de totale dynamische opvoerhoogte min de totale dynamische opvoerhoogte aan de zuigzijde:

TDH = hd + hs (met aanzuighoogte)
TDH = hd – hs (met aanzuighoogte)

Kracht

Het werk dat door een centrifugaalpomp wordt verricht, is een functie van de totale opvoerhoogte en het gewicht van de vloeistof die in een bepaalde tijdsperiode wordt verpompt. De pompcapaciteit in gallons per minuut en het soortelijk gewicht van de vloeistof worden gewoonlijk in de formules gebruikt in plaats van het werkelijke gewicht van de vloeistof.

Pompinput of brake horsepower (BHP) is de werkelijke paardenkracht die aan de pompas wordt geleverd. Pompoutput of water horsepower (WHP) is de vloeistofkracht die door de pomp wordt geleverd. Deze twee termen worden gedefinieerd door de volgende formules:

Een pompprestatiecurve lezen

Pompkarakteristieken, zoals debiet, druk, efficiëntie en remvermogen, worden grafisch weergegeven in een pompcurve. Het eerste punt waarnaar gekeken moet worden is de grootte van de pomp. De grootte van de pomp, 2×3-8, wordt in het bovenste deel van de grafiek weergegeven. De getallen 2×3-8 geven aan:

• De uitlaat (afvoerpoort) is 2 inch.
• De inlaat (aanzuigpoort) is 3 inch.
• De waaier heeft een diameter van 8 inch.

Bij sommige bedrijven wordt het getal soms als 3×2-8 weergegeven. Het grootste van de eerste twee getallen is de inlaat. De pompsnelheid (omw/min) wordt ook weergegeven in het bovenste deel van de grafiek en geeft de prestaties aan bij een toerental van 3.560 omw/min. Alle informatie is representatief voor dit bedrijfstoerental.

Capaciteit of debiet wordt onderaan de curve weergegeven. De debietniveaus worden getoond voor het bedrijfstoerental van 3.560 omw/min, maar geven het effect van de opvoerhoogte aan als de uitlaat wordt gesmoord.

De linkerkant van de prestatiecurve toont de opvoerhoogte (voet) die bij de verschillende debieten wordt gegenereerd. In de grafiek zijn meerdere debiet- versus opvoerhoogtecurven te zien (zie figuur 3). Elke curve vertegenwoordigt een andere (getrimde) waaiergrootte. Voor deze pomp is het bereik van de waaiers 5,5 inch tot 8,375 inch.

Figuur 3. Voorbeeld van de prestatiecurve van de pomp

De rendementscurven zijn over de grafiek gelegd (verticale lijnen) en geven voor deze pomp een rendement van 64 tot 45 procent aan. Naarmate de opvoerhoogte toeneemt, nemen debiet en efficiëntie af.

Remkracht wordt weergegeven met de stippellijnen diagonaal getrokken van linksboven naar rechtsonder. De BHP-curven worden getoond voor 7,5 tot 30 pk. Bij gebruik van de 8-inch waaier met een debiet van 250 gpm is het BHP ongeveer 25 pk.

Affinity Laws Applied to Centrifugal Pump Applications

Pomp- en systeemcurves
De pompcurve is uitsluitend een functie van de fysieke eigenschappen van de pomp. De systeemkromme is volledig afhankelijk van de grootte van de leiding, de lengte van de leiding, het aantal en de plaats van de ellebogen, en andere factoren. Waar deze twee krommen elkaar snijden is het natuurlijke bedrijfspunt (zie figuur 4). Hier komt de pompdruk overeen met de systeemverliezen en is alles in balans.

Figuur 4.

Als het systeem deel uitmaakt van een proces dat vaak of voortdurend verandert, dan is een methode nodig om de pompkarakteristieken of de systeemparameters te wijzigen. Er zijn twee methoden om de doelstelling van een continu variërend debiet te bereiken. De ene methode is smoren, waarbij de systeemcurve wordt gewijzigd met behulp van een regel- of smoorklep. De andere methode is het variëren van de snelheid van de pomp, waardoor de pompkarakteristiek verandert.

Throttling System
Bij de throttling methode neemt de opvoerdruk toe door het debiet te belemmeren. Een systeem met twee verschillende klepinstellingen is afgebeeld in figuur 6.

Figuur 5. Smoorsysteem

Figuur 6. Voorbeeld van het benodigde vermogen voor het smoorsysteem

Laten we ter vergelijking een voorbeeld nemen van het benodigde vermogen voor het smoorsysteem en daarna voor het systeem met variabele snelheid. Er wordt een pomp gebruikt (met een waaier van 8 inch) die werkt met een basissnelheid van 3.560 omw/min. Deze pomp moet een systeem aandrijven dat een opvoerhoogte heeft van 250 voet bij 250 gpm (zie figuur 6).

Uit de getoonde informatie kunnen de benodigde paardenkrachten voor het debiet van het smoorsysteem worden afgelezen in tabel 1.

Tabel 1. Vermogensbehoefte van het smoorsysteem

Variabel toerental
In vergelijking daarmee maakt de methode met variabel toerental gebruik van de verandering in de pompkarakteristieken die optreedt wanneer het toerental van de waaier wordt gewijzigd (zie figuur 7). De lagere pompsnelheid verandert de pompkarakteristiek op basis van de opvoerhoogte die wordt gegenereerd door de snelheid van de te verpompen vloeistof. Onthoud dat de opvoerhoogte gelijk is aan V2/2g.

Figuur 7.

Affiniteitswetten
Een reeks formules die wordt gebruikt om de werking van een centrifugaalpomp op elk bedrijfspunt te voorspellen op basis van de oorspronkelijke pompkenmerken, staat bekend als de affiniteitswetten.

Waar:
N = Pompsnelheid
Q = Debiet (gpm)
P = Druk (voet)
HP = Paardenkracht

Gebruik makend van hetzelfde pompvoorbeeld als het smoorsysteem, worden de benodigde vermogens voor het systeem berekend voor verschillende
snelheden (zie Tabel 2).

Gebruik de affiniteitswetten om de waarden voor de rest van de bedrijfspunten te berekenen. Het is duidelijk dat voor het variëren van de snelheid veel minder vermogen nodig is. Om het werkelijk benodigde vermogen te bepalen, moet het rendement van de aandrijving worden meegerekend. De energiebesparing zal afhangen van de tijd dat de pomp op elk gereduceerd toerentalpunt draait.

Om de werkelijke besparing te berekenen, moet het remvermogen worden omgezet in watt en vervolgens worden vermenigvuldigd met het aantal bedrijfsuren. Het resultaat wordt vervolgens vermenigvuldigd met de kosten per kilowattuur om de kosten te berekenen voor de werking van de pomp bij elk debietpunt. Trek de variabele snelheidswaarde af van de smoorwaarde om het verschil in energiekosten te zien.

Gebruik makend van de cijfers in tabel 2, is voor een debiet van 200 gpm bij smoorregeling 22,5 paardenkracht nodig. Met variabele snelheid is slechts 12,8 pk nodig. Als het debiet nodig is voor 2.000 uur per jaar tegen 7 cent per kilowattuur, is de kostenvergelijking:

Throttling systeem:
22,5 HP x 0,746 = 16,785 kW
16,785 x 2.000 = 33.570 kWh
33.570 x 0.07 = $2.350

Variabel toerental systeem:
12,8 x 0,746 = 9,5488 kW
9,5488 x 2.000 = 19.097 kWh
19.097 x 0,07 = $1.337

Besparing:
$2.350 -$1.337 = $1.013

Aan het voorbeeld was geen statische opvoerhoogte gekoppeld. Een systeem met statische opvoerhoogte verandert de systeemcurve en de benodigde paardenkracht. Hoe groter de statische opvoerhoogte in een systeem, hoe lager de mogelijke energiebesparing. Dit komt omdat de systeemcurve vlakker is, zodat de meeste energie wordt gebruikt om de hoogteverandering te overwinnen die gepaard gaat met systemen met een hoge statische opvoerhoogte.

Conclusie

Dit artikel illustreert hoe centrifugaalpompen door hun inherente werking bij uitstek geschikt zijn voor energiebesparing. De meeste pompsystemen zijn ontworpen en overgedimensioneerd voor de slechtst denkbare belastingsomstandigheden. Volgens het principe van de affiniteitswetten kan, door alleen al het debiet van een te grote centrifugaalpomp met 20 procent te verlagen, het energieverbruik met ongeveer 50 procent worden verminderd, wat resulteert in dramatische energiebesparingen.