Druk vasthouden: Stromingsverliezen bij industriële afsluiters

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.

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.

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.

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.