8 Transport van vloeistoffen pompen PDF

Preview

Summary

Vloeistoffen vertransporteren...

Description

Vlaamse Dienst voor Arbeidsbemiddeling en Beroepsopleiding

MODULE 8 TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN

PS Nr 24530 Deze cursus is eigendom van de VDAB©

2/78

Inhoudsopgave 1

INLEIDING ..................................................................................................... 4

2

OPVOERDRUK.............................................................................................. 5

3

SOORTEN STROMING ................................................................................. 8

3.1

L- en T- Stroming........................................................................................................ 8

3.2

Capaciteit van leidingen........................................................................................... 11

4 FACTOREN DIE INVLOED HEBBEN OP DE WEERSTAND DIE DE VLOEISTOF ONDERVINDT .............................................................................. 13 4.1

De inwendige diameter en de lengte van de leiding .............................................. 13

4.2

Aantal en soort appendages in het leidingsysteem............................................... 15

5

INDELING VAN DE POMPEN..................................................................... 20

5.1 Impulspompen .......................................................................................................... 21 5.1.1 De centrifugaalpompen ....................................................................................... 21 5.1.1.1 Soorten waaiers............................................................................................... 22 5.1.1.2 Asafdichting van de centrifugaalpompen ......................................................... 26 5.1.1.3 Leidingkarakteristiek, pompkarakteristiek en werkpunt. ................................... 31 5.1.1.4 Pompen met instabiele pomp - karakteristiek................................................... 33 5.1.1.5 Parallel- en serieschakeling van pompen......................................................... 34 5.1.1.6 Zuighoogte, NPSH........................................................................................... 38 5.1.1.7 Pomprendementen .......................................................................................... 43 5.1.1.8 Regelingen bij centrifugaalpompen.................................................................. 45 5.1.1.9 Opstelling en opstarten van centrifugaalpompen ............................................. 48 5.1.1.10 Speciale pompuitvoeringen............................................................................. 48 5.1.1.11 In bedrijfname van de centrifugaalpomp en storingen..................................... 51 5.1.2 De ejecteur ......................................................................................................... 54 5.2 Verdringerpompen ................................................................................................... 56 5.2.1 Verdringerpompen met heen en weer gaande beweging .................................... 56 5.2.1.1 Zuigerpompen.................................................................................................. 56 5.2.1.2 Plunjerpompen................................................................................................. 60 5.2.1.3 Membraanpompen........................................................................................... 61 5.2.1.4 Constructieve details over heen- en weergaande pompen .............................. 66 5.2.1.5 Windketels ....................................................................................................... 68 5.2.2 Roterende verdringerpompen.............................................................................. 69 5.2.2.1 Tandwielpompen.............................................................................................. 69 5.2.2.2 Schottenpompen.............................................................................................. 71 5.2.2.3 Wormpomp ...................................................................................................... 73 5.2.2.4 De monopomp ................................................................................................. 74 5.2.2.5 De slangenpomp.............................................................................................. 76

6

COLOFON ................................................................................................... 78

MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

3/78 Opmerkingen - persoonlijke nota's

MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

4/78

1

INLEIDING

De mens is al zeer lang bezig met het ontwikkelen van methoden om vloeistoffen te transporteren of te verpompen. De onderstaande afbeelding geeft ons een idee hoe de eerste apparatuur, die hiervoor gebruikt werd, er moet uitgezien hebben.

We noemen dit de "schroef van Archimedes" genaamd naar zijn uitvinder. Daarna (200 v.Chr.) werd deze schroef verder gemoderniseerd en zelfs tot op vandaag wordt dit systeem nog steeds gebruikt. ( rioolgemaal van de Antwerpse ring)

Vandaag is transporteren één van de belangrijkste Unit-operations in de procesindustrie. Een goed begrip en achtergrond van de elementaire pomptechniek is dan ook onontbeerlijk voor een correct gebruik. De bedoeling van deze module is dat je diverse soorten pompen leert kennen en herkennen, om ze nadien op kundige wijze te gebruiken en om zoveel mogelijk storingen te voorkomen die leiden tot productieverlies.

MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

5/78

2

OPVOERDRUK

Vloeistoffen kunnen zowel continu als discontinu getransporteerd worden en dit gebeurt door middel van leidingen. Een belangrijk gegeven hierbij is dat stroming van vloeistoffen slechts mogelijk is op voorwaarde dat er een drukverschil over de leiding aanwezig is. Dit drukverschil kan op verschillende manieren veroorzaakt worden. In eerste instantie kan een drukverschil tussen twee vaten (figuur 2, pg 5) er de oorzaak van zijn dat vloeistof van vat A naar vat B stroomt. Ook een hoogteverschil kan worden opgevat als een verschil in druk. De aantrekkingskracht van de aarde zorgt voor een kracht op de vloeistof die groter is naarmate de vloeistof zich hoger boven de aarde bevindt. Dit verklaart tevens waarom beken en rivieren steeds zeewaarts stromen. Wanneer men dus een vloeistof vanuit een hoger gelegen vat naar een lager gelegen vat wil transporteren, dan is er een drijvende kracht voor stroming aanwezig en heeft men behalve een transportleiding geen andere apparatuur nodig (figuur 3). Meestal ligt de zaak echter niet zo eenvoudig. In de praktijk zijn de omstandigheden immers zeer vaak zo dat een vloeistof niet naar beneden, maar horizontaal of omhoog getransporteerd moet worden. In dergelijke situaties heeft men hulpapparatuur nodig om stroming van de vloeistof mogelijk te maken. Daarom worden in het leidingsysteem pompen tussengeschakeld die er voor zorgen dat er een constant drukverschil onderhouden wordt over het systeem.(figuur 4).

MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

6/78 Dit drukverschil zal groter moeten zijn naarmate een groter hoogteverschil overwonnen moet worden tussen het begin en het einde van de transportleiding. De druk die onstaat door een hoogteverschil kan berekend worden door de volgende formule:

P = ρ. g. H Waarin

:

P = druk in Pa (Pascal) ρ = dichtheid in kg / m3 g = valsnelheid in m / s2 H = Hoogte in m

Voorbeeld Een leiding van 5 m hoog bevat kwik (dichtheid = 13600 kg / m3 ). Wat is de druk onderaan deze leiding ? P = 13600 kg . 9.81 m . 5 m m3 s2 P = 667080 kg ms2

1 kg ms2

= 1 Pa (Pascal)

Nu is 100.000 Pa = 1 bar

Dus P = 6.67 bar

OPDRACHT

We hebben een kolom waarin zich alcohol bevindt. De vloeistofhoogte = 15 meter. De dichtheid van de alcohol is gelijk aan 0.8 kg / dm3. Wat is de druk onderaan, 1 meter voor het einde van de kolom? Geef uw antwoord weer in Pa en bar.

MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

7/78

Bestudeer de volgende situatie waarbij we aannemen dat de vloeistofniveaus in functie van het proces constant blijven. De effectieve druk is deze druk die we aflezen op de manometer. De absolute druk is deze druk gerekend vanaf het absolute nulpunt.

Pomp Pz = Zuigzijde van de pomp Pp = Perszijde van de pomp Wat is nu de minimum druk die de pomp moet overwinnen om vloeistof van vat A naar vat B te steken ? Het leidingnetwerk vertegenwoordigt een weerstand die we kunnen uitdrukken in een drukval. Deze bedraagt 0.4 bar.

OPDRACHT

Tracht deze opgave op te lossen leg uit aan je instructeur.

Om de opvoerdruk factoren nodig: -

van een pomp dus te berekenen hebben we volgende de zuigdruk de persdruk de leidingweerstand de vloeistofeigenschappen

MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

8/78

3

SOORTEN STROMING

Vooraleer we verder gaan met het berekenen van de totaaldruk die de pomp zal moeten overwinnen om vloeistof te kunnen transporteren, gaan we eerst eens bekijken welke soort stromingen er bestaan. Daarnaast zullen we de capaciteit van leidingen eens bekijken bij bepaalde snelheid en diameter.

3.1

L- en T- Stroming

We kennen twee soorten stromingen dewelke zich onderscheiden van elkaar door de manier waarop de afzonderlijke vloeistofdeeltjes zich voortbewegen tijdens de stroming door de leiding. Indien de vloeistofsnelheid laag is stromen de afzonderlijke deeltjes allemaal keurig in dezelfde richting en schuiven als het ware in lagen over elkaar heen. Er is nauwelijks of geen uitwisseling van vloeistofdeeltjes tussen de lagen onderling. Bij transport door de leiding hebben de deeltjes in het hart van de leiding de grootste snelheid omdat deze het minst geremd worden. Dichter bij de wand van de leiding wordt de snelheid steeds kleiner en aan de wand van de leiding is de vloeistofsnelheid vrijwel nul. Men kan dit schematisch voorstellen door concentrische buizen.

Dit type stroming noemt men een laminaire stroming

MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

9/78 De snelheid van de vloeistof, gezien over de doorsnede van de leiding, is dan zoals weergegeven in volgende figuur:

Zo'n laminaire stroming zou men ook kunnen voorstellen als een spel kaarten over een stroef tafeloppervlak. De onderste kaart blijft op de tafel liggen terwijl de hoger liggende kaarten allemaal verschuiven met verschillende snelheid. De bovenste kaart schuift hierbij het snelst en komt bijgevolg ook het verst. Dit soort stroming kan alleen bestaan bij lage vloeistofsnelheden. Als de stromingssnelheid nu toeneemt, gaan de vloeistofdeeltjes door de hele leiding heen wervelen. Van concentrische stroombanen is dan geen sprake meer en de snelheid waarmee de vloeistofdeeltjes door de leiding worden getransporteerd is voor elk deeltje ongeveer gelijk.

De leidingwand oefent enkel een remmende werking uit op de deeltjes die het dichtst bij de wand zitten. Het snelheidsprofiel over de leidingdoorsnede ziet er nu als volgt uit: MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

10/78

Het kenmerkende verschil tussen laminaire (L) en turbulente (T) stroming is dus dat bij turbulente stroming volledige menging optreedt over de hele leiding doorsnede. Bij laminaire stroming treedt er geen menging in zijdelingse richting op. Het optreden van L- of T - stroming is afhankelijk van de volgende factoren: • • • •

de inwendige leidingdiameter (d) de gemiddelde vloeistofsnelheid (v) de dichtheid van de vloeistof (ρ) de viscositeit van de vloeistof (η)

We kunnen voorspellen met wat voor soort stroming we te maken hebben aan de hand van het Reynoldsgetal Re.

Re = ρ. v. d η

We vinden in de formule alle bovenvermelde symbolen terug.

OPDRACHT

Tracht te bepalen wat de dimensie is van het Reynoldsgetal. Verklaar aan je instructeur.

MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

11/78 Op basis van de getalwaarden die we bekomen aan de hand van deze formule kunnen we dan uitmaken met wat voor stroming we te maken hebben. Een getalwaarde < 2100 geeft ons een stabiel Laminaire stroming Een getalwaarde > 4000 geeft ons een stabiel Turbulente stroming Er is dus een tamelijk groot overgangsgebied tussen de 2100 en 4000. Het stromingsbeeld in dit overgangsgebied is erg instabiel. Het ene moment is de stroming laminair en even later turbulent. Ook van plaats tot plaats verschilt het stromingsbeeld.

3.2

Capaciteit van leidingen

Aan de hand van het Re zullen we nu trachten te berekenen hoeveel vloeistof er per tijdseenheid en bij verschillende leidingdiameters door een leiding getransporteerd kan worden.

OPDRACHT

Aan de hand van de formule voor berekening van het Reynoldsgetal zullen we vooreerst gaan bepalen wat de snelheid is van de vloeistof bij een gegeven leidingdiameter. Bereken voor water (dichtheid = 1 kg / dm3, viscositeit = 1 g / m.s) en in een leiding van 1 duim, wat de snelheid is van de vloeistof bij een: Re = 2100 Re = 4000 Re = 100.000 Indien je moeilijkheden hebt bij deze berekening, vraag hulp aan je instructeur

Aan de hand van de bekomen vloeistofsnelheden gaan we vervolgens de hoeveelheid vloeistof berekenen die per tijdseenheid door de leiding gaat.

MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

12/78 De formule die we hiervoor gaan gebruiken:

Q = A. v. t

Waarin:

Q A v t

= capaciteit ( m3 / tijd ) = Oppervlak ( m2 ) = snelheid ( m / s ) = Tijd ( seconden )

OPDRACHT

Bereken nu in de 3 gevallen van voorgaande opdracht wat de capaciteit is van de leiding bij de verschillende berekende snelheden voor overeenkomstige Re's ? Geef je antwoord weer in m3 / h Indien je moeilijkheden ondervindt bij deze berekening, vraag hulp aan je instructeur

We mogen ervan uit gaan dat de maximale snelheid voor water in een leiding = 4 m / s. De voorkeurszone voor water ligt tussen de 0.8 m/s en 4 m/s. Deze leidingcapaciteiten zijn terug te vinden in een zogenaamd nomogram. Dit nomogram zit als bijlage in deze module en is terug te vinden achteraan. Zoek op dit nomogram of je berekening voor een Re van 100000 ook werkelijk klopt Dit nomogram is niet enkel bedoeld voor water maar ook de zone voor lucht kan je op de grafiek terugvinden.

OPDRACHT

Lees af op de grafiek wat het debiet is voor leiding met diameter 900 mm bij een vloeistofsnelheid van 14.4 km / h?

MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

13/78

4

FACTOREN DIE INVLOED HEBBEN OP DE WEERSTAND DIE DE VLOEISTOF ONDERVINDT

Men kan deze factoren indelen in twee categorieën: Enerzijds zijn er de factoren die te maken hebben met het leidingsysteem waardoor de vloeistof stroomt. Deze zijn: - De inwendige diameter van de leiding - De lengte van de leiding - Aantal en soort van appendages in het leidingsysteem - Slijtage van de leidingen Anderzijds zijn er een aantal eigenschappen van de vloeistof zelf die een belangrijke rol spelen: - De viscositeit van de vloeistof - De dichtheid van de vloeistof - De snelheid van de vloeistofstroom

OPMERKING De berekeningen die we gaan maken zijn allemaal gebaseerd op het werken met water als procesvloeistof. De meeste grafieken en tabellen die we in deze module gaan gebruiken zijn enkel toepasbaar voor water. Indien we deze berekeningen willen maken voor andere procesvloeistoffen (andere dichtheden, viscositeiten) moeten we dan ook de aangepaste tabellen hiervoor gebruiken. Deze tabellen zijn in de meeste gevallen terug te vinden in de literatuur.

4.1

De inwendige diameter en de lengte van de leiding

We mogen aannemen dat hoe kleiner de diameter van leiding is, hoe meer hinder de vloeistof ondervindt om door de leiding te geraken. Dit resulteert dan in een grotere benodigde druk om de vloeistof door de leiding te krijgen. Omwille van de wrijving met de leidingwand wordt de snelheid van de moleculen die onmiddellijk langs deze wand passeren zeer sterk afgeremd. De moleculen die zich iets meer aan de binnenzijde van de leiding bevinden, zullen iets sneller blijven stromen. (zie laminaire stroming) Zo kan je besluiten dat de vloeistoffen in grotere leidingen sneller zullen vloeien daar in het middelpunt van de leiding vloeistofmoleculen minder hinder ondervinden van de vloeistofdeeltjes aan de wand.

MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

14/78 De leidingweerstand kan proefondervindelijk of door berekening gevonden worden. De resultaten hiervan worden vastgelegd in diagrammen en tabellen. Onderstaande tabel geldt enkel voor water.

Wat lezen we hier nu in feite op af? Op de X-as staat het debiet weergegeven in m3 / h. Op de Y-as staat de leidingweerstand uitgedrukt in meter vloeistofkolom per 100 m aanwezige rechte leiding. We kunnen deze leidingweerstand in meter vloeistofkolom omzetten naar een druk in bar met de formule P = ρ. g. H

MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

15/78 We zullen dit even illustreren met een voorbeeld: Stel dat we een horizontale leiding zouden hebben van 150 m lang. Deze leiding heeft een diameter van 100 mm en de volumestroom is 100 m3 / h, wat is dan de druk die de pomp moet leveren om overeenkomstig volume te verpompen? Op de grafiek kan je aflezen dat voor 100 m3 / h en een leidingdiameter 100 mm een leidingweerstand heerst van ca. 10 m per 100 m rechte leiding. Met deze 10 m wordt dan hydrostatische druk bedoeld. (10 m waterkolom). Nu hebben we geen 100 m maar 150 m leiding. Dus via de regel van drie zien we: 10 m x 150 m = 15 m waterkolom 100 m Als we dit nu naar een druk in bar willen omrekenen: P = 1000 kg. 9.81 m. 15 m = 147150 Pa = ca. 1,47 bar m3 s2 Om dus water door deze horizontale rechte leiding te verpompen, hebben we een minimale druk van 1.47 bar nodig. Merk wel op dat de druk > 1,47 bar. Bij deze druk is de weerstand nipt overwonnen om vloeistof tot het einde van de leiding te pompen. Bij een opstaande rand van de leiding zou bij deze werkdruk geen water uit de leiding stromen.

4.2

Aantal en soort appendages in het leidingsysteem

Rechte transportleidingen zonder bochten, aftakkingen, afsluiters, regelkleppen enz. komen in de procesindustrie maar weinig voor. Als in een leiding dergelijke appendages of veranderingen van diameter of richting voorkomen heeft dat effect op het drukverschil over die leiding. Hoe geleidelijker deze diameterverandering zich voordoet, des te kleiner is het drukverlies (flauwe bochten, lichte geleidelijke diameterveranderingen.)

MODULE 8 : TRANSPORT VAN VLOEISTOFFEN: POMPEN PROCESOPERATOR

16/78

Hoe plotse de diameterverandering, zoals weergegeven in onderstaande figuur, des te groter de drukverandering.

Om het effect ervan op de drukval over de leiding goed te kunnen berekenen heeft men een rekenkundige oplossing bedacht. Via testen heeft men bepaald hoe groot de extra weerstand of het extra drukverlies is dat door elk obstakel in een leiding wordt veroorzaakt. Deze weerstand wordt dan uitgedrukt in een aantal meters rechte leidinglengte met dezelfde diameter als de leiding waarin de obstakels voorkomen met dezelfde weerstand of hetzel...