Hydraulica en pompen PDF

Preview

Summary

Download Hydraulica en pompen PDF

Description

HOOFDSTUK 1 INLEIDENDE BEGRIPPEN UIT DE HYDRAULICA REGEL VAN CASTELLI De volumestroom (debiet) door een leiding moet overal dezelfde zijn, ongeacht de veranderingen in diameter.

met:Q = debiet (m3/s) A = doorstroomoppervlakte (m2) v = vloeistofsnelheid (m/s)

Q=A1  v1=A2  v2 WET VAN BERNOULLI ~ BEHOUD VAN ENERGIE

De totale energie in doorsnede I is dezelfde als de totale energie in doorsnede II.

In doorsnede I op hoogte h 1 meter boven een referentievlak, heeft de vloeistof een snelheid v 1 bij een druk p 1. Er zijn 3 delen energie in doorsnede I:

•

Kinetische energie:

Ep = m  g  h1

• Potentiële energie: • Drukenergie:

Ed

=

m . p1 ρ

2014-2015

1

Wet van behoud van energie uitgedrukt in kg (door alles te delen door m)

[ ] J kg

Wet van behoud van energie uitgedrukt in Pa (door alles te vermenigvuldigen met ρ)

1 bar = 1 atm = 1013 mbar = 760 mm Hg = 101325 Pa Wet van behoud van energie uitgedrukt in m (door alles te delen door ρ.g)

Grafische bepaling van de wet: (Bij verwaarlozing van wrijving en samendrukbaarheid.)

Hier zien we dat de som van snelheids- , druk- en plaatshoogte constant is in de 2 situaties. (bij een horizontale buis is h1 = h2) Het hoogteverschil h in U-buis of Pitotbuis: v = uitmonding)

√2x g x h

(h= vrije vloeistofspiegel tot

LAMINAIRE EN TURBULENTE STROMING 1. Laminaire stroming. De vloeistof glijdt in laagjes over elkaar. De laagjes vlak tegen de wand van de buis hebben een snelheid nul. Hoe verder naar het midden toe, hoe groter de snelheid van de vloeistoflaagjes

WANNEER: de stromingssnelheid toeneemt ontstaan er wervelingen  turbulente stroming 2. Turbulente stroming. Deze wervelingen ontstaan door:  de grenslaagjes tegen de wand worden losgerukt,  de verstoring van de stroming door bijvoorbeeld een bocht, koppeling,… Vergroot men geleidelijk de snelheid van de vloeistof  stroming onrustiger. Bij wisseling van laminair naar turbulent stromingsgebied is er een sprongsgewijze toename van het drukverlies (=meer wrijving).

HET REYNOLDSGETAL Bepaald of een stroming laminair of turbulent is.

WANNEER:

met:Re = Reynoldsgetal vkr = snelheid waarbij turbulentie zal optreden (m/s) Dh = hydraulische leidingsdiameter (m) υ = kinematische viscositeit van vloeistof (m2/s)

Re > 2320  Turbulente stroming Re ≤ 2320  Laminaire stroming

Waarbij de hydraulische diameter D h afhankelijk is of de leidingen volledig gevuld zijn, of wanneer de leidingen een andere doorsnede hebben dan een cirkelvormige. De hydraulische diameter wordt dan: Dh

A 4 n Pn

met:An = natte oppervlakte (m2) Pn = lengte natte wand (m)

Voor volledig gevulde cilindrische leidingen: D h = d Voor volledig gevulde vierkante leidingen: D h = zijde

VISCOSITEIT De taaiheid of mate waarin een vloeistof samenhangt (vloeistofdikte), de weerstand die een stof biedt om in laagjes over elkaar te schuiven. Hoe hoger dit, hoe langzamer de vloeistof stroomt.  Een maat voor de inwendige wrijving van de vloeistofdeeltjes. Dynamische viscositeit μ De kracht die nodig is om 2 lagen vloeistof op zekere afstand van elkaar, met bepaalde snelheid t.o.v. elkaar te laten schuiven. Eenheid: Pa.s of Poise (P) [1Poise = 0,1 Pa.s] Kinematische viscositeit met:υ = kinematische viscositeit (m2/s) µ = dynamische viscositeit (Pa.s) ρ = dichtheid (kg/m 3) ✗ De kinematische viscositeit van water is functie van de temperatuur (formularium) ✗ Dynamische en kinematische viscositeit van enkele vloeistoffen bij 20°C (formularium) ✗ Dynamische viscositeit van enkele voedingsstoffen, cosmetische en industriële producten (in cP) (p30)

RHEOLOGIE Rheologie = de studie van de vervorming van vloeistoffen onder invloed van uitwendige krachten. De schuifspanning en afschuifgraad Een vloeistof beweegt tussen twee parallelle platen waarvan 1 plaat wordt voortbewogen. De vloeistof heeft een bepaald contactoppervlak A met de bewegende plaat en er is een kracht F nodig om de plaat met een constante snelheid te laten bewegen.  De vloeistof vervormt onder invloed van de schuifspanning. Schuifspanning: met: F   A

τ = schuifspanning (Pa) F = kracht om plaat te verschuiven (N) 2

A = oppervlakte plaat (m )

Afschuifgraad:

v  h  De dynamische viscositeit is dan:

Let op: viscositeit is gerelateerd met

met:γ = afschuifgraad (s-1) v = snelheid voortbewegen van platen (m/s) h = afstand tussen 2 platen

LEIDINGSYSTEMEN

✗ Nominale doorlaten van leidingen in mm (p41)

Weerstandsverliezen De drukverliezen die in een leiding optreden ten gevolge van de weerstand, zowel door de lengte van de leiding als door bochten, overgangen, terugslagkleppen,… uitgedrukt in meter vloeistofkolom (mVK). Weerstandsverliezen zijn afhankelijk van:  de snelheid van de vloeistof in de leiding, ✗ Verband tussen snelheid, volumestroom en leidingdiameter (formularium)  de oppervlakteruwheid van de binnenkant van de leiding. R a waarde (= k-waarde in mm) is de gemiddelde hoogte van de oneffenheid

✗Verband tussen de types buizen en de corresponderende ruwheid (formularium) 

viscositeit van de vloeistof. We gebruiken de kinematische viscositeit van de vloeistof

Verliesberekeningen IN RECHTE LEIDINGEN  Grafische bepaling in rechte leidingen Hierbij maken we gebruik van de kinematische viscositeit ✗ Drukval per 100m rechte leiding voor water van 15°C – voor ≠ d’s bij 1 viscositeit (formularium) ✗ Drukval per 100m rechte leiding voor verschillende viscositeiten – omgekeerd (formularium)  Analytische bepaling in rechte leidingen: Het drukverlies in rechte leidingen wordt bepaald met de formule (formularium):

pwl   l v2 met:pwl = drukverlies (Pa of N/m2)  weerstandscoëfficiënt   ρλl ==lengte van de leiding (m) D 2 D = diameter van de leiding (m) v = stromingssnelheid (m/s) in mVk

ρ = soortelijke massa (kg/m3)

hwl   l v2   D 2g  De stromingssnelheid kan berekend worden met de regel van Castelli. Bepalen van de weerstandscoëfficiënt (λ) Grafische bepaling: 1. Bereken het Reynoldsgetal, handig als Re > 2320  Moody-diagram 2. Bereken diameter(d) waarbij d = inwendige diameter Ra 3. We brengen waarden, snijpunt van de waarden naar linker schaal  λ-aflezen ✗ Moody-diagram (formularium) Analytische bepaling: 1. Berekenen van het Reynoldsgetal (formularium, behalve niet-isotherme stroming) 64 75 (niet-isotherme stroming)   Laminair   (isotherme stroming) Re Re  Turbulente stroming: k (D = binnendiameter buis in mm)  Hydraulisch gladde wanden R   23 e

D

2320 < Re < 105 BLASIUS

105 < Re < 108 NIKURADSE

(indien k waarde niet gekent)   Hydraulisch ruwe wanden Re



k

 560  NIKURADSE methode toepassen

D OPGELET! Wanneer: 23 < Re x

k D

< 560  Overgangsgebied

Zowel BLASIUS als NIKURADSE toepassen, grootste v/d 2 nemen. IN A PPENDAGES  Analytische bepaling in appendages

in mVk

hwp    2  g 



v

2

met:pwp = drukverlies (Pa) ∑ξ = Z-factor, som van alle soorten hindernissen v = stromingssnelheid (m/s) φ = soortelijke massa (kg/m3)

de Ƹ -factor of z-waarde wordt bepaald door gebruik te maken van tabellen, formules of vormen. ✗Vergroten van diameter (formularium) ✗Verkleinen van diameter (formularium) ✗Intrede en uittrede (formularium) ✗Smooropeningen (formularium) ✗Bochten (formularium) ✗Haakse verbindingen (formularium) ✗Kranen en afsluiters (formularium) ✗H-zeven (formularium), v = vloeistofsnelheid ✗Vertakkingen en aftakkingen(formularium) Hoe kleiner de z-waarde, hoe beter de stroming is => hoe minder de stroming hindernis krijgt. pwtot = pwl + pwp (pwtot = totale drukverlies) Hwtot = Hwl + Hwp (Hwtot = totale waterkolom) Bepaling door omzetting naar equivalente lengte De appendages (= bochten, afsluiters, filters, enz.) worden vervangen door een welbepaalde lengte rechte leiding van dezelfde diameter. ✗ Een aantal equivalente lengtes (formularium)

HOOFDSTUK 2 VERDRINGERPOMPEN Doel van pompen  Vloeistoffen verplaatsen of transporteren,  Vloeistoffen op druk brengen,  Vloeistoffen doseren,  Overdragen van vermogen. Transport van een vloeistof  Bij een horizontale verplaatsing van de vloeistof: De weerstanden bestaan uit wrijvingen en wervelingen. De wrijvingsweerstand neemt toe met de lengte van de leiding en met het kwadraat van de transportsnelheid. De wervelingen zijn afhankelijk van de snelheid en van de appendages in de leiding.  Bij een verticale verplaatsing van de vloeistof: Overwinnen van wrijvingsweerstanden, wervelingen en een extra weerstand als gevolg van het hoogteverschil van zuig- en persspiegel. Werking van pompen De werking van een pomp bestaat uit het veroorzaken van een drukverschil tussen de zuigzijde en de perszijde van de pomp, hiervoor zorgt een pomporgaan (plunjer, zuiger of waaier). De pomp zal de mechanische energie van een uitwendige energiebron (elektromotor, turbine of verbrandingsmotor) overdragen op de vloeistof die getransporteerd moet worden. De druk en/of snelheid van de vloeistof worden verhoogd zodat de hydraulische weerstanden in de leidingen, de geodetische hoogteverschillen en de eventuele drukverschillen pers- en zuigniveau kunnen overwonnen worden.

Een pompinstallatie bestaat in principe uit een zuigleiding, een pomp en een persleiding.

ONDERVERDELING POMPEN De verdringerpompen ≈ Volumetrische pompen Verplaatsing van de vloeistof gebeurt door afwisselend vergroten of verkleinen van een ruimte. Het debiet is onafhankelijk van de tegendruk. Men noemt deze pompen ook wel zuigerpompen omdat t.g.v. de beweging van een machineNaarmate de druk stijgt, zal het debiet verminderen door lekverliezen.

element (zuiger) eerst een vergroting en daarna een verkleining van een ruimte ontstaat (aanzuigen en wegpersen ontstaat). Volumetrische pompen met heen- en weergaande zuiger. 1. Zuigerpomp/ plunjerpomp Zorgt voor het vergroten en verkleinen van een ruimte. Hoge drukken zijn mogelijk.  De enkelwerkende plunjerpomp

pompruimte en de leidingen geheel gevuld met vloeistof, men beweegt de plunjer naar rechts

ontstaan van onderdruk in de pompruimte, vloeistof drukt zuigklep open en stroomt uit het zuigreservoir door de zuigleiding in het pomphuis ZUIGSLAG/ZUIGPERIODE einde van de slag  zuigklep sluit zich, beweging van de plunjer naar links ontstaan van overdruk in de pompruimte, druk pompruimte > druk boven persklep ↓

persklep opent zich, vloeistof stroomt weg langs persleiding PERSKLEP/PERSPERIODE

↓ persklep sluit zich, plunjer beweegt naar rechts cyclus begint opnieuw

De zuiger heeft steeds een wisselende snelheid en levert alleen tijdens de persslag vloeistof  onregelmatige vloeistofstroom.

Qvgem = 0,319.Qvmax

OPMERKING : Men kan i.p.v. een plunjer ook een zuiger gebruiken. Het verschil is dat bij de plunjerpompen de afdichting niet mee beweegt, bij de zuigerpompen zit deze afdichting rond de zuiger. De dubbelwerkende zuigerpomp Dubbelwerkend ~ wanneer pomp aan de ene kant van de zuiger aanzuigt, dan wordt de vloeistof aan de andere kant van de zuiger weg geperst. Horizontale, dubbelwerkende ééncilinderzuigerpomp De pomp heeft 1 cilinder, 1 zuiger, 2 zuigkleppen en 2 perskleppen.

de zuiger beweegt naar rechts ↓

rechterzijde van de zuiger: zuigklep Z 2 sluit en de persklep P 2 opent zich vloeistof in de rechterzijde van de zuiger, wordt via persklep naar persleiding geperst

Qvgem = 0,638.Qvmax

linkerzijde van de zuiger: sluit persklep P 1 en opent de zuigklep Z 1 zich, via zuigklep wordt vloeistof in cilinder gezogen ↓

De zuiger beweegt naar links ↓

geopende kleppen gaan dicht, gesloten kleppen gaan open Een dubbelwerkende pomp levert dus zowel bij in- als uitgaande slag.

Tania Dhondt

2014-2015

10

Men kan constante levering bekomen door:  een zuigerpomp te gebruiken met meerdere cilinders, waarvan de zuigerslagen elkaar overlappen.  te werken met windketels of luchtklokken.

 Bij een enkelwerkende pomp: Zonder zuig- en perswindketel  enkel gedurende zuigslag/ persslag vloeistof in leidingen. Wanneer de plunjerversnelling groot is, zal de druk (nodig om de vloeistof te versnellen) groot zijn.  grote drukken geven aanleiding tot grote stangkrachten  niet economisch!

Men brengt in de persleiding een elastisch of verend element (buffer) aan, in de vorm van een perswindketel. Bij kruk-drijfstangmechanisme is het verloop van de snelheid in de zuigleiding zeer onregelmatig

Men brengt dichtbij de pompruimte een zuigwindketel aan  gelijkmatiger verloop Bij het aanzuigen zal nu vloeistof uit de zuigwindketel de plunjer volgen, de druk boven vloeistof zal dalen. Zuigklep sluit  vloeistof door zuigleiding zal blijven toestromen in de zuigwindketel, druk boven vloeistof zal weer stijgen. Zuigwindketel groot genoeg  stroming door zuigleiding constant zijn.

Tijdens eerste gedeelte van de persslag, krijgen we een versnelling van de zuigersnelheid, we sturen teveel aan vloeistof door de persleiding. Dit teveel aan vloeistof wordt opgeslagen in de perswindketel en terug afgegeven tijdens de vertraging van de zuiger.

OPMERKING : Bij lange leidingen zijn windketels noodzakelijk om het “slaan” van de kleppen te voorkomen.

2014-2015

11

Voordelen van zuigerpompen Grootste voordeel is dan hun opbrengst constant blijft, zij het pulserend. Toepassingen  als doseerpomp,  als ketelvoedingspomp voor stoomketels. Worden vaak ingezet waar een kleiner debiet bij grotere druk nodig is (injectiepomp bij dieselmotoren). 2. Membraanpompen (Video) Verkleinen en vergroten van de kamers wordt verkregen d.m.v. een elastisch membraan. Kan zowel enkelwerkend als dubbelwerkend.

Gepatenteerd luchtventiel brengt perslucht naar achterkant van het membraam ↓

vloeistof wordt uit vloeistofkamer gedrukt langs pompuitlaat, tegenoverliggend membraam wordt ingetrokken ↓

door onderdruk  vloeistof naar vloeistofkamer aangezogen via pompinlaat ↓

membraam (aangedreven door persluchtdruk) bereikt eindpositie ↓

Luchtventiel schakelt om, brengt de persluchtdruk over op tegenliggend membraam ↓

vloeistof wordt uit vloeistofkamer gedrukt langs de pompuitlaat

Kan ook in een persluchtuitvoering. De pomp heeft twee membranen verbonden door een stang. Stuurt men in de linker persluchtkamer druk, dan wordt er links weggepest en rechts aangezogen. Nadeel van de membraampomp Zeer onregelmatige vloeistofstroom. Toepassingen  als doseerpomp,  om vervuild water te verpompen, Meestal gebruikt voor het verpompen van zeer agressieve en corrosieve vloeistoffen. Dit doordat enkel het membraam contact heeft met de vloeistof.

Volumetrische pompen met roterende zuiger 1. Tandradpompen Zijn instaat voor het verpompen van zeer viskeuze (smerige) media en dit bij drukken tot 200 bar. Een continu vloeistofstroom is mogelijk, hoge drukken bij kleine debieten kan realiseren.  Tandradpompen met uitwendige vertanding (Video) 2 identieke tandwielen grijpen in elkaar en draaien waar de tanden van elkaar gaan  ontstaan van VACUÜM vloeistof wordt d.m.v. de tandholte langs de zijkanten tegen het pomphuis naar P ERSZIJDE gevoerd.  Inwendige vertanding ~ ringrotorpomp (Video) Tandkrans (cirkel buitenkant met tanden) wordt aangedreven en neemt rondsel (tandwiel) mee, vrijgekomen ruimte tussen rondsel en tandkrans wordt opgevuld met een sikkelvormig stuk links; draaien tanden van elkaar weg uit tandholten ↓

ontstaan AANZUIGING rechts; komen tanden terug in de tandholten van de tandkrans ↓

vloeistof hiertussen wordt WEGGEPERST

Voordelen van de tandradpomp  eenvoudig, robuust van opbouw,  bij grotere precisie (hogere drukken) goedkoop te vervaardigen,  bij ruwer bedrijf is pomp zeer bedrijfszeker en betrouwbaar,  goede werking onafhankelijk van stand van assen,  zuigeigenschappen zijn goed,  neiging tot vervuiling is relatief gering,  bruikbaar voor een zeer groot viscositeitsgebied  bruikbaar bij zeer groot rotatiefrequentiegebied,  toepassingsgebied is zeer groot,  rendement is gunstig,  verhouding volumestroom-bouwgrootte is gunstig. Toepassingen  voor drukken van 5… 20 MPa, volumestroom tot 100l/s,  rotatiefrequenties tussen 500 - 1500/minuut,  verpompen van viskeuze vloeistoffen (vloeistof is smering van de pomp), voorbeelden: ruwe olie, smeerolie, mayonaise, boter, chocolade,…

OPMERKING : Om slijtage te voorkomen mogen vloeistofstromen geen vaste bestanddelen bevatten. Pompen met rotor en rondsel: “zwaardere” vloeistoffen verpompen” (stroop, bitumen), toerental is lager en moet worden aangepast aan de aard van de vloeistof. Speciaal geconstrueerde tandwielpompen zijn in staat vloeistoffen te verpompen met een viscositeit tot 80 Pa.s bij drukken van 4-22bar.

2. Lobbenpompen (Video) lageringen worden buiten het pomphuis geplaatst om geen aanraking te hebben met het te verpompen product. Afhankelijk van de toepassing kan men verschillende lobben kiezen

Waar de lobben van elkaar draaien  vloeistof wordt A ANGEZOGEN. Tussen de lobben en de behuizing  de vloeistof wordt van zuig naar perszijde gebracht. Voordelen van de lobbenpomp  geen contact tussen lageringen en product  vloeistoffen waarbij hygiëne is van belang  reinigen en onderhoudswerkzaamheden zijn makkelijk door vliegend gelagerd (aan 1 zijde),  geschikt voor zeer viskeuze producten. Toepassingen Worden gebruikt in levensmiddelen-, voedingsindustrie, de farmaceutische en chemische industrie.

3. Monopompen (Video) De stator is meestal uitgevoerd in een speciale rubber. Door de veerkracht van de rubber volstaat een kleine speling tussen rotor en stator waardoor een goede afdichting bekomen wordt. Mag nooit drooglopen!

Bestaat uit 2 helicoidale tandwielen die in elkaar zitten; het uitwendige tandwiel = stator, het inwendige tandwiel = rotor. Draaiing van de rotor in de stator ↓

ontstaan van lege ruimten die zich naar perszijde bewegen

Voordelen van monopompen  pulsatievrije vloeistromen,  vaste deeltjes kunnen mee verpompt worden,  zelf aanzuigend. Toepassingen  zeer viskeuze vloeistoffen en pasta’s  debieten tot 150m3/uur en drukken tot 50 bar. voorbeelden: zepen, crèmes, tandpasta, verven, modder, cement, lijm,…

4. Schroefpompen Doordat de schroeven (wormen) noch elkaar noch het huis raken, kan elke vloeistof verpompt worden. Eénfasige schroefpomp

De te verpompen product wordt van de zuigzijde naar de perszijde gebracht doordat het product door de spindel wordt meegenomen. Kan enkel toegepast worden als de tegendruk niet te groot is. Bij te hoge tegendruk product terug stormen verlies van debiet zeer groot

Meerassige schroefpomp Waar de schroeven uit elkaar gaan  AANZUIGING ↓

product tussen de

schroeven en tussen het pomphuis, meegenomen naar perszijde. ↓

ontstaan van afgesloten ruimten, terugstromen wordt vermeden

Voordelen van de schroefpomp   

pulsatievrije vloeistromen, meerdere schroeven  resulterende krachten kunnen zo klein mogelijk gehouden worden, geschikt voor schurende (enkel bij éénfasige) en zeer viskeuze vloeistoffen.

Toepassingen 

bij zeer viskeuze vloeistoffen en pasta’s,





transporteren van chemicaliën, kunstharsen, baden voor het verchromen van metalen...