Hoofdstuk 5: Regelingsysteem aan de zuigzijde van de pomp

Montagepositie van de pomp

In industriële hydraulische systemen is de pomp meestal bovenop het reservoir gemonteerd dat de systeemvloeistof bevat. De zuigleiding (ook wel inlaatleiding genoemd) verbindt de pompinlaat met de olie in het reservoir.

De stroming van vloeistof vanuit het reservoir naar de pomp kan worden beschouwd als een afzonderlijk hydraulisch systeem. In dit subsysteem zorgt de onderdruk die door de pomp wordt opgewekt voor de weerstand tegen de stroming, en de energie die de vloeistof in beweging brengt, komt van de atmosferische druk. De atmosfeer, die op het olioppervlak in het reservoir werkt, functioneert als een accu.

Figuur 5-1 Standaardpompinstallatie — pomp bovenop, zuigleiding onder het oliepeil. De atmosferische druk die op het olioppervlak werkt, duwt de olie omhoog naar de pomp.

Meting van de atmosferische druk

We denken meestal dat lucht geen gewicht heeft, maar de luchtmassa die de Aarde omgeeft heeft in feite wel druk. Torricelli, de uitvinder van de barometer, toonde aan dat atmosferische druk kan worden gemeten met behulp van een kwikkolom. Door een met kwik gevulde buis omgekeerd in een kwikbak te plaatsen, ontdekte hij dat de kwikkolom die op zeeniveau door de atmosferische druk wordt ondersteund, een hoogte heeft van 29,92 inch (760 mm). Bij standaardomstandigheden is de atmosferische druk op zeeniveau dus gelijk aan (of equivalent met) een kwikkolom van 29,92 inch (760 mm). Uiteraard is de atmosferische druk op elke locatie boven zeeniveau lager.

Hydraulische druk wordt meestal uitgedrukt in psi of bar, maar atmosferische druk wordt meestal gemeten in in.Hg (inch kwik) of mmHg. Bij 68 °F (20 °C) en een relatieve vochtigheid van 36 % bedraagt de atmosferische druk op zeeniveau 29,92 in.Hg of 760 mmHg, wat overeenkomt met 14,7 psia of 1,01 bar. Belangrijk is dat bar niet wordt gebruikt om atmosferische druk te definiëren; standaard atmosferische druk bedraagt 101.000 N/m².

Bij het omrekenen tussen in.Hg en psi geldt dat 1 psia = 2,04 in.Hg en 1 bar ≈ 752 mmHg. Dus ongeveer: 1 psia ≈ 2 in.Hg, of 1 bar ≈ 750 mmHg.

Absoluut druk en manometrische druk

Zowel absoluut druk als manometrische druk kunnen worden gebruikt om de druk in een hydraulisch systeem te meten.

Absoluut druk

Absoluut druk wordt gemeten vanaf het nul-druk-punt — het punt waarop er volledig geen druk aanwezig is. De eenheid kan psi (bar) of in.Hg (mmHg) zijn. Absoluut druk wordt aangegeven door de toevoeging "a" aan de eenheid: psia (absoluut psi), bara.

Manometrische druk

De manometerdruk wordt gemeten ten opzichte van het atmosferische druknulpunt. De eenheid is psi (bar). De absolute druk is gelijk aan de manometerdruk plus de standaardatmosferische druk. Voorbeeld: als een systeem 100 psig (6,9 bar relatief) aangeeft en de standaardatmosferische druk 14,7 psia (1 bar) bedraagt, dan is de absolute druk 114,7 psia (7,9 bar absoluut). Om de twee te onderscheiden, wordt manometerdruk geschreven als psig en absolute druk als psia.

Inlaatomstandigheden van de pomp

Wanneer de pomp niet draait, bevindt de inlaatzijde van het systeem zich in evenwicht — het drukverschil tussen de pomp en de atmosfeer is nul, wat betekent dat er geen stroming optreedt. Om olie naar zijn roterende assemblage te leveren, creëert de draaiende pomp een druk lager dan de atmosferische druk — het systeem raakt uit evenwicht — en begint de stroming.

Twee functies van de atmosferische druk

De druk die de atmosferische druk op de vloeistof uitoefent, vervult twee doeleinden:

1. Vloeistof aan de pompinlaat leveren.
2. Versnel de vloeistof naar de snel roterende assemblage — standaardsnelheden zijn 1.200 tpm en 1.800 tpm.

Het grootste deel van de atmosferische druk wordt gebruikt om de vloeistof naar de pomp te versnellen, maar de eerste taak moet eerst worden uitgevoerd: het aanleveren van vloeistof aan de pompinlaat. Als in dit stadium te veel atmosferische druk wordt verbruikt, blijft er onvoldoende druk over om de vloeistof naar de roterende assemblage te versnellen. Dit leidt tot ondervoeding van de pomp en er treedt wat bekendstaat als cavitatie op.

Cavitatie

Cavitatie is de vorming en instorting van dampholten in een vloeistof. Het schaadt de pomp op twee manieren:

3. Het verstoort de smering.
4. Het beschadigt metalen oppervlakken.

Aan de zuigzijde van de pomp ontstaan dampholten in de vloeistof. Dit vermindert de smerende werking en versnelt de slijtage. Wanneer deze holten de hogedrukzone bij de perszijde van de pomp bereiken, worden de wanden van de holten samengeperst en storten ze gewelddadig in, waardoor enorme energie vrijkomt die het metaaloppervlak ‘afkapt’ — net als een beeldhouwer die met hamer en beitel op steen werkt. Als cavitering wordt toegestaan om voort te duren, wordt de levensduur van de pomp verkort en kunnen caviteringsdeeltjes naar andere delen van het systeem reizen en andere componenten beschadigen.

Figuur 5-5 Caviteringsschade aan de boring van het pompgehuis. Het microscopische putterpatroon wordt veroorzaakt door herhaald instorten van dampholten op het metalen oppervlak.

Tekenen van cavitering

Het meest duidelijke teken van caviteren is geluid — wanneer de dampbellen instorten, ontstaat er trilling met een hoge amplitude die zich door het gehele systeem verspreidt, en de hydraulische pomp produceert een hoog, doordringend geluid. Wanneer caviteren optreedt, neemt de stroming af omdat de pompkamers niet volledig met vloeistof zijn gevuld, en wordt de systeemdruk onstabiel.

Hoe caviteren ontstaat

Caviteren ontstaat in een vloeistof doordat de vloeistof kookt — maar dit koken wordt niet veroorzaakt door warmte. Het wordt veroorzaakt door het bereiken van een voldoende lage absolute druk in de vloeistof.

Dampdruk van een vloeistof

Alle moleculen in een vloeistof bewegen voortdurend, maar niet allemaal met dezelfde snelheid. Snel bewegende moleculen aan het oppervlak proberen te ontsnappen naar de ruimte erboven, ondanks de aantrekkingskracht van de omliggende moleculen. De kracht die snel bewegende moleculen moeten overwinnen om in de atmosfeer te ontsnappen, is de dampdruk van de vloeistof.

Als de vloeistofcontainer is afgesloten, komen snel bewegende moleculen in de ruimte boven de vloeistof. Wanneer die ruimte verzadigd raakt met damp, botsen moleculen en keren terug naar de vloeistof. Het verlaten van de vloeistof door moleculen wordt verdamping genoemd; het terugkeren van moleculen wordt condensatie genoemd. Wanneer de snelheden van verdamping en condensatie gelijk zijn, is er sprake van evenwicht en is de druk die door de damp wordt opgewekt de dampdruk van die vloeistof. Dampdruk wordt meestal uitgedrukt in absolute drukeenheden, in.Hg.

Invloed van temperatuur op dampdruk

Dampdruk wordt beïnvloed door temperatuur. Naarmate de temperatuur stijgt, krijgen de vloeistofmoleculen meer energie en bewegen ze sneller. De dampdruk stijgt. Wanneer de dampdruk gelijk is aan de atmosferische druk, kunnen vloeistofmoleculen vrij in de atmosfeer terechtkomen — dit wordt koken genoemd. Water kookt op zeeniveau bij 212 °F (100 °C), omdat de dampdruk van water bij deze temperatuur gelijk is aan de atmosferische druk.

Invloed van druk op kookpunt

Een vloeistof kan ook worden doen koken door de op deze vloeistof werkende druk te verlagen. Wanneer de verlaagde druk gelijk is aan de dampdruk van de vloeistof, kunnen vloeistofmoleculen vrij de ruimte boven de vloeistof binnengaan. Water bij 100 °F (37,2 °C) heeft een dampdruk van 2 inch Hg (0,068 bar). Als een vat met water op 100 °F wordt aangesloten op een vacuümpomp en de absolute druk in het vat daalt tot 2 inch Hg (0,068 bar), begint het water te koken. Pompinstallaties die een vloeistof verwerken, ondervinden over het algemeen dit type koken.

Opgeluchte lucht in vloeistof

Hydraulische olie op zeeniveau bevat ongeveer 10% opgeluchte lucht. Deze lucht is opgelost in de vloeistof — hij is onzichtbaar en verhoogt het volume van de vloeistof niet merkbaar. Het vermogen van hydraulische olie of een andere vloeistof om lucht op te lossen, neemt af naarmate de op de vloeistof werkende druk afneemt. Bijvoorbeeld: als een kop hydraulische olie onder atmosferische druk in een vacuüm wordt geplaatst, zet de opgeloste lucht zich om in belletjes en ontsnapt uit de oplossing. Tijdens cavitatie ontsnapt de opgeloste lucht uit de olie en veroorzaakt schade aan de hydraulische pomp.

Ingesloten lucht

Ingesloten lucht is lucht in de vloeistof in een niet-opgeloste toestand — als belletjes. Als een pomp af en toe olie met ingesloten lucht aanzuigt, hebben de luchtbelletjes effecten op de pomp die vergelijkbaar zijn met die van cavitatie. Omdat dit echter niet gerelateerd is aan de dampdruk van de vloeistof, noemen we het pseudo-cavitatie.

Als er lekkages zijn in de zuigleiding of als de asafdichting van de pomp faalt, is lucht die in het systeem is opgenomen bijna altijd aanwezig. Omdat de druk aan de zuikkant van de pomp vaak lager is dan de atmosferische druk, zal elke opening daar lucht in de olie en in de pomp aanzuigen. Alle luchtbelletjes die niet uit het reservoir kunnen ontsnappen, zullen eveneens de pomp binnendringen.

Technische vereisten aan de zuikkant

Caviteren is zeer schadelijk voor zowel de pomp als het systeem. Daarom geven pompfabrikanten voor hun producten specifieke grenswaarden aan voor de zuikkant. Fabrikanten van industriële hydraulische verdringingspompen geven over het algemeen aan dat de druk aan de zuikkant van de pomp lager moet zijn dan de atmosferische druk, zodat vloeistof in de roterende constructie van de pomp kan worden ingespoten. Deze drukspecificatie wordt echter meestal niet gegeven in absolute drukeenheden, maar in termen van vacuüm.

Vacuümschaal (vacuüm)

Een vacuüm is elke druk die lager is dan de atmosferische druk. Vacuüm is een verwarrend begrip, omdat het uitgangspunt hetzelfde is als bij overdruk (atmosferische druk), maar de waarden worden naar beneden geteld in inch kwik (in.Hg) of millimeter kwik (mmHg).

0 inch (0 mm) vacuüm = atmosferische druk of nul overdruk. 29,92 in.Hg (760 mmHg) vacuüm = volledig vacuüm of nul absolute druk.

Bepalen van vacuüm

Zoals weergegeven in het diagram: een kwikbak die via een glazen buis is verbonden met een container op atmosferische druk. Aangezien de druk binnen de container gelijk is aan de atmosferische druk die op de kwikbak werkt, stijgt het kwik niet in de glazen buis. De nulhoogte van de kwikkolom geeft aan dat de container zich niet in een vacuüm bevindt.

Als de container wordt geëvacueerd totdat de interne druk daalt met 10 inch Hg (254 mmHg), kan de atmosferische druk die op het oppervlak van de buis werkt, 10 inch (254 mm) kwik ondersteunen — de gemeten vacuümwaarde is 10 inch Hg (254 mmHg). Als de container wordt geëvacueerd tot een volledig vacuüm (nul absolute druk), kan de atmosferische druk 29,92 inch (760 mm) kwik ondersteunen — de gemeten vacuümwaarde is 29,92 inch Hg (760 mm).

0 inch (0 mm) kwikvacuüm = atmosferische druk = nul manometrische druk. 29,92 inch Hg (760 mm) vacuüm = volledig vacuüm = nul absolute druk.

Figuur 5-9 Vacuümmeting met een kwikmanometer. De drie toestanden van boven naar beneden: atmosferisch (geen vacuüm), gedeeltelijk vacuüm (10 inch Hg) en volledig vacuüm (29,92 inch Hg = 0 psia).

Vakuummanometer

Een vacuümmanometer is gekalibreerd van 0 tot 30 inch kwik (0–760 mmHg), waarbij elke verdeling 1 inch kwik bedraagt. Op zeeniveau wordt een vacuümmanometralezing omgezet naar absolute druk door de vacuümlezing (in inch kwik) af te trekken van 30 inch kwik (760 mmHg). Bijvoorbeeld: een vacuümlezing van 7 inch kwik (177 mmHg) komt overeen met een absolute druk van 23 inch kwik (583 mmHg).

Gebruik van vacuüm voor de technische vereisten van de pompinlaat

Pompfabrikanten gebruiken vacuümeenheden voor de eisen aan de zuigzijde, omdat deze gerelateerd zijn aan zeeniveau — wanneer de pomp op hoogtes boven zeeniveau wordt gebruikt, moet de lagere atmosferische druk op die hoogte in aanmerking worden genomen.

Voorbeeld: Als een fabrikant specificeert dat de maximale inlaatvacuüm niet hoger mag zijn dan 7 inch Hg (177 mmHg), betekent dit dat de fabrikant ten minste 23 inch Hg (583 mmHg) absolute druk (of atmosferische druk) aan de pompinlaat vereist om vloeistof naar het roterende onderdeel te versnellen. Als de absolute druk aan de pompinlaat onder de 23 inch Hg (583 mmHg) daalt, kan de pomp beschadigd raken, hoewel dit afhangt van de veiligheidsfactor die de fabrikant voor de vacuümspecificatie heeft toegepast. Alle gepubliceerde specificaties voor de pompinlaat gaan uit van de nominale toerental en petroleumolie. Indien de pomp met een ander toerental draait of een andere vloeistof gebruikt, moeten de specificaties worden aangepast.

Invloed van verschillende vloeistoffen op de maximaal toegestane vacuüm

De maximaal toegestane vacuüm van de pomp is afhankelijk van de vloeistof die wordt gepompt. De technische vereisten aan de zuigzijde worden berekend op basis van het soortelijk gewicht en de dampdruk van petroleumolie. Als brandwerende hydraulische vloeistoffen worden gebruikt, beïnvloeden veranderingen in soortelijk gewicht en dampdruk de maximaal toegestane zuigvacuüm.

Invloed van het soortelijk gewicht op de maximaal toegestane vacuüm

Soortelijk gewicht is de verhouding tussen het gewicht van één vloeistof en het gewicht van een andere vloeistof. Nauwkeuriger gezegd is het de verhouding tussen het gewicht van een vast volume vloeistof en het gewicht van hetzelfde volume water. Bij 60 °F (15,6 °C) weegt 1 ft³ water 62,4 lbs (28,3 kg). Door het gewicht van de olie te delen door het gewicht van het water blijkt dat olie 90% zo zwaar is als water, ofwel de gewichtsverhouding is 1 (water) tegen 0,90 (petroleumolie) — het soortelijk gewicht (SG) van petroleumolie is daarom 0,90.

De vereisten voor de zuigzijde van de pomp worden berekend voor aardolie met een soortelijk gewicht (SG) van 0,87–0,90. Voor fosfaatester-vlamvertragende vloeistof neemt het soortelijk gewicht met 30% toe, tot ongeveer 1,15. Het soortelijk gewicht van watergebaseerde hydraulische vloeistoffen varieert van 0,93 (HFB-emulsie) tot 1,08 (water-glycol). Om deze zwaardere vloeistoffen sneller in de pomp te laten stromen, is een hogere druk aan de zuigzijde van de pomp vereist. Daarom dient de maximaal toegestane onderdruk licht te worden verlaagd.

Invloed van dampdruk op de maximaal toegestane onderdruk

Aardolie en fosfaatester-vlamvertragende vloeistoffen hebben bij normale hydraulische bedrijfstemperaturen een zeer lage dampdruk, maar watergebaseerde hydraulische vloeistoffen verschillen hierin. Watergebaseerde vloeistoffen bevatten een hoog percentage water. De dampdruk van zowel HFB-emulsie als water-glycol kan enkele inches kwik bereiken, terwijl de dampdruk van aardolie en synthetische vloeistoffen slechts een fractie van een inch kwik bedraagt. Daarom zijn watergebaseerde vloeistoffen gevoeliger voor verdamping en cavitatie.

Om te voorkomen dat watergebaseerde vloeistoffen cavitatie veroorzaken, vereisen pompfabrikanten voldoende druk aan de pompinlaat om de werkvloeistof in de pomp te versnellen. Deze eis kan worden vervuld door het maximale toegestane vacuüm te verlagen.

Figuur 5-13 Vergelijking van dampdruk. Watergebaseerde vloeistoffen hebben bij dezelfde temperatuur een veel hogere dampdruk dan minerale olie, waardoor ze gevoeliger zijn voor cavitatie als het inlaatvacuüm te hoog is.

Diagnose van pompcavitatie

Onderhoudspersoneel is het meest waarschijnlijk in staat om vroegtijdig kavitering of luchtintrekking door een pomp te ontdekken, omdat hun vertrouwdheid met de machine hen in staat stelt de eerste symptomen van een storing op te merken.

Het meest voor de hand liggende teken van cavitatie of luchtinname door een hydraulische pomp is een hoogfrequent geluid, maar er zijn subtiele verschillen: een cavitatie veroorzakende pomp produceert een constant hoogfrequent geluid — dit geluid kan worden veroorzaakt door het instorten van belletjes van vergelijkbare grootte. Bij luchtinname varieert het pompgegeluid sterk: wanneer een kleine hoeveelheid lucht binnendringt, klinkt het geluid als klikken of als een lagerstoring; bij grote hoeveelheden binnendringende lucht ontstaat een vreemd hamerend of knetterend geluid.

Een betrouwbaardere manier om cavitatie van luchtinname te onderscheiden, is het gebruik van een vacuümmanometer om de absolute druk aan de pompinlaat te bepalen. Trek de vacuümwaarde af van de atmosferische druk; indien de absolute drukwaarde ontoereikend is, kan cavitatie optreden.

Voor nieuwe hydraulische systemen: als de pomp caviteert, kan dit het gevolg zijn van een slecht ontworpen zuigleiding of een te hoge olieviscositeit. Het gebruik van olie met de juiste viscositeit of het vergroten van de diameter van de zuigleiding om de drukval in de leiding te verminderen, helpt de cavitatie te verbeteren. Voor een correct ontworpen bestaand systeem: als de pomp caviteert, kan dit het gevolg zijn van een verstopte zuigleiding door vuil, papier of kleine dieren — of het inlaatfilter is te vuil en heeft geen bypass, of de bypass opent onvoldoende.

Pomp inspuiten

Bij hydraulische pompen betekent "inspuiten" het vullen van het pompmecanisme met vloeistof. Een niet-ingespoten pomp bevat lucht of "luchtsloten". Voordat het pompproces begint, moet deze lucht worden verwijderd uit de zuigleiding en de pompkamer. Als deze stap wordt overgeslagen, kan de hydraulische pomp die zonder inspuiten wordt gestart, binnen enkele minuten blijvende schade veroorzaken door gebrek aan smering.

Een pomp waarvan de uitlaat direct met het reservoir is verbonden via een richtingsklep, kan over het algemeen gemakkelijk resterende lucht bij het opstarten in het reservoir afvoeren. Als de pomp de interne lucht via de overdrukventiel moet afvoeren, is deze handeling mogelijk niet uitvoerbaar — omdat een typische industriële hydraulische pomp een zeer slechte luchtcompressor is.

Om resterende lucht uit een ongevulde pomp te verwijderen, los je de pijpaansluiting aan de pompuitlaat en draai je de pomp langzaam totdat olie uit de aansluiting spuit, wat aangeeft dat de pomp is gevuld; vervolgens wordt de aansluiting weer aangestraamd. Resterende lucht kan ook worden afgevoerd door de overdrukventiel te ontlasten.

Hydraulische pompen moeten doorgaans alleen worden gevuld bij het opstarten van een nieuw systeem of wanneer onderhoud aan de zuigzijde is uitgevoerd op een bestaand systeem.

Belangrijke termen en definities — Zuigzijde van de pomp

De volgende termen en formules worden gebruikt bij het werken met de zuigomstandigheden van een pomp:

Gevulde zuiging

De toestand waarbij de pompinlaat zich onder het vloeistofniveau van het reservoir bevindt. Bij overstromende aanzuiging levert de vloeistofhoogte (zwaartekracht) extra energie om vloeistof in de pomp te duwen.

Hoogdruk

De druk aan de bodem van een vloeistofkolom. Wanneer de pompinlaat zich onder het vloeistofniveau bevindt, levert de hoogtedruk een extra energiebron voor de pomp. Formules voor hoogtedruk:

Opvoerdruk

De equivalente kolomhoogte, uitgedrukt in lengte-eenheden, onder een gegeven referentiepunt. Formule voor opvoerdruk (in in.Hg):

Pompen

De actie die een hydraulische pomp uitvoert om een drukverschil tussen zichzelf en de atmosfeer te creëren.

Inlaatdruk

De absolute druk van de vloeistof aan de pompinlaat.