Packo pomp academie

De werking van een centrifugaalpomp is gebaseerd op de centrifugaalkrachten die ontstaan wanneer een vloeistof aan hoge snelheid ronddraait in een behuizing. De opbouw van een centrifugaalpomp komt er principieel altijd op neer dat een impeller ronddraait in een pomphuis. De vloeistof in de impeller wordt meegenomen door de impellerschoepen en gaat mee ronddraaien. Doordat op de vloeistof een radiale kracht naar buiten ontstaat, wordt de druk aan de buitenkant van de impeller groter dan in het center.

Wanneer de vloeistof aan de uitlaat van de pomp kan uitstromen, dan gaat de plaats die daardoor vrijkomt in het pomphuis opgevuld worden met vloeistof uit de impeller. De vloeistof in de impeller schuift door van het center naar de buitenkant en in het center van de impeller komt plaats vrij die ingenomen wordt door nieuw aangezogen vloeistof uit de inlaat van de pomp. Daarom bevindt de inlaat van een centrifugaal pomp zich steeds in de centerlijn van de impeller.

In de impeller draait de vloeistof aan hoge snelheid mee met de schoepen. Ze komt dus al draaiende rond de as van de pomp het pomphuis binnen. Naarmate de vloeistof van de impeller naar de buitenkant van het pomphuis beweegt, wordt ze in deze ronddraaiende beweging zacht afgeremd. Dit afremmen zorgt voor een extra stuwkracht op het water waardoor de druk nog eens verhoogt. In de wetenschap heet het dat dynamische in statische druk omgezet wordt. Om dit afremmen zo energie-efficiënt mogelijk te laten gebeuren enerzijds, en de vloeistof die over de volledige omtrek van de impeller uitstroomt te verzamelen anderzijds, neemt de doorstroomoppervlakte in het pomphuis toe naar de uitlaat toe. We zeggen dat het pomphuis een slakkenhuisvorm heeft.

De buitendiameter van de impeller bepaalt welke opvoerhoogte (druk) een pomp gaat genereren bij een bepaald toerental. De grootte van de instroom van de impeller (inlaat van de pomp), de hoogte van de schoepen en de doorstroomoppervlakte van het pomphuis zijn op elkaar afgestemd en bepalen bij welk debiet de pomp energie-efficiënt gaat werken. Zo is een pomp met een smalle (platte) impeller met grote diameter een pomp die vooral druk gaat maken bij een klein debiet, en een pomp met een hoge schoepen waarvan de inlaatdiameter groot is in verhouding tot de buitendiameter van de impeller een pomp die vooral veel debiet gaat leveren bij middelmatige druk.

Het doel van een pomp is de druk in de vloeistof verhogen. De vloeistof komt de inlaat van de pomp binnen aan een lage druk. Tijdens het doorstromen van de impeller wordt de druk door de centrifugaalkrachten verhoogd. Tijdens het afremmen van de omtreksnelheid van de vloeistof in het pomphuis ontstaat een extra stuwkracht die de druk verder verhoogt.

Nu is het zo dat bij het instromen van de impeller altijd wat verliezen optreden, onder andere doordat de vloeistof die op dat moment nog niet roteert tegen de impellerschoepen botst die zelf wel al tegen hoge snelheid ronddraaien. Deze verliezen zorgen ervoor dat de druk bij het binnenkomen van de impeller eerst wat zakt om daarna in de impeller en verder in het pomphuis verhoogd te worden. De grootte van deze drukval bij het instromen van de impeller noemt men de NPSH-waarde (Net Positive Suction Head). De NPSH-waarde wordt bepaald door de kwaliteit van het ontwerp van de pomp en ook door het werkingspunt van de pomp. Hoe minder energieverliezen er zijn bij het instromen van de impeller, dus hoe lager de NPSH-waarde, hoe beter de pomp ontworpen werd.

Deze verliezen bij het instromen van de impeller zijn ten eerste nadelig op het vlak van energie-efficiëntie en zorgen voor een klein verlies aan rendement van de pomp. Maar daarnaast hebben ze soms nog een veel groter nadeel: ze kunnen cavitatie veroorzaken.

Het samenspel van druk en temperatuur bepalen of een medium vloeibaar is of gaat koken en damp wordt. We weten allemaal dat water bij atmosfeerdruk gaat koken wanneer we het opwarmen tot 100°C. Anderzijds kunnen we water van bijvoorbeeld 95°C in een afgesloten ruimte ook laten koken wanneer we de luchtdruk boven het vloeistofoppervlak gaan verlagen of met andere woorden vacuüm gaan zuigen. De minimum druk waaronder een medium moet gehouden worden om ze vloeibaar te houden bij een bepaalde temperatuur, noemt men in de wetenschap de dampdruk van die vloeistof bij die temperatuur.

Als we nu dat water van 95°C gaan verpompen, dan weten we al dat er een drukval ontstaat bij het instromen van de impeller. Als deze drukval groot is (pomp met hoge NPSH-waarde), dan zou het wel eens kunnen dat de druk aan de inlaat van de impeller tot onder de dampdruk van het water daalt en het water op die plaats spontaan gaat koken en dus damp wordt. We zeggen dat de pomp caviteert. Bij een beter ontworpen pomp, een pomp met een lagere NPSH-waarde, is de drukval aan de inlaat kleiner, daalt de druk nergens tot onder de dampdruk, gaat het water niet koken en deze beter ontworpen pomp caviteert niet.

Cavitatie is een fenomeen met heel wat nadelige gevolgen. Ten eerste veroorzaakt dit spontaan koken van de vloeistof aan de inlaat van de pomp lawaai en trillingen, maar ongetwijfeld het ergste is dat de capaciteit van de pomp wegvalt. In de inlaat van de impeller ontstaat een dampbel die daar nog maar heel moeilijk weggeraakt. De damp is lichter dan de vloeistof en wordt door de centrifugaalkrachten steeds terug naar het center van de pomp gedrukt en uiteindelijk belemmert de dampbel de doorgang voor de vloeistof. Naarmate meer ruimte in de impeller gevuld is met de lichtere damp verliest de pomp ook haar opvoerhoogte omdat de centrifugaalkrachten op de lichte damp kleiner zijn dan op de zwaardere vloeistof.

Om de centrifugaalkrachten op te wekken, moet de impeller van een centrifugaalpomp altijd tegen hoge snelheid ronddraaien in het pomphuis en dat vraagt energie. De energie die de motor aan de impeller levert kan je opdelen in nuttige energie en verliezen. De nuttige energie is deze die de schoepen gebruiken om de vloeistof vanuit stilstand aan de zuig in beweging te brengen en te laten meedraaien met de impeller. (Een deeltje van deze energie gaat later alsnog verloren gaan, maar dat laten we hier even buiten beschouwing). Behalve om de vloeistof in beweging te brengen is er ook energie nodig om de impeller op zichzelf te laten ronddraaien in het met vloeistof gevulde pomphuis. Wanneer je een schijf laat ronddraaien onder water, dan ontstaat er wrijving tussen de schijf en de vloeistof. Het laagje water het dichtste bij de schijf draait mee, het water aan de wand van het huis staat stil. Er ontstaat dus een snelheidsverschil tussen de laagjes water, of met andere woorden, de laagjes water schuiven over elkaar. Juist dat schuiven vraagt energie, die des te groter wordt naarmate de vloeistof viskeuzer is. Het vermogen dat de motor van de pomp moet leveren om de schuifkrachten in het water tussen impeller en pomphuis te overwinnen, kan volledig als verlies beschouwd worden. Bij een klein debiet komt er maar weinig nieuwe vloeistof de impeller binnen die op snelheid moet gebracht worden (nuttige energie), maar de schuifkrachten door het ronddraaien van de impeller zijn wel al aanwezig (verliezen). Daarom is bij een klein debiet de verhouding nuttige energie / verliezen of het rendement van de pomp klein. Naarmate het debiet toeneemt, is er steeds meer vloeistof wat op snelheid moet gebracht worden. Het nodige vermogen neemt toe, maar de schuifkrachten blijven nagenoeg dezelfde. Het nuttig deel van de energie neemt toe, terwijl de verliezen nagenoeg dezelfde blijven en zo neemt het rendement van de pomp toe.

Wanneer een pomp moet ontworpen worden voor een hogere opvoerhoogte, moet de diameter van de impeller groter zijn: de opvoerhoogte is evenredig met het kwadraat van de diameter van de impeller. De oppervlakte van de impeller neemt ook kwadratisch toe met de diameter. Echter, omdat de schuifkracht verder van de as van de pomp aangrijpt (hefboomsarm) enerzijds en de snelheid (en bijgevolg ook de afschuifkracht) op grotere diameter groter is anderzijds, is de impact van de schuifkracht op grotere diameter groter. Dit zorgt ervoor dat de verliezen veel sneller toenemen dan de druk en maakt het onmogelijk een pomp met hoog rendement te ontwerpen voor een grote opvoerhoogte bij klein debiet. Om het rendement toch te verhogen, gaat men verschillende kleinere impellers met kleinere opvoerhoogte (en beter rendement) na elkaar plaatsen en ontstaat een meertrapspomp.

De pompcurve van een centrifugaalpomp geeft de opvoerhoogte, het opgenomen vermogen, het rendement en de NPSH in functie van het debiet bij een vast toerental. Meestal wordt de pompcurve gepubliceerd voor water, of nog: voor een vloeistof met soortelijk gewicht 1kg / liter en viscositeit 1 centipoise.

Bij centrifugaalpompen bestaat er een formule om de pompcurve om te rekenen van één naar een ander toerental:

  • Het debiet is recht evenredig met het toerental
  • De opvoerhoogte en NPSH zijn kwadratisch evenredig met het toerental
  • Het opgenomen vermogen is tot de derde macht evenredig met het toerental
  • Het rendement is onafhankelijk van het toerental

Een lobbenpomp is een volumetrische pomp en daarom zijn het geleverde debiet en het nodige vermogen in eerste instantie recht evenredig met het toerental. Bij hoog viskeuze vloeistoffen is dat ook zo en kan je eenvoudig weg stellen dat het debiet en vermogen lineair mee variëren met het toerental. Het debiet is het zogenaamde slagvolume van de pomp vermenigvuldigd met het toerental van de pomp. Het slagvolume van een lobbenpomp is het volume vloeistof dat per omwenteling van de rotoren verplaatst wordt van de zuig naar de pers van de pomp.

Bij dun-viskeuzere vloeistoffen ontstaat echter lek tussen de rotoren enerzijds en tussen de rotoren en het rotorhuis anderzijds waardoor de pomp minder debiet levert. Alvorens we de invloed van het toerental op de pompcurve met dun-viskeuze vloeistoffen uitleggen, gaan we eerst de opbouw van de pompcurve met als voorbeeld water bespreken.

Per omwenteling gaat de pomp in eerste instantie opnieuw het slagvolume aan water van de zuig naar de pers verplaatsen. Echter, onder invloed van het drukverschil over de pomp stroomt continu een bepaald debiet water terug van de pers (waar een hogere druk staat) naar de zuig van de pomp (waar er lagere druk heerst). Dit lekdebiet is evenredig met de vierkantswortel van het drukverschil over de pomp. Dus bij een klein drukverschil over de pomp zal dit lekdebiet klein zijn en hoogst waarschijnlijk kleiner dan het debiet aan water wat de pomp verplaatst door de rotatie (het hoger uitgelegde slagvolume * toerental). Netto pompt de pomp dus nog water van de zuig naar de pers.

Als het drukverschil over de pomp groot wordt, dan kan het lekdebiet groter worden dan het volume wat de pomp verplaatst door de rotatie en stroomt uiteindelijk netto water van de pers naar de zuig van de pomp. In de grafiek hieronder is dit het geval bij een drukverschil groter dan 7,5 bar.

Het lekdebiet is onafhankelijk van het toerental. Dus wanneer we  het toerental verhogen, dan zal:

  • het debiet dat we van de zuig naar de pers verplaatsen door de rotatie lineair met het toerental verhogen
  • het lekdebiet hetzelfde blijven

Omdat het netto debiet wat de pomp verpompt het verschil is van beide, zullen de pompcurves evenwijdig naar boven schuiven bij een hoger toerental.

De pompcurve toont het verloop van de opvoerhoogte in functie van het debiet: ze geeft bij elk debiet aan hoeveel opvoerhoogte de pomp levert bij een vast toerental. Meestal verwachten we dat dit verloop continu dalend is: hoe groter het debiet, hoe minder opvoerhoogte de pomp levert. Zo’n continu dalende curve wordt ook wel een stabiele pompcurve genoemd. Als de opvoerhoogte snel afneemt bij een groter wordend debiet (zoals in het voorbeeld hieronder), dan spreekt men van een steile pompcurve.

Is de opvoerhoogte nagenoeg constant in functie van het debiet (zoals het volgende voorbeeld), dan spreekt men van een vlakke curve.

Bij centrifugaalpompen die een vrij hoge opvoerhoogte leveren bij een klein debiet, komt het wel eens voor dat de pompcurve lichtjes oploopt: de opvoerhoogte neemt lichtjes toe bij groter debiet. Zo’n pompcurve (zoals het voorbeeld hieronder) wordt ook wel eens een onstabiele curve genoemd.

De term onstabiele curve is wat ongelukkig gekozen omdat die een negatieve bijklank heeft. Het is namelijk niet noodzakelijk zo dat een pomp met een onstabiele curve onstabiel gaat werken, integendeel. Het is buitengewoon uitzonderlijk dat een oplopende pompcurve verantwoordelijk is voor een onstabiele werking.

Een pomp werkt steeds bij het debiet waar de pompcurve en de weerstandscurve van het leidingwerk elkaar kruisen. Zo lang deze kruising vrij scherp is (zoals in onderstaande figuur), is ze éénduidig en garandeert een stabiel debiet.

Wanneer de pomp gebruikt wordt om de vloeistof op een zeer grote statische hoogte te pompen, of om de vloeistof in een vat te pompen wat onder hoge druk staat, start de weerstandscurve niet in het nulpunt, maar wel een stuk hoger op de verticale as. Een voorbeeld van zo’n situatie zie je in de figuur hieronder.

Zelfs in dit voorbeeld werkt de pomp nog altijd stabiel omdat er een éénduidig snijpunt is tussen pompcurve en weerstandscurve.

Alleen in heel uitzonderlijke gevallen komt het voor dat de statische opvoerhoogte van het systeem nagenoeg even groot is als de opvoerhoogte van de pomp. Alle druk die men vraagt aan de pomp is nodig om een statisch drukverschil te overwinnen. De component die de stromingsverliezen in de leidingen vertegenwoordigt, is nagenoeg nul. Gevolg daarvan is dat de weerstandscurve zeer vlak ligt en nagenoeg parallel gaat lopen met de pompcurve. Als de pompcurve zelf dan ook nog eens vlak ligt of licht stijgend is, dan is er niet langer een scherpe kruising van pompcurve en weerstandscurve en gaat het verpompte debiet onstabiel worden. Zo’n uitzonderlijke situatie is afgebeeld in de figuur hieronder.

In dergelijke systemen is het ook niet mogelijk het debiet te regelen via frequentiesturing. Omdat de pompcurve en weerstandscurve nagenoeg evenwijdig lopen, zal een minieme verandering in toerental van de pomp tot gevolg hebben dat het debiet volledig wegvalt. In het voorbeeld hieronder zie je dat bij een toerental rond 2900 tpm, het snijpunt tussen pompcurve en weerstandscurve niet éénduidig vastligt. Een heel kleine verandering van het toerental van de pomp laat het debiet alle kanten opspringen en maakt het systeem onregelbaar.

Dit (regel-)probleem doet zich niet voor in het voorbeeld hieronder met een steile (stabiele) curve.

Velen denken dat ze het debiet kunnen verdubbelen door 2 identieke centrifugaalpompen parallel te zetten. Niets is verder van de waarheid verwijderd.

Als je meer stroming door een leidingsysteem of installatie wilt duwen, heb je meer druk nodig om meer weerstand tegen die stroming te overwinnen. En niet een klein beetje, want de weerstand (= benodigde druk) is typisch kwadratisch evenredig met het debiet. (dubbele stroom heeft 4 keer meer druk nodig).

Omdat het parallel zetten van centrifugaalpompen de druk niet verhoogt, zal de toename in doorstroming zeer beperkt zijn. Het werkingspunt zal van punt 1 naar 3 gaan, wat veel minder is dan een verdubbeling van de stroom.

Dit kan verschillende oorzaken hebben.

Ten eerste moet gecontroleerd worden of de pomp in de juiste zin draait zoals aangegeven op de kenplaat en de handleiding. Een centrifugaalpomp die verkeerd omdraait, neemt veel motorvermogen, maar levert nagenoeg geen debiet. Daarnaast is de capaciteit van de pomp ook afhankelijk van het toerental van de pomp. Voor het vervolg van deze uiteenzetting gaan we er even van uit dat draaizin en toerental in orde zijn.

Het debiet wat een centrifugaalpomp verpompt, is altijd een evenwicht tussen wat de pomp kan en wat het leidingwerk, dat aan de pomp gekoppeld is, doorlaat. De druk die een centrifugaalpomp (bij een vast toerental) opwerkt zal lichtjes afnemen met het debiet, maar is al bij al vrij constant. Echter om een groter debiet door een leiding werk te drukken, is steeds meer druk nodig. Deze nodige druk bestaat voor een stuk uit een statisch hoogteverschil (je wil de pomp gebruiken om de vloeistof van laag naar hoog te pompen) en voor een ander deel uit leidingverliezen. Het statisch hoogteverschil is onafhankelijk van het verpompte debiet, de leidingverliezen zijn bij centrifugaalpompen (die dun viskeuze vloeistoffen verpompen) meestal kwadratisch evenredig met het debiet. Dus om dubbel zoveel debiet door een leidingwerk te pompen, moet de pomp 4 keer zo hard drukken, is 4 keer meer opvoerhoogte van de pomp nodig.

Wanneer pompen minder debiet leveren dan verwacht en dan op de kenplaat van de pomp aangegeven, dan levert de pomp in de praktijk meestal wel de druk aangegeven op de kenplaat, maar niet het gewenste debiet. De oorzaak daarvoor ligt niet bij de pomp, maar wel bij een verkeerde inschatting van de leidingverliezen. Met andere woorden: de pomp levert wel de verwachte druk, maar het leidingwerk laat bij deze druk minder debiet door. Om het gewenste debiet door het leidingwerk te kunnen pompen, zou de pomp harder moeten drukken, is met andere woorden meer druk nodig; meer druk nodig dan aangegeven op de kenplaat van de pomp. Met andere woorden, de pomp levert de druk die verwacht werd, maar er is meer druk nodig om het gewenst debiet door het leidingwerk te drukken.

Er zijn 2 mogelijke redenen waardoor een pomp toch niet de aangegeven druk levert:

  • Ofwel is de verpompte vloeistof gashoudend. Door de gasfase in de vloeistof is het gemiddeld soortelijk gewicht ρ lager dan dat van water en de formule ρ*g*h levert een lagere druk op. Bij hogere gasconcentraties wordt zelfs een gasbel in het oog van de impeller verzamelt en levert de pomp nog minder druk.
  • Ofwel caviteert de pomp. Bij cavitatie wordt er ook een gasbel in de impeller van de pomp verzamelt.

De aanschafprijs van een pomp is vaak de belangrijkste reden om voor de ene of de andere pomp te kiezen; het pomprendement wordt vaak vergeten of ondergewaardeerd. Echter, in veel gevallen betaalt u elk jaar meer dan de aanschafprijs van de pomp aan uw energieleverancier. Onderstaande grafiek toont de vergelijking van de initiële investering en de jaarlijkse energiekosten voor centrifugaalpompen met een opvoerhoogte van 4 bar. De grafiek toont de vergelijking voor pompen met verschillende capaciteiten, zowel voor 40 uur als 100 bedrijfsuren per week.

Het belang van het energieverbruik in de totale kosten over 5 jaar wordt in deze grafiek weergegeven:

Een verschil van 10% in de aankoopprijs kan een beslissende factor zijn. Een hydraulisch rendement van 60% tegenover 63% betekent echter 5% meer energieverbruik. Het energieverbruik is wat u elk jaar opnieuw moet betalen voor de levensduur van de pomp. Deze grafiek laat zien dat u de 10% winst in aanschafprijs al gedurende de eerste 2 jaar aan uw energieleverancier betaalt. Vanaf het 3e jaar begint "uw boete" en wordt dit elk jaar weer herhaald.

Geïnteresseerd of vragen?
Contacteer ons