Een luchtige energieverspiller

Enige tijd geleden was ik te gast bij een energie-efficiency dag en zag daar onder andere een presentatie over het effect van luchtbelletjes in een waterstroom van een rioleringspomp op het energieverbruik. Iets waar (zelfs) ik als doorgewinterde processengineer nog nooit zo bij heb stilgestaan. 

Uiteraard weet ik als engineer wel dat een leiding die gevuld is met vloeistof op de hoge punten goed ontlucht moet worden, maar wat als je de leiding niet kán ontluchten, omdat deze bijvoorbeeld ondergronds loopt? Ik heb het weleens van mijn broertje gehoord, die mechanisch engineer is: als hij aan een tandwiel draait, zie je ergens anders iets in beweging komen. Maar in de procestechniek kan je meestal niets zien. De leidingen of apparaten waar vloeistoffen of gassen doorheen stromen zijn in de industrie bijna altijd gemaakt van ondoorzichtig staal, beton of kunststof. Je ziet dus niets. Dat vond Christoph Lubbers van Royal HaskoningDHV ook en hij besloot om daar grondig onderzoek naar te doen. Zo grondig  dat hij daarop kon promoveren. Ik heb hem gevraagd of hij zijn promotieonderzoek in een notendop samen kon vatten:

Wat is het probleem?
De goedkoopste manier om water te transporteren is door een persleiding. Elke Nederlander krijgt zijn water uit de kraan via een persleiding en een pomp. Voor ingenieurs is het relatief gemakkelijk om een goed watertransportsysteem te ontwerpen. Moeilijker wordt het wanneer in het water ook andere stoffen worden getransporteerd zoals vuil (vaste stoffen, zoals swiffer doekjes!) en gas (lucht). Dit is het geval bij afvalwater. Ook hier geldt dat al het afvalwater dat we produceren een keer door een pomp en een persleiding gaat.

Het gebruikte water loopt via de huizen het rioolstelsel in. Deze rioolstelsels worden op de laagste punten leeggepompt door een rioolgemaal (een pomp). Om het rioolstelsel helemaal leeg te kunnen pompen worden deze gemalen lager dan de rioolleidingen geplaatst. Zodoende valt het water in de ontvangkelder van het rioolgemaal. Dit veroorzaakt grote hoeveelheden lucht in het water dat vervolgens door de pomp wordt aangezogen en de persleiding wordt ingepompt. 

Figuur 1 toont links het zij-aanzicht van een rioolgemaal met de aanvoerpijp van het riool. Rechts een laboratoriumopstelling. Hier zie je dat er erg veel lucht in het water komt dat vervolgens de pomp wordt ingezogen.

figuur 1.jpg

Figuur 1. Links: zij-aanzicht van een rioolgemaal met de aanvoerpijp van het riool. Rechts de wolk aan luchtbellen precies op de locatie van de pomp.

De luchtbellen in de leiding gaan problemen geven wanneer ze in een neergaand deel van de leiding terecht komen. Lucht is lichter dan water en wil hoog blijven. Lucht laat zich niet zomaar in een leiding naar beneden dwingen. Wanneer het water niet hard genoeg stroomt zal lucht ophopen in de hoge delen en problemen veroorzaken, die er voor zorgen dat het capaciteit van de pomp afneemt.

In figuur 2 kan je zien waarom lucht een probleem geeft voor de capaciteit van een pomp. De blauwe lijn toont de waterspiegel (het niveau) in de leiding. Erboven zit lucht. Je weet waarschijnlijk wel dat de waterdruk toeneemt wanneer je naar de bodem van een zwembad zwemt. Dit is in een leiding niet anders, maar wanneer er lucht in zit in plaats van water neemt de druk niet toe. Je bent dus druk kwijtgeraakt. Dit drukverlies moet de pomp extra leveren om dezelfde hoeveelheid (debiet) te kunnen verpompen. Veel lucht zorgt ervoor dat de pomp minder debiet levert.

figuur 2.jpg

Figuur 2. Schematisatie van een luchtvolume bij een neergaande leiding

Hoe dit er in werkelijkheid uitziet kun je zien in deze video

Het ontwerp
Gek genoeg werden tot voor kort dezelfde formules gebruikt om afvalwatertransportsystemen te ontwerpen als voor schoon drinkwater. Er waren wel regels die voorschreven hoe hard het water moest stromen bij een bepaald hellingshoek, maar dat was meer een richtlijn. Toen bleek dat veel afvalwatertransportsystemen de capaciteit niet haalden terwijl wel alle ontwerpregels in acht waren genomen, is het onderzoek gestart naar de effecten van gas in (afval)watertransportsystemen.

Resultaten
Het onderzoek werd uitgevoerd door middel van experimenten met doorzichtige buizen. Alle hellingshoeken, leiding diameter, gas en luchtdebieten werden gecombineerd om te zien en te meten wat er gebeurde.

figuur 3.jpg

Het bleek dat het water veel harder moet stromen om luchtbellen door de neergaande leidingen duwen dan tot nu toe werd aangenomen. Kleine bellen gaan wel naar beneden maar in de buis vormen die grotere bellen en die stromen weer terug omhoog.

Conclusie
In transportsystemen die problemen geven wordt eerst gezorgd dat in het gemaal de lucht niet meer bij de pomp kan komen. Dit is het probleem bij de bron aanpakken: bronbestrijdig.

We weten nu wanneer we in het ontwerp mogen verwachten dat de pomp alle lucht zal transporten en wanneer de pomp dat niet kan. In dat geval is het verstandig om ontluchters te plaatsen. Wil je meer over pompen lezen/leren? Lees dan ook mijn blogs Luctor et Emergo (over de twee belangrijkste type pompen: centrifugaal en verdringerpompen) en de spin-out (over cavitatie: het andere effect van damp in een pomp)

Herken jij problemen van lucht in pompleidingen? Deel jouw ervaringen in de commentaarvelden hieronder.

Leuk artikel? Help me dan om het artikel te verspreiden door op een of meerdere van de social media knoppen hieronder te drukken

GRATIS e-book ontvangen: hoezo niet sexy?

Ik vind het belangrijk om veel en helder over procestechnologie te communiceren. Als mensen beter begrijpen wat het belang ervan is, wat je ermee kunt en vooral ook hoe leuk en interessant het is, krijgt het hopelijk de plek die het verdient. Die communicatie bereik ik onder andere door mijn regelmatige columns en een e-book dat ik heb gemaakt waarin ik stap voor stap uitleg wat procestechnologie inhoudt. 

Jij kan dit e-book ook krijgen. Vul je naam en e-mail adres in en download het GRATIS via onderstaande link.

procesindustri.jpg

Veel leesplezier! 

 http://pro6com.nl/aanvraag-e-book/

Aanmelden nieuwsbrief

Op de hoogte blijven van het laatste nieuws, producten en aanbiedingen? Schrijf je in voor de nieuwsbrief

Deel dit artikel

Reacties (3)

Reageren
  • 11.05.2016 - 10:31 uur | Giel Klaver

    Beste Enrico
    Een kleine drukval is er wel,maar de bellen worden zo klein dat de opwaartse kracht geen effectwaarde meer heeft,ze blijven gewoon volledig verdeeld ,microscopisch klein,in het medium.Als je aan de zuigkant een luchtlek hebt zal ondanks een antischuim pas weken later de fles of pot minder vol zijn,het scheelde zomaar 20 tot 30 % volume.Na enige tijd proefdraaien heb ik de installatie uitgebreid met een online flowmeter (coriolus) en de kleurstof er bijgepompt.Daar resulteerde uit dat ik per ton geproduceerde verf 25 tot 60 % minder nodig had , dan inbatch tank bijgestort .De productie compleet in line van ruw tot verpakt eindproduct was 7 seconden per liter,de kleurwissel niet meer dan 10 liter ,die later via een tank weer zwart werd. Kortom verf produceren zonder afval.(de jaar productie was 500 ton.
    750 kg per uur,(Dat was de grens van de flow meter.)
    Wij hadden in de fabriek de slogan "en dan is er koffie " uit vol productie liepen we zo weg,alles stopte ,om later zonder kleur problemen weer verder te gaan.

    Groet Giel Klaver

  • 10.05.2016 - 18:59 uur | Enrico Lammers

    Giel,

    Dat lijkt me een nuttige aanvulling. Als de static mixer de belletjes inderdaad zo klein kan maken dat ze zich daarachter niet weer afscheiden lijkt dat een goede methode. Hoewel je in eerste instantie verwacht dat de static mixer meer (pomp)energie kost, is het opheffen van het effect wat ik in de column beschrijf waarschijnlijk groter en zou het dus energie besparen.

    Enrico

  • 10.05.2016 - 10:37 uur | Giel Klaver

    Als oud producent van watergedragen verf weet ik maar al te goed hoe het probleem van lucht in een leiding,Tot dat ik een static mix in ging zetten,die maakt lucht zo klein dat ( het aantal mix elementen het deeltje met een factor n 14 de) ik had 14 elementen van 25 mm diameter daarin werden alle deeltjes van een mu en groter tot de 14 e macht gemengd daaruit resulteerde dat elk deelbare deeltje (gas) tot een mu werden verkleind de pompen hadden er hoegenaamd geen moeite meer mee,Het lijkt mij in een riool slurrie omgeving zeer gewenst om lucht zeer fijn verdeeld daarin te hebben,en die lucht raakt en dus ook de vaste deeltjes komen met die factor in aanraking met die lucht (gas) deeltjes. het bij - mengen voor de Static mixer geeft over de lengte van de mixbuis een zeer goed resultaat.
    Kortom,
    De lucht een mu als reactie middel in de hoofd stroom , pompen die hun werk doen , geringe drukval en optimale reactie met bij gemengde stoffen.
    Static mixen worden van heel klein tot zeer groot gemaakt.(Emergo kent ze wel)

    Groet Giel Klaver