U denkt waarschijnlijk nooit aan de machine die vloeistof verplaatst totdat er iets kapot gaat. Dan besef je dat zonder pompen de beschaving stopt. In concept zijn het eenvoudige apparaten: energie uitgeven, vloeistof verplaatsen. Maar de techniek die nodig is om het efficiënt te doen? Dat is een complexe, korrelige geschiedenis van mijnbouw, natuurkunde en materiaalkunde.
De eerste versies waren brute kracht. Denk aan Perzische en Romeinse waterraderen. Of de schroef van Archimedes. Als je eraan draait, gaat het water omhoog. Eenvoudig. Maar toen de mijnbouwactiviteiten in de Middeleeuwen dieper groeven, waren eenvoudige wielen niet genoeg. Ze hadden zuigpompen nodig.
Georgius Agricola beschreef deze in 1556 in De re metallica. Het principe berust op atmosferische druk. Breng een zuiger omhoog. Creëer een gedeeltelijk vacuüm. Luchtdruk buiten duwt water in de cilinder. Het is een leuke truc. Totdat je een harde grens bereikt.
Atmosferische druk kan water slechts ongeveer 10 meter omhoog duwen. Probeer water uit een mijnschacht dieper te zuigen? Het zal niet werken. Het vacuüm mislukt. Daarom hebben ingenieurs de krachtpomp uitgevonden. Nu dwingt de neerwaartse slag van de zuiger fysiek water naar buiten via een zijklep. De hoogte hangt af van de kracht die u uitoefent, niet alleen van de luchtdruk.
Classificatie van pompen
Hoe categoriseren we deze chaos? Het komt neer op energieoverdracht. Er zijn drie basismanieren om vloeistof te verplaatsen:
- Volumetrische verplaatsing. Een stuk vloeistof van punt A naar punt B verplaatsen.
- Kinetische energie. De vloeistof snel ronddraaien of er met een impuls op slaan.
- Elektromagnetische kracht. Gebruik van magnetische velden om geleidende vloeistoffen voort te duwen. Deze vereist dat de vloeistof een goede elektrische geleider is.
Als u gas verplaatst, heeft u het waarschijnlijk over compressoren, blowers of ventilatoren. Als u vloeistof mechanisch verdringt, is dit een verdringerpomp. Als u een roterende waaier gebruikt om snelheid toe te voegen, is dit een kinetische pomp.
Er geldt hier een algemene vuistregel. Verdringerpompen verwerken lage volumes bij hoge druk. Kinetische pompen verwerken grote volumes bij lage druk. Het is een afweging. Je kunt niet beide hebben zonder gespecialiseerde engineering.
Er is een vangst. Er is een bepaalde hoeveelheid inlaatdruk nodig om de vloeistof in de pomp te laten stromen. Als die druk te laag is, krijg je cavitatie. Dit is de vorming van lege ruimtes waar vloeistof zou moeten zijn. Er vormen zich dampbellen in de zuigleiding. Ze reizen de pomp in. Ze raakten een gebied met hogere druk. Ze storten in.
Het resultaat? Overmatig lawaai. Trillingen. Corrosie. Erosie. De pomp vreet zichzelf van binnenuit op.
Pompefficiëntie is niet statisch. Het hangt van de vloeistof af. Mobiele vloeistoffen zoals waterpomp efficiënt. Stroperige vloeistoffen zoals melasse? Niet zo veel. De viscositeit neemt af naarmate de temperatuur stijgt. Dat is de reden waarom industriële installaties dikke vloeistoffen vaak verwarmen voordat ze worden gepompt. Het is een praktische hack. Verwarm het. Het stroomt beter.
Verdringerpompen
Deze pompen tillen voor elke cyclus een bepaald volume op. Het zijn betrouwbare werkpaarden. Verdeeld in twee hoofdklassen: heen en weer bewegend en roterend.
Heen en weer gaande omvat zuiger-, plunjer- en membraantypen. Rotary omvat tandwiel-, lobben-, schroef-, schoepen- en nokkenpompen.
De plunjerpomp is het oudste voorkomende type. Het bestaat uit een cilinder. Een zuiger of plunjer beweegt heen en weer. Bij een plunjerpomp staat de afdichting stil. De plunjer duwt in de vloeistof. Bij een zuigerpomp beweegt de afdichting met de zuiger mee.
Naarmate de zuiger naar buiten beweegt, neemt het volume in de cilinder toe. Vloeistof komt binnen via een eenrichtingsinlaatklep. Naarmate het naar binnen beweegt, neemt het volume af. Drukpieken. Er wordt vloeistof uit de uitlaatklep geperst.
De pompsnelheid is niet constant. Het bereikt nul wanneer de zuiger van richting verandert. Het piekt halverwege de slag. Om dit glad te strijken, kunt u beide zijden van de zuiger gebruiken. Dubbelwerkende pompen. Of u kunt meer cilinders toevoegen.
U kunt de snelheid variëren door de heen en weer gaande snelheid van de zuigerstang te veranderen. Of door de slaglengte te veranderen. De zuiger kan rechtstreeks worden aangedreven door stoom, perslucht of hydraulische olie. Of via een mechanische koppeling die een roterende beweging omzet in een heen en weer gaande beweging.
Deze pompen zijn duur. Maar ze zijn duurzaam. Zuigerpompen draaien al meer dan 100 jaar zonder reparatie of vervanging. Dat is geen typefout. Een eeuw dienst.
Membraanpompen werken op dezelfde manier, maar vervangen de zuiger door een pulserend flexibel membraan. Geen pakkingen in contact met de vloeistof. Hiermee wordt een specifiek probleem opgelost. Lekken. Als u giftige, bijtende of dure chemicaliën verpompt, kunt u zich geen lekkage door de verpakking veroorloven. Het diafragma houdt alles binnenin afgesloten.
Vloeistof komt binnen en gaat weg via terugslagkleppen. Het membraan kan mechanisch worden bediend of door een vloeistof zoals perslucht of olie.
Ze leveren een pulserende output. Vloeistoffen. Gassen. Mengsels. Ze zijn nuttig voor vloeistoffen die vaste deeltjes bevatten. En ze kunnen langere tijd droog blijven staan. U kunt de pompsnelheid ook wijzigen terwijl de machine draait.
Hoe externe tandwielpompen vloeistof verplaatsen
De meeste mensen gaan ervan uit dat pompen magische dozen zijn die dingen opzuigen en uitspugen. Dat zijn ze niet. Het zijn slechts mechanische vallen. De externe tandwielpomp, het werkpaard van de industriële vloeistofbehandeling, berust op een verrassend eenvoudige truc.
Eén versnelling draait. Het wordt aangedreven door een motor of motor. Het andere tandwiel zit daar gewoon en laat zich duwen. Het loopt gratis.
Hier wordt de natuurkunde interessant. Terwijl die tanden van elkaar wegdraaien, creëren ze een leegte. Een gedeeltelijk vacuüm. De natuur heeft een hekel aan een vacuüm, dus snelt ze naar binnen om het gat op te vullen. Er wordt vloeistof in de ruimte tussen de tanden en de behuizing gezogen.
Maar de val blijft niet eeuwig open.
De tandwielen grijpen weer in elkaar. De tanden vergrendelen. De vloeistof kan nergens anders heen dan eruit. De druk stijgt. Het dwingt de vloeistof in de afvoerleiding.
Denk na over de richting. Je kunt de rotatie omkeren. Als je de tandwielen de andere kant op draait, wisselen de inlaat en uitlaat van plaats. De pomp pompt in beide richtingen, geheel afhankelijk van de richting waarin de motor draait.
Het is efficiënt. Het is robuust. Maar het is ook fundamenteel.
Een gedeeltelijk vacuüm, gecreëerd door het loskomen van de roterende tandwielen, zuigt vloeistof in de pomp.
Dit mechanisme is de reden waarom tandwielpompen overal zijn. Ze verplaatsen dikke oliën. Ze verplaatsen brandstoffen. Ze verplaatsen chemicaliën die een kwetsbaarder rotorblad zouden vernietigen.
De behuizing is vast. Het beweegt niet. De tanden bewegen erin. De vloeistof reist van de ene naar de andere kant, opgesloten in de holtes tussen de tanden en de muur. Het is een continue lus.
Er is geen sprake van pulseren. Geen trillingen. Gewoon een constante, ritmische druk.
Waarom doet dit er toe? Want als je iets moet verplaatsen dat niet wil bewegen – een zwaar slib, een stroperig vet, een dik polymeer – heb je positieve verplaatsing nodig. Je moet het molecuul fysiek naar voren duwen.
Tandwielpompen doen precies dat. Ze vangen de vloeistof op. Ze houden het vast. Ze gooien het er aan de andere kant uit.
Eenvoudig. Brutaal. Effectief.
Het ontwerp is in een eeuw tijd nauwelijks veranderd. Dat is geen teken van stagnatie. Het is een teken van perfectie.
Of dichtbij genoeg.
Zodra de vloeistof het gaaspunt verlaat, staat deze onder druk. Hoge druk. Genoeg om door smalle buizen te duwen. Genoeg om weerstand te overwinnen.
Je kunt de stroom omkeren. U kunt de richting van de ontlading wijzigen. Draai gewoon de rotatie om.
Dat is het mooie ervan. Eén motor. Twee versnellingen. Een gesloten lus.
Het werkt totdat het niet meer werkt. Door slijtage worden de toleranties uiteindelijk losser. De opening tussen de tanden en de behuizing wordt groter. De efficiëntie daalt. De pomp verplaatst nog steeds vloeistof, maar minder.
Maar dat is een probleem voor morgen.
Voorlopig draaien de tandwielen. Het vacuüm vormt zich. De vloeistof beweegt.
En we hoeven er niet eens over na te denken.
Interne tandwielmechanica en beperkingen
Kijk eens naar de interne tandwielpomp in figuur 2. Het is een slim stukje machinerie. Het aangedreven tandwiel is een rotor met tanden die in de binnenomtrek zijn uitgesneden. Deze tanden grijpen in een vrijlooptandwiel met externe tanden. De spanrol zit niet in het midden. Deze offset creëert de pompactie. Een vast behuizingsdeel, de halve maan genaamd, splitst de stroom. Het scheidt het tussentandwiel van de rotor.
Dit ontwerp kan goed omgaan met vloeistoffen met opgesloten dampen of gassen. Maar er is een addertje onder het gras. De pomp vertrouwt op de vloeistof zelf om de bewegende delen binnenin te smeren. Zuiver gas pompen? Zonder die beschermfolie schuren de tandwielen tegen elkaar. Ze slijten snel. Gassen zijn er dus uit.
Voor vloeistoffen is de output stabiel. Verwaarloosbare pulsaties. Als je de rotorsnelheid constant houdt, krijg je een constante stroom. Maar slijtage verandert het spel. Erosie en corrosie vergroten de openingen tussen de tandwielen. Vloeistof glijdt terug door deze gaten in plaats van vooruit te gaan. De efficiëntie daalt.
Interne tandwielpompen hebben de vloeistof nodig om voor smering te zorgen, waardoor ze niet geschikt zijn voor het verpompen van gassen.
Verstopping is de andere vijand. Vaste deeltjes blokkeren de nauwe openingen. U kunt deze pompen niet laten draaien met slurries of vloeistoffen die veel vuil bevatten. Ze hebben echter geen terugslagkleppen nodig. Door deze eenvoud kunnen ze zeer stroperige vloeistoffen verwerken. Dikke oliën? Geen probleem.
Lobbenpompen en compressoren
Lobbenpompen lijken op neven van externe tandwielpompen. Ze delen dezelfde basisvorm. Maar de rotoren zijn anders. In plaats van tandwielen hebben ze lobben. Twee, drie of vier lobben. Het belangrijkste verschil is hoe ze bewegen. Beide rotoren worden aangedreven. Ze zijn niet als tandwielen in elkaar grijpend.
Dit ontwerp betekent meer pulsatie in de output. Externe tandwielpompen zijn soepeler. Lobbenpompen zijn ruwer in de stroming. Maar ze slijten minder. De rotoren raken elkaar niet. Er is geen metaal-op-metaal contact. Dit maakt ze duurzaam voor schurende materialen, hoewel ze minder efficiënt zijn wat betreft stromingsstabiliteit.
Lobbencompressoren gebruiken hetzelfde principe. Ze pompen gas. Elke rotor heeft twee lobben. Ze verplaatsen lucht of gas waar tandwielpompen zouden falen vanwege een gebrek aan smering.
Het schroefpompprincipe
Schroefpompen werken anders. Een spiraalvormige schroefrotor draait in een vaste behuizing. De behuizing is gevormd om holtes te vormen. Terwijl de schroef draait, bewegen deze holtes van de inlaat naar de uitlaat.
Wanneer zich bij de inlaat een holte vormt, ontstaat er een gedeeltelijk vacuüm. Dit vacuüm zuigt vloeistof in de pomp. De vloeistof beweegt zich in die voortschrijdende holte. Het spettert niet rond. Het beweegt in een rechte lijn.
Aan het afvoereinde wordt de behuizing smaller. De holte sluit. Deze sluiting verhoogt de druk. De druk dwingt de vloeistof in de uitlaatleiding. Het is een positieve verplaatsingsmethode.
Schroefpompen creëren een gestage stroom door vloeistof op te vangen in voortschrijdende holtes die axiaal door de pomp bewegen.
Deze pompen zijn veelzijdig. Ze verwerken vloeistoffen met dampen. Ze verwerken ook vaste deeltjes. Het spiraalvormige ontwerp zorgt ervoor dat vuil kan passeren zonder vast te lopen. De uitvoer is stabiel. Verwaarloosbare pulsaties bij een gegeven rotorsnelheid.
Ze hebben geen inlaat- of uitlaatterugslagkleppen nodig. Dit maakt ze ideaal voor stroperige vloeistoffen. Dikke stoffen glijden er gemakkelijk doorheen. Geen extra kleppen die verstopt kunnen raken.
Afwegingen tussen kosten en levensduur
Schroefpompen zijn niet goedkoop. Dat zijn ze
De schuifschuifpomp, zoals te zien in figuur 3, is gebaseerd op een eenvoudige maar slimme mechanische opstelling. De rotor bevindt zich niet in het midden in de behuizing. Rechthoekige schoepen zijn in sleuven langs de rand van de rotor gestopt. Wanneer de motor de rotor laat draaien, duwt de middelpuntvliedende kracht de schoepen naar buiten. Ze drukken hard tegen de gebogen binnenwand van de vaste behuizing. Hierdoor ontstaat een strakke afdichting.
Terwijl de rotor draait, ontstaat er een gedeeltelijk vacuüm aan de zuigzijde. Vloeistof stroomt naar binnen om die leegte op te vullen. De roterende schoepen vangen vloeistofzakken op tussen de rotor en de behuizing. Zij voeren deze vloeistof rond naar de afvoerzijde. Daar wordt de ruimte kleiner. De druk neemt toe. De vloeistof wordt naar buiten geperst in de uitlaatleiding.
Hoe de stroomsnelheid aan te passen
U kunt de pompsnelheid regelen door de excentriciteit aan te passen. Dit betekent dat u moet veranderen hoe ver de rotor uit het midden zit. Verplaats het en je verandert het volume dat door de schoepen wordt geveegd. Het ontwerp is zelfcompenserend voor slijtage. De lamellen glijden in en uit naarmate ze verslijten. Ze blijven in contact met de behuizing. De pompcapaciteit neemt pas af als de schoepen ernstig versleten zijn.
Deze pompen zijn robuust. Ze leveren een constante output met verwaarloosbare pulsaties bij een bepaalde snelheid. U hebt geen inlaat- of uitlaatterugslagkleppen nodig. Dat vereenvoudigt het systeem. Ze kunnen goed omgaan met vloeistoffen vermengd met dampen of gassen. Maar ze falen met vaste stoffen. Als uw vloeistof deeltjes bevat, gebruik dan geen schottenpomp. De lamellen zullen onmiddellijk vastlopen of verslijten.
Er bestaan ook schottencompressoren, maar deze pompen gassen en geen vloeistoffen.
De verschuiving naar kinetische pompen
Kinetische pompen werken volgens een ander principe. Ze geven eerst snelheid aan de vloeistof. Vervolgens zetten ze die kinetische energie om in drukhoogte. Het grootste deel van de snelheid wordt statische druk. Deze klasse omvat centrifugaal- en regeneratieve pompen.
Centrifugaalpompen bestaan al sinds ongeveer 1680. Eeuwenlang werden ze weinig gebruikt. Waarom? De technologie was er nog niet helemaal. Het duurde tot de 20e eeuw voordat kinetische pompen gemeengoed werden. De materialen en productieprecisie die nodig waren om hoge snelheden efficiënt aan te kunnen, waren eindelijk gearriveerd. Tegenwoordig domineren ze grootschalige vloeiende bewegingen.
Het verschil is fundamenteel. Schottenpompen vangen afzonderlijke vloeistofvolumes op. Kinetische pompen versnellen een continue stroom. Eén ervan is positieve verplaatsing. De andere is dynamisch. Beiden hebben hun plaats. Maar als je water door een stad verplaatst, gebruik je waarschijnlijk een kinetische pomp. Als u olie doseert in een kleine machine, kunt u een schottenpomp gebruiken.
De geschiedenis van pompen is een geschiedenis van efficiëntie. We zijn overgegaan van het opvangen van vloeistof naar het gooien ervan. Van mechanische afdichtingen tot aerodynamische bladen. De schuifschottenpomp blijft bruikbaar. De eenvoud is zijn kracht. Maar de schaalbaarheid van de kinetische pomp veranderde de industrie. We zijn gestopt met kleiner en sterker bouwen. We zijn sneller en groter gaan bouwen.
Er is een reden waarom we in sommige toepassingen nog steeds schoepen gebruiken. Betrouwbaarheid is belangrijk. Maar de toekomst is aan degenen die met minder energie meer vloeistof kunnen verplaatsen. De kinetische pomp doet dat. Het gaat niet alleen om druk. Het gaat om momentum. En het momentum is moeilijk te verslaan als je miljoenen liters verplaatst.
De standaard centrifugaalpomp
U zult ze waarschijnlijk niet opmerken, maar radiale stromingspompen doen het zware werk in alles, van uw huiswatervoorziening tot industriële koelsystemen. Concreet domineert de slakkenhuispomp deze categorie. Het is het werkpaard waar je meer over wilt weten.
Vloeistof komt de waaier nabij het midden binnen. De waaier draait met hoge snelheid. Hierdoor wordt de vloeistof naar buiten tegen het pomphuis geworpen. Het resultaat is een gedeeltelijk vacuüm. Dat vacuüm trekt meer vloeistof aan. De cyclus gaat door.
Waarom Volute-pompen winnen
Deze eenheden zijn robuust. Ze zijn ook relatief goedkoop te produceren. Als u een stille werking en betrouwbaarheid nodig heeft, is dit een solide keuze. De prestaties blijven stabiel, zelfs als corrosie en erosie hun tol eisen.
De constructie is eenvoudig. Compactheid is belangrijk in krappe ruimtes. U hebt geen inlaat- of uitlaatterugslagkleppen nodig. Dat vereenvoudigt het leidingwerk. Het vermindert potentiële faalpunten.
Centrifugaalpompen met slakkenhuis zijn robuust, stil en betrouwbaar, en de prestaties worden grotendeels niet beïnvloed door corrosie en erosie.
Als ze worstelen
Ze zijn niet perfect. Ze kunnen omgaan met vloeistoffen met vaste deeltjes. Maar voeg te veel damp toe aan de mix. De zuigkracht breekt. Cavitatie volgt. Dat is slecht voor de levensduur.
Viscositeit is een andere vijand. Deze pompen werken het beste met niet-viskeuze vloeistoffen. Pomp iets diks. U zult de capaciteit aanzienlijk zien afnemen.
Het diffuseralternatief
Niet alle radiale stromingspompen gebruiken een spiraalvormig huis. Daar is de diffuserpomp. Er is een andere aanpak nodig nadat de vloeistof de waaier heeft verlaten.
De vloeistof stroomt door een ring van vaste schoepen. Deze vinnen verspreiden de vloeistof. Ze zorgen voor een gecontroleerde stroom. Wat nog belangrijker is, is dat ze snelheidsopvoerhoogte efficiënter omzetten in drukopvoerhoogte.
Het gaat om efficiëntie. Het slakkenhuis is eenvoudig. De diffuser is geoptimaliseerd. Kies op basis van wat uw proces vereist.
Axiale en gemengde stromingsmechanica
De rotor in een centrifugaalpomp met axiale stroming is in wezen een propeller. Vloeistof beweegt evenwijdig aan de as, zoals weergegeven in Figuur 5. In de afvoerpoort zitten diffusieschoepen. Ze doden de rotatiesnelheid die de propeller aan de vloeistof gaf. Axiale stromingscompressoren verplaatsen ook gassen volgens hetzelfde principe.
Gemengde stromingspompen volgen een ander pad. Vloeistof verlaat zowel radiaal als axiaal. Het komt binnen in een behuizing van het slakkenhuis. De geometrie verandert tegelijkertijd de richting en de druk.
Regeneratieve pompdynamiek
Een regeneratieve pomp wordt ook wel turbinepomp of perifere pomp genoemd. De waaier is voorzien van schoepen aan beide zijden van de rand. Het roteert in een ringvormig kanaal in de behuizing.
Vloeistof schiet niet vrij uit de waaiertip. In plaats daarvan circuleert het terug naar een lager punt op de waaierdiameter. Dit proces wordt regeneratie genoemd. Het verhoogt de door de pomp ontwikkelde opvoerhoogte.
De spelingen in deze pompen zijn krap. Je kunt ze niet gebruiken voor vloeistoffen met vaste deeltjes. Vaste stoffen zouden het mechanisme blokkeren. Ze verwerken vloeistoffen met dampen en gassen. Ze kunnen zelfs gassen verpompen als er voldoende vloeistof is om de nauwe openingen af te dichten. Ze zijn uitsluitend bedoeld voor mobiele vloeistoffen.
Principes van elektromagnetische pompen
Elektromagnetische pompen hebben één belangrijke beperking. Ze werken alleen met vloeistoffen die elektriciteit goed geleiden. De pijp die de vloeistof transporteert, bevindt zich in een magnetisch veld. Er loopt een stroom dwars door de vloeistof. Hierdoor ontstaat een elektromagnetische kracht. De kracht duwt de vloeistof in de stromingsrichting.
De stroom en het veld kunnen op verschillende manieren worden gegenereerd. Het principe komt overeen met dat van een elektromotor. Deze pompen zijn van cruciaal belang voor het koelen van kernreactoren. Ze verplaatsen vloeibare metalen efficiënt zonder mechanische onderdelen in de vloeistofstroom te verplaatsen.
Gasliften werken zonder enig bewegend onderdeel. Gecomprimeerd gas raakt de vloeistof op de bodem van de put. Het mengsel wordt lichter. Het drijfvermogen neemt het over. Het stijgt en stort eruit. Dit ontwerp verwerkt gemakkelijk vaste stoffen. Ooit gebruikelijk voor water en olie, zijn luchtliften nu zeldzaam.
Het straaluitwerpprincipe
Vloeistof beweegt door een venturimondstuk. Snelheidspieken. De druk daalt. Hierdoor ontstaat zuigkracht. Een tweede vloeistofstroom wordt meegevoerd.
Aspirators gebruiken hiervoor water. Stoomejectors duwen dampen voort. Ze verwerken grote volumes bij lage druk. Stoom met hoge snelheid komt de pomp binnen. Het brengt momentum over op het gas. Het mengsel komt in de diffuser terecht. Kinetische energie verandert in druk. Gas beweegt van lage naar hoge druk. Deze pompen dateren uit 1850.
Hydraulische rammen en waterhamers
Een neerwaartse stroming van water tilt een deel ervan hoger op. De inlaatleiding ziet een terugslagklep sluiten. Kinetische energie stopt plotseling. Als een waterslag. Drukpieken. Een tweede klep gaat open. Water komt de luchtkamer binnen. Het duwt de afvoerleiding omhoog.
De druk in de inlaat daalt. De eerste klep gaat weer open. Perslucht sluit de kamer af. De cyclus herhaalt zich. Ongeveer 15 procent van het inlaatwater bereikt vijf keer de valhoogte. Deze zijn ontwikkeld aan het einde van de 18e eeuw en vormen nog steeds de drijvende kracht achter sommige binnenlandse systemen.
Een vacuüm creëren
Vacuümpompen zijn compressoren. Ze zuigen gas op onder de atmosferische druk. Ze comprimeren het. Ze ontladen bij atmosferische druk. Lagedrukgas heeft een groot volume. Deze pompen zijn omvangrijk.
Stoomstraaluitwerpers domineren de industrie. Heen en weer bewegende zuigers werken ook. Draaischuifpompen zijn gebruikelijk. Ze dienen allemaal om lucht naar buiten te trekken.
