Hoe kan cavitatie in de vloeistofpomp worden gedetecteerd en voorkomen?

Wat is cavitatie en waardoor wordt het veroorzaakt?

In vloeistofsystemen variëren drukgradiënten dynamisch, afhankelijk van de stroomsnelheid en het stromingspatroon, d.w.z. of de stroming soepel en continu is of onderbroken en snel wisselend. Abrupte richtingsveranderingen (door scherpe bochten of bewegende onderdelen) of geometrieveranderingen van het stromingstraject (zoals plotselinge vernauwingen of schuivende delen) leiden tot sterkere drukdalingen. Ook de hydrostatische drukgradiënt in het systeem, bijvoorbeeld wanneer een voorraadtank zich ver onder de pompinvoer bevindt, heeft invloed op de systeemdruk. De resulterende drukverliezen stapelen zich op en veroorzaken een aanzienlijke totale daling van de druk.

Als de druk in een gebied binnen het systeem daalt tot onder de dampdruk van de vloeistof, begint de vloeistof te verdampen en worden er cavitatiebellen gevormd. Deze ontstaan typisch op punten in de pomp waar de druk het laagst is, vooral waar de stroming sterk wordt versneld of afgebogen. De cavitatiebellen worden vervolgens met de vloeistofstroom meegevoerd en komen vanuit de gebieden met lage druk terecht in zones met hogere druk. Zodra de lokale druk weer boven de dampdruk uitkomt, klappen de cavitatiebellen abrupt in. Deze implosies geven zeer geconcentreerde energie vrij en genereren "microstralen" die krachtige drukpieken en extreme temperatuurpieken veroorzaken. Dit kan aanzienlijke schade veroorzaken aan de pompbehuizing, de materialen en zelfs aan het verpompte medium zelf.

Welke factoren zijn van invloed op cavitatie?

Cavitatie is een verschijnsel dat zich meestal beperkt tot de pomp. Het vloeistofsysteem aan de zuig- (invoer)zijde van de pomp kan echter een grote invloed hebben op het al dan niet optreden van cavitatie en op de mate waarin dit schadelijk is voor de pomp en de vloeistof. Met name drukverliezen in de zuigleiding spelen een cruciale rol. Bij smalle en lange zuigleidingen ontstaan drukverliezen die vaak worden onderschat. Hetzelfde geldt voor scherpe bochten, kleppen of filters. De pomp moet deze verliezen compenseren door de zuigkracht te verhogen, waardoor cavitatie wordt gestimuleerd. Wanneer de voorraadtank zich ver onder de pomp bevindt, daalt de druk bij de invoer en neemt het gevaar van cavitatie sterk toe.

Ook de specifieke dampdruk van het medium is van invloed op cavitatie. Bij een vloeistof met hoge dampdruk (zoals ethanol) ontstaat cavitatie sneller dan bij vloeistoffen met lage dampdruk (zoals water). De dampdruk is bovendien sterk afhankelijk van de temperatuur van het medium. Hoe hoger de temperatuur, des te hoger is de dampdruk van het medium, wat cavitatie in de hand werkt. Verder leidt een hogere viscositeit tot extra drukverliezen in de zuigleidingen en daarmee tot een groter risico op cavitatie. 

Hoe kan cavitatie in de pomp worden herkend

Cavitatie kan soms visueel worden vastgesteld door belvorming in de vloeistof, maar meestal ontstaan en imploderen de dampbellen in de pomp en blijven daardoor onzichtbaar, zelfs bij toepassing van transparante leidingen. Bij vloeistoffen met oppervlakteactieve stoffen kan cavitatie echter leiden tot schuimvorming doordat opgeloste gassen uit de vloeistof vrijkomen. Akoestisch is cavitatie vaak herkenbaar aan een karakteristiek knarsend of knisperend geluid van imploderende dampbellen. Dit kan een duidelijker indicator zijn, vooral wanneer de cavitatie zeer uitgesproken is en niet wordt gemaskeerd door andere geluiden. 

Invloed van cavitatie op de prestaties en nauwkeurigheid van de pomp

Cavitatie heeft een negatieve invloed op het volledige systeem, de pomp en de vloeistof De prestaties van de pomp worden aangetast omdat de pomp minder vloeistof kan transporteren naarmate het aandeel damp in de vloeistof groter is. KNF FP-pompen hebben bijvoorbeeld een lineaire prestatiecurve. Verdubbeling van het toerental verdubbelt ook de capaciteit. Bij andere pompen vlakt de lineaire karakteristiek sterk af wanneer cavitatie optreedt, totdat een verhoging van het toerental geen verandering meer veroorzaakt in de volumestroom. Vooral bij doseer- en meettoepassingen is dit problematisch, omdat de nauwkeurigheid sterk afneemt. 

Wat zijn de tekenen van cavitatieschade?

Cavitatie kan aanzienlijke schade veroorzaken, zowel aan vaste structuren als aan de vloeistof zelf. Wanneer dampbellen imploderen nabij harde oppervlakken zoals kanaalwanden of pompcomponenten, kunnen microstralen het materiaal aantasten (erosie) en kraterachtige patronen achterlaten. Deze zogenaamde cavities (caviteiten of holtes) kunnen leiden tot structurele schade zoals scheurtjes. Bij membraanpompen treedt dit vaak op in gevoelige zones zoals ventielplaten, ventielzittingen en de membranen zelf. Zoals hieronder beschreven, worden ook veel andere pomptechnologieën door cavitatie beschadigd.

Ook gevoelige vloeistoffen, zoals celculturen of inkjet-inkten, kunnen door deze implosies beschadigd raken. Bij UV-inkten kan de chemische samenstelling zelfs veranderen, waardoor kwaliteit en functionaliteit worden aangetast. Dit verschijnsel wordt donkere uitharding genoemd. 

Cavitatie en ontgassing – wat is het verschil?

Naast cavitatie kan ook een verschijnsel optreden dat bekend staat als ontgassing. Wanneer vloeistoffen in contact komen met gassen (bijv. lucht), lossen deze deels in de vloeistof op. Bij kamertemperatuur (ongeveer 20 °C) en normale luchtdruk bevat 1 liter water ca. 15–20 ml opgeloste lucht (volgens de wet van Henry). Zodra deze vloeistof wordt blootgesteld aan een onderdruk, ontstaan er spontaan en zeer snel luchtbellen. In tegenstelling tot cavitatiebellen lossen deze luchtbellen niet weer op in de vloeistof wanneer ze terugstromen naar gebieden met hogere druk. Deze losgekomen luchtbellen kunnen de nauwkeurigheid van bijvoorbeeld doseer- of meetpompen aanzienlijk verminderen en kunnen daarnaast ernstige problemen veroorzaken in toepassingen zoals inkjetprinten of analytische systemen. 

Cavitatie in centrifugaalpompen

Bij centrifugaalpompen treedt het grootste risico op cavitatie meestal op aan de voorrand van de waaierbladen, waar de vloeistof versnelt en om de rand heen moet stromen. Imploderende cavitatiebellen kunnen de bladen ernstig beschadigen en leiden tot uitval van de pomp. Sterke cavitatie zorgt bovendien voor een aanzienlijk daling van het rendement en de prestaties van de pomp. 

Cavitatie in tandwielpompen

Tandwielpompen transporteren de vloeistof via de ruimtes tussen de tandwielen van de invoer naar de uitvoer van de pomp. Tijdens de terugslag grijpen de tanden van de twee tandwielen in elkaar, waardoor de vloeistof niet kan terugstromen. Wanneer de holte tussen de twee tandwielen opent, wordt deze snel weer gevuld met vloeistof. Dit creëert een diep vacuüm, waarbij de druk meestal onder de dampdruk van de vloeistof ligt, wat kan leiden tot aanzienlijke problemen met cavitatie, ontgassing of schade aan de vloeistof. 

Cavitatie in membraan- en zuigerpompen

In oscillerende pompen, zoals membraan- en zuigerpompen, volgen zuig- en persslagen elkaar cyclisch op.

Deze cyclische werking zorgt ervoor dat de vloeistof in zowel de zuigleiding als de persleiding een stop-en-go-beweging ondergaat. Door de traagheid van de vloeistof resulteert dit in drukpulsaties in de pomp en de aangesloten leidingen. Tijdens de zuigslag wordt vloeistof uit de zuigleiding in de pomp gezogen. Hierdoor ontstaat een vacuüm dat hoog genoeg is om alle weerstand in de zuigleiding te overwinnen en de vloeistof te versnellen tot de invoersnelheid. Bij snelle zuigslagen kan de resulterende druk dalen tot onder de dampdruk van de vloeistof en cavitatie veroorzaken. Bij grote pompen kunnen deze dynamische effecten worden verminderd met behulp van pulsatie­dempers of “luchtkamers”. 

Hoe kunnen pulsatie en cavitatie effectief worden voorkomen

Er zijn verschillende manieren om cavitatie en pulsatie in pompen te voorkomen. Dit kan worden gerealiseerd door middel van de pomp zelf of via het totale systeem. Voor optimalisatie aan de kant van de pomp heeft KNF de Smooth Flow technologie ontwikkeld, die bijvoorbeeld wordt toegepast in de serie FP-pompen. De grotere van deze membraanvloeistofpompen hebben meerdere membranen die in volgorde werken om een gelijkmatige, constante stroming te genereren. In de kleinere FP-pompen zijn geoptimaliseerde dempingselementen geïntegreerd aan zowel de zuig- als de perszijde. Daarnaast zijn de stromingskanalen in deze pompen geoptimaliseerd om het drukverlies te verminderen. Het resultaat is dat deze pompen de vloeistoffen gelijkmatig, continu, met lage pulsatie en vrijwel zonder cavitatie overbrengen, wat zorgt voor onderhoudsvrije en duurzame werking.

Om pulsatie en cavitatie in membraanpompen zonder Smooth Flow technologie te voorkomen, kunnen aparte pulsatie­dempers direct vóór en na de pomp worden geïnstalleerd. Daarnaast kan het helpen om een grotere pomp op lagere snelheid te laten draaien en een kleinere excenter te kiezen. 

Systeemtechnische maatregelen om cavitatie in pompen te voorkomen

Om cavitatie te voorkomen is het vooral van belang om ervoor te zorgen dat het drukverlies in de zuigleiding laag blijft. Dit kan worden bereikt door de volgende maatregelen te nemen:

• Gebruik een zuigleiding met een grotere binnendiameter.
• Plaats de pomp zo dicht mogelijk bij de voorraadtank aan de invoerzijde en, indien mogelijk, eronder. De positieve druk aan de invoer vermindert het risico van cavitatie. In de installatietechniek worden de tanks daarom vaak één verdieping boven de pompen geplaatst. In systemen waar de voorraadtank onder de pomp moet worden geplaatst, dient de zuigleiding zo kort mogelijk te zijn.
• Kies grotere zuigarmaturen en kleppen die geschikt zijn voor de eisen van de resp. toepassing om extra drukverlies te minimaliseren.
• De zuigleiding moet bovendien zo min mogelijk bochten, kleppen en koppelingen bevatten en een voldoende grote binnendiameter hebben. 

Van initiële eisen tot de optimale pompconfiguratie

Bij het ontwerpen van pompsystemen zorgen de experts van KNF ervoor dat de oplossing nauwkeurig is afgestemd op de specifieke eisen van de toepassing. Alle relevante parameters, zoals capaciteit, drukomstandigheden, vloeistofeigenschappen en systeemgeometrie, worden samen met de klant zorgvuldig geanalyseerd. Het modulaire ontwerp van de membraanpompen maakt een flexibele aanpassing mogelijk om pulsatie en cavitatie te minimaliseren. Met behulp van een krachtige en gebruiksvriendelijke simulatieomgeving kunnen vloeistofleidingen al tijdens de adviesfase worden gemodelleerd. Hierdoor kunnen kritische bedrijfsomstandigheden, zoals het risico op cavitatie, vroegtijdig worden herkend, geschikte pompconfiguraties worden vastgesteld en het totale systeem efficiënt worden geoptimaliseerd.