Werkstuk Natuurkunde Pompen

Transcriptie

1 Werkstuk Natuurkunde Pompen Werkstuk door een scholier 2612 woorden 23 maart keer beoordeeld Vak Natuurkunde Inleiding Het doel van mijn verslag is om de lezer te informeren over hydraulische pompen. Een hydraulische pomp zet mechanische energie om in hydraulische energie. Meestal zorgt een elektromotor voor de mechanische energie die wordt omgezet in hydraulische energie. De vloeistof die door de pomp wordt verplaatst, zorgt voor de overbrenging van vermogen. In dit verslag leg ik uit in mijn eigen woorden hoe verschillende hydraulische pompen werken. Ik beschrijf de verschillende onderdelen waaruit een hydraulische pomp bestaat, en beschrijving over hydraulische olie. Ik heb voor dit onderwerp gekozen, omdat ik tijdens mijn stage met hydraulische pompen te maken heb. In het eerste hoofdstuk beschrijf ik het een en ander over de hydraulische olie. In de hoofdstukken daarna beschrijf ik de diverse hydraulische pompen. Om het verslag te verduidelijken heb ik ook enige foto s toegevoegd. Hopelijk zal de lezer na het lezen van dit verslag meer weten over de werking van de hydraulische pompen. Hydraulische Olie Voor alle hydraulische pompen die ik in dit verslag behandel, moet de lezer ervan uit gaan dat hydraulische pompen werken met hydraulische olie. Op elke pomp zit een zuigzijde met een zuigleiding en een perszijde met een persleiding. Wanneer een pomp in werking wordt gezet, zal er aan de zuigzijde een onderdruk ontstaan. Door de onderdruk die aan de zuigzijde ontstaat, wordt er olie aangezogen. In de pomp wordt de olie onder druk gezet. De olie verlaat de pomp vervolgens via die perszijde. De pomp zorgt dus voor een oliestroom. Aan de persleiding van de pomp kunnen verschillende gebruikers zitten, bijvoorbeeld cilinders of hydraulische motoren. Een cilinder of motor werkt alleen wanneer er een oliestroom door de pomp wordt geleverd. Voor de werking van de cilinder of motor zijn belangrijk: de hoeveelheid olie en de kracht waarmee de olie door de pomp wordt geleverd. Op een cilinder/motor werkt een bepaalde kracht die door de olie moet worden overwonnen. Het geleverde volume en de druk van de pomp bepalen dus de beweging van de cilinder/pomp. De belangrijkste functie van de hydraulische olie is dus het transporteren van energie. Een pomp zorgt voor een volumestroom en niet voor de druk. Veel mensen denken dat de pomp een bepaald vermogen levert, maar de pompen levert een bepaalde volumestroom. Meestal wordt deze volumestroom uitgedrukt in liters per minuut. Alleen als de oliestroom een bepaalde weerstand (tegendruk) tegenkomt, kan de pomp een druk Pagina 1 van 6

2 opbouwen. De hydraulische olie heeft daarnaast nog een paar belangrijke functies: Smeren: De olie moet goede smerende eigenschappen hebben om slijtage aan pomplager, ventielen e.d te voorkomen. Koelen: De warmte in de pomp wordt door de olie afgevoerd. Voorkomen corrosie: De olie moet de pomp tegen corrosie beschermen. Vuilafvoeren: Vuildeeltjes in de pomp worden door de olie afgevoerd. Afdichten: Een oliefilm zorgt voor een goede afdichting tussen twee nauw passende, bewegende delen. Viscositeit Viscositeit is de vloeibaarheid van oliën. Met de viscositeit wordt dus de dikte van de olie bedoeld. Hoe dikker de olie is, hoe groter de viscositeit van de olie is. De viscositeit van olie is afhankelijk van de temperatuur. Hoe hoger de olietemperatuur is, hoe dunner de olie wordt. Als de olietemperatuur te hoog wordt, bestaat de kans dat je een slechte smering krijgt. Een hogere temperatuur heeft wel het voordeel dat de olie makkelijker door de kleppen en leidingen stroomt. De werktemperatuur van olie is normaal graden boven de omgevingstemperatuur bij machines die binnen staan en graden boven de omgevingstemperatuur voor machines die buiten staan. Een olie die bij een verandering van de temperatuur dezelfde viscositeit houdt, bezit een hoge viscositeitindex. Op plaatsen waar de temperatuur van de olie zeer laag en zeer hoog kan worden, moet je dus een olie gebruiken met een hoge viscositeitindex. In fig. 1 (zie bijlage) zie je een viscositeitindex van drie soorten oliën. Als de temperatuur van de olie te laag wordt, ontstaan er in de olie kristallen (paraffinevlokken). De kristallen ontstaan bij het vertroebelingspunt. Hierdoor stijgt de viscositeit van de olie. Wordt de temperatuur nog lager, dan wordt het stolpunt van de olie bereikt, zie fig. 1. De olie is nu niet meer te verpompen. Een middel om de viscositeitindex van een olie te verbeteren is het toevoegen van dopes. Cavitatie Als een pomp in werking wordt gezet zal de pomp dus olie aanzuigen, door de onderdruk die de dan gecreëerd wordt. Wanneer er niet voldoende olie wordt aangezogen, ontstaan er luchtbelletjes in de olie. Cavitatie is een van de meest voorkomende oorzaken van pompslijtage en ontstaat wanneer er luchtbelletjes in de olie komen. Cavitatie kan ontstaan als bijvoorbeeld het zuiger vuil is of als het olie peil in de olietank te laag is. Door deze zaken komt er lucht in de olie. Doordat de pomp wel doorzuigt, daalt de druk aan de zuigzijde van de pomp tot onder de maximale dampspanning van de olie. Hierdoor ontstaan er in de zuigzijde oliedampen. Aan de perszijde van de pomp condenseren deze oliedampen weer, doordat aan de perszijde een hogere druk heerst. De vloeistofdeeltjes in de olie zullen in de pomp met grote snelheid en kracht tegen elkaar en tegen te wand in de pomp slaan. Dit noemt men implosie. Doordat de vloeistofdeeltjes tegen de wand aan slaan, wordt de wand van de pomp weggevreten. Omdat lucht samendrukbaar is en olie niet, ontstaat er een onstabiel gedrag in de pomp. Ook kan een oliefilm door dampvorming worden onderbroken, wat natuurlijk ook weer voor de nodige slijtage zorgt. Verder is de kans op metaalcontact in de pomp van de bewegende delen erg groot. Enkele gevolgen van cavitatie kunnen zijn: een haperende werking, het vastlopen van bewegende delen en het niet kunnen bereiken van de maximale druk van de pomp. Het is dus wel duidelijk dat cavitatie is o.a te Pagina 2 van 6

3 hoge toeren, verkeerde olie (vaak te dik), vuil zuigfilter en te laag oliepeil in de olietank. Handpompen Een handpomp is wel de eenvoudigste pomp die er is. Iedereen kent wel een voorbeeld van een handpomp. De bekendste handpomp is de autokrik. Een handpomp wordt zoals de naam het al zegt met de hand bedient. De opbrengst van de pomp is relatief laag. De opbrengst van een pomp wordt overigens bepaald door het slagvolume te vermenigvuldigen met het toerental. Een handpomp wordt vrijwel altijd uitgevoerd als plunjerpomp. In figuur 2 zie bijlage zie je een handpomp. Als de plunjer naar beneden wordt gedrukt, zal de olie in de ruimte via de persklep wegstromen. De kogel in de persklep wordt namelijk tegen de veerdruk in uit zijn zitting wordt gedrukt. De vloeistof wordt dus door de naar beneden komende plunjer, de persslag, uitgeperst. Als de zuiger naar boven wordt bewogen, de zuigslag, zal er in de ruimte onder de plunjer en onderdruk ontstaan. De druk onder de plunjer wordt lager dan in de persleiding. De persklep zal hierdoor gaan sluiten. Als de druk onder de plunjer lager is dan de druk in de zuigleiding, zal de zuigklep openen. Hierdoor zal de olie in de zuigleiding in het pomphuis worden gezogen, totdat de plunjer helemaal in de bovenste stand is gekomen. De zuigklep gaat nu dicht en vervolgens kan de persslag weer beginnen. Tandwielpompen De werking van een tandwielpomp kun je vergelijken met de werking van de handpomp. Voor het aanzuigen en persen van de olie, wordt in plaats van een plunjer gebruik gemaakt van twee tandwielen zie fig. 3 Normaalgesproken wordt er maar een van de twee tandwielen aangedreven, door bijvoorbeeld een elektromotor. Het aangedreven tandwiel zorgt ervoor dat het andere tandwiel in tegengestelde richting wordt aangedreven. De olie in de zuigleiding, wordt door de ruimte tussen de twee tanden van een tandwiel (tandkuilen) meegenomen. De olie blijft in de tandkuilen totdat de tanden weer in elkaar grijpen, Dit is mogelijk omdat tandwielen precies in het pomphuis passen en de olie niet kan ontsnappen. Wanneer de tandwielen weer in elkaar grijpen, wordt de olie in de tandkuilen verdrongen. De ruimte waarin de olie zich bevindt, wordt namelijk kleiner. Hierdoor zal de druk op de olie stijgen en zal de olie de pomp via de persleiding verlaten. De opbrengst van een tandwielpomp moet worden uitgedrukt in cm3/omw. Het is verkeerd om te spreken van slagvolume van een tandwielpomp, omdat een tandwielpomp geen slag maakt. Daarom spreekt men van opbrengst per omwenteling. Een tandwielpomp is een van de meest gebruikte pompen in hydraulische systemen. Een tandwielpomp heeft namelijk een soepele werking en heeft weinig bewegende delen, het heeft dus een lange levensduur. De tandwielpomp werkt met persdrukken tot 250 bar. Het toerental van de tandwielen varieert van 1500 tot 3000 omw/min. Een tandwielpomp heeft een totaal redement van ongeveer 75%. Het nadeel van tandwielpompen is dat de druk aan de perszijde van de pomp, een radiale belasting op de as geeft. Door gebruik te maken van radiale boringen kan de druk van de perszijde nu in de tandkuilen komen. Hierdoor is de druk links en rechts van de tandwiel dezelfde. In een tandwielpomp zal naar verloop van tijd altijd een zijdelingse slijtage ontstaan. Om deze zijdelingse slijtage te compenseren, maakt men gebruik van lagerbrillen. Lagerbrillen zijn de bussen naast de tandwielen. De persdruk van de pomp zorgt ervoor, dat de lagerbrillen tegen de tandwielen aanworden gedrukt. Hierdoor wordt dus zijdelingse Pagina 3 van 6

4 belasting gecompenseerd. Plunjerpomp Werking zie fig. 4 Plunjerpompen zijn enkelwerkende, zelfaanzuigende pompen. Vanwege de onregelmatige opbrengst zijn deze pompen over het algemeen uitgerust met een luchthelm of windketel. Vaak worden pompen met meerdere plunjers toegepast. Bij erg lange zuigleidingen kan het nodig zijn ook een windketel in de zuigleiding op te nemen, om het zogenaamde slaan te voorkomen. Een mechanisch aangedreven plunjerpomp perst zichzelf of de persleiding kapot als tijdens bedrijf de persafsluiter gesloten wordt. Als er in de persleiding zo n afsluiter zit, dan voorziet men de pomp van een ontlastklep (druk te hoog klep open). voordeel: Grote drukken mogelijk nadeel: Bij hoge persdruk is de volumeverkleining te gering om eventueel aanwezige lucht te verdringen. De pomp is dan niet zelfaanzuigend *Door de teruggaande beweging, welke door de veer wordt verzorgt, ontstaat een onderdruk in de cilinder. Hierdoor opent de kogelklep. De vloeistof, welke zich voortdurend in het huis bevindt, wordt in de cilinder gezogen. *Deze onderdruk plant zich voort in het huis en zorgt voor het aanzuigen van de vloeistof uit het reservoir. Compressie en druk *Doordat de kantelschijf P de plunjer indrukt zal door de drukopbouw in de plunjer de kogel op zijn zitting gedrukt worden. Dit is het begin van de compressie slag. We maken onderscheid tussen twee verschillende pompprincipes, namelijk: Verdringerpompen: Als de pomp gevuld is met het medium dat verpompt moet worden wordt deze door de verdringer (bijv. een zuiger) weg geperst of verdrongen. De pompwerking van verdringerpompen berust altijd op volumevergroting en verkleining. Impulspompen: Bij impulspompen wordt de pompwerking opgewekt door een snelheidsverandering van het te verpompen medium. Over het algemeen bestaat er bij deze pompen een open verbinding tussen de zuig en de pers van de pomp, waardoor de persdruk zelden ontoelaatbaar hoog kan worden. Dit type pomp heeft over het algemeen maar weinig bewegende delen en mede hierdoor zijn ze niet gevoelig voor slijtage. Per principe (beginnend bij de verdringerpompen) worden een aantal pompen besproken. Tevens worden voor- en nadelen aangegeven. De wormpomp: Dat zijn roterende, zelfaanzuigende pompen voor vloeistoffen. Wormpompen zijn gebaseerd op het beginsel van schroefdraad. Het kan een ronddraaiende beweging omzetten in een rechtlijnige. Bij een wormpomp werken twee of meer wormen samen (1 worm kan geen zuigende of persende werking hebben). De ene worm vult de openingen van de andere worm op zodat de vloeistof rechtlijnig verplaatst wordt. De afstand waarover de vloeistof per omwenteling wordt verplaatst is gelijk aan de spoed van de worm. - voordeel: Regelmatige opbrengst, kan werken met hoge toerentallen - nadeel: Kan niet droog draaien Hieronder worden een aantal impulspompen besproken. De schottenpomp (voor vloeistoffen) Pagina 4 van 6

5 Op veel industriële installaties met werkdrukken tot circa 200 bar, zoals persen en spuitgietmachines worden schottenpompen toegepast. Het voordeel van schottenpompen is de continue (niet pulserende) volumestroom en het daarmee samenhangende lage geluidsniveau. De rotor (het draaiende gele gedeelte) met de radiaal geplaatste schotten wordt van buitenaf aangedreven. De rotor is excentrisch (uit het midden) geplaatst ten opzichte van de stator of slagring. De stand ten opzichte van het midden is een maat voor het slagvolume van de pomp. Bij een excentriciteit van nul, te realiseren door de slagring (grijs) te verplaatsen, kan het slagvolume van de pomp teruggebracht worden tot 0 cm3 per omwenteling: de pomp levert dan geen olie meer. Werking van de pomp: aan de zuigzijde zie fig. 5 bijlage (blauwe kamers) neemt het kamervolume toe: er onstaat een volumevergroting waardoor er olie wordt aangezogen. Aan de perszijde (rode kamers) neemt het kamervolume tussen de schotten af en wordt de olie de persleiding in verdrongen. De druk aan perszijde wordt bepaald door de weerstand die de olie in het hydraulische systeem ondervindt. De belangrijkste weerstand is de belasting op de aan te drijven hydromotor of cilinder. De onderdruk aan zuigzijde mag nooit te groot worden De Centrifugaalpomp (voor vloeistoffen) Onderdelen van een centrifugaalpomp 1) Pomphuis 2) Een of meerdere waaiers 3) Een pompas 4) Een elektromotor voor aandrijving Het pomphuis: Meestal vervaardig uit gietijzer, brons of roestvrijstaal met zuig en persleiding De waaier: De waaier is een schijf waarin kanalen zijn aangebracht die zodanig gemaakt zijn dat er een schroefvorm overblijft. Bij het draaien van de waaier wordt de vloeistof meegeslingerd in het huis. Ook door het draaien van de schoepen ontstaat een centrifugale werking waardoor de vloeistof tegen het huis wordt gedrukt. De waaier, de pompas en de aandrijving zijn het roterende gedeelte van de pomp. Deze zijn dus best uit duurzame en sterke materialen. Er zijn drie verschillende soorten waaiers: Open waaier: voor zwaar vervuilde vloeistoffen met grote onzuiverheden Halfopen waaier: voor redelijk vervuilde vloeistoffen bijvoorbeeld; met kleine onzuiverheden zoals zand en kleine keitjes. Gesloten waaier: voor zuivere vloeistoffen zonder onzuiverheden. De pompas: Deze is de as waarop de waaiers gemonteerd zitten deze meestal vervaardigd uit roestvaststaal De aandrijving De aandrijving gebeurt meestal door middel van een elektromotor maar er zijn ook typen pompen die kunnen aangedreven worden met een verbrandingsmotor of een vlakke riem Werking van de pomp Een centrifugaalpomp bestaat uit een as met daarop een of meerdere waaiers gemonteerd die in een pomphuis ronddraaien. Vanwege de ronddraaiende beweging van de waaier ontstaat een druktoeneming (middelpuntsvliegende Pagina 5 van 6

6 kracht) naar buiten waardoor de druk wordt opgebouwd in de persleiding. Zo ontstaat er regelmatige stroming van uit de zuigleiding door de pomp en zo naar de persleiding. Door de druktoename wordt de vloeistof met hoge snelheid verplaatst en dit is niet altijd even goed. Deze verliezen ontstaan doordat de snelheidsenergie wordt omgezet naar statische druk. Door het ontwerp van het huis van deze pomp ontstaan wervelingen en hierdoor dus ook verliezen. Redement van de pomp Het redement van de pomp is afhankelijk van de hoeveelheid energie die verloren gaat in de elektromotor en de pomp. De vorm van het pomphuis, de soorten gebruikte waaiers en de lagerconstructie hebben allemaal invloed op het redement. Veel fabrikanten van pompen gebruiken roestvrijstaal dit omdat de eigenschappen van dit materiaal is zoals: hogeslijtvastheid, glad oppervlak, bestand tegen agressieve vloeistoffen zoals zuren en bazen. Toepassingen Voor het verpompen van water en andere zuivere vloeistoffen met kleine viscositeit en temperatuur tot 100 graden Celsius. Deze pompen woorden veel toegepast bij gevallen waar een hoog rendement, lange levensduur en minimum aan onderhoudskosten vereis is. Pagina 6 van 6