PUMPS MAGAZINE ISSUE 61 march 2009 13

T I P S & T R I C K S

DE “ORIFICE”

AF EN TOE TOCH EENS NUTTIGE OPLOSSINGEddy Van de Putte, Mervers Benelux

De “orifice”, oftewel “het plaatje met het gaatje”, is meestal niets anders dan een schijfje waarin centraal een opening geboord wordt, en dat dan ergens (meestal vooraan, maar niet altijd) vast in een leidingensysteem wordt bevestigd, meestal tussen een buisverbinding zoals flenzen of een of andere koppeling.

Een variante is de vlinderklep met een geboorde vlinder, waarbij een gaatje centraal in de vlinder

geboord is. Dit laatste biedt het voor-deel dat de orifice als bij toverslag ver-dwijnt wanneer men de vlinderklep in open positie zet, hetgeen voor bepaalde toepassingen nuttig kan zijn.

Er zijn meerdere redenen waarom men een orifice kan installeren:

§ Om wat extra weerstand (dus opvoer-hoogte) aan de drukzijde van een centrifugaalpomp te creëren, zodat ze dichter bij haar “BEP” (Best Effi-ciency Point) draait. Het BEP is dit werkpunt op de pompcurve waarbij de pomp het hoogste rendement haalt. Naast het feit dat de energie omzetting hier dus het hoogste is, is het ook zo dat de pomp op dit werk-punt de kleinste slijtage vertoont, omdat de asdeflectie hier het kleinst is. Hoe verder men zich verwijdert van het BEP, en dat zowel naar bene-den als naar boven toe, hoe groter, en dus sneller, de slijtage op onder-delen, zoals de lagers, asafdichting, slijtringen, e.d. wordt.

§ Om de leidingsdruk te verlagen of verhogen, afhankelijk van de plaats waar men de orifice monteert. Dit kan nodig zijn omwille van bepaalde componenten die zich in het leidin-gensysteem bevinden. Een andere doelstelling kan zijn dat men wil vermijden dat het verpompte product gaat koken.

§ Om het debiet door een leidingensys-

teem te verlagen. Dit kan bijvoor-beeld noodzakelijk zijn wanneer men aan het eind van de leiding het product opvangt in kleine recipi-

enten, en een te hoog debiet teveel spatten veroorzaakt. Het kan ook een middel zijn om cavitatie van de centrifugaalpomp te vermijden. Het verlagen van het debiet brengt ook een energiebesparing met zich, omdat bij een centrifugaalpomp met gegeven snelheid en waaierdiameter het opgenomen motorvermogen daalt bij dalend debiet.

§ Om de snelheid in de leiding te ver-lagen, om bijvoorbeeld te vermijden dat men in turbulent regime komt of om abrasie in de leiding te beper-ken.

§ Om de menging van makkelijk mengbare vloeistoffen te bevorderen. Lokaal in de orifice treedt immers een grote snelheidsverhoging op en achter de orifice vormen zich wervel-stromen, waardoor deze de rol van een eenvoudige statische menger kan gaan vervullen. Dit effect kan nog worden versterkt door het gebruik van meerdere orifices.

Er zijn natuurlijk meer hoogtechnolo-gische oplossingen om bovenstaande doelstellingen te bereiken, zoals het gebruik van een frequentieomvormer op de centrifugaalpomp, het trimmen van de waaier, of het gebruik van een smoorventiel. Er bestaan ook veel effi-ciëntere statische mengers op de markt, zoals de types in figuur 1 en 2. Toch blijft het gebruik van de orifice een eenvoudige, snelle en goedkope manier om bijvoorbeeld één centrifugaalpomp te gaan gebruiken voor verschillende leidingssystemen of toepassingen. In het geval van de vlinderklep met geboorde vlinder kan men in eenzelfde leidingensysteem werken met twee ver-schillende debieten, zonder ook maar iets aan de centrifugaalpomp te veran-deren. Men zou bijvoorbeeld een laag debiet kunnen gebruiken om het pro-duct te verpompen en een hoog debiet

Figuur 1 (boven) en figuur 2 (onder): voorbeelden van statische mengers.

PUMPS MAGAZINE ISSUE 61 march 2009 15

T I P S & T R I C K S

voor de reiniging van de leiding.

De eeuwige vraag die men zich stelt, en waarop praktisch nooit een gefundeerd antwoord komt is: “Hoe groot moet de opening zijn in de orifice om het gewenste doel te bereiken ?” Meestal wordt deze taak aan de technieker over-gelaten die dan door “trial and error” probeert om de goede diameter voor de opening te vinden. Een tijdslopend werkje dus als er telkens opnieuw moet getest worden. There must be a better way…

En inderdaad, er bestaat een betere manier, die toelaat om met een zeer goede benadering de benodigde dia-meter van de orifice te berekenen. De formule in figuur 3 toont hoe het moet.

In deze formule zijn:§ d

o: de diameter van de opening in de

orifice, uitgedrukt in millimeters§ Q: het debiet door de orifice, uitge-

drukt in m³/h§ h: het drukverlies over de orifice,

uitgedrukt in hoogte (mvk), dus meters§ d

b: de binnendiameter van de leiding

waarin de orifice wordt gemonteerd, uitgedrukt in millimeters§ K: een dimensieloze “shape coëf-

ficiënt”, die afhangt van de vorm van de orifice. Voor de waarde van K wordt verwezen naar figuur 4.

Het is belangrijk om op te merken dat de formule in figuur 3 enkel geldig is voor waterige vloeistoffen. Het is ook zeer belangrijk dat de juiste eenheden voor de verschillende parameters worden gebruikt, zoniet dreigt men tot complete nonsens resultaten te komen.

U zal opmerken dat de leidingsdiame-ter een parameter is in de formule. Er kan echter algemeen gesteld worden dat de invloed van de leidingsdiameter minimaal, zelfs verwaarloosbaar, is tot zolang de opening in de orifice kleiner blijft dan 30 % van deze leidingsdiame-ter. Het probleem is dat men dit echter pas na de berekening weet.

Laat ons nu, ter illustratie, even een cijfervoorbeeld proberen. Veronderstel dat men een orifice wil gaan monteren in een DIN 11850 leiding van DN 25

met de binnendiameter van 26 mm. Men wil een debiet realiseren van 0,8 m³/h, en een drukval over de orifice van 6 mwk. De orifice heeft een K waarde van 0,62. Hoe groot moet de opening in de orifice zijn ?

Als men alle cijfergegevens in de formule van figuur 3 inplugt, komt men tot een resultaat van 6,5 mm. De technieker gaat dus een schijfje moeten maken van ongeveer 1,5 mm dik (maxi-maal d

o/4), en daar centraal een gaatje

inboren van 6,5 mm diameter.

Ah ja, hoor ik U als lezer nu al luidop denken. Maar hoe kunnen wij bepalen hoeveel drukverlies er over de orifice moet zijn ? Dat is niet zo moeilijk als het lijkt. Hier komt onze goede oude pompcurve weer om het hoekje kijken.

Laat ons even uitgaan van een centrifu-gaalpomp met een pompkarakteristiek volgens figuur 5. De pomp is aange-sloten op een DN 50 leiding met een binnendiameter van 50 mm, en pompt

20 m³/h water bij een opvoerhoogte van 17 mwk. Deze 17 mwk worden veroor-zaakt door 7 m statische opvoerhoogte en 10 m wrijvingsverliezen in de lei-dingen en appendages. We willen een orifice plaatsen om het debiet naar 14 m³/h te brengen, en zo op het BEP van de pomp te draaien om minder slijtage in de pomp te krijgen.

Om te bepalen hoeveel drukverlies we over de orifice moeten bewerkstel-ligen, is het nodig om eerst de nieuwe wrijvingsverliezen in de leidingen en appendages te bepalen bij het nieuwe debiet van 14 m³/h. Deze zullen immers zeker lager liggen dan bij het debiet van 20 m³/h, maar hoeveel ?

Wanneer men in een bepaalde leiding van debiet A naar debiet B gaat, dan zijn de wrijvingsverliezen rechteven-redig met het kwadraat van de debiets-verhouding.

Wiskundig kan dit worden voorgesteld door de volgende formule: h

A/h

B = (Q

A/

QB)2, waarbij h

A de wrijvingsverliezen

zijn bij debiet QA, en h

B deze bij debiet

QB.

Klinkt dit nogal moeilijk ? Laat ons meteen ons praktijkvoorbeeld aanpak-ken, waarbij h

A = 10m, Q

A = 20 m³/h

en QB = 14 m³/h. De waarde van h

B

wordt gevraagd.

Als we de cijfergegevens in de formule inpluggen krijgen we een h

B van 4,9

mwk, hetgeen we afronden naar 5 mwk. Dat wil dus zeggen dat de lei-dingsverliezen teruggevallen zijn van 10 mwk naar 5 mwk, door het debiet te veranderen van 20 m³/h naar 14 m³/h. Tamelijk spectaculair, niet ?

Gezien de 7 mwk statisch opvoer-hoogte onafhankelijk is van het debiet blijft deze onveranderd. Ons systeem heeft dus een totale opvoerhoogte van 7 + 5 = 12 mwk bij het nieuwe debiet van 14 m³/h.

Onze pomp heeft echter een totale opvoerhoogte van 20 mwk nodig volgens haar curve om op 14 m³/h te kunnen draaien. We hebben dus 20 – 12 = 8 mwk tekort, en het is precies deze opvoerhoogte die de orifice moet leve-ren onder de vorm van drukverlies.

k=0.62

k=0.62 k=0.82

k=0.51 k=0.97 k=1.55

or lessd2

d

d d

d4 or less 2d to 3d

Figuur 3: formule voor orifice berekening.

Figuur 4: waarde van K.

16 PUMPS MAGAZINE ISSUE 61 march 2009

T I P S & T R I C K S

Als we de waarden 14 m³/h, 8 mwk en 50 mm inpluggen in de formule voor de orifice berekening, en een K = 0,62 gebruiken, komen we tot een boring van 24,85 mm, dus afgerond 25 mm. De helft van de leidingsdiameter dus. Wie had dit verwacht ?

Tot slot nog een klein toetje. We hebben zojuist gezien dat de wrijvingsverliezen rechtevenredig zijn met het kwadraat van de debietsverhouding, als men in eenzelfde leiding het debiet verandert. We kunnen ons echter ook de vraag stellen hoe de wrijvingsverliezen zouden evolueren als we een welbe-paald vast debiet door een welbepaalde leiding pompen en op een bepaald moment beslissen om een andere lei-dingsdiameter te gaan gebruiken voor hetzelfde debiet.

Wel, de wrijvingsverliezen zijn omge-keerd evenredig met de vijfde macht van de diameterverhouding. Wiskun-dig gesteld wordt dit: h

A/h

B = (d

B/d

A)5,

waarbij hA de wrijvingsverliezen zijn

bij leidingsdiameter dA, en h

B deze bij

leidingsdiameter dB.

Figuur 5: pompkarakteristiek van een centrifugaalpomp.

Een voorbeeldje ter illustratie: veron-derstel dat we 20 m³/h water pompen door een leiding van DN 50 met inwen-dige diameter van 50 mm en dat dit gepaard gaat met een leidingsverlies van 17 mwk. Wat zou dan het leidings-verlies worden als we de leiding van DN 50 vervangen door een leiding van

DN 65 met een inwendige diameter van 66 mm ? Het zal zeker kleiner worden, maar hoeveel ? Als we de cijferwaar-den inpluggen in de formule, komen we tot een resultaat van 4,24 mwk. De lei-dingsverliezen zijn dus met een factor 4 kleiner geworden ! Als we dit willen realiseren met de zelfde pomp, dan zal ook hier een orifice vereist zijn. Het lijkt ons echter verstandiger om in dit geval een kleinere pomp te installeren, of minstens de waaier van de bestaande pomp te trimmen.

Wij geven u de raad om de formule voor de berekening van de orifice ergens goed te bewaren of te noteren, want u gaat ze in geen enkel leerboek of naslagwerk terugvinden. Ze werd immers door de auteur van dit artikel afgeleid uit verschillende bronnen met verschillende eenhedenstelsels, om zo te komen tot een bruikbare formule, waarvan de parameters zijn uitgedrukt in voor ons gebruikelijke eenheden. <<