Uit de praktijk

Op het eerste oog lijkt de terugslagklep een eenvoudige component die primair terugstroming in het systeem moet voorkomen. Maar uit de praktijk blijkt dat dat niet het geval is. Waar zit het hem dat in? Waarom functioneert eenzelfde type terugslagklep in het ene systeem perfect en in het andere systeem niet? Wat is het verschil tussen een gedempte en een ongedempte klep? In dit artikel zullen we een groot deel van deze vragen beantwoorden en verder ingaan op de interactie tussen terugslagklep en het systeem waarin terugstroming moet worden voorkomen.

 

In de vraag ‘Waarom functioneert eenzelfde type terugslagklep in het ene systeem wel en in het andere niet’ ligt het antwoord eigenlijk al opgesloten. De terugslagklep is een passieve component die reageert op het hydraulisch gedrag van het systeem. Zo begint het sluittraject van de terugslagklep als de stroomsnelheid afneemt. Idealiter zou de terugslagklep dicht moeten zijn voordat de stromingsrichting omkeert. Echter, door de traagheid van de terugslagklep loopt deze altijd achter de feiten aan en treedt er toch een bepaalde retourstroming op. Het gedrag van een terugslagklep begrijpen, kan aan de hand van twee karakteristieken: de statische en de dynamische karakteristiek.

 

Statische en dynamische karakteristiek

De statische karakteristiek geeft aan bij welk drukverschil de terugslagklep opengaat en wat zijn weerstand dan is. (Zie figuur1 ). De dynamische karakteristiek geeft informatie over het sluitgedrag van de klep. Welke retourstroming (vr) treedt op bij welke vertraging (dv/dt, snelheidsverandering in bepaalde tijd). Ook dit vindt u terug in figuur 1.

De terugslagklep: een eenvoudige of complexe component?

 

Figuur 1 Voorbeeld van een statische (links) en dynamische (rechts) karakteristiek van een terugslagklep.

 

Aanwezige veren en contragewichten op een terugslagklep beïnvloeden zowel de statische als de dynamische karakteristiek. Intussen maken ze er nog geen gedempte terugslagklep van, zoals vaak wordt gedacht. Hoe sterker de veer/zwaarder het contragewicht/zwaardere bal, hoe meer kracht er nodig is om de klep te openen. Verder is het voor stabiel gedrag van de terugslagklep noodzakelijk dat de snelheid in de leiding tijdens normale condities groter is dan v0. Oftewel, de klep moet volledig geopend zijn. Anders zou immers de terugslagklep blijven reageren op kleine stromingsveranderingen.

 

Reactief

Het typische sluitgedrag van een terugslagklep tijdens een pompuitval door een stroomstoring is weergegeven in Figuur 2. Bij pompuitval neemt de stroomsnelheid in het systeem gelijk af maar het duurt even voordat de terugslagklep begint te sluiten. Dit omdat de stroomsnelheid in eerste instantie nog boven de v0 is. Verder valt op dat als de terugslagklep bijna gesloten is, er gedurende een korte tijd retourstroming optreedt. Dit komt dus door het reactieve karakter. Als deze retourstroming groot genoeg is, sleurt hij het kleplichaam plotseling mee wat een (harde) klap oplevert. Een typisch geval van klepslag (check valve slam). Dit vermindert bij gebruik van een gedempte terugslagklep. Hierop bevindt zich een hydraulische cilinder die er voor zorgt dat het laatste deel van het sluittraject geforceerd langzaam wordt afgelegd. De stroomsnelheid neemt dan geleidelijk af naar nul in plaats van instantaan (zie groene lijn in Figuur 2). Een terugslagklep is dus pas een gedempte klep als het laatste stuk van het sluiten wordt beïnvloed. Veren en contragewichten kunnen dat niet want die beïnvloeden alleen het eerste deel van het sluittraject.

De terugslagklep: een eenvoudige of complexe component?

 

 

Figuur 2 Voorbeeld van het sluitgedrag van een terugslagklep waarbij zwart is de ongedempte klep en groen een gedempte klep). T1: spanningsuitval, T2: start sluiten terugslagklep, T3: terugslagklep dicht (ongedempte klep).

 

Retourstroming

In de ontwerpfase willen we graag vooraf de retourstroming en dus de dynamische drukken en krachten bij het dichtslaan kunnen bepalen. De retourstroming volgt uit de snelheidsverandering (dv/dt) en de dynamische klepkarakteristiek. Deze dv/dt is een direct gevolg van de hydraulische eigenschappen van een systeem en verschilt dus voor elk systeem. We kunnen deze nauwkeurig bepalen met waterslagsoftware zoals Wanda. Kortweg geldt dat het traagheidsmoment van de pomp (Ip) en de lengte van de leiding tussen ‘vaste drukken’ van belang zijn. Als vaste drukken gelden onder andere de zuigkelder, een windketel of watertoren en het ontvangstreservoir. Des te korter de lengte, des te groter de dv/dt en dus meer retourstroming. Bij een grotere retourstroming treedt meer waterslag op en worden de dreunen luider. Oftewel een waterslagvoorziening zoals een windketel beschermt het persleidingsysteem maar zorgt voor heftiger gedrag ter plaatse van de terugslagklep.

 

In de praktijk

Tot zover de theorie maar hoe zit het dan in de praktijk. Voor de keuze van de terugslagklep zijn dus zowel de dv/dt als de dynamische karakteristiek van de terugslagklep nodig. De dv/dt halen we redelijk eenvoudig uit een hydraulisch model. Ter illustratie schetsen we in figuur 3 een aantal systemen die vanuit pompselectie identiek zijn. Echter de vertraging dv/dt zal in alle systemen verschillend zijn. Dat resulteert in een andere retoursnelheid en dus een ander sluitgedrag van de terugslagklep. De selectie van de terugslagklep hangt dus niet één op één samen met die van de pomp. Het moeilijke moment komt als we de retoursnelheid willen bepalen. Er blijken helaas maar weinig dynamische karakteristieken beschikbaar te zijn. We zullen dus mede op de ervaring van de fabrikant af moeten gaan. Het is vooral belangrijk te bedenken dat de optredende dynamische krachten bij het dichtslaan door de constructie moeten kunnen worden opgevangen. Dit is waar in de praktijk meestal de problemen optreden. Hoe groter de klepdiameter, hoe groter de optredende kracht.

De terugslagklep: een eenvoudige of complexe component?

 

Figuur 3 Voorbeeld van vier verschillende systemen die identiek zijn qua pompselectie maar niet qua selectie van de terugslagklep.

 

Bij het selecteren van de terugslagklep moet je dus zowel rekening houden met het systeemgedrag, de inbouwvoorschriften van de terugslagklep, de hydraulische eigenschappen van de terugslagklep (statische en dynamische karakteristiek) en het type vloeistof (afvalwater of schoon water). En het kan natuurlijk nooit kwaad om praktijkervaringen mee te nemen. Het lijstje zaken waar rekening mee gehouden moet worden en het ontbreken van dynamische karakteristieken, maakt de selectie van een terugslagklep uitdagend. Daarom organiseert Deltares op 15 oktober een speciale cursusdag die volledig gericht is op de terugslagklep en de juiste selectie daarvan.