BERMAD > Kenniscentrum > Webinars > Drukreductie & cavitatie – Uw vragen beantwoord

Webinars

Drukreductie & cavitatie – Uw vragen beantwoord

Drukreductie & cavitatiepreventie in irrigatiesystemen - uw vragen beantwoord

oktober 25th, 2020

Optimalisatie van druk- en debietwaarden is een integraal onderdeel van het ontwerp van irrigatiesystemen. Door de constante en vaak sterke schommelingen in vraagdebiet en aanvoerdruk moeten afsluiters en andere componenten zorgen voor dynamische druk- en debietregeling in het hele systeem.

In BERMAD’s webinar, “Drukreductie en cavitatiepreventie in irrigatiesystemen”, presenteerde onze Global Irrigation Unit Manager, Yiftah Enav, de principes, methoden, systemen en oplossingen van BERMAD op het gebied van drukreductie en cavitatiepreventie. Yiftah deelde waardevolle inzichten over het kiezen van de meest effectieve drukreducerende regelafsluiters (PRV’s) voor langdurige prestaties en kostenbesparing.

Tijdens het webinar werden vragen behandeld over de theorie van cavitatie, erosie, snelheid, ΔP en de praktijk van het effectief selecteren, combineren en toewijzen van drukreducerende regelafsluiters:

V: Wat is het verschil tussen drukreduceerventielen en proportionele drukreduceerventielen?

A: Drukreducerende afsluiters (PRV’s) zijn instelbaar en worden afgesteld om een hogere stroomopwaartse druk continu te verlagen naar een lagere, constante stroomafwaartse druk, ongeacht veranderingen in de stroomopwaartse druk en/of de vraag naar debiet.

Proportionele drukreducerende afsluiters (PPRV’s) zijn niet voorzien van een pilot en zijn daarom niet instelbaar. Op basis van de verhouding tussen de effectieve oppervlakken van hun membraan en afsluiter, verlagen PPRV’s continu een hogere stroomopwaartse druk naar een lagere stroomafwaartse druk in een constante verhouding.

Alleen dubbele kamer afsluiters kunnen als PPRV dienen.

V: Is de PD-reductiefactor voor alle maten 2,5?

A: De PD-reductiefactor is 2,5 in de meeste series en maten; echter, de reductiefactor kan variëren en is te vinden op onze website, in prijslijsten en op de relevante productpagina’s. Raadpleeg de relevante reductieverhoudingstabel voor elke afsluitermaat en elke afsluiterserie (100, 700).

V: Kunnen we drukreduceerventielen gebruiken om de statische druk te verlagen? Kan een drukreduceerventiel werken bij geen doorstroming?

A: Ja. Wanneer de vraag naar debiet tot nul daalt, is het debiet dat via de drukreduceerventiel (PRV) de leiding binnenkomt, tijdelijk groter dan het debiet dat uit de leiding stroomt (wat nul is). Hierdoor hoopt de druk zich op en stijgt deze licht in de leiding stroomafwaarts van de PRV. De PRV-pilot detecteert een druk boven de ingestelde waarde en sluit de PRV, waarbij hij “probeert” de druk terug te brengen naar de ingestelde waarde. Omdat het debiet nul is (doodlopend uiteinde), blijft de druk, zelfs wanneer het ventiel drupdicht gesloten is, iets boven de ingestelde waarde (ervan uitgaande dat er geen lekkages zijn), waardoor de PRV gesloten blijft.

V: Er wordt beweerd dat het niet altijd mogelijk is voor de drukreduceerventiel (PRV) om de P2-druk te handhaven wanneer de stroming plotseling stopt, in vergelijking met een direct werkende PRV. Hiervoor zou een drukontlastklep stroomafwaarts van de PRV nodig zijn. Wat is uw reactie op deze bewering?

A: Direct werkende drukreduceerventielen (PRV’s) kunnen sneller zijn dan hydraulische PRV’s, maar zijn duidelijk inferieur wat betreft drukverlies, extra functies (zelfs sluiten/openen), gevoeligheid, nauwkeurigheid, onderhoud en vereisen nog steeds een drukontlastklep om het systeem te beschermen als de direct werkende PRV’s vastlopen of niet goed afdichten.

Om de reactietijd te versnellen, kan een stroomafwaartse drukregelingspilot worden toegevoegd of, bij voorkeur, een dubbele kamer drukreducerende afsluiter worden gebruikt.

V: We stellen de drukreduceerventiel (PRV) in op P1 om de vereiste P2 te handhaven. In deze situatie is P1 volgens het ontwerp (theoretisch), maar in werkelijkheid verandert P1 door gedeeltelijke werking van het gebied, variatie in de vraag, pompwerking of lekkage. Wat is de druk P2 tijdens deze situatie? Verandert deze (neemt deze toe)? Moeten we opnieuw naar de locatie gaan om de druk in te stellen of wordt de P2-druk automatisch gehandhaafd? En wat gebeurt er met het debiet bij variatie als P1 verandert?

A: Drukreducerende afsluiters worden continu geregeld door een drukregelingspilot die alleen P2 meet. Veranderingen in de vraag en/of P1 die invloed hebben op P2 worden direct door de pilot waargenomen, waardoor de interne onderdelen van positie veranderen en de afsluiter onmiddellijk wordt gesmoord en sluit (@ P2 stijging) of opent (@ P2 daling) om de ingestelde waarde van de pilot te bereiken.

De stroming wordt bepaald door de systeememitter en uitlaten, niet door het drukreduceerventiel (PRV). In feite past het PRV zijn openingsgraad automatisch aan de werkelijke vraag (& P1) aan, zodat het nooit “te ver open” of “te ver dicht” staat en altijd de ingestelde P2 handhaaft.

V: Wat zijn de praktische verschillen tussen drukreduceerventielen (PRV’s) met 2-weg en 3-weg regeling?Aangezien een 3-weg regelkring naar de atmosfeer ontlucht, heeft dit invloed op de regelstabiliteit van een membraangestuurde afsluiter?

A: Een 3-weg circuit wordt gekenmerkt doordat de pilot de waterroute “selecteert”: P1 naar regeling (sluiten) of regeling naar ontlast (openen). Hierdoor wordt een zeer klein volume regelwater gebruikt en ontstaan er twee verschillende gedragingen:

Hysterese (omdat een bepaalde verandering zich moet “opstapelen” voordat de pilot “omslaat”), wat als minder gevoelig wordt beschouwd, maar bij hoogwaardige pilots is dit klein genoeg. Hysterese zelf is soms essentieel om drukschommelingen in de leiding te voorkomen door de reactieketen in het systeem te “onderbreken”.
Volledig geopend bij drukval (aangezien de pilot ontlucht en zo alle sluitkrachten “annuleert”), wat energiebesparing mogelijk maakt. De ontluchting naar de atmosfeer leidt soms tot een te snelle opening, wat instabiliteit veroorzaakt. Dit kan eenvoudig worden opgelost door een druppelaar of andere restrictie aan het uiteinde van de ontluchtingsslang toe te passen.

V: Wat is het +/- drukverlies door een 2-weg regelkring?

A: Een 2-weg circuit wordt gekenmerkt door een continue stroming van P1 via een restrictie naar de regelkamer, terwijl de pilot de regelkamer verbindt met de afsluiter aan de uitlaatzijde en de kamerdruk afvoert zolang de afsluiter open is. Dit leidt tot een relatief hoog volume regelwater (0,2-0,5 m³/u; 0,9-2,2 gpm) en resulteert in gevoeligheid voor vervuild water met de onderstaande hydraulische eigenschappen:

Nagenoeg geen hysterese, omdat de benodigde pilotbeweging om de ontlaststroom te verhogen (openen) of te verlagen (sluiten) verwaarloosbaar en daardoor direct is. Hoewel dit een voordeel is, is het soms te gevoelig en leidt het tot pendelen.
Extra drukverlies (3-5 m; 4,4-7 psi) veroorzaakt door de veerkracht + P2 in de regelkamer. Dit extra drukverlies verdwijnt wanneer de stromingssnelheid door de afsluiter ~2 m/s; 6,6 ft/s overschrijdt en de openingskracht van de afsluiter (door ΔP) groter is dan de veerkracht van de hoofdafsluiter.

V: Wat zijn de dimensioneringscriteria voor circuitinlaatrestrictie bij 2-weg regeling?

A: De 2-weg regeling restrictie moet kleiner zijn dan het waterpad van de pilot om een stabiele en nauwkeurige regeling mogelijk te maken, met zo min mogelijk extra drukverlies en voldoende reactietijd. We kunnen zeggen dat het criterium de grootte is van het waterpad in de pilot, dat gekoppeld is aan de afsluitermaat.

V: Voor welke toepassingen kunnen proportionele drukreduceerventielen worden gebruikt?

A: Zwaartekrachtleidingen bergafwaarts en/of wanneer een hoge vereiste ΔP een drukreductie in twee stappen noodzakelijk maakt om afsluiters te beschermen tegen erosie en cavitatie en om extra bescherming aan het systeem te bieden.

V: Bij het leveren van water bergafwaarts vanuit een balanceringsreservoir naar meerdere kleine irrigatietanks (dus directe lozing naar de atmosfeer zoals uitgelegd bij drukbreektanks), welke typen drukreduceerventielen (PRV’s) kunnen worden gebruikt? Kunt u hier wat meer uitleg over geven?

A: De aanbevolen oplossing ter vervanging van drukbreektanks (PBT’s) is het toepassen van PPRV’s, die de volgende voordelen bieden:

Geen niveauregelafsluiters
Kostenefficiënte infrastructuur
Geen “0” druk stroomafwaarts
Directe respons – dubbele kamer
Onderhoudsvrij – geen pilots, restricties of filters
Geen verontreiniging

Echter, omdat de reductieverhouding van het PPRV constant is, daalt de stroomafwaartse druk wanneer de stroomopwaartse druk afneemt door wrijvingsverliezen in de leiding. Aangezien de irrigatievraag varieert, moeten we de PPRV’s positioneren op basis van het hoogteverschil (maximale stroomopwaartse druk) en op basis van de werkelijke opvoerhoogte bij maximale doorstroming/wrijvingsverlies (minimale stroomopwaartse druk). Omdat elke PPRV de druk bepaalt voor de volgende PPRV, is de ontwerpberekening enigszins uitdagend. BERMAD heeft een Excel-bestand ontwikkeld dat alle parameters meeneemt als hulpmiddel bij het ontwerp.

V: Welke restricties moeten worden gebruikt voor PPRV’s?
A: Voor PPRV’s zijn geen restricties nodig.

V: Kan een drukreduceerventiel worden ontworpen op basis van debiet als variabele in plaats van uitlaatdruk als variabele? Kunnen we in sommige gevallen, zoals bij een zwaartekrachtlijn, een debietbegrenzings- of regelafsluiter gebruiken als alternatief voor een drukreduceerventiel?

A: Er moeten een aantal zaken in overweging worden genomen met betrekking tot druk en debiet in drukreducerende afsluiters:

Drukreducerende afsluiters meten alleen de stroomafwaartse druk (P2). De doorstroming wordt bepaald door het waterverbruik van het systeem stroomafwaarts van de drukreduceerventiel (emitters, reservoirs, dorpen, enz.). Als de vraag naar water toeneemt en P2 daalt, zal de drukreduceerventiel “proberen” P2 weer op de ingestelde waarde te brengen door verder te openen (waardoor er meer water kan stromen). Als de vraag afneemt en P2 stijgt, zal de drukreduceerventiel dichtknijpen om P2 weer op de ingestelde waarde te brengen (waardoor er minder water kan stromen).
Men kan de PRV ombouwen tot een Debietregelafsluiter (FCV) of een debietregelingsfunctie toevoegen aan een PRV, waardoor het een drukreducerende & debietregelafsluiter wordt.
De FCV lijkt sterk op de PRV, maar in plaats van P2 te meten, meet de FCV-pilot het drukverschil (ΔP) of het debietverschil (ΔF) – de hydraulische “uitdrukking” van stroming – over een orificeplaat, een pitotbuis of een paddle die zich in de stroming bevindt. Als de vraag boven de ingestelde waarde uitkomt (zelfs bij lage druk), zal de toenemende stroomsnelheid ΔP of ΔF verhogen en zal de FCV dichtsmoren om het debiet weer tot de ingestelde waarde te beperken.
Door een debietregelingsfunctie toe te voegen aan een drukreduceerventiel (PRV) en het zo een drukreducerende en debietregelende afsluiter te maken, plaatsen we twee verschillende pilots op dezelfde afsluiter. Eén regelt het debiet op basis van het meten van ΔP of ΔF over
een orificeplaat, een Pitotbuis of paddle; de andere meet P2 en stuurt de afsluiter dienovereenkomstig.
Als de vraag stijgt en P2 daalt, neemt de debietregelingspilot de regeling over om het debiet te beperken tot de ingestelde waarde. Als de vraag daalt, laat de debietregelingspilot de afsluiter openen. Als P2 stijgt, door een toename van P1 of een daling van de vraag, neemt de reduceerpilot de regeling over en smoort de afsluiter dicht.

Wanneer de debietregelingspilot de controle heeft, sluit de afsluiter, waardoor P2 soms onder de instelling van de drukreducerende pilot zakt. Deze heeft dan geen invloed op de afsluiter en kan P2 niet verhogen zolang de vraag boven de instelling van de debietregelingspilot ligt. Daarom wordt aanbevolen om de debietregelingspilot 15-20% boven het nominale debiet van de leiding in te stellen.

V: We hebben vier afsluiters geïnstalleerd bij de inlaat van de chak (hoofdblok) waar de inlaatdruk (P1) 60 m is en de vier sub-chak (perceel) afsluiters verschillende drukvereisten (P2) hebben (dus P2 voor afsluiter 1 = 35 m, afsluiter 2 = 25 m, afsluiter 3 = 45 m, afsluiter 4 = 50 m). De lengte, diameter en hoogte van de distributieleiding van de sub-chak variëren, maar aan het uiteinde van elke sub-chak uitlaat is dezelfde doorstroming vereist. Kunnen we dus dezelfde doorstroming aan het uiteinde van de sub-chak uitlaat behouden als P1 constant is, maar P2 varieert?

A: Het antwoord hangt af van de vraag of de irrigatie onder druk staat en wordt uitgevoerd met druppelirrigatie, sproeiers of jets (elke emitter met een bekend debiet), of dat het gaat om overstromingsirrigatie waarbij het uiteinde van de distributieleiding open is naar de atmosfeer.

Bij onder druk staande MIS-irrigatie wordt de stroming bepaald door de optelsom van de debieten van alle emitters van de sub-chak en blijft deze gehandhaafd zolang P2 volgens ontwerp is en er geen breuk is opgetreden.
Bij vloedirrigatie is drukreductie niet relevant, omdat het uiteinde van de leiding open is. De juiste oplossing is een debietregelafsluiter, die een lage druk in de distributieleiding zal laten (wrijvingsverlies bij een bepaald debiet + hoogteverschil).

V: Kunnen we de PRV-instelling voor druk en debiet op afstand wijzigen?

A: Drukreducerende afsluiters (en alle hydraulische regelafsluiters) kunnen twee pilots accepteren die op verschillende drukken zijn ingesteld. Door een solenoid te installeren om tussen de pilots te “kiezen”, kan op afstand worden geschakeld tussen drukregimes.

Voor andere opties moeten er apparaten aan de pilot worden toegevoegd om dynamische externe instelling mogelijk te maken. Dit vereist ook speciale controllers om analoge besturing mogelijk te maken.

V: Wat is het optimale bereik voor klepbeweging bij hydraulische drukreducerende afsluiters?

A: Ergens tussen de 15% en 30%, afhankelijk van het type afsluiter, de druk- en stromingscondities, de jaarlijkse bedrijfstijd en andere factoren. Het toepassen van een V-port plug zorgt ervoor dat de drukreduceerventiel verder opent om lage debieten beter te verwerken. Hierdoor staat de drukreduceerventiel ongeveer 15% open, zelfs wanneer de stroomsnelheid daalt tot ongeveer 0,5 m/s.

V: In een direct pompend distributienetwerk, hoe reageert het drukreduceerventiel (PRV) wanneer er een stroomstoring optreedt en de stroomopwaartse druk plotseling stijgt? Zal het in staat zijn om P2 stroomafwaarts te handhaven?

A: Dit is complex, omdat stroomuitval een gebeurtenis met meerdere scenario’s is. Als we aannemen dat de vraag betrekking heeft op een drukreduceerventiel (PRV) op een van de uitlaten van een hoofdleiding die de pomp met een reservoir verbindt, kunnen we verwachten dat de PRV opent wanneer de druk daalt door een negatieve golf. In dit geval zal het waarschijnlijk niet snel genoeg sluiten om P2 te handhaven als er een positieve golf optreedt.

V: Kan de 400 serie (enkele kamer, globe uitvoering) afsluiter worden gebruikt voor drukreducerende toepassingen? Zo ja, is deze dan gevoeliger voor cavitatie in vergelijking met Y-uitvoering afsluiters (100 en 700 serie)?

A: De 400 serie kan worden gebruikt voor drukreducerende toepassingen. In feite worden de meeste metalen drukreduceerventieltoepassingen in irrigatie uitgevoerd door de IR-400 serie of andere enkelkamerafsluiters. De IR-400 serie heeft geen verhoogde zitting, waardoor deze minder bestand is tegen cavitatieschade dan de IR-100 serie, doordat deze is gemaakt van kunststof, en de IR-700 serie die een verhoogde roestvaststalen zitting bevat. Het Y-patroon draagt ook bij aan een betere cavitatieweerstand en ongeveer 25% betere doorstroomprestaties in vergelijking met standaard globe afsluiters.