In deel één van deze tweedelige column geven we een definitie van waterslag en gaan we na wat de oorzaken ervan zijn. Ook proberen we inzicht te krijgen in de extra druk die hierdoor ontstaat. Om deel twee te lezen, klik hier.

Wat is waterslag?

Waterslag (ook wel waterhammer genoemd) is een drukgolf die kan ontstaan in elk pompsysteem dat een abrupte verandering ondergaat in de stroomsnelheid en die meestal het gevolg is van het starten en stoppen van pompen, het openen en sluiten van kleppen, of het scheiden en sluiten van waterkolommen. Deze abrupte veranderingen kunnen ertoe leiden dat de stromende waterkolom geheel of gedeeltelijk een verandering van momentum ondergaat. Deze verandering kan een schokgolf veroorzaken die heen en weer reist tussen de barrière die de schokgolf veroorzaakte en een secundaire barrière. Als de intensiteit van de schokgolf hoog is, kan fysieke schade aan het systeem ontstaan. Vreemd genoeg kan waterslag meer een probleem zijn bij lage-druktoepassingen.

Waterslag is weer een voorbeeld van behoud van energie en is het gevolg van de omzetting van snelheidsenergie in drukenergie.

Aangezien vloeistoffen een lage samendrukbaarheid hebben, is de resulterende drukenergie meestal hoog.

De beste manier om waterslag te visualiseren is misschien door te beginnen met een hypothetisch voorbeeld. Figuur 1 hieronder toont een pomp die water in een leiding pompt die leeg was toen de pomp startte. De twee kleppen aan de pompuitlaat en het uiteinde van de leiding staan volledig open en kunnen onmiddellijk sluiten. De leiding, kleppen en andere armaturen zijn volledig inelastisch en er kan geen volumeverandering optreden, ongeacht de druk. De waterkolom die door de pijp stroomt heeft ook een perfect vlakke voorrand die overeenkomt met die van de doorsnede ID van de pijp. Wanneer de voorrand van de waterkolom de stroomafwaartse klep bereikt, sluit deze met bijna de snelheid van het licht en wordt er geen lucht voor de waterkolom ingesloten.

Figuur 1

Ondanks dat de voorrand de gesloten klep heeft geraakt, gaat de stroming in de pijp de volgende paar milliseconden door. Net op het moment dat de stroming stopt, sluit de stroomopwaartse klep (dit keer met de ware snelheid van het licht), en de waterkolom is volledig geïsoleerd tussen de twee kleppen. Wat gebeurt er als de kolom de gesloten, stroomafwaartse klep raakt en waarom blijft er water in de pijp stromen, ook al is de klep gesloten?

Als deze bewegende kolom een kolom metaal was in plaats van water (hypothetisch, natuurlijk), zouden er een paar dingen kunnen gebeuren. Afhankelijk van de restitutiecoëfficiënt (het vermogen om permanente schade te voorkomen) zou de kinetische energie als gevolg van de stroming (beweging) kunnen worden omgezet in mechanische energie wanneer de voorrand van de metalen kolom tegen de gesloten klep wordt gedrukt. Als dit gebeurt, zou de kolom tot stilstand komen en onbeweeglijk bij de klep blijven staan. Als de teruggave hoog genoeg is om verplettering te voorkomen, kan diezelfde kinetische energie worden gebruikt om de richting om te keren in de vorm van een stuiterbeweging. Ongeacht het resultaat zou de “hele” metalen kolom ofwel tot stilstand komen ofwel in de tegenovergestelde richting stuiteren.

Water is een bijna niet samendrukbare vloeistof, wat lijkt te suggereren dat het enigszins samendrukbaar is. Bij omgevingstemperatuur neemt het volume van 1 psi met ongeveer 0,0000034 procent af. Dat lijkt vrij weinig, maar hoe groter het volume, hoe gemakkelijker het effect te zien is. Als water bijvoorbeeld niet zou comprimeren, zou het zeeniveau ruwweg 100 voet hoger liggen dan het huidige niveau! Bij zeer hoge druk, zeg 40.000 psi, neemt de samendrukbaarheid toe tot ongeveer 10 procent. Maar het meeste water is niet alleen maar water – het bevat ook lucht, dat voornamelijk bestaat uit stikstof (78%) en zuurstof (21%). Anders zouden vissen niet kunnen overleven! Opgeloste lucht maakt ongeveer 2 procent uit van een bepaald volume van onbewerkt water, en draagt aanzienlijk bij aan de samendrukbaarheid ervan.

Waarom

Het is de samendrukbaarheid van water (en van opgeloste lucht) die ervoor zorgt dat water zich anders gedraagt dan de metalen kolom. Als het niet samendrukbaar zou zijn, zou de voorrand permanent worden verpletterd of zou de hele kolom achterover stuiteren. Wanneer de voorrand van een waterkolom de gesloten klep raakt, stopt hij abrupt. Aangezien het water achter de voorrand nog steeds in beweging is, begint het samen te drukken. Door deze compressie over de gehele lengte van de kolom kan een kleine hoeveelheid water in de pijp blijven stromen, ook al is de voorrand tot stilstand gekomen. Wanneer de stroming stopt, wordt alle kinetische bewegingsenergie en de door de compressie veroorzaakte energie omgezet in drukenergie.

Compressie begint aan de voorrand van de waterkolom en aangezien de extra energie die daarbij vrijkomt niet verder kan gaan dan de gesloten klep, wordt een drukgolf of schokgolf gegenereerd die zich verplaatst langs de weg van de minste weerstand en dat is in dit voorbeeld stroomopwaarts. Het ontstaan ervan is vergelijkbaar met de echo die wordt geproduceerd wanneer een geluidsgolf, die door de lucht reist, een soortgelijke barrière raakt. Wanneer de golf de stroomopwaartse klep raakt, wordt hij stroomafwaarts weerkaatst, maar met een verminderde intensiteit. Deze heen-en-weer beweging gaat door totdat wrijving en reflectieverliezen de golf doen verdwijnen. De snelheid waarmee een golf zich voortbeweegt en de energie die hij tijdens zijn reis verliest, zijn afhankelijk van de dichtheid en samendrukbaarheid van het medium waarin hij zich beweegt. De dichtheid en samendrukbaarheid van water maken het tot een goed medium voor het opwekken en overbrengen van schokgolven.

De door hydraulische schok veroorzaakte drukgolven hebben kenmerken die vergelijkbaar zijn met die van geluidsgolven en verplaatsen zich met een vergelijkbare snelheid. De tijd die een waterslaggolf nodig heeft om een pijp te doorkruisen is eenvoudigweg de lengte van de pijp gedeeld door de geluidssnelheid in water (ongeveer 4,860-ft/sec). Bij waterslaganalyse wordt vaak een tijdconstante gebruikt die het verloop van de golf beschrijft van het begin tot de secundaire barrière en dan weer terug. Deze heeft de vorm Tc = 2L/a (waarbij L de lengte van de pijp is en a de snelheid van de golf, die gelijk is aan de geluidssnelheid). In een pijp van 1000 voet kan de golf in minder dan een halve seconde een volledige rondreis maken.

De door deze schokgolf veroorzaakte druk is recht evenredig met zowel de golfsnelheid als de snelheid van het water dat in de pijp stroomt. Hoewel onderstaande vergelijking geen rekening houdt met het effect van leidinglengte, -diameter en -elasticiteit, geeft zij toch enig inzicht in de extra druk die door een waterslaggolf wordt veroorzaakt.

P(extra) = aV / 2,31g

P is de extra druk die de schokgolf veroorzaakt, a is de golfsnelheid, V is de snelheid van het stromende water in de leiding in voet per seconde, g is de universele gravitatieconstante @ 32-ft/sec2 en 2,31 is de drukconversieconstante. Bij een pijpleidingsnelheid van 5 voet/sec² bedraagt de door de schokgolf veroorzaakte extra druk ongeveer 328 psi. Verhoogt men die snelheid tot 10-ft/sec, dan stijgt de bijkomende druk tot ongeveer 657 psi. Het is duidelijk dat systemen die niet ontworpen zijn voor een dergelijke verhoogde druk vaak beschadigd of zelfs vernietigd worden.

De volgende maand zullen we de drie belangrijkste oorzaken van waterslag onderzoeken en de factoren die bijdragen aan de grootte van de schokgolf die het genereert. We zullen ook zien waarom waterslag schadelijker kan zijn in lagedruksystemen.