SANITAIR  
Install Magazine 963 – september 2019

Gevaarlijke drukstoten in drinkwaterinstallaties

Schade en geluidshinder vermijden

In drinkwaterinstallaties in woningen en utiliteiten worden tal van regelventielen en afsluiters gebruikt. Daartoe behoren ook magneetventielen, die openen en sluiten door middel van een elektrische aandrijving. Men treft deze bijvoorbeeld aan in wasmachines of vaatwassers, maar ook in systemen voor een automatische hygiënespoeling. Als deze ventielen snel sluiten, kan dat tot enorme drukpieken in sommige delen van de installatie leiden. Deze drukstoten veroorzaken niet alleen lawaai, maar kunnen ook schade berokkenen aan buizen, fittingen en afdichtingen.

Een analytisch onderzoek toont aan welke factoren tot een drukstoot kunnen leiden, hoe hoog zo een stoot kan zijn, en welke belangrijke rol handbediende kranen in deze problematiek spelen. Door al van bij het ontwerp van de drinkwaterinstallatie op een intelligente manier rekening te houden met deze problemen, kunnen de drukstoten beperkt worden, of zelfs helemaal vermeden.

1. Fysica van een drukstoot

Drukstoten in leidingen hebben tal van oorzaken. We onderscheiden in de eerste plaats de hydraulische en de thermische drukstoot. In beide gevallen ontstaat er lawaai ontstaat naarmate de drukgolven zich voortplanten doorheen de installatie. Behalve de geluidshinder kunnen deze ook schade veroorzaken aan leidingen en armaturen, omdat ze een drukstoot vele malen krachtiger kan zijn dan de normale werkingsdruk (PN). Een hydraulische drukstoot kan optreden als er bijvoorbeeld een kraan snel gesloten wordt. Het water dat door de buizen stroomt, komt plots tot stilstand. Door de inertie van het water wordt er echter een kracht op het gesloten ventiel uitgeoefend. Figuur 1 toont het verloop van een typische drukstoot. Formule 1 geeft de berekening van de voortplantingssnelheid van een drukgolf in een buis. De snelheid hangt af van het buismateriaal, de buisafmetingen en de fysische eigenschappen van het medium.

Met deze waarde kan men dan de weerkaatsingstijd berekenen (T_R). Dat is de tijd die de drukgolf nodig heeft om de totale buislengte (L) eenmaal volledig heen- en weer te doorlopen.

Als de sluittijd t_s kleiner is dan de weerkaatsingstijd (T_R), dan kan men met Formule 3 de omvang van de drukstoot berekenen, volgens Joukowski (Δp _Jou). Andere vormen van drukstoten worden bepaald met de berekeningen van Alliévi.

Deze formule slaat echter alleen op de tijdspanne waarin de stromingssnelheid daalt van het maximum V_max tot volledige stilstand V₀ of 0 m/s. Om te bepalen wat er hierna gebeurt, met andere woorden de verdere voorplanting van de drukgolven door de installatie tot ze uiteindelijk afzwakken, moet men computersimulaties of metingen gebruiken.

Zijn al de relevante parameters bekend, dan kan men de verwachte drukstoot berekenen met Formule 4.

2. Belangrijke parameters en praktische voorbeelden

De toename van druk in een buis hangt af van verschillende factoren. Sommige daarvan hebben een eerder beperkte invloed, andere zijn dan weer des te belangrijker. Met welke parameters men vooral rekening moet houden, wordt hierna verduidelijkt. Tabel 1 geeft een overzicht.

In normale omstandigheden zal de dichtheid van het water maar weinig schommelen bij de gangbare temperaturen (tussen 10 en 60°C). Deze parameter heeft dus nauwelijks invloed op de kracht van de drukstoot. We kunnen hem dus als een constante beschouwen.

Het buismateriaal heeft daarentegen een grote invloed op de drukstoot. De elasticiteitsmodule van het materiaal wordt dan ook in de berekening opgenomen. Deze parameter geeft aan hoeveel weerstand een materiaal biedt tegen vervorming onder inwerking van externe krachten. Hoe groter de E-module, hoe stijver het materiaal is. Zo kan de voortplantingssnelheid van een drukgolf in een DN15 kunststofbuis ongeveer 300 m/s bedragen. In een vergelijkbare koperbuis halen we echter 1.300 m/s. We verwijzen hier nogmaals naar figuur 2. Dit aspect kan tot verschillen in drukstoten leiden (zie Formule 3), ook al blijven alle andere omstandigheden ongewijzigd.

Omdat de voortplantingssnelheid van een golf slechts in geringe mate varieert in functie van de buisdiameter, heeft de afmeting van de buis weinig invloed op de kracht van de drukstoot, zolang stromingssnelheid niet verandert. Dit toont ook Formule 3 aan.

Als we daarentegen behalve de buisdiameter ook nog het debiet wijzigen, dan heeft dat meer invloed op de kracht van de drukstoot die ontstaat als een snelsluitend ventiel de stroming onderbreekt. Figuur 2 toont de te verwachten drukstoten in koperleidingen van verschillende diameters bij verschillende debieten.

De sluitsnelheid van de klep is tenslotte van enorm belang voor de kracht van de drukstoot. Deze parameter is echter moeilijk te achterhalen. Meestal is deze waarde niet opgenomen in de technische documentatie van het kraanwerk. Ook het gedrag van de gebruiker heeft een invloed, bijvoorbeeld als het om een eengreepsmenger gaat. Een dergelijke handmatig bediende kraan kan in slechts 20 ms gesloten worden. De keramische patroon is perfect in staat om die snelheid te bereiken.

Magneetventielen kunnen eveneens de waterstroom in enkele milliseconden onderbreken. Naargelang de diameter en de uitvoering varieert de sluittijd tussen 50 en 500 ms. Het diagram in figuur 3 toont hoe de kracht van de drukstoot varieert in functie van de sluitsnelheid. (Zie ook Formule 4). Deze berekening geldt voor een 40 meter lange koperleiding in DN 12, met een watersnelheid van 2,5 m/s. De resultaten zijn de drukverhogingen die optreden in de tijdspanne tot de stroming helemaal tot stilstand komt. Een ventiel dat binnen 0,2 seconden sluit, leidt in dit geval tot een kortstondige drukstoot van 1 MPa (of 10 bar). Een langere sluittijd van 0,5 seconden veroorzaakt daarentegen slechts een drukstoot van 0,4 MPa (of 4 bar).

Een andere parameter die de kracht van de drukstoot beïnvloedt, is de leidinglengte tussen het ventiel en de eerste aftakking. Dat kan gaan van een aparte toevoerleidingen voor individuele tappunten tot standleidingen voor meerdere verbruikers met telkens een korte aansluitleiding. In de praktijk worden vaak systemen voor een automatische hygiënespoeling op het uiteinde van een gemeenschappelijke toevoerleiding gemonteerd. Ook sanitaire toestellen met eengreepsmengers die een aparte toevoerleiding hebben, vallen onder deze categorie. Hoe langer de afstand tot de eerste aftakking is, hoe groter de drukstoot bij een sluitende kraan. Dit volgt ook uit Formule 4. Dat fenomeen is een gevolg van de inertie van het stromende water dat plots tot stilstand wordt gebracht. Hoe meer water de toevoerleiding naar de kraan bevat, hoe groter het effect van de inertie.

In ringleidingen is de verdeling en weerkaatsing van een drukstoot complexer. Hoewel een ringleiding meer water bevat, valt de kracht de drukstoot hier doorgaans lager uit. Dat is voornamelijk te danken aan het feit dat de drukgolf zich in twee richtingen verdeelt, en gedeeltelijk weerkaatst wordt. In functie van de oppervlakte van de doorsnede van de aangesloten buizen, wordt de energie in verschillende mate over de installatie verdeeld. De inbouw van een terugslagklep heeft in eerste instantie geen invloed op de drukstoot zelf. Als de stroomrichting omkeert, sluit deze klep automatisch, en zorgt zo voor het behoud van de druk die zich al in de waterkolom in de toevoerleiding heeft opgebouwd. Deze druk kan wel voor problemen of zelfs defecten in de rest van de installatie leiden.

3. Praktische toepassing

Op elk van deze parameters kan men ingrijpen om de drukstoten te beperken. Daarbij maakt het een verschil of het om een bestaande installatie gaat, dan wel een nieuwe. In bestaande installaties is het doorgaans praktisch niet mogelijk om ingrijpende wijzigingen door te voeren. In dat geval kan men waterslagdempers monteren. Deze toestellen bevatten een gas, dat door een zuiger wordt samengedrukt. Daardoor wordt de drukstoot in de leiding efficiënt gedempt. Een andere mogelijkheid is om alleen langzaam sluitend kraanwerk te plaatsen. Dat veronderstelt wel dat de toestellen die aan het einde van de leiding gemonteerd worden, op dit aspect getest worden. Als er geen alternatief is voor snelsluitende ventielen, moet men naar andere oplossingen uitkijken.

In nieuwe installaties heeft men meer mogelijkheden. Zo kan men bij het ontwerp al problemen voorkomen door een juiste plaatsing van de sanitaire toestellen. Het kan bijvoorbeeld zinvol zijn om de toevoerleiding naar het tappunt zo kort mogelijk te houden, en integendeel de afvoerleiding te verlengen. Voor toestellen zoals wasmachines, vaatwassers, automatische hygiënespoelsystemen en dergelijke, lukt dit meestal zonder al te veel problemen.

Bovendien kan men een buismateriaal kiezen dat drukopbouw beperkt. Hygiënische en hydraulische aspecten (zoals de som van de drukverliezen door leidingen en accessoires) mogen daarbij echter niet uit het oog verloren worden. Andere ingrepen om drukstoten te milderen, zijn kiezen voor een grotere buisdiameter, of de waterinhoud van de toevoerleiding beperken. Dat mag evenwel niet leiden tot problemen qua hygiëne. Bovendien moet men ervoor zorgen dat de watertemperaturen aan de tappunten binnen de grenswaarden voor legionellabestrijding liggen.

Samenvattend kan men drukstoten voorkomen door op de volgende punten te letten

- te lange toevoerleidingen vermijden

- werking van magneetventielen testen en alternatieven overwegen

- de plaatsing van terugslagventielen evalueren en indien nodig waterslagdempers voorzien

- de gebruikers wijzen op het effect van snel sluitende eengreepsmengers.

Samenvatting en conclusie

Drukstoten zijn een probleem omdat ze tot schade kunnen leiden aan leidingen, fittingen en kraanwerk. Verder leiden ze tot lawaai dat doorheen de hele installatie gehoord kan worden. Om dergelijke drukstoten te vermijden, moet men op een aantal factoren letten. Dat zijn bijvoorbeeld debiet, dimensionering van de leidingen, de lengte van de toevoerleidingen, het buismateriaal, en de sluitsnelheid van de ventielen. Door een juiste planning kan het risico op drukstoten al in de ontwerpfase tot een minimum herleid worden. Daarbij moet men er wel op letten dat alle andere voorschriften, bijvoorbeeld qua hygiëne, gerespecteerd worden. In de eerste plaats moeten toevoerleidingen zo kort mogelijk worden gehouden en moet men alternatieven zoeken voor snelsluitend kraanwerk.

Literatuur

[1]: OLAER AG (2016): Allgemeiner Beschrieb Druckschlagdämpfer, Auswirkungen von Druckschlägen: http://olaer.ch

[2]: Stork, E. (ARI Armaturen) (2010): Druckstöße in Ventilen – Lösungen für die Standfestigkeit

[3]: VDI 6006 (2013): Druckstöße in Trinkwasserleitungen – Ursachen, Geräusche und Vermeidung

[4]: Bürkert Fluid Control Systems (2018): Produktübersicht Magnetventile

[5]: Lüdecke, H.-J. et al. (2013): KSB Know-how, Band 1, Der Druckstoß

[6]: Zanke, U. (2012): Hydraulik für den Wasserbau, Springer-Vieweg, 3. Auflage

[7]: Mora Armatur: http://moraarmatur.com/de/Technologien/duschlosungen/softclosing

[8]: Danfoss (2006): Produktkatalog Magnetventile

[9]: DIN EN 806 (2005): Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 2: Planung

Door Christian Röser (Universitätsklinikum Münster)