1
Trillingsmetingen aan een installatie voor continue sterilisatie Dr.ir. L.H. Braak WFW 87-01 9
maart 1987
In opdracht van: B.V. Chenische bedrijven v/d NCB Son
2
inhoudsopgave
3 4
1. Inleiding
2. De installatie . 3. De aard van de storingen . 4. De metingen . 4.1 Metingen op het pomphuis. 4.2 Metingen aan de eerste bocht 4.3 Metingen voor en na de demper 4.4 Metingen bij de tweede bocht 5. Conclusies en aanbevelingen
6
7 8
.
. .
9 9 11
13
3
1. Inleiding
Re Chemische Bedrijven van de NCB te Son verwerken allerlei dierlijk afval. Dit materiaal wordt ondermeer gesteriliseerd in een ketel, waarbij een druk van 3,5 bar wordt aangehouden. Re aanvoer van het afvalmateriaal verloopt in principe continu. Door middel van een dubbelwerkende verdringerpomp wordt het materiaal vanuit een pasteuriseervat naar de steriliseerketel gevoerd. Tijdens dit pompproces, waarbij elke 5 , 5 seconden een arbeidsslag wordt gemaakt, ontstaan er soms enorm hoge trillingsamplituden in aan - en afvoerleidingen van de verdringerpomp. Aangezien er door deze trillingen ongewenste storingen optreden en er plannen bestaan om de bestaande installatie te wijzigen is aan de vakgroep WFW van de TUE advies gevraagd betreffende te nemen maatregelen om storingen zo veel mogelijk te voorkomen. In dit verslag wordt melding gemaakt van de uitgevoerde trillingsmetingen en worden de resultaten van commentaar voorzien.
4
2. De installatie
In fig. 1 is in principe weergegeven hoe de installatie is opgebouwd. Het dierlijk afvalmateriaal valt door een leiding met een diameter van 400 mm vanuit een pasteuriseervat in de vultrechter van de verdringerpomp. Het materiaal staat dan nog niet onder overdruk. De verdringerpomp bestaat uit twee cilinders, waarbij de zuigers een slag van 1400 mm maken. Tijdens de aanzuigfase loopt de zuiger terug waardoor het materiaal in de cilinder loopt, tegelijkertijd perst de andere zuiger het materiaal via een S-vormig koppelstuk de persleiding in die naar de steriliseerketel looopt. Deze ketel staat onder een druk van 3 , 5 bar; elke 5,5 seconde wisselen de zuig- en persfase van de cilinders. Achter de pomp bevinden zich twee, onderling loodrechte elastische spiraalslangen, die door trekstangen onder voorspanning worden gehouden. In de verbindingsbocht zijn in twee onderling loodrechte richtingen trillingsdempers aangebracht tussen bochtstuk en fundatie. De doorvoerdiameter van de slangen is 140 mm. Na deze elastische elementen bestaat de persleiding uit een stalen pijp met een diameter van circa 200 mm, waarin een stoominjectie-apparaat is gemonteerd. Deze leiding is op diverse plaatsen star gekoppeld aan de fundatie. Het eerste deel van de persleiding ligt nagenoeg in een horizontaal vlak, er is geen terugslagklep aangebracht. Na de stoominjectie sluit de persleiding aan op de bovenzijde van de steriliseerketel.
-5
-
6
3 . De aard van de storingen
Bij elk begin van een persslag - o f einde van een zuigslag - ontstaat er in het systeem een kort durende trilling die zowel in de aanvoer- als in de afvoerleiding merkbaar is. Deze trillingen zijn uitgedempt voordat de volgende arbeidsslag van de pomp begint. ûnder sommige condities, die echter niet reproduceerbaar zijn, worden de amplituden van de trillingen extreem groot. Vooral in langsrichting van de pomp treden aanzienlijke verplaatsingen op vlak voor de dempers; orde van grootte 1 cm. Vandaar wellicht dat daardoor de ondersteuning van de persleiding losscheurt. Medegedeeld werd dat tijdens het opstarten van de installatie, als de steriliseerketel niet o f nauwelijks onder druk staat, er geen of weinig ongewenste trillingen optreden. Er zijn mogelijk twee oorzaken aan te wijzen die aanleiding zijn voor het vermelde trillingsgedrag: a) beweging van het S-vormig koppelstuk in de verdringerpomp; b) stromingsverschijnselen in de persleiding op het ogenblik dat de cilinders van functie wisselen. ad a). Het S-vormig tussenstuk draait in korte tijd om een horizontale as bij de wisseling van de arbeidsfase van de cilinders. De beweging van dit onderdeel met een vrij grote massa wordt vrijwel plotseling gestopt. Trillingen die door de traagheidswerking van deze massa opgewekt worden, zullen in de huidige installatie vooral tot uiting moeten komen in het pomphuis en in de aanvoerleiding, maar slechts weinig in de lengterichting van de pomp en in de persleiding. Dat door deze beweging vooral de eerste flexibele slang grote verplaatsingen ondergaat is hiermee slecht verklaarbaar. ad b). Het te verpompen materiaal heeft geen homogene samenstelling, Botdelen, huidstukken, hout, touw en ander afvalmateriaal worden in de stroming meegevoerd. Regelmatig ontstaan er daardoor verstoppingen in de vrij kleine bochten van de persleiding. Hoewel de druk in de steriliseerketel 3 , 5 bar is, moet worden aangenomen dat aan het begin vdn de persleiding tijdeiijk veei hogere druiriren Kunnen optreàen, een aanwijzing daarvoor is de mededeling van een van de __i__
7
bedrijfsmedewerkers dat een manometer met een bereik van 25 bar het niet hield in de persleiding. Bij het omschakelen van het S-vormig koppelstuk beweegt dit stuk over een brilplaat en staat de hoge persdruk plotseling tegen de nog niet op druk gebrachte vloeistof. Door de drukval die daardoor in de persleiding optreedt ontstaan er grote krachten die in de lengterichting van de pijpsegmenten werken. Het is zodoende verklaarbaar dat in de persleiding trillingen in diverse richtingen optreden. Bovendien zullen deze drukstoten ook hun uitwerking hebben op het pomphuis en dus ook op de aanvoerleiding.
4. De metingen
Om inzicht te verkrijgen in de aard van de trillingen zijn op een aantal plaatsen metingen uitgevoerd met behulp van kleine versnellingsopnemers. De geregistreerde signalen worden op een memo-scoop vastgelegd en gefotografeerd. De meetsignalen bleken veel ongewenste stoorsignalen te bevatten, niet alleen de netfrequentie was hinderlijk merkbaar, maar ook hoge pieken waarschijnlijk veroorzaakt door electro-magnetische velden opgewekt door de stuurspoelen van de verdringerpomp - gaan het eigenlijke meetsignaal vooraf. Het op de juiste wijze triggeren van het meetsignaal was daardoor wrij lastig. Gezien de aard van het te verpompen materiaal is het niet te verwachten dat erg reproduceerbare metingen gedaan kunnen worden; dit blijkt ook uit de foto's. Per meetplaats worden hierna de metingen besproken. Als coördinaatrichtingen worden de volgende afspraken gemaakt: - de langsrichting; een as evenwijdig aan de lengte-as van de verdringerpomp,liggend in het horizontale vlak. - de dwarsrichting; een richting haaks op de lengterichting, eveneens in het horizontale vlak. -
r.nv.4-
4
-I>
I 1
Y GA cIAbaaA.
8
4.1 Metingen op het pomphuis De opnemers zijn geplaatst op de hoek van de vultrechter aan de kant van de cilinders. De signalen IA en 28 zijn van dezelfde opnemer.
IA:
A:langsrichting tijdbasis
5 ms/div
A:dwarsrichting; 200 mV/div 8:langsrichting; 200 mV/div : 5 ms/div tijdbasis
Uit IA blijkt de frequentie van het signaal 1000 Mz te zijn. Na circa 5 ms zijn de hoogste vernellingspieken verdwenen. Vergelijking met signaal 2B wijst op het niet reproduceerbaar zijn van het proces. Wel is ook in dit signaal de 1000 Hz-frequentie herkenbaar. De dwarsversnellingen (2Al zijn een orde kleiner dan de langsversnellingen en bevatten eveneens de 1000 Hz trilling.
9
4.2 Metingen aan de eerste bocht
De opnemers zijn geplaatst op de stalen bocht, die zich tussen beide flexibele slangen bevindt.
40
SA:
38:
A:dwarsrichting; 100 mV/div B:lanysrichting; 100 mV/div : 5 ms/div tijdbasis
A:dwarsrichting; 100 mV/div B:langsrichting; 100 mV/div : 50 ms/div tijdbasis
In deze opnamen is het hoogfrequent-signaal van 1000Hz weer te herkennen, maar niet goed meetbaar. In langsrichting treden laagfrequent-signalen op waarvan de frequentie volgens 3 8 geschat kunnen worden op circa 115 Hz. DOOP de signalen over een grotere tijdspanne te volgen (foto 4) blijkt dat de maximale versnellingsamplituden in langs- en dwarsrichting elkaar weinig ontlopen. 4.3 Metingen voor en na de demper
De opnemers zijn in langsrichting geplaatst; signaal 5B komt van de opnemer die ook de signalen 3B en 4B veroorzaakte. Dit signaal wordt in de volgende metingen steeds als referentie gebruikt. Voor foto 6 is de instelling van een filter veranderd. Nu worden frequenties ;i*r^eï dan 3 0 g&l&]ieerd; bij eerde fGt0lS lâq deze afg.âpgïeils =ij 3 Ez. De opnemer wordt in de nieuwe schakeling tien keer gevoeliger.
10
6 0.
5A:
5 8:
A:langsrichting; 20 mV/div B:langsrichting; 100 mV/div tijdbasis : 20 ms/div
A:langsrichting; 100 mV/div B:langsrichting; 200 mV/div tijdbasis : 1 ms/div
Uit foto 5 en 6 blijkt het effect van de trillingsdemper; grote versnellingspieken worden niet aan de fundatie doorgegeven -let op de verschillen in verticale versterking - maar hoogfrequente signalen worden toch nog doorgeleid. Over de hoogfrequente signalen (orde 2.5 a 3.5 kHz) ligt een laagfrequent-signaal in de orde van 125 Hz.
A:langsrichting; B:iangsricnting; tijdbasis :
mV/div i ô mvjüiv 10 ms/div 10
A:langsrichting; 100 mV/div B:iangsricnting; 2ûû mVjdiv : 10 ms/div tijdbasis
Opname 7 geeft een beeld van de signalen nadat de grote trillingen in het systeem zijn uitgedempt. Het is een beeld van een gemoduleerde draaggolf; het laagfrequente signaal heeft een frequentie van 25 Hz, de "draaggolf" heeft een frequentie van ongeveer 230 Hz. Opname 8 toont een klap waarbij een halve periode van een sinus wordt getekend; de bijbehorende frequentie is circa 40 Hz. Waarschijnlijk door allerlei botsingsfenomenen -bij voorbeeld in de trekstangen- wordt het signaal echter ernstig vervormd. Wel is duidelijk dat de groootste amplituden circa 15 ms later optreden na de demper dan voor de demper.
4.4 Metingen bij de tweede bocht
Een van de opnemers wordt bevestigd op de stalen bocht achter de flexibele slangen, aan het begin van de stalen persleiding net voor de eerste starre ondersteuning. Meetsignaal B wordt weer betrokken van de opnemer die ook in 4.3 voor de signalen B zorgde. Zowel uit foto 7 als uit foto 10 en 12 blijkt dat in het signaal telkens een frequentie van rond de 125 Hz voorkomt. De ondersteuning van de persleiding is gemonteerd op een machinefundatie waar zich een aandrijfeenheid op bevindt. De ondersteunng is relatief kort en stijf en leidt mede daardoor machinetrillingen door naar de persleiding. In alle signalen A van de foto's 9 tot en met 12 is dit fenomeen te herkennen. Enige correlatie tussen de signalen in deze bocht en die gemeten op de eerste bocht is er niet te leggen. Opmerkelijk is dat in de periode tussen twee klappen (foto O en 12) de horizontale en verticale versnellingsamplituden groter zijn dan die van het signaal dat als referentie werd genomen.
12
- . ,. .. .
A:langsrichting; 100 mV/div B:langsrichting; 100 mV/div : 10 ms/div tijdbasis
A:langsrichting; 100 mV/div B:langsrichting; 100 mV/div : 2 ms/div tijdbasis
A:langsrichting; 100 mV/div 8:langsrichting; 100 mV/div tijdbasis : 2 ms/div
; 20 mV/div A:verticaal %:langsrichting; 20 mv/div : 5 ms/div tijdbasis
13
5. Conclusies en aanbevelingen
Op grond van de gemeten resultaten zijn weinig harde uitspraken te doen, alle metingen worden wel op de een of andere manier verstoord door relatief hoogfrequente signalen en triggering op de verwachte spanningspieken bleek niet mogelijk. Als meest waarschijnlijke oorzaak van de heftige trillingen in aan- en afvoerleiding moet toch gedacht worden aan stromingsverschijnselen, zoals eerder in hoofdstuk 3 is geponeerd. Opmerkelijk is het relatief hoge amplitude niveau nabij de vaste verbinding van de persleiding met de fundatie en het optreden van frequenties die niet op de pomp of in de eerste bocht gemeten kunnen worden. Het optreden van scheuren in deze ondersteuningen zou wellicht mede te wijten zijn aan storingen die door het fundament worden doorgegeven. Ons inziens heeft het geen zin de pomp op een aparte, geveerde fundering te monteren. De extra bewegingsmogelijkheid die daardoor ontstaat vermindert niets aan de bron van de ellende en zal weinig dempend effect hebben op de rest van de constructie. Zinvoller lijkt het er voor te zorgen dat een grote drukval, bij het omschakelen van het S-vormig koppelstuk in de pomp, in de persleiding wordt vermeden. Dit zou kunnen door flexibele slangen te monteren met een grotere diameter i3n bochtstukken te gebruiken met een grotere straal. Hierdoor zullen mogelijke vernauwingen in de stroming minder snel optreden en zullen drukverhogingen kleiner zijn. De trekstangen die er voor zorgen dat de elastische slangen onder voldoende voorspanning blijven geven waarschijnlijk aanleiding tot hoogfrequente signalen als er grote klappen op het systeem werken, Het verdient wellicht aanbeveling in deze elementen te zorgen voor meer demping in de vorm van schokdempers. Gezien het algemene trillingsniveau in de buurt van de installatie lijkt het niet zinvol de persleiding door middel van korte stijve balken te koppelen ìììet de fUììdeïiììg. Deteï is het eeìì mate vâ, f:enibi:iteit iìì t e boUwe, iìì horizontale en in verticale richting, die tevens nog een dempende werking
14
heeft. Ophanging in rubbermanchetten o f via lange dunne voorgespannen strippen zijn daarbij enige mogelijkheden. In hoeverre de hier voorgestelde wijzigen in de persleiding effect hebben op de amplitude van de dan optredende trillingen is helaas weinig te zeggen.
