Enige tijd geleden was ik te gast bij een energie-efficiency dag en zag daar onder andere een presentatie over het effect van luchtbelletjes in een waterstroom van een rioleringspomp op het energieverbruik. Iets waar (zelfs) ik als doorgewinterde processengineer nog nooit zo bij heb stilgestaan. Uiteraard weet ik als engineer wel dat een leiding die gevuld is met vloeistof op de hoge punten goed ontlucht moet worden, maar wat als je de leiding niet kán ontluchten, omdat deze bijvoorbeeld ondergronds loopt? Ik heb het weleens van mijn broertje gehoord, die mechanisch engineer, is: als hij aan een tandwiel draait, zie je ergens anders iets in beweging komen. Maar in de procestechniek kan je meestal niets zien. De leidingen of apparaten waar vloeistoffen of gassen doorheen stromen zijn in de industrie bijna altijd gemaakt van ondoorzichtig staal, beton of kunststof. Je ziet dus niets. Dat vond Christoph Lubbers van Royal HaskoningDHV ook en hij besloot om daar grondig onderzoek naar te doen. Zo grondig dat hij daarop kon promoveren. Ik heb hem gevraagd of hij zijn promotieonderzoek in een notendop samen kon vatten:
Wat is het probleem?
De goedkoopste manier om water te transporteren is door een persleiding. Elke Nederlander krijgt zijn water uit de kraan via een persleiding en een pomp. Voor ingenieurs is het relatief gemakkelijk om een goed watertransportsysteem te ontwerpen. Moeilijker wordt het wanneer in het water ook andere stoffen worden getransporteerd zoals vuil (vaste stoffen, zoals swiffer doekjes!) en gas (lucht). Dit is het geval bij afvalwater. Ook hier geldt dat al het afvalwater dat we produceren een keer door een pomp en een persleiding gaat. Het gebruikte water loopt via de huizen het rioolstelsel in. Deze rioolstelsels worden op de laagste punten leeggepompt door een rioolgemaal (een pomp). Om het rioolstelsel helemaal leeg te kunnen pompen worden deze gemalen lager dan de rioolleidingen geplaatst. Zodoende valt het water in de ontvangkelder van het rioolgemaal. Dit veroorzaakt grote hoeveelheden lucht in het water dat vervolgens door de pomp wordt aangezogen en de persleiding wordt ingepompt. Figuur 1 toont links het zij-aanzicht van een rioolgemaal met de aanvoerpijp van het riool. Rechts een laboratoriumopstelling. Hier zie je dat er erg veel lucht in het water komt dat vervolgens de pomp wordt ingezogen. 
Figuur 1. Links: zij-aanzicht van een rioolgemaal met de aanvoerpijp van het riool. Rechts de wolk aan luchtbellen precies op de locatie van de pomp. De luchtbellen in de leiding gaan problemen geven wanneer ze in een neergaand deel van de leiding terecht komen. Lucht is lichter dan water en wil hoog blijven. Lucht laat zich niet zomaar in een leiding naar beneden dwingen. Wanneer het water niet hard genoeg stroomt zal lucht ophopen in de hoge delen en problemen veroorzaken, die er voor zorgen dat het capaciteit van de pomp afneemt. In figuur 2 kan je zien waarom lucht een probleem geeft voor de capaciteit van een pomp. De blauwe lijn toont de waterspiegel (het niveau) in de leiding. Erboven zit lucht. Iedereen weet dat de waterdruk toeneemt wanneer je naar de bodem van een zwembad zwemt. Dit is in een leiding niet anders, maar wanneer er lucht in zit in plaats van water neemt de druk niet toe. Je bent dus druk kwijtgeraakt. Dit drukverlies moet de pomp extra leveren om dezelfde hoeveelheid (debiet) te kunnen verpompen. Veel lucht zorgt ervoor dat de pomp minder debiet levert. 
Figuur 2. Schematisatie van een luchtvolume bij een neergaande leiding Hoe dit er in werkelijkheid uitziet kun je zien in deze video [av_video src=’https://www.youtube.com/watch?v=d6M-iK7s20M’ format=’16-9′ width=’16’ height=’9′]
Het ontwerp
Gek genoeg werden tot voor kort dezelfde formules gebruikt om afvalwatertransportsystemen te ontwerpen als voor schoon drinkwater. Er waren wel regels die voorschreven hoe hard het water moest stromen bij een bepaald hellingshoek, maar dat was meer een richtlijn. Toen bleek dat veel afvalwatertransportsystemen de capaciteit niet haalden terwijl wel alle ontwerpregels in acht waren genomen, is het onderzoek gestart naar de effecten van gas in (afval)watertransportsystemen.
Resultaten
Het onderzoek werd uitgevoerd door middel van experimenten met doorzichtige buizen. Alle hellingshoeken, leiding diameter, gas en luchtdebieten werden gecombineerd om te zien en te meten wat er gebeurde. Het bleek dat het water veel harder moet stromen om luchtbellen door de neergaande leidingen duwen dan tot nu toe werd aangenomen. Kleine bellen gaan wel naar beneden maar in de buis vormen die grotere bellen en die stromen weer terug omhoog. 
Conclusie
In transportsystemen die problemen geven wordt eerst gezorgd dat in het gemaal de lucht niet meer bij de pomp kan komen. Dit is het probleem bij de bron aanpakken: bronbestrijdig. We weten nu wanneer we in het ontwerp mogen verwachten dat de pomp alle lucht zal transporten en wanneer de pomp dat niet kan. In dat geval is het verstandig om ontluchters te plaatsen.
Meer weten over het optimaliseren van een proces? Download dan ons e-book:
