WATERSLAG

Vrijwel iedereen is bekend met het verschijnsel waterslag. Als men een kraan snel sluit hoort men vaak een tik, vooral wanneer de kraan zich bevindt aan het eind van een lange leiding.
Maar wat is nu eigenlijk waterslag?
Waterslag berust op golfvoortplanting en reflecties in een pijpleiding die ontstaan wanneer men de stationaire stroming verstoort, b.v. door het sluiten van een kraan.
Tengevolge van waterslag kunnen zeer hoge drukpieken (en onderdrukken) optreden die een leidingsysteem grondig kunnen beschadigen cq. vernielen. Het voorkomen van dit verschijnsel is dan ook meer dan gewenst.

We zullen het ontstaan van het verschijnsel proberen uit te leggen aan de hand van bovenstaand plaatje.
Het getoonde plaatje gaat uit van een simpele opzet, n.l. een wrijvingsloos systeem .
Voordat de klep gesloten wordt is er een stationaire stroming, het water vloeit vanuit het reservoir naar rechts.

Het hele gebeuren kan in vier tijdsintervallen opgesplitst worden:

 

a - Het tijdsinterval      0 < t £ L/a
b - Het tijdsinterval   L/a < t £ 2L/a
c - Het tijdsinterval  2L/a < t £ 3L/a
d - Het tijdsinterval  3L/a < t £ 4L/a

We zullen deze afzonderlijk bespreken.

Situatie a: 0 < t £ L/a

Zodra de klep gesloten wordt, zal de vloeistofsnelheid tot nul afnemen (verdwijnen van kinetische energie) en daardoor een drukstijging veroorzaken van:

dH = (a/g)*V0

Hierin is:

a de voortplantingssnelheid van de drukgolf in het systeem
g de versnelling van de zwaartekracht
V0 de stationaire vloeistofsnelheid
L de leidinglengte

Tengevolge van deze drukstijging zal de pijp uitzetten.

Vanuit het vat links zal nog steeds vloeistof de leiding in blijven stromen totdat de drukgolf het vat bereikt heeft. Achter de drukgolf is de snelheid nul geworden en is de kinetische energie geheel omgezet in elastische energie (door de pijpwand).

De druk in de leiding is nu overal:

H0+dH

Situatie b: L/a < t £ 2L/a

Omdat het vloeistofniveau in de tank gelijk blijft, ontstaat er een instabiele situatie, door het drukverschil gaat er nu vloeistof vanuit de leiding in de tank stromen en neemt de druk in de leiding af tot de oorspronkelijke druk H0, dit gaat zo door totdat in de hele leiding de druk H0 is geworden en de snelheid -V0.

Situatie c: 2L/a < t £ 3L/a

Daar de klep nog steeds gesloten is kan deze negatieve snelheid zich niet handhaven en verandert ogenblikkelijk in de snelheid nul.

Dit heeft een drukdaling ten gevolg van dH, zodat er nu een drukgolf:

H0-dH

in opwaartse richting door de leiding gaat lopen en zal door deze drukvermindering de pijpdiameter vernauwen, dit gaat zo door tot het vat bereikt is. De snelheid in de leiding is dan overal nul geworden.

Situatie d: 3L/a < t £ 4L/a

Zodra de negatieve drukpuls het vat bereikt ontstaat er opnieuw een onstabiele toestand, de druk in het vat is nu groter dan in de leiding Daardoor zal er vloeistof vanuit het vat in de leiding gaan stromen.

De snelheid ervan wordt weer ( wrijvingsloos systeem ) gelijk aan de oorspronkelijke snelheid en krijgt de druk eveneens weer zijn originele waarde ( V0 en H0 ). Zodra de klep bereikt is, is de gehele leiding weer in de toestand van het moment dat de klep sloot en indien deze inmiddels niet geopend wordt, zal het hele proces zich gaan herhalen. De tijdsduur van een cyclus bedraagt 4L/a. Alleen bij snelle sluittijden, < 2L/a ontstaan de maximale drukpieken en dalen, bij langzamere sluittijden heeft een gereflecteerde golf de klep bereikt en vermindert deze de totale drukpiek.

 

Een DOS-animatie kun je hier downloaden.watslag.exe

 

Een eenvoudige oplossing om waterslag te vermijden

Veel wasmachines worden aan het einde van een waterleiding geplaatst, vaak lange leidingen.
De afsluiter (klep) van een wasmachine is gewoonlijk een magneetklep, d.w.z. sluit erg snel.
Daardoor kan er waterslag optreden hetgeen de leiding of verbindingen ernstig kan beschadigen.
Zodra het optreedt hoor je een luide tik.
Ik heb het probleem opgelost door een eenvoudig hulpstuk te maken Fig.1, (onderaan deze pagina) dat ik geplaatst heb in de bestaande waterleiding in de nabijheid van de magneetklep van de wasmachine.
Het bestaat uit makkelijk te verkrijgen onderdelen, koperpijp, pijpdeksels, T-stuk en is in elkaar gesoldeerd. Het klepje bovenaan is een gewoon fietsventiel, maar het moet wel een type zijn dat je met de mond door kan blazen, dus niet een met ventielslang. Hoe makkelijker het klepje opengaat, des te beter werkt het.
Zodra alles gemonteerd is kun je met een handpompje wat lucht in de cilinder brengen. Zorg
ervoor dat de buitenlucht gemakkelijk door het klepje naar binnen kan stromen,
dus niet na het verwijderen van de pomp het beschermingsdopje erop schroeven!
De werking is als volgt.
Zodra de wasmachineklep sluit wordt het water abrupt gestopt. Hierdoor ontstaat een drukgolf.
Het water zoekt een uitweg in de cilinder. Omdat lucht comprimeerbaar is, in tegenstelling tot
water, dat nauwelijks comprimeerbaar is, is de drukgolf die nu optreedt erg gering en komt de stroming tot stilstand zonder enig probleem.
Er is natuurlijk, zoals bij al dit soort zaken, een vervelende bijkomstigheid. Na verloop van tijd verdwijnt alle lucht uit de cilinder omdat dit in het water oplost. Maar daartegenover staat dat elke drukstijging gevolgd wordt door een drukdaling. Door deze drukdaling wordt er lucht door het ventiel aangezogen, en zolang dit ventiel goed blijft werken, zal de cilinder toch met lucht gevuld blijven. Bij mij werkt het prima, ik heb daarna nooit meer knallen gehoord na plaatsen van dit hulpstuk.