Om efficiënter vloeistoffen te verpompen moeten we volgens Oostenrijkse onderzoekers het hart als voorbeeld nemen. In Nature presenteren ze interessante labresultaten, maar het pulserend verpompen van vloeistoffen op grote schaal loopt nog tegen belangrijke problemen aan.
Wereldwijd komt bijna twintig procent van het elektrische energieverbruik voor rekening van het verpompen van vloeistoffen. Een kleine verbetering in de efficiency kan dus meteen grote impact hebben. Onderzoekers van het Institute of Science and Technology Austria (ISTA) stellen dat het pompen van vloeistoffen door pijpleidingen efficiënter wordt door gebruik te maken van een pulserend pompsysteem. Ze nemen de werking van een kloppend hart dat bloedt rondpompt als voorbeeld.
Wrijving reduceren
Als een vloeistof snel door een leiding stroomt, wordt deze turbulent. De turbulentie zorgt voor extra wrijving, waardoor er meer energie nodig is om de vloeistof te verpompen. Veel onderzoek om vloeistoftransport door pijpleidingen efficiënter te maken richt zich op het verminderen van de wrijving tussen de leiding en de vloeistof. Zo past de olie-industrie kleine hoeveelheden polymeren toe in transportpijpleidingen. ‘Hiermee kan een weerstandsreductie tot wel veertig procent worden gehaald’, vertelt Jerry Westerweel, hoogleraar Aero & Hydrodynamics aan de TU Delft. ‘ Deze methode wordt al sinds 1970 toegepast bij de Trans Alaska pipeline.’
Evolutie
Het ISTA, gevestigd in Klosterneuburg bij Wenen, onderzocht of het variëren van de pomp-dynamica voor een efficiëntere stroming zorgt. De groep nam de werking van het menselijk hart als voorbeeld. Immers, de evolutie heeft miljoenen jaren de tijd gehad om de hartfunctie te optimaliseren, redeneert Björn Hof, die samen met Davide Scarselli het onderzoek leidde. Normaal gesproken zorgen pompen voor een continue vloeistofstroom. Echter, het menselijk hart pulseert om het bloed door de aderen te laten stromen. De bloedstroom mag niet te veel wrijving geven en niet te turbulent zijn in de aderen omdat dit schade kan veroorzaken aan cellen op de aderwanden. De onderzoekers waren daarom nieuwsgierig of deze pulserende manier van vloeistoftransport ook voor andere toepassingen voordelig zou zijn.
Rustperiodes
Het team keek naar waterstroming in doorzichtige pijpleidingen van verschillende lengtes en diameters. Door reflecterende deeltjes aan het water toe te voegen konden ze met behulp van lasers verifiëren of de stroming laminair of turbulent was. De onderzoekers probeerden verschillende modaliteiten uit. Ze lieten de pomp langzaam versnellen en snel stoppen of juist andersom. Het bleek echter dat het hierdoor juist meer energie kostte om de vloeistof te verpompen. Maar door een korte rustperiode tussen de pulsen te introduceren – precies zoals een hart werkt – bleek de turbulentie af te nemen. De waterstroom werd versneld en daarna afgeremd, gevolgd door een rustperiode waardoor de turbulentie verdween. Deze rustperiodes zorgden ervoor dat de versnelling van het water in de volgende cyclus efficiënter was. De wrijving werd met maar liefst 27 procent verminderd en het energieverbruik met 9 procent.
Waterslag
De onderzoeksgroep denkt dat deze resultaten in de toekomst zeker in de praktijk toepasbaar zijn, maar dat vergt nog wel enkele stappen in de ontwikkeling. Zo zijn pompen over het algemeen niet ontworpen om deze pulserende bewegingen te maken, zo schrijven in hun Nature-publicatie. Westerweel vindt het onderliggende idee wel aardig, maar denkt niet dat opschaling naar bijvoorbeeld een pijpleiding voor olietransport of transport van vloeibaar gas zomaar mogelijk is. Hij wijst bijvoorbeeld op het optreden van waterslag. ‘Door de vertraging van de vloeistofstroom wordt een sterk toenemend drukverloop in de buis gegenereerd, evenredig met de dichtheid van de vloeistof en de vertraging. Bij een hele snelle sluiting ontstaat een zeer sterke drukgolf.’ Dit effect kun je ook ervaren bij het snel sluiten van een kraan in de keuken of badkamer. ‘Je hoort dan een harde knal en de leidingen trillen, alsof er iemand met een hamer een klap op geeft.’ Waterslag kan zelfs leiden tot het breken van de leiding, legt Westerweel uit.
Drukgolf
In de experimenten van de ISTA-onderzoekers speelt waterslag amper een rol, aldus Westerweel. ‘De vertraging is 0,2 tot 0,5 m/s2. De lengte van de buis is daarbij zo kort [1,2 en 7,5 meter, red.], dat er geen noemenswaardige drukverschillen ontstaan.’ Maar bij het cyclisch transporteren van olie is dat volgens hem heel anders. ‘Hierbij moet naar de dynamica van het hele buissysteem op werkelijke schaal gekeken worden. Denk aan een buis met een diameter van 20 centimeter en een lengte van 10 kilometer, waardoor olie met een snelheid van 3 meter per seconde stroomt. Bij eenzelfde variatie van de pulserende stroming als in het artikel kan een drukgolf van zo’n 30 bar ontstaan.’
Westerweel plaatst een andere kanttekening. ‘In het artikel wordt niet in beschouwing genomen dat de aderwand elastisch is. Hierdoor gaat bij een pulserende stroming een deel van de energie zitten in het oprekken van de wand. Daardoor ontstaat een verschuiving tussen de pulserende stroming en de pulserende druk. Dit wordt het Windkessel-model genoemd en dat verklaart de vorm van de bloedstroom en drukgolf. In een rigide buis is dit faseverschil niet aanwezig. Verder vangt het vaatstelsel variaties in bloedstroming op bij hoge en lage hartfrequentie door stikstofoxide vrij te maken waardoor het bloedvat in diameter toeneemt en dus de snelheid van de stroming afneemt. Dit fenomeen heeft vaatdilatatie. Met een toename van tien procent van de diameter neemt de snelheid van de bloedstroming met veertig procent af.’
Nog geen opmerkingen