Verbetering van de leegzuigproduktie van een sleephopperzuiger. Praktische toepassingen van waterjets (summary)

Technische Universiteit Delft

Faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen Transporttechnologie

M. den Broeder Verbetering van de leegzuigproduktie van een sleephopperzuiger: praktische toepassingen van waterjets. 2e deel doctoraalopdracht, Rapport 97.3.GV.4973, Sectie Baggertechnologie.

In het rapport 97.3.GV.4842 "Fluïdisatie van cohesieloze grondsoorten en het gebruik van waterjets in een hopper", is een theoretische beschouwing gegeven waarmee de benodigde druk, het debiet en de resulterende bed-expansie kan worden berekend, in het geval men een bed korrels wil fluïdiseren. In een stabiliteitsbeschouwing van de rand van het gefluïdiseerde gebied werd de aanname gedaan dat de korrelspanningen verwaarloosd kunnen worden in het mengsel in de kuil. De kuilwand zal dan onder invloed van het verhang van de waterspanningen in het zandpakket kelkvormig worden. Dit houdt in dat van een zandpakket, hoger dan enkele meters, eigenlijk alleen de bovenste meters homogeen gefluïdiseerd kunnen worden. Deze theorie is nog niet gevalideerd met proeven.

Op dit moment vaart er een aantal schepen met een verschillend beunontwerp. Zo is er de Amsterdam, met de traditionele kippenkooi, de HAM311/312 met een beperkt aantal bodemdeuren en een uitgebreide jet-configuratie in het beun, en de Nautilus die door één losopening leeggezogen wordt. De werking van deze leegzuigmethoden is in de praktijk bewezen, zij het dat deze verschilt per grondsoort. De wijze waarop de zandproduktie in het beun van deze tot stand komt is waarschijnlijk als hierna beschreven.

In de Amsterdam is het de bedoeling dat de lading gefluïdiseerd wordt, waarna deze afgezogen kan worden. In praktijk loopt er een bres door het beun heen, waar schollen van af schuiven, die onderaan de bres in suspensie komen en opgezogen worden. De jet-configuratie is hier niet goed op aangepast, omdat de waterstralen nu evenwijdig i.p.v. loodrecht op de bres spuiten. Dit zou voor een versnelling van het bresproces kunnen zorgen. Als in een klepvak gezogen wordt, stroomt een deel van de gefluïdiseerde lading over het kalf en door de gaten die erin zitten naar een vorig vak waar het blijft liggen voor de opschoonslag. Deze gaten zijn aangebracht om ervoor te zorgen dat ook in de hoeken tegenover de zuigopening water stroomt, waardoor het materiaal beter opgezogen kan worden. Waarschijnlijk is het echter zo dat ze ervoor zorgen dat er meer materiaal blijft liggen voor de opschoonslag. Het belangrijkste voordeel van dit beunontwerp is de bekendheid met het concept, dat zich in de praktijk goed bewezen heeft. Een nadeel is dat men weinig controle heeft over de positie van de lading in het beun. Door de gaten in de kalven (en er overheen) kan de lading wegstromen naar vakken waarin al gezogen is.

In de Nautilus is om de middelste kegelklep een loskoker opgebouwd die uit ringen bestaat. Ze lost haar lading door steeds de bovenste ring van de loskoker af te tillen, waarna het materiaal naar de pomp stroomt. Met de jets in het beun wordt de lading (waarschijnlijk alleen de bovenste laag) gefluïdiseerd en met een grote hoeveelheid bovenwater wordt een erosiestroom over het bed gecreëerd, waardoor de zandproduktie in het beun op gang komt. Het voordeel van dit ontwerp zit in het feit dat er bijna geen restlading is en dat er weinig bodemopeningen nodig zijn. Het grootste nadeel is dat er in verband met de relatief kleine losoppervlakte geen klei gelost kan worden.

De HAM311/312 is een schip met relatief veel jet-nozzles in het beun. Nadat het schip in gebruik is genomen zijn in het beun nozzles bij geplaatst. Alle nozzles spuiten in de richting van de losopening. Alle lading stroomt naar dit punt toe. Het is niet waarschijnlijk dat de lading volledig gefluïdiseerd kan worden, maar de prestaties van dit schip zijn goed. De zandproduktie zal dan ook tot stand komen door een combinatie van bressen en fluïdisatie. Een voordeel in dit ontwerp is dat eventueel achtergebleven materiaal door de jets naar de losopening wordt gespoeld. Het grootste nadeel zit in het feit dat de leegzuigleidingen door de luchtkasten lopen, hetgeen veel ruimte kost. Daarnaast kunnen de jet-leidingen die door het beun lopen de toeloop van zand naar de zuigopening beletten, al lijkt men daar niet veei last van te hebben.

Het eerste walpers-werk van de Amsterdam riep vragen op omtrent de prestaties van het schip op dit gebied. Het leegzuigen van de hopper, gevuld met zand van ongeveer 125 μm duurde nadat de bemanning wat ervaring had met het schip gemiddeld zo'n 80 minuten. De criteria waaraan het schip moest voldoen, waren echter voornamelijk op ervaring gebaseerd. Uitgaande van de situatie waarin de zandproduktie in het beun niet maatgevend is, kan een theoretische leegzuigtijd bepaald worden, waarbinnen het mogelijk is om het beun, gevuld met zand, leeg te zuigen en naar de wal te persen. Daartoe zijn de gegevens over de leiding, binnen en buitenboord, in een spreadsheet gezet en gecombineerd met de gegevens over de zandpompen en het zand. Aan de hand daarvan is berekend dat, uitgaande van de omstandigheden die op dat specifieke project golden, het mogelijk moet zijn om het schip leeg te zuigen binnen 70 tot 50 minuten, afhankelijk van het waterniveau in de hopper. In theorie geldt dat elke meter water die er boven de top van de kippenkooi in de hopper staat, de leegzuigtijd met ongeveer 5 a 6 % reduceert (als het vacuüm van de pomp maatgevend is). Het is dus van groot belang dat het

waterniveau op peil gehouden kan worden. In de produktiegrafieken van het werk is te zien dat er grote onregelmatigheden zitten in de zandproduktie in het beun tijdens leegzuigen, voornamelijk bij het overstappen naar een volgend klepvak. Voor de beslissing van de zuigbaas om over te stappen naar een volgend klepvak kunnen twee criteria worden opgesteld:

1. Als de gezogen concentratie tijdens bulken zakt beneden het gemiddelde van de opschoonslag, is het beter over te stappen naar een volgend vak. 2. Als het aantal TDS dat in theorie in een vak ligt afgezogen is, dan is men materiaal aan het zuigen dat uit een ander vak toestroomt en kan

overgestapt worden naar een volgend kiepvak. Het materiaal kan met een hogere concentratie gezogen worden in het vak waar het vandaan stroomt, zo blijkt uit de data.

Operators houden intuïtief het eerste criterium aan. Het tweede criterium is niet praktisch toepasbaar, omdat er materiaal door de gaten in de kalven en er overheen uit het vak kan stromen.

Tot nu toe was de eis die aan een leegzuigsysteem gesteld werd, dat de hopper in 100 minuten leeggezogen moest kunnen worden. Berekeningen hebben aangetoond dat het sneller kan, als de zandproduktie niet maatgevend is. Het verbeteren van een (jet-)systeem dat de zandproduktie bevordert kan dus een flinke tijdbesparing opleveren. Voor de te installeren jet-vermogens, wordt meestal een percentage van het zandpomp vermogen gehanteerd. In feite is het beter een relatie te leggen met het zandpompdebiet. Tijdens leegzuigen wordt de lading 'verdund' tot de mengseldichtheid waarmee het gezogen wordt. De hoeveelheid water die hiervoor toegevoerd moet worden, hangt af van het afgezogen mengseldebiet. Bij het vaststellen van het jet-vermogen in een nieuwe hopper moet men eerst vastleggen tot welke leidinglengte men wil kunnen persen, Aan de hand daarvan kan worden vastgesteld welke dichtheid men nog kan verpompen. Daarna kan het benodigde jet-debiet berekend worden. Om een zandlading tot een mengseldichtheid van 1,3 t/m3 te verdunnen moet het jet-debiet 66% van het pompdebiet bedragen. De benodigde minimale druk ligt tussen de 2 en 3 bar in de nozzles (daar komt de

leidingweerstand nog bij).

Het gebruik van de zeeafsluiter om extra water aan te zuigen lijkt een goede oplossing. Dit heeft echter twee nadelen :

1. Er ontstaat een open verbinding met het buitenwater, waardoor ten eerste de kans bestaat dat er door de voordruk op de losopening zand door de zeeafsluiter onder het schip weg lekt en ten tweede het waterniveau in de hopper mee zakt met het buiten waterniveau. Hierdoor kan het

waterniveau in de hopper niet hoog gehouden worden (scheelt in leegzuigtijd 5 à 6% per meter).

2. Door water onder het vlak vandaan te zuigen, in plaats van uit het beun, is men het pompvermogen aan het aanpassen aan het beschikbare jet-vermogen en wordt minder efficiënt gebruik gemaakt van de installatie.

Voor het inbouwen van grotere hoeveelheden jet-nozzles in het beun van een hopperzuiger is het gemakkelijk om ze op een leiding van constante diameter te monteren. Dit kan zonder dat het gevaar bestaat dat er grote verschillen in debieten optreden tussen de nozzles. Spleetvormige nozzles produceren een straal waarvan de energie sneller dissipeert, doordat allerlei extra wervels ontstaan ten opzicht van ronde nozzles. De verwachting is dat het bereik van deze stralen kleiner is dan van ronde stralen. Nozzles met een afgeronde intree geven de laagste verliesfactoren. De impuls van een jet-straal neemt af bij toenemend drukverschil over de nozzle (bij gelijkblijvend geïnstalleerd vermogen). Het is daarom voor transport van mengsel richting de losopening beter om lagedruk jet-stralen met een hoog debiet te gebruiken. Als de keuze voor het jet-debiet eenmaal gemaakt is, dan kan aan de hand van de minimale fluïdisatiewatersnelheid bepaald worden welke oppervlakte met dit debiet nog tot de gewenste dichtheid kan worden gefluïdiseerd. Dit is dan de maximale oppervlakte van een sectie van het beun. Hoe minder homogeen verdeeld het water wordt ingebracht, hoe kleiner deze oppervlakte. Om goed te kunnen bepalen wat de maximale onderlinge afstand tussen de nozzles in het beun is, is onderzoek nodig naar de indringing van horizontale jets in een zandpakket en de vorm van de jet-kuil. Dit is iets wat nog niet eerder is onderzocht. Daarom is in een bijlage van het rapport een voorstel voor een proevenprogramma opgenomen, waarin deze zaken aan de orde komen.

Rapporten studenten Transporttechniek en Logistieke Techniek