Jak viskozita ovlivňuje čerpání
Abychom pochopili, jak viskozita kapaliny ovlivňuje čerpací systém, je důležité pochopit, co viskozita představuje. Podle definice je viskozita vlastnost kapaliny, která způsobuje, že nabízí odolnost vůči smykovému napětí, jako je napětí způsobené prouděním kapaliny, především v oblasti stěny potrubí.
Obrázek 1 to ilustruje tím, že ukazuje profil rychlosti kapaliny vzhledem ke statickému hraničnímu povrchu. Na statickém hraničním povrchu nebo stěně potrubí je rychlost kapaliny nulová. S rostoucí vzdáleností od statického povrchu se zvyšuje rychlost kapaliny. Síla na jednotku plochy je funkcí gradientu rychlosti v/d, což je maximální rychlost tekutiny v dělená vzdáleností d od statického povrchu.
Absolutní viskozita, μ (Mu), je podíl smykového napětí (nebo síly na jednotku plochy) dělený smykovou rychlostí. Je běžné vyjadřovat viskozitu vzhledem k její hustotě, která je známá jako kinematická viskozita. Kinematická viskozita se označuje řeckým písmenem ν (Nu). Běžným způsobem měření kinematické viskozity je Saybolt Seconds Universal (SSU) (viz obrázek 2). Jedná se o dobu, kterou trvá, než odměřené množství kapaliny při určité teplotě vyteče z nádoby s odměřeným otvorem na dně. Voda má například viskozitu přibližně 31 SSU při 60 stupních Fahrenheita (F). Pro srovnání, lehké mazací oleje mohou mít viskozitu 100 nebo 200 SSU. Viskóznější mazací oleje mají viskozity v tisících SSU a extrémně viskózní kapaliny – těžký dehet,
Typy čerpadel
V závislosti na typu čerpadla je vliv viskozity kapaliny různý. Konkrétně se podíváme na tři typy čerpadel: odstředivé (obrázek 3), pístové (obrázek 4) a rotační (obrázek 5).
Pístové a rotační čerpadla patří do rodiny objemových (PD). Čerpadla PD vytlačují určitý objem s každou otáčkou hřídele, mínus případný objemový únik (skluz).
Odstředivé čerpadlo patří do rodiny rotodynamických čerpadel. Rotodynamická čerpadla jsou kinetické stroje, ve kterých je čerpané kapalině nepřetržitě předávána energie pomocí rotujícího oběžného kola, vrtule nebo rotoru. Nejběžnějším typem rotodynamického čerpadla je odstředivý (radiální) typ. U odstředivých čerpadel vstupuje kapalina do oběžného kola axiálně u oka oběžného kola a postupuje radiálně mezi lopatkami, dokud nevystupuje na vnějším průměru a je shromažďována v difuzoru nebo spirálovém uspořádání, jak je znázorněno na obrázku 3. Je důležité zvážit, jak tyto typy čerpadel jsou různé a jejich fyzikální vlastnosti se liší, protože tyto rozdíly mají za následek výrazně odlišný provoz s ohledem na viskózní kapaliny.
Odstředivé čerpadlo Úvahy o viskózním čerpání
Je průmyslovým standardem pro testování výkonu odstředivých čerpadel čistou vodou podle ANSI/HI 14.6 rotačních čerpadel pro testy hydraulického výkonu. Výkon odstředivého čerpadla je ovlivněn při manipulaci s viskózními kapalinami z důvodu zvýšeného tření při otáčení oběžného kola a odporu proti průtoku ve srovnání s vodním testem. U viskózních kapalin ve srovnání s vodou dochází k výraznému zvýšení vstupního výkonu v důsledku snížené účinnosti a snížení dopravní výšky a rychlosti průtoku.
Výkonová křivka na obrázku 6 ukazuje vodní výkon a korigovaný viskózní výkon pro aplikační kapalinu, která má viskozitu 1 000 SSU a specifickou hmotnost 0,9. Údaje o viskozitě by měly být opraveny z testu vodního výkonu podle normy Hydraulic Institute ANSI/HI 9.6.7 Vliv viskozity kapaliny na výkon rotodynamického čerpadla. ANSI/HI 9.6.7 byla použita ke korekci výkonu, jak je znázorněno na obrázku 6. Tato norma předepisuje empirickou metodu založenou na testovacích datech dostupných ze zdrojů po celém světě.
Metoda HI umožňuje uživatelům a konstruktérům čerpadel odhadnout výkon konkrétního rotodynamického čerpadla na kapaliny o známé viskozitě s ohledem na výkon na vodě. Postup je důležitý pro výběr vhodného čerpadla a pohonu pro požadovaný provoz na viskózních kapalinách. Na obrázku 6 to není znázorněno, ale obavou je také zvýšení požadované čisté pozitivní sací výšky (NPSH), kde je zaznamenána 3procentní ztráta hlavy (NPSH3), stejně jako zvýšený požadovaný startovací moment u viskózních kapalin. Úvahy o nich jsou uvedeny v ANSI/HI 9.6.7.
Všimněte si výrazného poklesu účinnosti z téměř 80 procent na vodě na přibližně 50 procent na 1 000 SSU pro čerpadlo na obrázku 6. Z tohoto důvodu může být použití odstředivých čerpadel omezeno, pokud jsou viskozity nad úrovněmi, které mají za následek nepřijatelnou účinnost a místo toho PD čerpadla mohou nabídnout lepší řešení.
Úvahy o viskózním čerpání čerpadla PD
Čerpadla PD jsou ze své podstaty odlišná od odstředivých čerpadel, protože pohybují objem kapaliny vytlačením pro každou otáčku hřídele. To obecně poskytuje příznivé výsledky při čerpání viskózních kapalin. Objemová účinnost čerpadla PD je skutečný objem na otáčku hřídele oproti teoretickému objemu na otáčku hřídele. Rozdíl mezi těmito dvěma objemy je výsledkem netěsného toku, který je známý jako prokluz. Vyšší viskozita kapaliny ve skutečnosti snižuje množství prokluzu a zvyšuje objemovou účinnost objemového čerpadla.
Křivky na obrázku 7 ilustrují, jak se kapacita objemových čerpadel mění s rychlostí (tlaková konstanta), tlakem (rychlostní konstanta) a viskozitou. Jsou zamýšleny pouze jako reprezentace konceptu. Křivky ukazují, že teoretická kapacita je přímo úměrná rychlosti. Rozdíl mezi teoretickou kapacitou a dodanou kapacitou je „skluz“ čerpadla pro danou viskozitu. Vnitřní skluz je ovlivněn viskozitou a tlakem a způsobuje odchylku dodávané kapacity od teoretické.
Viskozita kapaliny čerpadla také ovlivňuje požadovaný čistý pozitivní vstupní tlak (NPIPR) a příkon objemových čerpadel. Teoretický výkon je úměrný rychlosti a tlaku. Ztráty třením v důsledku viskozity čerpané kapaliny způsobují zvýšení příkonu nad teoretický výkon. Obrázek 8 ukazuje, jak se může zvýšit výkon, a obrázek 9 ukazuje obecně, jak se NPIPR bude zvyšovat s viskozitou.
Pístová čerpadla PD se používají v aplikacích pro řadu viskozit. Typicky mohou pístová čerpadla s vratným pohybem zvládat viskozitu kapaliny 5 000 SSU a vzduchem ovládaná pístová čerpadla s vratným pohybem kapaliny zvládnou viskozitu kapaliny 1 milion SSU.
Ve vybraných technologiích a aplikacích mohou rotační PD čerpadla také zpracovávat kapaliny od vody po viskózní kapaliny, ale typičtější uplatnění nacházejí na viskózní kapalině. Existuje mnoho typů rotačních čerpadel a viskózní čerpací schopnosti se liší podle konstrukce. Obecně platí, že průtoková a objemová účinnost v rotačním čerpadle se obvykle zvyšuje s viskozitou a některé typy rotačních čerpadel mohou zpracovávat kapaliny s viskozitami několika milionů SSU.
Zde uvedené obecné zásady pro reciproční a rotační viskózní čerpání nejsou absolutní a konkrétní konstrukce mohou výrazně změnit možnosti, takže uživatelé by měli konkrétní doporučení konzultovat s výrobcem čerpadla. Další informace o viskózním čerpání pro objemová čerpadla lze nalézt v následujících normách: ANSI/HI 3.1-3.5 Rotační čerpadla pro názvosloví, definice, použití a provoz; ANSI/HI 6.1-6.5 Pístové čerpadlo pro nomenklaturu, definice, použití a provoz; ANSI/HI 7.1-7.5 Řízení objemových dávkovacích čerpadel pro nomenklaturu, definice, aplikaci a provoz; ANSI/HI 10.1-10.5 Vzduchem ovládaná čerpadla pro názvosloví, definice, použití a provoz.