Často uváděným výrazem v odvětví čerpadel je, že viskozita je kryptonit odstředivých čerpadel. Promiňte narážku na Supermana, ale je to odkaz, který většina z nás nejen chápe, ale také mu rozumí. Kromě toho mají viskózní kapaliny negativní a zeslabující účinek na výkon odstředivého čerpadla.

Viskozita je mírou odporu tekutiny vůči proudění při dané teplotě. Můžete si to také představit jako tekuté tření. Technickější definice by vysvětlovala viskozitu jako sílu potřebnou k pohybu kapalinové roviny (myšlenkové desky) o nějaké jednotkové ploše na určitou vzdálenost nad jinou rovinu stejné plochy v definovaném časovém období. V tréninkových hodinách jednoduše definuji viskozitu jako odpor kapaliny vůči nalití, ale co je důležitější, odpor vůči čerpání.

Isaac Newton byl pravděpodobně první osobou, o které víme, že kvantitativně definoval koeficient viskozity. Jeho koncept a související práce nebyly dokončeny, ale později je zdokonalil Jean Leonard Marie Poiseuille (viz Poiseuilleův zákon).

Proč nás znepokojuje viskozita u odstředivých čerpadel?

Především proto, že viskozita má tak mimořádný a často negativní vliv na výkon odstředivého čerpadla. Zvýšení viskozity dramaticky sníží účinnost čerpadla ve spojení s výrazným snížením dopravní výšky a průtoku. Čistým výsledkem je zvýšení brzdného výkonu potřebného pro řidiče.

Korekce viskozity

Všechny výkonové křivky odstředivého čerpadla jsou založeny na čerpání vody, pokud není uvedeno jinak. Když jsem začínal v oboru čerpadel, neexistovaly žádné počítačové programy pro šifrování nezbytných korekcí viskozity a dokončení ručních metod mohlo trvat hodiny. S příchodem počítačových programů pro výběr čerpadla je nyní snadné korigovat výkon čerpadla na viskozitu jedním stisknutím klávesy, ale často přehlížíme detaily a vlivy, co změny viskozity dělají s výkonem čerpadla a zejména s požadovaným výkonem brzd.

Před počítačovými programy existovaly v zásadě tři způsoby, jak korigovat výkon odstředivého čerpadla z vody na viskózní.

1. AJ Stepanoffův model byl životaschopný v bodě nejlepší účinnosti (BEP) pro hlavu a průtok, ale spolehlivost a validita se zmenšily s rostoucí odchylkou od BEP.

2. Metoda Paciga byla o něco lepší než Stepanoffův model, protože mohla být přesnější v širším rozsahu toků. Paciga začlenil specifickou rychlost a poměr průtoku (skutečný průtok ve srovnání s BEP). Nevýhodou bylo, že se zvyšující se viskozitou se spolehlivost snižovala. To bylo většinou způsobeno vlivem Reynoldsova čísla ve výpočtech vzorce.

3. Originální metoda Hydraulic Institute využívající viskózní korekční grafy k získání viskózních korekčních faktorů (pro dopravní výšku, průtok a účinnost). Metoda byla oproti předchozím vylepšením díky jednoduchosti, přesnosti a širokému rozsahu použitelnosti. Pro lidi, kteří jsou v oboru již nějakou dobu, by bylo rozumné přezkoumat novější metody prezentované Hydraulickým institutem (viz směrnice ANSI/HI 9.6.7-2010). Nová metoda používá vzorec nazvaný parametr B k získání viskózních korekčních faktorů. Novější metoda také odstraňuje některé zmatky a nepřesnosti v rozsahu 100 galonů za minutu (gpm).

Opravy křivek čerpadla

V dokonalém světě by výkonnostní „křivka“ odstředivého čerpadla byla ve skutečnosti přímka, ale ve skutečném světě je zakřivená kvůli ztrátám v čerpadle. Hlavními faktory jsou kombinace mechanických ztrát, úniků, rázů a ztrát třením kotoučů. Tření disku je hlavním přispěvatelem a nejdůležitějším faktorem při kvantifikaci ztrát. Uvedené křivky jsou založeny na výkonu vody, ale při aplikacích na viskózní kapaliny musí být tyto křivky vody korigovány, aby byla viskozita přesná. Křivky hlavy, průtoku, účinnosti a brzdného výkonu (BHP) budou všechny vyžadovat úpravu (viskózní korekce).

Při jaké minimální hodnotě viskozity začít korekce?

Výrobce čerpadla je nejlepším zdrojem pro tuto hodnotu, protože bude záviset na aplikaci, charakteru kapaliny a geometrii čerpadla. Všimněte si, že při 100 centipoise budou viskózní účinky významné. Uvedu, že při 30 až 40 centipoise nebo více byste měli použít korekce nebo riskovat nežádoucí účinky. Doporučuji také, že někde v oblasti 5 až 10 centipoise si musíte být alespoň vědomi a uvědomovat si účinky, byť nepatrné.

Vzhledem k tomu, že kontrola korekčních křivek je v dnešní době tak snadná, nebylo by moudré ji nekontrolovat.

Efekty tvaru a velikosti oběžného kola

Čím nižší je měrná rychlost (Ns) oběžného kola, tím vyšší bude tření disku. To je jednoduše způsobeno geometrií oběžného kola a 90 stupňovým úhlem proudění, kterým kapalina vstupuje a poté vystupuje z oběžného kola. S rostoucí specifickou rychlostí oběžného kola se úhel vstupu a výstupu snižuje a interakce s kapalinou je menší.

Čím menší je oběžné kolo, tím je pravděpodobnější, že účinky tření disku budou vyšší jednoduše proto, že povrchová plocha oběžného kola a těles má větší interakci s kapalinou než u většího čerpadla.

Maximální viskozita pro odstředivé čerpadlo

Často se mě ptají; jakou maximální viskozitu zvládne odstředivé čerpadlo? Moje krátká odpověď je, že „záleží“. Lepší a méně obratnou odpovědí je zvážit snížení účinnosti čerpadla (také dopravní výšky a průtoku) a vypočítat maximální požadovaný a korigovaný výkon (hp) pro viskózní kapalinu. Několik odkazů omezuje odstředivá čerpadla na maximálně 3 000 centistoke. (Všimněte si, že tento limit je také publikován jako 3 300 centistoků.)

Na toto téma existuje starší technický dokument od CE Petersena (přednesený na konferenci Pacific Energy Association v září 1982). Pan Petersen uvádí argument, že maximální viskozitu lze vypočítat podle velikosti výtlačné trysky čerpadla.

Pan Petersen postuloval vzorec takto:

V_max = 300 (D-1)
Rovnice 1

Kde:
V_max = maximální kinematická viskozita v SSU (Saybolt Second Universal) povolená pro toto čerpadlo
D = průměr výtlačné trysky v palcích.

Tento vzorec bych použil pouze jako orientační pravidlo.

Chcete-li být přesní, měli byste mít informace od výrobce čerpadla k tomuto tématu s ohledem na točivý moment hřídele a limity hp. Mohou také existovat limity pro rám a příležitostně (vzácně) limity točivého momentu zatížení lopatek oběžného kola.

V závislosti na velikosti čerpadla a geometrii oběžného kola se limity viskozity pro průměrné odstředivé čerpadlo budou lišit od 250 do 700 centipoise a byl jsem svědkem mnoha čerpadel, která úspěšně čerpala kapaliny přesahující 1000 centipoise. Pokud je vaše aplikace vyšší než 250 centipoise, doporučuji vám ve spolupráci s výrobcem/prodejcem pumpy dospět k odpovědi. Dva důležité body, které je třeba vzít v úvahu, jsou tyto:

1. Pro hřídel čerpadla existuje limit točivého momentu a hp, který bude negativně ovlivněn zvýšením viskozity. Nezapomeňte zkontrolovat tento korekční faktor viskozity, abyste zajistili uspokojivou a spolehlivou instalaci.

2. Stále můžete být schopni čerpat vysoce viskózní kapalinu pomocí odstředivého čerpadla, ale bude zde bod klesající návratnosti kvůli snížené účinnosti. Možná používáte 25 hp k čerpání viskózní kapaliny pomocí odstředivého čerpadla, které by vyžadovalo pouze 5 hp s objemovým čerpadlem.

Výkon/Točivý moment

Všechny hřídele čerpadel mají omezení rychlosti, výkonu a točivého momentu. V případě jednostupňových čerpadel to mnoho výrobců vyjádří jako limit hp na 100 otáček za minutu (ot/min). Všimněte si, že točivý moment je nepřímo úměrný výkonu, takže čím nižší rychlost, tím větší točivý moment je aplikován na hřídel.

Zatímco většina limitů hřídele je založena na limitech otáček, hp a trvalého točivého momentu, mějte na paměti, že pokud je čerpadlo poháněno motorem, limity budou dále sníženy (vnitřní spalování znamená přerušované místo trvalého točivého momentu). Navíc, pokud je hřídel čerpadla zatížena ze strany, jako v případě řemenových nebo řetězových pohonů, dojde k výraznému snížení mezních hodnot hřídele v důsledku faktoru cyklické únavy v ohybu.

Viskozita a teplota/tlak

Pro danou kapalinu se viskozita sníží se zvýšením teploty a naopak. Všimněte si, že u plynů je to opačný vztah. Pro uvedené viskozity musí být také uvedena teplota, obvykle jsou standardy 40 a 100 C.

Teplota může být v terénu problémem, protože čerpadla jsou často dimenzována a prodávána k čerpání viskózní kapaliny při určité stanovené teplotě, ale pak jsou čerpadla ve skutečnosti provozována při nižší teplotě, což vede k vyšší viskozitě a samozřejmě i vyšším požadavkům. hp s menším průtokem a hlavou, než bylo požadováno nebo slibováno.

Účinky tlaku na viskozitu kapaliny jsou obvykle velmi malé a ve většině případů je lze ignorovat.

Viskozita a specifická hmotnost

Viskozita je často zaměňována za specifickou hmotnost (SG). Jsou to dvě různé věci. Běžné lidové výrazy nás matou, protože viskozita je často mylně označována jako tloušťka nebo hmotnost. Rtuť má vysokou SG (13), ale nízkou viskozitu a mnoho mazacích olejů má nízkou SG (nižší než voda nebo menší než 1,0), ale má vysokou viskozitu.

SG je poměr hustoty látky – v tomto případě tekutiny – k hustotě srovnávacího standardu, obvykle vody. Všimněte si, že protože SG je poměr, neexistují žádné jednotky.

Měrná hmotnost se v rovnici používá, když převádíme na dynamické a kinematické viskozity nebo z nich. Centipoise = (Centistokes) (Specifická gravitace)

Dynamická a kinematická viskozita

Centipoise je dynamická (absolutní) viskozita a centistoke (také SSU) je kinematická viskozita. Jednoduchým způsobem, jak vysvětlit rozdíl, je to, že kinematické viskozity jsou časované průtoky skrz otvory, kde hnací silou je typicky gravitace, zatímco dynamická viskozita je měření síly potřebné k překonání odporu tekutiny k průtoku trubicí (kapilárou). Jednoduše řečeno, kinematika je měření času a dynamika je měření síly.

Viskozita a pravidla afinity

Vždy buďte opatrní s pravidly afinity, protože neberou v úvahu interakci systému. Před použitím pravidel převeďte na opravený výkon pro všechny použitelné parametry.

Tření potrubí a systémové ztráty

Při čerpání kapaliny platí, že čím je kapalina viskóznější, tím větší je tření. Odpor (tření) je způsoben vlastnostmi kapaliny ve smykovém namáhání a povrchu stěny potrubí/čerpadla. Všimněte si, že čím jsou povrchy/stěny čerpadla a potrubí udusané, tím menší účinek bude mít tření viskózní kapaliny.

Více informací o tomto a spojení s rovnicí Darcyho Weisbacha a Reynoldsovým číslem naleznete v kapitole 3 (Tření) v Cameron Hydraulic Data Book. Pokud počítáte křivku odporu hlavy systému a kapalina je viskózní, musíte to vzít v úvahu.

Vyžaduje/dostupná viskozita a čistá pozitivní sací hlava (NPSHR/NPSHA)

Intuitivně byste si mysleli, že změny viskozity ovlivní NPSHR (aka NPSH3), ale většina publikovaných empirických dat tento směr myšlení zpochybňuje. U aplikací na sacím potrubí čerpadla, kde mají vysoce viskózní kapaliny problémy s prouděním v potrubí do sání čerpadla, přicházejí na mysl, ale tyto problémy by normálně byly zahrnuty ve složce tření ve výpočtu NPSHA. To znamená, že faktor tření by byl vyšší pro viskózní kapalinu a následně by snížil NPSHA. Moje rada ohledně viskózních tekutin je zvýšit hranici mezi dostupným a požadovaným NPSH.

Několik uznávaných (ale starších) referenčních knih uvádí, že existuje jen málo nebo žádný důkaz, že viskozita ovlivňuje hodnotu NPSHR (NPSH3). Nové vydání směrnice ANSI/Hydraulic Institute 9.6.7 uvádí, že lze zvážit analytický přístup (viz oddíl 9.6.7.5.3 této směrnice). Průvodce nabízí rovnici pro výpočet opraveného NPSHR (NPSH3).

Cituji jeden odstavec z této části: „Viskozita čerpané kapaliny má dvojí vliv na NPSH3. Se zvýšenou viskozitou stoupá tření, což má za následek zvýšení NPSH3. Vyšší viskozita má zároveň za následek snížení difúze částic vzduchu a páry v kapalině. To zpomaluje rychlost růstu bublin a dochází také k termodynamickému efektu, který vede k určitému poklesu NPSH3.“

Při čerpání viskózní kapaliny vypněte hlavu čerpadla

Přibližuje se čerpadlo na viskózní kapalinu stále stejné uzavírací výšce jako při čerpání vody? Tato otázka se v mé práci objevuje často a rozsáhle jsem hledal odpověď (ale žádné skutečné testování). Zdá se, že odpovědí je, že při nulovém průtoku je dopravní výška vyvinutá čerpadlem stejná pro vodu jako pro viskózní kapalinu, kde předpokládáme, že viskozita je nižší než 600 centipoise.

Zdá se, že několik mých respektovaných mentorů si myslí totéž. Jsem otevřený vstupu, pokud máte data v obou směrech. Stále bych rád věřil, že čerpadlo střední až nízké specifické rychlosti, které čerpá kapalinu střední viskozity (přibližně 250 centipoise), nebude mít úplně stejný tlak jako s vodou. Ale předpokládám, že rychlost a gravitace se mnou budou v této otázce polemizovat.

Závěr

Je nesmírně důležité znát skutečnou viskozitu čerpané kapaliny. Často jsem svědkem problémů s čerpadlem v terénu kvůli rozdílům mezi vnímanými a skutečnými hodnotami viskozity.

Reference

ANSI / HI standard 9.6.7 -2010 Odstředivá a axiální průtoková čerpadla, AJ Stepanoff

Konstrukce a aplikace odstředivých čerpadel, VS Lobanoff a RR Ross

Vliv viskozity na výkon odstředivého čerpadla, technický článek Ingersoll Rand vydaný v roce 1957 ve spojení s Lehigh University, Arthur Ippen

Úvahy o inženýrství a návrhu systému pro systémy čerpadel a viskózní službu, CE Petersen