Jak provést korekce viskozity pro odstředivá čerpadla
Zamyslete se znovu, zda čerpáte husté kapaliny pomocí výkonových křivek vodního čerpadla.
Viskozita je základní vlastností kapaliny. Je to odpor kapaliny vůči proudění a je vyšší u hustších kapalin. Například kapalina s vysokou viskozitou, jako je javorový sirup, je hustší a odolává proudění více ve srovnání s kapalinou s nižší viskozitou, jako je voda.
Výrobci čerpadel obvykle používají vodu k získání hodnot pro výkonové křivky svých čerpadel, i když zamýšlený provoz čerpadla je pro kapalinu s vlastnostmi odlišnými od vody. Co se ale stane, když se viskozita tekutiny výrazně liší od vody? Zde musí inženýři upravit výkonnostní křivky čerpadla, aby zohlednili rozdíl ve viskozitě mezi vodou a skutečnou kapalinou v čerpadle.
Výkonové křivky čerpadla popisují dopravní výšku přidanou do kapaliny, výkon čerpadla a požadovanou čistou pozitivní sací výšku (NPSHr) při různých objemových průtokech. Vzhledem k důležitosti výkonu odstředivého čerpadla v každém průmyslu kapalin je nezbytné, aby byly použity přesné korekce, když odstředivé čerpadlo používá hustší kapalinu, než jakou použil výrobce čerpadla pro hodnocení výkonu. U viskóznější kapaliny obecně dojde ke snížení objemového průtoku, dopravní výšky a účinnosti ve srovnání s vodou při stejné rychlosti čerpadla. Podobně se zvyšuje výkon čerpadla a NPSHr se zvyšující se viskozitou.
Výrobci čerpadel, kteří poskytují pouze křivky vodního výkonu pro čerpadla, by měli zvážit poskytnutí výkonových křivek pro hustší kapaliny. Inženýři, kteří opravovali křivky vodního výkonu při čerpání hustších kapalin, by měli zvážit použití pokynů Amerického národního institutu pro normy/hydraulického institutu (ANSI/HI) 9.6.7-2015.
Zatímco u hustších kapalin je upřednostňováno použití skutečných údajů o výkonové křivce od výrobců čerpadel, ANSI/HI 9.6.7-2015 poskytuje běžně používaný návod pro korekci výkonu čerpadla na základě viskozity. Tato směrnice má přijatelnou míru nejistoty, ale je nezbytné porozumět nejistotám této metody, aby bylo zajištěno její správné použití v čerpacích systémech. Tento článek shrnuje technická zjištění a diskuzi o tom, proč je směrnice přijatelná navzdory nejistotám.
Korekce viskozity se spoléhají na empirické metody využívající testovací data k řádnému zohlednění výkonu čerpadla, když má provozní kapalina jinou viskozitu než referenční kapalina, obvykle voda. Stejně jako u mnoha empirických metod, nejistota nevyhnutelně existuje a spadá do jedné z následujících kategorií:
Použití bezrozměrného čísla k charakterizaci složitého jevu
Omezený soubor dat použitý k vytvoření empirického modelu
Spolehlivost zařízení pro měření dat
Než se pustíme do podrobností, stojí za to probrat, proč se výkon při čerpání viskózní kapaliny snižuje.
Intuitivně bude hustší kapalina vystavena zvýšeným hydraulickým ztrátám. Zvýšená viskozita vede ke snížení Reynoldsova čísla, což zvyšuje faktor tření a ztráty. Zatímco geometrie oběžného kola čerpadla je jiná a složitější než u potrubí, platí stejný princip. Zvýšené tření uvnitř čerpadla sníží velikost dopravní výšky, kterou může čerpadlo poskytnout. Zatímco toto je pouze odhad komplexních ztrát, Reynoldsovo číslo poskytuje proporcionální odhad.
Odstředivé čerpadlo přeměňuje rotační kinetickou energii z oběžného kola čerpadla na hydrodynamickou energii tekutiny. Smykové síly na kapalinu mezi rotujícím oběžným kolem a stacionárním tělesem čerpadla vytvářejí třecí odpor nazývaný diskové tření. Tento třecí odpor je obvykle primární příčinou snížené účinnosti čerpadla během normálního provozu. Opětovným použitím Reynoldsova čísla se zvýšením viskozity získá větší Reynoldsovo číslo a tím i větší odpor, což má za následek zvýšenou spotřebu energie. Technici mohou použít Reynoldsovo číslo spárované s konkrétní rychlostí čerpadla k odhadu tření disku. Diskové tření je komplexní interakce; takže opět, odhadování těchto účinků pomocí dvou bezrozměrných parametrů má ze své podstaty omezenou přesnost pro všechny aplikace.
Vezmeme-li v úvahu předchozí dvě třecí ztráty, hydraulické a kotoučové, energetické ztráty způsobené třením se obecně přeměňují na teplo, což má za následek zvýšenou teplotu tekutiny. Zvýšená teplota kapaliny ovlivňuje viskozitu kapaliny, což také ovlivňuje výkon čerpadla. To vysvětluje, proč se čerpadla v systémech s viskózními kapalinami chovají při studeném startu jinak než při ustáleném provozu.
Pro zohlednění účinků, které má viskózní kapalina na výkon čerpadla, může technik použít obecné korekční faktory pro dopravní výšku, objemový průtok a účinnost, uvedené v rovnici 1. Bezrozměrné číslo zvané B pomáhá předpovídat viskózní složku každého korekčního faktoru. Parametr B zahrnuje vlivy Reynoldsova čísla a specifické rychlosti čerpadla z důvodů ztrát třením diskutovaných výše. Parametr B také informuje o rozsahu použitelnosti oprav. Pokud je například B větší než 40, bude zapotřebí další analýza ztrát, aby se zjistilo, zda jsou korekční faktory stále spolehlivé.
Rovnice 1
Technik může použít korekční faktory k úpravě křivky výkonu čerpadla z hodnot získaných použitím vody na předpokládanou křivku toho, jak bude čerpadlo fungovat s viskózní kapalinou. Metoda ANSI/HI 9.6.7-2015 vypočítává korekční faktory pro objemový průtok (CQ) a účinnost (CE) a předpokládá, že tyto hodnoty jsou konstantní při všech analyzovaných průtokech pro čerpadlo a sledovanou kapalinu. U korekčního faktoru výšky (CH) metoda předpokládá, že uzavírací výška čerpadla není závislá na viskozitě kapaliny a bude mít stejnou hodnotu pro vodu i viskózní kapalinu.
Kromě toho metoda předpokládá, že korekční faktory průtoku a spádu, CQ a CH, jsou stejné v bodě nejlepší účinnosti vody (BEP). S ohledem na tato omezení je korekční faktor hlavy funkcí korekčního faktoru objemového průtoku, CQ, a poměru průtoku vody vzhledem k průtoku BEP, QW / QBEP-W.
Několik výzkumníků vyhodnotilo tyto korekční faktory v řadě různých nastavení, aby porovnali předpokládanou dopravní výšku a výkon pro čerpadlo s viskózní kapalinou se skutečnými testovacími daty viskózní kapaliny v čerpadle. I když existují odchylky, skutečné a předpokládané hodnoty se liší na základě průtoku a viskozity kapaliny, ve většině případů testované hodnoty souhlasily s předpokládanými hodnotami.
Výzkumníci připisují část odchylek nejistotě, která pochází z měřicích přístrojů, což je obtížné kvantifikovat.
Směrnice ANSI/HI 9.6.7-2015 je založena na testovacích datech pro následující čerpadla a kapaliny. Směrnice je tedy obecně použitelná pouze pro systémy, které spadají do těchto omezení.
jedno a vícestupňová čerpadla
uzavřená a otevřená oběžná kola
specifické rychlosti od 310 do 2 330 amerických jednotek (6 až 45 metrických)
kinematická viskozita od 1 do 3 000 centistokes (cSt)
průměr oběžného kola od 5,5 do 16 palců (140 až 406 milimetrů [mm])
průtok vody BEP od 32 do 1 230 galonů za minutu (gpm) (7,2 až 280 metrů krychlových za hodinu [m3/h])
vodní BEP hlava od 30 do 427 stop (9 až 130 metrů)
vodní BEP účinnost od 28 % do 86 %
OBRÁZEK 1: Testovací data (body) s 80% předpovědními intervaly (přerušované čáry) (obrázky s laskavým svolením Applied Flow Technology)
Z grafu testovacích dat, z nichž vycházely korekční faktory oproti parametru B, výzkum ukazuje, že většina testovacích datových bodů spadá do 80% intervalu predikce, jak je znázorněno na obrázku 1. Čerpadla se stejným parametrem B však mohou mít rozsah různých viskózních výkonnostních bodů. Grafy nezávislých experimentálních dat podporují stejný obecný trend jako na obrázku 1.
Ve většině čerpacích systémů poskytnou korekce ANSI/HI přijatelně přesné předpovědi výkonu viskózního čerpadla, zvláště když inženýři zahrnují různé bezpečnostní faktory a hranice chyb, jak to často dělají. V situacích, které vyžadují konzervativnější odhad, může technik zohlednit standardní odchylky korekčních faktorů. Zahrňte směrodatnou odchylku snížením korekčního faktoru hlavy o 0,1 a faktoru účinnosti o 0,15, což povede k většímu čerpadlu a motoru.
Směrnice viskozity ANSI/HI jsou široce používány. Zpětná vazba ve skutečnosti naznačuje, že použití korekcí nevede k nesprávně dimenzovaným čerpadlům pro většinu aplikací. Bez ohledu na to musí inženýři navrhující systémy s tlustšími kapalinami rozumět nejistotám a omezením oprav.