Un'espressione frequente nell'industria delle pompe è che la viscosità è la kryptonite delle pompe centrifughe. Perdonate l'allusione a Superman, ma è un riferimento a cui la maggior parte di noi non solo si relaziona, ma comprende anche. Inoltre, i fluidi viscosi hanno un effetto negativo e di indebolimento sulle prestazioni della pompa centrifuga.

La viscosità è una misura della resistenza di un fluido a fluire a una data temperatura. Puoi anche pensarlo come attrito fluido. Una definizione più tecnica spiegherebbe la viscosità come una forza richiesta per spostare un piano liquido (piatto di pensiero) di un'area unitaria, su una certa distanza sopra un altro piano di uguale area in un periodo di tempo definito. Nelle classi di allenamento, definisco semplicemente la viscosità come la resistenza di un fluido a versare ma, soprattutto, una resistenza da pompare.

Isaac Newton è stata probabilmente la prima persona che conosciamo a definire quantitativamente un coefficiente di viscosità. Il suo concetto e il relativo lavoro non furono completati, ma furono successivamente perfezionati da Jean Leonard Marie Poiseuille (vedi Legge di Poiseuille).

Perché ci preoccupiamo della viscosità per quanto riguarda le pompe centrifughe?

Principalmente perché la viscosità ha un effetto così straordinario e spesso negativo sulle prestazioni della pompa centrifuga. Un aumento della viscosità ridurrà drasticamente l'efficienza di una pompa insieme a marcate riduzioni di prevalenza e flusso. Il risultato netto è un aumento della potenza del freno richiesta per il pilota.

Correzioni di viscosità

Tutte le curve di prestazione della pompa centrifuga si basano sul pompaggio dell'acqua, se non diversamente indicato. Quando ho iniziato nel settore delle pompe, non c'erano programmi per computer per cifrare le necessarie correzioni di viscosità e il completamento dei metodi manuali poteva richiedere ore. Con l'avvento dei programmi computerizzati per la selezione della pompa, ora è semplice correggere le prestazioni della pompa per la viscosità in un solo tasto, ma spesso trascuriamo i dettagli e gli effetti di ciò che le variazioni di viscosità fanno alle prestazioni della pompa e in particolare alla potenza del freno richiesta.

Prima dei programmi per computer, c'erano fondamentalmente tre metodi per correggere le prestazioni di una pompa centrifuga da acqua a viscosa.

1. Il modello AJ Stepanoff era praticabile al miglior punto di efficienza (BEP) per prevalenza e flusso, ma l'affidabilità e la validità sono diminuite con l'aumento dell'allontanamento dal BEP.

2. Il metodo Paciga era leggermente migliore del modello Stepanoff perché poteva essere più accurato su una gamma più ampia di flussi. Paciga aveva incorporato una velocità specifica e un rapporto di flusso (flusso effettivo rispetto a BEP). Il rovescio della medaglia era che all'aumentare della viscosità, l'affidabilità diminuiva. Ciò era dovuto principalmente all'effetto del numero di Reynolds nei calcoli della formula.

3. Metodo originale dell'Istituto Idraulico che utilizza carte di correzione viscosa per ottenere fattori di correzione viscosa (per prevalenza, flusso ed efficienza). Il metodo è stato un miglioramento rispetto ai precedenti a causa della facilità, dell'accuratezza e dell'ampia gamma di applicabilità. Per le persone che operano nel settore da tempo, sarebbe prudente rivedere i nuovi metodi presentati dall'Istituto di Idraulica (fare riferimento alla linea guida ANSI/HI 9.6.7-2010). Il nuovo metodo utilizza una formula chiamata parametro B per produrre fattori di correzione viscosi. Il metodo più recente elimina anche parte della confusione e dell'imprecisione nell'intervallo di 100 galloni al minuto (gpm).

Correzioni alle curve di pompaggio

In un mondo perfetto, una "curva" delle prestazioni di una pompa centrifuga sarebbe effettivamente una linea retta, ma nel mondo reale è curva a causa delle perdite nella pompa. I fattori principali sono una combinazione di perdite meccaniche, perdite, urti e attrito del disco. L'attrito del disco è il fattore che contribuisce maggiormente e il fattore più importante nella quantificazione delle perdite. Le curve menzionate si basano sulle prestazioni dell'acqua, ma con applicazioni su fluidi viscosi, tali curve dell'acqua devono essere corrette affinché la viscosità sia accurata. Le curve di prevalenza, flusso, efficienza e potenza del freno (BHP) richiederanno tutte modifiche (correzioni viscose).

A quale valore minimo di viscosità iniziare le correzioni?

Il produttore della pompa è la fonte migliore per questo valore, poiché dipenderà dall'applicazione, dalla personalità del fluido e dalla geometria della pompa. Si noti che a 100 centipoise, gli effetti viscosi saranno significativi. Affermerò che a 30-40 centipoise o più, dovresti usare le correzioni o rischiare effetti negativi. Raccomando anche che da qualche parte nell'area da 5 a 10 centipoise, devi almeno essere consapevole e consapevole degli effetti, per quanto minori.

Dal momento che controllare le curve di correzione è così facile in questi giorni, non sarebbe saggio non controllare.

Effetti di forma e dimensione della girante

Minore è la velocità specifica (Ns) di una girante, maggiore sarà l'attrito del disco. Ciò è dovuto semplicemente alla geometria della girante e all'angolo di flusso di 90 gradi in cui il fluido entra e poi esce dalla girante. All'aumentare della velocità specifica di una girante, l'angolo ingresso-uscita diventa più basso e l'interazione con il fluido è minore.

Più piccola è una girante, più è probabile che gli effetti di attrito del disco siano maggiori semplicemente perché la superficie della girante e degli involucri hanno una maggiore interazione con il fluido rispetto a una pompa più grande.

Massima viscosità per una pompa centrifuga

mi viene chiesto spesso; qual è la viscosità massima che può sopportare una pompa centrifuga? La mia risposta breve è che "dipende". Una risposta migliore e meno irriverente è considerare la riduzione dell'efficienza della pompa (anche prevalenza e portata) e calcolare la potenza massima richiesta e corretta (CV) per il fluido viscoso. Diversi riferimenti limitano le pompe centrifughe a un massimo di 3.000 centistoke. (Si noti che questo limite è anche pubblicato come 3.300 centistoke.)

C'è un vecchio documento tecnico sull'argomento di CE Petersen (consegnato alla conferenza della Pacific Energy Association nel settembre 1982). Il Sig. Petersen presenta un argomento secondo cui la viscosità massima può essere calcolata dalla dimensione dell'ugello di scarico della pompa.

Il Sig. Petersen ha postulato una formula come segue:

IN_max = 300 (D-1)
Equazione 1

Dove:
IN_max = la viscosità cinematica massima in SSU (Saybolt Second Universal) consentita per quella pompa
D = il diametro dell'ugello di scarico in pollici.

Userei questa formula solo come regola pratica.

Per essere precisi, dovresti avere input dal produttore della pompa su questo argomento per quanto riguarda la coppia all'albero e i limiti di CV. Potrebbero esserci anche limiti di telaio e occasionalmente (rari) limiti di coppia di carico delle pale della girante.

A seconda delle dimensioni della pompa e della geometria della girante, i limiti di viscosità per la pompa centrifuga media varieranno da 250 a 700 centipoise e ho visto molte pompe pompare con successo fluidi superiori a 1000 centipoise. Se la tua domanda è superiore a 250 centipoise, ti consiglio di collaborare con il produttore/fornitore della pompa per arrivare alla risposta. I due punti importanti da tenere in considerazione sono questi:

1. C'è un limite di coppia e CV per l'albero della pompa che sarà influenzato negativamente con un aumento della viscosità. Assicurati di controllare questo fattore di correzione della viscosità per garantire un'installazione soddisfacente e affidabile.

2. Potrebbe essere ancora possibile pompare il fluido altamente viscoso con la pompa centrifuga, ma si verificherà un punto di diminuzione dei rendimenti a causa della ridotta efficienza. Forse stai usando 25 CV per pompare il fluido viscoso con una pompa centrifuga che richiederebbe solo 5 CV con una pompa volumetrica.

Potenza/Coppia

Tutti gli alberi delle pompe hanno un limite di velocità, potenza e coppia. Nel caso di pompe a stadio singolo, molti produttori lo esprimono come un limite di CV per 100 giri al minuto (rpm). Si noti che la coppia è inversamente proporzionale alla potenza, quindi minore è la velocità, maggiore è la coppia applicata all'albero.

Sebbene la maggior parte dei limiti dell'albero si basino sui limiti di velocità, CV e coppia continua, tenere presente che se la pompa è azionata da un motore i limiti verranno ulteriormente ridotti (combustione interna significa intermittente anziché coppia continua). Inoltre, se l'albero della pompa è caricato lateralmente, come nel caso di trasmissioni a cinghia oa catena, si verificherà una notevole riduzione dei limiti dell'albero a causa del fattore di fatica ciclica a flessione.

Viscosità e temperatura/pressione

Per un dato liquido, la viscosità diminuisce all'aumentare della temperatura e viceversa. Si noti che per i gas è la relazione opposta. Per le viscosità dichiarate deve essere fornita anche una temperatura, tipicamente 40 e 100 C sono standard.

La temperatura può essere un problema sul campo perché le pompe sono spesso dimensionate e vendute per pompare un liquido viscoso a una determinata temperatura, ma in realtà le pompe funzionano a una temperatura più bassa, il che produce una viscosità più elevata e, ovviamente, una maggiore richiesta hp con portata e prevalenza inferiori a quelle desiderate o promesse.

Gli effetti della pressione sulla viscosità di un liquido sono in genere molto piccoli e nella maggior parte dei casi possono essere ignorati.

Viscosità e gravità specifica

La viscosità è spesso confusa con il peso specifico (SG). Sono due cose differenti. Le espressioni vernacolari comuni ci confondono, poiché la viscosità è il più delle volte erroneamente indicata come spessore o peso. Il mercurio ha un SG alto (13), ma una bassa viscosità e molti oli lubrificanti hanno un SG basso (inferiore all'acqua o inferiore a 1,0) ma hanno una viscosità elevata.

SG è il rapporto tra la densità di una sostanza, in questo caso un fluido, e la densità di uno standard di riferimento, solitamente l'acqua. Si noti che poiché SG è un rapporto non ci sono unità.

Il peso specifico viene utilizzato nell'equazione quando stiamo convertendo in o da viscosità dinamiche e cinematiche. Centipoise = (Centistokes) (Gravità specifica)

Viscosità dinamica e cinematica

Centipoise è una viscosità dinamica (assoluta) e centistoke (anche SSU) è una viscosità cinematica. Un modo semplice per spiegare la differenza è che le viscosità cinematiche sono portate temporizzate attraverso orifizi in cui la forza motrice è tipicamente la gravità, mentre la viscosità dinamica è una misura della forza richiesta per superare la resistenza del fluido per fluire attraverso un tubo (capillare). In poche parole, la cinematica è una misura del tempo e la dinamica è una misura della forza.

Viscosità e regole di affinità

Fai sempre attenzione con le regole di affinità poiché non prendono in considerazione l'interazione del sistema. Prima di applicare le regole, convertire alla prestazione corretta per tutti i parametri applicabili.

Attrito dei tubi e perdite del sistema

Quando si pompa il fluido, più viscoso è il liquido, maggiore sarà l'attrito. La resistenza (attrito) è dovuta alle proprietà di sollecitazione di taglio del fluido e alla superficie della parete del tubo/pompa. Si noti che più la pompa e le superfici/pareti dei tubi sono soffocanti, minore sarà l'effetto dell'attrito del fluido viscoso.

Vedere il Capitolo 3 (Friction) nel Cameron Hydraulic Data Book per ulteriori informazioni su questo e il collegamento all'equazione di Darcy Weisbach e al numero di Reynolds. Se stai calcolando una curva di resistenza della testa del sistema e il fluido è viscoso, devi tenerne conto.

Viscosità e testa di aspirazione positiva netta richiesta/disponibile (NPSHR/NPSHA)

Intuitivamente, penseresti che i cambiamenti nella viscosità influiranno su NPSHR (aka NPSH3), ma la maggior parte dei dati empirici pubblicati contesta questa linea di pensiero. Sulle linee di aspirazione della pompa vengono in mente applicazioni in cui i fluidi altamente viscosi hanno problemi di flusso nel tubo verso l'aspirazione della pompa, ma questi problemi sarebbero normalmente trattati nella componente di attrito del calcolo NPSHA. Cioè, il fattore di attrito sarebbe maggiore per il fluido viscoso e di conseguenza ridurrebbe l'NPSHA. Il mio consiglio sui fluidi viscosi è di aumentare il margine tra NPSH disponibile e richiesto.

Diversi libri di riferimento ben rispettati (ma più vecchi) affermano che ci sono poche o nessuna prova che la viscosità influenzi il valore NPSHR (NPSH3). La nuova edizione della linea guida ANSI/Istituto Idraulico 9.6.7 afferma che può essere preso in considerazione un approccio analitico (fare riferimento alla sezione 9.6.7.5.3 della linea guida). La guida offre un'equazione per calcolare un NPSHR corretto (NPSH3).

Per citare un paragrafo di questa sezione: “Vi è una doppia influenza della viscosità del liquido pompato su NPSH3. Con l'aumento della viscosità l'attrito aumenta, il che si traduce in un aumento di NPSH3. Allo stesso tempo, una maggiore viscosità comporta una diminuzione della diffusione di particelle di aria e vapore nel liquido. Questo rallenta la velocità di crescita delle bolle e c'è anche un effetto termodinamico, che porta a una certa diminuzione di NPSH3".

Testa di arresto della pompa quando si pompa un fluido viscoso

Una pompa in servizio con fluido viscoso si avvicina ancora alla stessa prevalenza di arresto di quando si pompa l'acqua? Questa domanda si presenta frequentemente nel mio lavoro e ho cercato a lungo per una risposta (ma nessun test effettivo). La risposta sembra essere che a portata zero la prevalenza sviluppata dalla pompa è la stessa per l'acqua come per un fluido viscoso dove si assume che la viscosità sia inferiore a 600 centipoise.

Parecchi dei miei rispettati mentori sembrano pensare la stessa cosa. Sono aperto a inserire se si dispone di dati in entrambi i casi. Mi piacerebbe ancora credere che una pompa con velocità specifica medio-bassa che sta pompando un fluido di viscosità media (circa 250 centipoise) non produrrà la stessa prevalenza che farebbe con l'acqua. Ma suppongo che la velocità e la gravità discuteranno con me su questo argomento.

Conclusione

È estremamente importante conoscere la viscosità effettiva del fluido pompato. Sono spesso testimone di problemi con la pompa sul campo a causa delle differenze nei valori di viscosità percepiti rispetto a quelli effettivi.

Riferimenti

Standard ANSI / HI 9.6.7 -2010 Pompe centrifughe e assiali, AJ Stepanoff

Progettazione e Applicazione Pompe Centrifughe, VS Lobanoff e RR Ross

L'influenza della viscosità sulle prestazioni della pompa centrifuga, documento tecnico di Ingersoll Rand pubblicato nel 1957 in collaborazione con la Lehigh University, Arthur Ippen

Considerazioni sull'ingegneria e sulla progettazione del sistema per i sistemi di pompaggio e il servizio viscoso, CE Petersen