Come apportare correzioni di viscosità per pompe centrifughe
Ripensaci se stai pompando fluidi densi utilizzando le curve delle prestazioni della pompa dell'acqua.
La viscosità è una proprietà fondamentale di un liquido. È la resistenza al flusso di un fluido ed è maggiore per fluidi più densi. Ad esempio, un fluido ad alta viscosità, come lo sciroppo d'acero, è più denso e resiste di più al flusso rispetto a un fluido con una viscosità inferiore, come l'acqua.
Tipicamente, i produttori di pompe utilizzano l'acqua per ottenere i valori delle curve di prestazione delle loro pompe, anche se il servizio previsto della pompa è per un fluido con proprietà diverse dall'acqua. Ma cosa succede quando la viscosità del fluido si discosta notevolmente dall'acqua? È qui che gli ingegneri devono regolare le curve delle prestazioni della pompa per tenere conto della differenza di viscosità tra l'acqua e il fluido effettivo nella pompa.
Le curve di prestazione della pompa descrivono la prevalenza aggiunta a un fluido, la potenza della pompa e la prevalenza netta di aspirazione richiesta (NPSHr) a una varietà di diverse portate volumetriche. Data l'importanza delle prestazioni delle pompe centrifughe in ogni industria dei fluidi, è fondamentale che vengano utilizzate correzioni accurate quando una pompa centrifuga utilizza un fluido più denso di quello utilizzato dal produttore della pompa per valutare le prestazioni. Un fluido più viscoso sperimenterà generalmente una diminuzione della portata volumetrica, della prevalenza e dell'efficienza rispetto all'acqua alla stessa velocità della pompa. Allo stesso modo, la potenza della pompa e l'NPSHr aumentano all'aumentare della viscosità.
I produttori di pompe che forniscono solo curve di prestazione dell'acqua per le pompe dovrebbero considerare di fornire curve di prestazione per fluidi più densi. Gli ingegneri che hanno corretto le curve delle prestazioni dell'acqua durante il pompaggio di fluidi più densi dovrebbero prendere in considerazione l'utilizzo delle linee guida dell'American National Standards Institute/Hydraulic Institute (ANSI/HI) 9.6.7-2015.
Sebbene sia preferibile utilizzare i dati della curva delle prestazioni effettive dei produttori di pompe per fluidi più densi, ANSI/HI 9.6.7-2015 fornisce una linea guida comunemente utilizzata per correggere le prestazioni della pompa in base alla viscosità. Questa linea guida presenta una quantità accettabile di incertezza, ma è fondamentale comprendere le incertezze di questo metodo per garantirne la corretta applicazione nei sistemi di pompaggio. Questo articolo riassume i risultati tecnici e la discussione sul motivo per cui la linea guida è accettabile nonostante le incertezze.
Le correzioni della viscosità si basano su metodi empirici che utilizzano dati di prova per tenere adeguatamente conto delle prestazioni di una pompa quando il fluido di servizio ha una viscosità diversa rispetto al fluido di riferimento, tipicamente acqua. Come con molti metodi empirici, l'incertezza esiste inevitabilmente e rientra in una delle seguenti categorie:
L'uso di un numero adimensionale per caratterizzare fenomeni complessi
Il set di dati limitato utilizzato per creare il modello empirico
L'affidabilità delle apparecchiature di misurazione dei dati
Prima di entrare più nel dettaglio, vale la pena discutere perché le prestazioni diminuiscono quando si pompa un fluido viscoso.
Intuitivamente, un fluido più denso subirà maggiori perdite idrauliche. Una maggiore viscosità produce un numero di Reynolds ridotto, che aumenta il fattore di attrito e le perdite. Sebbene la geometria di una girante di una pompa sia diversa e più complessa di quella di un tubo, si applica lo stesso principio. Un maggiore attrito all'interno della pompa ridurrà la quantità di prevalenza che la pompa può fornire. Sebbene questa sia solo una stima delle perdite complesse, il numero di Reynolds fornisce una stima proporzionale.
Una pompa centrifuga converte l'energia cinetica rotazionale dalla girante della pompa in energia idrodinamica del fluido. Le forze di taglio sul fluido tra la girante rotante e il corpo della pompa stazionario generano una resistenza di attrito chiamata attrito del disco. Questa resistenza all'attrito è in genere la causa principale della ridotta efficienza della pompa durante il normale funzionamento. Usando di nuovo il numero di Reynolds, un aumento della viscosità produce un numero di Reynolds maggiore e, quindi, una maggiore resistenza, che si traduce in un maggiore consumo di energia. Gli ingegneri possono utilizzare il numero di Reynolds associato alla velocità specifica della pompa per stimare l'attrito del disco. L'attrito del disco è un'interazione complessa; quindi, ancora una volta, la stima di questi effetti con due parametri adimensionali ha intrinsecamente un'accuratezza limitata per tutte le applicazioni.
Considerando le due precedenti perdite per attrito, idraulica e disco, le perdite di energia dovute all'attrito generalmente si convertono in calore, determinando un aumento della temperatura del fluido. L'aumento della temperatura del fluido influisce sulla viscosità del fluido, che influisce anche sulle prestazioni della pompa. Questo spiega perché le pompe nei sistemi con fluidi viscosi hanno comportamenti diversi in un avviamento a freddo rispetto a un funzionamento stazionario.
Per tenere conto degli effetti che un fluido viscoso ha sulle prestazioni della pompa, un tecnico può utilizzare fattori di correzione generali per prevalenza, portata volumetrica ed efficienza, mostrati nell'equazione 1. Un numero adimensionale chiamato B aiuta a prevedere la componente viscosa di ciascun fattore di correzione. Il parametro B incorpora gli effetti del numero di Reynolds e della velocità specifica della pompa, per i motivi di perdita per attrito discussi sopra. Il parametro B informa anche il campo di applicabilità delle correzioni. Ad esempio, quando B è maggiore di 40, sarà necessaria un'ulteriore analisi della perdita per determinare se i fattori di correzione sono ancora affidabili.
Equazione 1
Un tecnico può utilizzare i fattori di correzione per regolare la curva delle prestazioni della pompa dai valori ottenuti utilizzando l'acqua a una curva prevista per le prestazioni della pompa con il fluido viscoso. Il metodo ANSI/HI 9.6.7-2015 calcola i fattori di correzione per la portata volumetrica (CQ) e l'efficienza (CE) e presuppone che questi valori siano costanti a tutte le portate analizzate per la pompa e il fluido di interesse. Per il fattore di correzione della prevalenza (CH), il metodo presuppone che la prevalenza della pompa non dipenda dalla viscosità del fluido e sarà lo stesso valore sia per l'acqua che per il fluido viscoso.
Inoltre, il metodo presuppone che i fattori di correzione del flusso e della prevalenza, CQ e CH, siano uguali al punto di miglior efficienza dell'acqua (BEP). Tenendo presenti questi vincoli, il fattore di correzione della prevalenza è una funzione del fattore di correzione della portata volumetrica, CQ, e del rapporto tra la portata dell'acqua rispetto alla portata BEP, QW / QBEP-W.
Diversi ricercatori hanno valutato questi fattori di correzione in una varietà di impostazioni diverse per confrontare la prevalenza e la potenza previste per una pompa con fluido viscoso con i dati di prova effettivi del fluido viscoso nella pompa. Sebbene vi siano deviazioni, i valori effettivi e previsti differiscono in base alla portata e alla viscosità del fluido, nella maggior parte dei casi i valori testati concordano con i valori previsti.
I ricercatori attribuiscono parte della deviazione all'incertezza che deriva dagli strumenti di misurazione, che è difficile da quantificare.
La linea guida ANSI/HI 9.6.7-2015 si basa sui dati di prova per le seguenti pompe e fluidi. Pertanto, la linea guida è generalmente applicabile solo per i sistemi che rientrano in questi vincoli.
pompe mono e multistadio
giranti chiuse e aperte
velocità specifiche da 310 a 2.330 unità USA (da 6 a 45 metriche)
viscosità cinematica da 1 a 3.000 centistokes (cSt)
diametri della girante da 5,5 a 16 pollici (da 140 a 406 millimetri [mm])
flusso dell'acqua BEP da 32 a 1.230 galloni al minuto (gpm) (da 7,2 a 280 metri cubi all'ora [m3/ora])
acqua BEP prevalenza da 30 a 427 piedi (da 9 a 130 metri)
efficienza BEP acqua dal 28% all'86%
IMMAGINE 1: Dati di test (punti) con intervalli di previsione dell'80% (linee tratteggiate) (immagini per gentile concessione di Applied Flow Technology)
Rappresentando graficamente i dati del test su cui si basavano i fattori di correzione rispetto al parametro B, la ricerca mostra che la maggior parte dei punti dei dati del test rientra in un intervallo di previsione dell'80%, come mostrato nell'immagine 1. Tuttavia, le pompe con lo stesso parametro B possono avere un gamma di diversi punti di prestazione viscosi. La rappresentazione grafica di dati sperimentali indipendenti supporta la stessa tendenza generale mostrata nell'immagine 1.
Nella maggior parte dei sistemi di pompaggio, le correzioni ANSI/HI forniranno previsioni accettabilmente accurate per le prestazioni della pompa viscosa, soprattutto perché gli ingegneri includono vari fattori di sicurezza e margini di errore, come spesso accade. Per le situazioni che richiedono una stima più prudente, un ingegnere può tenere conto delle deviazioni standard sui fattori di correzione. Includere la deviazione standard abbassando il fattore di correzione della prevalenza di 0,1 e il fattore di efficienza di 0,15, il che risulterà in una pompa e un motore più grandi.
Le linee guida per la viscosità ANSI/HI sono ampiamente utilizzate. In effetti, il feedback indica che l'uso delle correzioni non comporta pompe di dimensioni errate per la maggior parte delle applicazioni. Indipendentemente da ciò, gli ingegneri che progettano sistemi con fluidi più densi devono comprendere le incertezze e i limiti delle correzioni.