In che modo la viscosità influisce sul pompaggio
Per capire come la viscosità di un liquido influisce su un sistema di pompaggio, è importante capire cosa rappresenta la viscosità. Per definizione, la viscosità è la proprietà di un liquido che gli fa offrire resistenza allo sforzo di taglio come quello causato dal flusso di liquido, principalmente nell'area della parete del tubo.
L'immagine 1 lo illustra mostrando il profilo di velocità di un liquido rispetto a una superficie di confine statica. Sulla superficie di delimitazione statica o sulla parete del tubo, la velocità del liquido è zero. All'aumentare della distanza dalla superficie statica, la velocità del liquido aumenta. La forza per unità di area è una funzione del gradiente di velocità v/d, che è la velocità massima del fluido, v, divisa per la distanza, d, dalla superficie statica.
La viscosità assoluta, μ (Mu), è il quoziente dello sforzo di taglio (o forza per unità di area) diviso per la velocità di taglio. È comune esprimere la viscosità rispetto alla sua densità, che è nota come viscosità cinematica. La viscosità cinematica è designata dalla lettera greca ν (Nu). Un modo comune per misurare la viscosità cinematica è il Saybolt Seconds Universal (SSU) (vedi immagine 2). Questo si riferisce al tempo necessario a una quantità misurata di liquido a una temperatura specifica per drenare da un contenitore con un orifizio misurato sul fondo. Ad esempio, l'acqua ha una viscosità di circa 31 SSU a 60 gradi Fahrenheit (F). In confronto, gli oli lubrificanti leggeri possono avere una viscosità di 100 o 200 SSU. Oli lubrificanti più viscosi hanno viscosità di migliaia di SSU e fluidi estremamente viscosi: catrame pesante,
Tipi di pompa
A seconda del tipo di pompa, l'impatto della viscosità del liquido è diverso. Esamineremo in particolare tre tipi di pompe: centrifughe (Immagine 3), alternative (Immagine 4) e rotative (Immagine 5).
Le pompe alternative e rotative fanno parte della famiglia di spostamento positivo (PD). Le pompe PD spostano un certo volume ad ogni giro dell'albero, meno eventuali perdite volumetriche (scorrimento).
Una pompa centrifuga fa parte della famiglia delle pompe rotodinamiche. Le pompe rotodinamiche sono macchine cinetiche in cui l'energia viene continuamente impartita al fluido pompato per mezzo di una girante rotante, un'elica o un rotore. Il tipo più comune di pompa rotodinamica è il tipo centrifugo (radiale). Nelle pompe centrifughe, il liquido entra nella girante assialmente in corrispondenza dell'occhio della girante e progredisce radialmente tra le palette finché non esce dal diametro esterno e viene raccolto in un diffusore o in una disposizione a voluta come mostrato nell'immagine 3. È importante considerare come questi i tipi di pompe sono diversi e la fisica coinvolta perché queste disparità si traducono in un funzionamento significativamente diverso rispetto ai liquidi viscosi.
Considerazioni sul pompaggio viscoso della pompa centrifuga
È uno standard del settore testare le prestazioni delle pompe centrifughe con acqua pulita secondo ANSI/HI 14.6 Pompe rotodinamiche per i test delle prestazioni idrauliche. Le prestazioni di una pompa centrifuga sono influenzate quando si maneggiano liquidi viscosi a causa dell'aumento dell'attrito durante la rotazione della girante e della resistenza al flusso rispetto al test dell'acqua. Con liquidi viscosi rispetto all'acqua si ha un marcato aumento della potenza assorbita per effetto della ridotta efficienza e una riduzione della prevalenza e della portata.
La curva delle prestazioni nell'immagine 6 mostra le prestazioni dell'acqua e le prestazioni viscose corrette per il liquido di applicazione, che ha una viscosità di 1.000 SSU e un peso specifico di 0,9. I dati sulla viscosità devono essere corretti dal test delle prestazioni dell'acqua secondo lo standard ANSI/HI 9.6.7 dell'Idraulico Institute Effetti della viscosità del liquido sulle prestazioni della pompa rotodinamica. ANSI/HI 9.6.7 è stato utilizzato per correggere le prestazioni come mostrato nell'immagine 6. Questo standard prescrive un metodo empirico basato su dati di test disponibili da fonti di tutto il mondo.
Il metodo HI consente agli utenti e ai progettisti di pompe di stimare le prestazioni di una particolare pompa rotodinamica su liquidi di viscosità nota, date le prestazioni sull'acqua. La procedura è importante in modo che la pompa e il motore adatti siano selezionati per un servizio richiesto su liquidi viscosi. Non mostrato nell'immagine 6, ma anche un problema è l'aumento dell'altezza di aspirazione positiva netta (NPSH) richiesta dove si nota una perdita di carico del 3 percento (NPSH3) così come l'aumento della coppia di avviamento richiesta con liquidi viscosi. Le considerazioni per questi sono delineate in ANSI/HI 9.6.7.
Si noti il marcato calo di efficienza da quasi l'80 percento sull'acqua a circa il 50 percento su 1.000 SSU per la pompa nell'immagine 6. Per questo motivo, l'uso di pompe centrifughe può essere limitato quando le viscosità sono al di sopra dei livelli che determinano un'efficienza inaccettabile e invece PD le pompe possono offrire una soluzione migliore.
Considerazioni sul pompaggio viscoso della pompa PD
Le pompe PD sono intrinsecamente diverse dalle pompe centrifughe perché spostano un volume di liquido per spostamento per ogni giro dell'albero. Questo generalmente fornisce risultati favorevoli quando si pompano liquidi viscosi. L'efficienza volumetrica di una pompa PD è il volume effettivo per giro dell'albero rispetto al volume teorico per giro dell'albero. La differenza tra i due volumi è il risultato del flusso di perdita noto come scorrimento. La maggiore viscosità di un liquido riduce effettivamente la quantità di scorrimento e aumenta l'efficienza volumetrica di una pompa volumetrica.
Le curve nell'immagine 7 illustrano come la capacità delle pompe volumetriche varia con la velocità (costante di pressione), la pressione (costante di velocità) e la viscosità. Sono intesi solo come una rappresentazione del concetto. Le curve mostrano che la capacità teorica è direttamente proporzionale alla velocità. La differenza tra portata teorica e portata erogata è lo “scorrimento” della pompa per una data viscosità. Lo scorrimento interno è influenzato dalla viscosità e dalla pressione e provoca una deviazione della capacità erogata da quella teorica.
La viscosità del fluido della pompa influisce anche sulla pressione di ingresso positiva netta richiesta (NPIPR) e sulla potenza di ingresso delle pompe volumetriche. La potenza teorica è proporzionale alla velocità e alla pressione. Le perdite per attrito dovute alla viscosità del fluido pompato fanno aumentare la potenza in ingresso al di sopra della potenza teorica. L'immagine 8 mostra come la potenza può aumentare e l'immagine 9 mostra in generale come l'NPIPR aumenterà con la viscosità.
Le pompe PD alternative sono utilizzate in applicazioni per una gamma di viscosità. Tipicamente, le pompe di potenza alternative possono gestire viscosità del fluido di 5.000 SSU e le pompe alternative a pistoni azionate ad aria possono gestire viscosità del fluido di 1 milione di SSU.
In tecnologie e applicazioni selezionate, le pompe rotative PD possono anche gestire liquidi dall'acqua ai liquidi viscosi, ma trovano applicazione più tipica su fluidi viscosi. Esistono molti tipi di pompe rotative e le capacità di pompaggio viscoso variano in base al design. In generale, il flusso e l'efficienza volumetrica in una pompa rotativa aumentano tipicamente con la viscosità e alcuni tipi di pompe rotative possono gestire fluidi con viscosità di diversi milioni di SSU.
Le generalità fornite qui per il pompaggio viscoso alternativo e rotativo non sono assolute e progetti specifici possono modificare le capacità in modo significativo, pertanto gli utenti devono consultare attentamente il produttore della pompa per raccomandazioni specifiche. Ulteriori informazioni sul pompaggio viscoso per le pompe volumetriche possono essere trovate nelle seguenti norme: ANSI/HI 3.1-3.5 Rotary Pumps for Nomenclature, Definitions, Application and Operation; ANSI/HI 6.1-6.5 Pompe elettriche alternative per nomenclatura, definizioni, applicazione e funzionamento; Pompe dosatrici del volume di controllo ANSI/HI 7.1-7.5 per nomenclatura, definizioni, applicazione e funzionamento; Pompe pneumatiche ANSI/HI 10.1-10.5 per nomenclatura, definizioni, applicazione e funzionamento.