Как внести поправки на вязкость для центробежных насосов
Подумайте еще раз, если вы перекачиваете густые жидкости, используя кривые производительности водяного насоса.
Вязкость является фундаментальным свойством жидкости. Это сопротивление жидкости течению, которое выше для более густых жидкостей. Например, жидкость с высокой вязкостью, такая как кленовый сироп, более густая и лучше сопротивляется течению по сравнению с жидкостью с более низкой вязкостью, такой как вода.
Как правило, производители насосов используют воду для получения значений кривых производительности своих насосов, даже если насос предназначен для работы с жидкостью, свойства которой отличаются от свойств воды. Но что происходит, когда вязкость жидкости значительно отличается от вязкости воды? Именно здесь инженерам необходимо скорректировать кривые производительности насоса, чтобы учесть разницу в вязкости между водой и фактической жидкостью в насосе.
Кривые производительности насоса описывают напор, добавляемый к жидкости, мощность насоса и требуемый чистый положительный напор на всасывании (NPSHr) при различных объемных расходах. Из-за важности производительности центробежного насоса в каждой отрасли, где используется жидкость, крайне важно использовать точные поправки, когда центробежный насос использует более густую жидкость, чем та, которую производитель насоса использовал для оценки производительности. Более вязкая жидкость, как правило, испытывает снижение объемного расхода, напора и эффективности по сравнению с водой при той же скорости насоса. Точно так же мощность насоса и NPSHr увеличиваются по мере увеличения вязкости.
Производители насосов, которые предоставляют кривые производительности насосов только для воды, должны рассмотреть возможность предоставления кривых производительности для более густых жидкостей. Инженерам, которые корректировали кривые производительности воды при перекачивании более густых жидкостей, следует рассмотреть возможность использования рекомендаций 9.6.7-2015 Американского национального института стандартов/гидравлического института (ANSI/HI).
Хотя для более густых жидкостей предпочтительнее использовать фактические данные кривых производительности от производителей насосов, стандарт ANSI/HI 9.6.7-2015 содержит общепринятые рекомендации по корректировке производительности насоса в зависимости от вязкости. Это руководство имеет приемлемую степень неопределенности, но крайне важно понимать неопределенности этого метода, чтобы обеспечить его правильное применение в насосных системах. В этой статье обобщаются технические выводы и обсуждение того, почему рекомендации приемлемы, несмотря на неопределенности.
Поправки на вязкость основаны на эмпирических методах с использованием данных испытаний для правильного учета производительности насоса, когда рабочая жидкость имеет другую вязкость, чем эталонная жидкость, обычно вода. Как и во многих эмпирических методах, неопределенность неизбежно существует и попадает в одну из следующих категорий:
Использование безразмерного числа для характеристики сложного явления
Ограниченный набор данных, используемый для создания эмпирической модели
Надежность оборудования для измерения данных
Прежде чем углубляться в детали, стоит обсудить, почему производительность снижается при перекачивании вязкой жидкости.
Интуитивно понятно, что более густая жидкость будет испытывать повышенные гидравлические потери. Повышенная вязкость приводит к уменьшению числа Рейнольдса, что увеличивает коэффициент трения и потери. Хотя геометрия рабочего колеса насоса иная и более сложная, чем у трубы, применяется тот же принцип. Повышенное трение внутри насоса уменьшит напор, который может обеспечить насос. Хотя это всего лишь оценка комплексных потерь, число Рейнольдса обеспечивает пропорциональную оценку.
Центробежный насос преобразует кинетическую энергию вращения рабочего колеса насоса в гидродинамическую энергию жидкости. Силы сдвига, воздействующие на жидкость между вращающимся рабочим колесом и стационарным корпусом насоса, создают сопротивление трения, называемое дисковым трением. Это сопротивление трению обычно является основной причиной снижения эффективности насоса при нормальной работе. Снова используя число Рейнольдса, увеличение вязкости дает большее число Рейнольдса и, следовательно, большее сопротивление, что приводит к увеличению потребления энергии. Инженеры могут использовать число Рейнольдса в сочетании с конкретной скоростью насоса для оценки дискового трения. Трение диска - сложное взаимодействие; Таким образом, оценка этих эффектов с помощью двух безразмерных параметров по своей сути имеет ограниченную точность для всех приложений.
Учитывая две предыдущие потери на трение, гидравлическую и дисковую, потери энергии из-за трения обычно преобразуются в тепло, что приводит к повышению температуры жидкости. Повышенная температура жидкости влияет на вязкость жидкости, что также влияет на производительность насоса. Это объясняет, почему насосы в системах с вязкими жидкостями ведут себя при холодном пуске иначе, чем при стабильной работе.
Чтобы учесть влияние вязкой жидкости на производительность насоса, инженер может использовать общие поправочные коэффициенты для напора, объемного расхода и эффективности, показанные в уравнении 1. Безразмерное число, называемое B, помогает предсказать вязкую составляющую каждого поправочного коэффициента. Параметр B учитывает влияние числа Рейнольдса и удельной скорости насоса по причинам, связанным с потерями на трение, которые обсуждались выше. Параметр B также указывает диапазон применимости поправок. Например, когда B больше 40, потребуется дополнительный анализ потерь, чтобы определить, надежны ли поправочные коэффициенты.
Уравнение 1
Инженер может использовать поправочные коэффициенты, чтобы скорректировать кривую производительности насоса от значений, полученных с использованием воды, до прогнозируемой кривой того, как насос будет работать с вязкой жидкостью. Метод ANSI/HI 9.6.7-2015 рассчитывает поправочные коэффициенты для объемного расхода (CQ) и эффективности (CE) и предполагает, что эти значения постоянны при всех анализируемых расходах для интересующего насоса и жидкости. Для поправочного коэффициента напора (CH) метод предполагает, что напор насоса не зависит от вязкости жидкости и будет иметь одинаковое значение как для воды, так и для вязкой жидкости.
Кроме того, метод предполагает, что поправочные коэффициенты расхода и напора, CQ и CH, равны в точке наилучшей эффективности воды (BEP). С учетом этих ограничений поправочный коэффициент напора является функцией поправочного коэффициента объемного расхода, CQ, и отношения расхода воды к расходу BEP, QW / QBEP-W.
Несколько исследователей оценили эти поправочные коэффициенты в различных условиях, чтобы сравнить прогнозируемый напор и мощность насоса с вязкой жидкостью с фактическими данными испытаний вязкой жидкости в насосе. Несмотря на наличие отклонений, фактические и прогнозные значения различаются в зависимости от расхода и вязкости жидкости, в большинстве случаев проверенные значения совпадали с прогнозируемыми.
Исследователи связывают некоторые отклонения с неопределенностью измерительных инструментов, которую трудно измерить количественно.
Руководство ANSI/HI 9.6.7-2015 основано на данных испытаний следующих насосов и жидкостей. Таким образом, руководство обычно применимо только к системам, которые подпадают под эти ограничения.
одноступенчатые и многоступенчатые насосы
закрытые и открытые рабочие колеса
конкретные скорости от 310 до 2330 единиц США (от 6 до 45 метрических)
кинематическая вязкость от 1 до 3000 сантистоксов (сСт)
диаметр рабочего колеса от 5,5 до 16 дюймов (от 140 до 406 миллиметров [мм])
расход воды BEP от 32 до 1230 галлонов в минуту (галлонов в минуту) (от 7,2 до 280 кубических метров в час [м3/ч])
напор воды БЭП от 30 до 427 футов (от 9 до 130 метров)
КПД воды BEP от 28% до 86%
ИЗОБРАЖЕНИЕ 1: Данные испытаний (точки) с 80% интервалами прогнозирования (пунктирные линии) (Изображения предоставлены Applied Flow Technology)
Графическое представление данных испытаний, на которых были основаны поправочные коэффициенты, в зависимости от параметра B, показывает, что большинство точек данных испытаний попадают в 80-процентный интервал прогнозирования, как показано на Рисунке 1. Однако насосы с одним и тем же параметром B могут иметь диапазон различных значений вязкости. Графики независимых экспериментальных данных подтверждают ту же общую тенденцию, что и на Рисунке 1.
В большинстве насосных систем поправки ANSI/HI обеспечат приемлемо точные прогнозы производительности вязкостных насосов, особенно если инженеры включают различные коэффициенты безопасности и пределы погрешности, как они это часто делают. В ситуациях, требующих более консервативной оценки, инженер может учитывать стандартные отклонения поправочных коэффициентов. Включите стандартное отклонение, уменьшив поправочный коэффициент напора на 0,1 и коэффициент эффективности на 0,15, что приведет к увеличению размера насоса и двигателя.
Рекомендации по вязкости ANSI/HI широко используются. Фактически, обратная связь показывает, что использование поправок не приводит к неправильному размеру насосов для большинства применений. Несмотря на это, инженеры, разрабатывающие системы с более густыми жидкостями, должны понимать неопределенность и ограничения поправок.