В насосной промышленности часто говорят, что вязкость — это криптонит центробежных насосов. Прошу прощения за намек на Супермена, но это отсылка, которую большинство из нас не только понимает, но и понимает. Кроме того, вязкие жидкости оказывают негативное и ослабляющее воздействие на работу центробежного насоса.

Вязкость — это мера сопротивления жидкости течению при данной температуре. Вы также можете думать об этом как о жидкостном трении. Более техническое определение объясняло бы вязкость как силу, необходимую для перемещения жидкой плоскости (мыслящей пластины) некоторой единичной площади на некоторое расстояние над другой плоскостью такой же площади за определенный период времени. На учебных занятиях я просто определяю вязкость как сопротивление жидкости течению, но, что более важно, сопротивление перекачиванию.

Исаак Ньютон был, вероятно, первым известным нам человеком, который количественно определил коэффициент вязкости. Его концепция и связанная с ней работа не были завершены, но позже были усовершенствованы Жаном Леонаром Мари Пуазейлем (см. Закон Пуазейля).

Почему нас беспокоит вязкость центробежных насосов?

Главным образом потому, что вязкость оказывает чрезвычайное и часто негативное влияние на производительность центробежного насоса. Увеличение вязкости резко снизит эффективность насоса в сочетании с заметным снижением напора и подачи. Конечным результатом является увеличение тормозной мощности, необходимой водителю.

Поправки на вязкость

Все кривые производительности центробежных насосов основаны на перекачивании воды, если не указано иное. Когда я начинал заниматься помповым бизнесом, не было компьютерных программ для расшифровки необходимых поправок на вязкость, а выполнение ручных методов могло занять несколько часов. С появлением компьютеризированных программ для выбора насоса теперь стало просто скорректировать производительность насоса в зависимости от вязкости одним нажатием клавиши, но мы часто упускаем из виду детали и последствия того, как изменения вязкости влияют на производительность насоса и особенно на требуемую тормозную мощность.

До появления компьютерных программ существовало в основном три метода корректировки производительности центробежного насоса с водяного на вязкий.

1. Модель AJ Stepanoff была жизнеспособной в точке наилучшей эффективности (BEP) для напора и расхода, но ее надежность и достоверность снижались по мере увеличения отклонений от BEP.

2. Метод Пачиги был немного лучше, чем модель Степаноффа, потому что он мог быть более точным в более широком диапазоне потоков. Paciga включила определенную скорость и коэффициент потока (фактический поток по сравнению с BEP). Обратной стороной было то, что по мере увеличения вязкости надежность снижалась. В основном это было связано с влиянием числа Рейнольдса в расчетах по формуле.

3. Оригинальный метод Гидравлического института с использованием диаграмм коррекции вязкости для получения поправочных коэффициентов вязкости (для напора, расхода и эффективности). Этот метод был лучше предыдущих из-за простоты, точности и широкого диапазона применимости. Людям, которые уже некоторое время занимаются бизнесом, было бы целесообразно ознакомиться с новыми методами, представленными Институтом гидравлики (см. директиву ANSI/HI 9.6.7-2010). Новый метод использует формулу, называемую параметром B, для получения поправочных коэффициентов вязкости. Более новый метод также устраняет некоторую путаницу и неточность в диапазоне 100 галлонов в минуту (галлонов в минуту).

Поправки к характеристикам насоса

В идеальном мире «кривая» производительности центробежного насоса на самом деле была бы прямой линией, но в реальном мире она изогнута из-за потерь в насосе. Основными факторами являются сочетание механических потерь, утечек, ударов и потерь на трение дисков. Трение диска является основным фактором и наиболее важным фактором при количественной оценке потерь. Упомянутые кривые основаны на характеристиках воды, но при применении с вязкими жидкостями эти кривые воды должны быть скорректированы, чтобы вязкость была точной. Кривые напора, расхода, эффективности и тормозной мощности (BHP) потребуют модификации (поправки на вязкость).

При каком минимальном значении вязкости начинать исправления?

Производитель насоса является лучшим источником для этого значения, так как оно будет зависеть от области применения, характеристик жидкости и геометрии насоса. Обратите внимание, что при 100 сантипуазах эффекты вязкости будут значительными. Я заявляю, что при 30-40 сантипуазах или выше вы должны использовать поправки или рисковать неблагоприятными последствиями. Я также рекомендую, чтобы где-то в районе от 5 до 10 сантипуаз вы должны были, по крайней мере, осознавать и осознавать последствия, пусть и незначительные.

Поскольку проверить кривые коррекции в наши дни так просто, было бы неразумно не проверить.

Влияние формы и размера крыльчатки

Чем ниже удельная скорость (Ns) рабочего колеса, тем выше будет трение диска. Это происходит просто из-за геометрии крыльчатки и угла потока 90 градусов, при котором жидкость входит и выходит из крыльчатки. По мере увеличения удельной скорости рабочего колеса входной угол становится меньше, а взаимодействие с жидкостью меньше.

Чем меньше крыльчатка, тем больше вероятность того, что эффект трения диска будет выше просто потому, что площадь поверхности крыльчатки и корпуса больше взаимодействует с жидкостью, чем в более крупном насосе.

Максимальная вязкость для центробежного насоса

Меня часто спрашивают; с какой максимальной вязкостью может работать центробежный насос? Мой краткий ответ: «это зависит». Лучшим и менее легкомысленным ответом будет рассмотрение снижения эффективности насоса (а также напора и расхода) и расчет максимальной требуемой и скорректированной мощности (л.с.) для вязкой жидкости. Несколько ссылок ограничивают центробежные насосы максимальным значением 3000 сантистоксов. (Обратите внимание, что этот предел также публикуется как 3300 сантистоксов.)

Существует более старый технический документ по этому вопросу, подготовленный К. Э. Петерсеном (представленный на конференции Тихоокеанской энергетической ассоциации в сентябре 1982 г.). Г-н Петерсен приводит аргумент, что максимальная вязкость может быть рассчитана по размеру нагнетательного патрубка насоса.

Г-н Петерсен постулировал следующую формулу:

В_{Максимум} = 300 (Д-1)
Уравнение 1

Где:
В_{Максимум} = максимальная кинематическая вязкость в SSU (секундная универсальная система Сейболта), допустимая для этого насоса.
D = диаметр нагнетательного патрубка в дюймах.

Я бы использовал эту формулу только как эмпирическое правило.

Чтобы быть точным, вы должны получить информацию от производителя насоса по этому вопросу в отношении крутящего момента на валу и пределов мощности. Также могут быть ограничения по раме и иногда (редко) ограничения по моменту нагрузки на лопасти рабочего колеса.

В зависимости от размера насоса и геометрии рабочего колеса пределы вязкости для среднего центробежного насоса будут варьироваться от 250 до 700 сантипуаз, и я был свидетелем того, как многие насосы успешно перекачивали жидкости свыше 1000 сантипуаз. Если ваше приложение превышает 250 сантипуаз, я рекомендую вам обратиться к производителю/поставщику вашего насоса, чтобы получить ответ. Два важных момента, которые необходимо учитывать, заключаются в следующем:

1. Существует ограничение по крутящему моменту и мощности для вала насоса, на которое отрицательно влияет увеличение вязкости. Обязательно проверьте этот поправочный коэффициент вязкости, чтобы обеспечить удовлетворительную и надежную установку.

2. Возможно, вы все еще сможете перекачивать высоковязкую жидкость с помощью центробежного насоса, но наступит момент снижения отдачи из-за снижения эффективности. Возможно, вы используете 25 л.с. для перекачивания вязкой жидкости с помощью центробежного насоса, для чего потребуется всего 5 л.с. с объемным насосом.

Мощность/крутящий момент

Все валы насоса имеют ограничение по скорости, мощности и крутящему моменту. В случае одноступенчатых насосов многие производители выражают это как ограничение в л.с. на 100 оборотов в минуту (об/мин). Обратите внимание, что крутящий момент обратно пропорционален лошадиной силе, поэтому чем ниже скорость, тем больший крутящий момент прикладывается к валу.

Хотя большинство ограничений вала основано на ограничениях скорости, л.с. и постоянного крутящего момента, имейте в виду, что если насос приводится в действие двигателем, ограничения будут еще больше снижены (внутреннее сгорание означает прерывистый режим вместо постоянного крутящего момента). Кроме того, если вал насоса имеет боковую нагрузку, как в случае с ременным или цепным приводом, будет резкое уменьшение пределов вала из-за коэффициента усталости при циклическом изгибе.

Вязкость и температура/давление

Для данной жидкости вязкость будет уменьшаться при повышении температуры и наоборот. Обратите внимание, что для газов соотношение обратное. Для заявленной вязкости также должна быть указана температура, обычно 40 и 100°С являются стандартными.

Температура может быть проблемой в полевых условиях, потому что размеры насосов часто продаются для перекачивания вязкой жидкости при определенной температуре, но тогда насосы фактически работают при более низкой температуре, что обеспечивает более высокую вязкость и, конечно же, более высокое требуемое значение. л.с. с меньшим расходом и напором, чем хотелось или обещали.

Влияние давления на вязкость жидкости обычно очень мало, и в большинстве случаев им можно пренебречь.

Вязкость и удельный вес

Вязкость часто принимают за удельный вес (SG). Это две разные вещи. Распространенные народные выражения сбивают нас с толку, поскольку вязкость чаще всего ошибочно называют толщиной или весом. Ртуть имеет высокий удельный вес (13), но низкую вязкость, и многие смазочные масла имеют низкий удельный вес (ниже, чем у воды или менее 1,0), но высокую вязкость.

SG — это отношение плотности вещества — в данном случае жидкости — к плотности эталонного стандарта, обычно воды. Обратите внимание, что, поскольку SG является отношением, в нем нет единиц измерения.

Удельный вес используется в уравнении, когда мы конвертируем в динамическую и кинематическую вязкость или из них. Сантипуаз = (сантистокс) (удельный вес)

Динамическая и кинематическая вязкость

Сантипуаз — это динамическая (абсолютная) вязкость, а сантистокс (также SSU) — это кинематическая вязкость. Простой способ объяснить разницу заключается в том, что кинематическая вязкость представляет собой временную скорость потока через отверстия, где движущей силой обычно является сила тяжести, а динамическая вязкость представляет собой измерение силы, необходимой для преодоления сопротивления жидкости потоку через трубку (капилляр). Проще говоря, кинематика — это измерение времени, а динамика — измерение силы.

Вязкость и правила подобия

Всегда будьте осторожны с правилами сходства, поскольку они не учитывают взаимодействие системы. Прежде чем применять правила, выполните преобразование в скорректированную производительность для всех применимых параметров.

Трение в трубах и потери в системе

При перекачивании жидкости, чем более вязкая жидкость, тем больше будет трение. Сопротивление (трение) обусловлено свойствами напряжения сдвига жидкости и поверхности стенки трубы/насоса. Обратите внимание, что чем мягче поверхность/стенки насоса и трубы, тем меньший эффект будет иметь трение вязкой жидкости.

Дополнительную информацию об этом, а также о связи с уравнением Дарси Вейсбаха и числом Рейнольдса см. в Главе 3 (Трение) в справочнике Cameron Hydraulic Data Book. Если вы рассчитываете кривую сопротивления напора системы, а жидкость является вязкой, вы должны принять это во внимание.

Вязкость и требуемый/доступный положительный напор на всасывании (NPSHR/NPSHA)

Интуитивно можно подумать, что изменения вязкости повлияют на NPSHR (он же NPSH3), но большинство опубликованных эмпирических данных оспаривают это мнение. Применительно к линии всасывания насоса, когда жидкости с высокой вязкостью имеют проблемы с протеканием по трубе на всасывание насоса, но эти проблемы обычно учитываются в компоненте трения при расчете NPSHA. То есть коэффициент трения будет выше для вязкой жидкости и, следовательно, уменьшит NPSHA. Мой совет по вязким жидкостям — увеличить запас между доступным и требуемым кавитационным запасом.

В нескольких уважаемых (но более старых) справочниках утверждается, что доказательств того, что вязкость влияет на значение NPSHR (NPSH3), практически нет. В новом издании руководства 9.6.7 ANSI/Института гидравлики говорится, что может быть рассмотрен аналитический подход (см. раздел 9.6.7.5.3 руководства). Руководство предлагает уравнение для расчета скорректированного NPSHR (NPSH3).

Процитируем один абзац из этого раздела: «Существует двоякое влияние вязкости перекачиваемой жидкости на NPSH3. С увеличением вязкости увеличивается трение, что приводит к увеличению NPSH3. В то же время более высокая вязкость приводит к уменьшению диффузии воздуха и частиц пара в жидкости. Это замедляет скорость роста пузырьков, а также имеет место термодинамический эффект, который приводит к некоторому снижению NPSH3».

Насос перекрывает напор при перекачивании вязкой жидкости

Насос, работающий с вязкой жидкостью, по-прежнему приближается к тому же порогу отключения, что и при перекачивании воды? Этот вопрос часто возникает в моей работе, и я тщательно изучил ответ (но без фактического тестирования). Ответ, по-видимому, заключается в том, что при нулевом расходе напор, развиваемый насосом, для воды такой же, как и для вязкой жидкости, вязкость которой, как мы предполагаем, меньше 600 сантипуаз.

Некоторые из моих уважаемых наставников, похоже, думают так же. Я открыт для ввода, если у вас есть данные в любом случае. Мне все же хотелось бы верить, что насос со средней и низкой удельной скоростью, перекачивающий жидкость средней вязкости (приблизительно 250 сантипуаз), не будет иметь такого же напора, как с водой. Но я предполагаю, что скорость и гравитация поспорят со мной по этому вопросу.

Вывод

Чрезвычайно важно знать фактическую вязкость перекачиваемой жидкости. Я часто наблюдаю проблемы с насосом в полевых условиях из-за различий в воспринимаемых и фактических значениях вязкости.

использованная литература

Стандарт ANSI/HI 9.6.7-2010 Центробежные и осевые насосы, AJ Stepanoff

Проектирование и применение центробежных насосов, В.С. Лобанофф и Р.Р. Росс

Влияние вязкости на производительность центробежного насоса, технический документ Ingersoll Rand, выпущенный в 1957 г. совместно с Университетом Лихай, Артур Иппен.

Вопросы проектирования и проектирования систем для насосных систем и вязких сред, CE Petersen