نحوه انجام اصلاحات ویسکوزیته برای پمپ های گریز از مرکز
اگر سیالات غلیظ را با استفاده از منحنی های عملکرد پمپ آب پمپاژ می کنید، دوباره فکر کنید.
ویسکوزیته یک ویژگی اساسی یک مایع است. این مقاومت سیال در برابر جریان است و برای سیالات غلیظ تر بیشتر است. به عنوان مثال، سیالی با ویسکوزیته بالا، مانند شربت افرا، در مقایسه با سیال با ویسکوزیته کمتر، مانند آب، غلیظ تر است و در برابر جریان بیشتر مقاومت می کند.
به طور معمول، سازندگان پمپ از آب برای به دست آوردن مقادیر منحنی عملکرد پمپ خود استفاده می کنند، حتی اگر خدمات مورد نظر پمپ برای سیالی با خواص متفاوت از آب باشد. اما وقتی ویسکوزیته سیال به طور قابل توجهی از آب منحرف می شود چه اتفاقی می افتد؟ اینجاست که مهندسان باید منحنی های عملکرد پمپ را تنظیم کنند تا تفاوت ویسکوزیته بین آب و سیال واقعی در پمپ را در نظر بگیرند.
منحنی‌های عملکرد پمپ، هد اضافه شده به سیال، توان پمپ و سر مکش مثبت خالص مورد نیاز (NPSHr) را در انواع دبی‌های حجمی مختلف توصیف می‌کنند. با توجه به اهمیت عملکرد پمپ گریز از مرکز در هر صنعت سیال، ضروری است که اصلاحات دقیق زمانی که یک پمپ گریز از مرکز از سیال غلیظ‌تری نسبت به آنچه سازنده پمپ برای ارزیابی عملکرد استفاده می‌کند استفاده می‌کند. یک سیال چسبناک تر به طور کلی کاهش سرعت جریان حجمی، هد و راندمان را در مقایسه با آب در همان سرعت پمپ تجربه می کند. به همین ترتیب، قدرت پمپ و NPSHr با افزایش ویسکوزیته افزایش می یابد.
سازندگان پمپ هایی که فقط منحنی های عملکرد آب را برای پمپ ها ارائه می کنند، باید منحنی های عملکرد را برای سیالات ضخیم تر ارائه دهند. مهندسانی که هنگام پمپاژ سیالات غلیظ تر منحنی عملکرد آب را تصحیح می کنند، باید از دستورالعمل های مؤسسه استانداردهای ملی آمریکا/موسسه هیدرولیک (ANSI/HI) 9.6.7-2015 استفاده کنند.
در حالی که ترجیح داده می‌شود از داده‌های منحنی عملکرد واقعی از تولیدکنندگان پمپ برای سیالات ضخیم‌تر استفاده شود، ANSI/HI 9.6.7-2015 یک دستورالعمل رایج برای اصلاح عملکرد پمپ بر اساس ویسکوزیته ارائه می‌کند. این دستورالعمل دارای مقدار قابل قبولی از عدم قطعیت است، اما درک عدم قطعیت های این روش برای اطمینان از کاربرد صحیح آن در سیستم های پمپاژ ضروری است. این مقاله یافته‌های فنی و بحث در مورد اینکه چرا دستورالعمل با وجود عدم قطعیت‌ها قابل قبول است را خلاصه می‌کند.
اصلاح ویسکوزیته به روش‌های تجربی با استفاده از داده‌های آزمایشی برای محاسبه صحیح عملکرد پمپ زمانی که سیال سرویس دارای ویسکوزیته متفاوت از سیال مرجع، معمولاً آب است، متکی است. مانند بسیاری از روش های تجربی، عدم قطعیت به طور اجتناب ناپذیری وجود دارد و در یکی از دسته های زیر قرار می گیرد:
استفاده از یک عدد بی بعد برای توصیف پدیده پیچیده
مجموعه داده های محدود مورد استفاده برای ایجاد مدل تجربی
قابلیت اطمینان تجهیزات اندازه گیری داده ها
قبل از پرداختن به جزئیات بیشتر، شایان ذکر است که چرا عملکرد هنگام پمپاژ یک سیال چسبناک کاهش می یابد.
به طور مستقیم، یک سیال غلیظ تر، تلفات هیدرولیکی بیشتری را تجربه خواهد کرد. افزایش ویسکوزیته باعث کاهش عدد رینولدز می شود که ضریب اصطکاک و تلفات را افزایش می دهد. در حالی که هندسه پروانه پمپ متفاوت و پیچیده تر از یک لوله است، همان اصل اعمال می شود. افزایش اصطکاک درون پمپ، مقدار هد پمپ را کاهش می دهد. در حالی که این فقط یک تخمین از ضررهای مختلط است، عدد رینولدز یک تخمین متناسب را ارائه می دهد.
یک پمپ گریز از مرکز، انرژی جنبشی چرخشی را از پروانه پمپ به انرژی هیدرودینامیکی سیال تبدیل می کند. نیروهای برشی وارد بر سیال بین پروانه چرخان و محفظه ثابت پمپ، مقاومت اصطکاکی به نام اصطکاک دیسک ایجاد می کند. این مقاومت اصطکاکی معمولاً علت اصلی کاهش راندمان پمپ در طول کارکرد عادی است. با استفاده مجدد از عدد رینولدز، افزایش ویسکوزیته یک عدد رینولدز بزرگتر و در نتیجه مقاومت بزرگتر را ایجاد می کند که منجر به افزایش مصرف انرژی می شود. مهندسان می توانند از عدد رینولدز جفت شده با سرعت خاص پمپ برای تخمین اصطکاک دیسک استفاده کنند. اصطکاک دیسک یک تعامل پیچیده است. بنابراین باز هم، تخمین این اثرات با دو پارامتر بدون بعد ذاتاً دقت محدودی برای همه کاربردها دارد.
با توجه به دو تلفات اصطکاکی قبلی، هیدرولیک و دیسک، تلفات انرژی ناشی از اصطکاک عموماً به گرما تبدیل می‌شود و در نتیجه دمای سیال افزایش می‌یابد. افزایش دمای سیال بر ویسکوزیته سیال تأثیر می گذارد که بر عملکرد پمپ نیز تأثیر می گذارد. این توضیح می‌دهد که چرا پمپ‌ها در سیستم‌های دارای سیالات چسبناک رفتارهای متفاوتی در راه‌اندازی سرد در مقایسه با عملکرد ثابت دارند.
برای توضیح اثراتی که یک سیال چسبناک بر عملکرد پمپ دارد، یک مهندس می تواند از ضرایب تصحیح کلی برای هد، سرعت جریان حجمی و راندمان استفاده کند که در رابطه 1 نشان داده شده است. یک عدد بی بعد به نام B به پیش بینی مولفه ویسکوز هر ضریب اصلاح کمک می کند. پارامتر B اثرات عدد رینولدز و سرعت خاص پمپ را به دلایل تلفات اصطکاکی که در بالا مورد بحث قرار گرفت را شامل می شود. پارامتر B همچنین محدوده کاربرد برای اصلاحات را نشان می دهد. به عنوان مثال، زمانی که B بزرگتر از 40 باشد، برای تعیین اینکه آیا فاکتورهای اصلاحی هنوز قابل اعتماد هستند یا خیر، تجزیه و تحلیل زیان بیشتری لازم است.
معادله 1
یک مهندس می تواند از فاکتورهای تصحیح برای تنظیم منحنی عملکرد پمپ از مقادیر به دست آمده با استفاده از آب به منحنی پیش بینی شده برای نحوه عملکرد پمپ با سیال چسبناک استفاده کند. روش ANSI/HI 9.6.7-2015 ضرایب تصحیح نرخ جریان حجمی (CQ) و راندمان (CE) را محاسبه می کند و این مقادیر را در تمام نرخ های جریان تحلیل شده برای پمپ و سیال مورد نظر ثابت فرض می کند. برای ضریب تصحیح هد (CH)، روش فرض می‌کند که هد خاموشی پمپ به ویسکوزیته سیال وابسته نیست و برای آب و سیال ویسکوز یکسان خواهد بود.
علاوه بر این، روش فرض می‌کند که ضرایب اصلاح جریان و هد، CQ و CH، در بهترین نقطه بازده آب (BEP) برابر هستند. با در نظر گرفتن این محدودیت ها، ضریب تصحیح هد تابعی از ضریب تصحیح نرخ جریان حجمی، CQ، و نسبت نرخ جریان آب نسبت به نرخ جریان BEP، QW / QBEP-W است.
چندین محقق این فاکتورهای تصحیح را در انواع تنظیمات مختلف ارزیابی کردند تا هد و توان پیش‌بینی‌شده برای یک پمپ با سیال چسبناک را با داده‌های آزمایش واقعی سیال چسبناک در پمپ مقایسه کنند. در حالی که انحرافات وجود دارد، مقادیر واقعی و پیش بینی شده بر اساس سرعت جریان و ویسکوزیته سیال متفاوت است، در اکثر موارد مقادیر آزمایش شده با مقادیر پیش بینی شده مطابقت دارند.
محققان برخی از انحراف ها را به عدم قطعیت ناشی از ابزارهای اندازه گیری نسبت می دهند که تعیین کمیت آن دشوار است.
دستورالعمل ANSI/HI 9.6.7-2015 بر اساس داده های آزمایشی برای پمپ ها و سیالات زیر است. بنابراین، این دستورالعمل به طور کلی فقط برای سیستم هایی که در این محدودیت ها قرار می گیرند قابل اجرا است.
پمپ های تک مرحله ای و چند مرحله ای
پروانه های بسته و باز
سرعت های خاص از 310 تا 2330 واحد ایالات متحده (6 تا 45 متریک)
ویسکوزیته سینماتیکی از 1 تا 3000 سانتی استوک (cSt)
قطر پروانه از 5.5 تا 16 اینچ (140 تا 406 میلی متر [mm])
جریان BEP آب از 32 تا 1230 گالن در دقیقه (gpm) (7.2 تا 280 متر مکعب در ساعت [m3/hr])
هد BEP آب از 30 تا 427 فوت (9 تا 130 متر)
راندمان BEP آب از 28% تا 86%
تصویر 1: داده های آزمایشی (نقاط) با فواصل پیش بینی 80٪ (خطوط چین) (تصاویر با حسن نیت از فناوری جریان کاربردی)
با ترسیم نمودار داده‌های آزمایشی که فاکتورهای تصحیح بر اساس پارامتر B بر اساس آن‌ها قرار گرفته‌اند، تحقیقات نشان می‌دهد که بیشتر نقاط داده‌های آزمون در یک بازه پیش‌بینی 80% قرار می‌گیرند، همانطور که در تصویر 1 نشان داده شده است. با این حال، پمپ‌هایی با پارامتر B یکسان می‌توانند دارای محدوده ای از نقاط عملکرد ویسکوز مختلف نمودار داده های تجربی مستقل از همان روند کلی نشان داده شده در تصویر 1 پشتیبانی می کند.
در اکثر سیستم‌های پمپاژ، اصلاحات ANSI/HI پیش‌بینی‌های دقیق قابل قبولی را برای عملکرد پمپ ویسکوز ارائه می‌کند، به‌ویژه که مهندسان، همانطور که اغلب انجام می‌دهند، فاکتورهای ایمنی مختلف و حاشیه‌های خطا را شامل می‌شوند. برای موقعیت‌هایی که نیاز به تخمین محافظه‌کارانه‌تری دارند، یک مهندس می‌تواند انحرافات استاندارد در فاکتورهای تصحیح را محاسبه کند. انحراف استاندارد را با کاهش ضریب تصحیح هد به میزان 0.1 و ضریب راندمان 0.15 درج کنید که منجر به پمپ و موتور بزرگتر می شود.
دستورالعمل های ویسکوزیته ANSI/HI به طور گسترده استفاده می شود. در واقع، بازخورد نشان می دهد که استفاده از اصلاحات منجر به پمپ هایی با اندازه نادرست برای اکثر برنامه ها نمی شود. صرف نظر از این، مهندسانی که سیستم هایی با سیالات غلیظ تر طراحی می کنند باید عدم قطعیت ها و محدودیت های اصلاحات را درک کنند.