چه درگ: اثرات ویسکوزیته سیال بر پمپ های گریز از مرکز
یک عبارت رایج در صنعت پمپ این است که ویسکوزیته کریپتونیت پمپ های گریز از مرکز است. کنایه از سوپرمن را ببخشید، اما این مرجعی است که اکثر ما نه تنها با آن ارتباط برقرار می کنیم، بلکه می فهمیم. علاوه بر این، سیالات چسبناک اثر منفی و ضعیفی بر عملکرد پمپ گریز از مرکز دارند.
ویسکوزیته اندازه گیری مقاومت سیال در برابر جریان در دمای معین است. شما همچنین می توانید آن را به عنوان اصطکاک سیال در نظر بگیرید. یک تعریف فنی تر، ویسکوزیته را به عنوان نیروی مورد نیاز برای حرکت یک صفحه مایع (صفحه فکری) با مساحت واحد، در فاصله ای بالاتر از صفحه دیگر با مساحت مساوی در یک دوره زمانی مشخص توضیح می دهد. در کلاس های آموزشی، ویسکوزیته را به عنوان مقاومت سیال در برابر ریختن، اما مهمتر از آن، مقاومتی که باید پمپ شود تعریف می کنم.
احتمالاً اسحاق نیوتن اولین کسی بود که ما می شناسیم که ضریب ویسکوزیته را به صورت کمی تعریف کرد. مفهوم و کارهای مرتبط او تکمیل نشد، اما بعداً توسط ژان لئونارد ماری پوازوی اصلاح شد (به قانون پوازوی مراجعه کنید).
چرا ما در مورد ویسکوزیته در مورد پمپ های گریز از مرکز نگران هستیم؟
عمدتاً به این دلیل که ویسکوزیته چنین تأثیر فوق العاده و اغلب منفی بر عملکرد پمپ گریز از مرکز دارد. افزایش ویسکوزیته به طور چشمگیری بازده پمپ را در ارتباط با کاهش قابل توجه هد و جریان کاهش می دهد. نتیجه خالص افزایش در اسب بخار ترمز مورد نیاز برای راننده است.
اصلاحات ویسکوزیته
همه منحنی های عملکرد پمپ گریز از مرکز بر اساس پمپاژ آب هستند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. هنگامی که من در تجارت پمپ شروع کردم، هیچ برنامه کامپیوتری برای رمزگذاری اصلاحات ویسکوزیته لازم وجود نداشت و تکمیل روش های دستی ممکن بود ساعت ها طول بکشد. با ظهور برنامه های کامپیوتری برای انتخاب پمپ، اکنون اصلاح عملکرد پمپ از نظر ویسکوزیته با یک ضربه کلید ساده است، اما ما اغلب از جزئیات و تأثیراتی که تغییرات ویسکوزیته بر عملکرد پمپ و به خصوص اسب بخار ترمز مورد نیاز می آورد نادیده می گیریم.
قبل از برنامه های کامپیوتری، اساساً سه روش برای اصلاح عملکرد پمپ گریز از مرکز از آب به ویسکوز وجود داشت.
1. مدل AJ Stepanoff در بهترین نقطه کارایی (BEP) برای سر و جریان قابل اجرا بود، اما قابلیت اطمینان و اعتبار با افزایش انحراف از BEP کاهش یافت.
2. روش Paciga کمی بهتر از مدل Stepanoff بود زیرا می‌توانست در طیف وسیع‌تری از جریان‌ها دقیق‌تر باشد. Paciga دارای سرعت خاص و نسبت جریان (جریان واقعی در مقایسه با BEP) بود. جنبه منفی این بود که با افزایش ویسکوزیته، قابلیت اطمینان کاهش می یابد. این بیشتر به دلیل تأثیر عدد رینولدز در محاسبات فرمول بود.
3. روش اصلی موسسه هیدرولیک با استفاده از نمودارهای تصحیح چسبناک برای به دست آوردن فاکتورهای تصحیح ویسکوز (برای سر، جریان و کارایی). این روش به دلیل سهولت، دقت و طیف گسترده ای از کاربرد، نسبت به روش های قبلی بهبود یافته بود. برای افرادی که مدتی در این تجارت بوده اند، عاقلانه است که روش های جدیدتر ارائه شده توسط موسسه هیدرولیک را مرور کنند (به دستورالعمل ANSI/HI 9.6.7-2010 مراجعه کنید). روش جدید از فرمولی به نام پارامتر B برای بدست آوردن فاکتورهای تصحیح چسبناک استفاده می کند. روش جدیدتر همچنین برخی از سردرگمی و عدم دقت را در محدوده 100 گالن در دقیقه (gpm) از بین می برد.
اصلاحات منحنی پمپ
در یک دنیای کامل، "منحنی" عملکرد پمپ گریز از مرکز در واقع یک خط مستقیم است، اما در دنیای واقعی، به دلیل تلفات در پمپ، منحنی است. عوامل اصلی ترکیبی از تلفات مکانیکی، نشتی، ضربه و اصطکاک دیسک هستند. اصطکاک دیسک عامل اصلی و مهمترین عامل در تعیین کمیت تلفات است. منحنی ها همانطور که ذکر شد بر اساس عملکرد آب هستند، اما با استفاده از سیالات ویسکوز، این منحنی های آب باید اصلاح شوند تا ویسکوزیته دقیق باشد. منحنی های سر، جریان، راندمان و اسب بخار ترمز (BHP) همگی نیاز به اصلاح دارند (اصلاحات چسبناک).
در چه مقدار حداقل ویسکوزیته برای شروع اصلاحات؟
سازنده پمپ بهترین منبع برای این مقدار است، زیرا به کاربرد، شخصیت سیال و هندسه پمپ بستگی دارد. توجه داشته باشید که در 100 سانتی پویز، اثرات ویسکوز قابل توجه خواهد بود. من بیان می کنم که در 30 تا 40 سانتی پویس یا بیشتر، شما باید از اصلاحات استفاده کنید یا عوارض جانبی را در معرض خطر قرار دهید. من همچنین توصیه می کنم که در منطقه ای بین 5 تا 10 سانتی پویز، حداقل باید از اثرات هر چند جزئی آگاه و آگاه باشید.
از آنجایی که این روزها بررسی منحنی‌های تصحیح بسیار آسان است، بررسی نکردن آن عاقلانه نیست.
جلوه های شکل و اندازه پروانه
هرچه سرعت ویژه (Ns) پروانه کمتر باشد، اصطکاک دیسک بیشتر خواهد بود. این به سادگی به دلیل هندسه پروانه و زاویه جریان 90 درجه ای است که سیال وارد پروانه شده و سپس از پروانه خارج می شود. با افزایش سرعت خاص پروانه، زاویه ورودی به خروجی کمتر می شود و تعامل با سیال کمتر می شود.
هرچه یک پروانه کوچکتر باشد، به احتمال زیاد اثرات اصطکاک دیسک بیشتر خواهد بود، زیرا سطح پروانه و بدنه ها برهمکنش بیشتری با سیال دارند تا در پمپ های بزرگتر.
حداکثر ویسکوزیته برای یک پمپ گریز از مرکز
اغلب از من می پرسند؛ حداکثر ویسکوزیته ای که یک پمپ گریز از مرکز می تواند تحمل کند چقدر است؟ پاسخ کوتاه من این است که "بستگی دارد." پاسخ بهتر و کمتر این است که کاهش راندمان پمپ (همچنین هد و دبی) را در نظر بگیرید و حداکثر اسب بخار مورد نیاز و تصحیح شده (hp) برای سیال ویسکوز را محاسبه کنید. چندین مرجع پمپ های گریز از مرکز را به حداکثر 3000 سانتی استوک محدود می کنند. (توجه داشته باشید که این محدودیت نیز به عنوان 3300 سنت استوک منتشر شده است.)
مقاله فنی قدیمی تری در مورد این موضوع توسط CE Petersen وجود دارد (که در کنفرانس انجمن انرژی اقیانوس آرام در سپتامبر 1982 ارائه شد). آقای پترسن استدلالی ارائه می دهد که حداکثر ویسکوزیته را می توان با اندازه نازل تخلیه پمپ محاسبه کرد.
آقای پترسن فرمولی را به شرح زیر فرض کرد:
که درحداکثر = 300 (D-1)
معادله 1
جایی که:
که درحداکثر = حداکثر ویسکوزیته سینماتیکی در SSU (سایبولت دوم جهانی) مجاز برای آن پمپ
D = قطر نازل تخلیه بر حسب اینچ.
من فقط از این فرمول به عنوان یک قانون کلی استفاده می کنم.
برای دقیق بودن، باید از سازنده پمپ در مورد این موضوع با توجه به گشتاور شفت و محدودیت های اسب بخار اطلاعات داشته باشید. همچنین ممکن است محدودیت های قاب و گهگاه (نادر) محدودیت های گشتاور بار تیغه پروانه وجود داشته باشد.
بسته به اندازه پمپ و هندسه پروانه، محدودیت ویسکوزیته برای پمپ گریز از مرکز متوسط از 250 تا 700 سانتیپویز متغیر خواهد بود و من شاهد بوده‌ام که بسیاری از پمپ‌ها با موفقیت سیالات بیش از 1000 سانتیپویز را پمپاژ می‌کنند. اگر درخواست شما بالاتر از 250 سانتیپویز است، توصیه می‌کنم با سازنده/فروشنده پمپ خود کار کنید تا به پاسخ برسید. دو نکته مهم که باید مورد توجه قرار گیرد عبارتند از:
1. یک محدودیت گشتاور و اسب بخار برای شفت پمپ وجود دارد که با افزایش ویسکوزیته تأثیر منفی خواهد داشت. مطمئن شوید که این ضریب تصحیح ویسکوزیته را برای اطمینان از نصب رضایت بخش و قابل اعتماد بررسی کنید.
2. ممکن است همچنان بتوانید سیال بسیار ویسکوزیته را با پمپ گریز از مرکز پمپاژ کنید، اما به دلیل کاهش بازده، بازدهی کاهش می یابد. شاید شما از 25 اسب بخار برای پمپاژ سیال ویسکوز با یک پمپ گریز از مرکز استفاده می کنید که تنها به 5 اسب بخار با پمپ جابجایی مثبت نیاز دارد.
اسب بخار/گشتاور
تمام محورهای پمپ دارای محدودیت سرعت، اسب بخار و گشتاور هستند. در مورد پمپ های تک مرحله ای، بسیاری از سازندگان این را به عنوان یک اسب بخار در 100 دور در دقیقه (rpm) حد مجاز بیان می کنند. توجه داشته باشید که گشتاور با اسب بخار نسبت معکوس دارد، بنابراین هر چه سرعت کمتر باشد گشتاور بیشتری به شفت اعمال می شود.
در حالی که اکثر محدودیت‌های شفت بر اساس محدودیت‌های سرعت، اسب بخار و گشتاور پیوسته است، به خاطر داشته باشید که اگر پمپ توسط یک موتور به حرکت درآید، محدودیت‌ها بیشتر کاهش می‌یابد (احتراق داخلی به معنای متناوب به جای گشتاور مداوم). علاوه بر این، اگر شفت پمپ بار جانبی داشته باشد، مانند درایوهای تسمه یا زنجیر، به دلیل ضریب خستگی خمشی چرخه‌ای، محدودیت‌های شفت کاهش چشمگیری خواهد داشت.
ویسکوزیته و دما/فشار
برای یک مایع معین، ویسکوزیته برای افزایش دما کاهش می یابد و بالعکس. توجه داشته باشید که برای گازها این رابطه برعکس است. برای ویسکوزیته های اعلام شده نیز باید دما داده شود، معمولاً 40 و 100 درجه سانتیگراد استاندارد هستند.
دما می تواند مشکلی در این زمینه باشد زیرا پمپ ها اغلب اندازه می شوند و برای پمپاژ مایع چسبناک در دمای مشخص شده فروخته می شوند، اما پس از آن پمپ ها در واقع در دمای پایین تر کار می کنند، که ویسکوزیته بالاتر و البته نیاز بالاتری را به همراه دارد. hp با دبی و هد کمتر از حد مطلوب یا وعده داده شده.
اثرات فشار بر ویسکوزیته مایع معمولاً بسیار کوچک است و در بیشتر موارد می توان نادیده گرفت.
ویسکوزیته و وزن مخصوص
ویسکوزیته اغلب با وزن مخصوص (SG) اشتباه گرفته می شود. آن ها دو چیز متفاوت اند. عبارات رایج رایج ما را گیج می کند، زیرا ویسکوزیته اغلب به اشتباه به عنوان ضخامت یا وزن نامیده می شود. جیوه دارای SG بالا (13) است، اما ویسکوزیته پایین و بسیاری از روغن های روان کننده دارای SG پایین (کمتر از آب یا کمتر از 1.0) هستند اما ویسکوزیته بالایی دارند.
SG نسبت چگالی یک ماده - در این مورد سیال - به چگالی یک استاندارد معیار، معمولاً آب است. توجه داشته باشید که از آنجایی که SG یک نسبت است، هیچ واحدی وجود ندارد.
هنگامی که ما در حال تبدیل به ویسکوزیته های دینامیکی و سینماتیکی هستیم، از وزن مخصوص در معادله استفاده می شود. سانتیپویز = (سنتیستوک) (گرانش مخصوص)
ویسکوزیته دینامیکی و سینماتیکی
سنتی پویز ویسکوزیته دینامیکی (مطلق) و سنتیستوک (همچنین SSU) ویسکوزیته سینماتیکی است. یک راه ساده برای توضیح تفاوت این است که ویسکوزیته های سینماتیکی نرخ های جریان زمان بندی شده از طریق روزنه هایی هستند که در آن نیروی محرکه معمولاً گرانش است، در حالی که ویسکوزیته دینامیکی اندازه گیری نیروی مورد نیاز برای غلبه بر مقاومت سیال برای جریان از طریق لوله (مویرگی) است. به بیان ساده، سینماتیک اندازه گیری زمان و دینامیک اندازه گیری نیرو است.
ویسکوزیته و قوانین قرابت
همیشه مراقب قوانین وابستگی باشید زیرا آنها تعامل سیستم را در نظر نمی گیرند. قبل از اعمال قوانین، عملکرد اصلاح شده را برای تمام پارامترهای قابل اجرا تبدیل کنید.
اصطکاک لوله و تلفات سیستم
هنگام پمپاژ سیال، هر چه مایع چسبناک تر باشد، اصطکاک بیشتری ایجاد می شود. مقاومت (اصطکاک) به دلیل خواص تنش برشی سیال و سطح دیواره لوله/پمپ است. توجه داشته باشید که هرچه سطوح/دیواره های پمپ و لوله خفه تر باشد اصطکاک سیال ویسکوز تأثیر کمتری خواهد داشت.
برای اطلاعات بیشتر در این مورد و ارتباط با معادله دارسی وایزباخ و عدد رینولدز به فصل 3 (اصطکاک) در کتاب داده های هیدرولیک کامرون مراجعه کنید. اگر منحنی مقاومت سر سیستم را محاسبه می کنید و سیال ویسکوز است، باید آن را در نظر بگیرید.
ویسکوزیته و سر مکش مثبت خالص مورد نیاز/موجود (NPSHR/NPSHA)
به طور شهودی، شما فکر می‌کنید که تغییرات در ویسکوزیته بر NPSHR (معروف به NPSH3) تأثیر می‌گذارد، اما بیشتر داده‌های تجربی منتشر شده این خط فکری را به چالش می‌کشند. در کاربردهای خط مکش پمپ که در آن سیالات بسیار ویسکوز مشکلاتی در جریان لوله به مکش پمپ دارند، به ذهن متبادر می شود، اما این مسائل معمولاً در جزء اصطکاک محاسبه NPSHA پوشش داده می شود. یعنی ضریب اصطکاک برای سیال ویسکوز بیشتر خواهد بود و در نتیجه NPSHA را کاهش می دهد. توصیه من در مورد سیالات ویسکوز افزایش حاشیه بین NPSH موجود و مورد نیاز است.
چندین کتاب مرجع معتبر (اما قدیمی تر) بیان می کنند که شواهد کمی وجود دارد که نشان دهد ویسکوزیته بر مقدار NPSHR (NPSH3) تأثیر می گذارد. ویرایش جدید دستورالعمل ANSI/Hydraulic Institute 9.6.7 بیان می کند که ممکن است یک رویکرد تحلیلی در نظر گرفته شود (به بخش 9.6.7.5.3 دستورالعمل مراجعه کنید). راهنما معادله ای را برای محاسبه NPSHR تصحیح شده (NPSH3) ارائه می دهد.
برای نقل قول از یک پاراگراف از این بخش: "تاثیر دوگانه ویسکوزیته مایع پمپ شده بر NPSH3 وجود دارد. با افزایش ویسکوزیته، اصطکاک بالا می رود که منجر به افزایش NPSH3 می شود. در عین حال، ویسکوزیته بالاتر باعث کاهش انتشار ذرات هوا و بخار در مایع می شود. این امر سرعت رشد حباب را کاهش می دهد و همچنین یک اثر ترمودینامیکی وجود دارد که منجر به کاهش مقدار NPSH3 می شود.
هنگام پمپاژ یک مایع چسبناک، سر پمپ را خاموش کنید
آیا یک پمپ در سرویس سیال چسبناک همچنان به همان سر خاموشی که هنگام پمپاژ آب است نزدیک می شود؟ این سوال به طور مکرر در کار من مطرح می شود، و من به طور گسترده برای پاسخ (اما بدون آزمایش واقعی) تحقیق کرده ام. به نظر می رسد که پاسخ این باشد که در سرعت جریان صفر، هد ایجاد شده توسط پمپ برای آب مانند یک سیال چسبناک است که در آن ویسکوزیته را کمتر از 600 سانتی پویز فرض می کنیم.
به نظر می رسد چند نفر از مربیان محترم من همین فکر را می کنند. در صورت داشتن اطلاعات در هر صورت، من آماده ورود هستم. هنوز هم می‌خواهم باور کنم که پمپی با سرعت خاص متوسط تا پایین که سیالی با ویسکوزیته متوسط (تقریباً 250 سانتیپویز) پمپاژ می‌کند، کاملاً همان هد را که با آب می‌سازد، نمی‌سازد. اما، من حدس می زنم که سرعت و گرانش با من در این موضوع بحث خواهند کرد.
نتیجه
دانستن ویسکوزیته واقعی سیال پمپ شده بسیار مهم است. من اغلب شاهد مشکلات پمپ در میدان هستم به دلیل تفاوت در مقادیر ویسکوزیته درک شده در مقابل واقعی.
منابع
ANSI / HI استاندارد 9.6.7 -2010 پمپ های جریان محوری و گریز از مرکز، AJ Stepanoff
طراحی و کاربرد پمپ های گریز از مرکز، VS Lobanoff و RR Ross
تأثیر ویسکوزیته بر عملکرد پمپ گریز از مرکز، مقاله فنی Ingersoll Rand که در سال 1957 در ارتباط با دانشگاه لیهای، آرتور ایپن صادر شد.
ملاحظات مهندسی و طراحی سیستم برای سیستم های پمپ و سرویس ویسکوز، CE Petersen