Wie sich die Viskosität auf Kreiselpumpen auswirkt
Das Hydraulic Institute hat einen Standard veröffentlicht, um die Auswirkungen der Viskosität auf die Leistung von Kreiselpumpen zu berücksichtigen. Effects of Liquid Viscosity on Rotodynamic Centrifugal and Vertical Pump Performance (Auswirkungen der Flüssigkeitsviskosität auf die Leistung von Kreisel- und Vertikalpumpen) – erhältlich unter www.estore.pumps.org-was – wurde 2010 überarbeitet. Vor dieser Veröffentlichung wurden Viskositätskorrekturen mit Hilfe von Viskositätskorrekturtabellen durchgeführt.
Die neue Methode ist viel einfacher zu handhaben, da sie die Viskositätskorrekturen automatisch anhand der mitgelieferten Formeln berechnet. Das „Augenmaß“ von Diagrammen ist nicht mehr erforderlich, so dass die neue Methode genauer ist. Die Norm bietet auch eine schöne Hintergrundbeschreibung der Methode sowie ihre Grenzen und die Pumpentypen und Pumpenkonstruktionsmerkmale, für die das Verfahren anwendbar ist. Das Folgende ist das Ergebnis einer Diskussion zwischen mehreren unserer Leser.
Was sind Newtonsche Flüssigkeiten?
Kann man davon ausgehen, dass sich Rohöl oder raffinierte Produkte wie Newtonsche Flüssigkeiten verhalten? Eine Kernaussage lautet: „Die Viskosität ist nur eine Funktion des Zustands der Flüssigkeit, insbesondere ihrer Temperatur.“ Wasser, Öl, Benzin, Alkohol und sogar Glycerin sind Beispiele für Newtonsche Flüssigkeiten.
Beispiele für nichtNewtonsche Flüssigkeiten sind Aufschlämmungen, Suspensionen, Gele und Kolloide. Vielleicht würde man sich mit dieser Annahme für Rohöl und raffinierte Produkte wohl fühlen. Aber verhält sich Schweröl ab einem bestimmten Punkt (niedrige Temperatur) nicht mehr wie eine Newtonsche Flüssigkeit?
Die meisten Flüssigkeiten sind Newtonsche Flüssigkeiten, wobei die grundlegende Definition lautet, dass die Viskosität mit der Scherrate konstant ist. Was ist die Scherrate? Es ist die relative Spannung, die der Flüssigkeit durch die sich bewegende Flüssigkeit auferlegt wird. Betrachten wir zum Beispiel ein geschlossenes Laufrad mit einem Außendurchmesser (OD) von 10 Zoll und einem Radialspiel von 0,010 Zoll zwischen den Spaltringen. Wenn es sich mit 3.600 Umdrehungen pro Minute dreht, dann beträgt die Umfangsgeschwindigkeit des Metalls 78 Fuß pro Sekunde. Die Flüssigkeit in direktem Kontakt mit dem Ring dreht sich mit der gleichen Geschwindigkeit, entsprechend einer schlupffreien Bedingung. Der stationäre Ring ist 0,010 Zoll von der Bewegung entfernt, also ist der Geschwindigkeitsgradient:
Das ist die Scherrate.
Bei einem offenen Laufrad ist das der Abstand zwischen der offenen Schaufel des sich drehenden Laufrades und der Gehäusewand. Nun ändert sich die Umfangsgeschwindigkeit entlang der radialen Position der Schaufel (sie liegt bei etwas weniger als 5 Zoll im Vergleich zum Außendurchmesser von, sagen wir, 10 Zoll). Ein Durchschnittswert kann geschätzt werden (die Berechnung ist ähnlich wie oben), und die Scherrate wird ähnlich sein.
Scheerempfindlich, Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten
Scher-empfindliche Flüssigkeiten mögen eine solche Scherwirkung nicht. Leim zum Beispiel wird klebrig. Leim wird aber nicht mit Kreiselpumpen gefördert, sondern typischerweise mit Zahnradpumpen. Die Schergeschwindigkeit wirkt jedoch auch dort: in einem Spalt zwischen dem sich drehenden Zahnrad und der Wand, und dieser Spalt liegt ebenfalls typischerweise im Bereich von 0,005 Zoll.
Eine solche Schergeschwindigkeit ist jedoch normalerweise kein Problem, da die Produktmenge im Spalt klein ist und die gesamte „Verdünnung“ durch die klebrige, beschädigte Flüssigkeit vernachlässigbar ist. In bestimmten Fällen spielt es jedoch eine Rolle. Wenn es sich bei der von einer Zahnradpumpe gepumpten Flüssigkeit beispielsweise um eine Emulsion handelt, die sich auf einem Fotofilm abgesetzt hat, dann können selbst kleine Unvollkommenheiten Flecken und Unreinheiten verursachen, und der Film ist am Ende defekt.
Das Pumpen von Lebensmitteln – wie Kirschen, Applikationen usw. – in der Konservenindustrie wirft ähnliche Probleme auf. Die Anforderung an die Pumpe ist eine schonende Förderung mit geringer Scherung. Für diese Fälle eignen sich Exzenterschneckenpumpen am besten.
Bei einer Zentrifugalpumpe mit einem Abstand zwischen Laufradwand und Gehäuse von 0.5 Zoll, beträgt die Scherrate:
Abbildung 1. Verschiedene Arten von Flüssigkeiten
Newtonsche & Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten und Viskosität
Bei Newtonschen Flüssigkeiten ist die Viskosität nicht von der Scherrate abhängig. Wenn ein gepumptes Öl z.B. eine Viskosität von 300 cSt hat, bleibt sie bei 3.600 U/min oder 1.800 U/min so. Die Scherrate ändert sich, aber die Viskosität beträgt immer noch 300 cSt.
Bei einigen Flüssigkeiten (Nicht-Newtonsche) ändert sich die Viskosität jedoch – entweder nach oben oder nach unten, wie in Abbildung 1 dargestellt. Diese Flüssigkeiten sind dilatent oder thixotrop. Dies wirkt sich auf die benötigte Leistung aus und kann auch zu einer Verschlechterung der Flüssigkeit führen, zusätzlich zur Auswirkung auf die Leistung (und das ist normalerweise der Fall). Leistung ist Kraft mal Geschwindigkeit. Kraft ist Spannung mal Fläche. Spannung ist Viskosität mal Scherrate.
Für dilatante Flüssigkeiten steigt die Scherspannung immer an, wenn sowohl die Viskosität als auch die Scherrate zunehmen, aber für thixotrope Flüssigkeiten kann es in beide Richtungen gehen. Bei thixotropen Flüssigkeiten kann es jedoch in beide Richtungen gehen. Die Schergeschwindigkeit kann nicht so schnell ansteigen wie die Viskosität abnimmt, und das Produkt (die Spannung) kann zunehmen, abnehmen oder etwa gleich bleiben. Es hängt alles von der gepumpten Flüssigkeit ab. Normalerweise nimmt jedoch die Schubspannung ab. Das bedeutet, dass auch die Leistung der Pumpe mit der Schergeschwindigkeit abnimmt. Mit anderen Worten: Die Flüssigkeit ist zunächst zähflüssig, aber sobald sie in Bewegung ist, wird sie weniger zähflüssig, was bedeutet, dass weniger Leistung zum Pumpen benötigt wird.
Eine Vernachlässigung der Treiberleistung (zu klein gewählter Motor) ist üblich. Er wird für die Viskosität der zu bewegenden Flüssigkeit dimensioniert, aber dann schaltet der Motor beim Start immer wieder ab, weil mehr Leistung benötigt wird, um die Dinge in Gang zu bringen. Ketchup ist ein Beispiel dafür, und deshalb muss man in einem Restaurant die Flasche wie verrückt schütteln, um sie zum Fließen zu bringen. Aber wenn er einmal fließt, geht es schnell.
Wie immer – ein Abschiedsquiz. Warum ist eine „typische“ Daumenregel, dass Kreiselpumpen nicht oberhalb der magischen Zahl von 500 Centistokes Viskosität arbeiten? Für die richtige Antwort erhalten Sie eine kostenlose Eintrittskarte für die nächste Pumpenschule: