Hoe viscositeit centrifugaalpompen beïnvloedt
Het Hydraulic Institute heeft een norm gepubliceerd om rekening te houden met de effecten van viscositeit op de prestaties van centrifugaalpompen. Effects of Liquid Viscosity on Rotodynamic Centrifugal and Vertical Pump Performance (Effecten van vloeistofviscositeit op rotodynamische centrifugale en verticale pompprestaties), beschikbaar op www.estore.pumps.org-was, herzien in 2010. Vóór deze publicatie werden viscositeitscorrecties uitgevoerd met behulp van viscositeitscorrectietabellen.
De nieuwe methode is veel gemakkelijker te gebruiken omdat de viscositeitscorrecties automatisch worden berekend aan de hand van de verstrekte formules. De noodzaak om te “eyeballen” op grafieken is weggenomen, zodat de nieuwe methode nauwkeuriger is. De norm geeft ook een mooie achtergrondbeschrijving van de methode, alsmede de beperkingen ervan en de pomptypes en pompontwerpkenmerken waarvoor de procedure kan worden toegepast. Het volgende is het resultaat van een discussie tussen een aantal van onze lezers.
Wat zijn Newtonse vloeistoffen?
Kunnen we ervan uitgaan dat ruwe olie of geraffineerde producten zich gedragen als Newtonse vloeistoffen? Een belangrijke uitspraak is: “De viscositeit is alleen een functie van de toestand van de vloeistof, met name de temperatuur.” Water, olie, benzine, alcohol en zelfs glycerine zijn voorbeelden van Newtonse vloeistoffen.
Voorbeelden van niet-Newtoniaanse vloeistoffen zijn slurries, suspensies, gels en colloïden. Voor ruwe olie en geraffineerde producten is deze aanname wellicht comfortabel. Maar gedraagt zware ruwe olie zich op een gegeven moment (bij lage temperatuur) niet meer als een Newtonse vloeistof?
De meeste vloeistoffen zijn Newtonse vloeistoffen met als basisdefinitie dat de viscositeit constant is met de afschuifsnelheid. Wat is afschuifsnelheid? Het is de relatieve spanning die op de vloeistof wordt uitgeoefend door de bewegende vloeistof. Neem bijvoorbeeld een gesloten waaier met een buitendiameter (OD) van 10 inch, met een radiale speling van 0,010 inch tussen de slijtringen, die een diameter van 5 inch hebben. Als de waaier draait met 3600 tpm, dan is de omtreksnelheid van het metaal 78 voet per seconde. De vloeistof in direct contact met de ring draait met dezelfde snelheid, volgens een no-slip conditie. De stilstaande ring is 0,010 inch van de beweging verwijderd, dus de snelheidsgradiënt is:
Dat is de afschuifsnelheid.
Voor een open waaier is de afstand tussen de open schoep van de draaiende waaier en de wand van de behuizing. Nu verandert de omtreksnelheid met de radiale positie van de schoep (deze ligt op iets minder dan 5 inch ten opzichte van de OD van, zeg, 10 inch). Een gemiddelde waarde kan worden geschat (de berekening is vergelijkbaar met die hierboven), en het afschuifsnelheidstarief zal vergelijkbaar zijn.
Shear-gevoelig, Niet-Newtoniaanse vloeistoffen
Shear-gevoelige vloeistoffen houden niet van een dergelijke afschuifwerking. Lijm, bijvoorbeeld, wordt plakkerig. Lijm wordt echter niet verpompt door centrifugaalpompen, maar meer door tandwielpompen. De afschuifsnelheid werkt echter ook daar: in een speling tussen het draaiende tandwiel en de wand, en die speling is ook typisch in de orde van 0,005 inch.
Een dergelijke afschuifsnelheid is echter meestal geen probleem, omdat de hoeveelheid product in de speling klein is en de totale “verdunning” door de kleverige, beschadigde vloeistof verwaarloosbaar is. In bepaalde gevallen is het echter wel van belang. Als de vloeistof die door een tandwielpomp wordt gepompt bijvoorbeeld een emulsie is die op een fotografiefilm is afgezet, dan kunnen zelfs kleine onvolkomenheden vlekken en vlekken veroorzaken, waardoor de film defect raakt.
Het pompen van voedsel – zoals kersen, appels, enz. – in de conservenindustrie geeft aanleiding tot vergelijkbare problemen. De pomp moet voorzichtig pompen met een lage afschuifsnelheid. In een centrifugaalpomp met een speling van 0,5 inch tussen de waaierwand en het pomphuis is de afschuifsnelheid 0,5 inch.5 inch, is de afschuifsnelheid:
Figuur 1. Verschillende soorten vloeistoffen
Newtoniaanse &Niet-Newtoniaanse vloeistoffen en viscositeit
Bij Newtoniaanse vloeistoffen is de viscositeit niet afhankelijk van de afschuifsnelheid. Als verpompte olie bijvoorbeeld een viscositeit van 300 cSt heeft, dan blijft dat zo bij 3600 omwentelingen per minuut of bij 1800 omwentelingen per minuut. De afschuifsnelheid verandert, maar de viscositeit is nog steeds 300 cSt.
Bij sommige vloeistoffen (niet-Newtoniaans) verandert de viscositeit echter wel – naar boven of naar beneden, zoals in figuur 1 is te zien. Deze vloeistoffen zijn dilatent of thixotroop. Dit heeft een effect op het vereiste vermogen en kan ook vloeistofdegradatie veroorzaken, naast het feit dat het een effect heeft (en meestal heeft) op het vermogen. Vermogen is kracht maal snelheid. Kracht is spanning maal oppervlakte. Spanning is viscositeit maal afschuifsnelheid.
Voor dilatente vloeistoffen neemt de afschuifspanning altijd toe, naarmate zowel de viscositeit als de afschuifsnelheid toenemen, maar voor thixotrope vloeistoffen kan het beide kanten op gaan. Het is mogelijk dat de afschuifsnelheid niet zo snel toeneemt als de afname van de viscositeit, en het product (de spanning) kan toenemen, afnemen of ongeveer gelijk blijven. Het hangt allemaal af van de vloeistof die wordt verpompt. Meestal neemt de afschuifspanning echter af. Dat betekent dat het vermogen van de pomp ook afneemt met de afschuifsnelheid. Met andere woorden, een vloeistof is eerst viskeus, maar zodra hij in beweging komt, wordt hij minder viskeus, waardoor er minder vermogen nodig is om hem te verpompen.
Het veronachtzamen van de driver rating (motor te klein gekozen) komt vaak voor. De dimensionering wordt afgestemd op de viscositeit van de vloeistof die in beweging is, maar vervolgens slaat de motor bij het opstarten steeds weer af omdat er meer vermogen nodig is om de boel aan de gang te krijgen. Ketchup is een voorbeeld, en dit is de reden waarom je in een restaurant als een gek met de fles moet schudden om het aan het stromen te krijgen. Maar als het eenmaal stroomt, gaat het ook snel.
Zoals altijd-een afscheidsquiz. Waarom is een “typische” vuistregel dat centrifugaalpompen niet goed werken boven het magische getal van 500 centistokes viscositeit? Een goed antwoord levert u een gratis toegangskaart voor de volgende Pompschool-sessie op: