Jak lepkość wpływa na pompy odśrodkowe
Instytut Hydrauliki opublikował normę uwzględniającą wpływ lepkości na osiągi pomp odśrodkowych. Effects of Liquid Viscosity on Rotodynamic Centrifugal and Vertical Pump Performance (Wpływ lepkości cieczy na osiągi rotacyjnych pomp odśrodkowych i pionowych) – dostępny na stronie www.estore.pumps.org-was, poprawiony w 2010 roku. Przed tą publikacją korekty lepkości były wykonywane przy użyciu wykresów korekcji lepkości.
Nowa metoda jest znacznie łatwiejsza w użyciu, ponieważ oblicza korekty lepkości automatycznie przy użyciu podanych wzorów. Potrzeba „wzrokowego” spojrzenia na wykresy została usunięta, więc nowa metoda jest bardziej dokładna. Norma zawiera również opis metody, jej ograniczenia oraz typy pomp i charakterystyki konstrukcyjne pomp, dla których procedura ta ma zastosowanie. Poniższy tekst powstał w wyniku dyskusji pomiędzy kilkoma naszymi czytelnikami.
Czym są płyny newtonowskie?
Czy możemy założyć, że ropa naftowa lub produkty rafinowane zachowują się jak płyny newtonowskie? Kluczowe stwierdzenie brzmi: „Lepkość jest funkcją wyłącznie stanu cieczy, w szczególności jej temperatury”. Woda, ropa naftowa, benzyna, alkohol, a nawet gliceryna są przykładami płynów newtonowskich.
Przykładami płynów niebędących płynami newtonowskimi są zawiesiny.płynów newtonowskich są zawiesiny, zawiesiny, żele i koloidy. Być może ktoś czułby się komfortowo z tym założeniem dla ropy naftowej i produktów rafinowanych. Ale czy ciężka ropa naftowa w pewnym momencie (niska temperatura) przestaje zachowywać się jak płyn newtonowski?
Większość płynów to płyny newtonowskie, których podstawowa definicja mówi, że lepkość jest stała wraz z prędkością ścinania. Co to jest szybkość ścinania? Jest to względne naprężenie nałożone na płyn przez poruszający się płyn. Rozważmy na przykład wirnik zamknięty o średnicy zewnętrznej (OD) 10 cali, z 0,010-calowym luzem promieniowym pomiędzy pierścieniami ślizgowymi, które mają średnicę 5 cali. Jeżeli wirnik obraca się z prędkością 3600 obr/min, wówczas prędkość obwodowa metalu wynosi 78 stóp na sekundę. Ciecz będąca w bezpośrednim kontakcie z pierścieniem wiruje z tą samą prędkością, zgodnie z warunkiem braku poślizgu. Stacjonarny pierścień jest oddalony od ruchu o 0,010 cala, więc gradient prędkości wynosi:
To jest prędkość ścinania.
Dla otwartego wirnika, odległość jest pomiędzy otwartą łopatką wirującego wirnika a ścianą obudowy. Prędkość obwodowa zmienia się w zależności od położenia promieniowego łopatki (jest to nieco mniej niż 5 cali w porównaniu z OD wynoszącą, powiedzmy, 10 cali). Można oszacować wartość średnią (obliczenia są podobne do tych powyżej), a prędkość ścinania będzie podobna.
Wrażliwe na ścinanie, Non-Newtonian Fluids
Płyny wrażliwe na ścinanie nie lubią takiego ścinania.Płyny wrażliwe na ścinanie nie lubią takiego działania. Klej, na przykład, staje się lepki. Klej nie jest jednak pompowany przez pompy odśrodkowe, ale bardziej typowo przez pompy zębate. Szybkość ścinania działa jednak również w tym przypadku: w prześwicie pomiędzy wirującym kołem zębatym a ścianą, a taki prześwit jest również zazwyczaj rzędu 0,005 cala.
Taka szybkość ścinania nie stanowi jednak zazwyczaj problemu, ponieważ ilość produktu w prześwicie jest niewielka, a ogólne „rozcieńczenie” przez lepki, uszkodzony płyn jest pomijalne. W niektórych przypadkach ma to jednak znaczenie. Na przykład, jeżeli ciecz pompowana przez pompę zębatą jest emulsją osadzoną na kliszy fotograficznej, to nawet drobne niedoskonałości mogą powodować plamki i skazy, a klisza kończy się wadliwie.
Pompowanie żywności – takiej jak wiśnie, jabłka itp. Wymagane jest delikatne pompowanie z niskim poziomem ścinania. W takich przypadkach najlepiej sprawdzają się pompy odśrodkowe o prześwicie między ścianą wirnika a korpusem wynoszącym 0,5 cala.5 cali, prędkość ścinania wynosi:
Figura 1. Różne rodzaje płynów
Płyny newtonowskie & Płyny nienewtonowskie i lepkość
W przypadku płynów newtonowskich lepkość nie zależy od szybkości ścinania. Jeśli pompowany olej ma lepkość 300 CSt, na przykład, pozostaje taka przy 3,600 rpm lub 1,800 rpm. Prędkość ścinania ulega zmianie, ale lepkość nadal wynosi 300 cSt.
Jednakże w przypadku niektórych cieczy (nienewtonowskich) lepkość ulega zmianie – albo w górę, albo w dół, jak pokazano na rysunku 1. Płyny te są rozcieńczalne lub tiksotropowe. Ma to wpływ na wymaganą moc, a także może powodować degradację płynu, oprócz wpływu (i zazwyczaj ma) na moc. Moc to siła razy prędkość. Siła to naprężenie razy powierzchnia. Naprężenie to lepkość razy szybkość ścinania.
Dla płynów rozcieńczalnych naprężenie ścinające zawsze wzrasta, ponieważ zarówno lepkość jak i szybkość ścinania wzrastają, ale dla płynów tiksotropowych może to iść w każdą stronę. Szybkość ścinania może nie wzrastać tak szybko jak spadek lepkości, a produkt (naprężenie) może wzrastać, maleć lub pozostawać mniej więcej taki sam. Wszystko zależy od pompowanej cieczy. Zazwyczaj jednak naprężenie ścinające maleje. Oznacza to, że moc pompy również maleje wraz z prędkością ścinania. Innymi słowy, płyn jest najpierw lepki, ale gdy zaczyna się poruszać, staje się mniej lepki, co oznacza, że do jego pompowania potrzebna jest mniejsza moc.
Nieuwzględnienie wartości znamionowej sterownika (silnik dobrany zbyt mały) jest powszechne. Silnik jest dobierany pod kątem lepkości cieczy, ale potem jest uruchamiany z powodu większej mocy, która jest potrzebna, aby go uruchomić. Ketchup jest jednym z przykładów, i to dlatego musisz potrząsać butelką jak szalony w restauracji, aby uzyskać przepływ. Jednak gdy już płynie, to robi to szybko.
Jak zawsze-częściowy quiz. Dlaczego „typowa” zasada mówi, że pompy odśrodkowe nie działają dobrze powyżej magicznej liczby 500 centystokesów lepkości? Za prawidłową odpowiedź otrzymasz darmowy bilet wstępu na następną sesję Pump School: