How viscosity affects centrifugal pumps
The Hydraulic Institute published a standard to account for the effects of viscosity of centrifugal pump performance. Effects of Liquid Viscosity on Rotodynamic Centrifugal and Vertical Pump Performance – disponível em www.estore.pumps.org-was – foi revisto em 2010. Antes desta publicação, as correcções de viscosidade eram feitas utilizando gráficos de correcção de viscosidade.
O novo método é muito mais fácil de usar porque calcula as correcções de viscosidade automaticamente, utilizando as fórmulas fornecidas. A necessidade de “olhar” dos gráficos foi removida, pelo que o novo método é mais preciso. A norma também fornece uma boa descrição de fundo do método, bem como as suas limitações e os tipos de bombas e características de concepção das bombas às quais o procedimento é aplicável. O que se segue resultou de uma discussão entre vários dos nossos leitores.
O que são fluidos newtonianos?
Podemos assumir que o petróleo bruto ou os produtos refinados se comportam como fluidos newtonianos? Uma afirmação chave é “A viscosidade é uma função apenas do estado do fluido, particularmente da sua temperatura”. Água, petróleo, gasolina, álcool e mesmo glicerina são exemplos de fluidos newtonianos.
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Exemplos de nãoOs fluidos newtonianos são chorumes, suspensões, géis e colóides. Talvez nos sentiríamos confortáveis com esta suposição para o petróleo bruto e produtos refinados. Mas o petróleo bruto pesado em algum momento (baixa temperatura) deixa de se comportar como um fluido Newtoniano?
A maior parte dos fluidos são Newtonianos, sendo a definição básica que a viscosidade é constante com a taxa de cisalhamento. O que é a taxa de cisalhamento? É a tensão relativa imposta ao fluido pelo fluido em movimento. Considere-se, por exemplo, um rotor fechado de 10 polegadas de diâmetro externo (OD), com uma folga radial de 0,010 polegadas entre os anéis de desgaste, que têm um diâmetro de 5 polegadas. Se rodar a 3.600 rpm, então a velocidade periférica do metal é de 78 pés por segundo. O fluido em contacto directo com o anel está a rodar à mesma velocidade, de acordo com uma condição de não escorregar. O anel estacionário está a 0,010 polegadas de distância do movimento, pelo que o gradiente de velocidade é:
É a taxa de cisalhamento.
Para um rotor aberto, a distância é entre a palheta aberta do rotor em rotação e a parede do invólucro. Agora a velocidade periférica muda ao longo da posição radial do cata-vento (está a um pouco menos de 5 polegadas em comparação com a DO de, digamos, 10 polegadas). Um valor médio pode ser estimado (o cálculo é semelhante ao anterior), e a taxa de cisalhamento será semelhante.
Sensível-Sensível-Sensível-Coração, Fluidos Não-Newtonianos
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Shear-Os fluidos sensíveis não gostam de tal acção de tosquia. A cola, por exemplo, fica pegajosa. A cola, contudo, não é bombeada por bombas centrífugas, mas mais tipicamente por bombas de engrenagens. A taxa de cisalhamento, contudo, ainda funciona aí também: numa folga entre a engrenagem giratória e a parede, e tal folga está também tipicamente na faixa de 0,005 polegadas.
Tal taxa de cisalhamento, contudo, não é normalmente um problema, uma vez que a quantidade de produto na folga é pequena e a “diluição” geral pelo fluido pegajoso e danificado é insignificante. Em certos casos, no entanto, isso é importante. Por exemplo, se o fluido bombeado por uma bomba de engrenagens for uma emulsão depositada numa película fotográfica, então mesmo pequenas imperfeições podem causar manchas e manchas, e a película acaba por ser defeituosa.
Bombagem de alimentos – como cerejas, aplica-se, etc.- na indústria de conservas alimentares suscita preocupações semelhantes. O requisito da bomba é o bombeamento suave com baixo cisalhamento. As bombas de cavidade em progresso funcionam melhor para estes casos.
Numa bomba centrífuga com espaço livre entre a parede do rotor e o invólucro de 0.5 polegadas, a taxa de cisalhamento é:
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Figure 1. Diferentes tipos de fluidos
Newtonian & Fluidos não-Newtonian e Viscosidade
Com fluidos Newtonian, a viscosidade não depende da taxa de cisalhamento. Se o óleo bombeado tiver uma viscosidade de 300 cSt, por exemplo, mantém-se a 3.600 rpm ou 1.800 rpm. A taxa de cisalhamento muda, mas a viscosidade ainda é de 300 cSt.
No entanto, para alguns fluidos (não Newtonianos), a viscosidade muda – seja para cima ou para baixo, como mostrado na Figura 1. Estes fluidos são dilatados ou tixotrópicos. Isto tem um efeito na potência necessária e também pode causar degradação do fluido, além de ter um efeito (e normalmente tem) na potência. Potência é força vezes velocidade. Força é a área de stress times. Tensão é viscosidade vezes taxa de cisalhamento.
Para fluidos diluentes a tensão de cisalhamento sobe sempre, à medida que tanto a viscosidade como a taxa de cisalhamento aumentam, mas para fluidos tixotrópicos pode ir para ambos os lados. A taxa de cisalhamento pode não aumentar tão rapidamente como a diminuição da viscosidade, e o produto (tensão) pode aumentar, diminuir ou permanecer praticamente o mesmo. Tudo depende do fluido a ser bombeado. Normalmente, contudo, o stress de cisalhamento diminui. Isto significa que a potência da bomba também diminui com a taxa de cisalhamento. Por outras palavras, o fluido é primeiro viscoso, mas uma vez que começa a mover-se, torna-se menos viscoso, o que significa que é necessária menos energia para o bombear.
Neglecting the driver rating (motor seleccionado demasiado pequeno) é comum. É dimensionado para a viscosidade do fluido em movimento, mas depois um motor continua a tropeçar no arranque porque é necessária mais potência para pôr as coisas a funcionar. O ketchup é um exemplo, e é por isso que se deve agitar a garrafa como uma loucura num restaurante para a fazer fluir. Contudo, uma vez que flui, fá-lo rapidamente.
Como sempre um quiz de despedida. Porque é uma regra “típica” que as bombas centrífugas não funcionam bem acima do número mágico da viscosidade de 500 centistokes? Uma resposta correcta dá-lhe um bilhete de entrada gratuito na próxima sessão da Pump School: