So nehmen Sie Viskositätskorrekturen für Kreiselpumpen vor
Denken Sie noch einmal darüber nach, ob Sie dicke Flüssigkeiten mit Wasserpumpenleistungskurven pumpen.
Die Viskosität ist eine grundlegende Eigenschaft einer Flüssigkeit. Es ist der Fließwiderstand einer Flüssigkeit und ist bei dickeren Flüssigkeiten höher. Zum Beispiel ist eine Flüssigkeit mit hoher Viskosität wie Ahornsirup dickflüssiger und widersteht dem Fließen mehr als eine Flüssigkeit mit niedrigerer Viskosität wie Wasser.
Typischerweise verwenden Pumpenhersteller Wasser, um die Werte für ihre Pumpenleistungskurven zu erhalten, selbst wenn der beabsichtigte Einsatz der Pumpe für ein Fluid mit anderen Eigenschaften als Wasser gilt. Aber was passiert, wenn die Viskosität der Flüssigkeit deutlich von der von Wasser abweicht? Hier müssen Ingenieure die Pumpenleistungskurven anpassen, um den Unterschied in der Viskosität zwischen Wasser und der tatsächlichen Flüssigkeit in der Pumpe zu berücksichtigen.
Pumpenleistungskurven beschreiben die einer Flüssigkeit hinzugefügte Förderhöhe, die Pumpenleistung und die erforderliche positive Saugförderhöhe (NPSHr) bei einer Vielzahl unterschiedlicher volumetrischer Durchflussraten. Aufgrund der Bedeutung der Leistung von Kreiselpumpen in jeder Flüssigkeitsindustrie ist es unerlässlich, dass genaue Korrekturen verwendet werden, wenn eine Kreiselpumpe ein dickflüssigeres Medium verwendet als das, was der Pumpenhersteller zur Bewertung der Leistung verwendet hat. Eine viskosere Flüssigkeit erfährt im Allgemeinen eine Verringerung der volumetrischen Durchflussrate, der Förderhöhe und des Wirkungsgrads im Vergleich zu Wasser bei gleicher Pumpendrehzahl. Ebenso steigen Pumpleistung und NPSHr mit steigender Viskosität.
Pumpenhersteller, die nur Wasserleistungskurven für Pumpen bereitstellen, sollten erwägen, Leistungskurven für dickflüssigere Flüssigkeiten bereitzustellen. Ingenieure, die die Wasserleistungskurven beim Pumpen von dickeren Flüssigkeiten korrigiert haben, sollten die Richtlinien des American National Standards Institute/Hydraulic Institute (ANSI/HI) 9.6.7-2015 verwenden.
Während es vorzuziehen ist, tatsächliche Leistungskurvendaten von Pumpenherstellern für dickflüssigere Flüssigkeiten zu verwenden, bietet ANSI/HI 9.6.7-2015 eine häufig verwendete Richtlinie zur Korrektur der Pumpenleistung basierend auf der Viskosität. Diese Richtlinie weist ein akzeptables Maß an Unsicherheit auf, aber es ist zwingend erforderlich, die Unsicherheiten dieser Methode zu verstehen, um ihre korrekte Anwendung in Pumpsystemen sicherzustellen. Dieser Artikel fasst technische Erkenntnisse und Diskussionen zusammen, warum die Richtlinie trotz der Unsicherheiten akzeptabel ist.
Viskositätskorrekturen beruhen auf empirischen Methoden, die Testdaten verwenden, um eine Pumpenleistung richtig zu berücksichtigen, wenn die Betriebsflüssigkeit eine andere Viskosität als die Referenzflüssigkeit, typischerweise Wasser, hat. Wie bei vielen empirischen Methoden besteht zwangsläufig Unsicherheit, die in eine der folgenden Kategorien fällt:
Die Verwendung einer dimensionslosen Zahl zur Charakterisierung komplexer Phänomene
Der begrenzte Datensatz, der zum Erstellen des empirischen Modells verwendet wird
Die Zuverlässigkeit von Datenmessgeräten
Bevor wir ins Detail gehen, lohnt es sich zu diskutieren, warum die Leistung beim Pumpen einer viskosen Flüssigkeit abnimmt.
Intuitiv erfährt eine dickere Flüssigkeit erhöhte hydraulische Verluste. Eine erhöhte Viskosität ergibt eine verringerte Reynolds-Zahl, was den Reibungsfaktor und die Verluste erhöht. Obwohl die Geometrie eines Pumpenlaufrads anders und komplexer ist als die eines Rohrs, gilt das gleiche Prinzip. Erhöhte Reibung innerhalb der Pumpe verringert die Förderhöhe, die die Pumpe liefern kann. Während dies nur eine Schätzung der komplexen Verluste ist, liefert die Reynolds-Zahl eine proportionale Schätzung.
Eine Zentrifugalpumpe wandelt kinetische Rotationsenergie vom Pumpenlaufrad in hydrodynamische Energie des Fluids um. Scherkräfte auf die Flüssigkeit zwischen dem rotierenden Laufrad und dem stationären Pumpengehäuse erzeugen einen Reibungswiderstand, der als Scheibenreibung bezeichnet wird. Dieser Reibungswiderstand ist typischerweise die Hauptursache für eine verringerte Pumpeneffizienz während des normalen Betriebs. Unter erneuter Verwendung der Reynolds-Zahl ergibt eine Erhöhung der Viskosität eine größere Reynolds-Zahl und damit einen größeren Widerstand, was zu einem erhöhten Stromverbrauch führt. Ingenieure können die Reynolds-Zahl gepaart mit der spezifischen Drehzahl der Pumpe verwenden, um die Scheibenreibung abzuschätzen. Scheibenreibung ist eine komplexe Wechselwirkung; Auch hier hat die Schätzung dieser Effekte mit zwei dimensionslosen Parametern von Natur aus eine begrenzte Genauigkeit für alle Anwendungen.
Unter Berücksichtigung der beiden vorherigen Reibungsverluste, Hydraulik und Scheibe, wandeln sich Energieverluste aufgrund von Reibung im Allgemeinen in Wärme um, was zu einer erhöhten Temperatur des Fluids führt. Die erhöhte Fluidtemperatur beeinflusst die Viskosität des Fluids, was sich auch auf die Pumpenleistung auswirkt. Dies erklärt, warum sich Pumpen in Systemen mit viskosen Flüssigkeiten beim Kaltstart anders verhalten als im stationären Betrieb.
Um die Auswirkungen einer viskosen Flüssigkeit auf die Pumpenleistung zu berücksichtigen, kann ein Ingenieur allgemeine Korrekturfaktoren für Förderhöhe, Volumenstrom und Effizienz verwenden, die in Gleichung 1 dargestellt sind. Eine dimensionslose Zahl namens B hilft bei der Vorhersage der viskosen Komponente jedes Korrekturfaktors. Der Parameter B enthält die Wirkungen der Reynolds-Zahl und der spezifischen Drehzahl der Pumpe aus oben diskutierten Reibungsverlustgründen. Der Parameter B informiert auch über den Anwendbarkeitsbereich für die Korrekturen. Wenn B beispielsweise größer als 40 ist, ist eine weitere Verlustanalyse erforderlich, um zu bestimmen, ob die Korrekturfaktoren immer noch zuverlässig sind.
Gleichung 1
Ein Ingenieur kann die Korrekturfaktoren verwenden, um die Pumpenleistungskurve von den unter Verwendung von Wasser erhaltenen Werten an eine vorhergesagte Kurve für die Leistung der Pumpe mit dem viskosen Fluid anzupassen. Die Methode nach ANSI/HI 9.6.7-2015 berechnet die Korrekturfaktoren für den Volumendurchfluss (CQ) und den Wirkungsgrad (CE) und geht davon aus, dass diese Werte bei allen analysierten Durchflussraten für die betreffende Pumpe und Flüssigkeit konstant sind. Für den Druckkorrekturfaktor (CH) geht das Verfahren davon aus, dass der Abschaltdruck für die Pumpe nicht von der Viskosität des Fluids abhängt und sowohl für Wasser als auch für das viskose Fluid denselben Wert hat.
Außerdem geht das Verfahren davon aus, dass die Durchfluss- und Druckkorrekturfaktoren, CQ und CH, am besten Wassereffizienzpunkt (BEP) gleich sind. Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen ist der Druckkorrekturfaktor eine Funktion des volumetrischen Durchflusskorrekturfaktors CQ und des Verhältnisses der Wasserdurchflussrate relativ zur BEP-Durchflussrate QW / QBEP-W.
Mehrere Forscher bewerteten diese Korrekturfaktoren in einer Vielzahl unterschiedlicher Einstellungen, um die vorhergesagte Förderhöhe und Leistung für eine Pumpe mit viskoser Flüssigkeit mit den tatsächlichen Testdaten der viskosen Flüssigkeit in der Pumpe zu vergleichen. Obwohl es Abweichungen gibt, unterscheiden sich tatsächliche und vorhergesagte Werte je nach Durchflussrate und Fluidviskosität, in den meisten Fällen stimmten die getesteten Werte mit den vorhergesagten Werten überein.
Forscher schreiben einen Teil der Abweichung der Unsicherheit zu, die von Messinstrumenten herrührt, die schwer zu quantifizieren ist.
Die Richtlinie ANSI/HI 9.6.7-2015 basiert auf Testdaten für die folgenden Pumpen und Flüssigkeiten. Daher ist die Richtlinie im Allgemeinen nur für Systeme anwendbar, die unter diese Einschränkungen fallen.
ein- und mehrstufige Pumpen
geschlossene und offene Laufräder
spezifische Geschwindigkeiten von 310 bis 2.330 US-Einheiten (6 bis 45 metrisch)
kinematische Viskosität von 1 bis 3.000 Centistokes (cSt)
Laufraddurchmesser von 5,5 bis 16 Zoll (140 bis 406 Millimeter [mm])
Wasser-BEP-Fluss von 32 bis 1.230 Gallonen pro Minute (gpm) (7,2 bis 280 Kubikmeter pro Stunde [m3/h])
BEP-Wassersäule von 30 bis 427 Fuß (9 bis 130 Meter)
Wasser-BEP-Effizienz von 28 % bis 86 %
BILD 1: Testdaten (Punkte) mit 80 %-Vorhersageintervallen (gestrichelte Linien) (Bilder mit freundlicher Genehmigung von Applied Flow Technology)
Die grafische Darstellung der Testdaten, auf denen die Korrekturfaktoren basierten, gegenüber dem B-Parameter zeigt, dass die meisten Testdatenpunkte in ein Vorhersageintervall von 80 % fallen, wie in Bild 1 gezeigt. Pumpen mit demselben B-Parameter können jedoch a Bereich verschiedener viskoser Leistungspunkte. Die grafische Darstellung unabhängiger experimenteller Daten unterstützt den gleichen allgemeinen Trend, der in Bild 1 gezeigt wird.
In den meisten Pumpsystemen liefern die ANSI/HI-Korrekturen annehmbar genaue Vorhersagen für die Leistung der Viskositätspumpe, insbesondere da Ingenieure verschiedene Sicherheitsfaktoren und Fehlergrenzen berücksichtigen, wie sie es häufig tun. Für Situationen, die eine konservativere Schätzung erfordern, kann ein Ingenieur die Standardabweichungen der Korrekturfaktoren berücksichtigen. Beziehen Sie die Standardabweichung ein, indem Sie den Förderhöhenkorrekturfaktor um 0,1 und den Wirkungsgrad um 0,15 verringern, was zu einer größeren Pumpe und einem größeren Motor führt.
Weit verbreitet sind die Viskositätsrichtlinien ANSI/HI. Tatsächlich zeigt das Feedback, dass die Verwendung der Korrekturen bei den meisten Anwendungen nicht zu falsch dimensionierten Pumpen führt. Unabhängig davon müssen Ingenieure, die Systeme mit dickeren Flüssigkeiten entwerfen, die Unsicherheiten und Einschränkungen der Korrekturen verstehen.