Wie die Viskosität das Pumpen beeinflusst
Um zu verstehen, wie sich die Viskosität einer Flüssigkeit auf ein Pumpsystem auswirkt, ist es wichtig zu verstehen, was Viskosität darstellt. Viskosität ist definitionsgemäß die Eigenschaft einer Flüssigkeit, Schubbelastungen, wie sie beispielsweise durch Flüssigkeitsströmungen entstehen, vor allem im Bereich der Rohrwand Widerstand zu leisten.
Bild 1 verdeutlicht dies anhand des Geschwindigkeitsprofils einer Flüssigkeit relativ zu einer statischen Grenzfläche. An der statischen Grenzfläche bzw. Rohrwand ist die Geschwindigkeit der Flüssigkeit Null. Mit zunehmendem Abstand von der statischen Oberfläche nimmt die Geschwindigkeit der Flüssigkeit zu. Die Kraft pro Flächeneinheit ist eine Funktion des Geschwindigkeitsgradienten v/d, der die maximale Geschwindigkeit des Fluids v dividiert durch den Abstand d von der statischen Oberfläche ist.
Die absolute Viskosität, μ (Mu), ist der Quotient aus Scherspannung (oder Kraft pro Flächeneinheit) dividiert durch die Scherrate. Es ist üblich, die Viskosität relativ zu ihrer Dichte auszudrücken, die als kinematische Viskosität bekannt ist. Die kinematische Viskosität wird mit dem griechischen Buchstaben ν (Nu) bezeichnet. Eine gängige Methode zur Messung der kinematischen Viskosität ist die Saybolt Seconds Universal (SSU) (siehe Abbildung 2). Dies bezieht sich auf die Zeitspanne, die es dauert, bis eine abgemessene Flüssigkeitsmenge bei einer bestimmten Temperatur aus einem Behälter mit einer abgemessenen Öffnung im Boden abfließt. Zum Beispiel hat Wasser eine Viskosität von etwa 31 SSU bei 60 Grad Fahrenheit (F). Im Vergleich dazu können leichte Schmieröle eine Viskosität von 100 oder 200 SSU haben. Schmieröle mit höherer Viskosität haben Viskositäten von Tausenden von SSU und extrem viskose Flüssigkeiten – schwerer Teer,
Pumpentypen
Je nach Pumpentyp ist der Einfluss der Flüssigkeitsviskosität unterschiedlich. Wir werden uns speziell drei Arten von Pumpen ansehen: Kreiselpumpen (Bild 3), Kolbenpumpen (Bild 4) und Rotationspumpen (Bild 5).
Kolben- und Rotationspumpen gehören zur Familie der Verdränger (PD). PD-Pumpen verdrängen bei jeder Umdrehung der Welle ein bestimmtes Volumen, abzüglich etwaiger volumetrischer Leckage (Schlupf).
Eine Kreiselpumpe gehört zur Familie der Kreiselpumpen. Kreiseldynamische Pumpen sind kinetische Maschinen, bei denen der gepumpten Flüssigkeit mittels eines rotierenden Laufrads, Propellers oder Rotors kontinuierlich Energie zugeführt wird. Der gebräuchlichste Typ von Kreiselpumpen ist der Zentrifugaltyp (Radialtyp). Bei Kreiselpumpen tritt die Flüssigkeit axial am Laufradauge in das Laufrad ein und strömt radial zwischen den Schaufeln hindurch, bis sie am Außendurchmesser austritt und in einem Diffusor oder einer Spiralanordnung gesammelt wird, wie in Bild 3 gezeigt. Es ist wichtig zu überlegen, wie diese Arten von Pumpen sind unterschiedlich und die beteiligten Physiker, da diese Ungleichheiten zu einem deutlich unterschiedlichen Betrieb in Bezug auf viskose Flüssigkeiten führen.
Überlegungen zum viskosen Pumpen von Zentrifugalpumpen
Es ist Industriestandard, die Leistung von Kreiselpumpen mit klarem Wasser gemäß ANSI/HI 14.6 Kreiseldynamische Pumpen für hydraulische Leistungstests zu testen. Die Leistung einer Kreiselpumpe wird beim Umgang mit viskosen Flüssigkeiten aufgrund der erhöhten Reibung beim Drehen des Laufrads und des Strömungswiderstands im Vergleich zum Wassertest beeinträchtigt. Bei viskosen Flüssigkeiten tritt im Vergleich zu Wasser eine deutliche Erhöhung der Eingangsleistung durch verringerten Wirkungsgrad sowie eine Verringerung der Förderhöhe und -geschwindigkeit auf.
Die Leistungskurve in Bild 6 zeigt die Wasserleistung und die korrigierte Viskositätsleistung für die Anwendungsflüssigkeit, die eine Viskosität von 1.000 SSU und ein spezifisches Gewicht von 0,9 hat. Die Viskositätsdaten sollten anhand des Wasserleistungstests gemäß dem Hydraulic Institute-Standard ANSI/HI 9.6.7 Auswirkungen der Flüssigkeitsviskosität auf die Leistung der rotodynamischen Pumpe korrigiert werden. ANSI/HI 9.6.7 wurde verwendet, um die Leistung zu korrigieren, wie in Bild 6 gezeigt. Dieser Standard schreibt eine empirische Methode vor, die auf Testdaten basiert, die aus Quellen auf der ganzen Welt verfügbar sind.
Die HI-Methode ermöglicht es Pumpenbenutzern und -konstrukteuren, die Leistung einer bestimmten Kreiselpumpe bei Flüssigkeiten bekannter Viskosität abzuschätzen, wenn die Leistung bei Wasser gegeben ist. Das Verfahren ist wichtig, damit die geeignete Pumpe und der Antrieb für eine erforderliche Aufgabe bei viskosen Flüssigkeiten ausgewählt werden. Nicht in Bild 6 gezeigt, aber ebenfalls bedenklich ist die Erhöhung der erforderlichen Netto-Saughöhe (NPSH), bei der ein Druckverlust von 3 Prozent (NPSH3) festgestellt wird, sowie ein erhöhtes erforderliches Anlaufdrehmoment bei viskosen Flüssigkeiten. Überlegungen dazu sind in ANSI/HI 9.6.7 beschrieben.
Beachten Sie den deutlichen Wirkungsgradabfall von fast 80 Prozent bei Wasser auf etwa 50 Prozent bei 1.000 SSU für die Pumpe in Bild 6. Aus diesem Grund kann die Verwendung von Zentrifugalpumpen eingeschränkt sein, wenn Viskositäten über Werten liegen, die zu einem inakzeptablen Wirkungsgrad und stattdessen zu PD führen Pumpen bieten möglicherweise eine bessere Lösung.
PD-Pumpe Überlegungen zum viskosen Pumpen
PD-Pumpen unterscheiden sich von Natur aus von Zentrifugalpumpen, da sie bei jeder Umdrehung der Welle ein Flüssigkeitsvolumen durch Verdrängung bewegen. Dies liefert im Allgemeinen günstige Ergebnisse beim Pumpen von viskosen Flüssigkeiten. Der volumetrische Wirkungsgrad einer PD-Pumpe ist das tatsächliche Volumen pro Wellenumdrehung gegenüber dem theoretischen Volumen pro Wellenumdrehung. Die Differenz zwischen den beiden Volumina ergibt sich aus dem als Schlupf bezeichneten Leckstrom. Die höhere Viskosität einer Flüssigkeit reduziert tatsächlich den Schlupf und erhöht den volumetrischen Wirkungsgrad einer Verdrängerpumpe.
Die Kurven in Bild 7 veranschaulichen, wie sich die Kapazität von Verdrängerpumpen mit Drehzahl (Druckkonstante), Druck (Drehzahlkonstante) und Viskosität ändert. Sie sind nur als Darstellung des Konzepts gedacht. Die Kurven zeigen, dass die theoretische Kapazität direkt proportional zur Geschwindigkeit ist. Die Differenz zwischen der theoretischen Kapazität und der gelieferten Kapazität ist der „Schlupf“ der Pumpe für eine gegebene Viskosität. Der interne Schlupf wird durch Viskosität und Druck beeinflusst und verursacht eine Abweichung der gelieferten Kapazität von der theoretischen.
Die Viskosität des Pumpenfluids wirkt sich auch auf den erforderlichen positiven Nettoeinlassdruck (NPIPR) und die Eingangsleistung von Verdrängerpumpen aus. Theoretische Pferdestärken sind proportional zu Geschwindigkeit und Druck. Reibungsverluste aufgrund der Viskosität des gepumpten Fluids führen dazu, dass die Eingangsleistung über die theoretische Leistung ansteigt. Bild 8 zeigt, wie die Leistung zunehmen kann, und Bild 9 zeigt allgemein, wie der NPIPR mit der Viskosität zunehmen wird.
Kolben-PD-Pumpen werden in Anwendungen für eine Reihe von Viskositäten eingesetzt. Typischerweise können Kolbenkraftpumpen Flüssigkeitsviskositäten von 5.000 SSU handhaben, und luftbetriebene Kolbenkolbenpumpen können Flüssigkeitsviskositäten von 1 Million SSU handhaben.
In ausgewählten Technologien und Anwendungen können Rotations-PD-Pumpen auch Flüssigkeiten von Wasser bis zu viskosen Flüssigkeiten fördern, aber sie finden typischere Anwendung bei viskosen Flüssigkeiten. Es gibt viele Arten von Rotationspumpen, und die viskosen Pumpfähigkeiten variieren je nach Design. Im Allgemeinen nehmen der Durchfluss und der volumetrische Wirkungsgrad in einer Rotationspumpe typischerweise mit der Viskosität zu, und einige Arten von Rotationspumpen können Flüssigkeiten mit Viskositäten von mehreren Millionen SSU handhaben.
Die hier bereitgestellten allgemeinen Angaben für Kolben- und Rotations-Viskospumpen sind nicht absolut, und spezifische Konstruktionen können die Fähigkeiten erheblich verändern, daher sollten sich die Benutzer eng mit dem Pumpenhersteller in Verbindung setzen, um spezifische Empfehlungen zu erhalten. Weitere Informationen zum viskosen Pumpen für Verdrängerpumpen finden Sie in den folgenden Normen: ANSI/HI 3.1-3.5 Rotary Pumps for Nomenclature, Definitions, Application and Operation; ANSI/HI 6.1-6.5 Hubkolbenpumpen für Nomenklatur, Definitionen, Anwendung und Betrieb; ANSI/HI 7.1-7.5 Control Volume Dosierpumpen für Nomenklatur, Definitionen, Anwendung und Betrieb; ANSI/HI 10.1-10.5 Druckluftbetriebene Pumpen für Nomenklatur, Definitionen, Anwendung und Betrieb.