Ein häufig genannter Ausdruck in der Pumpenindustrie ist, dass die Viskosität das Kryptonit von Kreiselpumpen ist. Verzeihen Sie die Anspielung auf Superman, aber es ist eine Referenz, auf die sich die meisten von uns nicht nur beziehen, sondern die sie auch verstehen. Außerdem wirken sich viskose Flüssigkeiten negativ und schwächend auf die Leistung der Kreiselpumpe aus.

Die Viskosität ist ein Maß für den Fließwiderstand einer Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur. Man kann es sich auch als Flüssigkeitsreibung vorstellen. Eine technischere Definition würde die Viskosität als eine Kraft erklären, die erforderlich ist, um eine Flüssigkeitsebene (Denkplatte) mit einer bestimmten Flächeneinheit über eine gewisse Distanz über eine andere Ebene mit gleicher Fläche in einem definierten Zeitraum zu bewegen. In Schulungskursen definiere ich Viskosität einfach als den Widerstand einer Flüssigkeit gegen das Gießen, aber, was noch wichtiger ist, als den Widerstand gegen das Pumpen.

Isaac Newton war wahrscheinlich der erste uns bekannte Mensch, der einen Viskositätskoeffizienten quantitativ definiert hat. Sein Konzept und die damit verbundenen Arbeiten wurden nicht abgeschlossen, aber später von Jean Leonard Marie Poiseuille verfeinert (siehe Gesetz von Poiseuille).

Warum machen wir uns Sorgen um die Viskosität in Bezug auf Kreiselpumpen?

Hauptsächlich, weil die Viskosität einen so außergewöhnlichen und oft negativen Einfluss auf die Leistung von Kreiselpumpen hat. Ein Anstieg der Viskosität wird die Effizienz einer Pumpe in Verbindung mit einer deutlichen Reduzierung der Förderhöhe und des Durchflusses drastisch reduzieren. Das Nettoergebnis ist eine Erhöhung der für den Fahrer erforderlichen Bremsleistung.

Viskositätskorrekturen

Alle Leistungskurven der Kreiselpumpen basieren auf dem Pumpen von Wasser, sofern nicht anders angegeben. Als ich im Pumpengeschäft anfing, gab es keine Computerprogramme, um die notwendigen Viskositätskorrekturen zu verschlüsseln, und die Durchführung der manuellen Methoden konnte Stunden dauern. Mit dem Aufkommen von computergestützten Programmen zur Pumpenauswahl ist es jetzt einfach, die Pumpenleistung für die Viskosität mit einem Tastendruck zu korrigieren, aber wir übersehen oft die Details und Auswirkungen, die Viskositätsänderungen auf die Pumpenleistung und insbesondere auf die erforderliche Bremsleistung haben.

Vor Computerprogrammen gab es im Wesentlichen drei Methoden, um die Leistung einer Kreiselpumpe von Wasser auf Zähflüssig zu korrigieren.

1. Das AJ-Stepanoff-Modell war am Best-Efficiency-Point (BEP) für Förderhöhe und Durchfluss realisierbar, aber Zuverlässigkeit und Gültigkeit nahmen mit zunehmender Abweichung vom BEP ab.

2. Die Paciga-Methode war etwas besser als das Stepanoff-Modell, da sie über einen breiteren Bereich von Strömungen genauer sein konnte. Paciga hatte eine spezifische Geschwindigkeit und ein Flussverhältnis (tatsächlicher Fluss im Vergleich zu BEP) eingebaut. Der Nachteil war, dass mit zunehmender Viskosität die Zuverlässigkeit abnahm. Dies war hauptsächlich auf den Einfluss der Reynolds-Zahl in den Formelberechnungen zurückzuführen.

3. Ursprüngliche Methode des Hydraulic Institute unter Verwendung von Viskose-Korrekturdiagrammen, um Viskose-Korrekturfaktoren (für Förderhöhe, Durchfluss und Effizienz) zu erhalten. Die Methode war aufgrund der Einfachheit, Genauigkeit und breiten Anwendbarkeit eine Verbesserung gegenüber früheren. Für Personen, die schon seit einiger Zeit in der Branche tätig sind, wäre es ratsam, die neueren Methoden des Hydraulic Institute zu überprüfen (siehe ANSI/HI-Richtlinie 9.6.7-2010). Das neue Verfahren verwendet eine Formel namens Parameter B, um viskose Korrekturfaktoren zu erhalten. Die neuere Methode beseitigt auch einige der Verwirrungen und Ungenauigkeiten im Bereich von 100 Gallonen pro Minute (gpm).

Korrekturen an Pumpenkurven

In einer perfekten Welt wäre die Leistungskurve einer Kreiselpumpe tatsächlich eine gerade Linie, aber in der realen Welt ist sie aufgrund von Verlusten in der Pumpe gekrümmt. Die Hauptfaktoren sind eine Kombination aus mechanischen, Leckage-, Stoß- und Scheibenreibungsverlusten. Die Scheibenreibung ist der Hauptfaktor und wichtigste Faktor bei der Quantifizierung der Verluste. Die erwähnten Kurven basieren auf der Wasserleistung, aber bei Anwendungen mit viskosen Flüssigkeiten müssen diese Wasserkurven korrigiert werden, damit die Viskosität genau ist. Die Kurven für Förderhöhe, Durchfluss, Effizienz und Bremsleistung (BHP) müssen alle modifiziert werden (viskose Korrekturen).

Bei welchem ​​Mindestviskositätswert sollen Korrekturen beginnen?

Der Pumpenhersteller ist die beste Quelle für diesen Wert, da er von der Anwendung, der Beschaffenheit des Fluids und der Pumpengeometrie abhängt. Beachten Sie, dass bei 100 Centipoise die viskosen Effekte erheblich sein werden. Ich werde sagen, dass Sie bei 30 bis 40 Centipoise oder mehr die Korrekturen verwenden sollten oder Nebenwirkungen riskieren. Ich empfehle auch, dass Sie sich irgendwo im Bereich von 5 bis 10 Centipoise zumindest der Auswirkungen bewusst und bewusst sein müssen, so gering sie auch sein mögen.

Da die Überprüfung der Korrekturkurven heutzutage so einfach ist, wäre es unklug, dies nicht zu überprüfen.

Auswirkungen von Laufradform und -größe

Je niedriger die spezifische Drehzahl (Ns) eines Laufrads ist, desto höher ist die Scheibenreibung. Dies ist einfach auf die Geometrie des Laufrads und den 90-Grad-Strömungswinkel zurückzuführen, mit dem die Flüssigkeit in das Laufrad eintritt und dann aus dem Laufrad austritt. Mit zunehmender spezifischer Drehzahl eines Laufrads wird der Eintritts-Austritts-Winkel kleiner und die Wechselwirkung mit der Flüssigkeit geringer.

Je kleiner ein Laufrad ist, desto wahrscheinlicher sind die Scheibenreibungseffekte höher, einfach weil die Oberfläche des Laufrads und des Gehäuses stärker mit der Flüssigkeit interagiert als bei einer größeren Pumpe.

Maximale Viskosität für eine Kreiselpumpe

Ich werde oft gefragt; Was ist die maximale Viskosität, die eine Kreiselpumpe verarbeiten kann? Meine kurze Antwort lautet: „Es kommt darauf an.“ Eine bessere und weniger leichtsinnige Antwort besteht darin, die Verringerung der Pumpeneffizienz (auch Förderhöhe und Durchfluss) zu berücksichtigen und die maximal erforderliche und korrigierte Leistung (PS) für die viskose Flüssigkeit zu berechnen. Mehrere Referenzen begrenzen Kreiselpumpen auf maximal 3.000 Centistokes. (Beachten Sie, dass diese Grenze auch als 3.300 Centistokes veröffentlicht wird.)

Es gibt eine ältere technische Abhandlung zu diesem Thema von CE Petersen (vorgetragen auf der Konferenz der Pacific Energy Association im September 1982). Herr Petersen argumentiert, dass die maximale Viskosität durch die Größe der Druckdüse der Pumpe berechnet werden kann.

Herr Petersen postulierte eine Formel wie folgt:

IN_max = 300 (D-1)
Gleichung 1

Wo:
IN_max = die maximale kinematische Viskosität in SSU (Saybolt Second Universal), die für diese Pumpe zulässig ist
D = der Durchmesser der Druckdüse in Zoll.

Ich würde diese Formel nur als Faustregel verwenden.

Um genau zu sein, sollten Sie Informationen vom Pumpenhersteller zu diesem Thema in Bezug auf Wellendrehmoment und PS-Grenzen haben. Es kann auch Rahmengrenzen und gelegentlich (selten) Laufradschaufel-Lastdrehmomentgrenzen geben.

Je nach Pumpengröße und Laufradgeometrie variieren die Viskositätsgrenzen für die durchschnittliche Kreiselpumpe zwischen 250 und 700 Centipoise, und ich habe viele Pumpen gesehen, die erfolgreich Flüssigkeiten mit mehr als 1000 Centipoise gepumpt haben. Wenn Ihre Anwendung über 250 Centipoise liegt, empfehle ich Ihnen, mit Ihrem Pumpenhersteller/Lieferanten zusammenzuarbeiten, um eine Antwort zu erhalten. Die zwei wichtigen Punkte, die es zu berücksichtigen gilt, sind folgende:

1. Es gibt eine Drehmoment- und PS-Grenze für die Pumpenwelle, die bei einem Anstieg der Viskosität negativ beeinflusst wird. Stellen Sie sicher, dass Sie diesen Viskositätskorrekturfaktor überprüfen, um eine zufriedenstellende und zuverlässige Installation zu gewährleisten.

2. Sie können die hochviskose Flüssigkeit möglicherweise noch mit der Zentrifugalpumpe pumpen, aber es gibt einen Punkt, an dem der Ertrag aufgrund der verringerten Effizienz abnimmt. Vielleicht verwenden Sie 25 PS, um die viskose Flüssigkeit mit einer Kreiselpumpe zu pumpen, die mit einer Verdrängerpumpe nur 5 PS benötigen würde.

Leistung/Drehmoment

Alle Pumpenwellen haben eine Drehzahl-, PS- und Drehmomentbegrenzung. Bei einstufigen Pumpen geben viele Hersteller dies als PS-Grenze pro 100 Umdrehungen pro Minute (U/min) an. Beachten Sie, dass das Drehmoment umgekehrt proportional zur Pferdestärke ist. Je niedriger die Drehzahl, desto mehr Drehmoment wird auf die Welle ausgeübt.

Während die meisten Wellengrenzen auf Geschwindigkeits-, PS- und Dauerdrehmomentgrenzen basieren, denken Sie daran, dass die Grenzen weiter reduziert werden, wenn die Pumpe von einem Motor angetrieben wird (interne Verbrennung bedeutet intermittierend anstelle von kontinuierlichem Drehmoment). Wenn die Pumpenwelle seitlich belastet wird, wie im Fall von Riemen- oder Kettenantrieben, kommt es außerdem aufgrund des zyklischen Biegeermüdungsfaktors zu einer deutlichen Verringerung der Wellengrenzen.

Viskosität & Temperatur/Druck

Bei einer gegebenen Flüssigkeit nimmt die Viskosität mit steigender Temperatur ab und umgekehrt. Beachten Sie, dass es bei Gasen umgekehrt ist. Bei angegebenen Viskositäten muss auch eine Temperatur angegeben werden, typischerweise sind 40 und 100 C Standard.

Die Temperatur kann in der Praxis ein Problem darstellen, da Pumpen häufig so bemessen und verkauft werden, dass sie eine viskose Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur pumpen, aber dann werden die Pumpen tatsächlich bei einer niedrigeren Temperatur betrieben, was zu einer höheren Viskosität und natürlich zu einem höheren Bedarf führt PS mit weniger Durchfluss und Förderhöhe als gewünscht oder versprochen.

Druckauswirkungen auf die Viskosität einer Flüssigkeit sind typischerweise sehr gering und können in den meisten Fällen vernachlässigt werden.

Viskosität und spezifisches Gewicht

Die Viskosität wird häufig mit dem spezifischen Gewicht (SG) verwechselt. Sie sind zwei verschiedene Dinge. Gängige umgangssprachliche Ausdrücke verwirren uns, da Viskosität meistens fälschlicherweise als Dicke oder Gewicht bezeichnet wird. Quecksilber hat einen hohen SG (13), aber eine niedrige Viskosität, und viele Schmieröle haben einen niedrigen SG (niedriger als Wasser oder weniger als 1,0), aber eine hohe Viskosität.

SG ist das Verhältnis der Dichte einer Substanz – in diesem Fall einer Flüssigkeit – zur Dichte eines Referenzstandards, normalerweise Wasser. Beachten Sie, dass es keine Einheiten gibt, da SG ein Verhältnis ist.

Das spezifische Gewicht wird in der Gleichung verwendet, wenn wir in oder aus dynamischer und kinematischer Viskosität umrechnen. Centipoise = (Centistokes) (spezifisches Gewicht)

Dynamische und kinematische Viskosität

Centipoise ist eine dynamische (absolute) Viskosität und Centistoke (auch SSU) ist eine kinematische Viskosität. Eine einfache Möglichkeit, den Unterschied zu erklären, besteht darin, dass kinematische Viskositäten zeitgesteuerte Durchflussraten durch Öffnungen sind, bei denen die treibende Kraft typischerweise die Schwerkraft ist, während dynamische Viskosität ein Maß für die Kraft ist, die erforderlich ist, um den Fluidwiderstand zu überwinden, um durch ein Rohr (Kapillare) zu fließen. Einfach ausgedrückt ist Kinematik ein Zeitmaß und Dynamik ein Kraftmaß.

Viskosität & die Affinitätsregeln

Seien Sie immer vorsichtig mit den Affinitätsregeln, da sie die Systeminteraktion nicht berücksichtigen. Konvertieren Sie vor Anwendung der Regeln für alle anwendbaren Parameter in die korrigierte Leistung.

Rohrreibung und Systemverluste

Beim Pumpen von Flüssigkeiten tritt umso mehr Reibung auf, je viskoser die Flüssigkeit ist. Der Widerstand (Reibung) ist auf die Scherspannungseigenschaften des Fluids und der Wandoberfläche des Rohrs/der Pumpe zurückzuführen. Beachten Sie, dass die viskose Flüssigkeitsreibung umso weniger Auswirkungen hat, je fester die Pumpen- und Rohroberflächen/-wände sind.

Siehe Kapitel 3 (Reibung) im Cameron Hydraulic Data Book für weitere Informationen dazu und die Verbindung zur Darcy-Weisbach-Gleichung und der Reynolds-Zahl. Wenn Sie eine Systemkopfwiderstandskurve berechnen und die Flüssigkeit viskos ist, müssen Sie dies berücksichtigen.

Viskosität und Netto-Positiv-Saughöhe erforderlich/verfügbar (NPSHR/NPSHA)

Intuitiv würden Sie denken, dass sich Änderungen der Viskosität auf NPSHR (auch bekannt als NPSH3) auswirken, aber die meisten veröffentlichten empirischen Daten bestreiten diese Denkweise. Bei Pumpen-Saugleitungsanwendungen, bei denen hochviskose Flüssigkeiten Probleme haben, in der Leitung zur Pumpenansaugung zu fließen, fallen diese Probleme normalerweise in die Reibungskomponente der NPSHA-Berechnung ein. Das heißt, der Reibungsfaktor wäre für die viskose Flüssigkeit höher und würde folglich den NPSHA verringern. Mein Rat bei viskosen Flüssigkeiten ist, die Spanne zwischen verfügbarem und erforderlichem NPSH zu vergrößern.

Mehrere angesehene (aber ältere) Nachschlagewerke geben an, dass es wenig bis gar keine Hinweise darauf gibt, dass die Viskosität den NPSHR-Wert (NPSH3) beeinflusst. Die Neuauflage der Richtlinie 9.6.7 des ANSI/Hydraulic Institute besagt, dass ein analytischer Ansatz in Erwägung gezogen werden kann (siehe Abschnitt 9.6.7.5.3 der Richtlinie). Der Leitfaden bietet eine Gleichung zur Berechnung eines korrigierten NPSHR (NPSH3).

Um einen Absatz aus diesem Abschnitt zu zitieren: „Es gibt einen zweifachen Einfluss der Viskosität der gepumpten Flüssigkeit auf NPSH3. Mit zunehmender Viskosität steigt die Reibung, was zu einem Anstieg von NPSH3 führt. Gleichzeitig führt eine höhere Viskosität zu einer Verringerung der Luft- und Dampfpartikeldiffusion in der Flüssigkeit. Dies verlangsamt die Geschwindigkeit des Blasenwachstums und es gibt auch einen thermodynamischen Effekt, der zu einer gewissen Abnahme von NPSH3 führt.“

Pumpenabsperrkopf beim Pumpen einer viskosen Flüssigkeit

Nähert sich eine Pumpe im Betrieb mit viskosen Flüssigkeiten immer noch der gleichen Abschaltdruckhöhe wie beim Pumpen von Wasser? Diese Frage taucht bei meiner Arbeit häufig auf, und ich habe ausführlich nach einer Antwort recherchiert (aber keine tatsächlichen Tests). Die Antwort scheint zu sein, dass bei einer Durchflussrate von Null die von der Pumpe entwickelte Förderhöhe für Wasser die gleiche ist wie für eine viskose Flüssigkeit, bei der wir davon ausgehen, dass die Viskosität weniger als 600 Centipoise beträgt.

Mehrere meiner angesehenen Mentoren scheinen dasselbe zu denken. Ich bin offen für Eingaben, wenn Sie so oder so Daten haben. Ich würde immer noch gerne glauben, dass eine Pumpe mit mittlerer bis niedriger spezifischer Geschwindigkeit, die eine Flüssigkeit mit mittlerer Viskosität (ca. 250 Centipoise) pumpt, nicht ganz die gleiche Förderhöhe wie mit Wasser erzeugt. Aber ich vermute, dass Geschwindigkeit und Schwerkraft in dieser Frage mit mir streiten werden.

Fazit

Es ist äußerst wichtig, die tatsächliche Viskosität der gepumpten Flüssigkeit zu kennen. Ich werde häufig Zeuge von Pumpenproblemen vor Ort aufgrund von Unterschieden zwischen den wahrgenommenen und tatsächlichen Viskositätswerten.

Verweise

ANSI/HI-Standard 9.6.7 -2010 Zentrifugal- und Axialpumpen, AJ Stepanoff

Design und Anwendung von Zentrifugalpumpen, VS Lobanoff und RR Ross

Der Einfluss der Viskosität auf die Leistung von Zentrifugalpumpen, technische Abhandlung von Ingersoll Rand, herausgegeben 1957 in Zusammenarbeit mit der Lehigh University, Arthur Ippen

Überlegungen zu Konstruktion und Systemdesign für Pumpensysteme und viskosen Betrieb, CE Petersen