Cách sửa độ nhớt cho máy bơm ly tâm
Hãy suy nghĩ lại nếu bạn đang bơm chất lỏng đặc bằng cách sử dụng đường cong hiệu suất của máy bơm nước.
Độ nhớt là một tính chất cơ bản của chất lỏng. Đó là khả năng chống chảy của chất lỏng và cao hơn đối với chất lỏng đặc hơn. Ví dụ, một chất lỏng có độ nhớt cao, chẳng hạn như xi-rô cây phong, đặc hơn và chống chảy nhiều hơn khi so sánh với chất lỏng có độ nhớt thấp hơn, như nước.
Thông thường, các nhà sản xuất máy bơm sử dụng nước để lấy các giá trị cho đường cong hiệu suất máy bơm của họ, ngay cả khi dịch vụ dự kiến của máy bơm là dành cho chất lỏng có các đặc tính khác với nước. Nhưng điều gì sẽ xảy ra khi độ nhớt của chất lỏng chênh lệch đáng kể so với nước? Đây là lúc các kỹ sư cần điều chỉnh các đường cong hiệu suất của máy bơm để giải thích sự khác biệt về độ nhớt giữa nước và chất lỏng thực tế trong máy bơm.
Các đường cong hiệu suất của bơm mô tả đầu được thêm vào chất lỏng, công suất bơm và đầu hút dương thuần cần thiết (NPSHr) ở nhiều tốc độ dòng thể tích khác nhau. Do tầm quan trọng của hiệu suất máy bơm ly tâm trong mọi ngành công nghiệp chất lỏng, điều bắt buộc là phải sử dụng các hiệu chỉnh chính xác khi máy bơm ly tâm sử dụng chất lỏng dày hơn mức mà nhà sản xuất máy bơm đã sử dụng để đánh giá hiệu suất. Thông thường, chất lỏng nhớt hơn sẽ bị giảm tốc độ dòng thể tích, cột áp và hiệu suất so với nước ở cùng tốc độ bơm. Tương tự như vậy, công suất bơm và NPSHr tăng khi độ nhớt tăng.
Các nhà sản xuất máy bơm chỉ cung cấp đường cong hiệu suất nước cho máy bơm nên xem xét cung cấp đường cong hiệu suất cho chất lỏng đặc hơn. Các kỹ sư đã hiệu chỉnh đường cong hiệu suất nước khi bơm chất lỏng đặc hơn nên xem xét sử dụng hướng dẫn 9.6.7-2015 của Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ / Viện Thủy lực (ANSI / HI).
Mặc dù ưu tiên sử dụng dữ liệu đường cong hiệu suất thực tế từ các nhà sản xuất máy bơm cho chất lỏng đặc hơn, ANSI / HI 9.6.7-2015 cung cấp hướng dẫn thường được sử dụng để hiệu chỉnh hiệu suất máy bơm dựa trên độ nhớt. Hướng dẫn này có một lượng độ không đảm bảo đo có thể chấp nhận được, nhưng bắt buộc phải hiểu độ không đảm bảo của phương pháp này để đảm bảo áp dụng đúng trong hệ thống bơm. Bài báo này tóm tắt các phát hiện kỹ thuật và thảo luận về lý do tại sao hướng dẫn này được chấp nhận mặc dù có những điều không chắc chắn.
Hiệu chỉnh độ nhớt dựa trên các phương pháp thực nghiệm sử dụng dữ liệu thử nghiệm để tính đúng hiệu suất của máy bơm khi chất lỏng bảo dưỡng có độ nhớt khác với chất lỏng chuẩn, thường là nước. Cũng như nhiều phương pháp thực nghiệm, sự không chắc chắn tồn tại và thuộc một trong các loại sau:
Việc sử dụng một số không có thứ nguyên để mô tả hiện tượng phức tạp
Tập dữ liệu giới hạn được sử dụng để tạo mô hình thực nghiệm
Độ tin cậy của thiết bị đo lường dữ liệu
Trước khi đi vào chi tiết hơn, cần thảo luận tại sao hiệu suất lại giảm khi bơm nhớt.
Theo trực giác, chất lỏng đặc hơn sẽ bị tổn thất thủy lực tăng lên. Độ nhớt tăng lên dẫn đến số Reynolds giảm, điều này làm tăng hệ số ma sát và tổn thất. Mặc dù hình dạng của bánh công tác bơm khác và phức tạp hơn so với đường ống, nhưng nguyên tắc tương tự cũng được áp dụng. Tăng ma sát trong máy bơm sẽ làm giảm lượng đầu bơm mà máy bơm có thể cung cấp. Trong khi đây chỉ là một ước tính về các tổn thất phức tạp, số Reynolds cung cấp một ước tính tỷ lệ.
Một máy bơm ly tâm chuyển đổi động năng quay từ cánh bơm thành năng lượng thủy động lực học của chất lỏng. Lực cắt lên chất lỏng giữa bánh công tác quay và vỏ máy bơm đứng yên tạo ra lực cản ma sát gọi là ma sát đĩa. Lực cản ma sát này thường là nguyên nhân chính làm giảm hiệu suất máy bơm trong quá trình hoạt động bình thường. Sử dụng lại số Reynolds, sự gia tăng độ nhớt tạo ra số Reynolds lớn hơn và do đó, điện trở lớn hơn, dẫn đến tiêu thụ điện năng tăng lên. Các kỹ sư có thể sử dụng số Reynolds được ghép nối với tốc độ cụ thể của máy bơm để ước tính ma sát đĩa. Ma sát đĩa là một tương tác phức tạp; vì vậy, một lần nữa, ước tính các hiệu ứng này với hai tham số không thứ nguyên vốn có độ chính xác hạn chế cho tất cả các ứng dụng.
Xét hai tổn thất do ma sát trước đó, thủy lực và đĩa, tổn thất năng lượng do ma sát thường chuyển thành nhiệt, dẫn đến nhiệt độ của chất lỏng tăng lên. Nhiệt độ chất lỏng tăng lên ảnh hưởng đến độ nhớt của chất lỏng, điều này cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của bơm. Điều này giải thích tại sao máy bơm trong hệ thống có chất lỏng nhớt có các hoạt động khác nhau khi khởi động nguội so với hoạt động ổn định.
Để giải thích các ảnh hưởng của chất lỏng nhớt đối với hiệu suất của bơm, một kỹ sư có thể sử dụng các hệ số hiệu chỉnh chung cho cột áp, tốc độ dòng chảy thể tích và hiệu suất, được thể hiện trong Công thức 1. Một số không thứ nguyên được gọi là B giúp dự đoán thành phần nhớt của mỗi hệ số hiệu chỉnh. Tham số B kết hợp các ảnh hưởng của số Reynolds và tốc độ cụ thể của máy bơm, vì lý do mất ma sát đã thảo luận ở trên. Tham số B cũng thông báo phạm vi áp dụng cho các hiệu chỉnh. Ví dụ, khi B lớn hơn 40, sẽ cần phân tích tổn thất thêm để xác định xem các hệ số điều chỉnh có còn đáng tin cậy hay không.
Phương trình 1
Một kỹ sư có thể sử dụng các hệ số hiệu chỉnh để điều chỉnh đường cong hiệu suất của máy bơm từ các giá trị thu được khi sử dụng nước đến đường cong dự đoán về cách máy bơm sẽ hoạt động với chất lỏng nhớt. Phương pháp ANSI / HI 9.6.7-2015 tính toán các hệ số hiệu chỉnh cho tốc độ dòng chảy thể tích (CQ) và hiệu suất (CE) và giả định các giá trị này là không đổi ở tất cả các tốc độ dòng chảy được phân tích cho máy bơm và chất lỏng cần quan tâm. Đối với hệ số hiệu chỉnh đầu bơm (CH), phương pháp giả định rằng đầu ngắt của máy bơm không phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng và sẽ có cùng giá trị đối với cả nước và chất lỏng nhớt.
Ngoài ra, phương pháp này giả định các hệ số hiệu chỉnh lưu lượng và cột áp, CQ và CH, bằng nhau tại điểm hiệu quả tốt nhất của nước (BEP). Với những ràng buộc đó, hệ số hiệu chỉnh đầu là một hàm của hệ số hiệu chỉnh tốc độ dòng chảy thể tích, CQ, và tỷ lệ giữa tốc độ dòng nước so với tốc độ dòng BEP, QW / QBEP-W.
Một số nhà nghiên cứu đã đánh giá các yếu tố hiệu chỉnh này trong nhiều cài đặt khác nhau để so sánh đầu và công suất dự đoán cho một máy bơm có chất lỏng nhớt với dữ liệu thử nghiệm thực tế của chất lỏng nhớt trong máy bơm. Mặc dù có sai lệch, các giá trị thực tế và dự đoán khác nhau dựa trên tốc độ dòng chảy và độ nhớt của chất lỏng, trong hầu hết các trường hợp, các giá trị được kiểm tra đồng ý với các giá trị dự đoán.
Các nhà nghiên cứu cho rằng một số sai lệch là do độ không đảm bảo bắt nguồn từ các công cụ đo lường, rất khó để định lượng.
Hướng dẫn ANSI / HI 9.6.7-2015 dựa trên dữ liệu thử nghiệm cho các máy bơm và chất lỏng sau đây. Do đó, hướng dẫn này thường chỉ áp dụng cho các hệ thống nằm trong các ràng buộc này.
máy bơm đơn và đa tầng
cánh quạt đóng và mở
tốc độ cụ thể từ 310 đến 2.330 đơn vị Hoa Kỳ (6 đến 45 mét)
độ nhớt động học từ 1 đến 3.000 centistokes (cSt)
đường kính cánh quạt từ 5,5 đến 16 inch (140 đến 406 milimet [mm])
nước BEP lưu lượng từ 32 đến 1.230 gallon mỗi phút (gpm) (7,2 đến 280 mét khối mỗi giờ [m3 / giờ])
đầu BEP nước từ 30 đến 427 feet (9 đến 130 mét)
nước hiệu suất BEP từ 28% đến 86%
HÌNH ẢNH 1: Dữ liệu thử nghiệm (điểm) với 80% khoảng thời gian dự đoán (đường đứt nét) (Hình ảnh được cung cấp bởi Công nghệ luồng ứng dụng)
Vẽ đồ thị dữ liệu thử nghiệm dựa trên hệ số hiệu chỉnh so với tham số B, nghiên cứu cho thấy rằng hầu hết các điểm dữ liệu thử nghiệm nằm trong khoảng dự đoán 80%, như được hiển thị trong Hình 1. Tuy nhiên, các máy bơm có cùng thông số B có thể có phạm vi các điểm hiệu suất nhớt khác nhau. Đồ thị dữ liệu thực nghiệm độc lập hỗ trợ cùng một xu hướng chung được hiển thị trong Hình ảnh 1.
Trong hầu hết các hệ thống bơm, các hiệu chỉnh ANSI / HI sẽ cung cấp các dự đoán chính xác có thể chấp nhận được về hiệu suất của bơm nhớt, đặc biệt khi các kỹ sư đưa vào các yếu tố an toàn và biên độ sai số khác nhau, như họ thường làm. Đối với các tình huống yêu cầu ước tính thận trọng hơn, một kỹ sư có thể tính toán độ lệch chuẩn trên các hệ số hiệu chỉnh. Bao gồm độ lệch chuẩn bằng cách giảm hệ số hiệu chỉnh đầu xuống 0,1 và hệ số hiệu suất 0,15, điều này sẽ dẫn đến máy bơm và động cơ lớn hơn.
Các hướng dẫn ANSI / HI về độ nhớt được sử dụng rộng rãi. Trên thực tế, phản hồi chỉ ra rằng việc sử dụng các hiệu chỉnh không dẫn đến máy bơm có kích thước không chính xác cho hầu hết các ứng dụng. Bất chấp điều đó, các kỹ sư thiết kế hệ thống với chất lỏng đặc hơn phải hiểu được sự không chắc chắn và hạn chế của việc hiệu chỉnh.