Độ nhớt ảnh hưởng đến việc bơm như thế nào
Để hiểu độ nhớt của chất lỏng ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống bơm, điều quan trọng là phải hiểu độ nhớt đại diện cho điều gì. Theo định nghĩa, độ nhớt là đặc tính của chất lỏng khiến nó có khả năng chống lại ứng suất cắt chẳng hạn như ứng suất cắt do dòng chất lỏng gây ra, chủ yếu ở khu vực thành ống.
Hình ảnh 1 minh họa điều này bằng cách hiển thị cấu hình vận tốc của chất lỏng so với bề mặt ranh giới tĩnh. Tại mặt biên tĩnh hoặc thành ống, vận tốc của chất lỏng bằng không. Khi khoảng cách tăng lên từ bề mặt tĩnh, vận tốc của chất lỏng tăng lên. Lực trên một đơn vị diện tích là một hàm của gradien vận tốc v/d, là vận tốc cực đại của chất lỏng, v, chia cho khoảng cách, d, từ bề mặt tĩnh.
Độ nhớt tuyệt đối, μ (Mu), là thương số của ứng suất cắt (hoặc lực trên một đơn vị diện tích) chia cho tốc độ cắt. Người ta thường biểu thị độ nhớt tương ứng với mật độ của nó, được gọi là độ nhớt động học. Độ nhớt động học được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp ν (Nu). Một cách phổ biến để đo độ nhớt động học là Saybolt Seconds Universal (SSU) (xem Hình 2). Điều này đề cập đến khoảng thời gian cần thiết để một lượng chất lỏng đo được ở một nhiệt độ cụ thể chảy ra khỏi vật chứa có lỗ đo ở đáy. Ví dụ: nước có độ nhớt khoảng 31 SSU ở 60 độ F (F). Để so sánh, dầu bôi trơn nhẹ có thể có độ nhớt 100 hoặc 200 SSU. Các loại dầu bôi trơn nhớt hơn có độ nhớt lên tới hàng nghìn SSU và chất lỏng cực kỳ nhớt—hắc ín nặng,
Các loại máy bơm
Tùy theo loại bơm mà tác động của nhớt lỏng khác nhau. Chúng ta sẽ xem xét cụ thể ba loại máy bơm: ly tâm (Hình 3), pittông (Hình 4) và quay (Hình 5).
Bơm pittông và bơm quay nằm trong họ dịch chuyển tích cực (PD). Bơm PD dịch chuyển một thể tích nhất định với mỗi vòng quay của trục, trừ đi mọi rò rỉ thể tích (trượt).
Một máy bơm ly tâm nằm trong họ máy bơm quay động lực học. Máy bơm quay động lực học là máy động học trong đó năng lượng liên tục được truyền vào chất lỏng được bơm nhờ bánh công tác quay, chân vịt hoặc rôto. Loại phổ biến nhất của máy bơm quay động lực học là loại ly tâm (hướng tâm). Trong máy bơm ly tâm, chất lỏng đi vào bánh công tác theo chiều dọc của mắt bánh công tác và tiến dần giữa các cánh cho đến khi nó thoát ra ở đường kính ngoài và được thu gom trong bộ khuếch tán hoặc sắp xếp dạng xoắn ốc như trong Hình 3. Điều quan trọng là phải xem xét cách thức các chất lỏng này các loại máy bơm khác nhau và tính chất vật lý liên quan vì những khác biệt này dẫn đến hoạt động khác nhau đáng kể đối với chất lỏng nhớt.
Máy bơm ly tâm cân nhắc bơm nhớt
Đó là tiêu chuẩn ngành để kiểm tra hiệu suất của máy bơm ly tâm với nước sạch theo ANSI/HI 14.6 máy bơm Rotodynamic cho Kiểm tra hiệu suất thủy lực. Hiệu suất của máy bơm ly tâm bị ảnh hưởng khi xử lý chất lỏng nhớt do ma sát tăng lên khi bánh công tác quay và lực cản dòng chảy so với thử nghiệm trong nước. Công suất đầu vào tăng rõ rệt do giảm hiệu suất và giảm cột áp và tốc độ dòng chảy xảy ra với chất lỏng nhớt so với nước.
Đường cong hiệu suất trong Hình 6 cho thấy hiệu suất của nước và hiệu suất nhớt đã hiệu chỉnh đối với chất lỏng ứng dụng, có độ nhớt 1.000 SSU và trọng lượng riêng là 0,9. Dữ liệu độ nhớt phải được hiệu chỉnh từ thử nghiệm hiệu suất nước theo tiêu chuẩn ANSI/HI 9.6.7 của Viện Thủy lực về Ảnh hưởng của Độ nhớt Chất lỏng đối với Hiệu suất của Bơm Rotodynamic. ANSI/HI 9.6.7 đã được sử dụng để hiệu chỉnh hiệu suất như trong Hình 6. Tiêu chuẩn này quy định một phương pháp thực nghiệm dựa trên dữ liệu thử nghiệm có sẵn từ các nguồn trên khắp thế giới.
Phương pháp HI cho phép người dùng và nhà thiết kế máy bơm ước tính hiệu suất của một máy bơm quay động lực học cụ thể đối với chất lỏng có độ nhớt đã biết, dựa trên hiệu suất đối với nước. Quy trình này rất quan trọng để máy bơm và trình điều khiển phù hợp được chọn cho nhiệm vụ cần thiết đối với chất lỏng nhớt. Không được hiển thị trong Hình 6 nhưng cũng có một mối lo ngại là sự gia tăng của đầu hút thực dương cần thiết (NPSH) trong đó ghi nhận tổn thất 3 phần trăm đầu hút (NPSH3) cũng như tăng mô-men xoắn khởi động cần thiết với chất lỏng nhớt. Việc xem xét những điều này được nêu trong ANSI/HI 9.6.7.
Lưu ý hiệu suất giảm rõ rệt từ gần 80 phần trăm trên nước xuống còn khoảng 50 phần trăm trên 1.000 SSU đối với máy bơm trong Hình 6. Vì lý do này, việc sử dụng máy bơm ly tâm có thể bị hạn chế khi độ nhớt vượt quá mức dẫn đến hiệu quả không thể chấp nhận được và thay vào đó là PD máy bơm có thể cung cấp một giải pháp tốt hơn.
Cân nhắc về bơm nhớt của bơm PD
Máy bơm PD vốn đã khác với máy bơm ly tâm vì chúng di chuyển một lượng chất lỏng bằng cách dịch chuyển cho mỗi vòng quay của trục. Điều này thường mang lại kết quả thuận lợi khi bơm chất lỏng nhớt. Hiệu suất thể tích của bơm PD là thể tích thực tế trên mỗi vòng quay trục so với thể tích lý thuyết trên mỗi vòng quay trục. Sự khác biệt giữa hai thể tích là kết quả của dòng rò rỉ được gọi là độ trượt. Độ nhớt cao hơn của chất lỏng thực sự làm giảm lượng trượt và tăng hiệu suất thể tích của bơm chuyển tích cực.
Các đường cong trong Hình 7 minh họa công suất của bơm thể tích dương thay đổi như thế nào theo tốc độ (hằng số áp suất), áp suất (hằng số tốc độ) và độ nhớt. Chúng chỉ nhằm mục đích là một đại diện của khái niệm. Các đường cong cho thấy công suất lý thuyết tỷ lệ thuận với tốc độ. Sự khác biệt giữa công suất lý thuyết và công suất phân phối là "độ trượt" của máy bơm đối với độ nhớt nhất định. Độ trượt bên trong bị ảnh hưởng bởi độ nhớt và áp suất và gây ra sai lệch công suất được cung cấp so với lý thuyết.
Độ nhớt của chất lỏng máy bơm cũng ảnh hưởng đến áp suất đầu vào dương cần thiết (NPIPR) và công suất đầu vào của máy bơm thể tích dương. Mã lực lý thuyết tỷ lệ thuận với tốc độ và áp suất. Tổn thất ma sát do độ nhớt của chất lỏng được bơm làm cho công suất đầu vào tăng trên công suất lý thuyết. Hình 8 cho thấy công suất có thể tăng như thế nào và Hình 9 cho thấy tổng thể NPIPR sẽ tăng theo độ nhớt như thế nào.
Bơm PD pittông được sử dụng trong các ứng dụng cho nhiều độ nhớt. Thông thường, bơm trợ lực pittông có thể xử lý độ nhớt của chất lỏng là 5.000 SSU và bơm pittông vận hành bằng không khí có thể xử lý độ nhớt của chất lỏng là 1 triệu SSU.
Trong các công nghệ và ứng dụng được chọn, bơm PD quay cũng có thể xử lý chất lỏng từ nước đến chất lỏng nhớt, nhưng chúng tìm thấy ứng dụng điển hình hơn trên chất lỏng nhớt. Có nhiều loại bơm quay, và khả năng bơm nhớt khác nhau tùy theo thiết kế. Nói chung, lưu lượng và hiệu suất thể tích trong bơm quay thường tăng theo độ nhớt và một số loại bơm quay có thể xử lý chất lỏng có độ nhớt vài triệu SSU.
Các điểm chung được cung cấp ở đây cho bơm nhớt quay và pittông không phải là tuyệt đối và các thiết kế cụ thể có thể thay đổi khả năng đáng kể, vì vậy người dùng nên tham khảo ý kiến chặt chẽ với nhà sản xuất bơm để biết các khuyến nghị cụ thể. Thông tin bổ sung về bơm nhớt dành cho bơm thể tích dương có thể tìm thấy trong các tiêu chuẩn sau: ANSI/HI 3.1-3.5 Bơm quay cho Danh pháp, Định nghĩa, Ứng dụng và Vận hành; ANSI/HI 6.1-6.5 Máy bơm công suất pittông cho danh pháp, định nghĩa, ứng dụng và vận hành; ANSI/HI 7.1-7.5 Bơm định lượng thể tích điều khiển cho danh pháp, định nghĩa, ứng dụng và vận hành; ANSI/HI 10.1-10.5 Máy bơm vận hành bằng không khí cho danh pháp, định nghĩa, ứng dụng và vận hành.