Một biểu hiện thường được nêu trong ngành công nghiệp máy bơm là độ nhớt là Kryptonite của máy bơm ly tâm. Xin thứ lỗi cho việc ám chỉ đến Siêu nhân, nhưng nó là một tham chiếu mà hầu hết chúng ta không chỉ liên quan đến mà còn hiểu. Hơn nữa, chất lỏng nhớt có tác động tiêu cực và làm suy yếu hiệu suất của bơm ly tâm.

Độ nhớt là thước đo khả năng chống chảy của chất lỏng ở một nhiệt độ nhất định. Bạn cũng có thể coi đó là ma sát chất lỏng. Một định nghĩa kỹ thuật hơn sẽ giải thích độ nhớt là một lực cần thiết để di chuyển một mặt phẳng lỏng (tấm nghĩ) có diện tích đơn vị nào đó, trên một khoảng cách nào đó trên một mặt phẳng khác có diện tích bằng nhau trong một khoảng thời gian xác định. Trong các lớp đào tạo, tôi chỉ đơn giản định nghĩa độ nhớt là lực cản của chất lỏng khi đổ nhưng quan trọng hơn là lực cản được bơm.

Isaac Newton có lẽ là người đầu tiên chúng ta biết định nghĩa một cách định lượng hệ số nhớt. Khái niệm và công việc liên quan của ông không được hoàn thành, nhưng sau đó đã được Jean Leonard Marie Poiseuille tinh chỉnh (xem Định luật Poiseuille).

Tại sao chúng ta quan tâm đến độ nhớt liên quan đến máy bơm ly tâm?

Chủ yếu là do độ nhớt có ảnh hưởng bất thường và thường tiêu cực đến hiệu suất của bơm ly tâm. Sự gia tăng độ nhớt sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của máy bơm cùng với việc giảm đáng kể cột áp và lưu lượng. Kết quả thực là tăng mã lực phanh cần thiết cho người lái.

Hiệu chỉnh độ nhớt

Tất cả các đường cong hiệu suất của máy bơm ly tâm đều dựa trên việc bơm nước, trừ khi có quy định khác. Khi tôi bắt đầu kinh doanh máy bơm, không có chương trình máy tính nào để giải mã các hiệu chỉnh độ nhớt cần thiết và các phương pháp thủ công có thể mất hàng giờ để hoàn thành. Với sự ra đời của các chương trình máy tính để lựa chọn bơm, việc hiệu chỉnh độ nhớt của máy bơm trở nên đơn giản chỉ trong một lần nhấn phím, nhưng chúng ta thường bỏ qua các chi tiết và ảnh hưởng của việc thay đổi độ nhớt đối với hiệu suất bơm và đặc biệt là mã lực phanh cần thiết.

Trước khi có các chương trình máy tính, về cơ bản có ba phương pháp để điều chỉnh hiệu suất của máy bơm ly tâm từ nước thành nhớt.

1. Mô hình AJ Stepanoff khả thi ở điểm hiệu quả tốt nhất (BEP) đối với đầu và dòng chảy nhưng độ tin cậy và tính hợp lệ giảm dần khi sự khởi hành ngày càng tăng so với BEP.

2. Phương pháp Paciga tốt hơn một chút so với mô hình Stepanoff vì nó có thể chính xác hơn trên nhiều dòng chảy hơn. Paciga đã kết hợp tốc độ cụ thể và tỷ lệ dòng chảy (dòng chảy thực tế so với BEP). Mặt trái của nó là khi độ nhớt tăng thì độ tin cậy giảm đi. Điều này chủ yếu là do ảnh hưởng của số Reynolds trong các phép tính công thức.

3. Phương pháp ban đầu của Viện Thủy lực sử dụng biểu đồ hiệu chỉnh độ nhớt để thu được các hệ số hiệu chỉnh độ nhớt (đối với đầu, lưu lượng và hiệu suất). Phương pháp này là một cải tiến so với những phương pháp trước vì tính dễ dàng, chính xác và khả năng ứng dụng rộng rãi. Đối với những người đã kinh doanh một thời gian, sẽ cần thận trọng khi xem xét các phương pháp mới hơn do Viện Thủy lực trình bày (Tham khảo hướng dẫn ANSI / HI 9.6.7-2010). Phương pháp mới sử dụng một công thức được gọi là tham số B để mang lại hệ số hiệu chỉnh độ nhớt. Phương pháp mới hơn cũng loại bỏ một số nhầm lẫn và không chính xác trong phạm vi 100 gallon mỗi phút (gpm).

Hiệu chỉnh đường cong bơm

Trong một thế giới hoàn hảo, “đường cong” hiệu suất của máy bơm ly tâm thực sự sẽ là một đường thẳng, nhưng trong thế giới thực, nó bị cong do tổn hao trong máy bơm. Các yếu tố chính là sự kết hợp của các tổn thất cơ học, rò rỉ, sốc và ma sát đĩa. Ma sát đĩa là yếu tố đóng góp chính và quan trọng nhất khi định lượng tổn thất. Các đường cong như đã đề cập dựa trên hiệu suất của nước, nhưng với các ứng dụng trên chất lỏng nhớt, các đường cong nước đó phải được hiệu chỉnh để độ nhớt được chính xác. Các đường cong đầu, lưu lượng, hiệu suất và mã lực phanh (BHP) đều sẽ yêu cầu sửa đổi (hiệu chỉnh nhớt).

Ở giá trị tối thiểu nào của độ nhớt để bắt đầu hiệu chỉnh?

Nhà sản xuất máy bơm là nguồn tốt nhất cho giá trị này, vì nó sẽ phụ thuộc vào ứng dụng, tính chất chất lỏng và hình dạng máy bơm. Lưu ý rằng ở 100 centipoise, các hiệu ứng nhớt sẽ rất đáng kể. Tôi sẽ nói rằng ở 30 đến 40 centipoise hoặc lớn hơn, bạn nên sử dụng các hiệu chỉnh hoặc rủi ro tác dụng phụ. Tôi cũng khuyến cáo rằng ở đâu đó trong khu vực có từ 5 đến 10 con rết, ít nhất bạn phải nhận thức và có ý thức về những tác động dù nhỏ.

Vì ngày nay việc kiểm tra các đường cong hiệu chỉnh rất dễ dàng nên sẽ không khôn ngoan nếu không kiểm tra.

Hiệu ứng hình dạng và kích thước cánh quạt

Tốc độ riêng (Ns) của bánh công tác càng thấp thì ma sát đĩa càng cao. Điều này đơn giản là do hình dạng của bánh công tác và góc dòng chảy 90 độ mà chất lỏng đi vào và sau đó đi ra khỏi bánh công tác. Khi tốc độ cụ thể của bánh công tác tăng lên, góc vào - ra trở nên thấp hơn và tương tác với chất lỏng ít hơn.

Bánh công tác càng nhỏ thì khả năng ảnh hưởng của ma sát đĩa càng cao, đơn giản vì diện tích bề mặt của bánh công tác và vỏ có nhiều tương tác với chất lỏng hơn so với trong một máy bơm lớn hơn.

Độ nhớt tối đa cho máy bơm ly tâm

Tôi thường xuyên được hỏi; Độ nhớt tối đa mà máy bơm ly tâm có thể xử lý là bao nhiêu? Câu trả lời ngắn gọn của tôi là "nó phụ thuộc." Một câu trả lời tốt hơn và ít sai lầm hơn là xem xét sự giảm hiệu suất của bơm (cũng là đầu và lưu lượng) và tính toán mã lực (hp) yêu cầu và hiệu chỉnh tối đa cho chất lỏng nhớt. Một số tài liệu tham khảo giới hạn máy bơm ly tâm ở mức tối đa là 3.000 piston hướng tâm. (Lưu ý rằng giới hạn này cũng được xuất bản dưới dạng 3.300 centistokes.)

Có một bài báo kỹ thuật cũ hơn về chủ đề này của CE Petersen (được trình bày tại hội nghị của Hiệp hội Năng lượng Thái Bình Dương vào tháng 9 năm 1982). Ông Petersen trình bày một lập luận rằng độ nhớt tối đa có thể được tính bằng kích thước của vòi xả máy bơm.

Ông Petersen đã công nhận một công thức như sau:

TRONG_{tối đa} = 300 (D-1)
Phương trình 1

Ở đâu:
TRONG_{tối đa} = độ nhớt động học tối đa trong SSU (Saybolt Second Universal) được phép cho máy bơm đó
D = đường kính của vòi xả tính bằng inch.

Tôi sẽ chỉ sử dụng công thức này như một quy tắc ngón tay cái.

Để chính xác, bạn nên có thông tin đầu vào từ nhà sản xuất máy bơm về chủ đề này liên quan đến mô-men xoắn trục và giới hạn hp. Cũng có thể có giới hạn khung và giới hạn mômen tải của cánh quạt đôi khi (hiếm gặp).

Tùy thuộc vào kích thước máy bơm và hình dạng bánh công tác, giới hạn độ nhớt cho máy bơm ly tâm trung bình sẽ thay đổi từ 250 đến 700 centipoise, và tôi đã chứng kiến ​​nhiều máy bơm bơm thành công chất lỏng vượt quá 1000 centipoise. Nếu ứng dụng của bạn trên 250 centipoise, tôi khuyên bạn nên làm việc với nhà sản xuất / nhà cung cấp máy bơm của bạn để đi đến câu trả lời. Hai điểm quan trọng cần xem xét là:

1. Có một giới hạn mô-men xoắn và hp cho trục bơm sẽ bị tác động tiêu cực khi độ nhớt tăng lên. Đảm bảo kiểm tra hệ số hiệu chỉnh độ nhớt này để đảm bảo lắp đặt đạt yêu cầu và đáng tin cậy.

2. Bạn vẫn có thể bơm chất lỏng có độ nhớt cao bằng máy bơm ly tâm, nhưng sẽ có điểm giảm dần do hiệu suất giảm. Có lẽ bạn đang sử dụng 25 mã lực để bơm chất lỏng nhớt bằng máy bơm ly tâm sẽ chỉ yêu cầu 5 mã lực với máy bơm dịch chuyển dương.

Mã lực / Mô-men xoắn

Tất cả các trục bơm đều có giới hạn tốc độ, mã lực và mô-men xoắn. Trong trường hợp máy bơm một cấp, nhiều nhà sản xuất sẽ biểu thị điều này bằng giới hạn hp trên 100 vòng / phút (vòng / phút). Lưu ý rằng mô-men xoắn tỷ lệ nghịch với mã lực, vì vậy tốc độ càng thấp thì mô-men xoắn được truyền vào trục càng nhiều.

Trong khi hầu hết các giới hạn trục đều dựa trên giới hạn tốc độ, mã lực và mô-men xoắn liên tục, hãy nhớ rằng nếu máy bơm được dẫn động bởi động cơ thì các giới hạn này sẽ được giảm thêm (đốt trong có nghĩa là ngắt quãng thay vì mô-men xoắn liên tục). Ngoài ra, nếu trục máy bơm được tải một bên, như trong trường hợp truyền động bằng dây đai hoặc xích, sẽ có sự giảm đáng kể đối với các giới hạn của trục do hệ số mỏi khi uốn theo chu kỳ.

Độ nhớt & Nhiệt độ / Áp suất

Đối với một chất lỏng nhất định, độ nhớt sẽ giảm khi nhiệt độ tăng và ngược lại. Lưu ý rằng đối với chất khí, nó là mối quan hệ ngược lại. Đối với độ nhớt đã nêu, nhiệt độ cũng phải được cung cấp, thường là 40 và 100 C là tiêu chuẩn.

Nhiệt độ có thể là một vấn đề trong hiện trường vì máy bơm thường có kích thước và được bán để bơm chất lỏng nhớt ở một số nhiệt độ đã nêu, nhưng sau đó máy bơm thực sự được vận hành ở nhiệt độ thấp hơn, mang lại độ nhớt cao hơn và tất nhiên, yêu cầu cao hơn hp với lưu lượng và đầu ít hơn mong muốn hoặc đã hứa.

Tác động của áp suất lên độ nhớt của chất lỏng thường rất nhỏ và trong hầu hết các trường hợp có thể bỏ qua.

Độ nhớt & Trọng lượng riêng

Độ nhớt thường bị nhầm với trọng lượng riêng (SG). Họ là hai việc khác nhau. Các cách diễn đạt thông thường trong tiếng địa phương khiến chúng ta bối rối, vì độ nhớt thường được gọi nhầm là độ dày hoặc trọng lượng. Thủy ngân có SG cao (13), nhưng độ nhớt thấp và nhiều loại dầu bôi trơn có SG thấp (thấp hơn nước hoặc nhỏ hơn 1,0) nhưng có độ nhớt cao.

SG là tỷ số giữa khối lượng riêng của một chất - trong trường hợp này là chất lỏng - với khối lượng riêng của chất chuẩn chuẩn, thường là nước. Lưu ý rằng vì SG là một tỷ lệ nên không có đơn vị.

Trọng lượng riêng được sử dụng trong phương trình khi chúng ta chuyển đổi sang hoặc từ độ nhớt động lực học và động học. Centipoise = (Centistokes) (Trọng lượng riêng)

Độ nhớt động & động học

Centipoise là độ nhớt động lực học (tuyệt đối) và centistoke (cũng là SSU) là độ nhớt động học. Một cách đơn giản để giải thích sự khác biệt đó là độ nhớt động học là tốc độ dòng chảy theo thời gian qua các lỗ nơi mà lực động lực thường là trọng lực, trong khi độ nhớt động lực là phép đo lực cần thiết để vượt qua lực cản của chất lỏng chảy qua một ống (ống mao dẫn). Nói một cách đơn giản, động học là một phép đo thời gian và động lực học là một phép đo lực.

Độ nhớt & Quy tắc sở thích

Luôn cẩn thận với các quy tắc về mối quan hệ vì chúng không tính đến sự tương tác của hệ thống. Trước khi áp dụng các quy tắc, hãy chuyển đổi sang hiệu suất đã hiệu chỉnh cho tất cả các thông số áp dụng.

Ma sát đường ống & tổn thất hệ thống

Khi bơm chất lỏng, chất lỏng càng nhớt thì ma sát càng nhiều. Lực cản (ma sát) là do đặc tính ứng suất cắt của chất lỏng và bề mặt thành ống / máy bơm. Lưu ý rằng máy bơm và bề mặt / thành ống khói càng mờ thì ma sát chất lỏng nhớt càng ít ảnh hưởng.

Xem Chương 3 (Ma sát) trong Sách Dữ liệu Thủy lực Cameron để biết thêm thông tin về điều này, và mối liên hệ với phương trình Darcy Weisbach và số Reynolds. Nếu bạn đang tính toán đường cong điện trở đầu của hệ thống và chất lỏng là nhớt, bạn phải tính đến điều đó.

Độ nhớt & Đầu hút dương thuần Bắt buộc / Có sẵn (NPSHR / NPSHA)

Theo trực giác, bạn sẽ nghĩ rằng những thay đổi về độ nhớt sẽ ảnh hưởng đến NPSHR (hay còn gọi là NPSH3), nhưng hầu hết các dữ liệu thực nghiệm được xuất bản đều tranh cãi về dòng suy nghĩ đó. Trên các ứng dụng đường ống hút của máy bơm, nơi chất lỏng có độ nhớt cao cần lưu ý đến các vấn đề chảy trong đường ống đến ống hút của máy bơm, nhưng những vấn đề này thông thường sẽ được đề cập trong thành phần ma sát của tính toán NPSHA. Nghĩa là, hệ số ma sát sẽ cao hơn đối với chất lỏng nhớt và do đó làm giảm NPSHA. Lời khuyên của tôi về chất lỏng nhớt là tăng biên độ giữa NPSH có sẵn và cần thiết.

Một số sách tham khảo được kính trọng (nhưng cũ hơn) tuyên bố rằng có rất ít hoặc không có bằng chứng cho thấy độ nhớt ảnh hưởng đến giá trị NPSHR (NPSH3). Ấn bản mới của ANSI / hướng dẫn Viện Thủy lực 9.6.7 nêu rõ rằng một phương pháp phân tích có thể được xem xét (tham khảo mục 9.6.7.5.3 của hướng dẫn này). Hướng dẫn cung cấp một phương trình để tính NPSHR đã hiệu chỉnh (NPSH3).

Để trích dẫn một đoạn trong phần này: “Có một ảnh hưởng kép của độ nhớt chất lỏng được bơm lên NPSH3. Với độ nhớt tăng, ma sát tăng lên, dẫn đến tăng NPSH3. Đồng thời, độ nhớt cao hơn dẫn đến giảm sự khuếch tán của không khí và hạt hơi trong chất lỏng. Điều này làm chậm tốc độ phát triển bong bóng và cũng có một hiệu ứng nhiệt động lực học, dẫn đến giảm một số NPSH3. "

Đầu tắt máy bơm khi bơm chất lỏng nhớt

Máy bơm dịch vụ nhớt vẫn tiếp cận đầu ngắt giống như khi bơm nước? Câu hỏi này xuất hiện thường xuyên trong công việc của tôi và tôi đã nghiên cứu rất nhiều để có câu trả lời (nhưng không có thử nghiệm thực tế). Câu trả lời dường như là ở tốc độ dòng chảy bằng không, đầu bơm do máy bơm phát triển giống với nước cũng giống như đối với chất lỏng nhớt, nơi chúng tôi giả định độ nhớt nhỏ hơn 600 centipoise.

Một số cố vấn đáng kính của tôi dường như cũng nghĩ như vậy. Tôi sẵn sàng nhập liệu nếu bạn có dữ liệu theo cách nào đó. Tôi vẫn muốn tin rằng một máy bơm có tốc độ cụ thể từ trung bình đến thấp đang bơm chất lỏng có độ nhớt tầm trung (khoảng 250 centipoise) sẽ không hoàn toàn tạo ra cùng một đầu với nước. Nhưng, tôi phỏng đoán rằng vận tốc và lực hấp dẫn sẽ tranh luận với tôi về vấn đề đó.

Sự kết luận

Điều cực kỳ quan trọng là phải biết độ nhớt thực tế của chất lỏng được bơm. Tôi thường xuyên chứng kiến ​​các vấn đề về máy bơm tại hiện trường do sự khác biệt về giá trị độ nhớt thực tế so với cảm nhận.

Người giới thiệu

Máy bơm dòng ly tâm và hướng trục tiêu chuẩn ANSI / HI 9.6.7 -2010, AJ Stepanoff

Thiết kế và ứng dụng máy bơm ly tâm, VS Lobanoff và RR Ross

Ảnh hưởng của độ nhớt đến hiệu suất của bơm ly tâm, tài liệu kỹ thuật Ingersoll Rand phát hành năm 1957 cùng với Đại học Lehigh, Arthur Ippen

Cân nhắc về Thiết kế Hệ thống và Kỹ thuật cho Hệ thống Bơm và Dịch vụ Nhớt, CE Petersen