Pompa endüstrisinde sıkça dile getirilen bir ifade, viskozitenin santrifüj pompaların Kriptoniti olduğudur. Süpermen'e yapılan ima için kusura bakmayın ama çoğumuzun sadece ilgili olduğu değil, aynı zamanda anladığı bir referanstır. Ayrıca, viskoz sıvıların santrifüj pompa performansı üzerinde olumsuz ve zayıflatıcı bir etkisi vardır.

Viskozite, bir sıvının belirli bir sıcaklıkta akmaya karşı direncinin bir ölçüsüdür. Bunu sıvı sürtünmesi olarak da düşünebilirsiniz. Daha teknik bir tanım, viskoziteyi, belirli bir zaman periyodunda, belirli bir birim alana sahip sıvı bir düzlemi (düşünme plakası) başka bir eşit alan düzlemi üzerinde belirli bir mesafe üzerinde hareket ettirmek için gereken bir kuvvet olarak açıklar. Eğitim sınıflarında, viskoziteyi basitçe bir sıvının akmaya karşı direnci, daha da önemlisi pompalanacak bir direnç olarak tanımlarım.

Isaac Newton muhtemelen bir viskozite katsayısını nicel olarak tanımlayan bildiğimiz ilk kişiydi. Konsepti ve ilgili çalışması tamamlanmadı, ancak daha sonra Jean Leonard Marie Poiseuille tarafından rafine edildi (bkz. Poiseuille Yasası).

Santrifüj pompalarla ilgili olarak viskoziteden neden endişe duyuyoruz?

Esas olarak, viskozitenin santrifüj pompa performansı üzerinde olağanüstü ve genellikle olumsuz bir etkisi olduğu için. Viskozitedeki bir artış, basma yüksekliği ve akışta belirgin azalmalarla bağlantılı olarak pompanın verimliliğini önemli ölçüde azaltacaktır. Net sonuç, sürücü için gereken fren beygir gücünde bir artıştır.

Viskozite Düzeltmeleri

Tüm santrifüj pompa performans eğrileri, aksi belirtilmedikçe pompalanan suyu temel alır. Pompa işine başladığımda, gerekli viskozite düzeltmelerini şifreleyecek bilgisayar programları yoktu ve manuel yöntemlerin tamamlanması saatler alabilirdi. Pompa seçimi için bilgisayarlı programların ortaya çıkmasıyla, artık pompanın viskozite performansını tek bir tuşa basarak düzeltmek kolaydır, ancak viskozite değişikliklerinin pompa performansına ve özellikle gerekli fren beygir gücüne ne yaptığının ayrıntılarını ve etkilerini genellikle gözden kaçırırız.

Bilgisayar programlarından önce, bir santrifüj pompanın performansını sudan viskoza doğru düzeltmenin temel olarak üç yöntemi vardı.

1. AJ Stepanoff modeli, basma yüksekliği ve akış için en iyi verimlilik noktasında (BEP) uygulanabilirdi, ancak BEP'den artan sapma ile güvenilirlik ve geçerlilik azaldı.

2. Paciga yöntemi, daha geniş bir akış aralığında daha doğru olabileceğinden, Stepanoff modelinden biraz daha iyiydi. Paciga, belirli bir hız ve bir akış oranı (BEP ile karşılaştırıldığında gerçek akış) dahil etmişti. Olumsuz yanı, viskozite arttıkça güvenilirliğin azalmasıydı. Bu çoğunlukla formül hesaplamalarındaki Reynolds sayısının etkisinden kaynaklanıyordu.

3. Viskoz düzeltme faktörlerini (yükseklik, akış ve verimlilik için) elde etmek için viskoz düzeltme çizelgelerini kullanan Hidrolik Enstitüsü orijinal yöntemi. Yöntem, kolaylık, doğruluk ve geniş uygulanabilirlik yelpazesi nedeniyle öncekilere göre bir gelişmeydi. Bir süredir işin içinde olan kişiler için Hidrolik Enstitüsü tarafından sunulan daha yeni yöntemleri gözden geçirmeleri akıllıca olacaktır (ANSI/HI kılavuzu 9.6.7-2010'a bakın). Yeni yöntem, viskoz düzeltme faktörleri elde etmek için B parametresi adı verilen bir formül kullanır. Daha yeni yöntem, dakikada 100 galon (gpm) aralığındaki bazı karışıklık ve yanlışlıkları da ortadan kaldırır.

Pompa Eğrilerinde Düzeltmeler

Mükemmel bir dünyada, bir santrifüj pompa performans "eğrisi" aslında düz bir çizgi olacaktır, ancak gerçek dünyada pompadaki kayıplardan dolayı eğridir. Başlıca faktörler mekanik, sızıntı, şok ve disk sürtünme kayıplarının bir kombinasyonudur. Disk sürtünmesi, kayıpların ölçülmesinde en büyük katkı sağlayan ve en önemli faktördür. Bahsedilen eğriler su performansına dayanmaktadır, ancak viskoz akışkanlar üzerindeki uygulamalarda viskozitenin doğru olması için bu su eğrilerinin düzeltilmesi gerekir. Baş, akış, verimlilik ve fren beygir gücü (BHP) eğrilerinin tümü, değişiklik (viskoz düzeltmeler) gerektirecektir.

Düzeltmeleri başlatmak için hangi minimum viskozite değerinde?

Uygulamaya, akışkan kişiliğine ve pompa geometrisine bağlı olacağından, pompa üreticisi bu değer için en iyi kaynaktır. 100 centipoise'de viskoz etkilerin önemli olacağını unutmayın. 30 ila 40 centipoise veya daha yüksek değerde, düzeltmeleri kullanmanız veya olumsuz etkileri riske atmanız gerektiğini belirteceğim. Ayrıca 5 ila 10 centipoise civarında bir yerde, en azından küçük de olsa etkilerin farkında ve bilincinde olmanızı tavsiye ederim.

Düzeltme eğrilerini kontrol etmek bu günlerde çok kolay olduğu için kontrol etmemek akıllıca olmaz.

Çark Şekli ve Boyutu Etkileri

Bir çarkın özgül hızı (Ns) ne kadar düşükse, disk sürtünmesi o kadar yüksek olacaktır. Bunun nedeni basitçe çarkın geometrisi ve akışkanın çarka girip ardından çarktan çıktığı 90 derecelik akış açısıdır. Bir çarkın özgül hızı arttıkça giriş-çıkış açısı azalır ve sıvı ile etkileşim daha az olur.

Çark ne kadar küçükse, çarkın yüzey alanı ve mahfazaların sıvı ile daha büyük bir pompada olduğundan daha fazla etkileşime sahip olması nedeniyle disk sürtünme etkilerinin daha yüksek olması daha olasıdır.

Santrifüj Pompa için Maksimum Viskozite

Bana sıkça sorulur; Bir santrifüj pompanın kaldırabileceği maksimum viskozite nedir? Kısa cevabım, "bağlıdır". Daha iyi ve daha az saygısız bir cevap, pompa verimliliğindeki (aynı zamanda basma yüksekliği ve akış) azalmayı göz önünde bulundurmak ve viskoz sıvı için gereken ve düzeltilmiş maksimum beygir gücünü (hp) hesaplamaktır. Birkaç referans, santrifüj pompaları maksimum 3.000 santistok ile sınırlar. (Bu sınırın da 3.300 santistok olarak yayınlandığını unutmayın.)

CE Petersen tarafından konuyla ilgili daha eski bir teknik makale bulunmaktadır (Eylül 1982'de Pasifik Enerji Birliği konferansında sunulmuştur). Bay Petersen, maksimum viskozitenin pompa tahliye ağzının boyutuyla hesaplanabileceğine dair bir argüman sunar.

Bay Petersen aşağıdaki gibi bir formül öne sürdü:

İÇİNDE_maksimum = 300 (D-1)
denklem 1

Neresi:
İÇİNDE_maksimum = SSU'da (Saybolt Second Universal) o pompa için izin verilen maksimum kinematik viskozite
D = tahliye nozülünün inç cinsinden çapı.

Bu formülü yalnızca temel bir kural olarak kullanırdım.

Doğru olması için, bu konuda pompa üreticisinden mil torku ve hp limitleri ile ilgili girdi almanız gerekir. Ayrıca çerçeve sınırları ve bazen (nadir) çark kanadı yük torku sınırları olabilir.

Pompa boyutuna ve çark geometrisine bağlı olarak, ortalama santrifüj pompa için viskozite limitleri 250 ila 700 santipoise arasında değişecektir ve 1000 santipoizi aşan sıvıları başarıyla pompalayan birçok pompaya tanık oldum. Uygulamanız 250 santipoise üzerindeyse, cevaba ulaşmak için pompa üreticiniz/satıcınızla çalışmanızı tavsiye ederim. Dikkate alınması gereken iki önemli nokta şunlardır:

1. Viskozite artışı ile olumsuz etkilenecek pompa mili için bir tork ve hp limiti vardır. Tatmin edici ve güvenilir bir kurulum sağlamak için bu viskozite düzeltme faktörünü kontrol ettiğinizden emin olun.

2. Yüksek viskoziteli sıvıyı santrifüj pompa ile pompalamaya devam edebilirsiniz, ancak verimin düşmesi nedeniyle geri dönüşlerin bir azalma noktası olacaktır. Belki de pozitif deplasmanlı bir pompa ile sadece 5 hp gerektiren bir santrifüj pompa ile viskoz sıvıyı pompalamak için 25 hp kullanıyorsunuz.

Beygir gücü/Tork

Tüm pompa millerinin bir hız, beygir gücü ve tork limiti vardır. Tek kademeli pompalar söz konusu olduğunda, birçok üretici bunu dakikada 100 devir (rpm) limiti başına bir hp olarak ifade edecektir. Torkun beygir gücüyle ters orantılı olduğunu unutmayın, bu nedenle hız ne kadar düşükse mile o kadar fazla tork uygulanır.

Çoğu şaft limiti hız, hp ve sürekli tork limitlerini temel alırken, pompanın bir motor tarafından çalıştırılması durumunda limitlerin daha da düşeceğini unutmayın (içten yanma, sürekli tork yerine kesintili anlamına gelir). Ek olarak, pompa mili, kayış veya zincir tahriklerinde olduğu gibi yandan yüklü ise, döngüsel eğilme yorulma faktörü nedeniyle mil sınırlarında çarpıcı bir azalma olacaktır.

Viskozite ve Sıcaklık/Basınç

Belirli bir sıvı için viskozite, sıcaklıktaki bir artış için azalacaktır ve bunun tersi de geçerlidir. Gazlar için bunun tam tersi bir ilişki olduğuna dikkat edin. Belirtilen viskoziteler için bir sıcaklık da verilmelidir, tipik olarak 40 ve 100 C standarttır.

Sıcaklık, sahada bir sorun olabilir, çünkü pompalar genellikle belirli bir sıcaklıkta viskoz bir sıvıyı pompalamak için boyutlandırılır ve satılır, ancak daha sonra pompalar aslında daha düşük bir sıcaklıkta çalıştırılır, bu da daha yüksek bir viskozite ve elbette daha yüksek bir gereklilik sağlar. istenen veya vaat edilenden daha az akış ve kafa ile hp.

Bir sıvının viskozitesi üzerindeki basınç etkileri tipik olarak çok küçüktür ve çoğu durumda göz ardı edilebilir.

Viskozite ve Özgül Ağırlık

Viskozite sıklıkla özgül ağırlık (SG) ile karıştırılır. Onlar iki farklı şeydir. Viskozite genellikle yanlışlıkla kalınlık veya ağırlık olarak adlandırıldığından, yaygın yerel ifadeler kafamızı karıştırır. Cıva yüksek bir SG'ye (13) sahiptir, ancak düşük bir viskoziteye sahiptir ve birçok madeni yağın SG değeri düşüktür (sudan düşük veya 1.0'dan az), ancak yüksek viskoziteye sahiptir.

SG, bir maddenin (bu durumda sıvı) yoğunluğunun, genellikle su olan bir kıyaslama standardının yoğunluğuna oranıdır. SG bir oran olduğu için birim olmadığını unutmayın.

Özgül ağırlık, denklemde dinamik ve kinematik viskozitelere veya bu viskozitelerden dönüştüğümüzde kullanılır. Centipoise = (Centistokes) (Özgül Ağırlık)

Dinamik ve Kinematik Viskozite

Centipoise dinamik (mutlak) bir viskozitedir ve centistoke (ayrıca SSU) kinematik bir viskozitedir. Farkı açıklamanın basit bir yolu, kinematik viskozitelerin, itici gücün tipik olarak yerçekimi olduğu menfezlerden geçen akış hızları olması, dinamik viskozitenin ise bir borudan (kılcal damar) akmak için sıvı direncinin üstesinden gelmek için gereken kuvvetin bir ölçümü olmasıdır. Basitçe söylemek gerekirse, kinematik bir zaman ölçümüdür ve dinamik bir kuvvet ölçümüdür.

Viskozite ve Afinite Kuralları

Sistem etkileşimini dikkate almadıkları için yakınlık kurallarına daima dikkat edin. Kuralları uygulamadan önce, geçerli tüm parametreler için düzeltilmiş performansa dönüştürün.

Boru Sürtünmesi ve Sistem Kayıpları

Akışkan pompalanırken, sıvı ne kadar viskoz olursa o kadar fazla sürtünme meydana gelir. Direnç (sürtünme), akışkanın kesme gerilmesi özelliklerinden ve borunun/pompanın duvar yüzeyinden kaynaklanır. Pompa ve boru yüzeyleri/duvarları ne kadar boğulursa, viskoz akışkan sürtünmesinin o kadar az etkisi olacağını unutmayın.

Bununla ilgili daha fazla bilgi ve Darcy Weisbach denklemi ve Reynolds sayısı ile bağlantı için Cameron Hidrolik Veri Kitabında Bölüm 3'e (Sürtünme) bakın. Bir sistem kafa direnç eğrisi hesaplıyorsanız ve sıvı viskoz ise, bunu dikkate almalısınız.

Viskozite ve Net Pozitif Emme Yüksekliği Gerekli/Mevcut (NPSHR/NPSHA)

Sezgisel olarak, viskozitedeki değişikliklerin NPSHR'yi (diğer adıyla NPSH3) etkileyeceğini düşünürdünüz, ancak yayınlanmış ampirik verilerin çoğu bu düşünce tarzına karşı çıkıyor. Akla yüksek viskoziteli akışkanların borudan pompa emişine akan sorunları olduğu pompa emme hattı uygulamaları gelir, ancak bu sorunlar normalde NPSHA hesaplamasının sürtünme bileşeninde ele alınacaktır. Yani, viskoz akışkan için sürtünme faktörü daha yüksek olacak ve sonuç olarak NPSHA'yı azaltacaktır. Viskoz sıvılarla ilgili tavsiyem, mevcut ve gerekli NPSH arasındaki marjı artırmaktır.

Birkaç saygın (ancak daha eski) referans kitabı, viskozitenin NPSHR (NPSH3) değerini etkilediğine dair çok az kanıt olduğunu veya hiç olmadığını belirtir. ANSI/Hidrolik Enstitüsü kılavuz 9.6.7'nin yeni baskısı, analitik bir yaklaşımın değerlendirilebileceğini belirtmektedir (kılavuzun 9.6.7.7.5.3 bölümüne bakın). Kılavuz, düzeltilmiş bir NPSHR'yi (NPSH3) hesaplamak için bir denklem sunar.

Bu bölümden bir paragrafı alıntılamak gerekirse: “Pompalanan sıvı viskozitesinin NPSH3 üzerinde ikili bir etkisi vardır. Artan viskozite ile sürtünme artar, bu da NPSH3'ün artmasına neden olur. Aynı zamanda, daha yüksek viskozite, sıvıdaki hava ve buhar partikül difüzyonunun azalmasına neden olur. Bu, kabarcık büyümesinin hızını yavaşlatır ve ayrıca NPSH3'ün bir miktar azalmasına yol açan termodinamik bir etki de vardır."

Viskoz Bir Akışkan Pompalarken Pompa Kapatma Başlığı

Viskoz akışkan servisindeki bir pompa, su pompalarken olduğu gibi yine aynı kapatma yüksekliğine mi yaklaşıyor? Bu soru işimde sık sık ortaya çıkıyor ve bir cevap için kapsamlı bir araştırma yaptım (ancak gerçek bir test yok). Cevap, sıfır akış hızında, pompa tarafından geliştirilen basma yüksekliğinin, viskozitenin 600 santipoizden daha az olduğunu varsaydığımız viskoz bir sıvı için olduğu gibi su için aynı olduğu görülmektedir.

Saygın akıl hocalarımdan bazıları aynı şeyi düşünüyor gibi görünüyor. Her iki şekilde de verileriniz varsa girdiye açığım. Orta aralıktaki viskoziteye sahip bir sıvıyı (yaklaşık 250 centipoise) pompalayan orta-düşük özgül hızdaki bir pompanın su ile aynı etkiyi yaratmayacağına hâlâ inanmak istiyorum. Ancak, hız ve yerçekiminin bu konuda benimle tartışacağını tahmin ediyorum.

Çözüm

Pompalanan sıvının gerçek viskozitesini bilmek son derece önemlidir. Algılanan ve gerçek viskozite değerleri arasındaki farklılıklar nedeniyle sahada sık sık pompa sorunlarına tanık oluyorum.

Referanslar

ANSI / HI standardı 9.6.7 -2010 Santrifüj ve Eksenel Akış Pompaları, AJ Stepanoff

Santrifüj Pompa Tasarım ve Uygulaması, VS Lobanoff ve RR Ross

Viskozitenin santrifüj pompa performansı üzerindeki etkisi, 1957 yılında Lehigh Üniversitesi, Arthur Ippen ile birlikte yayınlanan Ingersoll Rand teknik makalesi

Pompa Sistemleri ve Viskoz Servis için Mühendislik ve Sistem Tasarımı Hususları, CE Petersen