วิธีการแก้ไขความหนืดสำหรับปั๊มหอยโข่ง
ลองคิดดูอีกครั้งหากคุณกำลังสูบของเหลวที่มีความหนาโดยใช้กราฟแสดงประสิทธิภาพของเครื่องสูบน้ำ
ความหนืดเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของของเหลว เป็นความต้านทานการไหลของของไหลและสูงกว่าสำหรับของเหลวที่ข้นกว่า ตัวอย่างเช่น ของเหลวที่มีความหนืดสูง เช่น น้ำเชื่อมเมเปิ้ล จะมีความหนามากกว่าและต้านทานการไหลได้ดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับของเหลวที่มีความหนืดต่ำกว่า เช่น น้ำ
โดยทั่วไปแล้ว ผู้ผลิตเครื่องสูบน้ำจะใช้น้ำเพื่อให้ได้ค่าสำหรับกราฟประสิทธิภาพของเครื่องสูบน้ำ แม้ว่าบริการที่ตั้งใจไว้ของปั๊มจะเป็นของไหลที่มีคุณสมบัติแตกต่างจากน้ำก็ตาม แต่จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อความหนืดของของเหลวเบี่ยงเบนไปจากน้ำอย่างมีนัยสำคัญ นี่คือจุดที่วิศวกรจำเป็นต้องปรับกราฟประสิทธิภาพของปั๊มเพื่อพิจารณาความแตกต่างของความหนืดระหว่างน้ำกับของเหลวจริงในปั๊ม
กราฟแสดงประสิทธิภาพของปั๊มจะอธิบายส่วนหัวที่เติมลงในของเหลว กำลังของปั๊ม และหัวดูดที่เป็นบวกสุทธิที่ต้องการ (NPSHr) ที่อัตราการไหลตามปริมาตรที่หลากหลาย เนื่องจากความสำคัญของประสิทธิภาพของปั๊มหอยโข่งในอุตสาหกรรมของเหลวทุกประเภท จึงมีความจำเป็นที่จะต้องมีการแก้ไขที่แม่นยำเมื่อปั๊มแบบแรงเหวี่ยงใช้ของเหลวที่หนากว่าที่ผู้ผลิตปั๊มใช้ในการประเมินประสิทธิภาพ ของเหลวที่มีความหนืดมากขึ้นโดยทั่วไปจะมีอัตราการไหล ปริมาตร และประสิทธิภาพลดลงเมื่อเทียบกับน้ำที่ความเร็วปั๊มเท่ากัน ในทำนองเดียวกัน กำลังปั๊มและ NPSHr จะเพิ่มขึ้นตามความหนืดที่เพิ่มขึ้น
ผู้ผลิตเครื่องสูบน้ำที่ให้กราฟแสดงสมรรถนะของน้ำสำหรับเครื่องสูบเท่านั้น ควรพิจารณาให้กราฟแสดงสมรรถนะสำหรับของเหลวที่ข้นกว่า วิศวกรที่ได้แก้ไขเส้นโค้งสมรรถนะของน้ำเมื่อสูบของเหลวที่หนาขึ้น ควรพิจารณาใช้แนวทาง American National Standards Institute/Hydraulic Institute (ANSI/HI) 9.6.7-2015
แม้ว่าควรใช้ข้อมูลเส้นโค้งประสิทธิภาพจริงจากผู้ผลิตปั๊มสำหรับของเหลวที่มีความหนามากกว่า ANSI/HI 9.6.7-2015 ให้แนวทางที่ใช้กันทั่วไปในการแก้ไขประสิทธิภาพของปั๊มตามความหนืด แนวปฏิบัตินี้มีความไม่แน่นอนในระดับที่ยอมรับได้ แต่จำเป็นต้องเข้าใจความไม่แน่นอนของวิธีนี้เพื่อให้แน่ใจว่ามีการใช้งานที่ถูกต้องในระบบสูบน้ำ บทความนี้สรุปข้อค้นพบทางเทคนิคและอภิปรายว่าเหตุใดจึงยอมรับแนวทางนี้ได้แม้ว่าจะมีความไม่แน่นอนก็ตาม
การแก้ไขความหนืดอาศัยวิธีเชิงประจักษ์โดยใช้ข้อมูลการทดสอบเพื่อพิจารณาประสิทธิภาพของปั๊มอย่างเหมาะสมเมื่อของเหลวบริการมีความหนืดแตกต่างจากของไหลอ้างอิง โดยทั่วไปคือน้ำ เช่นเดียวกับวิธีการเชิงประจักษ์หลายวิธี ความไม่แน่นอนมีอยู่อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้และจัดอยู่ในประเภทใดประเภทหนึ่งต่อไปนี้:
การใช้จำนวนไร้มิติเพื่ออธิบายลักษณะปรากฏการณ์ที่ซับซ้อน
ชุดข้อมูลจำกัดที่ใช้สร้างแบบจำลองเชิงประจักษ์
ความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์วัดข้อมูล
ก่อนที่จะลงรายละเอียดเพิ่มเติม ควรพูดคุยกันว่าทำไมประสิทธิภาพจึงลดลงเมื่อสูบของเหลวหนืด
โดยสัญชาตญาณ ของเหลวที่หนาขึ้นจะประสบกับการสูญเสียไฮดรอลิกที่เพิ่มขึ้น ความหนืดที่เพิ่มขึ้นทำให้จำนวน Reynolds ลดลง ซึ่งจะเพิ่มค่าแรงเสียดทานและการสูญเสีย แม้ว่ารูปทรงของใบพัดเครื่องสูบน้ำจะแตกต่างและซับซ้อนกว่าแบบท่อ แต่ก็ใช้หลักการเดียวกัน แรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้นภายในปั๊มจะทำให้ปริมาณของหัวปั๊มลดลง แม้ว่านี่เป็นเพียงการประมาณค่าของการสูญเสียที่ซับซ้อน แต่ตัวเลขของ Reynolds จะให้การประมาณตามสัดส่วน
ปั๊มหอยโข่งแปลงพลังงานจลน์ในการหมุนจากใบพัดปั๊มให้เป็นพลังงานอุทกพลศาสตร์ของของเหลว แรงเฉือนของของไหลระหว่างใบพัดหมุนและปลอกปั๊มที่อยู่กับที่ ทำให้เกิดแรงเสียดทานที่เรียกว่าแรงเสียดทานของดิสก์ การต้านทานการเสียดสีนี้มักเป็นสาเหตุหลักของประสิทธิภาพของปั๊มที่ลดลงระหว่างการทำงานปกติ การใช้หมายเลข Reynolds อีกครั้ง การเพิ่มความหนืดจะทำให้ได้ตัวเลข Reynolds ที่มากขึ้น จึงมีความต้านทานมากขึ้น ซึ่งส่งผลให้มีการใช้พลังงานเพิ่มขึ้น วิศวกรสามารถใช้หมายเลข Reynolds ที่จับคู่กับความเร็วเฉพาะของปั๊มเพื่อประเมินแรงเสียดทานของดิสก์ได้ แรงเสียดทานของดิสก์เป็นการโต้ตอบที่ซับซ้อน อีกครั้ง การประมาณค่าเอฟเฟกต์เหล่านี้ด้วยพารามิเตอร์ไร้มิติสองตัวโดยเนื้อแท้นั้นมีความแม่นยำที่จำกัดสำหรับการใช้งานทั้งหมด
เมื่อพิจารณาการสูญเสียจากการเสียดสีสองครั้งก่อนหน้านี้ นั่นคือ ไฮดรอลิกและดิสก์ การสูญเสียพลังงานเนื่องจากแรงเสียดทานมักจะเปลี่ยนเป็นความร้อน ส่งผลให้อุณหภูมิของของไหลเพิ่มขึ้น อุณหภูมิของเหลวที่เพิ่มขึ้นส่งผลต่อความหนืดของของเหลว ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของปั๊มด้วย สิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมปั๊มในระบบที่มีของเหลวหนืดจึงมีพฤติกรรมที่แตกต่างกันในการสตาร์ทเครื่องเย็นเมื่อเทียบกับการทำงานที่สม่ำเสมอ
ในการคำนึงถึงผลกระทบที่ของเหลวหนืดมีต่อประสิทธิภาพของปั๊ม วิศวกรสามารถใช้ปัจจัยการแก้ไขทั่วไปสำหรับส่วนหัว อัตราการไหลเชิงปริมาตร และประสิทธิภาพดังแสดงในสมการที่ 1 ตัวเลขไร้มิติที่เรียกว่า B ช่วยทำนายองค์ประกอบหนืดของปัจจัยการแก้ไขแต่ละตัว พารามิเตอร์ B รวมผลกระทบของหมายเลข Reynolds และความเร็วเฉพาะของปั๊ม ด้วยเหตุผลการสูญเสียจากการเสียดสีที่กล่าวถึงข้างต้น พารามิเตอร์ B ยังแจ้งช่วงของการบังคับใช้สำหรับการแก้ไข ตัวอย่างเช่น เมื่อ B มากกว่า 40 จะต้องวิเคราะห์การสูญเสียเพิ่มเติมเพื่อพิจารณาว่าปัจจัยการแก้ไขยังคงเชื่อถือได้หรือไม่
สมการ 1
วิศวกรสามารถใช้ปัจจัยการแก้ไขเพื่อปรับกราฟประสิทธิภาพของเครื่องสูบน้ำจากค่าที่ได้จากการใช้น้ำให้เป็นกราฟที่คาดการณ์ว่าปั๊มจะทำงานอย่างไรกับของเหลวหนืด วิธี ANSI/HI 9.6.7-2015 คำนวณปัจจัยการแก้ไขสำหรับอัตราการไหลเชิงปริมาตร (CQ) และประสิทธิภาพ (CE) และถือว่าค่าเหล่านี้เป็นค่าคงที่ที่อัตราการไหลที่วิเคราะห์ทั้งหมดสำหรับปั๊มและของเหลวที่สนใจ สำหรับปัจจัยการแก้ไขส่วนหัว (CH) วิธีนี้จะถือว่าหัวปิดสำหรับปั๊มไม่ขึ้นอยู่กับความหนืดของของไหล และจะเป็นค่าเดียวกันสำหรับทั้งน้ำและของเหลวหนืด
นอกจากนี้ วิธีการนี้ถือว่าปัจจัยการแก้ไขการไหลและส่วนหัว CQ และ CH เท่ากันที่จุดประสิทธิภาพน้ำดีที่สุด (BEP) เมื่อคำนึงถึงข้อจำกัดเหล่านั้น ปัจจัยการแก้ไขส่วนหัวจึงเป็นฟังก์ชันของปัจจัยแก้ไขอัตราการไหลเชิงปริมาตร CQ และอัตราส่วนของอัตราการไหลของน้ำที่สัมพันธ์กับอัตราการไหลของ BEP, QW / QBEP-W
นักวิจัยหลายคนประเมินปัจจัยการแก้ไขเหล่านี้ในการตั้งค่าต่างๆ เพื่อเปรียบเทียบส่วนหัวและกำลังที่คาดการณ์ไว้สำหรับปั๊มที่มีของเหลวหนืดกับข้อมูลการทดสอบจริงของของเหลวหนืดในปั๊ม แม้ว่าจะมีการเบี่ยงเบน ค่าจริงและค่าที่คาดการณ์จะแตกต่างกันไปตามอัตราการไหลและความหนืดของของไหล ในกรณีส่วนใหญ่ ค่าที่ทดสอบจะสอดคล้องกับค่าที่คาดการณ์ไว้
นักวิจัยระบุว่าค่าเบี่ยงเบนบางส่วนมาจากความไม่แน่นอนที่มาจากเครื่องมือวัด ซึ่งยากต่อการหาปริมาณ
แนวปฏิบัติ ANSI/HI 9.6.7-2015 อิงตามข้อมูลการทดสอบสำหรับปั๊มและของเหลวต่อไปนี้ ดังนั้น แนวทางนี้โดยทั่วไปจะใช้ได้เฉพาะกับระบบที่อยู่ภายใต้ข้อจำกัดเหล่านี้เท่านั้น
ปั๊มเดี่ยวและหลายใบพัด
ใบพัดแบบปิดและแบบเปิด
ความเร็วเฉพาะจาก 310 ถึง 2,330 หน่วยสหรัฐ (6 ถึง 45 เมตริก)
ความหนืดจลนศาสตร์ตั้งแต่ 1 ถึง 3,000 เซนติสโตก (cSt)
เส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดตั้งแต่ 5.5 ถึง 16 นิ้ว (140 ถึง 406 มิลลิเมตร [มม.])
น้ำ BEP ไหลจาก 32 ถึง 1,230 แกลลอนต่อนาที (gpm) (7.2 ถึง 280 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง [m3/hr])
น้ำ BEP หัว 30 ถึง 427 ฟุต (9 ถึง 130 เมตร)
ประสิทธิภาพ BEP ของน้ำจาก 28% ถึง 86%
ภาพที่ 1: ทดสอบข้อมูล (คะแนน) ด้วยช่วงการคาดการณ์ 80% (เส้นประ) (รูปภาพได้รับความอนุเคราะห์จาก Applied Flow Technology)
กราฟข้อมูลการทดสอบซึ่งใช้ปัจจัยการแก้ไขเทียบกับพารามิเตอร์ B การวิจัยแสดงให้เห็นว่าจุดข้อมูลการทดสอบส่วนใหญ่อยู่ภายในช่วงการทำนาย 80% ดังแสดงในภาพที่ 1 อย่างไรก็ตาม ปั๊มที่มีพารามิเตอร์ B เดียวกันสามารถมี ช่วงของจุดประสิทธิภาพความหนืดต่างๆ กราฟข้อมูลการทดลองอิสระสนับสนุนแนวโน้มทั่วไปแบบเดียวกับที่แสดงในภาพที่ 1
ในระบบสูบน้ำส่วนใหญ่ การแก้ไข ANSI/HI จะให้การคาดการณ์ที่แม่นยำและยอมรับได้สำหรับประสิทธิภาพของปั๊มแบบหนืด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อวิศวกรรวมปัจจัยด้านความปลอดภัยต่างๆ และระยะขอบของข้อผิดพลาดต่างๆ ตามที่มักทำ สำหรับสถานการณ์ที่เรียกร้องให้มีการประมาณค่าที่ระมัดระวังมากขึ้น วิศวกรสามารถอธิบายส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานของปัจจัยการแก้ไขได้ รวมค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานโดยลดปัจจัยการแก้ไขส่วนหัวลง 0.1 และปัจจัยด้านประสิทธิภาพลง 0.15 ซึ่งจะส่งผลให้ปั๊มและมอเตอร์มีขนาดใหญ่ขึ้น
แนวปฏิบัติความหนืด ANSI/HI ใช้กันอย่างแพร่หลาย ในความเป็นจริง ผลตอบรับบ่งชี้ว่าการใช้การแก้ไขไม่ได้ส่งผลให้ปั๊มมีขนาดไม่ถูกต้องสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ ไม่ว่าวิศวกรผู้ออกแบบระบบที่มีของเหลวข้นต้องเข้าใจความไม่แน่นอนและข้อจำกัดของการแก้ไข