สิ่งที่ลาก: ผลกระทบของความหนืดของไหลต่อปั๊มหอยโข่ง
สำนวนที่กล่าวถึงบ่อยในอุตสาหกรรมเครื่องสูบน้ำคือความหนืดคือคริปโตไนต์ของปั๊มหอยโข่ง ขอโทษที่พาดพิงถึง Superman แต่มันเป็นข้อมูลอ้างอิง พวกเราส่วนใหญ่ไม่เพียงแต่เกี่ยวข้องเท่านั้น แต่ยังเข้าใจด้วย นอกจากนี้ ของเหลวหนืดมีผลเสียและอ่อนตัวต่อประสิทธิภาพของปั๊มหอยโข่ง
ความหนืดเป็นตัววัดความต้านทานของของไหลต่อการไหลของอุณหภูมิที่กำหนด คุณยังสามารถคิดว่ามันเป็นการเสียดสีของเหลว คำจำกัดความทางเทคนิคเพิ่มเติมจะอธิบายความหนืดเป็นแรงที่จำเป็นในการเคลื่อนย้ายระนาบของเหลว (แผ่นคิด) ของพื้นที่หน่วยบางพื้นที่ในระยะทางเหนือระนาบอื่นที่มีพื้นที่เท่ากันในช่วงเวลาที่กำหนด ในชั้นเรียนฝึกหัด ฉันแค่นิยามความหนืดว่าเป็นค่าความต้านทานการเทของของไหล แต่ที่สำคัญกว่านั้นคือ ความต้านทานที่ต้องสูบ
ไอแซก นิวตันน่าจะเป็นบุคคลแรกที่เรารู้จักในการกำหนดสัมประสิทธิ์ความหนืดเชิงปริมาณ แนวคิดและงานที่เกี่ยวข้องของเขายังไม่เสร็จสมบูรณ์ แต่ภายหลังได้รับการขัดเกลาโดย Jean Leonard Marie Poiseuille (ดูกฎของ Poiseuille)
เหตุใดเราจึงกังวลเกี่ยวกับความหนืดของปั๊มหอยโข่ง
สาเหตุหลักมาจากความหนืดมีผลเสียเป็นพิเศษและมักจะส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของปั๊มหอยโข่ง ความหนืดที่เพิ่มขึ้นจะลดประสิทธิภาพของปั๊มลงอย่างมาก ร่วมกับการลดลงของหัวและการไหล ผลลัพธ์ที่ได้คือแรงม้าเบรกที่จำเป็นสำหรับผู้ขับขี่เพิ่มขึ้น
การแก้ไขความหนืด
กราฟแสดงสมรรถนะของเครื่องสูบแบบแรงเหวี่ยงทั้งหมดขึ้นอยู่กับน้ำที่สูบ เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น เมื่อฉันเริ่มต้นในธุรกิจปั๊ม ไม่มีโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่จะเข้ารหัสการแก้ไขความหนืดที่จำเป็น และวิธีการด้วยตนเองอาจใช้เวลาหลายชั่วโมงกว่าจะเสร็จสมบูรณ์ ด้วยการใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์สำหรับการเลือกปั๊ม ทำให้ตอนนี้ง่ายต่อการแก้ไขประสิทธิภาพของปั๊มสำหรับความหนืดในการกดแป้นเพียงครั้งเดียว แต่เรามักจะมองข้ามรายละเอียดและผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงความหนืดที่มีต่อประสิทธิภาพของปั๊ม และโดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงม้าเบรกที่ต้องการ
ก่อนหน้าโปรแกรมคอมพิวเตอร์ โดยทั่วไปมีสามวิธีในการแก้ไขประสิทธิภาพของปั๊มหอยโข่งจากน้ำเป็นความหนืด
1. โมเดล AJ Stepanoff ทำงานได้ที่จุดประสิทธิภาพที่ดีที่สุด (BEP) สำหรับส่วนหัวและการไหล แต่ความน่าเชื่อถือและความถูกต้องลดลงเมื่อออกจาก BEP เพิ่มขึ้น
2. วิธีการของ Paciga ดีกว่าแบบจำลอง Stepanoff เล็กน้อย เนื่องจากอาจแม่นยำกว่าในการไหลที่กว้างกว่า Paciga ได้รวมความเร็วจำเพาะและอัตราการไหล (การไหลจริงเมื่อเปรียบเทียบกับ BEP) ด้านลบคือเมื่อความหนืดเพิ่มขึ้นความน่าเชื่อถือก็ลดลง ส่วนใหญ่เป็นเพราะผลของตัวเลข Reynolds ในการคำนวณสูตร
3. วิธีการดั้งเดิมของสถาบันไฮดรอลิคโดยใช้แผนภูมิการแก้ไขความหนืดเพื่อให้ได้ปัจจัยการแก้ไขความหนืด (สำหรับส่วนหัวการไหลและประสิทธิภาพ) วิธีการนี้เป็นการปรับปรุงให้ดีขึ้นกว่าวิธีก่อนหน้านี้เนื่องจากความสะดวก ความแม่นยำ และการนำไปใช้ที่หลากหลาย สำหรับผู้ที่อยู่ในธุรกิจมาระยะหนึ่งแล้ว ควรทบทวนวิธีการใหม่ๆ ที่นำเสนอโดย Hydraulic Institute (ดูแนวทาง ANSI/HI 9.6.7-2010) วิธีการใหม่นี้ใช้สูตรที่เรียกว่าพารามิเตอร์ B เพื่อให้ได้ปัจจัยการแก้ไขที่มีความหนืด วิธีการที่ใหม่กว่ายังช่วยขจัดความสับสนและความไม่ถูกต้องบางส่วนในช่วง 100 แกลลอนต่อนาที (gpm)
การแก้ไขเส้นโค้งปั๊ม
ในโลกที่สมบูรณ์แบบ "เส้นโค้ง" ของปั๊มหอยโข่งประสิทธิภาพจะเป็นเส้นตรง แต่ในโลกแห่งความเป็นจริง มันเป็นเส้นโค้งเนื่องจากการสูญเสียในปั๊ม ปัจจัยหลักคือการรวมกันของการสูญเสียทางกล การรั่วไหล แรงกระแทกและแรงเสียดทานของดิสก์ ความเสียดทานของดิสก์เป็นปัจจัยหลักและเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการหาปริมาณการสูญเสีย เส้นโค้งดังกล่าวอ้างอิงจากประสิทธิภาพของน้ำ แต่สำหรับการใช้กับของเหลวหนืด จะต้องแก้ไขเส้นโค้งของน้ำเหล่านั้นเพื่อให้ความหนืดแม่นยำ เส้นโค้งของส่วนหัว การไหล ประสิทธิภาพ และแรงม้าเบรก (BHP) จะต้องมีการปรับเปลี่ยนทั้งหมด (การแก้ไขความหนืด)
ค่าความหนืดต่ำสุดที่จะเริ่มการแก้ไขคืออะไร?
ผู้ผลิตเครื่องสูบน้ำเป็นแหล่งที่ดีที่สุดสำหรับค่านี้ เนื่องจากจะขึ้นอยู่กับการใช้งาน ลักษณะของของเหลว และรูปทรงของปั๊ม โปรดทราบว่าที่ 100 centipoise เอฟเฟกต์หนืดจะมีนัยสำคัญ ฉันจะระบุว่าที่ 30 ถึง 40 centipoise หรือมากกว่า คุณควรใช้การแก้ไขหรือความเสี่ยงผลกระทบ ฉันยังแนะนำว่าที่ไหนสักแห่งในพื้นที่ 5 ถึง 10 centipoise อย่างน้อยคุณต้องตระหนักและตระหนักถึงผลกระทบเล็กน้อย
เนื่องจากการตรวจสอบเส้นโค้งการแก้ไขนั้นง่ายมากในทุกวันนี้ จึงไม่ฉลาดเลยที่จะไม่ตรวจสอบ
เอฟเฟกต์รูปร่างและขนาดของใบพัด
ยิ่งความเร็วจำเพาะ (Ns) ของใบพัดต่ำลง ความเสียดทานของแผ่นดิสก์ก็จะยิ่งสูงขึ้น นี่เป็นเพียงเพราะรูปทรงของใบพัดและมุมการไหล 90 องศาที่ของไหลเข้าและออกจากใบพัด เมื่อความเร็วจำเพาะของใบพัดเพิ่มขึ้น มุมเข้า - ออกจะลดลงและการโต้ตอบกับของไหลจะน้อยลง
ยิ่งใบพัดมีขนาดเล็กเท่าใด ผลกระทบจากแรงเสียดทานของจานก็จะยิ่งสูงขึ้นเพียงเพราะพื้นที่ผิวของใบพัดและปลอกหุ้มมีปฏิสัมพันธ์กับของเหลวมากกว่าในปั๊มขนาดใหญ่
ความหนืดสูงสุดสำหรับปั๊มหอยโข่ง
ฉันถูกถามบ่อย ความหนืดสูงสุดที่ปั๊มหอยโข่งสามารถรับได้คือเท่าใด คำตอบสั้น ๆ ของฉันคือ "มันขึ้นอยู่กับ" คำตอบที่ดีกว่าและไม่ค่อยดีนักคือการพิจารณาการลดประสิทธิภาพของปั๊ม (รวมถึงส่วนหัวและการไหลด้วย) และคำนวณแรงม้าสูงสุดที่ต้องการและแก้ไข (hp) สำหรับของเหลวหนืด การอ้างอิงหลายฉบับจำกัดปั๊มหอยโข่งไว้ที่ 3,000 เซนติสโตก (โปรดทราบว่าขีดจำกัดนี้เผยแพร่เป็น 3,300 centistokes ด้วย)
มีบทความทางเทคนิคที่เก่ากว่าในหัวข้อนี้โดย CE Petersen (จัดส่งในการประชุม Pacific Energy Association ในเดือนกันยายน 1982) คุณปีเตอร์เสนเสนอข้อโต้แย้งว่าค่าความหนืดสูงสุดสามารถคำนวณได้จากขนาดของหัวจ่ายน้ำของปั๊ม
นายปีเตอร์เสนได้ตั้งสูตรไว้ดังนี้
ในmax = 300 (D-1)
สมการ 1
ที่ไหน:
ในmax = ความหนืดจลนศาสตร์สูงสุดใน SSU (Saybolt Second Universal) ที่อนุญาตสำหรับปั๊มนั้น
D = เส้นผ่านศูนย์กลางของหัวจ่ายเป็นนิ้ว
ฉันจะใช้สูตรนี้เป็นกฎง่ายๆ
เพื่อให้ถูกต้องแม่นยำ คุณควรได้รับข้อมูลจากผู้ผลิตปั๊มในหัวข้อนี้เกี่ยวกับแรงบิดของเพลาและขีดจำกัดของแรงม้า อาจมีขีดจำกัดของเฟรมและขีดจำกัดแรงบิดโหลดของใบพัด (หายาก) ในบางครั้ง
ขึ้นอยู่กับขนาดของปั๊มและรูปทรงใบพัด ขีดจำกัดความหนืดสำหรับปั๊มหอยโข่งเฉลี่ยจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ 250 ถึง 700 เซนติพอยส์ และฉันได้เห็นปั๊มจำนวนมากประสบความสำเร็จในการสูบของเหลวเกินกว่า 1,000 เซนติพอยซ์ หากใบสมัครของคุณมีมากกว่า 250 centipoise เราขอแนะนำให้คุณทำงานร่วมกับผู้ผลิต/ผู้จำหน่ายเครื่องสูบน้ำเพื่อหาคำตอบ จุดสำคัญสองประการที่ต้องคำนึงถึงคือ:
1. มีขีดจำกัดของแรงบิดและแรงม้าสำหรับเพลาปั๊มที่จะได้รับผลกระทบทางลบเมื่อความหนืดเพิ่มขึ้น ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ตรวจสอบปัจจัยการแก้ไขความหนืดนี้เพื่อให้แน่ใจว่าการติดตั้งนั้นน่าพอใจและเชื่อถือได้
2. คุณอาจยังสามารถปั๊มของเหลวที่มีความหนืดสูงด้วยปั๊มหอยโข่งได้ แต่จะมีจุดส่งกลับที่ลดลงเนื่องจากประสิทธิภาพที่ลดลง บางทีคุณอาจใช้ 25 แรงม้าเพื่อสูบของเหลวหนืดด้วยปั๊มหอยโข่งที่ต้องการเพียง 5 แรงม้าพร้อมปั๊มดิสเพลสเมนต์ที่เป็นบวก
แรงม้า/แรงบิด
เพลาปั๊มทั้งหมดมีการจำกัดความเร็ว แรงม้า และแรงบิด ในกรณีของปั๊มแบบขั้นตอนเดียว ผู้ผลิตหลายรายจะแสดงเป็นแรงม้าต่อขีดจำกัด 100 รอบต่อนาที (รอบต่อนาที) โปรดทราบว่าแรงบิดนั้นแปรผกผันกับแรงม้า ดังนั้นยิ่งความเร็วต่ำ แรงบิดก็จะยิ่งใช้กับเพลามากขึ้น
แม้ว่าขีดจำกัดของเพลาส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับความเร็ว แรงม้า และแรงบิดต่อเนื่อง โปรดทราบว่าหากเครื่องยนต์ขับเคลื่อนด้วยปั๊ม ขีดจำกัดจะลดลงอีก (การเผาไหม้ภายในหมายถึงการไม่ต่อเนื่องแทนแรงบิดต่อเนื่อง) นอกจากนี้ หากเพลาปั๊มถูกโหลดด้านข้าง เช่นเดียวกับในกรณีของตัวขับสายพานหรือโซ่ ขีดจำกัดของเพลาจะลดลงอย่างเห็นได้ชัดอันเนื่องมาจากปัจจัยความล้าจากการดัดแบบวนซ้ำ
ความหนืดและอุณหภูมิ/ความดัน
สำหรับของเหลวที่กำหนด ความหนืดจะลดลงตามการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิและในทางกลับกัน โปรดทราบว่าสำหรับก๊าซ มันเป็นความสัมพันธ์ที่ตรงกันข้าม สำหรับความหนืดที่ระบุ จะต้องให้อุณหภูมิด้วย โดยทั่วไปแล้ว 40 และ 100 C เป็นมาตรฐาน
อุณหภูมิอาจเป็นปัญหาในสนามได้ เนื่องจากปั๊มมักจะกำหนดขนาดและขายเพื่อสูบของเหลวหนืดที่อุณหภูมิที่ระบุไว้บางส่วน แต่จากนั้นปั๊มจะทำงานจริงที่อุณหภูมิต่ำกว่า ซึ่งจะทำให้มีความหนืดสูงขึ้นและแน่นอนว่าต้องใช้สูงกว่า แรงม้าที่มีการไหลและหัวน้อยกว่าที่ต้องการหรือที่สัญญาไว้
ผลกระทบจากแรงกดต่อความหนืดของของเหลวมักมีขนาดเล็กมาก และในกรณีส่วนใหญ่สามารถมองข้ามได้
ความหนืดและความถ่วงจำเพาะ
ความหนืดมักถูกเข้าใจผิดว่าเป็นความถ่วงจำเพาะ (SG) พวกเขาเป็นสองสิ่งที่แตกต่างกัน สำนวนภาษาพื้นถิ่นทั่วไปทำให้เราสับสน เนื่องจากความหนืดมักถูกเรียกว่าความหนาหรือน้ำหนัก ปรอทมีค่า SG สูง (13) แต่มีความหนืดต่ำและน้ำมันหล่อลื่นหลายชนิดมีค่า SG ต่ำ (ต่ำกว่าน้ำหรือน้อยกว่า 1.0) แต่มีความหนืดสูง
SG คืออัตราส่วนของความหนาแน่นของสาร—ในกรณีนี้—ของไหล—ต่อความหนาแน่นของมาตรฐานมาตรฐาน ซึ่งมักจะเป็นน้ำ โปรดทราบว่าเนื่องจาก SG เป็นอัตราส่วนจึงไม่มีหน่วย
ความถ่วงจำเพาะใช้ในสมการเมื่อเราแปลงเป็นหรือจากความหนืดไดนามิกและจลนศาสตร์ Centipoise = (Centistokes) (แรงโน้มถ่วงเฉพาะ)
ความหนืดไดนามิกและจลนศาสตร์
เซนติพอยซ์เป็นไดนามิก (สัมบูรณ์) ความหนืด และเซนติสโตก (เช่น SSU) เป็นความหนืดจลนศาสตร์ วิธีง่ายๆ ในการอธิบายความแตกต่างคือค่าความหนืดจลนศาสตร์คืออัตราการไหลตามกำหนดเวลาผ่านปากที่แรงขับเคลื่อนโดยทั่วไปคือแรงโน้มถ่วง ในขณะที่ความหนืดไดนามิกคือการวัดแรงที่ต้องใช้ในการเอาชนะความต้านทานของของไหลในการไหลผ่านท่อ (เส้นเลือดฝอย) พูดง่ายๆ จลนศาสตร์คือการวัดเวลาและไดนามิกคือการวัดแรง
ความหนืดและกฎความสัมพันธ์
โปรดใช้ความระมัดระวังกับกฎความสัมพันธ์เสมอ เนื่องจากกฎเหล่านี้ไม่ได้คำนึงถึงการโต้ตอบของระบบ ก่อนใช้กฎ ให้แปลงเป็นประสิทธิภาพที่แก้ไขแล้วสำหรับพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องทั้งหมด
แรงเสียดทานของท่อและการสูญเสียระบบ
เมื่อสูบของเหลว ของเหลวยิ่งหนืดยิ่งเกิดการเสียดสีมากขึ้น ความต้านทาน (แรงเสียดทาน) เกิดจากคุณสมบัติความเค้นเฉือนของของไหลและพื้นผิวผนังของท่อ/ปั๊ม สังเกตว่ายิ่งปั๊มและพื้นผิว/ผนังของปั๊มและท่อส่งผลกระทบน้อยต่อการเสียดสีของของเหลวหนืด
ดูบทที่ 3 (แรงเสียดทาน) ในหนังสือข้อมูลไฮดรอลิกของคาเมรอนสำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ และการเชื่อมโยงกับสมการของดาร์ซี ไวส์บาค และหมายเลขเรย์โนลด์ส หากคุณกำลังคำนวณเส้นโค้งความต้านทานของส่วนหัวของระบบและของเหลวมีความหนืด คุณต้องคำนึงถึงสิ่งนั้นด้วย
ต้องการ/มีจำหน่าย หัวดูดความหนืด & สุทธิ (NPSHR/NPSHA)
ตามสัญชาตญาณ คุณคิดว่าการเปลี่ยนแปลงความหนืดจะส่งผลต่อ NPSHR (aka NPSH3) แต่ข้อมูลเชิงประจักษ์ที่เผยแพร่ส่วนใหญ่โต้แย้งแนวความคิดนั้น ในการใช้งานสายดูดของปั๊มที่ของเหลวที่มีความหนืดสูงมีปัญหาในการไหลของท่อไปยังการดูดของปั๊ม แต่ปัญหาเหล่านี้มักจะถูกกล่าวถึงในองค์ประกอบความเสียดทานของการคำนวณของ NPSHA นั่นคือปัจจัยแรงเสียดทานจะสูงขึ้นสำหรับของเหลวหนืดและส่งผลให้ NPSHA ลดลง คำแนะนำของฉันเกี่ยวกับของเหลวหนืดคือการเพิ่มระยะขอบระหว่าง NPSH ที่มีอยู่และที่ต้องการ
หนังสืออ้างอิงที่ได้รับความเชื่อถือ (แต่เก่ากว่า) หลายเล่มระบุว่ามีหลักฐานเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยที่แสดงว่าความหนืดส่งผลต่อค่า NPSHR (NPSH3) แนวทางปฏิบัติของ ANSI/Hydraulic Institute 9.6.7 ฉบับใหม่ระบุว่าอาจพิจารณาวิธีการวิเคราะห์ (ดูหัวข้อ 9.6.7.5.3 ของแนวทางปฏิบัติ) คู่มือนี้นำเสนอสมการในการคำนวณ NPSHR ที่แก้ไข (NPSH3)
เพื่ออ้างถึงย่อหน้าหนึ่งจากส่วนนี้: “ความหนืดของเหลวที่สูบแล้วมีผลสองประการต่อ NPSH3 ด้วยความหนืดที่เพิ่มขึ้น ความเสียดทานจะเพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลให้ NPSH3 เพิ่มขึ้น ในเวลาเดียวกัน ความหนืดที่สูงขึ้นส่งผลให้การแพร่ของอนุภาคของอากาศและไอในของเหลวลดลง สิ่งนี้จะชะลอความเร็วของการเติบโตของฟองสบู่ และยังมีผลกระทบทางอุณหพลศาสตร์อีกด้วย ซึ่งทำให้ NPSH3 ลดลงบ้าง”
ปั๊มปิดหัวเมื่อสูบของเหลวหนืด
ปั๊มที่บริการของเหลวหนืดยังคงเข้าใกล้หัวปิดเช่นเดียวกับเมื่อสูบน้ำหรือไม่? คำถามนี้เกิดขึ้นบ่อยครั้งในงานของฉัน และฉันได้ค้นคว้าหาคำตอบอย่างละเอียดแล้ว (แต่ไม่มีการทดสอบจริง) คำตอบปรากฏว่าที่อัตราการไหลเป็นศูนย์ หัวที่พัฒนาโดยปั๊มจะเหมือนกันสำหรับน้ำและสำหรับของเหลวหนืด ซึ่งเราคิดว่าความหนืดน้อยกว่า 600 เซนติพอยส์
พี่เลี้ยงที่เคารพนับถือของฉันหลายคนดูเหมือนจะคิดแบบเดียวกัน ฉันเปิดให้ป้อนข้อมูลถ้าคุณมีข้อมูลอย่างใดอย่างหนึ่ง ฉันยังอยากจะเชื่อว่าปั๊มที่มีความเร็วจำเพาะปานกลางถึงต่ำซึ่งสูบของเหลวที่มีความหนืดระดับกลาง (ประมาณ 250 เซนติพอยซ์) จะไม่ทำให้เกิดหัวแบบเดียวกับที่ใช้กับน้ำ แต่ฉันเดาว่าความเร็วและแรงโน้มถ่วงจะโต้แย้งกับฉันในประเด็นนั้น
บทสรุป
เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องทราบความหนืดที่แท้จริงของของเหลวที่สูบ ฉันพบเห็นปัญหาปั๊มในภาคสนามบ่อยครั้งเนื่องจากความแตกต่างในการรับรู้กับค่าความหนืดจริง
อ้างอิง
มาตรฐาน ANSI / HI 9.6.7 -2010 ปั๊มแรงเหวี่ยงและแนวแกน AJ Stepanoff
การออกแบบและการใช้งานปั๊มหอยโข่ง VS Lobanoff และ RR Ross
อิทธิพลของความหนืดต่อประสิทธิภาพของปั๊มหอยโข่ง เอกสารทางเทคนิคของ Ingersoll Rand ที่ออกในปี 2500 ร่วมกับมหาวิทยาลัย Lehigh, Arthur Ippen
ข้อควรพิจารณาด้านวิศวกรรมและการออกแบบระบบสำหรับระบบปั๊มและบริการหนืด CE Petersen