In che modo la viscosità influisce sul pompaggio

Jun 20, 2023

Per capire come la viscosità di un liquido influisce su un sistema di pompaggio, è importante capire cosa rappresenta la viscosità. Per definizione, la viscosità è la proprietà di un liquido che gli fa offrire resistenza allo stress di taglio come quello causato dal flusso del liquido, principalmente nell'area della parete del tubo.

L'immagine 1 lo illustra mostrando il profilo di velocità di un liquido rispetto a una superficie limite statica. Sulla superficie di confine statica o sulla parete del tubo, la velocità del liquido è zero. All’aumentare della distanza dalla superficie statica, la velocità del liquido aumenta. La forza per unità di area è una funzione del gradiente di velocità v/d, che è la velocità massima del fluido, v, divisa per la distanza, d, dalla superficie statica.

La viscosità assoluta, μ (Mu), è il quoziente dello sforzo di taglio (o forza per unità di area) diviso per la velocità di taglio. È comune esprimere la viscosità rispetto alla sua densità, che è nota come viscosità cinematica. La viscosità cinematica è designata con la lettera greca ν (Nu). Un modo comune per misurare la viscosità cinematica è il Saybolt Seconds Universal (SSU) (vedi Immagine 2). Si riferisce al tempo necessario affinché una quantità misurata di liquido a una temperatura specifica venga scaricata da un contenitore con un orifizio misurato sul fondo. Ad esempio, l'acqua ha una viscosità di circa 31 SSU a 60 gradi Fahrenheit (F). In confronto, gli oli lubrificanti leggeri possono avere una viscosità di 100 o 200 SSU. Gli oli lubrificanti più viscosi hanno viscosità dell'ordine di migliaia di SSU, mentre i fluidi estremamente viscosi, ad esempio il catrame pesante, hanno viscosità fino a 1 milione di SSU.

A seconda del tipo di pompa, l'impatto della viscosità del liquido è diverso. Esamineremo specificamente tre tipi di pompe: centrifuga (Immagine 3), alternativa (Immagine 4) e rotativa (Immagine 5).

Le pompe alternative e rotative rientrano nella famiglia delle pompe volumetriche (PD). Le pompe PD spostano un certo volume ad ogni giro dell'albero, meno eventuali perdite volumetriche (scorrimento).

Una pompa centrifuga rientra nella famiglia delle pompe rotodinamiche. Le pompe rotodinamiche sono macchine cinetiche in cui l'energia viene continuamente impartita al fluido pompato per mezzo di una girante, un'elica o un rotore rotante. Il tipo più comune di pompa rotodinamica è il tipo centrifugo (radiale). Nelle pompe centrifughe, il liquido entra assialmente nella girante in corrispondenza dell'occhio della girante e progredisce radialmente tra le palette finché non esce dal diametro esterno e viene raccolto in un diffusore o in una disposizione a voluta, come mostrato nell'immagine 3. È importante considerare come questi i tipi di pompe sono diversi e la fisica coinvolta perché queste disparità determinano un funzionamento significativamente diverso rispetto ai liquidi viscosi.

È uno standard del settore testare le prestazioni delle pompe centrifughe con acqua pulita secondo ANSI/HI 14.6 Pompe rotodinamiche per i test delle prestazioni idrauliche. Le prestazioni di una pompa centrifuga vengono influenzate quando si movimentano liquidi viscosi a causa dell'aumento dell'attrito quando la girante ruota e della resistenza al flusso rispetto al test dell'acqua. Un marcato aumento della potenza in ingresso a causa della ridotta efficienza e una riduzione della prevalenza e della portata si verifica con liquidi viscosi rispetto all'acqua.

La curva delle prestazioni nell'immagine 6 mostra le prestazioni dell'acqua e le prestazioni viscose corrette per il liquido di applicazione, che ha una viscosità di 1.000 SSU e un peso specifico di 0,9. I dati sulla viscosità devono essere corretti dal test delle prestazioni dell'acqua secondo lo standard ANSI/HI 9.6.7 dell'Hydraulic Institute. Effetti della viscosità del liquido sulle prestazioni della pompa rotodinamica. ANSI/HI 9.6.7 è stato utilizzato per correggere le prestazioni come mostrato nell'immagine 6. Questo standard prescrive un metodo empirico basato su dati di test disponibili da fonti in tutto il mondo.

Il metodo HI consente agli utenti e ai progettisti di pompe di stimare le prestazioni di una particolare pompa rotodinamica su liquidi di viscosità nota, date le prestazioni sull'acqua. La procedura è importante affinché venga selezionata la pompa e il driver adatti per il servizio richiesto su liquidi viscosi. Non mostrato nell'immagine 6, ma preoccupante è anche l'aumento della prevalenza netta di aspirazione positiva (NPSH) richiesta, dove si nota una perdita di prevalenza del 3% (NPSH3), nonché una maggiore coppia di avviamento richiesta con liquidi viscosi. La considerazione di questi aspetti è delineata in ANSI/HI 9.6.7.