Une expression fréquemment utilisée dans l'industrie des pompes est que la viscosité est la Kryptonite des pompes centrifuges. Pardonnez l'allusion à Superman, mais c'est une référence que la plupart d'entre nous non seulement se rapportent, mais aussi comprennent. De plus, les fluides visqueux ont un effet négatif et affaiblissant sur les performances de la pompe centrifuge.

La viscosité est une mesure de la résistance d'un fluide à l'écoulement à une température donnée. Vous pouvez également le considérer comme un frottement fluide. Une définition plus technique expliquerait la viscosité comme une force nécessaire pour déplacer un plan liquide (plaque de réflexion) d'une certaine surface unitaire, sur une certaine distance au-dessus d'un autre plan de surface égale dans une période de temps définie. Dans les cours de formation, je définis simplement la viscosité comme la résistance d'un fluide à couler mais, plus important encore, une résistance à pomper.

Isaac Newton a probablement été la première personne que nous connaissons à définir quantitativement un coefficient de viscosité. Son concept et les travaux connexes n'ont pas été achevés, mais ont ensuite été affinés par Jean Leonard Marie Poiseuille (voir la loi de Poiseuille ).

Pourquoi sommes-nous préoccupés par la viscosité en ce qui concerne les pompes centrifuges ?

Principalement parce que la viscosité a un effet extraordinaire et souvent négatif sur les performances de la pompe centrifuge. Une augmentation de la viscosité réduira considérablement l'efficacité d'une pompe en conjonction avec des réductions marquées de la tête et du débit. Le résultat net est une augmentation de la puissance de freinage requise pour le conducteur.

Corrections de viscosité

Toutes les courbes de performance des pompes centrifuges sont basées sur le pompage d'eau, sauf indication contraire. Lorsque j'ai commencé dans le secteur des pompes, il n'existait aucun programme informatique pour chiffrer les corrections de viscosité nécessaires et les méthodes manuelles pouvaient prendre des heures. Avec l'avènement des programmes informatisés pour la sélection de la pompe, il est maintenant simple de corriger les performances de la pompe pour la viscosité en une seule touche, mais nous négligeons souvent les détails et les effets de ce que les changements de viscosité font sur les performances de la pompe et en particulier la puissance de freinage requise.

Avant les programmes informatiques, il existait essentiellement trois méthodes pour corriger les performances d'une pompe centrifuge de l'eau à la viscosité.

1. Le modèle AJ Stepanoff était viable au meilleur point d'efficacité (BEP) pour la hauteur et le débit, mais la fiabilité et la validité diminuaient avec un écart accru par rapport au BEP.

2. La méthode Paciga était légèrement meilleure que le modèle Stepanoff car elle pouvait être plus précise sur une plus large gamme de flux. Paciga avait incorporé une vitesse spécifique et un rapport de débit (débit réel par rapport au BEP). L'inconvénient était qu'à mesure que la viscosité augmentait, la fiabilité diminuait. Cela était principalement dû à l'effet du nombre de Reynolds dans les calculs de la formule.

3. Méthode originale de l'Hydraulic Institute utilisant des tableaux de correction visqueux pour obtenir des facteurs de correction visqueux (pour la tête, le débit et l'efficacité). La méthode était une amélioration par rapport aux précédentes en raison de sa facilité, de sa précision et de son large éventail d'applicabilité. Pour les personnes qui sont dans l'entreprise depuis un certain temps, il serait prudent de revoir les nouvelles méthodes présentées par l'Institut hydraulique (voir la directive ANSI/HI 9.6.7-2010). La nouvelle méthode utilise une formule appelée paramètre B pour produire des facteurs de correction visqueux. La nouvelle méthode élimine également une partie de la confusion et de l'inexactitude dans la plage de 100 gallons par minute (gpm).

Corrections des courbes de pompe

Dans un monde parfait, une « courbe » de performance de pompe centrifuge serait en fait une ligne droite, mais dans le monde réel, elle est courbée en raison des pertes dans la pompe. Les principaux facteurs sont une combinaison de pertes mécaniques, de fuite, de choc et de friction du disque. Le frottement du disque est le principal contributeur et le facteur le plus important lors de la quantification des pertes. Les courbes mentionnées sont basées sur les performances de l'eau, mais avec des applications sur des fluides visqueux, ces courbes d'eau doivent être corrigées pour que la viscosité soit précise. Les courbes de hauteur, de débit, d'efficacité et de puissance au frein (BHP) nécessiteront toutes des modifications (corrections visqueuses).

A partir de quelle valeur minimale de viscosité commencer les corrections ?

Le fabricant de la pompe est la meilleure source pour cette valeur, car elle dépendra de l'application, de la personnalité du fluide et de la géométrie de la pompe. A noter qu'à 100 centipoises, les effets visqueux seront importants. Je préciserai qu'à 30 à 40 centipoises ou plus, vous devez utiliser les corrections ou risquer des effets indésirables. Je recommande également que quelque part dans la zone de 5 à 10 centipoises, vous devez au moins être conscient et conscient des effets, même mineurs.

Étant donné que la vérification des courbes de correction est si facile de nos jours, il serait imprudent de ne pas vérifier.

Effets de la forme et de la taille de la turbine

Plus la vitesse spécifique (Ns) d'une turbine est faible, plus le frottement du disque sera élevé. Ceci est simplement dû à la géométrie de la roue et à l'angle d'écoulement de 90 degrés dans lequel le fluide entre puis sort de la roue. À mesure que la vitesse spécifique d'une turbine augmente, l'angle d'entrée à sortie diminue et l'interaction avec le fluide est moindre.

Plus une roue est petite, plus il est probable que les effets de frottement du disque seront plus élevés simplement parce que la surface de la roue et des carters a plus d'interaction avec le fluide que dans une pompe plus grande.

Viscosité maximale pour une pompe centrifuge

on me demande souvent; Quelle est la viscosité maximale qu'une pompe centrifuge peut supporter ? Ma réponse courte est que "ça dépend". Une réponse meilleure et moins désinvolte consiste à considérer la réduction de l'efficacité de la pompe (également la tête et le débit) et à calculer la puissance maximale requise et corrigée (ch) pour le fluide visqueux. Plusieurs références limitent les pompes centrifuges à un maximum de 3 000 centistokes. (Notez que cette limite est également publiée à 3 300 centistokes.)

Il existe un document technique plus ancien sur le sujet par CE Petersen (livré à la conférence de la Pacific Energy Association en septembre 1982). M. Petersen présente un argument selon lequel la viscosité maximale peut être calculée par la taille de la buse de refoulement de la pompe.

M. Petersen a postulé une formule comme suit :

DANS_maximum = 300 (J-1)
Équation 1

Où:
DANS_maximum = la viscosité cinématique maximale en SSU (Saybolt Second Universal) autorisée pour cette pompe
D = le diamètre de la buse de décharge en pouces.

Je n'utiliserais cette formule qu'en règle générale.

Pour être précis, vous devriez avoir l'avis du fabricant de la pompe à ce sujet en ce qui concerne le couple de l'arbre et les limites de puissance. Il peut également y avoir des limites de cadre et parfois (rares) des limites de couple de charge des pales de turbine.

Selon la taille de la pompe et la géométrie de la roue, les limites de viscosité pour la pompe centrifuge moyenne varient de 250 à 700 centipoises, et j'ai vu de nombreuses pompes pomper avec succès des fluides dépassant 1000 centipoises. Si votre application est supérieure à 250 centipoises, je vous recommande de travailler avec le fabricant/vendeur de votre pompe pour arriver à la réponse. Les deux points importants à prendre en considération sont les suivants :

1. Il existe une limite de couple et de puissance pour l'arbre de la pompe qui sera négativement affectée par une augmentation de la viscosité. Assurez-vous de vérifier ce facteur de correction de viscosité pour assurer une installation satisfaisante et fiable.

2. Vous pourrez peut-être encore pomper le fluide très visqueux avec la pompe centrifuge, mais il y aura un point de rendements décroissants en raison d'une efficacité réduite. Peut-être utilisez-vous 25 ch pour pomper le fluide visqueux avec une pompe centrifuge qui ne nécessiterait que 5 ch avec une pompe volumétrique.

Puissance/couple

Tous les arbres de pompe ont une limite de vitesse, de puissance et de couple. Dans le cas des pompes à un étage, de nombreux fabricants exprimeront cela en une limite de hp par 100 tours par minute (rpm). Notez que le couple est inversement proportionnel à la puissance, donc plus la vitesse est faible, plus le couple est appliqué à l'arbre.

Alors que la plupart des limites d'arbre sont basées sur la vitesse, la puissance et les limites de couple continu, gardez à l'esprit que si la pompe est entraînée par un moteur, les limites seront encore réduites (la combustion interne signifie un couple intermittent au lieu d'un couple continu). De plus, si l'arbre de la pompe est chargé latéralement, comme dans le cas des entraînements par courroie ou chaîne, il y aura une réduction frappante des limites de l'arbre en raison du facteur de fatigue par flexion cyclique.

Viscosité et température/pression

Pour un liquide donné, la viscosité va diminuer pour une augmentation de température et inversement. Notez que pour les gaz, c'est la relation inverse. Pour les viscosités indiquées, une température doit également être indiquée, généralement 40 et 100 C sont des normes.

La température peut être un problème sur le terrain car les pompes sont souvent dimensionnées et vendues pour pomper un liquide visqueux à une température donnée, mais les pompes fonctionnent en fait à une température plus basse, ce qui donne une viscosité plus élevée et, bien sûr, un besoin plus élevé. hp avec moins de débit et de tête que souhaité ou promis.

Les effets de la pression sur la viscosité d'un liquide sont généralement très faibles et, dans la plupart des cas, peuvent être ignorés.

Viscosité et gravité spécifique

La viscosité est souvent confondue avec la gravité spécifique (SG). Ce sont deux choses différentes. Les expressions vernaculaires courantes nous déroutent, car la viscosité est le plus souvent appelée à tort épaisseur ou poids. Le mercure a un SG élevé (13), mais une faible viscosité et de nombreuses huiles lubrifiantes ont un SG bas (inférieur à l'eau ou inférieur à 1,0) mais ont une viscosité élevée.

SG est le rapport de la densité d'une substance - fluide dans ce cas - à la densité d'un étalon de référence, généralement de l'eau. Notez que puisque SG est un rapport, il n'y a pas d'unités.

La gravité spécifique est utilisée dans l'équation lorsque nous convertissons vers ou à partir des viscosités dynamiques et cinématiques. Centipoise = (Centistokes) (Gravité spécifique)

Viscosité dynamique et cinématique

Centipoise est une viscosité dynamique (absolue) et centistoke (également SSU) est une viscosité cinématique. Une façon simple d'expliquer la différence est que les viscosités cinématiques sont des débits chronométrés à travers des orifices où la force motrice est généralement la gravité, tandis que la viscosité dynamique est une mesure de la force nécessaire pour surmonter la résistance du fluide à s'écouler à travers un tube (capillaire). En termes simples, la cinématique est une mesure du temps et la dynamique est une mesure de la force.

Viscosité et règles d'affinité

Soyez toujours prudent avec les règles d'affinité car elles ne tiennent pas compte de l'interaction du système. Avant d'appliquer les règles, convertissez-les en performances corrigées pour tous les paramètres applicables.

Friction des tuyaux et pertes du système

Lors du pompage de fluide, plus le liquide est visqueux, plus il y aura de friction. La résistance (frottement) est due aux propriétés de contrainte de cisaillement du fluide et de la surface de la paroi du tuyau/de la pompe. Notez que plus les surfaces/murs de la pompe et du tuyau sont étouffés, moins le frottement du fluide visqueux aura d'effet.

Voir le chapitre 3 (Friction) dans le Cameron Hydraulic Data Book pour plus d'informations à ce sujet, et la connexion à l'équation de Darcy Weisbach et au nombre de Reynolds. Si vous calculez une courbe de résistance de la tête du système et que le fluide est visqueux, vous devez en tenir compte.

Viscosité et tête d'aspiration positive nette requise/disponible (NPSHR/NPSHA)

Intuitivement, on pourrait penser que les changements de viscosité affecteront le NPSHR (alias NPSH3), mais la plupart des données empiriques publiées contestent cette ligne de pensée. Sur les applications de conduite d'aspiration de pompe où des fluides très visqueux ont des problèmes d'écoulement dans le tuyau vers l'aspiration de la pompe viennent à l'esprit, mais ces problèmes seraient normalement couverts dans la composante de frottement du calcul NPSHA. Autrement dit, le facteur de frottement serait plus élevé pour le fluide visqueux et réduirait par conséquent le NPSHA. Mon conseil sur les fluides visqueux est d'augmenter la marge entre le NPSH disponible et requis.

Plusieurs ouvrages de référence bien respectés (mais plus anciens) indiquent qu'il y a peu ou pas de preuves que la viscosité affecte la valeur NPSHR (NPSH3). La nouvelle édition de la ligne directrice 9.6.7 de l'ANSI/Hydraulic Institute indique qu'une approche analytique peut être envisagée (voir la section 9.6.7.5.3 de la ligne directrice). Le guide propose une équation pour calculer un NPSHR corrigé (NPSH3).

Pour citer un paragraphe de cette section : « Il y a une double influence de la viscosité du liquide pompé sur NPSH3. Avec une viscosité accrue, le frottement augmente, ce qui entraîne une augmentation de NPSH3. Dans le même temps, une viscosité plus élevée entraîne une diminution de la diffusion des particules d'air et de vapeur dans le liquide. Cela ralentit la vitesse de croissance des bulles et il y a aussi un effet thermodynamique, qui conduit à une certaine diminution de NPSH3.

Tête d'arrêt de la pompe lors du pompage d'un fluide visqueux

Une pompe fonctionnant avec un fluide visqueux approche-t-elle toujours la même tête d'arrêt que lors du pompage d'eau ? Cette question revient fréquemment dans mon travail, et j'ai fait des recherches approfondies pour trouver une réponse (mais pas de test réel). La réponse semble être qu'à débit nul, la tête développée par la pompe est la même pour l'eau que pour un fluide visqueux où nous supposons que la viscosité est inférieure à 600 centipoises.

Plusieurs de mes mentors respectés semblent penser la même chose. Je suis ouvert à l'entrée si vous avez des données de toute façon. J'aimerais toujours croire qu'une pompe de vitesse spécifique moyenne à faible qui pompe un fluide de viscosité moyenne (environ 250 centipoises) ne fera pas tout à fait la même tête qu'elle le ferait avec de l'eau. Mais, je suppose que la vitesse et la gravité se disputeront avec moi sur cette question.

Conclusion

Il est extrêmement important de connaître la viscosité réelle du fluide pompé. Je suis fréquemment témoin de problèmes de pompe sur le terrain en raison de différences entre les valeurs de viscosité perçues et réelles.

Références

Norme ANSI / HI 9.6.7 -2010 Pompes centrifuges et axiales, AJ Stepanoff

Conception et application de pompes centrifuges, VS Lobanoff et RR Ross

L'influence de la viscosité sur les performances de la pompe centrifuge , article technique Ingersoll Rand publié en 1957 en collaboration avec l'Université Lehigh, Arthur Ippen

Considérations d'ingénierie et de conception de système pour les systèmes de pompage et le service visqueux, CE Petersen