Comment effectuer des corrections de viscosité pour les pompes centrifuges
Détrompez-vous si vous pompez des fluides épais en utilisant les courbes de performance de la pompe à eau.
La viscosité est une propriété fondamentale d'un liquide. C'est la résistance d'un fluide à l'écoulement et elle est plus élevée pour les fluides plus épais. Par exemple, un fluide à viscosité élevée, comme le sirop d'érable, est plus épais et résiste mieux à l'écoulement qu'un fluide à viscosité plus faible, comme l'eau.
En règle générale, les fabricants de pompes utilisent de l'eau pour obtenir les valeurs de leurs courbes de performance de pompe, même si le service prévu de la pompe concerne un fluide aux propriétés différentes de l'eau. Mais que se passe-t-il lorsque la viscosité du fluide s'écarte significativement de celle de l'eau ? C'est là que les ingénieurs doivent ajuster les courbes de performance de la pompe pour tenir compte de la différence de viscosité entre l'eau et le fluide réel dans la pompe.
Les courbes de performance de la pompe décrivent la tête ajoutée à un fluide, la puissance de la pompe et la tête d'aspiration positive nette requise (NPSHr) à une variété de débits volumétriques différents. En raison de l'importance des performances des pompes centrifuges dans toutes les industries de fluides, il est impératif que des corrections précises soient utilisées lorsqu'une pompe centrifuge utilise un fluide plus épais que celui utilisé par le fabricant de la pompe pour évaluer les performances. Un fluide plus visqueux connaîtra généralement une diminution du débit volumétrique, de la tête et de l'efficacité par rapport à l'eau à la même vitesse de pompe. De même, la puissance de la pompe et le NPSHr augmentent à mesure que la viscosité augmente.
Les fabricants de pompes qui fournissent uniquement des courbes de performance de l'eau pour les pompes doivent envisager de fournir des courbes de performance pour les fluides plus épais. Les ingénieurs qui ont corrigé les courbes de performance de l'eau lors du pompage de fluides plus épais doivent envisager d'utiliser les directives 9.6.7-2015 de l'American National Standards Institute/Hydraulic Institute (ANSI/HI).
Bien qu'il soit préférable d'utiliser les données de courbe de performances réelles des fabricants de pompes pour les fluides plus épais, ANSI/HI 9.6.7-2015 fournit une directive couramment utilisée pour corriger les performances de la pompe en fonction de la viscosité. Cette ligne directrice a une quantité d'incertitude acceptable, mais il est impératif de comprendre les incertitudes de cette méthode pour assurer sa bonne application dans les systèmes de pompage. Cet article résume les conclusions techniques et explique pourquoi la recommandation est acceptable malgré les incertitudes.
Les corrections de viscosité reposent sur des méthodes empiriques utilisant des données de test pour tenir compte correctement des performances d'une pompe lorsque le fluide de service a une viscosité différente de celle du fluide de référence, généralement de l'eau. Comme pour de nombreuses méthodes empiriques, l'incertitude existe inévitablement et tombe dans l'une des catégories suivantes :
L'utilisation d'un nombre sans dimension pour caractériser un phénomène complexe
L'ensemble de données limité utilisé pour créer le modèle empirique
La fiabilité des équipements de mesure de données
Avant d'entrer dans les détails, il convient de discuter des raisons pour lesquelles les performances diminuent lors du pompage d'un fluide visqueux.
Intuitivement, un fluide plus épais subira des pertes hydrauliques accrues. Une viscosité accrue donne un nombre de Reynolds diminué, ce qui augmente le facteur de frottement et les pertes. Bien que la géométrie d'une roue de pompe soit différente et plus complexe que celle d'un tuyau, le même principe s'applique. Une friction accrue à l'intérieur de la pompe réduira la quantité de tête que la pompe peut fournir. Bien qu'il ne s'agisse que d'une estimation des pertes complexes, le nombre de Reynolds fournit une estimation proportionnelle.
Une pompe centrifuge convertit l'énergie cinétique de rotation de la roue de la pompe en énergie hydrodynamique du fluide. Les forces de cisaillement sur le fluide entre la roue en rotation et le corps de pompe fixe génèrent une résistance de frottement appelée frottement du disque. Cette résistance de frottement est généralement la principale cause de l'efficacité réduite de la pompe pendant le fonctionnement normal. En utilisant à nouveau le nombre de Reynolds, une augmentation de la viscosité donne un nombre de Reynolds plus grand et, par conséquent, une résistance plus grande, ce qui entraîne une consommation d'énergie accrue. Les ingénieurs peuvent utiliser le nombre de Reynolds associé à la vitesse spécifique de la pompe pour estimer le frottement du disque. Le frottement du disque est une interaction complexe ; donc encore une fois, l'estimation de ces effets avec deux paramètres sans dimension a intrinsèquement une précision limitée pour toutes les applications.
Compte tenu des deux pertes par frottement précédentes, hydraulique et disque, les pertes d'énergie dues au frottement se transforment généralement en chaleur, entraînant une augmentation de la température du fluide. L'augmentation de la température du fluide affecte la viscosité du fluide, ce qui affecte également les performances de la pompe. Cela explique pourquoi les pompes dans les systèmes avec des fluides visqueux ont des comportements différents lors d'un démarrage à froid par rapport à un fonctionnement stable.
Pour tenir compte des effets d'un fluide visqueux sur les performances de la pompe, un ingénieur peut utiliser des facteurs de correction généraux pour la tête, le débit volumétrique et l'efficacité, illustrés dans l'équation 1. Un nombre sans dimension appelé B aide à prédire la composante visqueuse de chaque facteur de correction. Le paramètre B intègre les effets du nombre de Reynolds et de la vitesse spécifique de la pompe, pour des raisons de perte par frottement discutées ci-dessus. Le paramètre B renseigne également sur la plage d'applicabilité des corrections. Par exemple, lorsque B est supérieur à 40, une analyse plus approfondie des pertes sera nécessaire pour déterminer si les facteurs de correction sont toujours fiables.
Équation 1
Un ingénieur peut utiliser les facteurs de correction pour ajuster la courbe de performance de la pompe à partir des valeurs obtenues en utilisant de l'eau jusqu'à une courbe prédite de la façon dont la pompe fonctionnera avec le fluide visqueux. La méthode ANSI/HI 9.6.7-2015 calcule les facteurs de correction pour le débit volumétrique (CQ) et l'efficacité (CE) et suppose que ces valeurs sont constantes à tous les débits analysés pour la pompe et le fluide d'intérêt. Pour le facteur de correction de hauteur (CH), la méthode suppose que la hauteur d'arrêt de la pompe ne dépend pas de la viscosité du fluide et sera la même valeur pour l'eau et le fluide visqueux.
De plus, la méthode suppose que les facteurs de correction de débit et de hauteur, CQ et CH, sont égaux au meilleur point d'efficacité de l'eau (BEP). Compte tenu de ces contraintes, le facteur de correction de hauteur est fonction du facteur de correction du débit volumétrique, CQ, et du rapport du débit d'eau par rapport au débit BEP, QW / QBEP-W.
Plusieurs chercheurs ont évalué ces facteurs de correction dans une variété de paramètres différents pour comparer la tête et la puissance prévues pour une pompe avec un fluide visqueux aux données de test réelles du fluide visqueux dans la pompe. Bien qu'il existe des écarts, les valeurs réelles et prédites diffèrent en fonction du débit et de la viscosité du fluide, dans la plupart des cas, les valeurs testées concordaient avec les valeurs prédites.
Les chercheurs attribuent une partie de l'écart à l'incertitude qui provient des instruments de mesure, qui est difficile à quantifier.
La directive ANSI/HI 9.6.7-2015 est basée sur des données de test pour les pompes et fluides suivants. Ainsi, la ligne directrice n'est généralement applicable qu'aux systèmes qui relèvent de ces contraintes.
pompes mono et multicellulaires
roues fermées et ouvertes
vitesses spécifiques de 310 à 2 330 unités US (6 à 45 métriques)
viscosité cinématique de 1 à 3 000 centistokes (cSt)
diamètres de roue de 5,5 à 16 pouces (140 à 406 millimètres [mm])
débit d'eau BEP de 32 à 1 230 gallons par minute (gpm) (7,2 à 280 mètres cubes par heure [m3/h])
chute d'eau BEP de 30 à 427 pieds (9 à 130 mètres)
efficacité BEP de l'eau de 28% à 86%
IMAGE 1 : Données de test (points) avec des intervalles de prédiction de 80 % (lignes pointillées) (Images fournies avec l'aimable autorisation d'Applied Flow Technology)
En représentant graphiquement les données de test à partir desquelles les facteurs de correction étaient basés par rapport au paramètre B, la recherche montre que la plupart des points de données de test se situent dans un intervalle de prédiction de 80 %, comme le montre l'image 1. Cependant, les pompes avec le même paramètre B peuvent avoir un gamme de différents points de performance visqueux. La représentation graphique de données expérimentales indépendantes prend en charge la même tendance générale illustrée dans l'image 1.
Dans la plupart des systèmes de pompage, les corrections ANSI/HI fourniront des prédictions suffisamment précises pour les performances de la pompe visqueuse, d'autant plus que les ingénieurs incluent divers facteurs de sécurité et marges d'erreur, comme ils le font souvent. Pour les situations qui nécessitent une estimation plus prudente, un ingénieur peut tenir compte des écarts-types sur les facteurs de correction. Incluez l'écart type en abaissant le facteur de correction de hauteur de 0,1 et le facteur d'efficacité de 0,15, ce qui se traduira par une pompe et un moteur plus gros.
Les directives de viscosité ANSI/HI sont largement utilisées. En fait, les commentaires indiquent que l'utilisation des corrections n'entraîne pas des pompes mal dimensionnées pour la plupart des applications. Quoi qu'il en soit, les ingénieurs qui conçoivent des systèmes avec des fluides plus épais doivent comprendre les incertitudes et les limites des corrections.