Comment la viscosité affecte le pompage
Pour comprendre comment la viscosité d'un liquide affecte un système de pompage, il est important de comprendre ce que représente la viscosité. Par définition, la viscosité est la propriété d'un liquide qui l'amène à offrir une résistance aux contraintes de cisaillement telles que celles causées par l'écoulement du liquide, principalement dans la zone de la paroi du tuyau.
L'image 1 illustre cela en montrant le profil de vitesse d'un liquide par rapport à une surface limite statique. À la surface limite statique ou à la paroi du tuyau, la vitesse du liquide est nulle. À mesure que la distance augmente à partir de la surface statique, la vitesse du liquide augmente. La force par unité de surface est fonction du gradient de vitesse v/d, qui est la vitesse maximale du fluide, v, divisée par la distance, d, de la surface statique.
La viscosité absolue, μ (Mu), est le quotient de la contrainte de cisaillement (ou force par unité de surface) divisé par le taux de cisaillement. Il est courant d'exprimer la viscosité par rapport à sa densité, appelée viscosité cinématique. La viscosité cinématique est désignée par la lettre grecque ν (Nu). Un moyen courant de mesurer la viscosité cinématique est le Saybolt Seconds Universal (SSU) (voir Image 2). Cela fait référence au temps qu'il faut pour qu'une quantité mesurée de liquide à une température spécifique s'écoule d'un récipient avec un orifice mesuré au fond. Par exemple, l'eau a une viscosité d'environ 31 SSU à 60 degrés Fahrenheit (F). Par comparaison, les huiles lubrifiantes légères peuvent avoir une viscosité de 100 ou 200 SSU. Les huiles lubrifiantes plus visqueuses ont des viscosités de l'ordre de milliers de SSU et les fluides extrêmement visqueux - goudron lourd,
Types de pompe
Selon le type de pompe, l'impact de la viscosité du liquide est différent. Nous examinerons spécifiquement trois types de pompes : centrifuges (image 3), alternatives (image 4) et rotatives (image 5).
Les pompes alternatives et rotatives appartiennent à la famille des pompes à déplacement positif (PD). Les pompes PD déplacent un certain volume à chaque révolution de l'arbre, moins toute fuite volumétrique (glissement).
Une pompe centrifuge fait partie de la famille des pompes rotodynamiques. Les pompes rotodynamiques sont des machines cinétiques dans lesquelles de l'énergie est transmise en continu au fluide pompé au moyen d'une roue à aubes, d'une hélice ou d'un rotor en rotation. Le type le plus courant de pompe rotodynamique est le type centrifuge (radial). Dans les pompes centrifuges, le liquide pénètre dans la roue axialement au niveau de l'œil de la roue et progresse radialement entre les aubes jusqu'à ce qu'il sorte au niveau du diamètre extérieur et soit collecté dans un diffuseur ou une disposition en volute, comme illustré à l'image 3. Il est important de considérer comment ces les types de pompes sont différents et la physique impliquée car ces disparités entraînent un fonctionnement sensiblement différent par rapport aux liquides visqueux.
Considérations sur le pompage visqueux de la pompe centrifuge
Il est standard dans l'industrie de tester les performances des pompes centrifuges avec de l'eau claire selon ANSI/HI 14.6 Pompes rotodynamiques pour les tests de performances hydrauliques. Les performances d'une pompe centrifuge sont affectées lors de la manipulation de liquides visqueux en raison du frottement accru lorsque la roue tourne et de la résistance à l'écoulement par rapport au test de l'eau. Une augmentation marquée de la puissance d'entrée en raison d'une efficacité réduite et d'une réduction de la tête et du débit se produit avec des liquides visqueux par rapport à l'eau.
La courbe de performance de l'image 6 montre la performance de l'eau et la performance visqueuse corrigée pour le liquide d'application, qui a une viscosité de 1 000 SSU et une densité de 0,9. Les données visqueuses doivent être corrigées à partir du test de performance de l'eau selon la norme ANSI/HI 9.6.7 de l'Hydraulic Institute Effects of Liquid Viscosity on Rotodynamic Pump Performance. ANSI/HI 9.6.7 a été utilisé pour corriger les performances, comme illustré à l'image 6. Cette norme prescrit une méthode empirique basée sur des données de test disponibles auprès de sources du monde entier.
La méthode HI permet aux utilisateurs et aux concepteurs de pompes d'estimer les performances d'une pompe rotodynamique particulière sur des liquides de viscosité connue, compte tenu des performances sur l'eau. La procédure est importante pour que la pompe et l'entraînement appropriés soient sélectionnés pour un service requis sur les liquides visqueux. Non illustré sur l'image 6, mais également une préoccupation est l'augmentation de la hauteur d'aspiration positive nette requise (NPSH) où une perte de charge de 3 % est notée (NPSH3) ainsi qu'un couple de démarrage requis accru avec des liquides visqueux. La prise en compte de ceux-ci est décrite dans ANSI/HI 9.6.7.
Notez la chute d'efficacité marquée de près de 80 % sur l'eau à environ 50 % sur 1 000 SSU pour la pompe de l'image 6. Pour cette raison, l'utilisation de pompes centrifuges peut être limitée lorsque les viscosités sont supérieures à des niveaux qui entraînent une efficacité inacceptable et à la place PD les pompes peuvent offrir une meilleure solution.
Considérations sur le pompage visqueux de la pompe PD
Les pompes PD sont intrinsèquement différentes des pompes centrifuges car elles déplacent un volume de liquide par déplacement pour chaque révolution de l'arbre. Cela donne généralement des résultats favorables lors du pompage de liquides visqueux. Le rendement volumétrique d'une pompe PD est le volume réel par tour d'arbre sur le volume théorique par tour d'arbre. La différence entre les deux volumes est le résultat d'un écoulement de fuite appelé glissement. La viscosité plus élevée d'un liquide réduit en fait la quantité de glissement et augmente l'efficacité volumétrique d'une pompe volumétrique.
Les courbes de l'image 7 illustrent comment la capacité des pompes volumétriques varie avec la vitesse (pression constante), la pression (vitesse constante) et la viscosité. Ils ne sont destinés qu'à représenter le concept. Les courbes montrent que la capacité théorique est directement proportionnelle à la vitesse. La différence entre la capacité théorique et la capacité délivrée est le "glissement" de la pompe pour une viscosité donnée. Le glissement interne est affecté par la viscosité et la pression et provoque une déviation de la capacité délivrée par rapport à la théorie.
La viscosité du fluide de la pompe a également un impact sur la pression d'entrée positive nette requise (NPIPR) et la puissance d'entrée des pompes volumétriques. La puissance théorique est proportionnelle à la vitesse et à la pression. Les pertes par frottement dues à la viscosité du fluide pompé entraînent une augmentation de la puissance d'entrée au-delà de la puissance théorique. L'image 8 montre comment la puissance peut augmenter, et l'image 9 montre généralement comment le NPIPR augmentera avec la viscosité.
Les pompes PD alternatives sont utilisées dans des applications pour une gamme de viscosités. En règle générale, les pompes à piston peuvent gérer des viscosités de fluide de 5 000 SSU et les pompes alternatives à piston pneumatique peuvent gérer des viscosités de fluide de 1 million de SSU.
Dans certaines technologies et applications, les pompes PD rotatives peuvent également traiter des liquides allant de l'eau aux liquides visqueux, mais elles trouvent une application plus typique sur les fluides visqueux. Il existe de nombreux types de pompes rotatives et les capacités de pompage visqueux varient selon la conception. En général, le débit et l'efficacité volumétrique d'une pompe rotative augmentent généralement avec la viscosité, et certains types de pompes rotatives peuvent traiter des fluides avec des viscosités de plusieurs millions de SSU.
Les généralités fournies ici pour le pompage visqueux alternatif et rotatif ne sont pas absolues, et des conceptions spécifiques peuvent modifier considérablement les capacités, de sorte que les utilisateurs doivent consulter étroitement le fabricant de la pompe pour des recommandations spécifiques. Des informations supplémentaires sur le pompage visqueux pour les pompes volumétriques peuvent être trouvées dans les normes suivantes : ANSI/HI 3.1-3.5 Rotary Pumps for Nomenclature, Definitions, Application and Operation ; ANSI/HI 6.1-6.5 Pompes alternatives pour la nomenclature, les définitions, l'application et le fonctionnement ; ANSI/HI 7.1-7.5 Control Volume Metering Pumps for Nomenclature, Definitions, Application and Operation ; ANSI/HI 10.1-10.5 Pompes pneumatiques pour la nomenclature, les définitions, l'application et le fonctionnement.