كيفية عمل تصحيحات لزوجة مضخات الطرد المركزي
فكر مرة أخرى إذا كنت تضخ سوائل كثيفة باستخدام منحنيات أداء مضخة المياه.
اللزوجة هي خاصية أساسية للسائل. إنها مقاومة السوائل للتدفق وهي أعلى بالنسبة للسوائل السميكة. على سبيل المثال ، يكون السائل ذو اللزوجة العالية ، مثل شراب القيقب ، أكثر سمكًا ويقاوم التدفق أكثر عند مقارنته بسائل منخفض اللزوجة ، مثل الماء.
عادةً ما يستخدم مصنعو المضخات الماء للحصول على قيم منحنيات أداء المضخة الخاصة بهم ، حتى إذا كانت الخدمة المقصودة للمضخة مخصصة لسائل له خصائص مختلفة عن الماء. ولكن ماذا يحدث عندما تنحرف لزوجة السائل بشكل كبير عن الماء؟ هذا هو المكان الذي يحتاج فيه المهندسون إلى ضبط منحنيات أداء المضخة لمراعاة الاختلاف في اللزوجة بين الماء والسائل الفعلي في المضخة.
تصف منحنيات أداء المضخة الرأس المضاف إلى السائل وقوة المضخة وصافي رأس الشفط الإيجابي المطلوب (NPSHr) في مجموعة متنوعة من معدلات التدفق الحجمي المختلفة. نظرًا لأهمية أداء مضخة الطرد المركزي في كل صناعة للسوائل ، فمن الضروري استخدام تصحيحات دقيقة عندما تستخدم مضخة الطرد المركزي سائلًا أكثر سمكًا مما تستخدمه الشركة المصنعة للمضخة لتقييم الأداء. سيختبر السائل الأكثر لزوجة بشكل عام انخفاضًا في معدل التدفق الحجمي والرأس والكفاءة مقارنةً بالمياه بنفس سرعة المضخة. وبالمثل ، تزداد قوة المضخة و NPSHr مع زيادة اللزوجة.
يجب على الشركات المصنعة للمضخات التي توفر فقط منحنيات أداء الماء للمضخات أن تأخذ في الاعتبار تقديم منحنيات أداء للسوائل السميكة. يجب على المهندسين الذين قاموا بتصحيح منحنيات أداء الماء عند ضخ سوائل أكثر سمكًا أن يفكروا في استخدام إرشادات المعهد الوطني الأمريكي للمعايير / المعهد الهيدروليكي (ANSI / HI) 9.6.7-2015.
في حين أنه من المفضل استخدام بيانات منحنى الأداء الفعلي من الشركات المصنعة للمضخات للسوائل السميكة ، فإن ANSI / HI 9.6.7-2015 يوفر إرشادات شائعة الاستخدام لتصحيح أداء المضخة بناءً على اللزوجة. يحتوي هذا الدليل الإرشادي على قدر مقبول من عدم اليقين ، ولكن من الضروري فهم أوجه عدم اليقين في هذه الطريقة لضمان تطبيقها الصحيح في أنظمة الضخ. تلخص هذه المقالة النتائج الفنية والمناقشة حول سبب قبول الدليل على الرغم من أوجه عدم اليقين.
تعتمد تصحيحات اللزوجة على طرق تجريبية باستخدام بيانات الاختبار لحساب أداء المضخة بشكل صحيح عندما يكون لسائل الخدمة لزوجة مختلفة عن السائل المرجعي ، عادةً الماء. كما هو الحال مع العديد من الأساليب التجريبية ، يوجد عدم اليقين حتمًا ويقع ضمن إحدى الفئات التالية:
استخدام عدد بلا أبعاد لوصف ظاهرة معقدة
مجموعة البيانات المحدودة المستخدمة لإنشاء النموذج التجريبي
موثوقية معدات قياس البيانات
قبل الخوض في مزيد من التفاصيل ، يجدر مناقشة سبب انخفاض الأداء عند ضخ سائل لزج.
بشكل بديهي ، سيواجه السائل السميك خسائر هيدروليكية متزايدة. تؤدي اللزوجة المتزايدة إلى انخفاض رقم رينولدز ، مما يزيد من عامل الاحتكاك والفقد. في حين أن هندسة المكره للمضخة مختلفة وأكثر تعقيدًا من هندسة الأنبوب ، فإن نفس المبدأ ينطبق. سيؤدي الاحتكاك المتزايد داخل المضخة إلى تقليل كمية الرأس التي يمكن للمضخة توفيرها. في حين أن هذا مجرد تقدير للخسائر المعقدة ، فإن رقم رينولدز يوفر تقديرًا متناسبًا.
تقوم مضخة الطرد المركزي بتحويل الطاقة الحركية الدورانية من دافع المضخة إلى طاقة هيدروديناميكية للسائل. تولد قوى القص على السائل بين المكره الدوارة وغطاء المضخة الثابتة مقاومة احتكاك تسمى احتكاك القرص. عادةً ما تكون مقاومة الاحتكاك هذه هي السبب الرئيسي لانخفاض كفاءة المضخة أثناء التشغيل العادي. باستخدام رقم رينولدز مرة أخرى ، تؤدي الزيادة في اللزوجة إلى زيادة عدد رينولدز ، وبالتالي مقاومة أكبر ، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة. يمكن للمهندسين استخدام رقم رينولدز المقترن بالسرعة المحددة للمضخة لتقدير احتكاك القرص. احتكاك القرص هو تفاعل معقد. لذا مرة أخرى ، فإن تقدير هذه التأثيرات باستخدام معلمتين بلا أبعاد له دقة محدودة في حد ذاته لجميع التطبيقات.
بالنظر إلى الفقدين السابقين للاحتكاك ، الهيدروليكي والقرص ، فإن فقد الطاقة بسبب الاحتكاك يتحول عمومًا إلى حرارة ، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارة السائل. تؤثر درجة حرارة السائل المتزايدة على لزوجة السائل ، مما يؤثر أيضًا على أداء المضخة. وهذا ما يفسر سبب اختلاف سلوك المضخات في الأنظمة ذات السوائل اللزجة عند بدء التشغيل على البارد مقارنة بالتشغيل الثابت.
لحساب تأثيرات المائع اللزج على أداء المضخة ، يمكن للمهندس استخدام عوامل التصحيح العامة للرأس ، ومعدل التدفق الحجمي والكفاءة ، كما هو موضح في المعادلة 1. يساعد رقم بدون أبعاد يسمى B على التنبؤ بالمكون اللزج لكل عامل تصحيح. تتضمن المعلمة B تأثيرات رقم رينولدز والسرعة المحددة للمضخة ، لأسباب فقدان الاحتكاك التي تمت مناقشتها أعلاه. تُعلم المعلمة B أيضًا مدى قابلية تطبيق التصحيحات. على سبيل المثال ، عندما تكون B أكبر من 40 ، سوف يتطلب الأمر مزيدًا من تحليل الخسارة لتحديد ما إذا كانت عوامل التصحيح لا تزال موثوقة.
المعادلة 1
يمكن للمهندس استخدام عوامل التصحيح لضبط منحنى أداء المضخة من القيم التي تم الحصول عليها باستخدام الماء إلى منحنى متوقع لكيفية أداء المضخة مع السائل اللزج. تحسب طريقة ANSI / HI 9.6.7-2015 عوامل التصحيح لمعدل التدفق الحجمي (CQ) والكفاءة (CE) وتفترض أن هذه القيم ثابتة في جميع معدلات التدفق التي تم تحليلها للمضخة والسوائل محل الاهتمام. بالنسبة لعامل تصحيح الرأس (CH) ، تفترض الطريقة أن رأس الإغلاق للمضخة لا يعتمد على لزوجة المائع وستكون نفس القيمة لكل من الماء والسائل اللزج.
بالإضافة إلى ذلك ، تفترض الطريقة أن عوامل تصحيح التدفق والرأس ، CQ و CH ، متساوية عند أفضل نقطة كفاءة للمياه (BEP). مع وضع هذه القيود في الاعتبار ، فإن عامل تصحيح الرأس هو دالة لعامل تصحيح معدل التدفق الحجمي ، CQ ، ونسبة معدل تدفق المياه بالنسبة إلى معدل تدفق BEP ، QW / QBEP-W.
قام العديد من الباحثين بتقييم عوامل التصحيح هذه في مجموعة متنوعة من الإعدادات المختلفة لمقارنة الرأس والطاقة المتوقعين لمضخة مع سائل لزج ببيانات الاختبار الفعلية للسائل اللزج في المضخة. في حين أن هناك انحرافات ، تختلف القيم الفعلية والمتوقعة بناءً على معدل التدفق ولزوجة السوائل ، في معظم الحالات ، تتفق القيم المختبرة مع القيم المتوقعة.
يعزو الباحثون بعض الانحراف إلى عدم اليقين الذي يأتي من أدوات القياس ، والتي يصعب تحديدها كمياً.
تعتمد إرشادات ANSI / HI 9.6.7-2015 على بيانات الاختبار للمضخات والسوائل التالية. وبالتالي ، فإن الدليل الإرشادي ينطبق بشكل عام فقط على الأنظمة التي تقع ضمن هذه القيود.
مضخات أحادية ومتعددة المراحل
الدفاعات المغلقة والمفتوحة
سرعات محددة من 310 إلى 2330 وحدة أمريكية (6 إلى 45 متري)
اللزوجة الحركية من 1 إلى 3000 سنتيستوكس (cSt)
أقطار المكره من 5.5 إلى 16 بوصة (140 إلى 406 ملليمتر [مم])
تدفق المياه BEP من 32 إلى 1230 جالونًا في الدقيقة (gpm) (7.2 إلى 280 متر مكعب في الساعة [m3 / hr])
رأس BEP للمياه من 30 إلى 427 قدمًا (9 إلى 130 مترًا)
كفاءة أفضل الممارسات البيئية للمياه من 28٪ إلى 86٪
IMAGE 1: اختبار البيانات (النقاط) بفواصل توقع 80٪ (خطوط متقطعة) (الصور مقدمة من Applied Flow Technology)
من خلال رسم بياني لبيانات الاختبار التي استندت إليها عوامل التصحيح مقابل المعلمة B ، يُظهر البحث أن معظم نقاط بيانات الاختبار تقع ضمن فاصل تنبؤ بنسبة 80٪ ، كما هو موضح في الصورة 1. ومع ذلك ، يمكن أن يكون للمضخات التي لها نفس المعلمة B مجموعة من نقاط الأداء اللزجة المختلفة. يدعم رسم البيانات التجريبية المستقلة نفس الاتجاه العام الموضح في الصورة 1.
في معظم أنظمة الضخ ، ستوفر تصحيحات ANSI / HI تنبؤات دقيقة مقبولة لأداء المضخة اللزجة ، خاصة وأن المهندسين يتضمنون عوامل أمان مختلفة وهوامش خطأ ، كما يفعلون في كثير من الأحيان. بالنسبة للحالات التي تتطلب تقديرًا أكثر تحفظًا ، يمكن للمهندس أن يفسر الانحرافات المعيارية على عوامل التصحيح. قم بتضمين الانحراف المعياري عن طريق خفض عامل تصحيح الرأس بمقدار 0.1 وعامل الكفاءة بمقدار 0.15 ، مما سينتج عنه مضخة ومحرك أكبر.
تستخدم إرشادات اللزوجة ANSI / HI على نطاق واسع. في الواقع ، تشير الملاحظات إلى أن استخدام التصحيحات لا ينتج عنه مضخات ذات حجم غير صحيح لمعظم التطبيقات. بغض النظر ، يجب على المهندسين الذين يصممون الأنظمة ذات السوائل السميكة فهم أوجه عدم اليقين والقيود الخاصة بالتصحيحات.