۱-۴-۱- سیالات ویسکوز

هنگام استفاده از سیالات ویسکوز، باید به اصطلاحات و موارد زیر توجه داشت:

الف) ویسکوزیته و گرانروی

در هنگام پمپاژ سیالات ویسکوز، دو عامل «ویسکوزیته» و «گرانروی» از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشند. برای پمپاژهای عادی، ویسکوزیته می تواند معیاری از اصطکاک داخلی سیال باشد، که در واقع مقاومتی برای عبور جریان داخل لوله ها، شیرها، خود پمپ و غیره… به وجود می آورد. اگرچه یکاهای مختلفی برای ویسکوزیته استفاده می شود، ولی بیشتر مهندسین، تقریبا با سه واحد اصلی زیر سرو کار دارند:

• (Saybolt Seconds Universal) SSU.
• Centistokes ) Cst = ویسکوزیته سینماتیکی)
• Centipoises ) Cp = ویسکوزیته مطلق)

شکل ۴۵، رابطه بین ویسکوزیته و دما را برای تعدادی از سوالات با گرانش های ویژه مختلف نشان می دهد. این رابطه، در تعیین ویسکوزیته بسیاری از سیالاتی که در سیستم های پمپاژ به کار می رود مفید است. داده های ویسکوزیته، در محاسبه افت فشار در سیستم های لوله کشی که سیالات ویسکوز را انتقال می دهند بسیار اهمیت دارد.

ب) جریان سیال

در هنگام عبور سیال از یک لوله، بسته به سرعت سیال، قطر لوله، ویسکوزیته سیال و چگالی، جریان سیال می تواند با آرام یا متلاطم باشد، برای هر نوع سیال و هر نوع لوله ای، این چهار فاکتور بر حسب عدد بدون واحدی به نام بعدد رینولدزه بیان می شود. اگر عدد رینولدز یا R کمتر از حدود ۲۰۰۰ باشد، جریان آرام خواهد بود. ذرات معلق در سیال، مسیرهای جداگانه ای را با چرخش یا تلاطم کم یا صفر طی می کنند.  اگر R بزرگتر از ۴۰۰۰ باشد، جریان، تلاطم نیز خواهد داشت. در اینجا، مسیرهای ذرات سیال بسیار نامنظم بوده و مکررا با یکدیگر برخورد می کنند. در منطقه بحرانی»، که R بین ۲۰۰۰ تا ۴۰۰۰ است، اگر مشکلات افت فشار برطرف گردد.

جریان عموما متلاطم فرض می شود. با این فرض، نتایج مطمئنی به دست می آید، زیرا افت اصطکاک برای جریان متلاطم، بالاتر از افت اصطکاک جریان های آرام خواهد بود. در صورتی که جریان آرام باشد، لوله باید بزرگ انتخاب شود ولی نه به حدی که از نظر اقتصادی نامطلوب باشد.

ج) تأثیر بر عملکرد پمپ های گریز از مرکز

سیالات ویسکوز، به سه شکل روی عملکرد پمپ های گریز از مرکز تاثیر می گذارند:

1. پمپ ها، هد پایین تری را نسبت به وقتی که سیال آب باشد تولید می کنند.
2. دبی پمپ، در صورتی که سیالاتی با ویسکوزیته متوسط یا زیاد به کار رود، کاهش می یابد.
3. توان ورودی مورد نیاز بالاتر می رود.

در هر حالت، عملکرد پمپ، وقتی که سیال ویسکوز را پمپاژ می کند با وقتی که سیال آب را در دماهای معمولی (تقریبا ۴ تا ۵۰ درجه سانتی گراد) پمپاژ می کند، مقایسه می شود. افزایش توان ورودی نیز، ناشی از افزایش اصطکاک داخلی پروانه بوده و در محدوده نسبتا بزرگی از دبی ها ثابت است.

• تصحیح عملکرد

شکل ۴۶، فاکتورهایی را برای یافتن عملکرد یک پمپ گریز از مرکز متداول، که سیال ویسکوزی را پمپاژ می کند، به دست می دهد. از این نمودارها، فقط باید در محدوده خود نمودارها استفاده کرده و هرگز برونیابی نکرد. هرگز نباید از پمپ های جریان مختلط یا جریان محوری، یا پمپ هایی با طرح های خاص، استفاده کرد؛ در واقع این پمپها، فقط باید برای سیالات یکنواخت مورد استفاده قرار گیرد. سیالات غیر نیوتنی، ژلها، خمیرهای کاغذسازی و … ممکن است به نتایج نامطلوب منجر شود. در ضمن NPSH موجود یا NPSHa نیز باید برای کار پمپ مناسب باشد.

برای درک بهتر این موضوع، به مثال زیر توجه کنید.

مثال: پمپی را انتخاب کنید که ظرفیت gpm 750 را، برای سیال روغنی با ویسکوزیته  SSU 1000 در هد ۱۰۰ فوت، تحویل دهد. گرانش ویژه روغن در دمای پمپاژ ۹۰/. میباشد.

حل: از قسمت پایین شکل ۴۶ در gpm 750، به طور عمودی حرکت کنید تا با منحنی هد ۱۰۰ فوت برخورد نمایید. از این نقطه، به طور افقی به سمت منحنی ویسکوزیته مناسب حرکت کنید و سپس به سمت منحنی های فاکتورهای تصحیح کننده حرکت نمایید.

در این مثال  ۰٫۹۵ = CQ ، ۰٫۹۲ = CH (برای QNW 0.1 ) و ۰٫۶۳۵ = CE می باشد. زیرنویس های Q  H  وE به ترتیب فاکتورهای تصحیح دیی، هد و راندمان می باشند و NW، دبی آب در نقطه بهترین راندمان یا همان BEP در نقطه حداکثر راندمان، دبی آب QNW 0.1 بوده، و دبی های دیگر، با اعدادی کوچک تر یا بزرگتر از۱  بیان می شوند.

دبی آب مورد نیاز، برابر است با:

که در آن این رابطه :

QV: دبی سیال ویسکوز بر حسب gpm می باشد.

برای این پمپ:

میباشد. به طور مشابه، هد آب برابر است با:

که در این رابطه :

HV : هد سیال ویسکوز بوده و در اینجا برابر است با: تقریبا ۱۰۹ فوت آب. مثال: پمپی را انتخاب کنید که gpm790 آب را در هد ۱۰۹ فوتی تحویل دهد. در این صورت هد و دبی سیال ویسکوز مورد نیاز، به دست خواهد آمد.

حل: پمپ انتخاب شده، باید در نقطه ماکزیمم راندمان با نزدیک به آن، برای سال آب کار کند. چنانچه در ظرفیت gpm 790، راندمان ۸۱٪ باشد، راندمان برای سیال ویسکوز برابر است با:

که در این رابطه EW راندمان آب می باشد.

برای این پمپ، راندمان: ۰٫۵۱۵ = (۰٫۶۳۵ ) ۰٫۸۱ = Ey یا ۵/۵۱ درصد خواهد بود. توان ورودی به پمپ برای سیالات چسبنده، برابر است با:

که در این رابطه:

PV: توان ورودی برای سیال ویسکوز،

SG : گرانش ویژه سیال ویسکوز، و پارامترهای دیگر، همانند قبل می باشند.

بنابراین برای این پمپ:

می باشد.

رسم منحنی های مشخصه

از شکل ۴۶، می توان برای رسم کامل منحنی های مشخصه یک پمپ گریز از مرکز با سیال ویسکوز، در صورتی که مشخصه های آب معلوم باشد نیز استفاده کرد. برای این کار:

• الف) منحنی های مشخصه پمپی را که می خواهید استفاده کنید، آماده نمایید.
• ب) نقطه حداکثر راندمان را برای سیال آب، روی منحنی بیابید.
• ج) ظرفیت این نقطه را بخوانید
• د) مقادیر ۶/۰  ۸/۰  ۲/۱ دیی حداکثر راندمان را محاسبه نمایید.
• ه) با استفاده از شکل ۴۶، فاکتورهای تصحیح دبی های به دست آمده در قسمت های (۳) و (۴) را تعیین کنید. اگر پمپ، چند طبقه باشد، هنگام استفاده از شکل ۴۶، از هد هر طبقه به جای هد کلی استفاده نمایید.
• و) هد، دبی و راندمان را برای کلیه دبی های به دست آمده از قسمت های (۳) و (۴) تصحیح نمایید.
• ح) مانند شکل ۴۷، هد تصحیح شده را در مقابل ظرفیت تصحیح شده رسم کنید.
• ط) توان ورودی را برای هر ظرفیت محاسبه و رسم کرده، و منحنی پیوسته ای را با استفاده از نقاط به دست آمده ترسم نمایید.

شکل ۴۷، منحنی های تصحیح شده پمپی با سیال روغن و ویسکوزیته SSU 1000، و گرانش ویژه ۹/. را نشان میدهد. دبی این پمپ، در بهترین نقطه راندمان برای آب، gpm 750 است. منحنی خط چین، مشخصه های تصحیح شده برای سیال روشن می باشد.

توجه: هد کلی پمپ های تک طبقه، و هد هر طبقه از پمپ های چند طبقه، فقط مقادیر مناسب برای استفاده در شکل ۴۶ میباشند.

هوا یا گاز محبوس شده در سیال

در این وضعیت، در صورتی که هوا با گاز، بیش از ۵ درصد حجم سیال را اشغال نماید، دبی پمپ های گریز از مرکز افقی به شدت کاهش می یابد. در پمپ های عمودی، در صورتی که میزان هوا با گاز به بیش از ۱۰ درصد برسد، کاهش ظرفیت نگران کننده خواهد بود؛ مگر در پمپ های نوع ملخی یا جریان مختلط، که کاهش ظرفیت در حد متوسط است.

پمپ های احیا کننده

پمپ های نوع توربینی با احیا کننده با سیالات ویسکوز، همان رفتارهای شرح داده شده در بالا را از خود نشان میدهند، یعنی کاهش هد و دبی، و افزایش توان ورودی. اگر ویسکوزیته سیال از SSU500 فراتر رود، ظرفیت، به شکل چشمگیری کاهش یافته و توان ورودی افزایش زیادی خواهد داشت. کاهش راندمان حاصله نیز، در مقایسه با پمپ های جابجایی مشت، زیاد خواهد بود بطوری که پمپ های احیا کننده، به ندرت برای سیالاتی با ویسکوزیته بالا استفاده میشوند.

د) پمپ های روتاری

انواع مختلف پمپ های روتاری با لقی بسته، به ویژه برای سیالات ویسکوز و خالص با هر نوع درجه ویسکوزیته، بسیار مناسب می باشند. برخی از پمپ های رو تاری، از نوع ژاکت بخاری هستند، به طوری که ویسکوزیته سیال را کاهش داده و اجازه پمپاژ در توان های کم را می دهند. سیالاتی با ویسکوزیته SSU 2500، با انواع مختلفی از پمپ های روتاری پمپاژ می شوند؛ البته برای ویسکوزیته های بالاتر، معمولا طرح های ویژه ای مورد نیاز است. پمپهای روتاری توانایی پمپاژ سیالات ویسکوز و غیر ویسکوز شامل آب و بنزین، تفت سفید یا مهمان نفت چراغ، آمونیاک، گاز قرون و غیره… را دارند.

چنانچه دمای سیال پمپ شونده توسط پمپ های روتاری، از ۳۵۰ درجه فارنهایت بالأثر رود، باید از یک آب بند با ژاکت آبی استفاده شود. در دماهای بالاتر از ۴۵۰ درجه فاز نهایت، غالبا استفاده از پوسته آهنکاری شده یا چدنی توصیه می شود. در صورتی که ویسکوزیته سیال از SSU 36 فراتر رود، بسیاری از سازندگان توصیه می کنند که سرعت پمپ های روتاری کاهش یابد تا پمپ بتواند بدون سر و صدا با لرزش به کار خود ادامه دهد، زیرا سیال نمی تواند به سرعت به داخل محفظه جریان یافته و محفظه را کاملا پر نماید.

جدول ۱۱، کاهش های نمونه ای سرعت را که توسط یک سازنده توصیه شده نشان می دهد. با توجه به این جدول، پمپی که سیال روغنی با ویسکوزیته SSU10000 را در سرعت کاری rpm 800 پمپاژ می کند، باید در سرعت rpm 400 = (0.50) (800) – 800 ، کار کند. دبی پمپ، به طور مستقیم با سرعت پمپ تغییر خواهد کرد و برای این مثاله  نصف سرعت کاری خواهد بود

تأثیر ویسکوزیته بر مشخصه های هیدرولیکی

بر خلاف پمپ های گریز از مرکز، با افزایش ویسکوزیته، بازده پمپ های روتاری افزایش می یابد. افزایش بازده، ناشی از کاهش تلفات نشتی داخلی و یا به عبارتی افزایش بازده حجمیه است. سیالات ویسکوز با تشکیل لایه مرزی قدرتمند در اطراف لقی های بین پوسته و پره، آب بندی بهتری برای هدایت سیال به خروجی ایجاد می کنند. افزایش بازده حجمی، به افزایش دبی خروجی و یا در دبی ثابت، به افزایش فشار خروجی منجر می شود. بسته به اندازه پمپ، افزایش دیی، گاهی اوقات به بیش از ۲۵ درصد نیز خواهد رسید. اما باید به خاطر داشت که افزایش دبی، باعث افزایش توان جذبی پمپ نخواهد شد. در واقع افزایش راندمان پمپ، سبب افزایش دبی شده و در مجموع، توان جذبی ثابت است.

هوا یا گاز داخل سیال

بسیاری از سیالاتی که توسط پمپ های روتاری پمپاژ می شوند، حاوی گازهایی حل شده یا جای گرفته درون خود می باشند. برای مثال، مایعات روغنکاری در فشار و دمای اتمسفره ممکن است تا حداکثر ۱۰ درصد حجم خود حاوی هوا باشند. بنزین، تحت شرایطی مشابه ، ممکن است تا ۲۰٪ هوا داشته باشد. چنانچه فشار دریچه پمپ های روتاری، زیر فشار اتمسفر باشد، گاز حل شده یا جای گرفته درون سیال، منقبض شده و بخشی از حجم جا به جایی پمپ را اشغال می کند و در نتیجه، ظرفیت سیال را کاهش می دهد دبی سیال پمپ های روتاری از نظر تئوری، حداقل به نسبت مستقیم میزان هوا یا گاز موجود در فلنج دریچه ورودی پمپ، کاهش می یابد. کاهش واقعی دبی، حتی از این مقدار نیز بزرگ تر بوده و به میزان حجم لغزش پمپ و کاهش در فشار داخل پمپ بستگی دارد.

ه) پمپ های رفت و برگشتی

سیالات ویسکوز، سرعت پیستون پمپ های رفت و برگشتی نوع توانی و عمل مستقیم را کاهش می دهند. از آنجایی که دبی پمپ، تابعی از سرعت پیستون است، این پمپ ها ظرفیت کمتری را با سیالات ویسکوز نسبت به سیال آب به خروجی تحویل میدهند؛ زیرا سرعت پمپ، کم می باشد.