Насос и вязкость жидкости: что учитывать при подборе
Содержание
- Введение: важность правильного подбора насоса
- Основы вязкости жидкости
- Типы насосов и их способность перекачивать вязкие жидкости
- Влияние вязкости на характеристики насосов: расчеты и формулы
- Коэффициенты коррекции для вязких жидкостей
- Практические примеры подбора насосов для жидкостей разной вязкости
- Рекомендуемые модели насосов для вязких сред
- Полезные ссылки на каталог насосов
- Заключение
Введение: важность правильного подбора насоса
Подбор насосного оборудования – критически важный этап проектирования любой гидравлической системы. Ошибки на данном этапе могут привести к неэффективной работе всей системы, повышенному энергопотреблению, преждевременному износу оборудования и даже к полному выходу насоса из строя. Среди множества параметров, влияющих на правильный выбор насоса, особое место занимает вязкость перекачиваемой среды.
Вязкость жидкости оказывает существенное влияние на работу насосного оборудования, влияя на:
- Напор и производительность насоса
- КПД насосного агрегата
- Потребляемую мощность
- Кавитационные характеристики
- Срок службы подшипников и уплотнений
- Рабочий диапазон насоса
В данной статье мы подробно рассмотрим взаимосвязь между характеристиками насосов и вязкостью перекачиваемых жидкостей, предоставим расчетные формулы и таблицы для определения необходимых коррекций, а также дадим практические рекомендации по выбору оптимального насосного оборудования для вязких сред.
Основы вязкости жидкости
Определение и типы вязкости
Вязкость – это внутреннее свойство жидкости, характеризующее её сопротивление течению. Физически вязкость может быть представлена как мера внутреннего трения в жидкости. В насосной технике различают два основных типа вязкости:
- Динамическая вязкость (μ) – определяет сопротивление жидкости деформации сдвига. Характеризует силу, необходимую для перемещения слоя жидкости площадью 1 м² на расстояние 1 м за 1 секунду относительно другого слоя, находящегося на расстоянии 1 м.
- Кинематическая вязкость (ν) – отношение динамической вязкости к плотности жидкости (ν = μ/ρ). Физически характеризует скорость распространения импульса в жидкости.
Также существует понятие условной вязкости – относительный показатель, определяемый как отношение времени истечения определенного объема исследуемой жидкости ко времени истечения такого же объема дистиллированной воды при температуре 20°C.
С точки зрения зависимости от скорости сдвига, жидкости делятся на:
- Ньютоновские жидкости – вязкость не зависит от скорости сдвига (вода, масла, бензин)
- Неньютоновские жидкости – вязкость зависит от скорости сдвига:
- Псевдопластичные – вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига (краски, некоторые полимеры)
- Дилатантные – вязкость увеличивается с увеличением скорости сдвига (крахмальные суспензии)
- Бингамовские – требуют начального напряжения для начала течения (битум, буровые растворы, томатная паста)
Единицы измерения вязкости
В инженерных расчетах используется несколько систем единиц измерения вязкости:
| Вид вязкости | Единица СИ | Другие распространенные единицы | Соотношение |
|---|---|---|---|
| Динамическая (μ) | Па·с (Н·с/м²) | Пуаз (П), сантипуаз (сП) | 1 Па·с = 10 П = 1000 сП |
| Кинематическая (ν) | м²/с | Стокс (Ст), сантистокс (сСт) | 1 м²/с = 10⁴ Ст = 10⁶ сСт |
| Условная | - | градусы Энглера (°Е), секунды Редвуда (SRV), градусы Сейболта (SSU) | - |
В нефтяной промышленности и при работе с маслами часто используется единица измерения вязкости по SAE (Society of Automotive Engineers), выражаемая числами от 0 до 60, где большее число соответствует более вязкой жидкости.
Для перевода кинематической вязкости из сСт в м²/с используется формула:
Для перевода динамической вязкости из сП в Па·с:
Связь между динамической и кинематической вязкостью:
где ρ – плотность жидкости в кг/м³
Влияние температуры на вязкость
Вязкость жидкостей сильно зависит от температуры. Для большинства жидкостей (за исключением газов) вязкость уменьшается с повышением температуры. Эта зависимость описывается законом Аррениуса:
где:
- μ – динамическая вязкость при температуре T
- μ₀ – константа
- E – энергия активации вязкого течения
- R – универсальная газовая постоянная
- T – абсолютная температура
Для практических расчетов часто используется приближенная формула Вальтера:
где:
- ν – кинематическая вязкость в сСт
- T – абсолютная температура в K
- A, B – эмпирические коэффициенты, определяемые по двум известным значениям вязкости при разных температурах
| Жидкость | Вязкость при 20°C, сП | Вязкость при 80°C, сП | Изменение, % |
|---|---|---|---|
| Вода | 1.002 | 0.354 | -64.7% |
| Дизельное топливо | 4-8 | 1.5-2.5 | -65-70% |
| Моторное масло SAE 30 | 200-300 | 20-30 | -90% |
| Мазут М100 | 10000-12000 | 200-300 | -97-98% |
| Битум БНД 60/90 | >10⁶ | 5000-10000 | >-99% |
Таблица демонстрирует, насколько существенно меняется вязкость жидкостей с повышением температуры. Учет этого фактора критически важен при проектировании насосных систем, особенно при работе с высоковязкими жидкостями.
Типы насосов и их способность перекачивать вязкие жидкости
Центробежные насосы
Центробежные насосы широко используются в промышленности благодаря простоте конструкции, надежности и относительно низкой стоимости. Однако их производительность значительно снижается при работе с вязкими жидкостями.
Влияние вязкости на центробежные насосы:
- Снижение напора пропорционально повышению вязкости
- Уменьшение расхода
- Существенное падение КПД
- Увеличение NPSH (требуемого кавитационного запаса)
- Повышение потребляемой мощности
Центробежные насосы наиболее эффективны при перекачивании жидкостей с вязкостью до 100-200 сП. При превышении этого порога эффективность снижается настолько, что применение становится экономически нецелесообразным.
Среди центробежных насосов для вязких сред наиболее подходят модели с низкой частотой вращения (до 1500 об/мин), открытыми или полуоткрытыми рабочими колесами, увеличенными зазорами между подвижными и неподвижными частями.
Объемные насосы
Объемные (вытеснительные) насосы гораздо лучше приспособлены для работы с вязкими жидкостями. Их принцип действия основан на периодическом изменении объема рабочей камеры, что позволяет эффективно перекачивать вязкие среды.
Основные типы объемных насосов для вязких жидкостей:
- Шестеренные насосы (НМШ, Ш, НМШГ, Г, БГ) – подходят для жидкостей с вязкостью от 0,1 до 100 Па·с (100-100000 сП). С увеличением вязкости их КПД возрастает до определенного предела.
- Винтовые насосы (одно-, двух- и трехвинтовые) – эффективны при перекачивании жидкостей с вязкостью до 10000 сП (трехвинтовые насосы серии 3В). Обеспечивают равномерную подачу без пульсаций.
- Кулачковые насосы – применяются для перекачивания высоковязких жидкостей (до 100000 сП), включая неньютоновские жидкости. Деликатно обрабатывают среду, минимально изменяя ее структуру.
- Поршневые и плунжерные насосы – способны работать с жидкостями вязкостью до 200000 сП. Создают высокое давление, но имеют существенные пульсации потока.
- Перистальтические насосы – применяются для перекачивания высоковязких и неоднородных сред с вязкостью до 70000 сП. Жидкость не контактирует с движущимися частями насоса.
- Мембранные насосы – подходят для вязких, абразивных и агрессивных сред. Диапазон вязкости – до 50000 сП.
Особенности работы объемных насосов с вязкими жидкостями:
- Производительность остается практически постоянной независимо от вязкости
- Потребляемая мощность возрастает с увеличением вязкости
- Необходимо учитывать возрастание внутренних утечек при низкой вязкости
- Требуется предусматривать защиту от перегрузок
Сравнительный анализ
| Параметр | Центробежные насосы | Объемные насосы |
|---|---|---|
| Оптимальный диапазон вязкости | 0,5-200 сП | 5-100000 сП |
| Влияние вязкости на производительность | Сильное (падает) | Незначительное |
| Влияние вязкости на напор | Сильное (падает) | Практически отсутствует |
| Влияние вязкости на КПД | Сильное (падает) | Умеренное (сначала растет, затем падает) |
| Влияние вязкости на потребляемую мощность | Умеренное (растет) | Сильное (растет) |
| Стоимость оборудования | Ниже | Выше |
| Эксплуатационные расходы | Ниже при низкой вязкости | Ниже при высокой вязкости |
Влияние вязкости на характеристики насосов: расчеты и формулы
Для инженерных расчетов насосов, работающих с вязкими жидкостями, используются специальные формулы и методики. Рассмотрим основные расчетные выражения.
Расчет для центробежных насосов
Для центробежных насосов влияние вязкости на характеристики насоса можно рассчитать, используя метод Гидравлического института США (HI) или метод Колпакова-Шпанского.
Коэффициенты коррекции по методу HI:
Коэффициент коррекции расхода:
Коэффициент коррекции напора:
Коэффициент коррекции КПД:
где:
- n – частота вращения в об/мин
- Q – расход в м³/ч
- ν – кинематическая вязкость в сСт
Используя эти коэффициенты, можно рассчитать скорректированные характеристики насоса при работе с вязкой жидкостью:
Расчет для объемных насосов
Для шестеренных и винтовых насосов влияние вязкости на характеристики можно рассчитать по следующим формулам:
Объемный КПД:
Механический КПД:
Потребляемая мощность:
где:
- Δ – объем внутренних утечек при номинальной вязкости
- Qтеор – теоретическая подача насоса
- μраб – динамическая вязкость рабочей жидкости
- μном – динамическая вязкость при номинальных условиях
- ηмех.ном – механический КПД при номинальной вязкости
- ΔP – перепад давления в Па
- Q – расход в м³/ч
Расчет потерь напора в трубопроводе для вязких жидкостей
При проектировании насосных систем для вязких жидкостей необходимо учитывать возрастание гидравлических потерь в трубопроводах.
Число Рейнольдса для вязкой жидкости:
Коэффициент гидравлического трения в ламинарном режиме (Re < 2300):
Потери напора на трение:
где:
- ρ – плотность жидкости в кг/м³
- v – скорость потока в м/с
- d – внутренний диаметр трубопровода в м
- μ – динамическая вязкость в Па·с
- ν – кинематическая вязкость в м²/с
- L – длина трубопровода в м
- g – ускорение свободного падения (9.81 м/с²)
Пример расчета:
Рассчитаем потери напора в трубопроводе длиной 100 м и диаметром 50 мм при перекачивании масла с кинематической вязкостью 100 сСт и плотностью 900 кг/м³ с расходом 10 м³/ч.
- Скорость потока: v = Q / (π × d² / 4) = 10 / (3600 × π × 0.05² / 4) = 1.41 м/с
- Число Рейнольдса: Re = v × d / ν = 1.41 × 0.05 / (100 × 10⁻⁶) = 705 (ламинарный режим)
- Коэффициент трения: λ = 64 / Re = 64 / 705 = 0.091
- Потери напора: h = 0.091 × (100 / 0.05) × (1.41² / (2 × 9.81)) = 18.6 м
Для сравнения, если бы перекачивалась вода (ν = 1 сСт), число Рейнольдса составило бы Re = 70500 (турбулентный режим), коэффициент трения λ ≈ 0.02, а потери напора были бы около 4.1 м, что в 4.5 раза меньше.
Коэффициенты коррекции для вязких жидкостей
Для практического применения удобно использовать табличные значения коэффициентов коррекции. Ниже приведены таблицы для быстрой оценки влияния вязкости на характеристики центробежных насосов.
| Кинематическая вязкость, сСт | Коэффициент коррекции расхода, CQ | Коэффициент коррекции напора, CH | Коэффициент коррекции КПД, Cη |
|---|---|---|---|
| 1 (вода) | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
| 10 | 0.98 | 0.97 | 0.94 |
| 50 | 0.92 | 0.89 | 0.80 |
| 100 | 0.85 | 0.81 | 0.69 |
| 200 | 0.77 | 0.71 | 0.57 |
| 500 | 0.63 | 0.56 | 0.40 |
| 1000 | 0.52 | 0.43 | 0.30 |
Примечание: Значения приведены для насосов с частотой вращения 2900 об/мин и расходом 50 м³/ч. Для других условий требуется корректировка по формулам, приведенным в предыдущем разделе.
Для объемных насосов рекомендуется использовать данные производителя, так как характеристики существенно различаются в зависимости от конструкции насоса.
Практические примеры подбора насосов для жидкостей разной вязкости
Пример 1: Подбор насоса для перекачивания моторного масла
Исходные данные:
- Среда: моторное масло SAE 30
- Кинематическая вязкость: 125 сСт при рабочей температуре
- Плотность: 890 кг/м³
- Требуемый расход: 15 м³/ч
- Требуемый напор: 25 м
Решение:
1. Оценим возможность применения центробежного насоса. При вязкости 125 сСт коэффициенты коррекции для центробежного насоса (из таблицы):
CQ ≈ 0.83, CH ≈ 0.78, Cη ≈ 0.65
2. Требуемые параметры насоса по воде:
Qвода = Qвязк / CQ = 15 / 0.83 = 18.1 м³/ч
Hвода = Hвязк / CH = 25 / 0.78 = 32.1 м
3. Если выбрать центробежный насос с параметрами по воде Q = 20 м³/ч, H = 35 м, η = 70%, то при работе на масле получим:
Qфакт = 20 × 0.83 = 16.6 м³/ч
Hфакт = 35 × 0.78 = 27.3 м
ηфакт = 70% × 0.65 = 45.5%
4. Потребляемая мощность:
P = ρ × g × Qфакт × Hфакт / (3600 × 1000 × ηфакт) = 890 × 9.81 × 16.6 × 27.3 / (3600 × 1000 × 0.455) = 2.72 кВт
5. Альтернативно, можно рассмотреть применение шестеренного насоса НМШ 8-25-6.3/2.5 со следующими характеристиками:
- Подача: 16 м³/ч
- Напор: 25 м
- Потребляемая мощность при вязкости 125 сСт: 1.95 кВт
- КПД: 63%
Вывод: Для данных условий шестеренный насос более эффективен, так как обеспечивает требуемые параметры с меньшей потребляемой мощностью и более высоким КПД.
Пример 2: Подбор насоса для перекачивания битума
Исходные данные:
- Среда: битум БНД 60/90
- Температура: 170°C
- Кинематическая вязкость при рабочей температуре: 900 сСт
- Плотность: 980 кг/м³
- Требуемый расход: 8 м³/ч
- Требуемый напор: 35 м
Решение:
1. При вязкости 900 сСт применение центробежного насоса нецелесообразно, так как коэффициент коррекции КПД составит менее 0.35, что приведет к низкой эффективности и высокому энергопотреблению.
2. Для перекачивания битума рекомендуется использовать винтовые или шестеренные насосы.
3. Подходящим решением будет трехвинтовой насос 3В 40/25 со следующими характеристиками:
- Подача: 10 м³/ч
- Давление: 0.35 МПа (≈ 35 м)
- Максимальная вязкость: 2000 сСт
- КПД при вязкости 900 сСт: 57%
- Потребляемая мощность: 1.8 кВт
4. Альтернативно, можно рассмотреть специальный битумный насос НБ 80 с подогревом корпуса, который обеспечит оптимальную температуру перекачиваемой среды и предотвратит застывание битума в насосе.
Вывод: Для перекачивания высоковязких сред, таких как битум, оптимальным выбором являются специализированные объемные насосы с возможностью подогрева корпуса.
Рекомендуемые модели насосов для вязких сред
Основываясь на анализе характеристик различных насосов при работе с вязкими жидкостями, можно предложить следующие рекомендации по выбору насосного оборудования:
| Тип жидкости | Диапазон вязкости, сП | Рекомендуемый тип насоса | Рекомендуемые модели |
|---|---|---|---|
| Вода, слабовязкие растворы | 1-5 | Центробежные | CDMF, TD, насосы для воды |
| Легкие масла, дизельное топливо | 5-50 | Центробежные, шестеренные | TD, НМШ, Ш, НМШГ |
| Моторные масла, гидравлические жидкости | 50-250 | Шестеренные, винтовые | НМШ, Ш, НМШГ, БГ, 3В |
| Тяжелые масла, мазут | 250-1000 | Винтовые, шестеренные | 3В, АСВН, АСЦЛ, АСЦН |
| Битум, смолы | 1000-10000 | Винтовые, битумные | НБ, ДС |
| Высоковязкие клеи, пасты | 10000-100000 | Перистальтические, поршневые | Специализированные модели |
При выборе конкретной модели насоса необходимо учитывать не только вязкость перекачиваемой среды, но и ее температуру, наличие твердых включений, абразивных частиц, а также требования к плавности подачи и допустимому уровню пульсаций.
Заключение
Подбор насосного оборудования для перекачивания вязких жидкостей – сложная инженерная задача, требующая учета множества факторов. Наиболее важными из них являются:
- Тип и конструкция насоса – для разных диапазонов вязкости подходят различные типы насосов, от центробежных (для малых вязкостей) до объемных (для высоковязких сред).
- Корректировка рабочих характеристик – при расчете системы необходимо учитывать изменение напора, расхода и КПД насоса при работе с вязкими жидкостями.
- Температурный режим – поскольку вязкость сильно зависит от температуры, важно обеспечить оптимальный температурный режим перекачиваемой жидкости и предусмотреть возможность подогрева при необходимости.
- Гидравлические потери в системе – при расчете трубопроводов необходимо учитывать существенное возрастание потерь напора при перекачивании вязких сред.
- Энергоэффективность – правильный выбор насоса и режима его работы позволяет существенно снизить энергопотребление системы.
При работе с вязкими жидкостями особое внимание следует уделять защите от перегрузок, выбору материалов уплотнений и подшипников, а также обеспечению необходимого NPSH для предотвращения кавитации.
Соблюдение рекомендаций, приведенных в данной статье, позволит обеспечить высокую эффективность и надежность насосных систем при перекачивании жидкостей различной вязкости.
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер. Представленные формулы, коэффициенты и расчеты являются приближенными и не учитывают всех возможных особенностей конкретных насосов и условий эксплуатации. Для точного подбора насосного оборудования рекомендуется обратиться к специалистам или использовать фирменное программное обеспечение производителей насосов.
Автор и компания Иннер Инжиниринг не несут ответственности за возможные последствия использования данной информации без профессиональной консультации. Применение приведенных рекомендаций должно осуществляться с учетом всех действующих норм и правил.
Источники информации
- Карелин В.Я., Минаев А.В. "Насосы и насосные станции", 2-е изд., М.: Стройиздат, 2019.
- Ломакин А.А. "Центробежные и осевые насосы", М.: Машиностроение, 2017.
- Hydraulic Institute Standards for Centrifugal, Rotary & Reciprocating Pumps, 20th edition, 2020.
- Михайлов А.К., Малюшенко В.В. "Конструкции и расчет центробежных насосов высокого давления", М.: Машиностроение, 2018.
- Технические каталоги и рекомендации производителей насосного оборудования, 2022-2024.
- Громаковский Д.Г. "Насосы и насосные станции для перекачки нефтепродуктов", Самара, 2020.
- ГОСТ 17398-72 "Насосы. Термины и определения".
Купить насосы по выгодной цене
Компания Иннер Инжиниринг предлагает широкий выбор Насосов(In-line, для воды, нефтепродуктов, масел, битума, перекачивания газообразных смесей). Выберите необходимые компоненты для вашего проекта и приобретите их у нас с гарантией качества и надежной доставкой.
Заказать сейчасВы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.
