Меню

Насос и вязкость жидкости

  • 07.04.2025
  • Познавательное

Насос и вязкость жидкости: что учитывать при подборе

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:

ν (м²/с) = ν (сСт) × 10⁻⁶

Для перевода динамической вязкости из сП в Па·с:

μ (Па·с) = μ (сП) × 10⁻³

Связь между динамической и кинематической вязкостью:

ν = μ / ρ

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:

μ = μ₀ × e^(E/RT)

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:

lg lg(ν + 0.8) = A - B × lg T

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:

CQ = 1 - (3.34 × 10-6) × n0.5 × Q0.167 × ν

Коэффициент коррекции напора:

CH = 1 - (4.68 × 10-6) × n0.5 × Q0.167 × ν

Коэффициент коррекции КПД:

Cη = 1 - (9.84 × 10-6) × n0.5 × Q0.167 × ν

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:

Qвязк = Qвода × CQ
Hвязк = Hвода × CH
ηвязк = ηвода × Cη
Pвязк = ρвязк × g × Qвязк × Hвязк / (3600 × 1000 × ηвязк)

Расчет для объемных насосов

Для шестеренных и винтовых насосов влияние вязкости на характеристики можно рассчитать по следующим формулам:

Объемный КПД:

ηоб = 1 - Δ / (Qтеор + Δ × (μрабном)0.5)

Механический КПД:

ηмех = ηмех.ном / (1 + (1 - ηмех.ном) × (μрабном)0.7)

Потребляемая мощность:

P = ΔP × Q / (36 × ηоб × ηмех)

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:

Re = ρ × v × d / μ = v × d / ν

Коэффициент гидравлического трения в ламинарном режиме (Re < 2300):

λ = 64 / Re

Потери напора на трение:

hтрения = λ × (L / d) × (v² / (2g))

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.

  1. Скорость потока: v = Q / (π × d² / 4) = 10 / (3600 × π × 0.05² / 4) = 1.41 м/с
  2. Число Рейнольдса: Re = v × d / ν = 1.41 × 0.05 / (100 × 10⁻⁶) = 705 (ламинарный режим)
  3. Коэффициент трения: λ = 64 / Re = 64 / 705 = 0.091
  4. 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.

Заключение

Подбор насосного оборудования для перекачивания вязких жидкостей – сложная инженерная задача, требующая учета множества факторов. Наиболее важными из них являются:

  1. Тип и конструкция насоса – для разных диапазонов вязкости подходят различные типы насосов, от центробежных (для малых вязкостей) до объемных (для высоковязких сред).
  2. Корректировка рабочих характеристик – при расчете системы необходимо учитывать изменение напора, расхода и КПД насоса при работе с вязкими жидкостями.
  3. Температурный режим – поскольку вязкость сильно зависит от температуры, важно обеспечить оптимальный температурный режим перекачиваемой жидкости и предусмотреть возможность подогрева при необходимости.
  4. Гидравлические потери в системе – при расчете трубопроводов необходимо учитывать существенное возрастание потерь напора при перекачивании вязких сред.
  5. 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

  1. Карелин В.Я., Минаев А.В. "Насосы и насосные станции", 2-е изд., М.: Стройиздат, 2019.
  2. Ломакин А.А. "Центробежные и осевые насосы", М.: Машиностроение, 2017.
  3. Hydraulic Institute Standards for Centrifugal, Rotary & Reciprocating Pumps, 20th edition, 2020.
  4. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. "Конструкции и расчет центробежных насосов высокого давления", М.: Машиностроение, 2018.
  5. Технические каталоги и рекомендации производителей насосного оборудования, 2022-2024.
  6. Громаковский Д.Г. "Насосы и насосные станции для перекачки нефтепродуктов", Самара, 2020.
  7. 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 сейчас

© 2025 Компания Иннер Инжиниринг. Все права защищены.

Появились вопросы?

Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.