Como fazer correções de viscosidade para bombas centrífugas
Pense novamente se você estiver bombeando fluidos espessos usando as curvas de desempenho da bomba de água.
A viscosidade é uma propriedade fundamental de um líquido. É a resistência de um fluido ao fluxo e é maior para fluidos mais espessos. Por exemplo, um fluido com alta viscosidade, como xarope de bordo, é mais espesso e resiste mais ao fluxo quando comparado a um fluido com viscosidade mais baixa, como água.
Normalmente, os fabricantes de bombas usam água para obter os valores das curvas de desempenho de suas bombas, mesmo que o serviço pretendido da bomba seja para um fluido com propriedades diferentes da água. Mas o que acontece quando a viscosidade do fluido se desvia significativamente da água? É aqui que os engenheiros precisam ajustar as curvas de desempenho da bomba para levar em conta a diferença de viscosidade entre a água e o fluido real na bomba.
As curvas de desempenho da bomba descrevem a altura manométrica adicionada a um fluido, a potência da bomba e a carga líquida positiva de sucção necessária (NPSHr) em uma variedade de diferentes taxas de vazão volumétrica. Devido à importância do desempenho da bomba centrífuga em cada indústria de fluidos, é imperativo que correções precisas sejam usadas quando uma bomba centrífuga usa um fluido mais espesso do que o que o fabricante da bomba usou para avaliar o desempenho. Um fluido mais viscoso geralmente experimentará uma diminuição na vazão volumétrica, altura manométrica e eficiência em comparação com a água na mesma velocidade da bomba. Da mesma forma, a potência da bomba e o NPSHr aumentam à medida que a viscosidade aumenta.
Os fabricantes de bombas que fornecem apenas curvas de desempenho de água para bombas devem considerar fornecer curvas de desempenho para fluidos mais espessos. Os engenheiros que corrigem as curvas de desempenho da água ao bombear fluidos mais espessos devem considerar o uso das diretrizes do American National Standards Institute/Hydraulic Institute (ANSI/HI) 9.6.7-2015.
Embora seja preferível usar os dados reais da curva de desempenho dos fabricantes de bombas para fluidos mais espessos, o ANSI/HI 9.6.7-2015 fornece uma diretriz comumente usada para corrigir o desempenho da bomba com base na viscosidade. Esta diretriz tem uma quantidade aceitável de incerteza, mas é imperativo entender as incertezas deste método para garantir sua correta aplicação em sistemas de bombeamento. Este artigo resume as descobertas técnicas e a discussão sobre por que a diretriz é aceitável apesar das incertezas.
As correções de viscosidade dependem de métodos empíricos usando dados de teste para contabilizar adequadamente o desempenho de uma bomba quando o fluido de serviço tem uma viscosidade diferente do fluido de referência, normalmente água. Tal como acontece com muitos métodos empíricos, a incerteza existe inevitavelmente e se enquadra em uma das seguintes categorias:
O uso de um número adimensional para caracterizar fenômenos complexos
O conjunto de dados limitado usado para criar o modelo empírico
A confiabilidade do equipamento de medição de dados
Antes de entrar em mais detalhes, vale a pena discutir por que o desempenho diminui ao bombear um fluido viscoso.
Intuitivamente, um fluido mais espesso sofrerá maiores perdas hidráulicas. Uma viscosidade aumentada produz um número de Reynolds diminuído, o que aumenta o fator de atrito e as perdas. Embora a geometria de um impulsor de bomba seja diferente e mais complexa do que a de um tubo, o mesmo princípio se aplica. O aumento do atrito dentro da bomba diminuirá a quantidade de carga que a bomba pode fornecer. Embora esta seja apenas uma estimativa das perdas complexas, o número de Reynolds fornece uma estimativa proporcional.
Uma bomba centrífuga converte a energia cinética rotacional do impulsor da bomba em energia hidrodinâmica do fluido. As forças de cisalhamento no fluido entre o rotor giratório e a carcaça da bomba estacionária geram resistência ao atrito chamada atrito do disco. Essa resistência ao atrito é normalmente a principal causa da eficiência reduzida da bomba durante a operação normal. Usando o número de Reynolds novamente, um aumento na viscosidade produz um número de Reynolds maior e, portanto, uma resistência maior, o que resulta em maior consumo de energia. Os engenheiros podem usar o número de Reynolds emparelhado com a velocidade específica da bomba para estimar o atrito do disco. A fricção do disco é uma interação complexa; então, novamente, estimar esses efeitos com dois parâmetros adimensionais inerentemente tem precisão limitada para todas as aplicações.
Considerando as duas perdas por atrito anteriores, hidráulica e de disco, as perdas de energia devido ao atrito geralmente se convertem em calor, resultando em um aumento da temperatura do fluido. O aumento da temperatura do fluido afeta a viscosidade do fluido, o que também afeta o desempenho da bomba. Isso explica porque bombas em sistemas com fluidos viscosos têm comportamentos diferentes em uma partida a frio em comparação com uma operação estável.
Para explicar os efeitos que um fluido viscoso tem no desempenho da bomba, um engenheiro pode usar fatores de correção gerais para altura manométrica, vazão volumétrica e eficiência, mostrados na Equação 1. Um número adimensional chamado B ajuda a prever o componente viscoso de cada fator de correção. O parâmetro B incorpora os efeitos do número de Reynolds e a velocidade específica da bomba, por razões de perda por atrito discutidas acima. O parâmetro B também informa a faixa de aplicabilidade das correções. Por exemplo, quando B for maior que 40, será necessária uma análise de perda adicional para determinar se os fatores de correção ainda são confiáveis.
Equação 1
Um engenheiro pode usar os fatores de correção para ajustar a curva de desempenho da bomba dos valores obtidos usando água para uma curva prevista de como a bomba funcionará com o fluido viscoso. O método ANSI/HI 9.6.7-2015 calcula os fatores de correção para vazão volumétrica (CQ) e eficiência (CE) e assume que esses valores são constantes em todas as vazões analisadas para a bomba e fluido de interesse. Para o fator de correção de carga (CH), o método assume que a carga de fechamento da bomba não depende da viscosidade do fluido e será o mesmo valor para água e fluido viscoso.
Além disso, o método assume que os fatores de correção de vazão e carga, CQ e CH, são iguais no ponto de melhor eficiência da água (BEP). Com essas restrições em mente, o fator de correção de carga é uma função do fator de correção da vazão volumétrica, CQ, e a razão da vazão de água em relação à vazão BEP, QW / QBEP-W.
Vários pesquisadores avaliaram esses fatores de correção em uma variedade de configurações diferentes para comparar a pressão e a potência previstas para uma bomba com fluido viscoso com os dados de teste reais do fluido viscoso na bomba. Embora existam desvios, os valores reais e previstos diferem com base na vazão e na viscosidade do fluido, na maioria dos casos os valores testados concordam com os valores previstos.
Os pesquisadores atribuem parte do desvio à incerteza que vem dos instrumentos de medição, que é difícil de quantificar.
A diretriz ANSI/HI 9.6.7-2015 é baseada em dados de teste para as seguintes bombas e fluidos. Assim, a diretriz geralmente é aplicável apenas para sistemas que se enquadram nessas restrições.
bombas simples e multiestágio
rotores fechados e abertos
velocidades específicas de 310 a 2.330 unidades dos EUA (6 a 45 métrica)
viscosidade cinemática de 1 a 3.000 centistokes (cSt)
diâmetros do rotor de 5,5 a 16 polegadas (140 a 406 milímetros [mm])
fluxo de água BEP de 32 a 1.230 galões por minuto (gpm) (7,2 a 280 metros cúbicos por hora [m3/h])
cabeça BEP de água de 30 a 427 pés (9 a 130 metros)
eficiência do BEP da água de 28% a 86%
IMAGEM 1: Dados de teste (pontos) com intervalos de previsão de 80% (linhas tracejadas) (Imagens cortesia de Applied Flow Technology)
Representando graficamente os dados de teste dos quais os fatores de correção foram baseados versus o parâmetro B, a pesquisa mostra que a maioria dos pontos de dados de teste está dentro de um intervalo de previsão de 80%, conforme mostrado na Imagem 1. No entanto, bombas com o mesmo parâmetro B podem ter um gama de diferentes pontos de desempenho viscoso. A representação gráfica de dados experimentais independentes suporta a mesma tendência geral mostrada na Imagem 1.
Na maioria dos sistemas de bombeamento, as correções ANSI/HI fornecerão previsões aceitavelmente precisas para o desempenho da bomba viscosa, especialmente porque os engenheiros incluem vários fatores de segurança e margens de erro, como costumam fazer. Para situações que exigem uma estimativa mais conservadora, um engenheiro pode contabilizar os desvios padrão dos fatores de correção. Inclua o desvio padrão diminuindo o fator de correção de carga em 0,1 e o fator de eficiência em 0,15, o que resultará em uma bomba e motor maiores.
As diretrizes de viscosidade ANSI/HI são amplamente utilizadas. Na verdade, o feedback indica que o uso das correções não resulta em bombas de tamanho incorreto para a maioria das aplicações. Independentemente disso, os engenheiros que projetam sistemas com fluidos mais espessos devem entender as incertezas e limitações das correções.