Como a viscosidade afeta o bombeamento
Para entender como a viscosidade de um líquido afeta um sistema de bombeamento, é importante entender o que a viscosidade representa. Por definição, a viscosidade é a propriedade de um líquido que faz com que ele ofereça resistência ao estresse de cisalhamento, como o causado pelo fluxo de líquido, principalmente na área da parede do tubo.
A imagem 1 ilustra isso mostrando o perfil de velocidade de um líquido em relação a uma superfície limite estática. Na superfície limite estática ou na parede do tubo, a velocidade do líquido é zero. À medida que a distância aumenta da superfície estática, a velocidade do líquido aumenta. A força por unidade de área é uma função do gradiente de velocidade v/d, que é a velocidade máxima do fluido, v, dividida pela distância, d, da superfície estática.
A viscosidade absoluta, μ (Mu), é o quociente da tensão de cisalhamento (ou força por unidade de área) dividida pela taxa de cisalhamento. É comum expressar a viscosidade em relação à sua densidade, o que é conhecido como viscosidade cinemática. A viscosidade cinemática é designada pela letra grega ν (Nu). Uma maneira comum de medir a viscosidade cinemática é o Saybolt Seconds Universal (SSU) (consulte a Imagem 2). Refere-se ao tempo que uma quantidade medida de líquido a uma temperatura específica leva para drenar de um recipiente com um orifício medido no fundo. Por exemplo, a água tem uma viscosidade de aproximadamente 31 SSU a 60 graus Fahrenheit (F). Em comparação, os óleos lubrificantes leves podem ter uma viscosidade de 100 ou 200 SSU. Óleos lubrificantes mais viscosos têm viscosidades na casa dos milhares de SSU, e fluidos extremamente viscosos - alcatrão pesado,
Tipos de bomba
Dependendo do tipo de bomba, o impacto da viscosidade do líquido é diferente. Veremos especificamente três tipos de bombas: centrífugas (Imagem 3), alternativas (Imagem 4) e rotativas (Imagem 5).
As bombas alternativas e rotativas estão dentro da família de deslocamento positivo (PD). As bombas PD deslocam um determinado volume a cada revolução do eixo, menos qualquer vazamento volumétrico (escorregamento).
Uma bomba centrífuga está dentro da família de bombas rotodinâmicas. As bombas rotodinâmicas são máquinas cinéticas nas quais a energia é transmitida continuamente ao fluido bombeado por meio de um impulsor rotativo, hélice ou rotor. O tipo mais comum de bomba rotodinâmica é do tipo centrífuga (radial). Nas bombas centrífugas, o líquido entra no impulsor axialmente pelo olho do impulsor e progride radialmente entre as palhetas até sair pelo diâmetro externo e ser coletado em um difusor ou em um arranjo de voluta conforme mostrado na Figura 3. É importante considerar como esses tipos de bombas são diferentes e a física envolvida porque essas disparidades resultam em operação significativamente diferente em relação a líquidos viscosos.
Considerações sobre o bombeamento viscoso da bomba centrífuga
É padrão da indústria testar o desempenho de bombas centrífugas com água limpa de acordo com ANSI/HI 14.6 Bombas rotodinâmicas para testes de desempenho hidráulico. O desempenho de uma bomba centrífuga é afetado ao manusear líquidos viscosos devido ao aumento do atrito quando o impulsor gira e à resistência ao fluxo em comparação com o teste de água. Um aumento acentuado na potência de entrada devido à eficiência reduzida e uma redução na altura manométrica e na taxa de fluxo ocorre com líquidos viscosos em comparação com a água.
A curva de desempenho na Imagem 6 mostra o desempenho da água e o desempenho viscoso corrigido para o líquido de aplicação, que tem uma viscosidade de 1.000 SSU e gravidade específica de 0,9. Os dados viscosos devem ser corrigidos a partir do teste de desempenho da água de acordo com o padrão do Hydraulic Institute ANSI/HI 9.6.7 Efeitos da viscosidade do líquido no desempenho da bomba rotodinâmica. ANSI/HI 9.6.7 foi usado para corrigir o desempenho conforme mostrado na Imagem 6. Este padrão prescreve um método empírico baseado em dados de teste disponíveis em fontes de todo o mundo.
O método HI permite que os usuários e projetistas de bombas estimem o desempenho de uma bomba rotodinâmica específica em líquidos de viscosidade conhecida, considerando o desempenho na água. O procedimento é importante para que a bomba e o acionador adequados sejam selecionados para uma operação necessária em líquidos viscosos. Não mostrado na Imagem 6, mas também uma preocupação é o aumento da carga de sucção positiva líquida necessária (NPSH), onde uma perda de carga de 3% é observada (NPSH3), bem como o aumento do torque de partida necessário com líquidos viscosos. A consideração para isso é descrita em ANSI/HI 9.6.7.
Observe a queda acentuada de eficiência de quase 80 por cento na água para aproximadamente 50 por cento em 1.000 SSU para a bomba na Imagem 6. Por esse motivo, o uso de bombas centrífugas pode ser limitado quando as viscosidades estiverem acima dos níveis que resultam em eficiência inaceitável e, em vez disso, PD bombas podem oferecer uma solução melhor.
Considerações sobre bombeamento viscoso da bomba PD
As bombas PD são inerentemente diferentes das bombas centrífugas porque movem um volume de líquido por deslocamento para cada revolução do eixo. Isso geralmente fornece resultados favoráveis ao bombear líquidos viscosos. A eficiência volumétrica de uma bomba PD é o volume real por revolução do eixo sobre o volume teórico por revolução do eixo. A diferença entre os dois volumes é resultado do escoamento de vazamento conhecido como deslizamento. A maior viscosidade de um líquido realmente reduz a quantidade de deslizamento e aumenta a eficiência volumétrica de uma bomba de deslocamento positivo.
As curvas na Figura 7 ilustram como a capacidade das bombas de deslocamento positivo varia com a velocidade (constante de pressão), pressão (constante de velocidade) e viscosidade. Eles são destinados apenas como uma representação do conceito. As curvas mostram que a capacidade teórica é diretamente proporcional à velocidade. A diferença entre a capacidade teórica e a capacidade entregue é o “escorregamento” da bomba para uma dada viscosidade. O deslizamento interno é afetado pela viscosidade e pressão e causa um desvio da capacidade de entrega do teórico.
A viscosidade do fluido da bomba também afeta a pressão líquida de entrada positiva necessária (NPIPR) e a potência de entrada das bombas de deslocamento positivo. A potência teórica é proporcional à velocidade e à pressão. As perdas por atrito devido à viscosidade do fluido bombeado fazem com que a potência de entrada aumente acima da potência teórica. A imagem 8 mostra como a potência pode aumentar e a imagem 9 mostra geralmente como o NPIPR aumentará com a viscosidade.
As bombas PD recíprocas são usadas em aplicações para uma variedade de viscosidades. Normalmente, as bombas de potência recíprocas podem lidar com viscosidades de fluido de 5.000 SSU e as bombas alternativas de pistão operadas a ar podem lidar com viscosidades de fluido de 1 milhão de SSU.
Em tecnologias e aplicações selecionadas, as bombas rotativas PD também podem lidar com líquidos desde água até líquidos viscosos, mas encontram aplicações mais típicas em fluidos viscosos. Existem muitos tipos de bombas rotativas e as capacidades de bombeamento viscoso variam de acordo com o projeto. Em geral, o fluxo e a eficiência volumétrica em uma bomba rotativa geralmente aumentam com a viscosidade, e alguns tipos de bombas rotativas podem lidar com fluidos com viscosidades de vários milhões de SSU.
As generalidades fornecidas aqui para bombeamento viscoso alternativo e rotativo não são absolutas, e projetos específicos podem alterar significativamente as capacidades, portanto, os usuários devem consultar o fabricante da bomba de perto para obter recomendações específicas. Informações adicionais sobre bombeamento viscoso para bombas de deslocamento positivo podem ser encontradas nas seguintes normas: ANSI/HI 3.1-3.5 Bombas rotativas para nomenclatura, definições, aplicação e operação; ANSI/HI 6.1-6.5 Bombas de força recíproca para nomenclatura, definições, aplicação e operação; ANSI/HI 7.1-7.5 Bombas de medição de volume de controle para nomenclatura, definições, aplicação e operação; ANSI/HI 10.1-10.5 Bombas operadas a ar para nomenclatura, definições, aplicação e operação.