Uma expressão frequentemente dita na indústria de bombas é que a viscosidade é a Kryptonita das bombas centrífugas. Perdoe a alusão ao Super-Homem, mas é uma referência com a qual a maioria de nós não apenas se identifica, mas também entende. Além disso, os fluidos viscosos têm um efeito negativo e de enfraquecimento no desempenho da bomba centrífuga.

A viscosidade é uma medida da resistência de um fluido ao fluxo a uma determinada temperatura. Você também pode pensar nisso como fricção fluida. Uma definição mais técnica explicaria a viscosidade como uma força necessária para mover um plano líquido (pense em uma placa) de alguma unidade de área, por alguma distância acima de outro plano de área igual em um período de tempo definido. Nas aulas de treinamento, simplesmente defino viscosidade como a resistência de um fluido ao derramamento, mas, mais importante, uma resistência a ser bombeado.

Isaac Newton foi provavelmente a primeira pessoa que conhecemos a definir quantitativamente um coeficiente de viscosidade. Seu conceito e trabalho relacionado não foi concluído, mas foi posteriormente refinado por Jean Leonard Marie Poiseuille (ver Lei de Poiseuille).

Por que estamos preocupados com a viscosidade em relação às bombas centrífugas?

Principalmente porque a viscosidade tem um efeito tão extraordinário e muitas vezes negativo no desempenho da bomba centrífuga. Um aumento na viscosidade reduzirá drasticamente a eficiência de uma bomba em conjunto com reduções acentuadas na altura manométrica e vazão. O resultado líquido é um aumento na potência de freio necessária para o motorista.

Correções de viscosidade

Todas as curvas de desempenho da bomba centrífuga são baseadas no bombeamento de água, salvo indicação em contrário. Quando comecei no negócio de bombas, não havia programas de computador para cifrar as correções de viscosidade necessárias e os métodos manuais podiam levar horas para serem concluídos. Com o advento de programas computadorizados para seleção de bombas, agora é simples corrigir o desempenho da bomba quanto à viscosidade em um toque de tecla, mas muitas vezes ignoramos os detalhes e os efeitos das mudanças de viscosidade no desempenho da bomba e especialmente na potência de freio necessária.

Antes dos programas de computador, havia basicamente três métodos para corrigir o desempenho de uma bomba centrífuga de água para viscosa.

1. O modelo AJ Stepanoff foi viável no ponto de melhor eficiência (BEP) para carga e fluxo, mas a confiabilidade e a validade diminuíram com o aumento do afastamento do BEP.

2. O método Paciga foi um pouco melhor do que o modelo Stepanoff porque poderia ser mais preciso em uma faixa mais ampla de fluxos. Paciga incorporou velocidade específica e uma razão de fluxo (fluxo real comparado ao BEP). O lado negativo era que, à medida que a viscosidade aumentava, a confiabilidade diminuía. Isso se deveu principalmente ao efeito do número de Reynolds nos cálculos da fórmula.

3. Método original do Hydraulic Institute usando gráficos de correção viscosa para obter fatores de correção viscosos (para carga, vazão e eficiência). O método foi uma melhoria em relação aos anteriores devido à facilidade, precisão e ampla gama de aplicabilidade. Para pessoas que estão no ramo há algum tempo, seria prudente revisar os métodos mais recentes apresentados pelo Hydraulic Institute (consulte a diretriz ANSI/HI 9.6.7-2010). O novo método usa uma fórmula chamada parâmetro B para produzir fatores de correção viscosos. O método mais recente também elimina parte da confusão e imprecisão na faixa de 100 galões por minuto (gpm).

Correções nas curvas de bombeamento

Em um mundo perfeito, uma “curva” de desempenho da bomba centrífuga seria na verdade uma linha reta, mas no mundo real, ela é curva devido a perdas na bomba. Os principais fatores são uma combinação de perdas mecânicas, vazamento, choque e fricção do disco. O atrito do disco é o principal contribuinte e o fator mais importante na quantificação das perdas. As curvas mencionadas são baseadas no desempenho da água, mas com aplicações em fluidos viscosos essas curvas da água devem ser corrigidas para que a viscosidade seja precisa. As curvas de carga, fluxo, eficiência e potência de freio (BHP) exigirão modificações (correções viscosas).

Em que valor mínimo de viscosidade para iniciar as correções?

O fabricante da bomba é a melhor fonte para este valor, pois dependerá da aplicação, da personalidade do fluido e da geometria da bomba. Observe que a 100 centipoise, os efeitos viscosos serão significativos. Afirmo que de 30 a 40 centipoise ou mais, você deve usar as correções ou arriscar efeitos adversos. Eu também recomendo que em algum lugar na área de 5 a 10 centipoise, você deve pelo menos estar ciente e consciente dos efeitos, por menores que sejam.

Como verificar as curvas de correção é tão fácil hoje em dia, seria imprudente não verificar.

Efeitos de forma e tamanho do impulsor

Quanto menor a velocidade específica (Ns) de um impulsor, maior será o atrito do disco. Isso se deve simplesmente à geometria do impulsor e ao ângulo de fluxo de 90 graus em que o fluido entra e sai do impulsor. À medida que a velocidade específica de um impulsor aumenta, o ângulo de entrada para saída torna-se menor e a interação com o fluido é menor.

Quanto menor for um impulsor, mais provavelmente os efeitos de atrito do disco serão maiores, simplesmente porque a área da superfície do impulsor e das carcaças tem mais interação com o fluido do que em uma bomba maior.

Viscosidade máxima para uma bomba centrífuga

Frequentemente me perguntam; qual é a viscosidade máxima que uma bomba centrífuga pode suportar? Minha resposta curta é que “depende”. Uma resposta melhor e menos leviana é considerar a redução na eficiência da bomba (também altura manométrica e vazão) e calcular a potência máxima exigida e corrigida (hp) para o fluido viscoso. Várias referências limitam as bombas centrífugas a um máximo de 3.000 centistokes. (Observe que esse limite também é publicado como 3.300 centistokes.)

Há um artigo técnico mais antigo sobre o assunto de CE Petersen (entregue na conferência da Pacific Energy Association em setembro de 1982). O Sr. Petersen apresenta um argumento de que a viscosidade máxima pode ser calculada pelo tamanho do bocal de descarga da bomba.

O Sr. Petersen postulou uma fórmula como segue:

DENTRO_máximo = 300 (D-1)
Equação 1

Onde:
DENTRO_máximo = a viscosidade cinemática máxima em SSU (Saybolt Second Universal) permitida para essa bomba
D = o diâmetro do bocal de descarga em polegadas.

Eu só usaria essa fórmula como regra geral.

Para ser preciso, você deve obter informações do fabricante da bomba sobre esse assunto em relação ao torque do eixo e aos limites de HP. Também pode haver limites de estrutura e, ocasionalmente (raros) limites de torque de carga da pá do impulsor.

Dependendo do tamanho da bomba e da geometria do impulsor, os limites de viscosidade para a bomba centrífuga média variam de 250 a 700 centipoise, e testemunhei muitas bombas bombeando fluidos acima de 1000 centipoise com sucesso. Se sua aplicação estiver acima de 250 centipoise, recomendo que você trabalhe com o fabricante/fornecedor da bomba para chegar à resposta. Os dois pontos importantes a serem levados em consideração são os seguintes:

1. Existe um limite de torque e hp para o eixo da bomba que será impactado negativamente com o aumento da viscosidade. Certifique-se de verificar este fator de correção de viscosidade para garantir uma instalação satisfatória e confiável.

2. Você ainda pode bombear o fluido altamente viscoso com a bomba centrífuga, mas haverá um ponto de retornos decrescentes devido à eficiência reduzida. Talvez você esteja usando 25 hp para bombear o fluido viscoso com uma bomba centrífuga que exigiria apenas 5 hp com uma bomba de deslocamento positivo.

Potência/Torque

Todos os eixos da bomba têm um limite de velocidade, potência e torque. No caso de bombas de estágio único, muitos fabricantes expressarão isso como um limite de hp por 100 rotações por minuto (rpm). Observe que o torque é inversamente proporcional à potência, portanto, quanto menor a velocidade, mais torque é aplicado ao eixo.

Enquanto a maioria dos limites do eixo são baseados em limites de velocidade, hp e torque contínuo, lembre-se de que se a bomba for acionada por um motor, os limites serão ainda mais reduzidos (combustão interna significa intermitente em vez de torque contínuo). Além disso, se o eixo da bomba for carregado lateralmente, como no caso de acionamentos por correia ou corrente, haverá uma redução notável nos limites do eixo devido ao fator de fadiga cíclica de flexão.

Viscosidade e Temperatura/Pressão

Para um determinado líquido, a viscosidade diminuirá com o aumento da temperatura e vice-versa. Observe que, para gases, é a relação oposta. Para viscosidades indicadas, uma temperatura também deve ser fornecida, normalmente 40 e 100 C são padrões.

A temperatura pode ser um problema no campo porque as bombas são frequentemente dimensionadas e vendidas para bombear um líquido viscoso em uma determinada temperatura, mas as bombas são realmente operadas a uma temperatura mais baixa, o que produz uma viscosidade mais alta e, é claro, um hp com menos fluxo e carga do que o desejado ou prometido.

Os efeitos da pressão na viscosidade de um líquido são tipicamente muito pequenos e, na maioria dos casos, podem ser ignorados.

Viscosidade e gravidade específica

A viscosidade é frequentemente confundida com a gravidade específica (SG). São duas coisas diferentes. Expressões vernáculas comuns nos confundem, pois a viscosidade é muitas vezes erroneamente referida como espessura ou peso. O mercúrio tem um alto SG (13), mas uma baixa viscosidade e muitos óleos lubrificantes têm um baixo SG (inferior à água ou inferior a 1,0), mas têm alta viscosidade.

SG é a razão entre a densidade de uma substância – fluido neste caso – para a densidade de um padrão de referência, geralmente água. Observe que, como SG é uma razão, não há unidades.

A gravidade específica é usada na equação quando estamos convertendo de ou para viscosidades dinâmicas e cinemáticas. Centipoise = (Centistokes) (Gravidade Específica)

Viscosidade Dinâmica e Cinemática

Centipoise é uma viscosidade dinâmica (absoluta) e centistoke (também SSU) é uma viscosidade cinemática. Uma maneira simples de explicar a diferença é que as viscosidades cinemáticas são taxas de fluxo temporizadas através de orifícios onde a força motriz é tipicamente a gravidade, enquanto a viscosidade dinâmica é uma medida da força necessária para superar a resistência do fluido ao fluxo através de um tubo (capilar). Simplificando, cinemática é uma medida de tempo e dinâmica é uma medida de força.

Viscosidade e as regras de afinidade

Sempre tenha cuidado com as regras de afinidade, pois elas não levam em consideração a interação do sistema. Antes de aplicar as regras, converta para o desempenho corrigido para todos os parâmetros aplicáveis.

Fricção do tubo e perdas do sistema

Ao bombear fluido, quanto mais viscoso for o líquido, mais atrito ocorrerá. A resistência (atrito) é devido às propriedades de tensão de cisalhamento do fluido e da superfície da parede do tubo/bomba. Observe que quanto mais sufocante for a bomba e as superfícies/paredes do tubo, menor será o efeito que o atrito do fluido viscoso terá.

Consulte o Capítulo 3 (Atrito) no Cameron Hydraulic Data Book para obter mais informações sobre isso e a conexão com a equação de Darcy Weisbach e o número de Reynolds. Se você estiver calculando uma curva de resistência da cabeça do sistema e o fluido for viscoso, você deve levar isso em consideração.

Viscosidade e Cabeça de Sucção Positiva Líquida Necessária/Disponível (NPSHR/NPSHA)

Intuitivamente, você pensaria que as mudanças na viscosidade afetariam o NPSHR (também conhecido como NPSH3), mas a maioria dos dados empíricos publicados contesta essa linha de pensamento. Em aplicações de linha de sucção de bomba, onde fluidos altamente viscosos têm problemas de fluxo no tubo para a sucção da bomba, vêm à mente, mas esses problemas normalmente seriam abordados no componente de atrito do cálculo NPSHA. Ou seja, o fator de atrito seria maior para o fluido viscoso e consequentemente reduziria o NPSHA. Meu conselho sobre fluidos viscosos é aumentar a margem entre o NPSH disponível e o necessário.

Vários livros de referência bem respeitados (mas mais antigos) afirmam que há pouca ou nenhuma evidência de que a viscosidade afeta o valor NPSHR (NPSH3). A nova edição da diretriz 9.6.7 do ANSI/Hydraulic Institute afirma que uma abordagem analítica pode ser considerada (consulte a seção 9.6.7.5.3 da diretriz). O guia oferece uma equação para calcular um NPSHR corrigido (NPSH3).

Para citar um parágrafo desta seção: “Há uma dupla influência da viscosidade do líquido bombeado no NPSH3. Com o aumento da viscosidade, o atrito aumenta, o que resulta em um aumento de NPSH3. Ao mesmo tempo, uma viscosidade mais alta resulta em uma diminuição da difusão de partículas de ar e vapor no líquido. Isso diminui a velocidade de crescimento das bolhas e também há um efeito termodinâmico, o que leva a uma diminuição do NPSH3.”

Cabeça de desligamento da bomba ao bombear um fluido viscoso

Uma bomba em serviço de fluido viscoso ainda se aproxima da mesma altura de corte que quando bombeia água? Essa pergunta surge com frequência no meu trabalho e pesquisei extensivamente para obter uma resposta (mas nenhum teste real). A resposta parece ser que a vazão zero a altura manométrica desenvolvida pela bomba é a mesma para a água e para um fluido viscoso onde assumimos que a viscosidade é menor que 600 centipoise.

Vários de meus respeitados mentores parecem pensar a mesma coisa. Estou aberto a entrada se você tiver dados de qualquer maneira. Eu ainda gostaria de acreditar que uma bomba de média a baixa velocidade específica que está bombeando um fluido de viscosidade média (aproximadamente 250 centipoise) não fará exatamente a mesma pressão que faria com água. Mas, suponho que a velocidade e a gravidade discutirão comigo sobre essa questão.

Conclusão

É extremamente importante conhecer a viscosidade real do fluido bombeado. Frequentemente testemunho problemas de bomba no campo devido a diferenças nos valores de viscosidade percebidos versus reais.

Referências

Padrão ANSI / HI 9.6.7 -2010 Bombas Centrífugas e de Fluxo Axial, AJ Stepanoff

Projeto e Aplicação de Bombas Centrífugas, VS Lobanoff e RR Ross

A influência da viscosidade no desempenho da bomba centrífuga, artigo técnico da Ingersoll Rand publicado em 1957 em conjunto com a Universidade Lehigh, Arthur Ippen

Considerações de engenharia e projeto de sistema para sistemas de bomba e serviço viscoso, CE Petersen