Wie sich die Viskosität auf das Pumpen auswirkt

Jun 20, 2023

Um zu verstehen, wie sich die Viskosität einer Flüssigkeit auf ein Pumpsystem auswirkt, ist es wichtig zu verstehen, was Viskosität darstellt. Per Definition ist Viskosität die Eigenschaft einer Flüssigkeit, die dazu führt, dass sie einer Scherbeanspruchung, wie sie durch Flüssigkeitsströmungen entsteht, Widerstand leistet, vor allem im Bereich der Rohrwand.

Bild 1 veranschaulicht dies, indem es das Geschwindigkeitsprofil einer Flüssigkeit relativ zu einer statischen Grenzfläche zeigt. An der statischen Grenzfläche bzw. Rohrwand ist die Geschwindigkeit der Flüssigkeit Null. Mit zunehmendem Abstand von der statischen Oberfläche nimmt die Geschwindigkeit der Flüssigkeit zu. Die Kraft pro Flächeneinheit ist eine Funktion des Geschwindigkeitsgradienten v/d, der die maximale Geschwindigkeit des Fluids v dividiert durch den Abstand d von der statischen Oberfläche ist.

Die absolute Viskosität μ (Mu) ist der Quotient aus der Scherspannung (oder Kraft pro Flächeneinheit) geteilt durch die Schergeschwindigkeit. Es ist üblich, die Viskosität relativ zur Dichte auszudrücken, was als kinematische Viskosität bekannt ist. Die kinematische Viskosität wird mit dem griechischen Buchstaben ν (Nu) bezeichnet. Eine gängige Methode zur Messung der kinematischen Viskosität ist das Saybolt Seconds Universal (SSU) (siehe Bild 2). Damit ist die Zeitspanne gemeint, die es dauert, bis eine abgemessene Flüssigkeitsmenge mit einer bestimmten Temperatur aus einem Behälter mit einer abgemessenen Öffnung am Boden abfließt. Beispielsweise hat Wasser bei 60 Grad Fahrenheit (F) eine Viskosität von etwa 31 SSU. Im Vergleich dazu können leichte Schmieröle eine Viskosität von 100 oder 200 SSU haben. Viskosere Schmieröle haben Viskositäten im Bereich von Tausenden von SSU, und extrem viskose Flüssigkeiten – zum Beispiel schwerer Teer – haben Viskositäten von bis zu 1 Million SSU.

Je nach Pumpentyp ist der Einfluss der Flüssigkeitsviskosität unterschiedlich. Wir werden uns speziell drei Arten von Pumpen ansehen: Kreiselpumpen (Bild 3), Kolbenpumpen (Bild 4) und Rotationspumpen (Bild 5).

Kolben- und Rotationspumpen gehören zur Familie der Verdrängerpumpen (PD). PD-Pumpen verdrängen bei jeder Umdrehung der Welle ein bestimmtes Volumen, abzüglich etwaiger volumetrischer Leckage (Schlupf).

Eine Kreiselpumpe gehört zur Familie der rotodynamischen Pumpen. Rotodynamische Pumpen sind kinetische Maschinen, bei denen mittels eines rotierenden Laufrads, Propellers oder Rotors kontinuierlich Energie auf das Fördermedium übertragen wird. Der gebräuchlichste Typ rotodynamischer Pumpen ist der Zentrifugaltyp (Radialpumpe). Bei Kreiselpumpen tritt die Flüssigkeit axial am Laufradauge in das Laufrad ein und bewegt sich radial zwischen den Flügeln hindurch, bis sie am Außendurchmesser austritt und in einem Diffusor oder einer Spiralanordnung gesammelt wird, wie in Bild 3 dargestellt. Es ist wichtig zu berücksichtigen, wie diese funktionieren Die Pumpentypen und die damit verbundene Physik sind unterschiedlich, da diese Unterschiede zu deutlich unterschiedlichen Betriebsabläufen bei viskosen Flüssigkeiten führen.

Es ist Industriestandard, die Leistung von Kreiselpumpen mit klarem Wasser gemäß ANSI/HI 14.6 Rotodynamische Pumpen für hydraulische Leistungstests zu testen. Die Leistung einer Kreiselpumpe wird bei der Förderung viskoser Flüssigkeiten durch die erhöhte Reibung beim Drehen des Laufrads und den Strömungswiderstand im Vergleich zum Wassertest beeinträchtigt. Bei viskosen Flüssigkeiten kommt es im Vergleich zu Wasser zu einem deutlichen Anstieg der Eingangsleistung aufgrund eines verringerten Wirkungsgrads sowie einer Verringerung der Förderhöhe und der Durchflussrate.

Die Leistungskurve in Bild 6 zeigt die Wasserleistung und die korrigierte Viskositätsleistung für die Anwendungsflüssigkeit, die eine Viskosität von 1.000 SSU und ein spezifisches Gewicht von 0,9 hat. Die Viskositätsdaten sollten aus dem Wasserleistungstest gemäß der Norm ANSI/HI 9.6.7 des Hydraulic Institute „Auswirkungen der Flüssigkeitsviskosität auf die Leistung rotodynamischer Pumpen“ korrigiert werden. ANSI/HI 9.6.7 wurde verwendet, um die Leistung zu korrigieren, wie in Bild 6 dargestellt. Dieser Standard schreibt eine empirische Methode vor, die auf Testdaten basiert, die aus Quellen auf der ganzen Welt verfügbar sind.

Mit der HI-Methode können Pumpenbenutzer und -konstrukteure die Leistung einer bestimmten rotodynamischen Pumpe bei Flüssigkeiten bekannter Viskosität unter Berücksichtigung der Leistung bei Wasser abschätzen. Das Verfahren ist wichtig, damit die geeignete Pumpe und der richtige Treiber für den erforderlichen Einsatz bei viskosen Flüssigkeiten ausgewählt werden. In Bild 6 nicht dargestellt, aber ebenfalls besorgniserregend ist die Erhöhung der erforderlichen Netto-Positivsaughöhe (NPSH), bei der ein Druckverlust von 3 Prozent festgestellt wird (NPSH3) sowie ein erhöhtes erforderliches Anlaufdrehmoment bei viskosen Flüssigkeiten. Die diesbezüglichen Überlegungen sind in ANSI/HI 9.6.7 beschrieben.

Beachten Sie den deutlichen Wirkungsgradabfall von nahezu 80 Prozent bei Wasser auf etwa 50 Prozent bei 1.000 SSU für die Pumpe in Bild 6. Aus diesem Grund kann der Einsatz von Kreiselpumpen eingeschränkt sein, wenn die Viskositäten über einem Niveau liegen, das zu einem inakzeptablen Wirkungsgrad und stattdessen zu PD führt Pumpen bieten möglicherweise eine bessere Lösung.

PD-Pumpen unterscheiden sich grundsätzlich von Kreiselpumpen, da sie bei jeder Umdrehung der Welle ein Flüssigkeitsvolumen durch Verdrängung bewegen. Dies führt im Allgemeinen zu günstigen Ergebnissen beim Pumpen von viskosen Flüssigkeiten. Der volumetrische Wirkungsgrad einer PD-Pumpe ist das tatsächliche Volumen pro Wellenumdrehung über dem theoretischen Volumen pro Wellenumdrehung. Der Unterschied zwischen den beiden Volumina ist das Ergebnis einer Leckageströmung, die als Schlupf bezeichnet wird. Die höhere Viskosität einer Flüssigkeit verringert tatsächlich den Schlupf und erhöht den volumetrischen Wirkungsgrad einer Verdrängerpumpe.

Die Kurven in Bild 7 veranschaulichen, wie die Leistung von Verdrängerpumpen je nach Geschwindigkeit (Druckkonstante), Druck (Geschwindigkeitskonstante) und Viskosität variiert. Sie dienen lediglich der Darstellung des Konzepts. Die Kurven zeigen, dass die theoretische Kapazität direkt proportional zur Geschwindigkeit ist. Der Unterschied zwischen der theoretischen Kapazität und der abgegebenen Kapazität ist der „Schlupf“ der Pumpe bei einer bestimmten Viskosität. Der interne Schlupf wird durch Viskosität und Druck beeinflusst und führt zu einer Abweichung der abgegebenen Kapazität von der theoretischen.

Die Viskosität der Pumpenflüssigkeit wirkt sich auch auf den erforderlichen Netto-Einlassdruck (NPIPR) und die Eingangsleistung von Verdrängerpumpen aus. Die theoretische Leistung ist proportional zu Geschwindigkeit und Druck. Reibungsverluste aufgrund der Viskosität der gepumpten Flüssigkeit führen dazu, dass die Eingangsleistung über die theoretische Leistung hinaus ansteigt. Bild 8 zeigt, wie die Leistung zunehmen kann, und Bild 9 zeigt allgemein, wie der NPIPR mit der Viskosität zunimmt.

PD-Kolbenpumpen werden in Anwendungen mit unterschiedlichen Viskositäten eingesetzt. Typischerweise können Kolbenpumpen Flüssigkeitsviskositäten von 5.000 SSU bewältigen, und luftbetriebene Kolbenpumpen können Flüssigkeitsviskositäten von 1 Million SSU bewältigen.

In ausgewählten Technologien und Anwendungen können Rotations-PD-Pumpen auch Flüssigkeiten von Wasser bis hin zu viskosen Flüssigkeiten fördern, sie werden jedoch eher bei viskosen Flüssigkeiten eingesetzt. Es gibt viele Arten von Rotationspumpen, und die Pumpfähigkeiten für viskose Flüssigkeiten variieren je nach Design. Im Allgemeinen nehmen Durchfluss und volumetrischer Wirkungsgrad einer Rotationspumpe typischerweise mit der Viskosität zu, und einige Arten von Rotationspumpen können Flüssigkeiten mit Viskositäten von mehreren Millionen SSU fördern.

Die hier dargelegten Allgemeingültigkeiten für Kolben- und Rotationsviskospumpen sind nicht absolut und bestimmte Konstruktionen können die Leistungsfähigkeit erheblich verändern. Daher sollten sich Benutzer eng mit dem Pumpenhersteller in Verbindung setzen, um spezifische Empfehlungen einzuholen. Weitere Informationen zum Viskosepumpen für Verdrängerpumpen finden Sie in den folgenden Normen: ANSI/HI 3.1-3.5 Rotationspumpen für Nomenklatur, Definitionen, Anwendung und Betrieb; ANSI/HI 6.1-6.5 Kolbenpumpen für Nomenklatur, Definitionen, Anwendung und Betrieb; ANSI/HI 7.1-7.5 Kontrollvolumen-Dosierpumpen für Nomenklatur, Definitionen, Anwendung und Betrieb; ANSI/HI 10.1-10.5 Luftbetriebene Pumpen für Nomenklatur, Definitionen, Anwendung und Betrieb

Referenzen1. E-Learning-Zertifikatsschulung für rotodynamische Pumpen, Hydraulic Institute, 20162. E-Learning-Zertifikatsschulung für Verdrängerpumpen, Hydraulic Institute, 20163. ANSI/HI 14.6 Rotodynamische Pumpen für hydraulische Leistungstests, Hydraulic Institute, 20164. ANSI/HI 9.6.7 Effekte of Liquid Viscosity on Rotodynamic Pump Performance, Hydraulic Institute, 20155. ANSI/HI 3.1-3.5 Rotationspumpen für Nomenklatur, Definitionen, Anwendung und Betrieb, Hydraulic Institute, 20156. ANSI/HI 6.1-6.5 Hubkolbenpumpen für Nomenklatur, Definitionen, Anwendung und Betrieb, Hydraulic Institute, 20157. ANSI/HI 7.1-7.5 Kontrollvolumen-Dosierpumpen für Nomenklatur, Definitionen, Anwendung und Betrieb, Hydraulic Institute, 20178. ANSI/HI 10.1-10.5 Luftbetriebene Pumpen für Nomenklatur, Definitionen, Anwendung und Betrieb , Hydraulic Institute, 2016

Pete Gaydon ist der Direktor für technische Angelegenheiten am Hydraulic Institute. Weitere Informationen finden Sie unter www.pumps.org.