Насосы для вязких сред: что такое вязкость и как правильно спроектировать вакуумную систему
Каталог

Насосы для вязких сред: что такое вязкость и как правильно спроектировать вакуумную систему

вязкость

Насосы для вязких сред широко используются в пищевой, фармацевтической и молочной промышленности. Пластинчато-роторной насос идеально подходит для перекачки жидкостей с высокой вязкостью, таких как топленое масло, глицерин, шоколад, мармелад и т.д. Также в системах с высоковязкой жидкости используются винтовые, кулачковые и золотниковые вакуумные насосы.

Высоковязкие жидкости из-за своих характеристик являются густыми по своей природе и требуют специально разработанного оборудования для бережного обращения с ними. Вязкость часто сама по себе является термином, который определяется и измеряется толщиной жидкости. Вокруг мы можем видеть множество примеров для понимания вязкости жидкостей, таких как: вода, этанол, оливковые масла, молоко, глицерин, мед, гель и т.д. Это разновидности жидкостей, которые отличаются по своей вязкости и, следовательно, требуют различного оборудования для перекачки жидкости.

Объемные насосы механически перемещают определенные количества жидкости по системе. Таким образом, можно сделать вывод, что вязкость жидкости мало влияет на производительность насоса. Это, однако, является заблуждением и может привести к серьезным проблемам в гидравлической системе, если влияние вязкости не будет достаточно изучено, а проектировщик системы должным образом не передаст информацию инженерам насосов.

Что такое вязкость?

вязкость различных масел

Вязкость - это внутренняя сила трения жидкостей или мера зависящего от времени сопротивления деформации. Вода является примером низкой вязкости, в то время как мед - примером высокой вязкости. В жидкостных системах более высокая вязкость увеличивает сопротивление на окружающих поверхностях. Сила (например, давление) должна быть приложена для преодоления вязкого взаимодействия с окружающими поверхностями (например, стенками трубы).

Вязкость обычно выражается двумя способами: кинематическим (ν) и динамическим (μ). Эти два параметра связаны через 

ν=μ/ρ, 

где ρ - плотность жидкости.В ламинарных системах наиболее распространено использование динамической вязкости. Большинство проблем с насосами и системами возникают из-за жидкостей с высокой вязкостью, поскольку очень мало жидкостей имеют вязкость, меньшую, чем у воды.

Проектировщики систем также должны знать, как температура влияет на вязкость жидкости. Например, вязкость 50%-ного раствора воды/гликоля изменяется почти в 5 раз между 0 и 50°C. Вязкость воды изменяется в 3 раза в том же диапазоне температур.

Факторы влияющие на проектировку вакуумной системы для вязких сред

Факторы влияющие на проектировку вакуумной системы для вязких сред

Перепад внешнего давления

Одной из часто упускаемой из виду особенностей гидравлической системы является перепад давления в трубах. Если поток ламинарный, то падение давления в трубе линейно зависит от вязкости. Следовательно, жидкость со скоростью 100 сП будет иметь 100-кратное падение давления в трубе по сравнению с водой. Перепады давления влияют как на выход насоса (дополнительное давление), так и на вход (отрицательное давление). Турбулентное течение зависит от плотности гораздо больше, чем от вязкости, поэтому мы не будет его рассматривать.

Золотниковые насосы с импульсным потоком еще более чувствительны к перепадам давления и, следовательно, к вязкости жидкости. Это связано с тем, что их импульсный поток имеет пиковые скорости потока, значительно превышающие среднюю скорость потока. Это может привести к скачкам давления (или вакуума), что приведет к неравномерности дозирования, кавитации и ускоренному износу насоса.

Формулы для расчета перепада давления потока через трубу легко доступны в Интернете. Важно убедиться, что число Рейнольдса меньше 2320, чтобы убедиться, что оно ламинарное. В круглых трубах число Рейнольдса вычисляется по формуле

 Re=4Q/((μ/ρ)∙π∙D), 

где Q - объемный расход, а D - внутренний диаметр трубы.Турбулентные потоки значительно труднее поддаются количественной оценке, а перепады давления имеют тенденцию быстро увеличиваться.

Перепад внутреннего давления

Насосы, которые не предназначены для жидкостей с высокой вязкостью, могут иметь суженные пути потока внутри насоса. Эти пути могут оказывать то же влияние, что и перепады внешнего давления, рассмотренные в предыдущем разделе. Всегда важно обсудить детали применения с командой инженеров, чтобы убедиться в отсутствии непреднамеренных последствий.

Внутренняя утечка

Все объемные насосы подвержены внутренним утечкам. Жидкость может протекать между тонкими зазорами, между скользящими компонентами или через микрозазоры во внутренних уплотнениях. Жидкости с более высокой вязкостью менее склонны протекать через внутренние зазоры. Таким образом, чем выше вязкость, тем менее чувствительным будет смещение к перепаду давления.

Производительность насоса

Поскольку для быстрой деформации жидкостей с более высокой вязкостью требуется больше усилий, вязкость жидкости напрямую влияет на производительность, необходимую для работы насоса. Примером может служить попытка размешать миску с водой по сравнению с попыткой размешать миску с медом. Работа, необходимая для перемещения ложки в меде, значительно выше. То же самое относится и к насосам. 

Кавитация

Как уже обсуждалось, жидкости с высокой вязкостью могут создавать более высокий вакуум на входе в насос, если их не устранить должным образом. Более низкое среднее давление на входе насоса увеличивает вероятность возникновения кавитации внутри насоса. Интересно, что исследования показали, что жидкости с высокой вязкостью не образуют такой разрушительной кавитационной струи, как жидкости с низкой вязкостью. Тем не менее, предотвращение кавитации имеет решающее значение для надежной подачи жидкости.

Смазка

Если насос оснащен внутренними гидродинамическими подшипниками, такими как шестеренчатый насос с магнитной связью, то более высокая вязкость обычно приводит к увеличению срока службы. Поддерживаемая гидравлическая нагрузка (без контакта твердого тела с твердым телом) линейно связана с вязкостью жидкости. Таким образом, жидкости с более высокой вязкостью обеспечивают поддержку подшипника, увеличивая срок службы.

P.S. Редко разработчик системы имеет контроль над вязкостью жидкости. Поэтому важно знать, как вязкость жидкости влияет как на систему (например, на правильную калибровку труб), так и на насос. Открытый диалог с командой инженеров по насосам на ранних этапах цикла проектирования позволит избежать затрат на перепроектирование и задержек.

Вакуумная система для вязких сред

Вакуумная система для вязких сред

Для жидкостей с высокой вязкостью вам понадобится действительно прочный и мощный вязкостный насос. Вам потребуется вязкостный насос, способный выдерживать более высокие давления, необходимые для перемещения тяжелых вязких жидкостей. Там, где центробежный насос хорош для воды или сока, он не будет перекачивать карамель или томатную пасту! Для перекачки вязких сред, как упоминалось ранее, используют такие типы насосов, как:

  • пластинчато-роторный вакуумный насос;
  • винтовой вакуумный насос;
  • кулачковой вакуумный насос;
  • золотниковый вакуумный насос.

Использование насоса с большим впускным отверстием и большими внутренними полостями облегчает задачу за счет уменьшения сопротивления и преодоления узких мест. Работа на низких скоростях не только защищает чувствительные к сдвигу жидкости или захваченные чувствительные твердые частицы, но и помогает насосу захватывать жидкость и непрерывно перекачивать без кавитации.

Размер имеет значение! Используйте выпускную трубу или шланг большого диаметра. Чем больше внутреннее отверстие вашего выпускного трубопровода, тем ниже сопротивление, вызванное потерями на трение. Разница в потерях на трение между 2-дюймовым и 4-дюймовым насосами может быть значительной и затруднить или вывести из строя насос. Итог – используйте как можно более толстую трубу и снижайте давление!

Расстояние до разгрузки должно быть минимальным. Как мы уже говорили выше, размер имеет значение, поэтому там, где размер отверстия сливного трубопровода должен быть как можно больше, длина сливного трубопровода должна быть как можно короче! Чтобы потери на трение были как можно ниже, сделайте выпускной трубопровод как можно короче и с как можно меньшим количеством изгибов.

Обеспечьте положительную подачу на вход насоса. Откачка из-под резервуара с помощью силы тяжести. Если вы полагаетесь на силу тяжести для подачи воды на вход насоса из нижнего выходного отверстия большого резервуара или емкости, убедитесь, что между входом насоса и подачей продукта имеется минимальная длина трубопровода с большим отверстием. В идеале вы должны подсоединить вход насоса непосредственно к выходу бака. Если в резервуаре можно создать давление (обычно с помощью сжатого воздуха или азота), это положительное давление будет способствовать естественной гравитации для выталкивания высоковязкой жидкости к выходу из резервуара и на вход насоса. Это может быть важно в закрытом резервуаре, где вязкость жидкости достаточно высока, чтобы "жидкость’ фактически не текла.

Насосные питатели для высоковязких материалов и твердых блоков. Если вы работаете с твердыми кусками сливочного масла или непротекающей пастой, вам понадобится насос-питатель, который будет принудительно подавать продукт на вход насоса. Насос-питатель обычно использует один винт или два винта, а может быть, и больше винтов в зависимости от режима работы.