Effetti della viscosità sulle pompe volumetriche

La viscosità può influenzare le pompe volumetriche?

Le pompe volumetriche spostano meccanicamente volumi fissi di fluido attraverso un sistema. Pertanto, si potrebbe concludere che la viscosità del fluido abbia un effetto ridotto sull’erogazione della pompa. Questa, tuttavia, è un’idea errata che può portare a gravi problemi in un sistema idraulico, a meno che gli effetti della viscosità non siano ben compresi e il progettista del sistema non comunichi correttamente le informazioni ai progettisti della pompa.

Che cos’è la viscosità?

La viscosità è l’attrito interno dei fluidi o la misura della resistenza alla deformazione in funzione del tempo. L’acqua è un esempio di bassa viscosità, mentre il miele lo è di alta viscosità. Nei sistemi fluidi, una maggiore viscosità aumenta la resistenza sulle superfici circostanti. Deve essere applicata forza (ad esempio pressione) per superare l’interazione viscosa con le superfici circostanti (come le pareti di un tubo).

La viscosità è tipicamente espressa in due modi: cinematica (ν) e dinamica (μ). Le due viscosità sono legate da ν=μ/ρ, dove ρ è la densità del fluido. Nei sistemi laminari l’uso della viscosità dinamica è più comune. La viscosità dinamica è spesso espressa in centipoise (cP), dove 1 cP = 10-3 Pa-s. La maggior parte dei problemi della pompa e del sistema si verificano a causa di fluidi ad alta viscosità, poiché pochissimi fluidi hanno una viscosità inferiore all’acqua (1 cP).

I progettisti di sistemi devono essere consapevoli anche del modo in cui la temperatura influisce sulla viscosità del fluido. Ad esempio, la viscosità di una soluzione di acqua/glicole al 50% cambia quasi 5 volte tra 0 e 50°C. La viscosità dell’acqua cambia 3 volte nello stesso intervallo di temperatura.

Cali di pressione esterni

Una caratteristica spesso trascurata di un sistema idraulico è il calo di pressione attraverso i tubi. Se il flusso è laminare, il calo di pressione nel tubo è linearmente dipendente dalla viscosità. Pertanto, il calo di pressione in un tubo di un fluido 100 cP sarà superiore di 100 volte rispetto all’acqua. I cali di pressione influenzano sia l’uscita (aggiunta di pressione) che l’ingresso (pressione negativa) della pompa. Il flusso turbolento dipende dalla densità molto più che dalla viscosità e non vale la pena considerarlo in questo articolo.

Le pompe alternative, avendo un flusso pulsato, sono ancora più sensibili ai cali di pressione e quindi alla viscosità del fluido. Questo perché il loro flusso pulsato ha portate di picco notevolmente superiori alla portata media. Ciò può generare picchi (o vuoti) di pressione che portano a irregolarità di dosaggio, cavitazione e usura accelerata della pompa.

Le formule per calcolare il calo di pressione del flusso attraverso un tubo sono facilmente disponibili online. È importante controllare che il numero di Reynolds sia inferiore a 2320 per assicurarsi che sia laminare. Nei tubi circolari, il numero di Reynolds è calcolato da Re=4Q/((μ/ρ)∙π∙D), dove Q è la portata volumetrica e D è il diametro interno del tubo. I flussi turbolenti sono significativamente più difficili da quantificare e il cali di pressione tendono ad aumentare rapidamente.

Cali di pressione interni

Le pompe che non sono progettate per fluidi ad alta viscosità possono avere percorsi di flusso ristretti all’interno della pompa. Tali percorsi possono creare lo stesso effetto dei cali di pressione esterni trattati nella sezione precedente. È sempre importante discutere i dettagli dell’applicazione con il team di progettazione della pompa per garantire che non ci siano conseguenze indesiderate.

Perdita interna

Le pompe volumetriche sono tutte interessate da perdita interna. Il fluido può fluire tra sottili spazi vuoti, tra componenti scorrevoli o attraverso micro spazi vuoti nelle guarnizioni interne. I fluidi a viscosità più elevata sono meno inclini a fluire attraverso gli spazi vuoti interni. Quindi, maggiore è la viscosità, meno lo spostamento sarà sensibile al differenziale di pressione.

Capacità della pompa

Poiché richiede più forza per deformare rapidamente fluidi a viscosità più elevata, la viscosità di un fluido influirà direttamente sulla potenza necessaria per azionare la pompa. Un esempio potrebbe essere la differenza che si riscontra nel cercare di mescolare una ciotola d’acqua e nel cercare di mescolare una ciotola di miele. L’impegno necessario per spostare il cucchiaio nel miele è considerevolmente maggiore. Lo stesso vale per le pompe. Se gli ingranaggi di una pompa ad ingranaggi esterni devono ruotare in fluidi di maggiore viscosità, la perdita di potenza per la semplice rotazione sarà maggiore. Se la dimensione del motore della pompa è fissa, ciò può comportare velocità inferiori e una ridotta capacità della pompa.

Cavitazione

Come già discusso, i fluidi ad alta viscosità possono generare vuoti maggiori all’ingresso delle pompe se non vengono gestiti correttamente. Una pressione media inferiore all’ingresso della pompa aumenta la probabilità di cavitazione all’interno della pompa. È interessante notare che gli studi hanno dimostrato che i fluidi ad alta viscosità non sono così dannosi per il getto di cavitazione come i fluidi a bassa viscosità. Tuttavia, evitare la cavitazione è fondamentale per un’erogazione del fluido affidabile.

Lubrificazione

Se la pompa ha cuscinetti idrodinamici interni, come ad esempio una pompa ad ingranaggi accoppiata magneticamente, viscosità più elevate porteranno tipicamente a una maggiore durata. Il carico idraulico supportato (senza contatto solido-solido) è linearmente correlato alla viscosità del fluido. Pertanto, fluidi a viscosità più elevata forniscono supporto al cuscinetto, aumentando la durata. L’aumento della durata, tuttavia, può essere compensato da alcuni degli altri effetti precedentemente discussi.

Cuscinetto idrodinamico

Conclusione

Raramente un progettista di sistemi ha il controllo sulla viscosità del fluido. È quindi essenziale essere consapevoli di come la viscosità del fluido influisca sia sul sistema (ad esempio, valutando correttamente le dimensioni dei tubi) che sulla pompa. Avere un dialogo aperto con il team di progettazione delle pompe all’inizio del ciclo di progettazione eviterà costi e ritardi di riprogettazione.