Como a viscosidade afeta o bombeamento

Jun 20, 2023

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, por exemplo - têm viscosidades de até 1 milhão de SSU.

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.

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 carga 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.