Вместо предисловия или что такое вязкость и в чем она измеряется
После прочтения заголовка статьи, возможно, кто-то сочтет небесполезным освежить в памяти, что такое вязкость вообще и вязкая среда в частности. Для этого вполне уместно использовать метод «от противного» и сначала вспомнить, что у существительного «вязкость» есть антоним ─ «текучесть». То, что текучесть является противоположностью вязкости, подтвердит любой упоминающий о них энциклопедический словарь, проинформировав о том, что текучесть характеризуется величиной, обратной вязкости.
Очевидно, что текучая жидкость, как и следует из ее определения, течет хорошо. Как, скажем, обычная вода. Хотя есть жидкости и более текучие, например, метиловый спирт или ацетон. Вязкая жидкость течет хуже (т. е. медленнее) или совсем плохо. В некоторых энциклопедических словарях так и сказано «Чем больше вязкость жидкости, тем медленнее она течет». А вот насколько медленнее определяет ее свойство, называемое вязкостью. И если вязкость этилового спирта только на 20 процентов выше, чем воды, а ртути ─ в полтора раза, то существуют жидкости куда как более вязкие. Вязкость машинного и растительных масел в десятки и сотни раз превышает вязкость воды, а глицерина и мазута ─ в тысячу и более. Знание этого позволяет понять, что перекачивающие одинаковые объемы жидкости водяной насос и, например, масляный насос выполняют разную работу.
Природа вязкости заключается в молекулярном взаимодействии, в том насколько оно мешает одним слоям жидкости перемещаться относительно других. Отсюда термин «внутреннее трение». Вязкость понимают либо как его синоним, либо меру этого трения.
В «ГОСТ 33-2000 (ИСО 3104-94) Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости» последней дано следующее определение: «Отношение применяемого напряжения сдвига к скорости сдвига жидкости». И добавлено: «Таким образом, динамическая вязкость является мерой сопротивления истечению или деформации жидкости».
Почти за сто лет до появления этого ГОСТа Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона (Петербург, 1890-1907 годы) определял вязкость, как «сопротивление, оказываемое телом движению отдельной его части без нарушения связи целого».
Основной закон вязкого течения был открыт великим И. Ньютоном еще в 1687 году. Звучит он так: являющаяся причиной сдвига слоев жидкости (газа) друг относительно друга касательная (тангенциальная) сила прямо пропорциональна площади слоя, по которому этот сдвиг происходит, скорости сдвига и коэффициенту внутреннего трения (коэффициенту вязкости). Таким образом, физический смысл коэффициента вязкости или просто вязкости жидкости (точнее абсолютной или динамической вязкости, но прилагательные «абсолютная» или «динамическая» часто опускают) ─ это величина силы внутреннего трения, действующей на единицу площади плоской поверхности (в системе СИ ─ это 1 м2), перемещающейся с единичной скоростью (1 м/с) относительно находящейся от нее на единичном расстоянии (1 м) другой плоской поверхности.
Вязкость жидкости определяется ее химическим составом, наличием примесей и температурой. Ее значение уменьшается с ростом температуры и увеличивается с повышением давления. При атмосферном давлении вязкость воды при температуре 0 OC примерно в шесть раз выше, чем при 100 OC.
Если коэффициент вязкости зависит от температуры и природы жидкости, и она полностью подчиняется упомянутому выше закону вязкого течения И. Ньютона, ее называют «ньютоновской жидкостью». Но есть жидкости «неньютоновские», у которых на коэффициент вязкости влияет скорость течения, (чем она выше, тем меньше вязкость). К их числу принадлежат суспензии, эмульсии, растворы полимеров.
Несмотря на то, что термином «вязкость» люди оперируют уже более трех веков, полностью нюансы этого проявления физического переноса не изучены, и сегодня вязкость продолжает оставаться предметом интересов исследователей, старающихся создать исчерпывающую все ее проявления теорию.
Наряду с абсолютной или динамической вязкостью используется показатель кинематической вязкости (прилагательное «кинематическая» опускать нельзя), получаемый делением коэффициента динамической вязкости на плотность жидкости.
В международной системе единиц (СИ) динамическая вязкость измеряется в Паскаль-секундах (Па×с), а кинематическая вязкость ─ в м2/с.
Насос для вязких сред ─ это, как правило, насос для вязких жидкостей, хотя вязкими могут быть и газы. Более того, явление вязкости свойственно твердым аморфным телам.
И небольшое отступление. Слово «вязкость» применяют также вне физического контекста. Например, к программным продуктам (как их свойство сопротивляться внесению изменений), охотничьим собакам (как показатель их настойчивости и упорства), спортивным играм (например, вязкая в значении труднопроходимая оборона) и т. д.
А теперь о том, с какими продуктами работают насосы для вязких сред.
Примеры вязких сред, перекачиваемых насосами
Насос для вязких сред ─ востребованное оборудование. Примеров технологических процессов, где необходимо перекачивание вязких сред с помощью насосов, или для дозирования применяют насос-дозатор для вязких жидкостей, ─ бесчисленное множество.
При этом вязкость может определяться другими словами и сопровождаться так или иначе зависящими от нее или влияющими на нее качествами. О перекачиваемом вязком продукте могут говорить, что он густой (нередко застывающий), пастообразный, клейкий, липкий, концентрированный, плотный. Поэтому производители насосного оборудования представляют свои изделия, как насосы для густых и вязких жидкостей, насосы для перекачки вязких густых жидкостей и т. д.
Трудности в работе насосов, связанные с собственно вязкостью жидкости, ─ например, ее увеличение при низких температурах, ─ могут усугубляться наличием в жидкости твердых в т. ч. абразивных примесей, комков, волокон, ее склонностью к вспениванию и т. д.
Очень показательный пример перекачивания вязких сред ─ перемещение при помощи насосов бетонных смесей в строительной индустрии. Как на заводах, производящих железобетонные изделия, так и при изготовлении строительных конструкций непосредственно на стройплощадке в монолитном домостроении.
Еще один пример ─ перекачивание и дозирование вязких продуктов в пищевой промышленности. Насос для вязких продуктов ─ обязательный компонент производственного оборудования многих предприятий этой отрасли. На молокоперерабатывающих заводах с его помощью перемещают и дозируют не только не столь уж вязкое молоко (при температуре 20 OC всего в 1,6-1,8 раз более вязкое, чем вода), но и сырную массу, творог, сливочное масло.
Насос пищевой для вязких продуктов используют для мясных эмульсий, мясного и сосисочного фарша, теста, шоколадной массы, глазури, патоки.
Насос для перекачки пищевых вязких жидкостей нужен также при изготовлении растительных масел, сиропов, солодовой гущи, варенья, джемов, фруктовых и овощных соков и пюре, томатной пасты, соусов, майонеза, карамели, меда и еще многого другого.
Пищевые насосы для вязких жидкостей помимо высокой производительности, удобства в эксплуатации и обслуживании должны полностью отвечать санитарно-гигиеническим требованиям.
Насосы для перекачки вязких жидкостей применяют в химической промышленности ─ для дозирования лакокрасочных материалов, синтетических смол (даже эпоксидной смолы), клеев, при производстве косметики (гели, скрабы, зубная паста).
Еще один значимый в экономическом смысле пример ─ нефтедобывающая промышленность ─ насосы для вязких нефтепродуктов.
Одной из наиболее эффективных методик эксплуатации скважин для добычи нефти является использование погружных насосов, которым приходится работать с вязкой средой, состоящей не только из нефти, но и пластовых вод, асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО), нефтяных газов, различных солей и механических примесей.
Кстати, в силу истощения запасов нефти малой и средней вязкости, в мировой нефтедобыче растет доля тяжелой вязкой нефти, что означает необходимость совершенствования насосного оборудования, используемого для перекачки вязких сред, с целью оптимизация его рабочих параметров, снижения энергоемкости и увеличения надежности.
Для растаривания нефтепродуктов часто используют бочковые насосы для вязких жидкостей.
Еще одна тенденция, теперь уже в горнодобывающей промышленности, ─ развитие геотехнологических методов добычи горного сырья, ─ технологии, в которой насосы для вязких сред имеют большое значение. Например, для транспортировки сырья серных месторождений, торфяных и меловых масс, водоугольных суспензий при гидродобыче угля.
А в традиционных методах добычи и переработки горного сырья роль перекачивающих вязкие жидкости насосов велика в процессах обогащения полезных ископаемых.
В керамической промышленности их применяют для подачи шликера, глинистых растворов и суспензий. Широкое распространение получили насосы для вязких сред для подачи вязко-пластичных осадков сточных вод, илистых отложений, шламов.
В целом можно резюмировать: насос для перекачивания вязких жидкостей ─ оборудование, широко применяемое в самых разных отраслях промышленности для огромного числа продуктов.
Конструкции насосов для вязких сред
Благодаря разнообразию ассортимента продукции производителей насосного оборудования, у потребителей из различных отраслей экономики существует возможность, купить насос для вязких жидкостей, параметры которого будут наиболее полно соответствовать конкретным производственно-технологическим условиям их предприятий и организаций.
Работа с вязкими средами ─ сложная задача для насоса, означающая повышенные нагрузки и предъявляющая к нему жесткие требования. Характеристика насоса при перекачивании вязких жидкостей существенно отличается от его же характеристики при работе с водой. Уже на стадии проектирования и подбора насосного оборудования необходимо в полной мере учитывать реологические факторы, что помимо прочего позволит исключить неоправданные энергозатраты в процессе его эксплуатации.
Разработаны методики пересчета параметров насоса с воды на вязкую жидкость, для составления которых был изучен большой объем экспериментальных данных и выполнены масштабные аналитические исследования. Также разработаны алгоритмы подбора насосов под заданные параметры при работе на вязких жидкостях. Случайный выбор уже после непродолжительной эксплуатации грозит обернуться нарушениями в работе электропривода в результате его перегрева или выходом насоса из строя.
Желательно делать насос для вязких жидкостей устойчивым к воздействию твердых включений, а значит, к абразивному износу.
Насколько это возможно следует стремиться к простоте конструкции и как можно меньшему числу деталей, что позволяет сделать насос надежным, увеличить периоды между сервисными обслуживаниями. Этому требованию полностью отвечают перистальтические насосы для вязких жидкостей (т. е. зубчатые насосы с рабочим органом в виде упругого шланга, пережимаемого вращающимися роликами).
Перистальтические насосы для вязких жидкостей
Их важное преимущество ─ полная герметичность проточной части. Использование для ее изготовления стойких к истиранию и химическим воздействиям современных материалов, ─ прямой путь к увеличению надежности.
Отсутствие большого числа движущихся деталей (рабочая среда с ними вообще не контактирует) и уплотнительных элементов напрямую способствует увеличению продолжительности эксплуатации перистальтических насосов.
Допустимая динамическая вязкость перекачиваемой жидкости определяется типоразмером перистальтического насоса, скоростью вращения ротора насосной части и величиной давления на входе в насосную часть.
Умение эффективно перекачивать вязкие жидкости ─ справедливо считается одним из главных достоинств этого класса насосного оборудования, активное использование которого началось уже во второй половине XX столетия.
А если говорить о дозировании вязких сред, то в пользу перистальтических дозирующих насосов говорит их умение обеспечивать высокую точность дозирования. Объем перекачиваемой жидкости напрямую зависит от частоты вращения ротора, на котором расположены пережимающие шланг (трубку) ролики. Эту скорость легко регулировать, а значит, менять подачу.
Еще одно достоинство перистальтических насосов ─ деликатность обращения с рабочей средой. Надо сказать, что далеко не все филологи приветствуют использование слова «деликатность» применительно к технике, полагая, что словосочетания вроде «деликатная стирка» являются неудачными кальками с английского языка. Но замена прилагательного «деликатная» на «аккуратная» или «бережная» сути дела не меняет. При перекачивании перистальтическим насосом внутренняя структура рабочей среды испытывает минимальное воздействие и потому сохраняет свою первозданность. Это означает, что на молокозаводе жидкие сливки после прохождения через шланг (трубку) перистальтического насоса не превратятся во взбитые.
Сильная сторона перистальтических насосов ─ низкий уровень шума, возможность реверса и работы в режиме сухого хода, простота эксплуатации и обслуживания.
В ассортименте компании «Завод дозировочной техники «Ареопаг» (Санкт-Петербург; официальный сайт ─ https://www.areopag-spb.ru/), одного из ведущих разработчиков и изготовителей российских насосов, активного члена Европейской ассоциации Europump, Российской ассоциации производителей насосов, Союза производителей нефтегазового оборудования, наряду с другими изделиями представлены перистальтические (шланговые) насосы, используемые для перекачивания вязких сред. А также сред с включениями, абразивных, чувствительных к сдвигу. Это ─ насосы типа НП (НП10, НП16, НП25 , НП32, НП40, НП50, НП65, НП80, НП100):
- допустимая динамическая вязкость перекачиваемой жидкости ─ до 10 Па×с;
- температура ─ от минус 10 OC до плюс 80 OC;
- величина зерна твердой неабразивной фазы ─ не более 15 % от наименьшего диаметра сечения входного патрубка агрегата; для одиночных частиц ─ не более 25 %.
Преимущества перистальтических насосов от ООО «ЗДТ «Ареопаг» ─ меньшие по сравнению с аналогами габаритные размеры, надежная конструкция (усиленный подшипниковый узел), простые и удобные эксплуатация и техническое обслуживание (быстрая замена рукава, удобная регулировка давления). При их изготовлении используются различные марки сталей ─ Сталь 20; хромистая 20Х13; хромоникелемолибденовые 10Х17Н13М2Т и 06ХН28МДТ; хромоникелевая 12Х18Н9Т. А также титановый сплав типа ВТ1-0.
Предлагаются различные исполнения по материалу рукава:
- для пищевых продуктов, в т. ч. на масляной и жировой основе;
- для углеводородов, нефтепродуктов и масел;
- для кислот и щелочей с концентрацией до 70 %;
- для концентрированных спиртов;
- для высококоррозионных материалов.
Насосы шестеренные, плунжерные, мембранные, винтовые, шнековые
Для перекачивания вязких жидкостей используют насосы других конструкций. Например, шестеренные насосы для вязких жидкостей. Согласно «ГОСТ 17398-72 Насосы. Термины и определения» правильно говорить шестеренный, а не шестеренчатый насос для вязких жидкостей, хотя чаще встречается второе «негостовское» определение. Шестеренные ─ это зубчатые насосы с рабочими органами в виде шестерен ─ ведущей и ведомой (иногда ведомых больше одной). Находясь в постоянном зацеплении, они обеспечивают геометрическое замыкание рабочей камеры и передачу крутящего момента. Зацепление может быть внутренним или внешним. Насосы с внутренним зацеплением более компактны, но сложнее в изготовлении.
Как и другое оборудование, насос шестеренчатый для перекачки вязких жидкостей имеет свои преимущества и недостатки. Преимущества ─ малые габариты и масса, широкий диапазон вязкости жидкостей, высокий КПД. При этом наблюдается чувствительность к увеличению зазоров между шестернями и корпусом, пульсация рабочей жидкости, что выражается в колебаниях давления и повышенном шуме.
Вообще, для шестеренных насосов (как поршневых, плунжерных и ряда других) наличие трущихся или с минимальными зазорами деталей, в случае присутствия в перекачиваемой среде абразивных частиц, чревато быстрым износом и снижением производительности.
Для перекачивания вязких жидкостей применяются плунжерные насосы.
Более эффективно осуществлять перекачивание вязких сред им помогает увеличение объема рабочей камеры и более низкая частота хода плунжера.
Плунжерные насосы для вязких жидкостей отличает производительность, «терпимость» к очень высоким рабочим давлениям, а дозирующие плунжерные насосы ─ еще и высокая точность дозирования.
Винтовой насос для вязких жидкостей ─ это роторно-вращательный насос, в котором жидкая среда перемещается вдоль оси вращения рабочих органов ─ винтовых роторов. Во многих трудах по истории техники словосочетание «винтовой насос» стоит рядом с такими великими именами как Архимед и Леонардо да Винчи. Но уже в наше время самим фактом своей интеграции в производственные системы винтовые насосы обязаны стремлению приспособить насосное оборудование для работы со средами, характеризующимися высокой вязкостью, первой из которых была нефть.
Одно из значимых достоинств винтовых насосов – стабильный напор и отсутствие пульсаций. Среди других ─ достаточно высокий КПД, малошумность, способность перекачивать рабочие среды с неоднородными включениями.
Иногда между винтовыми шнековыми насосами ставят знак равенства, хотя в уже упомянутом «ГОСТ 17398-72 Насосы. Термины и определения» у каждого собственное определение, и между ними существует принципиальная разница. Шнековый насос ─ это динамический насос (насос трения), в котором жидкая среда перемещается под воздействием сил трения, а винтовой является объемным насосом.
Их объединяет то, что жидкая среда перемещается в направлении оси рабочих органов. Причем у шнекового насоса он носит название винтовой шнек.
Шнековые насосы для вязких жидкостей получили достаточно широкое распространение. Например, шнековые бочковые насосы используются для растаривания вязких жидкостей из различных емкостей.
Мембранные насосы для вязких жидкостей ─ это возвратно-поступательные насосы, рабочие органы которых выполнены в виде упругих диафрагм. Как и в перистальтических насосах, рабочая среда не соприкасается с движущимися деталями, что положительно сказывается на сроке службы таких насосов.
Насосы для вязких сред ─ пример того, как развиваясь, оборудование способно успешно решать задачи, которые еще совсем недавно казались не то чтобы принципиально неразрешимыми, их даже никто не рисковал проговаривать.
Сегодня использование насосов для перекачивания и дозирования вязких жидкостей позволяет автоматизировать производственные процессы, сделав их более точными и безопасными, обеспечивающими высокое качество производимой продукции при максимально возможной экономической эффективности.