Nước là chất lỏng phổ biến nhất mà bơm phải xử lý. Tuy nhiên trong một số ứng dụng, bơm phải làm việc với các chất lỏng khác như dầu, propylene glycol, xăng. So với nước, các loại chất lỏng này có trọng lượng riêng và độ nhớt khác.
 

1) Chất lỏng và độ nhớt của chất lỏng:

Bơm chất lỏng thực chất là tạo thế năng (cột áp) cho chất lỏng, các chất lỏng khác nhau sẽ có độ nhớt khác nhau. Vậy độ nhớt của chất lỏng thực chất là gì?
Độ nhớt là thước đo độ dày của chất lỏng. Độ nhớt càng cao, chất lỏng càng dày.

Propylene glycol và dầu động cơ là các ví dụ về chất lỏng dày và có độ nhớt cao.
Xăng và nước là các ví dụ về chất lỏng mỏng và có độ nhớt thấp.

Tồn tại hai loại độ nhớt:
• Độ nhớt động lực học(μ), thường được đo bằng Pa.s hoặc Poise (1 Poise = 0.1 Pa.s)
• Độ nhớt động học (ν), thường được đo bằng centiStokes hoặc m2/s (1cSt = 10-6m2/s)
Quan hệ giữa độ nhớt động lực học (μ) và độ nhớt động học (ν) được trình bày trong công thức sau:

v = µ / p (p là trọng lượng riêng của chất lỏng)

Ở đây chúng ta chỉ tập trung vào độ nhớt động học (ν).

Độ nhớt của chất lỏng thay đổi đáng kể theo sự thay đổi nhiệt độ; dầu nóng thì mỏng hơn dầu lạnh. Bảng dưới đây cho bạn thấy một ví dụ về chất lỏng 50% propylene glycol liquid tăng độ nhớt 10 lần khi nhiệt độ thay đổi từ +20 tới -20oC.

Chất lỏng

 Nhiệt độ chất lỏng
t0 (C)

Trọng lượng riêng
p (kg/m3)

Độ nhớt động học

v (cSt)

Nước

20

998

1.004

Xăng

20

733

0.75

Dầu Olive

20

900

93

50% Propylene glycol

20

1043

6.4

50% Propylene glycol

-20

1061

68.7


2) Chất lỏng phi Newton

Chất lỏng trình bày ở trên được gọi là chất lỏng Newton. Độ nhớt của chất lỏng Newton không bị ảnh hưởng bởi di chuyển mà nó phải chịu. Dầu khoáng và nước khoáng là các ví dụ điển hình của loại chất lỏng này. Ngược lại, độ nhớt chất lỏng phi Newton có thay đổi khi bị khuấy lên.

Lấy vài ví dụ sau:
• Chất lỏng giãn nở như kem - độ nhớt tăng khi được khuấy
• Chất lỏng nhựa như nước sốt – có giá trị tới hạn cần phải vượt qua trước khi bắt đầu chảy. Từ khi đó, độ nhớt giảm theo cường độ khuấy.
• Chất lỏng Thixotrophic như sơn không nhiểu – cho thấy độ nhớt giảm theo cường độ khuấy

Chất lỏng phi Newton không bao gồm trong công thức độ nhớt trình bày ở phần đầu mục này

3) Tác động của chất lỏng nhớt lên chất lượng hoạt động của bơm:

Chất lỏng nhớt, là chất lỏng có độ nhớt cao hơn và/hoặc trọng lượng riêng cao hơn nước, ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động của bơm ly tâm theo nhiều cách khác nhau:
• Mức tiêu thụ công suất tăng, có nghĩa là cần động cơ lớn hơn khi cần thực hiện cùng nhiệm vụ
• Chiều cao đẩy và hiệu suất bơm giảm xuống

Chúng ta xem ví dụ sau. Một máy bơm được dùng để bơm một chất lòng trong hệ thống lạnh có nhiệt có dưới 00C. Để tránh làm chất lỏng đông đặc, một chất chống đông như propylene glycol được cho thêm vào nước. Khi glycol hoặc các tác nhân chống đông tương tự được cho vào chất lỏng cần bơm, chất lỏng có tính chất khác với nước. Chất lỏng sẽ có:
• Điểm đóng băng thấp hơn, tf [°C]
• Nhiệt dung riêng thấp hơn, cp [kJ/kg.K]
• Độ dẫn nhiệt thấp hơn, λ [W/m.K]
• Độ sôi cao hơn, tb [°C]
• Hệ số giãn nở thấp hơn, β [m/°C]
• Trọng lượng riêng cao hơn, ρ [kg/m3]
• Độ nhớt động học cao hơn, ν [cSt]
Các tính chất này cần phải nhớ khi thiết kế một hệ thống hoặc lựa chọn loại bơm. Như đề cập trước đây, trọng lượng riêng cao hơn thì cần công suất động cơ lớn hơn và độ nhớt cao hơn làm giảm chiều cao đẩy, lưu lượng và hiệu suất dẫn đến nhu cầu về công suất động cơ cao hơn, xem hình 1 bên dưới:
                                          
                 Hình 1:Thay đổi chiều cao đẩy, hiệu suất và công suất đầu vào cho chất lỏng có độ nhớt cao.

4. Lựa chọn đúng loại bơm cho chất lỏng có chứa chất trộn hoặc dung môi khác

Đặc tính của bơm thường được dựa vào nước ở khoảng 20°C, có nghĩa là độ nhớt động học của xấp xỉ 1 cSt và trọng lượng riêng ở xấp xỉ 1,000 kg/m3.
Khi bơm được dùng cho chất lỏng có chất chống đông và ở dưới 0°C, cần thiết phải kiểm tra xem bơm có thể cung cấp đúng thông số hoạt động không, hay là cần phải có động cơ lớn hơn. Phần tiếp theo trình bày một phương pháp được đơn giản hóa dùng để xác định sự điều chỉnh các đường cong bơm cho bơm trong hệ thống phải xử lý độ nhớt từ 5 – 100 cSt và trọng lượng  riêng tối đa 1,300 kg/m3.
Xin lưu ý 
rằng phương pháp này không chính xác bằng phương pháp dùng máy tính hỗ trợ được trình bày bên dưới.

Hiệu chỉnh đường cong bơm cho bơm xử lý chất lỏng có độ nhớt cao
Dựa trên kiến thức về điểm làm việc yêu cầu, QS, HS, và độ nhớt động học của chất lỏng cần bơm, các yếu tố hiệu chỉnh của H và P2 có thể tính được, xem hình 2 dưới.
Để có hệ số hiệu chỉnh cho bơm đa tầng, phải dùng chiều cao đẩy của một tầng cánh.

 
Hình 2Có thể xác định yếu tố hiệu chỉnh cho chiều cao đẩy và mức tiêu thụ công suất ở các giá trị khác nhau của lưu lượng, chiều cao đẩy và độ nhớt

Trong đó, các thông số tương ứng với đơn vị tính và liên hệ như sau:
Khi kH và kP2 được tìm thấy trong hình, chiều cao cột nước tương đương cho nước sạch HW và công suất thực của trục được điều chỉnh P2S có thể được tính bằng công thức sau:
H= kH . HS
P2S = kP2 . P2W .(ρS / ρW)

Trong đó:
- HW : là chiều cao cột nước tương ứng với bơm nếu chất lỏng cần bơm là nước sạch
- P2W : là công suất trục tại điểm làm việc (QS, HW) khi chất lỏng cần bơm là nước
- HS : là chiều cao cột nước mong muốn của chất lỏng cần bơm (có chứa chất trộn hoặc dung môi khác)
- P2S : là công suất trục tại điểm làm việc (QS, HS) khi chất lỏng cần bơm là nước (có chứa chất trộn hoặc dung môi khác)
- ρs : trọng lượng riêng của chất lỏng cần bơm
- ρw : trọng lượng riêng của nước = 998 kg/m3

Lựa chọn bơm dựa trên bảng dữ liệu/đường cong thông thường áp dụng cho nước. Bơm nên bao gồm cả điểm làm việc Q,H = QS,HW, và động cơ nên đủ mạnh để xử lý P2S trên trục.

Hình 3 dưới trình bày cách tiến hành chọn bơm và thử xem động cơ nằm trong dãy công suất cho phép hay không.

Quy trình lựa chọn bơm và động cơ bao gồm các bước sau:
• Tính chiều cao đẩy được điều chỉnh Hw (dựa trên HS và kH), xem hình trên, đường 1-2
Chọn một loại bơm có khả năng đáp ứng thông số hoạt động dựa trên điểm hoạt động được điều chỉnh (QS, HW)
Đọc công suất đầu vào P2W tại điểm hoạt động (QS,Hw), xem hình trên, đường 3-4
Dựa trên P2W , kP2 , ρW , và ρS tính công suất trục mong muốn và có hiệu chỉnh P2S , xem hình trên, đường 4-5
Kiểm tra xem P2S < P2 MAX của động cơ. Nếu đúng như vậy, động cơ có thể dùng được. Nếu không thì chọn một động cơ mạnh hơn.

5. Ví dụ tinh toán:

Một bơm tuần hoàn trong hệ thống lạnh cần bơm một chất lỏng 40% (khối lượng) propylene glycol ở –10°C. Lưu lượng mong muốn là QS = 60 m3/h, và chiều cao cột nước mong muốn là HS = 12 m. Biết điểm làm việc mong muốn, có thể tìm đặc tính QH cho nước và chọn một bơm, mà có thể bao gồm điểm làm việc. Một khi chúng ta đã xác định loại và kích cỡ bơm mong muốn, chúng ta có thể kiểm tra xem bơm có được gắn với động phù hợp với tải hay không.

Chất lỏng có độ nhớt động học 20 cSt và trọng lượng riêng 1049 kg/m3. Với QS = 60 m3/h, HS = 12 m và ν = 20 cSt, hệ số hiệu chỉnh có thể được tìm thấy trong hình 2.

kH = 1.03
kP2 = 1.15
HW = kH · HS = 1.03 x 12 = 12.4 m
QS = 60 m3/h

Bơm phải có khả năng bao gồm điểm làm việc tương ứng với Q, H = 60 m3/h, 12.4m. Một khi kích cỡ cần thiết của động cơ đã được chọn, giá trị P2 cho điểm làm việc được tìm thấy, mà trong trường hợp này là P2W=2.9 kW. Bây giờ có thể tính công suất mong muốn của động cơ cho loại hỗn hợp propylene glycol:

P2S = kP2 . P2W .(ρS / ρW) = 1.15 x 2.9 x (1049/998) = 3.5 kW

Phương pháp tính cho thấy bơm cần phải lắp động cơ 4 kW, là loại động cơ nhỏ nhất có thể đáp ứng công suất tính toán P2S = 3.5 kW.

6. Lựa chọn bơm có sự hỗ trợ của máy tính cho chất lỏng dày và nhớt:

Vài công cụ lựa chọn bơm có sự hỗ trợ của máy tính có một tính năng bù trừ cho đường cong thông số hoạt động bơm dựa trên đầu vào trọng lượng riêng và độ nhớt chất lỏng.
Hình 4 trình bày đường cong thông số hoạt động của bơm từ ví dụ chúng ta mới xem qua. Hình đó thể hiện đường cong thông số hoạt động của bơm khi chúng xử lý chất lỏng nhớt (đường liên tục) và khi chúng xử lý nước (đường đứt đoạn). Như chỉ ra ở trên, lưu lượng và hiệu suất bị giảm đi, dẫn đến gia tăng mức tiêu thụ năng lượng.
Giá trị của P2 là 3.4 kW, tương ứng với kết quả chúng ta có được trong ví dụ tính toán ở mục 5.

         Hình 4Đường cong thông số hoạt động của bơm


Bài viết cùng chuyên mục