Sulzer Technical Review Ausgabe 2 / 2016

Die Viskosität im Blickfeld

13. Juli 2016 | Philippe Dupont

Die Leistungsfähigkeit einer Pumpe wird durch die Viskosität des gepumpten Mediums, wie z. B. Öl, beeinflusst. Für die Konfiguration und das Design von Pumpen ist dies ein wichtiger Aspekt.

Damit Messwerte rund um die Welt vergleichbar sind, werden die Kennlinien von Pumpen in der Industrie mithilfe von Wasser bei einer Temperatur von ca. 25 °C bestimmt und auf die Dichte von 1 000 kg/m³ korrigiert.

Bei zähflüssigen Medien wie Öl fällt die Pumpleistung jedoch niedriger aus als mit Wasser. In industriellen Anwendungen beginnt sich dies bei Viskositäten über 40 Zentistokes (cSt) auszuwirken. Bei Viskositäten von 300 cSt und darüber sind die Auswirkungen erheblich. Bei einer mittelgrossen Pumpe, die 1 000 m³ Öl mit einer Viskosität von 200 cSt in der Stunde fördert, ist der Wirkungsgrad um ein Viertel niedriger als beim Pumpen von Wasser. Gleichzeitig sinkt die Förderhöhe bei bestem Wirkungsgrad um etwas mehr als 6% (HW und HV1 in Bild 1). Folglich ist auch der Durchfluss bei bestem Wirkungsgrad mit viskosen Flüssigkeiten entsprechend niedriger. Dieser Leistungsabfall ist hauptsächlich auf die höhere Reibung des zähflüssigen Mediums in den Wasserwegen der Pumpe zurückzuführen. Mit zunehmender Pumprate und höherer Viskosität steigt auch die Beeinträchtigung der Pumpenleistung.

Head and flow rates with fluids of different viscosities
Bild 1 Förderhöhen und Fördermengen bei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Viskosität.

Auf den richtigen Korrekturfaktor kommt es an

Wenn es darum geht, die am besten geeigneten Pumpen und Antriebe für die Förderung viskoser Flüssigkeiten zu bestimmen, ist eine genaue Vorhersage der Wirkungsgradkurve der Pumpen erforderlich. Vor einigen Jahren hat das Hydraulic Institute (HI) Korrekturfaktoren für viskose Flüssigkeiten entwickelt. Diese ermöglichen es Ingenieuren, die zu erwartende Leistungsminderung gegenüber den normalerweise von den Pumpenherstellern herausgegebenen Wasserkennlinien vorherzusagen. Die entsprechende HI-Norm ist ANSI/HI 9.6.7-2010 «Effects of Liquid Viscosity on Rotordynamic Pump Performance». Sie ist allgemein anerkannt. Doch in letzter Zeit berichten immer mehr Veröffentlichungen von Abweichungen zwischen den gemäss ANSI/HI 9.6.7 vorhergesagten und den mit viskosen Flüssigkeiten gemessenen Leistungswerten. Die vom Hydraulic Institute entwickelten Korrekturfaktoren basieren auf Tests mit Pumpen geringer Leistung. Ausserdem wurden sie vorwiegend mit fliegend gelagerten Pumpen ermittelt und nicht mit leistungsstarken doppelflutigen, einstufigen, einseitig oder beidseitig gelagerten Pumpen, wie sie normalerweise für die Förderung viskoser Medien eingesetzt werden. Diese beiden Unterschiede sind wahrscheinlich der Grund für die Abweichungen.

Vertieftes Wissen über die viskose Förderung

Sulzer hat zwei Kreisläufe an dem Prüfstand in Winterthur aufgerüstet, um Pumpen mit ein- oder mehrphasigen viskosen Flüssigkeiten bis 2 000 cSt testen zu können. Dazu werden intensive Versuche mit einstufigen, doppelflutigen Pumpen oder helikoaxialen Mehrphasenpumpen durchgeführt, wie sie typischerweise in Pipelines bzw. der Erdölförderung eingesetzt werden. Die Tests liefern der F&E-Abteilung wertvolle Erkenntnisse über die Ursachen der Leistungsminderung bei viskosen Flüssigkeiten sowie über die Auswirkungen bestimmter konstruktiver Merkmale der Pumpen. Die Testergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit einer Überarbeitung der Korrekturfaktoren des Hydraulic Institute, um den heute in der Ölindustrie eingesetzten Pumpentypen besser Rechnung zu tragen.

Bestimmung zukünftiger Einflussfaktoren

Die für eine einstufige, doppelflutige Pumpe bei einer Medienviskosität von 330 cSt gemessenen Werte (Bild 2) zeigen, dass die gemessene Leistungsminderung bei einer höheren Viskosität grösser ist als mithilfe der HI-Korrekturfaktoren berechnete Werte. Sulzer prüft verschiedene Designparameter von Pumpen für viskose Medien. Ein besonderes Augenmerk liegt auf dem Wirkungsgrad und dem Energieverbrauch der Pumpen. Die systematischen Versuche am Prüfstand, kombiniert mit Feldversuchen bei Kunden, ebnen den Weg für innovative Lösungen zum Pumpen von viskosen Flüssigkeiten.

Comparison of measured and calculated pump efficiency / flow rate values.
Bild 2 Vergleich von gemessenen und berechneten Werten für Wirkungsgrad / Fördermenge.
Antonio Morisco
Bild 3 Antonio Morisco vor dem Prüfstand für viskose Medien.

Prüfstand in Winterthur, Schweiz

Antonio Morisco, Leiter der Prüfstandentwicklung, präsentiert die verschiedenen Prüfkreisläufe des neuen Prüfstands in der 1 500 m² grossen Halle in Winterthur: «Der englische Ausdruck 'test bed' inspiriert die Fantasie vieler unserer Besucher, aber ich kann versichern, dass wir weder den Pumpen noch dem Team Zeit geben zu schlafen.» Er weist auf die fünf Meter hohe Anlage voller Röhren, Kabel und Messinstrumente. «Wir testen unter verschiedenen Bedingungen, um Daten über das Verhalten viskoser Strömungen in Pumpen zu sammeln. Mit unseren Prüfkreisläufen für viskose Medien untersuchen wir den Pumpenwirkungsgrad im Verhältnis zur Viskosität des Mediums», erklärt Morisco weiter. «Zum einen nutzen wir die Werte vom Prüfstand zur realistischen Bestimmung der Förderleistung für unsere Kundenprojekte. Zum anderen nutzt unsere F&E-Abteilung die Prüfstände, um die Leistungsfähigkeit und die Energieeffizienz zukünftiger Sulzer-Produkte zu messen und zu verbessern. Auf dem Prüfstand waren schon Pumpen mit unterschiedlichen Beschichtungen, Lagern und hydraulischen Profilen in allen Grössen. Der Energieverbrauch wird ebenfalls gemessen.»


Sulzer Technical Review

Nadia Qaud

Editor-in-Chief


Sulzer Management AG

8401 Winterthur

Switzerland

Telefon: +41 52 262 32 67