Hoe selecteert u de juiste industriële pomp voor vloeistoffen met een hoge viscositeit?

Het selecteren van een industriële pomp is zelden een eenvoudige taak, maar wanneer de vloeistof in kwestie een hoge viscositeit heeft, wordt de uitdaging groter. Viskeuze vloeistoffen, zoals zware oliën, melasse, lijmen, verven, siropen, slurries en polymeersmelten, gedragen zich niet als water. Ze zijn bestand tegen stroming, hebben meer energie nodig om te bewegen en kunnen standaard centrifugaalpompen gemakkelijk beschadigen of omzeilen. Het kiezen van de verkeerde pomp leidt tot een laag rendement, overmatige slijtage, cavitatie of volledige systeemstoring.

Viscositeit begrijpen en waarom dit van belang is voor de pompselectie

Viscositeit is een maatstaf voor de weerstand van een vloeistof tegen vervorming of stroming. Vloeistoffen met een hoge viscositeit zijn dik en plakkerig, zoals honing of teer, terwijl vloeistoffen met een lage viscositeit gemakkelijk stromen, zoals water of benzine. Bij industrieel pompen heeft de viscositeit rechtstreeks invloed op wrijvingsverliezen, vereist vermogen, pompsnelheid en interne spelingen.

Het verschil tussen Newtoniaanse en niet-Newtoniaanse vloeistoffen

Voordat u een pomp selecteert, moet u weten of uw vloeistof Newtoniaans of niet-Newtoniaans is.

• Newtoniaanse vloeistoffen een constante viscositeit behouden, ongeacht de afschuifsnelheid. Voorbeelden zijn onder meer minerale oliën, glycerine en de meeste eenvoudige koolwaterstoffen. Hun gedrag is voorspelbaar en de pompafmetingen kunnen gebaseerd zijn op standaard viscositeitstabellen.

• Niet-Newtoniaanse vloeistoffen viscositeit veranderen onder schuifspanning. Pseudoplastische vloeistoffen (bijvoorbeeld ketchup, verf en veel polymeeroplossingen) worden dunner als ze worden geroerd of gepompt – een eigenschap die ‘shear thinning’ wordt genoemd. Dilatante vloeistoffen (bijvoorbeeld bepaalde slurries, nat zand) worden dikker onder afschuiving. Thixotrope vloeistoffen hebben tijd nodig om de viscositeit onder constante afschuiving te verlagen. Dit gedrag bemoeilijkt de pompkeuze, omdat de viscositeit in rust ordes van grootte hoger kan zijn dan de viscositeit tijdens het pompen.

Hoe viscositeit de pompprestaties beïnvloedt

Naarmate de viscositeit toeneemt, treden er bij de meeste pomptypen verschillende negatieve effecten op:

• Verhoogde wrijvingsverliezen in zuig- en persleidingen
• Verminderde pompefficiëntie, vooral bij centrifugaalpompen
• Lagere netto positieve zuighoogte beschikbaar (NPSHa)
• Hoger stroomverbruik
• Verlaagd debiet voor een gegeven pompsnelheid
• Verhoogde interne slip (recirculatie) bij verdringerpompen

Het negeren van deze effecten leidt tot te kleine motoren, cavitatie, oververhitting of het onvermogen om de pomp te starten.

Belangrijke vloeistofeigenschappen die moeten worden geëvalueerd voordat een pomp wordt geselecteerd

Naast de viscositeit bepalen andere vloeistofeigenschappen het pompmateriaal, het afdichtingstype en de pomptechnologie. Een volledige vloeistofanalyse is essentieel.

Viscositeitsbereik en temperatuurgevoeligheid

Viscositeit is temperatuurafhankelijk. De meeste vloeistoffen met een hoge viscositeit worden bij verhitting minder stroperig. Zware stookolie kan bij 20°C bijvoorbeeld een viscositeit hebben van 10.000 cP (centipoise), maar bij 80°C kan deze dalen tot 200 cP. Daarom moet u de viscositeit specificeren bij zowel de pomptemperatuur als de opstarttemperatuur van de omgeving.

Gangbare viscositeitsbereiken voor industriële pompen:

Vloeistofschuurvermogen, corrosiviteit en gehalte aan vaste stoffen

Vloeistoffen met een hoge viscositeit bevatten vaak schurende deeltjes (bijvoorbeeld keramische slurries, mijnbouwafval) of corrosieve chemicaliën (zuren, bijtende stoffen). Schurende vloeistoffen vereisen geharde rotors en stators of vervangbare voeringen. Bijtende vloeistoffen vereisen pomplichamen van roestvrij staal, Hastelloy of met kunststof beklede materialen. Vloeistoffen met vaste stoffen vereisen pompen met grote interne doorgangen, zoals pompen met progressieve holte of peristaltische pompen, om verstopping te voorkomen.

Afschuifgevoeligheid

Sommige vloeistoffen met een hoge viscositeit, vooral emulsies, biologische vloeistoffen en bepaalde polymeren, zijn schuifgevoelig. Overmatige schuifkracht van hogesnelheidspompen of nauwe spelingen kunnen moleculaire ketens breken, scheiding veroorzaken of de productkwaliteit verslechteren. Voor afschuifgevoelige vloeistoffen kiest u voor pompen met een laag toerental, zoals peristaltische pompen, progressieve holtepompen of membraanpompen.

Centrifugaalpompen versus verdringerpompen voor hoge viscositeit

De meest fundamentele beslissing bij de pompkeuze is het gebruik van een centrifugaalpomp of een verdringerpomp (PD). Voor toepassingen met hoge viscositeit hebben verdringerpompen bijna altijd de voorkeur, maar er zijn uitzonderingen.

Waarom centrifugaalpompen worstelen met hoge viscositeit

Centrifugaalpompen geven snelheid aan de vloeistof met behulp van een waaier en zetten die snelheid vervolgens om in druk in het slakkenhuis of de diffusor. Dit mechanisme werkt efficiënt voor vloeistoffen met een lage viscositeit (waterachtig, minder dan ~200 cP). Naarmate de viscositeit stijgt, verschijnen er twee problemen:

1. Wrijvingsverliezen in de pomp nemen dramatisch toe. De waaier moet de stroperige weerstand overwinnen, waardoor de opvoerhoogte en de stroming worden verminderd.
2. De vereiste NPSH stijgt aanzienlijk. Een hogere viscositeit verhoogt de drukval in de zuigleiding, wat leidt tot cavitatie.

In de praktijk worden centrifugaalpompen inefficiënt boven 300–500 cP. Boven de 1.000 cP functioneren ze vaak helemaal niet. Daarom zijn centrifugaalpompen voor vloeistoffen met een hoge viscositeit zelden de juiste keuze, tenzij de viscositeit door verwarming wordt verlaagd.

Waarom verdringerpompen excelleren

Verdringerpompen vangen een vast volume vloeistof op en dwingen dit mechanisch in de afvoerleiding. Hun stroomsnelheid is vrijwel onafhankelijk van druk en viscositeit. Naarmate de viscositeit toeneemt, verbetert de volumetrische efficiëntie feitelijk omdat de interne slip (lekkage door spelingen) afneemt.

Veel voorkomende PD-pomptypen voor vloeistoffen met een hoge viscositeit zijn onder meer:

• Tandwielpompen (extern of intern): Beste voor schone, niet-schurende vloeistoffen tot ~100.000 cP. Eenvoudig, goedkoop, maar schuifgevoelig.
• Lobbenpompen: Verwerk grotere vaste stoffen en zorg voor zacht pompen. Goed voor voedingsmiddelen en slib.
• Progressieve caviteitspompen: Uitstekend geschikt voor schurende, schuifgevoelige of met vaste stoffen beladen vloeistoffen tot 1.000.000 cP. Zorg voor een stabiele, pulsatievrije stroom.
• Peristaltische (slang)pompen: Ideaal voor zeer schurende of steriele vloeistoffen. Geen afdichtingen, lage schuifkracht, maar beperkt tot gematigde drukken en temperaturen.
• Zuiger-/plunjerpompen: Hoge drukcapaciteit, geschikt voor extreem viskeuze of dikke pasta's, maar vereisen sterke zuigomstandigheden.

Stapsgewijze handleiding voor het selecteren van een industriële pomp voor vloeistoffen met een hoge viscositeit

Volg deze systematische aanpak om kostbare fouten te voorkomen.

Stap 1: karakteriseer de vloeistof volledig

Verkrijg of meet:

• Viscositeit bij pomptemperatuur en bij opstarttemperatuur (in cP of cSt)
• Soortelijk gewicht
• Maximale grootte en concentratie van vaste stoffen
• Schuurvermogen (bijv. silicagehalte)
• Chemische compatibiliteit met gangbare pompmaterialen
• Afschuifgevoeligheid
• Dampspanning (om NPSH te berekenen)

Stap 2: Definieer de bedrijfsomstandigheden

• Vereist debiet (GPM of m³/h)
• Totale persdruk of opvoerhoogte (inclusief wrijvingsverliezen, hoogte en systeemtegendruk)
• Zuigomstandigheden (overstroomde zuiging of lift? Beschikbare NPSH?)
• Bedrijfstemperatuurbereik
• Continu of intermitterend bedrijf
• Hygiënevereisten (voedsel, farmacie)

Stap 3: Bereken NPSH beschikbaar voor hoge viscositeit

Standaard NPSH-berekeningen gaan uit van een waterachtige viscositeit. Bij vloeistoffen met een hoge viscositeit zijn de wrijvingsverliezen in de zuigleiding veel groter. Gebruik de Darcy-Weisbach-vergelijking met voor de viscositeit gecorrigeerde wrijvingsfactoren. Als vuistregel geldt: houd de zuigleidingen kort en met een grote diameter, en vermijd zeven, bochten of kleppen aan de zuigzijde. Veel stroperige vloeistoffen vereisen ondergelopen aanzuiging (zwaartekrachtvoeding vanuit een verhoogde tank) of een voedingspomp.

Stap 4: Selecteer pomptechnologie op basis van viscositeitsbereik en vloeistoftype

Gebruik de volgende beslissingsgids:

Stap 5: Bepaal de pompsnelheid en het aandrijftype

Vloeistoffen met een hoge viscositeit vereisen lage pompsnelheden. Het laten draaien van een tandwielpomp op 1.750 tpm met 50.000 cP vloeistof zal cavitatie, oververhitting en snelle slijtage veroorzaken. Typische snelheden voor viskeuze vloeistoffen variëren van 10 tot 500 tpm. Gebruik een versnellingsbak, frequentieregelaar (VFD) of motor met laag toerental. VFD's maken een snelheidsaanpassing mogelijk om aan de stroomvraag te voldoen en tegelijkertijd overmatige schuifkracht te voorkomen.

Stap 6: Specificeer materialen, afdichtingen en interne spelingen

• Materialen: Gietijzer voor oliën, roestvrij staal 316 voor corrosieve of voedselveilige vloeistoffen, gehard gereedschapsstaal voor schurende vloeistoffen.
• afdichtingen: Mechanische afdichtingen met goede spoelplannen voor vloeistoffen met een hoge viscositeit; gepakte klieren voor zeer dikke pasta's; magnetische aandrijvingen voor nul lekkage.
• Opruimingen: Voor vloeistoffen met een hoge viscositeit of met vaste stoffen kunnen grotere interne spelingen nodig zijn om schuifkracht en slijtage te verminderen. Sommige fabrikanten bieden rotor-statorsets met een hoge viscositeit aan.

Veelvoorkomende fouten die u moet vermijden bij het verpompen van vloeistoffen met een hoge viscositeit

Zelfs ervaren ingenieurs maken fouten bij het verpompen van viskeuze vloeistoffen. Vermijd deze valkuilen.

Fout 1: Prestatiecurven op waterbasis gebruiken

Gebruik nooit curven op waterbasis voor een stroperige vloeistof bij het dimensioneren van een pomp. Een centrifugaalpomp die 100 GPM water levert, kan slechts 30 GPM van 5.000 cP vloeistof leveren. Gebruik altijd voor de viscositeit gecorrigeerde prestatiegegevens of door de fabrikant geleverde curven voor de daadwerkelijke vloeistof.

Fout 2: Opstartvoorwaarden negeren

Een vloeistof die bij 80°C redelijk stroomt, kan bij 20°C vast zijn. Als de pomp onder koude omstandigheden moet starten, kan de rotor beschadigd raken of kan de afdichting beschadigd raken. Zorg voor verwarming, stoommantels of verdun de vloeistof vóór het opstarten. Als alternatief kunt u een pomp kiezen met een extreem hoog startkoppel, zoals een excentrische pomp met een motor van het juiste formaat.

Fout 3: Onderschatting van de verliezen aan de zuigleiding

Een zuigleiding van 3 meter met een diameter van 2 inch kan een verwaarloosbaar verlies voor water hebben, maar een verlies van 15 psi voor 10.000 cP olie. Dit verlies vermindert NPSHa, waardoor cavitatie ontstaat. Houd de zuigleidingen zo kort, breed en recht mogelijk. Gebruik waar mogelijk een ondergelopen afzuiginstallatie.

Fout 4: Standaardspelingen selecteren voor viskeuze vloeistoffen

Kleine interne spelingen in tandwielpompen of excentrische excentrische pompen zorgen voor hoge afschuif- en wrijvingsverhitting. Voor vloeistoffen met een hoge viscositeit specificeert u interne onderdelen met “grote speling” of “hoge viscositeit”. De lichte vermindering van de volumetrische efficiëntie is acceptabel in vergelijking met het risico op vastlopen van de pomp.

Praktische voorbeelden van pompselectie met hoge viscositeit

Voorbeeld 1: Smeltlijm verpompen (50.000 cP bij 180°C)

Hotmeltlijmen zijn zeer stroperig, temperatuurgevoelig en schurend. Oplossing: een dubbelwandige excentrische excentrische pomp met gehard stalen rotor en een frequentieregelaar. De jas houdt de temperatuur op peil; de lage snelheid (200 RPM) vermindert schuifkracht; harde materialen zijn bestand tegen slijtage. De zuigkracht wordt vanuit een geagiteerde tank overstroomd.

Voorbeeld 2: Verpompen van zware stookolie (HFO) van opslag naar brander (15.000 cP bij 10°C, 200 cP bij 80°C)

Oplossing: Een pomp met drie schroeven en verwarming op de zuigleiding. De pomp wordt pas gestart nadat de olie is verwarmd om de viscositeit tot onder 1.000 cP te verlagen. Een VFD regelt de stroom om aan de vraag van de brander te voldoen. Om cokesvorming te voorkomen worden mechanische afdichtingen met quench toegepast.

Voorbeeld 3: Het verpompen van chocolademassa in de voedselproductie (30.000 cP, schuifgevoelig)

Oplossing: Een lobbenpomp met roestvrijstalen rotoren en grote spelingen. De pomp draait op 150 RPM om het breken van suikerkristallen of vetafscheiding te voorkomen. Voor afdichtingen worden FDA-conforme elastomeren gebruikt. CIP-functie (clean-in-place) is inbegrepen.

Pomptype Geschiktheid voor vloeistoffen met een hoge viscositeit

Het selecteren van de juiste industriële pomp voor vloeistoffen met een hoge viscositeit vereist een grondige kennis van de vloeistofreologie, pompmechanica en systeemhydrauliek. Verdringerpompen, vooral pompen met progressieve holte, tandwielen en lobbenpompen, zijn over het algemeen superieur aan centrifugaalontwerpen voor viskeuze toepassingen. Belangrijke succesfactoren zijn onder meer nauwkeurige viscositeitsmetingen onder bedrijfs- en opstartomstandigheden, het juiste ontwerp van de zuigleiding, lage pompsnelheden en de juiste materiaalkeuze. Het vermijden van veelgemaakte fouten, zoals het negeren van de opstartviscositeit of het gebruik van curven op waterbasis, bespaart aanzienlijke onderhoudskosten en uitvaltijd. Raadpleeg bij twijfel pompfabrikanten die gespecialiseerd zijn in toepassingen met hoge viscositeit en die viscositeitsgecorrigeerde prestatiegegevens verstrekken.

Veelgestelde vragen (FAQ)

Vraag 1: Wat is de maximale viscositeit die een standaard centrifugaalpomp aankan?
De meeste centrifugaalpompen worden inefficiënt boven 300–500 cP. Sommige speciaal ontworpen centrifugaalpompen (met open waaiers en extra grote doorgangen) kunnen tot 1.500–2.000 cP aan, maar de efficiëntie is slecht. Voor alles boven 2.000 cP wordt een verdringerpomp sterk aanbevolen.

Vraag 2: Kan ik een tandwielpomp gebruiken voor schurende vloeistoffen met een hoge viscositeit?
Het is niet raadzaam. Externe tandwielpompen hebben nauwe spelingen tussen de tandwieltanden en de behuizing. Schurende deeltjes zullen deze oppervlakken snel eroderen, waardoor prestatieverlies en uiteindelijk defecten ontstaan. Gebruik voor schurende vloeistoffen een excentrische pomp met een hardrubberen stator of een peristaltische pomp.

Vraag 3: Welke invloed heeft de temperatuur op de pompkeuze voor vloeistoffen met een hoge viscositeit?
Temperatuur verandert de viscositeit dramatisch. Veel vloeistoffen met een hoge viscositeit worden vóór het verpompen verwarmd om de viscositeit te verlagen. De pomp moet worden geselecteerd op basis van de laagste verwachte viscositeit (hoogste temperatuur) voor de dimensionering, maar de motor moet de hoogste viscositeit (koude start) aankunnen voor het startkoppel. Vaak zijn verwarmingsmantels, verwarming of met stoom verwarmde pompkoppen vereist.

Vraag 4: Wat is interne slip en waarom is dit van belang voor stroperige vloeistoffen?
Interne slip is de recirculatie van vloeistof van de perszijde terug naar de zuigzijde via interne spelingen. Bij verdringerpompen neemt de slip af naarmate de viscositeit toeneemt, omdat de dikke vloeistof langzamer door de gaten stroomt. Daarom verbetert de volumetrische efficiëntie feitelijk met een hogere viscositeit - het tegenovergestelde van centrifugaalpompen.

Vraag 5: Hoe bereken ik de beschikbare NPSH voor een vloeistof met hoge viscositeit?
Standaard NPSHa-berekeningen moeten worden aangepast voor wrijvingsverliezen met behulp van de werkelijke viscositeit. Gebruik de Darcy-Weisbach-vergelijking met Moody-wrijvingsfactoren, bepaald op basis van het Reynoldsgetal (dat erg laag zal zijn voor stroperige vloeistoffen). U kunt ook online rekenmachines gebruiken die zijn ontworpen voor vloeistoffen met een hoge viscositeit. Houd de zuigleidingen in de regel zeer kort, breed en vrij van beperkingen, en geef de voorkeur aan ondergelopen zuigkracht (zwaartekrachttoevoer) boven zuighoogte.

Vraag 6: Zijn er pompen die viscositeiten van meer dan 1.000.000 cP aankunnen?
Ja. Progressieve caviteitspompen, pompen met dubbele schroef en zuigerpompen voor zwaar gebruik kunnen viscositeiten tot enkele miljoenen centipoise aan. De stroomsnelheden zijn echter doorgaans laag (minder dan 10 GPM) en de snelheden zijn extreem laag (10-50 RPM). Dergelijke toepassingen omvatten stopverf, deeg, asfalt en bepaalde polymeersmelten.

Vraag 7: Welk type afdichting is het beste voor vloeistoffen met een hoge viscositeit?
Voor zeer dikke pasta's wordt vaak de voorkeur gegeven aan pakkingpakkingen (compressiepakkingen), omdat ze een verkeerde uitlijning en vuil verdragen. Mechanische afdichtingen vereisen een schone, smerende vloeistoffilm; Vloeistoffen met een hoge viscositeit kunnen ervoor zorgen dat de afdichtingsvlakken loskomen of oververhit raken. Magnetische aandrijfpompen (zonder afdichting) zijn uitstekend geschikt voor gevaarlijke of giftige viskeuze vloeistoffen, maar vereisen lage snelheden om wervelstroomverhitting te voorkomen.

V8: Kan ik een aandrijving met variabele frequentie (VFD) gebruiken op een pomp voor vloeistoffen met een hoge viscositeit?
Ja, en het wordt ten zeerste aanbevolen. VFD's maken een langzame start mogelijk om koppelschokken te minimaliseren en snelheidsaanpassingen mogelijk te maken om aan de procesvereisten te voldoen zonder dat de vloeistof wordt overbelast. Zorg er echter voor dat de motor geschikt is voor invertergebruik en overgedimensioneerd is voor de viscositeit bij koude start.

Vraag 9: Hoe ga ik om met niet-Newtoniaanse vloeistoffen zoals afschuifverdunnende verf of ketchup?
Afschuifverdunnende vloeistoffen zijn gemakkelijker te verpompen als ze eenmaal in beweging zijn, omdat de viscositeit daalt. Het opstarten kan echter moeilijk zijn omdat de statische viscositeit hoog is. Gebruik een verdringerpomp met start op lage snelheid en zorg voor voldoende NPSH. Vermijd centrifugaalpompen omdat deze afhankelijk zijn van hoge afschuiving om de viscositeit te verminderen, wat afschuifgevoelige producten kan aantasten.

V10: Waar kan ik viscositeitsgecorrigeerde prestatiecurven voor pompen vinden?
Gerenommeerde fabrikanten zoals Viking Pump, Moyno, Netzsch, Seepex en Watson-Marlow bieden viscositeitscorrectiefactoren of curven in hun technische handleidingen. De normen van het Hydraulic Institute publiceren ook correctiemethoden voor centrifugaal- en verdringerpompen. Vraag altijd gegevens op over uw specifieke viscositeit en pompsnelheid.