Centrifugal Pump Performance with non-Newtonian Slurries

Le pompe centrifughe sono macchine consolidate per il trasporto di fluidi nell'industria grazie alla loro affidabilità e al prezzo accessibile. In alcuni settori, come biomedico, alimentare e petrolifero e del gas, è necessario gestire fluidi non Newtoniani. Poiché la viscosità di un fluido non Newtoniano varia con lo stress imposto e la reologia, pompare questo tipo di fluido può portare a una variazione considerevole nelle prestazioni della macchina, le quali sono difficilmente prevedibili. Oltre alla pressione e alla temperatura, la viscosità di un fluido non Newtoniano dipende anche dalla velocità di taglio e, solitamente, è di diversi ordini di grandezza superiore a quella dell'acqua. Di conseguenza, gli effetti viscosi riducono le prestazioni della pompa ottenute con acqua. Indagini sperimentali con pompe centrifughe che elaborano fluidi non Newtoniani riportano drastici cali di prestazioni a carico parziale, la cui causa non è ancora del tutto compresa e che può danneggiare l'affidabilità e le operazioni di sicurezza dell'impianto. Inoltre, le prestazioni della pompa sono solitamente fornite dai produttori solo con acqua e quindi il processo di selezione della macchina adatta per gestire fluidi non Newtoniani può essere molto impegnativo. Per superare questo problema, vengono comunemente installate pompe sovradimensionate, aumentando i costi di installazione e operativi. In letteratura si trovano pochi modelli per prevedere le prestazioni delle pompe centrifughe con fluidi non Newtoniani, e questi inoltre poco affidabili e generali. Oggigiorno il pompaggio e la miscelazione di fluidi non Newtoniani è una questione di crescente interesse; negli ultimi anni sono stati fatti molti progressi, ma manca ancora un'analisi dettagliata sui fenomeni fluidodinamici che si verificano all'interno di queste macchine. Il seguente elaborato mira ad aumentare la conoscenza sui fenomeni di instabilità che possono verificarsi processando fluidi non Newtoniani con pompe centrifughe. Partendo da una dettagliata revisione della letteratura su i principali fenomeni dannosi correlati all'elaborazione di fluidi non Newtoniani, viene presentata un'analisi critica degli approcci più significativi per la stima delle prestazioni della pompa utilizzando una viscosità rappresentativa del fluido. Contemporaneamente, viene condotta un'estesa indagine sperimentale con un banco di prova dedicato. Viene testata una pompa centrifuga commerciale con tre tipologie di fluidi non Newtoniani, ovvero miscele di caolino, bentonite e carbossimetilcellulosa. A seconda del fluido, vengono considerate concentrazioni di solidi in miscela differenti tipiche di processi industriali. Viene condotta un'analisi critica per correlare i cali di prestazioni della pompa con le proprietà reologiche dei fluidi e le performance ottenute sono impiegate per valutare la qualità della previsione di un metodo di letteratura. I risultati sperimentali hanno mostrato una forte dipendenza delle prestazioni della pompa dal tipo di fluido elaborato e dalla concentrazione di solidi nelle miscele. Si evidenziano inoltre diversi fenomeni di instabilità nell'intero intervallo operativo della pompa e il deterioramento delle prestazioni più importante viene rilevato lavorando a carico parziale con i fluidi più concentrati. Si verificano inoltre riduzioni di prevalenza ed efficienza fino al -70\% e al -55\% rispetto alle performance di riferimento con acqua, compromettendo la sicurezza delle operazioni e portando a un aumento imprevisto dei costi operativi. Le variazioni delle prestazioni della pompa, correlate ai valori di prevalenza, coppia ed efficienza, si sono dimostrate fortemente correlate al comportamento reologico del fluido considerato. Questo elaborato riporta diversi suggerimenti utili per aumentare l'affidabilità delle previsioni delle prestazioni di una pompa centrifuga elaborante fluidi non Newtoniani e per delineare futuri metodi di progettazione.

Centrifugal pumps are widespread consolidated machines to transport fluids in the industry thanks to their reliability and affordable price. In certain fields, such as biomedical, food, and oil and gas, non-Newtonian fluids have to be managed. Since the viscosity of a non-Newtonian fluid varies with the imposed stress and rheology, pumping this type of fluid can lead to a considerable variation in the pump performance difficult-to-be-predicted. In addition to pressure and temperature, the viscosity of a non-Newtonian fluid depends on the shear rate and usually is several order of magnitudes higher than water. Consequently, viscous effects cause a derating of pump performance with respect to water. Previous experimental investigations with centrifugal pumps handling non-Newtonian fluids reported severe performance drops in part-load operations, whose cause is still not fully understood, and that can harm the plant's reliability and safety operations. In addition, the pump performance is usually provided by manufacturers only with water and thus, also the selection process of the proper machine to handle non-Newtonian fluids may be very challenging. To overcome this problem, oversized pumps are commonly installed, increasing the installation and operational costs. In literature there are few models to predict the performance of centrifugal pumps with non-Newtonian fluids, and in these there is also a lack of reliability and generality. Nowadays pumping and mixing non-Newtonian fluids is a matter of increasing interest, in the last year much progress has been made, but there is still a lack of a detailed analysis of the fluid-dynamics phenomenon involved inside these machines. This dissertation aims to increase the knowledge of the instability phenomena that can occur when processing non-Newtonian fluids with centrifugal pumps. Starting from a detailed literature review that is carried out to give an overall point of view of the main detrimental phenomena related to non-Newtonian fluids processing, a critical analysis of the most significant approaches for the pump performance estimation using a representative viscosity is presented. Simultaneously, an extensive experimental investigation is carried out with an on-purpose test bench. A small commercial centrifugal pump is tested against three types of non-Newtonian fluids, i.e. kaolin, bentonite, and carboxymethylcellulose slurries. Depending on the fluid, different solid concentrations, typical of industrial processes, are considered and the rheological characterization is performed to outline the fluid behavior. A critical analysis is conducted to relate the pump performance drops with the slurry’s rheological properties and the resulting performance is employed to assess the prediction quality of a derating method from the literature. Performance results reported a strong dependence of pump performance on the type of fluid processed and the solid concentration in the mixtures. Different detrimental phenomena are experienced throughout the operating range of the pump and the most severe performance impairment is detected in part-load operations with the most concentrated slurries. Head and efficiency reductions up to -70\% and -55\% compared to the water baseline can occur, compromising the safety of operations and leading to unexpected increasing in operational costs. Variations of the pump performance related to the values of head, torque, and efficiency proved to be strongly related to the rheological behavior of the processed fluid. For this reason, a specific design process has to take into account these parameters in order to define the proper pump geometry able to operate the non-Newtonian fluid with specific characteristics. This dissertation reports several useful hints to increase the reliability of the performance predictions and to delineate the basis on which future design methods should be based.