آشنایی با نحوه کار یک پمپ سانتریفوژ و بدست آوردن منحنی های مشخصه این پمپها در حالتی که به صورت منفرد یا سری و موازی در مدار قرار می گیرند.
مقدمه و تئوری:
پمپ ها دسته ای از توربو ماشین ها هستند که انرژی را از منبع خارجی( الکتروموتور، موتور) در یافت کرده و به سیالی که از آنها عبور می کند منتقل می نمایند و باعث افزایش انرژی سیال می شوند (افزایش فشار ). عموما از پمپ ها برای انتقال سیالات تراکم ناپذیر استفاده می شود. امروزه با بهره گیری از علم مواد بدنه داخلی و تجهیزات پمپ ها از آلیاژهایی ساخته می شود که می توانند در شرایط شیمیایی ویژه نظیر محیط های اسیدی و قلیایی مدت ها کار کرده و در برابر خوردگی مقاومت نمایند. عموما بدنه پمپ ها از فولاد ضد زنگ ساخته می شود.
طبقه بندی پمپ ها:
در شکل طبقه بندی پمپ ها بر اساس نحوه انتقل انرژی به سیال نشان داده شده است. در پمپ های دینامیکی انتقال انرژی به سیال به صورت دائمی است در حالی که در پمپ های جابجایی مثبت انتقال انرژی به صورت متناوب یا دوره ای انجام می شود.
مهم ترین پمپ های دینامیکی پمپ های گریز از مرکز هستند. این پمپ ها بر اساس تبدیل انرژی جنبشی سیال در جریان به فشار ایستا کار می کنند. به این منظور از یک پروانه گردان استفاده می شود. این پمپ ها دارای محفظه ای موسوم به پوسته می باشند که حلزونی بوده و درون آن یک یا چند چرخ قرار دارد که روی یک محور یا شافت نصب شده اند. هر چرخ مجهز به تعدادی پره است که عمل انتقال انرژی در این محل صورت می گیرد. برای جلوگیری از نشت مایع از خروجی شافت از درز بندهای مکانیکی استفاده می شود. یکی از نکات مهم پس از روشن کردن پمپ ها هواگیری ( پرایم کردن) آنها می باشد بنابراین لازم است پس از تنظیم ارتفاع از خروج کامل هوا یا گاز محبوس در داخل پمپ اطمینان حاصل شود. معمولا پمپ در ارتفاعی پایین تر از محل تاسیساتی که انتقال سیال صورت می گیرد نصب می شود تا از ورود سیال به داخل آن اطمینان حاصل شود. پمپ های گریز از مرکز اجزای مختلفی دارند که عبارتند از:
الکتروموتور , کوپلینگ , یاتاقان , محفظه یاتاقان , درزبند مکانیکی , پره های پمپ بدنه(پوسته)
طراحی پمپ نیازمند دانش بالایی از نظریه پمپ، نحوه انتقال جریان و مسیر آن، نیروی محرکه خارجی نظیر نیروی الکتریکی، نحوه قرار گیری پره ها ، تعداد پره ها، نوع سیال ، دبی حجمی جریان و فشار عملیاتی و بسیاری موارد دیگر می باشد. مسیرجریان داخل پمپ متاثر از شکل هندسی پمپ، نحوه انتقال سیال از میان پره ها و توان پمپ می باشد. هر چند عواملی نظیر اصطکاک سیال و جداره پمپ، انتقال حرارت، انحراف جریان از زوایای پره و حالت ناپایدار جریان باعث می شودمحاسبه عملکرد واقعی پمپ ها تنها بر اساس روابط تئوری امکان پذیر نباشد. به همین دلیل مشخصه های عملکردی پمپ ها بر پایه آزمون های عملی که توسط شرکت های سازنده پمپ انجام می شودبه صورت مجموعه ای از منحنی ها بدست می اید. برای انتخاب پمپ مناسب برای یک سیستم طراح باید پارامترهایی از قبیل هد( ارتفاع) مورد نیاز، دبی، گشتاور، قدرت و بازده توجه داشته باشد.
قدرت هیدرولیکی پمپ معادل نرخ انرژی مکانیکی یا توان ایده آلی است که پمپ به سیال می دهد.
که در این روابط Hp هد خالص مفیدی است که سیال از پمپ بدست می آورد.
از آنجا که در اغلب موارد قطر لوله های مکش و خروجی سیال در پمپ ها برابر بوده و تغییرات ارتفاع بین مکش و رانش هم ناچیز می باشد می توان تقریب زیر را استفاده کرد:
که P2 ― P1 اختلاف فشار بین مکش و رانش پمپ می باشد.
همانگونه که اشاره شد هنگام جریان سیال داخل پمپ تنها بخشی از انرژی جریان از طریق پره به سیال منتقل می شودو بقیه در اثر اصطکاک سیال با اجزاء داخلی پمپ، نشتی احتمالی جریان، انتقال حرارت یا سایر شرایط عملیاتی از بین می رود. بنابر این از پارامتری به نام بازده پمپ استفاده می شود. راندمان به صورت نسبت توان ایده آل منتقل شده به سیال به توان مورد نیاز شافت جهت حرکت پمپ (BHP = توان ترمزی) بدست می آید.
هنگامیكه مایع به درون چشم پروانه ( مجراي ورود به پروانه ) یك پمپ سانتریفوژ وارد مي شود ، فشارش كاهش مي یابد . اگر فشار مطلق در مقطع چشم پروانه از فشار بخار مایع در همان درجه حرارت كاري پائین تر آید ، در آن نقطه شروع به جوشیدن كرده و بطور برق آسا تبدیل به بخار مي شود . وقتي این حبابهاي بخار همراه مایع در امتداد پره هاي پروانه بحركت در مي آیند ، فشار رفته رفته افزایش یافته و این حبابها تركیده و مجدداً به مایع تبدیل مي شوند . این پدیده تشـكیـل و از بیــن رفتــن حـبابـهاي بـخـار اصـطلاحاً كاویــتاسیــون ( حفره زایي ) نامیده مي شود . بطور كلي تشكیل و از بین رفتن تعداد زیادي حباب بر روي یك سطح آزاد ، آنرا در معرض تنش شدید موضعي قرار مي دهد كه به نظر مي رسد بر اثر پدپده خستگي صدمه مي بیند . كاویتاسیون در پمپها اثرات بسیار نامطلوبي دارد كه از آن جمله مي توان به ایحاد سرو صداي غیر طبیعي ناشي از ضربات هیدرولیكي و ایجاد لرزش در پمپها ، كاهش راندمان پمپ ، نوساني شدن دبي خروجي ، افت فشار در پمپ ، صدمات مكانیكي و خوردگي سایشي بر روي سطوح و قطعات داخلي پمپ از جمله پوسته ، پروانه و آب بندها ، اشاره كرد .
به منظور ممانعت از بروز كاویتاسیون باید یا NPSHA را افزایش داد و یا NPSHR را كاهش داد و براي این منظور راهكارهاي مختلفي وجود دارد كه از جمله مي توان به موارد ذیل اشاره كرد ؛
-1 افزایش سطح سیال در مخزن .
-2 بالا بردن مخزن .
-3 افزایش فشار مخزن ( استفاده از سیستمهاي بسته / سیستمهاي تحت فشار )
-4 قراردادن پمپ داخل گودال ( Pit)
-5 كاهش افتهاي ناشي از لوله كشي و اتصالات ( كه مي توان با طراحي دقیق سیستم لوله كشي ، بكار بردن حداقل اتصالات ، طراحي مناسب قطر لوله ها و غیره ، افتهاي مربوطه را به حداقل رسانید . )
6 تزریق مقدار كمي سیال خنك كننده به ورودي پمپ ( به منظور كمتر شدن فشار بخار ، مي توان سیال را از درون یك خنك كننده یا فلاش تانك عبور داد ).
-7 عایق بندي مناسب لوله ها .
-8 بكار بردن پمپهاي دو مكشه ( كه تا 25% مقدار NPSHR را كاهش مي دهد).
-9 بكار بردن پمپها با سرعت دوراني ( rpm ( پائین تر .
-10 بكار بردن پمپها با مجراي ورودي ( چشم ) پروانه بزرگتر .
-11 زاویه جریان ورودي به زاویه اي اطلاق مي شود كه تحت آن جریان سیال وارد پروانه مي شود . هر چند این زاویه بزرگتر باشد بازده بیشتر است و هر چه این زاویه كوچكتر باشد ، NPSHR پائین تر است . به همین دلیل زاویه جریان درجه 17 با حدود 5 تا 7 پره بعنوان یك حد مرزي بین دو محدوده فوق در نظر گرفته مي شود .
-12 در هر پمپ هر چه مقدار سرعت مخصوص مكش كمتر باشد ، مقدار NPSHR بالاتر خواهد بود . در مواردیكه NPSHR پائین حائر اهمیت است ، مقادیر سرعت مخصوص مكش بسیار افزایش مي یابد كه به منظور دستیابي به چنین مقادیر بالائي زاویه جریان تا كمتر از درجه 10 و تعداد پره هاي پروانه تا حداقل 4 پره كاهش مي یابد .
-13 به منظور كاهش بیشتر NPSHR و به تبع آن افزایش بیشتر سرعت مخصوص مكش ، یك پروانه جریان محوري یا یك راه انداز (Inducer (در جلوي پروانه سانتریفوژ بكار گرفته مي شود . زاویه جریان این پروانه ثانویه 5 تا 10 درجه و زاویه پره 3 تا 5 درجه بزرگتر است و تعداد پرههاي آن بین 2 تا 4 مي باشد .
-14 جلوگیري از ورود هوا به داخل پمپ .
-15 بكار بردن خط باي پس مناسب (اگر خط باي پس خیلي نزدیك به ورودي پمپ نصب گردد ، باعث افزایش دماي سیال ورودي خواهد شد ).
-16 جلوگیري از اغتشاش (Turbulence (جریان سیال و فراهم نمودن شرایط عبور سیال در یك سرعت ثابت با استفاده از طول مناسب از لوله صاف ( ده برابر قطر ورودي ) مابین قسمت ورودي پمپ تا اولین اتصال .
-17 بكارگیري چندین پمپ كوچكتر بجاي استفاده از یك پمپ بزرگ (هر قدر ظرفیت پمپ افزایش یابد مقدار NPSHR نیز افزایش خواهد یافت و دلیل آن افزایش سرعت سیال مي باشد چرا كه مي دانیم ، هر وقت سرعت سیال افزایش یابد فشار یا هد كاهش خواهد یافت).
به طور معمول مشخصه های عملکرد هر پمپ در قالب نمودارهای توان، هد (ارتفاع کل) و بازده بر حسب دبی جریان( در دورهای مختلف) نشان داده می شوند که به مجموعه آن ها منحنی های مشخصه پمپ گفته می شود. نمونه این منحنی ها در شکل نشان داده شده است.
اگر در حین کار کردن پمپها به فشار (یا دبی) بیشتری نیاز پیدا کنیم میتوان با بیشتر بستن( یا باز کردن) شیر تخلیه پمپ به این مقصد رسید در عوض همانطور که خواهیم دید دبی جریان کم (یا فشار افزایش) خواهد یافت و بنابراین محدودیت های زیادی پدید خواهد آمد.راه حل ساده دیگر استفاده از پمپ قوی تر می باشد که خود مستلزم صرف هزینه بیشتر برای خرید و تعمیر و نگهداری خواهد بود.بهترین راه استفاده از پمپ های کوچکتر و اتصال آنها به صورت سری( موازی) می باشد. در شکل نمونه ای از نمودارهای هد- دبی برای دو حالت سری و موازی برای دو پمپ همسان رسم شده است.
باید توجه داشت در موازی بستن پمپ ها اگر در منحنی سیستم، فقط ارتفاع استاتیکی در نظر گرفته شود، دبی حجمی جریان تابعی از تعداد پمپ های موازی قرار گرفته در مسیر بوده و با افزایش تعداد پمپ ها از یک به دو و سه عدد، دبی حجمی جریان خروجی به ترتیب دو و سه برابر خواهد شد. اما به دلیل وجود تلفات هد در بیشتر دستگاهها که به طور عمده ناشی از تلفات پمپ ها بصورت موازی پمپ ها به صورت سری اصلی و جزئی می باشند، منحنی سیستم دارای انحنا بوده و در عمل دبی جریان به صورت خطی افزایش نخواهد یافت و دبی حجمی بدست آمده ازمجموعه موازی کمتر از مجموع دبی های حجمی هر کدام از پمپها در حالتی باشد که به تنهایی در سیستم استفاده می شوند.یکی دیگر از نکات مهم در انتخاب پمپ ها دور الکتروموتور می باشد. انتخاب پمپ با دور مناسب برای سیستم باعث افزایش بازده پمپ، کاهش نیروهای هیدرولیکی وارد بر بدنه در دورهای پایین، کاهش تنش در شافت و فشار هیدرولیکی ناشی از چرخش پروانه ها و کاهش نیروی وارد روی بدنه می شود.در پمپ های گریز از مرکز ثابت شده عمر بدنه به طور معکوس با توان هفتم سرعت چرخش محور متناسب است.
نکات مهم در بستن پمپ ها بصورت سری یا موازی
- محدوده عملکرد پمپ ها یکسان یا تا جای ممکن به هم نزدیک باشد در غیر اینصورت یک پمپ کل بار یا سهم بیشتر آن را بر عهده گرفته و پمپ دیگر بعنوان یک مانع در سیستم عمل می کند.
- محل استقرار پمپ در پایین مخزنی باشد که قرار است تا مایع از آن پمپاژ گردد. این کار باعث می شود تا همواره اختلاف انرژی مایع بین ورودی پمپ با مخزن ذخیره مایع در ورودی وجود داشته باشد و به اصطلاح پمپ تر شود.این امر باعث کاهش مصرف انرژی درپمپ می شود.
- در کار با پمپ ها بهتر است ابتدا از دبی های کم شروع کرده و بتدریج دبی را افزایش دهیم.این کار باعث صرفه جویی در مصرف انرژی می شود. - هرگز در بخش مکش پمپ زانویی قرار داده نشود.
- اگر یک یا دو پمپ در مسیر ازکار بیافتد مقدار NPSH پمپ سوم بیشتر شده و خطر کار با آن افزایش می یابد. در این حالت حتما باید پمپ های آسیب دیده را هر چه زودتر تعویض کرد.
- در صورت استفاده از پمپ های غیر یکسان لازم است برای جلوگیری از برگشت جریان به پمپ ضعیف تر از شیرهای یکطرفه بعد از پمپ ها استفاده شود.
- در حین بهم بستن پمپها به صورت موازی باید سعی شود مقاومت دینامیکی مدار تا حد ممکن کم باشد.
- دبی حجمی پمپها در حالت موازی کمتر از مجموع دبی حجمی آنها در حالتی است که به تنهایی در مدار قرار می گیرند.
- اگر از پمپ های غیر یکسان استفاده می شود ترتیب بستن پمپ ها از ضعیف به قوی باشد.
- به دلیل افزایش فشار از پمپ دوم به بعد پمپ ها دارای درزبندی بهتر و مقاوم ترباشند. و فشار داخل بدنه پمپ از حد مجاز بیشتر نشود.
- اگر پمپها غیر یکسان باشند هد کل ایجاد شده کمتر از حالتی خواهد بود که پمپها بصورت مجزا در مدار قرار گیرند.
- اگر پمپها مشابه نیستند بهتر است پمپ با NPSHR کمتر بعنوان اولین پمپ در مدار قرار گیرد.
دستگاه شامل یک پمپ سانتریفوژ با دور متغیر می باشدکه به میز هیدرولیک متصل شده و پارامترهایی چون فشار مکش، فشار خروجی، ولتاژ ، آمپر و دور الکتروموتور در آن قابل اندازه گیری می باشند. دبی حجمی جریان را نیز می توان به کمک آب نمای تعبیه شده روی میز هیدرولیک و کرنومتر اندازه گیری کرد.
پمپ به میز هیدرولیک متصل شده. شیر ورود آب به پمپ(خروجی میز هیدرولیک) و شیر تخلیه پمپ را کاملا باز مینماییم. پمپ را روشن کرده و دور آن را روی 2000rpm تنظیم میکنیم. با بستن شیر تخلیه به تدریج فشار (بار اعمال شده) پمپ را افزایش داده و داده ها را در جدول ثبت می نماییم. این کار را تا زمانی که شیر تخلیه پمپ بسته شود ادامه می دهیم. همین فرایند را برای دورهای 2500 rpm و 3000rpm تکرار می کنیم.
روابط مورد استفاده:
(در همه مراحل ولتاژ پمپ ها روی 150 ولت تنظیم شده و حجم آب جمع شده 1 لیتر می باشد)
- در آزمایش پمپ های سری و موازی برای محاسبه توان مصرفی پمپ از رابطه زیر استفاده می شود
