پمپ گریز از مرکز
نویسنده: شایان رابط تاریخ انتشار: ۱۴۰۱/۰۲/۲۴ مدت زمان تقریبی مطالعه: ۳۰ دقیقه
۱- مقدمه و کلیات:
یک پمپ گریز از مرکز با توجه به طراحی آن به عوامل زیادی بستگی دارد. به عنوان مثال، یک متخصص باید پمپ را قبل از پیش بینی عملکرد، آزمایش کند. زیرا الگو‌های زیادی وجود دارد که برای برآورده کردن همه آنها زمان کافی وجود ندارد. مانند: هزینه ساخت و آزمایش. تجزیه و تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی می‌تواند به حل این مسائل کمک کند. به عنوان مثال در طراحی پمپ‌های گریز از مرکز از یک ابزار جایگزین، توانایی کامپیوتر استفاده می‌شود. برای افزایش عملکرد پمپ با استفاده از CFD-CFX، که می‌تواند به کمک طراحان و مهندسان برای غلبه بر بسیاری از مشکلات در این زمینه کمک کند.
علاوه بر این، در نظر گرفتن یک پمپ گریز از مرکز، پروانه پمپ یکی از مهم ترین بخش‌های آن است. پروانه پمپ تاثیر بسزایی در عملکرد پمپ دارد، زیرا انرژی جنبشی تولیدی توسط جریان سیال از طریق پروانه و تیغه‌های آن تولید می‌شود. در نتیجه کارشناسان و مهندسان در این زمینه باید مراقب تجزیه و تحلیل دقیق برای بهینه سازی متغیر‌ها باشند، چون می‌تواند در عملکرد پمپ تاثیر بگذارد.
۲- تاریخچه:
پمپ از اولين وسائلي است كه بشر براي بهره گيري هر چه بيش‌تر از منابع آب آن را اختراع كرده است. ايرانيان قديم نيز در اختراع و بكارگيري اين ماشين نقش عمده‌اي داشتند. به عنوان مثال، چرخ ايراني يا دولاب، يك پمپ ساده است كه توسط نيروي كارگر دوران نموده و آب را به وسيله‌ي قاشقك‌هايي به سطح بالاتر انتقال می‌دهد. اختراع اولین پمپ به روش علمی را به دانشمند معروف ارشمیدس (۲۱۲ تا ۲۷۸ قبل از میلاد) نسبت می‌دهند. نوع تکامل یافته این پمپ هنوز هم در صنعت، تحت نام پمپ پیچی یا پیچ ارشمیدس کاربرد زیادی دارد. بعد از انقلاب صنعتی اروپا و هنگامی که روش سری سازی و تولید انبوه محصولات جایگزین روش ساخت تک محصولی گردید و توجیه اقتصادی هر پروژه در کنار مسائل فنی آن نیز مطرح شد، پمپ‌هایی با ظرفیت و راندمان بالا توسط کشور‌های صنعتی طراحی و ساخته شد. با پیدایش تئوری‌های جدید طراحی و تکنولوژی ساخت، به طور تدریجی رقابت فشرده‌ای بین سازندگان پمپ ایجاد گردید. در نتیجه، ساخت بسیاری از انواع قدیمی آن، به کلی منسوخ و تولید انواع جدید افزایش یافت. امروزه متداول ترین نوع پمپ در جهان و در کشور ما، پمپی است که فیزیکدان فرانسوی پاین به عنوان مخترع آن شناخته شده و به نام پمپ سانتریفیوژ نامگذاری گردیده است.
در حدود ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد مسیح، دستگاهی به نام سایه‌اف توسط مصری‌ها اختراع شد و به منظور بالا بردن آب با یک سطل و در طرف دیگر آن وزنه، استفاده می‌شد. علاوه بر این، پمپ گریز از مرکز توسط یک مخترع و ریاضیدان یونانی تسیبیوس در سال ۲۰۰ قبل از میلاد اختراع شد. او یک پمپ هوا با دریچه‌هایی در پایین آب قرار داد و یک مخزن آب نیز بین آنها قرار داد و یک ردیف لوله نیز در بالای آنها قرار داد. عاوه بر این، آن دستگاه یک طرح اصلی برای یک پمپ رفت و برگشتی در نظر گرفته شده است که امروزه نیز از آن استفاده می‌شود.
در سال ۱۴۷۵، یک دستگاه گل و لای توسط سرباز و دانشمند برزیلی، رتی اختراع شد. می‌توان آن را به عنوان یک پمپ گریز از مرکز مشخص کرد. در سال ۱۵۸۸، مهندس ایتالیایی آگوستینو راملی در کتاب خود (ماشین‌های ساختگی متنوع و هنری کاپیتان آگوستینو راملی)، فناوری پمپ آب با پره های کشویی را علاوه بر پمپ‌های دیگر تعوضیح داد. همچنین مهندس آلمانی به نام پاپنهایم پمپ روتاری دو دندانه‌ای را در سال ۱۶۳۶ اختراع کرد که هنوز هم در موتور‌های روانکاری شده کاربرد دارد. پمپ‌های دنده‌ای او، امکان توزیع آب با شیر‌های کشویی رفت و برگشتی وجود داشت که توسط راملی مورد استفاده قرار می‌گرفت. علاوه بر این، پاپنهایم با اسفتاده از نیروی آب که از بالا بر روی پره ریخته می‌شد، توسط جریان آب به حرکت در می‌آورد.
در سال ۱۷۸۲، جیمز وات ماشین بخار را اختراع کرد و میله‌ای را به موتور وصل کرد، به منظور تبدیل حرکت رفت و برگشتی پیستون به حرکت دورانی که به چرخ‌ها انتقال یابد.
شکل ۱: طراحی بی‌نظیر قاب پمپ Split
اولین پمپ گریز از مرکز توسط جان گوین در سال ۱۸۵۱ ثبت شد. او اختراع کرد که برای تخلیه آب باید از این وسیله استفاده شود که امروزه نیز در تلمبه خانه‌ها دیده می‌شود. موتور بخار گوين به تامين انرژي مورد نياز پمپ كمك مي‌كرد. پمپ‌ها در هر سايز و اندازه‌اي، تمام نياز‌هاي صنعت را در آن زمان تامين مي‌كردند براي مثال، از پمپ‌هاي كوچك الكتريكي گرفته تا پمپ‌هايي كه ۱۰۰۰ تن را در هر دقيقه جابه‌جا مي‌كردند، كه همه اين‌ها توسط آقاي گوين در پايان قرن نوزدهم ساخته و طراحي شده بود.
اولين اختراع پمپ خلا مايع و كمپرسور نيز توسط زيمنس آلماني در سال ۱۹۰۰ به ثبت رسيده است. علاوه بر اين در سال ۱۹۰۱، اولين پمپ توربين عمودي چاه عميق توسط بايرون جكسون به ثبت رسيده است. پمپ تراش كه توسط آلبرت بالدوين وود در سال ۱۹۱۵ اختراع شده است.
شكل ۲: مونتاژ پمپ تك لوله و دو لوله در سال ۱۹۶۰
تئوری استفاده از نیروی سانتریفیوژ جهت انتقال آب را دانشمند معروف، لئوناردو داوینچی، در قرن پانزدهم پیشنهاد کرد. قدیمی ترین این نوع پمپ که پره‌های آن چوبی است و دارای دو انحنا می‌باشد. در قرن هجدهم در یکی از معادن مس پرتقال کشف شده و هم اکنون در موزه هنر‌های ملی پاریس نگه داری می‌شود. قدمت این پمپ را به قرن پنجم ممیلادی نسبت می‌دهند.
اولین کار به روش علمی و صنعتی در سال ۱۸۹۰ توسط برادران سولرز شروع و به سرعت موجب گسترش روش طراحی پمپ‌های سانتریفیوژ گردید. با ابداع پمپ‌های نیمه سانتریفیوژ و محوری، سه نوع مذکور تحت نام واحد توربوپمپ‌ها شناخته شدند. راندمان هیدرولیکی یک پمپ گریز از مرکز، به شدت به هندسه پروانه و پوشش بستگی دارد و تغییرات کوچک در جزئیات هندسی می‌تواند منجر به تغییرات بزرگی در عملکرد پمپ شود.
۳- معرفی:
آب یک نیاز بسیار حیاتی برای بقا است، چه انسان، چه حیوان و چه گیاه به آب نیاز دارند. علاوه بر آن برای تامین آب خام، آب صنعتی، برق و مزارع و سایر فعالیت‌های تجاری نیاز به آب دارد. با افزایش جمعیت، نیاز به آب نیز افزایش پیدا کرده است. به همین دلیل پمپ‌ها برای تخلیه آب از جایی به مکانی دیگر ضروری هستند. پمپ‌ها مورد نیاز انسان‌ها در زمینه‌های مختلف برای انسان‌ها هستند. پمپ برای حرکت سیال از جایی به جایی دیگر از طریق لوله عمل می‌کند.
وظیفه پمپ تغییر انرژی مکانیکی که از طریق شفت پمپ به انرژی جنبشی از طریق تیغه‌های پمپ است و فشار در پمپ به صورت هد تبدیل می‌کند. پروانه جزء مهم در پمپ گریز از مرکز است و مهم ترین قسمت آن تعداد و زاویه تیغه‌های آن است. تیغه‌ها بر عملکرد و حرکت سیال در پمپ تاثیر می‌گذارند. عملکرد پمپ‌ها بر اساس فشار خروجی، ظرفیت جریان یا سرعت جریان و قدرت مکش سنجیده می‌شود.
طراحی پمپ نیاز به یک فرایند آزمون و خطا دارد که این کار باعث کاهش سود تولید کنندگان پمپ می‌شود. به دلایل تحلیلی، علاوه بر آزمایش‌ها، شبیه سازی در در مراحل ساخت و تولید پمپ نیز امروزه کاربرد زیادی دارد. ناپایداری و اندازه گیری‌ها را می‌توان توسط شبیه سازی مورد بررسی قرار داد. شبیه سازی می‌تواند اطلاعات نسبتاً دقیقی در مورد رفتار سیال ارائه دهد و شبیه سازی کمک به ارزیابی عملکرد پمپ می‌کند.
پمپ‌هاي سانتريفيوژ دبسيار رايج هستند و مي‌توانند به صنعت كمك كنند. در بسياري از موارد علاوه بر توسعه اقتصادي براي كشور‌ها، در صنعت‌هاي مختلف نيز كاربرد دارند. در سال‌هاي آينده، اولويت براي بهبود كارايي و براي افزايش توليد و كيفيت پمپ‌ها از نظر مواد سازنده در نظر گرفته مي‌شود.
پمپ‌ها در زندگی انسان در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار مي‌گيرند. برای مثال در زمینه کشاورزی، پمپ‌ها به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. در كشاورزي پمپ‌ها براي سيستم آبياري استفاده مي‌شوند. حتي در فصول گرم و خشك نيز اين پمپ‌ها به كار خود ادامه مي‌دهند. در تامين آب شرب جامعه نيز از پمپ‌ها براي توزيع آب استفاده مي‌شود. پمپ ها ابزارهايي هستند كه كار روزانه انسان را تسهيل مي‌كنند. بنابراين تحقيقاتي لازم است كه تاثير زاويه خروجي پره (𝛽۲) بر عملكرد پمپ را مورد بررسي قرار دهد. عملكرد پمپ شامل فشار تخليه مي‌باشد. تعداد تيغه‌ها و زاويه تيغه‌ها بر فشار پمپ تاثير مي‌گذارد.
برای بهینه سازی عملکرد پمپ، به یک پروانه پمپ نیاز است که نقش مهمی در تعیین فشار خروجی پمپ و ظرفیت جریان ايفا مي‌كند. تعداد تیغه‌ها و زاویه پره‌ها باعث می شود که تعداد پره ها تغییر کند و بر فشار خروجي پمپ تاثير بگذارد.
۴- مبانی:
طراحي مكانيكي پمپ به دو بخش عمده تقسيم مي‌شود:
الف) طراحي سازه‌اي يا اصطلاحاً (طراحي جامداتي) كه بيش‌تر به مسئله شكل و جنس قطعات مختلف پمپ مي‌پردازد.
ب) طراحي هيدروليكي پمپ، كه مبناي اصلي در اين نوع طراحي، وضعيت سيال تحت پمپاژ مي‌باشد. در اين طراحي به بررسي نكاتي همچون توان، تلفات، راندمان، سرعت و دبي سيال در مقاطع مختلف، شكل پروفيل سيال در ورود و خروج، شكل پروفيل پره‌ها و تعداد آنها، كاويتاسيون، خوردگي و… پرداخته مي‌شود.
توربوماشين‌ها وسايلي هستند كه با استفاده از يك حركت دوراني پيوسته، با سيالي كه از آن عبور مي‌كند، تبادل انرژي انجام مي‌دهند و در حالت كلي شامل دستگاه‌هاي زير مي‌باشد:
- پمپ‌ها: كه خود به سه دسته، پمپ‌هاي جريان محوري، شعاعي و مختلط تقسيم مي‌شوند.
- توربين‌ها: همانند پمپ‌ها به سه دسته‌ي جريان محوري، شعاعی و مختلط تقسیم می‌شوند.
- کمپرسورها: تقسیم بندی کمپرسورها مانند پمپ‌ها و توربین‌ها می‌باشد.
- فن‌ها و مکنده‌ها که بیشتر جریان محوری می‌باشند.
توربوماشین‌ها، از نظر نوع حرکت سیال، به صورت زیر دسته بندی می‌شوند:
- جریان شعاعی: ورود و خروج ماشین به اندازه ۹۰ درجه با هم اختلاف فاز دارند. مانند پمپ سانتریفیوژ، توربین گازی جریان شعاعی و کمپرسور جریان شعاعی.
- جریان محوری: ورود و خروج سیال از ماشین در یک امتداد، که آن هم امتداد محور ماشین می‌باشد، صورت می‌گیرد.
- جریان مختلط: جریان خروجی از ماشین، دارای دو مولفه در امتداد ماشین و عمود بر محور ماشین می‌باشد.
۵- پمپ‌ها:
پمپ‌ها را می‌توان به دو گروه پمپ‌های جابه‌جایی مثبت و پمپ‌های دینامیکی ( تغییر دهنده اندازه حرکت ) تقسیم بندی کرد.
پمپ‌های جابه‌جایی مثبت مرز متحرکه داشته و سیال را با تغییرات حجمی جابه‌جا می‌کنند. به این صورت که حفره‌ای باز شده و سیال از میان دریچه ورودی مکیده شده، بعد حفره بسته شده و سیال از طریق یک دریچه خروجی رانده می‌شود. پمپ‌های دینامیکی اندازه حرکت سیال را به وسیله پره‌ها یا تیغه‌های خود افزایش می‌دهند. در این جا هیچ گونه حجم بسته‌ای وجود ندارد. سیال در حین عبور از منافذ و گذرگاه‌ها، افزایش اندازه حرکت می‌دهد. دبی جریان پمپ‌های دینامیکی به طور معمول بیش از پمپ‌های جابه‌جایی مثبت بوده و حرکت سیال از میان آنها، یکنواخت‌تر است. ولی توان جابه‌جایی مایعات خیلی لزج را ندارند. قبل از استفاده از پمپ‌های دینامیکی باید آنها را با مایع پر کرد. در غیر این صورت نمی‌توانند مایع را از یک منبع پایین‌تر از خودش بمکند. در عوض پمپ‌های جابه‌جایی مثبت، تقریبا برای تمام مایعات خود مکنده هستند. یک پمپ جابه‌جایی مثبت برای دبی کم و فشار زیاد مناسب است. در حالی که یک پمپ دینامیکی می‌تواند جریان یا فشار کم و دبی زیاد تولید کند.
شکل ۳: مقایسه پمپ‌های دینامیکی و پمپ‌های جابه‌جایی مثبت از نظر دبی و فشار
۶- پمپ سانتریفیوژ (گریز از مرکز):
مطابق شکل ۴، این پمپ شامل پروانه دواری است که در داخل یک محفظه جای گرفته است. سیال از طریق چشم بدنه به صورت محوری وارد پمپ شده، از لایه‌لای پروانه‌ها لغزیده، به طریق مماسی و شعاعی به سمت پیرامون پروانه می‌چرخد، تمام قسمت‌های محیطی پروانه را پشت سر گذاشته و به داخل قسمت واگرای محفظه پمپ رانده می‌شود. سیال با عبور از پروانه فشار و سرعت پیدا می‌کند. شکل حلزونی محفظه باعث کاهش سرعت جریان و در نتیجه افزایش فشار می‌گردد. پروانه‌ها معمولا با انحنای رو به پشت طراحی شده‌اند. ولی پروانه‌های دارای انحنای رو به جلو نیز وجود دارند که فشار خروجی را اندکی تغییر می‌دهند. پره‌ها می‌توانند باز باشند، یعنی تنها به وسیله یک لقی (فاصله باریک) از محفظه جلویی پمپ جدا شوند؛ یا بسته باشند، یعنی به کمک دیوار خود پروانه از دو طرف محفظه پمپ جدا شوند.
شکل ۴: شماتیکی از پمپ گریز از مرکز
شماتیک نحوه کارکرد پمپ گریز از مرکز
۷- ساختمان پمپ:
دیفیوزر، پوسته حلزونی، پروانه، ایندیوسر، رینگ‌های سایشی، آب بند‌ها، محور، یاتاقان‌ها و کوپلینگ از اجزای سازنده هر پمپی می‌باشند.
۱- شفت محرك:
انتقال نيروي محركه به پمپ كه پره‌ها را به چرخش در مي‌اورد، از طريق يك محور به نام شفت انجام مي‌شود. اين نيروي محركه مي‌تواند الكترومغناطيسي ( مانند يك الكتروموتور )، توربيني و يا ديزلي ( مانند يك موتور ديزلي ) باشد.
۲- پره‌ها (Impeller):
پره‌ها روي شفت محرك نصب شده و با حركت دوراني خود، سيال را به حركت در مي‌آورند. پره‌ها با انواع مختلف يك دهنه، دو دهنه، باز، نيمه باز، شعاعي و… با كاربرد‌هاي متعدد و هر يك از آنها براي مقاصد خاصي طراحي و ساخته مي‌شوند. مشخصات سيال ورودي به پمپ در تعيين نوع پره موثر است.
۳- پوسته (Casting):
اين پمپ‌ها داراي يك محفظه حلزوني شكل هستند كه مانع خروج سيال از پمپ مي‌شود و اجزاي داخلي پمپ از جمله پره‌هاي آن را در بر مي‌گيرد.
۴- ياتاقان‌ها:
بر روي محفظه ياتاقان نصب شده‌اند، وظيفه مهار نيرو‌هاي شعاعي و محوري ايجاد شده در سيال را بر عهده دارند.
۸- انواع پمپ‌هاي سانتريفيوژ از نظر نوع جريان:
اين پمپ‌ها از نظر نوع جريان به سه دسته زير تقسيم مي‌شوند:
۱- پمپ سانتريفيوژ با جريان شعاعي (Radial Flow)
در اين نوع پمپ‌ها سيال مماس بر شفت متحرك وارد پره‌هاي پمپ شده و عمود بر شفت از پره‌ها خارج مي‌شود. اين پمپ معمولا براي پمپ در فشار‌هاي بالا در دبي‌هاي كم به كار مي‌روند.
۲- پمپ سانتريفيوژ با جريان محوري (Axial Flow)
در اين نوع پمپ‌ها سيال در راستاي شفت محرك وارد پره‌هاي پمپ شده و به صورت موازي با شفت از پره‌ها خارج مي‌شود. اين پمپ‌ها براي ايجاد دبي‌هاي زياد با ارتفاع كم كاربرد دارند.
۳- پمپ‌هاي نيمه سانتريفيوژ با جريان مختلط (Mixed Flow)
در اين نوع پمپ‌ها سيال در راستاي شفت محرك وارد پره‌ها شده و به صورت مايل نسبت به محور شفت از پره‌ها خارج مي‌شود. اين پمپ‌ها براي ايجاد دبي‌هاي متوسط با فشار متوسط به كار مي‌روند.
شكل ۵: نمايي شماتيكي از يك پمپ سانتريفيوژ با جريان مختلط
۹- پمپ‌هاي سانتريفيوژ از نظر تعداد پره‌ها:
اين پمپ‌ها از نظر تعداد پره‌ها نصب شده بر روي شفت محرك به دو نوع يك مرحله‌اي و چند مرحله‌اي تقسيم مي‌شوند:
۱- پمپ‌هاي تك مرحله‌ای:
اين پمپ‌ها تنها داراي يك پره روي شفت محرك مي‌باشند و بيش‌تر براي مواردي كه ارتفاع خروجي (هد) كم يا متوسطي مورد نظر باشد استفاده مي‌شوند.
۲- پمپ‌هاي چند مرحله‌ای:
اين پمپ‌ها داراي بيش از يك پره روي شفت حرك هستند كه بسته به نوع كاربرد مي‌توانند دو يا چند پره روي شفت محرك داشته باشند. اين نوع پمپ‌ها مي‌توانند سيال را تا ارتفاع زيادي نسبت به يك پمپ تك مرحله‌اي پمپاژ كنند. با وجود اين‌كه همه پره‌ها روي يك شفت نصب شده‌اند ولي هر مرحله را مي‌توان يك پمپ مجزا فرض كرد. براي مثال دو پمپ تك مرحله‌اي كه به صورت سري به هم متصل شده‌اند را مي‌توان معادل يك پمپ دو مرحله‌اي در نظر گرفت.
مزايا و معايب:
از مزاياي اين پمپ‌ها مي‌توان به سادگي ساختمان، قيمت و هزينه نگهداري كم، پايداري جريان تحويلي، كار كردن با قطع جريان بدون آسيب ديدن و ابعاد نسبتا كوچك آن نسبت به پمپ‌هاي ديگر اشاره كرد.
افت سريع راندمان در دبي‌هاي بالا، نياز به آب‌بندي، قابل استفاده نبودن براي سيالات لزج و كاويتاسيون نيز از جمله معايب اين پمپ‌ها مي‌باشند.
كاربرد:
اين پمپ‌ها در شبكه آب رساني شهر‌ها، كشاورزي، مراكز حرارتي صنايع، نيروگاه‌ها، ساختمان‌هاي مسكوني و… جهت انتقال آب گرم و سرد مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
۱۰- کاویتاسیون:
همان گونه که می‌دانیم آب یا هر مایع دیگری در هر درجه حرارتی به ازای فشار معینی که به فشار بخار مرسوم است، تبخیر می‌شود. به عنوان مثال، آب در فشار ۰٫۰۲ اتمسفر در ۲۰ درجه تبخیر می‌شود. با توجه به این موضوع، هر گاه در حین جریان مایع در داخل پروانه پمپ، فشار از فشار بخار مایع در درجه حرارت مربوطه کم‌تر شود، حباب‌های بخار به وجود آمده و همراه با مایع به نواحی پر فشار حرکت می‌کند. اگر در محل جدید فشار به اندازه کافی زیاد باشد، حباب‌های بخار تقطیر می‌شوند. در این صورت ذرات مایع اطراف حباب‌ها، برای پر کردن فضای خالی ناشی از ترکیدن خود، از مسیر اصلی منحرف شده و با سرعت بسیار زیادی به اطراف و از جمله پره‌های پروانه برخورد می‌کنند. این پدیده کاویتاسیون نام دارد و پدیده‌ای بسیار خطرناک می‌باشد و امکان دارد پس از مدت زمان کوتاهی پروانه پمپ را از بین ببرد. پس باید از بوجود آمدن آن جلوگیری کرد.
خوردگی کاویتاسیون:
وقتی که حباب‌های کاویتاسیون در پروانه و یا قسمت‌های دیگر پمپ می‌ترکند، فشار‌های موضعی بسیار بالایی تولید می‌شوند که آن فشار‌ها می‌توانند باعث افزایش خستگی شوند و تنش‌ها به تنش تسلیم یا استحکام فشاری ماده برسند. اگر این اتفاق بیفتد، ماده کنده شده یعنی خوردگی کاویتاسیون بعد از پریود‌های متغیر به وجود مي‌آيد.
۱۱- اهداف مورد نظر در طراحي پمپ:
- حصول به دبي و هد (ارتفاع) مشخص در حوزه قابل قبولي از تغييرات
- به دست آوردن راندمان بهينه
- حصول منحني مشخصه پايدار با تغييرات پيوسته ارتفاع نسبت دبي
- انتخاب حداقل ارتفاع مكش (NPSH) براي جلوگيري از كاويتاسيون
- انتخاب كوچك ترين ابعاد ممكن براي پمپ (قطر پروانه، حلزوني، و…)
- محدود كردن ارتعاشات و صداي پمپ
۱۲- طبقه بندی پمپ‌ها بر اساس جریان:
پمپ ها را می توان با توجه به نوع جریان سیال به صورت زیر طبقه بندی کرد:
- پمپ جریان شعاعی
- پمپ جریان محوری
- پمپ جریان مختلط
پمپ جریان شعاعی یک پمپ گریز از مرکز است که مایع به مرکز آن وارد می‌شود و در امتداد پره های پروانه در جهتی با زوایای قائم نسبت به شفت پمپ به سمت بیرون هدایت می‌شود. امروزه پمپ جریان شعاعی استاندارد پمپ‌های گریز از مرکز است و در بیشتر کار‌ها مورد نیاز است. همانطور که در شکل های ۶ و ۷ می‌توان دید.
شکل ۶: مکش و تخلیه در پمپ جریان شعاعی شکل ۷: پمپ جریان شعاعی
با این حال، در پمپ‌های محوری، که در آنها سیال از محور پمپ خارج می‌شود. جریان انحرافی در پروانه‌های پمپ‌های جریان شعاعی، نیروهای گریز از مرکز را افزایش می دهد. بنابراین، این منجر به هد پمپ بالاتر در پمپ‌های جریان شعاعی و همچنین کوچکتر شدن ظرفيت جريان آنها می‌شود. همان طور كه در شكل ۸ مشاهده مي‌كنيد.
شكل ۸: شماتيكي از پمپ جريان محوري
نوع سوم پمپ جريان، پمپ جریان مختلط است. این نوع جریان از جمع شدن پمپ جریان شعاعی و محوری به وجود مي‌آيد. همانطور که سيال از طریق پروانه پمپ جریان مختلط جریان می‌یابد، تیغه‌های پروانه جریان را از محور پمپ خارج کرده و به مکش در زاویه بیشتر از ۹۰ درجه پمپ می‌رسانند. شكل ۹ پمپ جريان مختلط و سيال كه از پروانه‌هاي پمپ جريان مي‌يابد را نشان مي‌دهد.
شكل ۹: شماتيكي از پمپ جريان مختلط
۱۳- انواع پمپ‌هاي گريز از مركز:
به طور کلی پمپ‌ها از دو گروه تشکیل شده‌اند: پمپ‌های جابجایی مثبت و پمپ‌های دینامیکی.
۱-۱۳ پمپ‌هاي جابه‌جايي مثبت:
جریان سیال با به دام انداختن مقدار ثابتی و فشار دادن (جابجا کردن)، حجم به دام افتاده شده به داخل لوله تخليه حرکت می‌کند. علاوه بر این، یک حفره گسترش در سمت مکش و یک حفره کاهشی در سمت تخلیه توسط برخی از پمپ‌های جابجایی مثبت استفاده می‌شود. به عنوان مثال، سیالی که به عنوان حفره در سمت مکش به پمپ جریان می‌یابد، منبسط می‌شود و در حالی که سیال از سمت تخلیه خارج و با فروریختن حفره همراه می‌شود. با این حال، حجم در هر چرخه ثابت است. شکل ۱۰ نوع چرخشی از پمپ جابه‌جایی مثبت را نشان می‌دهد.
شکل ۱۰: قطعات داخلی پمپ لوب که نوعی از پمپ جابه‌جایی مثبت می‌باشد.
نوع دیگری از پمپ های جابجایی مثبت، میله مکنده حفره‌ای پیشرونده است. پمپ دارای یک استاتور است که معمولاً به چاهی در لوله تولید به پایین راه می‌یابد. در حالی که روتور به پایین میله مکنده متصل شده است. علاوه بر این، چرخش میله با استفاده از یک سیستم محرک سطحی است، بخش اصلی برای چرخاندن روتور در داخل استاتور ثابت نیز در نظر گرفته می‌شود و باعث ایجاد عمل پمپاژ ضروری برای تولید سیال به سطح شده است، همانطور که در شکل ۱۱ نشان داده شده است.
شکل ۱۱: شماتیکی از یک پمپ PCP
۲-۱۳ پمپ‌های دینامیکی:
این نوع پمپ‌ها با پمپ‌های گریز از مرکز با پوشش حلزونی شکل و با سیستم‌های پمپ شناور الکتریکی هستند. پمپ های شناور الکتریکی توسط کابلی که به موتور الکتریکی متصل است، هدایت می‌شود. علاوه بر این، کار اصلی پمپ‌های شناور الکتریکی آن است که انرژی جنبشی سیال بسیار بالاتر می‌شود قبل از اینکه به بيش‌ترين انرژی فشار در طول جریان عبوری تبديل شود. با این حال، پمپ گریز از مرکز با پوشش حلزوني معمولاً توسط موتور احتراقی یا توربین گازي هدایت می‌شود. شکل‌های ۱۲ و ۱۳ به ترتیب پمپ گریز از مرکز با پوشش حلزوني و ESP را نشان می دهند.
شكل ۱۳: پمپ شناور الكتريكي شكل ۱۲: پمپ گريز از مركز با پوشش حلزوني
۱۴- تئوري ومعادلات حاكم:
پمپ گریز از مرکز را می توان به عنوان یک پمپ روتودینامیکی تعریف کرد که از چرخش پروانه برای افزایش فشار سیال استفاده می‌کند. سیال همانند یک جریان وارد پمپ می‌شود. پروانه پمپ شامل یک دیسک چرخان با چندین تیغه به نام پره می‌باشد که به یکدیگر متصل شده‌اند. به دلیل مکش، جریان در هنگام نزدیک شدن به پره های دوار در پره‌های چرخان گیر می‌کند. سیال به محض اینکه به لبه انتهایی پروانه می‌رسد، شتاب می‌گیرد و حداکثر سرعت سیال در قطر بیرونی پروانه دیده می‌شود. همان طور که در شکل ۱۴ نشان داده شده است، سیال با بیش‌ترین سرعت به دیواره حلزونی شکل پمپ برخورد می‌کند.
شکل ۱۴: شماتیکی از دیواره حلزونی شکل پمپ برای کاهش سرعت سیال
نیروی گریز از مرکز شتاب عناصر سیال را به دلیل تفاوت در شعاع افزایش می‌دهد. علاوه بر این، فرآیند تبدیل انرژی در مکانیک سیالات از معادله برنولی پیروی می‌کند و کل انرژی هد در سیستم پمپ برابر است با انرژی پتانسیل، فشار استاتیک و سرعت که در فرمول زیر نمایش داده شده است.
از آنجایی که پمپ گریز از مرکز سرعت جریان یک سیال خاص را افزایش می‌دهد، اساسا یک ماشین سرعت نامیده می‌شود. پس از خروج سیال از پروانه، سرعت کاهش می‌یابد در حالی که فشار افزایش می‌یابد، همانطور که در اصل برنولی نشان داده شده است. همانطور که سیال از طرف پمپ خارج می‌شود و سیال بیشتری از طرف دیگر مکیده می‌شود و باعث جریان می‌شود.
با این حال، از آنجایی که بدنه حلزونی وسیله ای است که جریان خروجی را جمع آوری کرده و به یک لوله مارپیچ متصل می‌کند که به طور گسترده‌ای در پمپ‌های گریز از مرکز استفاده شده است. بنابراین، سطح مقطع از ورودی به خروجی با تناسب گسترش می‌یابد.
۱-۱۴ سرعت‌های نسبی در ورودی و خروجی پروانه:
مفهوم سرعت نسبی در توربو ماشین‌ها به یک ایده کلیدی در توربو در نظر گرفته می‌شود. برای درک بهتر، فردی را در نظر بگیرید که روی پروانه توربو ماشین ایستاده است، همانطور که در شکل ۱۵ نشان داده شده است. فرد سرعت شعاعی (V) را به دلیل حرکت تیغه‌ها تجربه می‌کند و سرعت مماسی (U) را به دلیل چرخش پروانه تجربه می‌کند. سرعت حاصله (W) تجربه شده توسط شخص به صورت زیر نشان داده می‌شود:
شکل ۱۵: سرعت‌های نسبی در ورودی و خروجی پروانه
برای اینکه قسمت ثابت یک پمپ سانتریفیوژ عملکرد روان داشته باشد، جریان باید مماس بر تیغه پروانه جریان داشته باشد. به طور مشابه در یک دستگاه متحرک سرعت نسبی مماس بر پروفیل تیغه باید باشد. با آگاهی از جهت سرعت نسبی و با نمایش برداری سرعت نسبی، این سه سرعت را می‌توان ترسیم کرد. همانطور که در شکل ۱۶ نشان داده شده است.
شکل ۱۶: جهت سرعت نسبی تیغه پروانه
۲-۱۴ قانون نسبت:
قوانین نسبت را می توان به صورت زیر تعریف کرد:
- جریان مستقیماً با تغییر سرعت و تغییر قطر پروانه تغییر می‌کند.
- هد‌ها به نسبت توان دوم تغییر سرعت و توان دوم تغییر قطر پروانه تغییر می‌کند.
قوانین نسبت در جدول ۱ تعریف شده است.
جدول ۱: فرمول‌های قوانین نسبت
که،
Q = دبی جریان
D = قطر پروانه
N = سرعت
H = هد پمپ
اندیس ۱ نشان دهنده شرایط اولیه و اندیس ۲ نشان دهنده شرایط جدید است.
مراجع
- Aw-Hassan, A., Rida, F., Telleria, R., Bruggeman, A. (2014). The impact of food and agricultural policies on groundwater use in Syria. Journal of Hydrology, 513, 204–۲۱۵
- doi: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2014.03.043
- Hanafizadeh, P., Ghorbani, B. (2012). Review study on airlift pumping systems. Multiphase Science and Technology, 24 (4), 323-362. Doi:https://doi.org/10.1615/multscientechn.v24.i4.30
- Improving Pumping System Performance (2006). Department of Energy,117.Availabl,at: https://www.energy.gov/sites/default/files/2014/05/f16/pump.pdf
- doi: https://doi.org/10.29081/jesr.v18i4.146
- Subroto, Effendy, M. (2019). Optimization of centrifugal pump performance with various blade number. Exploring Resources, Process and Design for Sustainable Urban Development: Proceedings of the 5th International Conference on Engineering, Technology, and Industrial Application (ICETIA) 2018. doi: https://doi.org/10.1063/1.5112400
- Kim, J. H., Oh, K. T., Pyun, K. B., Kim, C. K., Choi, Y. S., Yoon, J. Y. (2012). Design optimization of a centrifugal pump impeller and volute using computational fluid dynamics. IOP Conference Series: Earth and,Environmental,Science,,15,(3),032025
- Weidong, Z., “Investigation of Flow Through Centrifugal Pump Impellers.”, PhD Thesis, Natoinal University,of,Singapore,Singapore,2004
- Prabu, T., “Hydrodynamic Design of a Centrifugal Pump Impeller”, Phd Thesis, Anna University,Channel-,600,025,,2007
- “Pumps and Systems.” The History of Pumps: Through the Years. N.p., 01 Jan. 2012. Web
- Vasjaliya, N.G., “Fluid-Stracture Interaction and Multidisciplinary Design Analysis Optimization of Composite,Wind,Turbine,Blade”,,MSc,Thesis.,ERAUDaytona,Beach,,2013
,,Allerstorfer,C.,”Centrifugal,Pump.”Thesis,Becheler,Vol.40,Leoban - “Fundamentals,of,Turbo,Machinery.”~Learn,Engineering.N.p.,Web.23,May,2014
- Pavesi, G., “Impeller Volute and Diffuser Interaction.” NATO OTAN, Vol.27,2006
بازدیدها: 471
