پمپهای سانتریفیوژی کاربردی Application of centrifugal pumps)
4-2ساختار پمپهای سانتریفیوژی(Structure of centrifugal pumps)
پمپ سانتریفیوژی ساختار بسیار سادهای دارد و در اساس شامل یک محفظۀ پیچکی(1) و یک پروانه (2) است (به تصویر 2-4 مراجعه کنید). این پروانه بر روی یک شفت (5) سوار میشود. این شفت بوسیلۀ یک یاتاقان(7) حمایت و نگهداشته میشود و یاتاقان نیز به نوبۀ خود در محفظۀ یاتاقان (6) جاگرفته است.
|
تصویر 2-4 : ساختار اساسی در یک پمپ سانتریفیوژی |
محرک اولیۀ این پمپها عموما یک موتور الکتریکی، توربین بخار و یا یک موتور احتراقی درونسوز است که گشتاور را بواسطۀ کوپلینگ به پمپ انتقال میدهد. همین که پروانه میچرخد سیالِ درونِ خود را شتاب میبخشد و جابجا میکند. در صورتی که پمپ به درستی طراحی و راهاندازی شده باشد سیال بیشتری برای گرفتن جای سیال قبلی به درون پمپ کشیده میشود. بنا براین میتوان گفت که پروانه انرژی جنبشی را بواسطۀ عمل مکانیکی به سیال انتقال میدهد. سپس این انرژی جنبشی بوسیلۀ محفظۀ حلزونی شکل به انرژی فشار تبدیل میگردد. فشار سیال در درون محفظۀ پمپ میبایست حفظ گردد؛ حفظ فشار سیال با استفاده از یک چیدمان مناسب سیل (4) صورت میگیرد. سیلها در محفظۀ سیل (3) نصب میگردند.سرعت معمولی کار پمپها بین 1500 تا 3000 دور در دقیقه است.
|
شکل 3-4 |
هرچند بعضی پمپها نیز هستند که میتوانند در محدودۀ سرعتی بین 5000 تا 25000 دور در دقیقه کار کنند.
|
تصویر 3-4: پمپ سانترفیوژی محور افقی( سمت راست) و پمپ سانتریفیوژی محور عمودی (سمت چپ) |
4-4 انواع پمپهای سانتریفیوژی کاربردی (Types of centrifugal pumps)
پمپهای سانتریفیوژی را میتوان به شیوههای گوناگونی طبقهبندی کرد. بعضی از مبانی تقسیمات آنها در زیر میآید:
4-4-2 تقسیم پمپهای سانتریفیوژی کاربردی بر اساس جهت محور پمپ
جهت محور پمپ ناظر به این است که محور شفت پمپ در چه حالت و وضعیتی است. محور میتواند عمودی یا افقی باشد(به تصویر 3-4 مراجعه شود). به بیان دیگر محور دوران معین میکند که پمپ افقی است و یا عمودی.
منظور از تعداد مراحل، تعداد دستۀ پروانهها و دیفیوزرها در پمپ است. هر کدام از دستهها یک مرحله را تشکیل میدهد و معمولا پمپهای سانتریفیوژی یک مرحلهای، دو مرحلهای و یا چند مرحلهای(بیشتر از دو) هستند(به تصویر 4-4مراجعه کنید).
|
تصویر4-4: پمپ چند مرحلهای |
4-4-3تقسیم پمپهای سانتریفیوژی کاربردی بر اساس جهت فلنج مکش(Divided according to the suction flange)
این نوع تقسیم بندی بر اساس جهت قرارگیری فلنج مکش پمپ صورت میگیرد. و میتواند افقی (از ته مکش کننده نیز گفته میشود) یا عمودی (از بالا مکش کننده نیز گفته میشود) باشد(تصویر 5-4).
|
تصویر 5-4: یک پمپ چند مرحلهای که فلنج مکش آن در انتهای پمپ قرار دارد |
4-4-4 تقسیم پمپهای سانتریفیوژی کاربردی بر اساس برش محفظه(Divided according cutting chamber)
|
تصویر 6-4: دو پمپ با برش محفظۀ محوری(سمت راست) و شعاعی (سمت چپ) |
مبنای این نوع تقسیم بندی برش محفظه است که میتواند درجهت شعاعی و قائم به محور شفت باشد و یا محوری و در موازات محور شفت باشد( به تصویر 6-4 مراجعه کنید). به بیان دیگر در این تقسیم بندی پمپها بر اساس نحوۀ جداشدن بدنه شان طبقه بندی میشوند.
4-4-5تقسیم پمپهای سانتریفیوژی کاربردی براساس نحوه قرارگیری یاتاقانها (Divided according bearing placement)
این تقسیمبندی ناظر به محل یاتاقانهایی است که روتور را نگه میدارند.در صورتی که روتور به شکلی توسط یاتاقان حمایت شود که شکل یک پایه را پیدا کنند این نوع پمپها را پمپهای روتور معلق مینامند و اگر پروانههای روی روتور بوسیلۀ یاتاقانهایی حفظ و حمایت شوند که در همان سمت قرار دارند پمپ را از نوع یاتاقان در وسط مینامند(تصویر 7-4).
|
تصویر 7-4 : پمپ از نوع روتور معلق(سمت راست) و پمپ از نوع یاتاقان در وسط (سمت چپ) |
4-4-6تقسیم پمپهای سانتریفیوژی کاربردی براساس نحوه قرارگیری بر روی پایه (Divided according placement on base)
این تقسیم بندی ناظر به نحوۀ قراگیری پمپ بر روی پایه است و پمپ ممکن است که در مرکز شاسی واقع شده باشد(تصویر8 الف-4) و یا بر روی یک قالب چهارپایهای شکل واقع شده باشد (تصویر7ب-4).
|
تصویر الف 8 – 4: پمپی که در مرکز پایه قرار دارد |
|
تصویر ب 8-4: پمپی که بر روی چهار پایه سوار است |
4-4-7تقسیم پمپهای سانتریفیوژی کاربردی بنا بر اتصال شفت (Divided according shaft connection)
پمپهای یک تکه یا اتصال نزدیک(Close Couple) ویژگی اساسی شان نداشتن کوپلینگ بین موتور و پمپ است. شفت این پمپها بلند است و پروانه در یکی از دو سمت انتهایی آن بر روی پمپ سوار میشود. پمپهای عمودی یک تکه (monobloc) فلنجهای مکش و تخلیهشان در طول یک محور واقع شده است و میتوانند بین خطوط لوله قرار گیرند.
4-5 مصارف پمپها (Pumps usage) در پمپهای سانتریفیوژی کاربردی
دسته بندی پمپها در بالا براساس ساختار و اجزای آنها صورت گرفت. در صورتی که بر اساس مورد مصرفی که پمپهای برای آن طراحی میگردند، تولیدشان نیز تفاوت میکند.
برخی مصارفی که پمپهای عمومی ممکن است داشته باشند عبارتنداز:
– پمپهای فرایندهای شیمیایی و نفتی – پمپهای نیروگاههای الکتریکی و اتمی
– پمپهای برجهای خنک کننده و فاضلابهای صنعتی و خانگی
– پمپهای صنایع کاغذ و مقواسازی
– پمپهای مواد دوغابی
– پمپهای سرعت بالا
4-6 اجزای پمپهای سانتریفیوژی کاربردی (Components of centrifugal pumps)
اساسا در تمام انواع مختلف پمپهای سانتریفیوژی قطعات یکسانی کاربرد دارند اما بسته به طراحی و کاربرد خاص پمپ ممکن است تفاوتهایی وجود داشته باشد. در ادامه به توضیح این اجزاء میپردازیم.
4-6-2-1 پروانه (Butterfly) در پمپهای سانتریفیوژی کاربردی
پروانه در پمپهای سانتریفیوژی دوران مکانیکی را به سرعت سیال مبدل میکند. پروانه در واقع در حکم چرخ نخ ریسی است و به مانند آن در پمپ عمل میکند. پروانه در محلی که مکش واقع میگردد دارای یک چشمی ورودی است. سیال پس از مکش به درون پروانه بوسیلۀ پرهها از ورودی به خروجی پروانه هدایت میشود. زاویه و شکلی که پرهها طراحی میگردند بسته به میزان جریان دارد. پرههای هدایت کننده معمولا با صفحۀ پشتی همراه هستند که اصطلاحا شرود (Shroud) یا کاور پشتی پروانه گفته میشود. به صفحۀ جلویی که پرهها را در برگرفته است کاور جلویی گفته میشود. پروانهها عموما ریختهگری میشوند و به ندرت ممکن است که به پروانههایی برخورد که جوشکاری شده باشند و دست ساز باشند.
پروانهها ممکن است مشخصهها و اشکال متفاوتی داشته باشند نظیر پرههای پشتی و سوراخهای بالانس که کارشان کمک به کاهش بار محوری است که توسط فشار هیدرولیکی ایجاد میگردد.
به منظور کاهش تلفات ناشی از چرخۀ دوبارۀ سیال و بهبود مقدار بازدهی پروانه، معمولا پروانهها با رینگهای سایشپذیر تدارک دیده میشوند. این رینگها ممکن است در سمت جلویی پروانه و یا در هر دو سمت پروانه باشند. همچنین ممکن است که پروانه فاقد حلقههای سایش پذیر باشد.
فرآیندریختهگری پروانهها که در بالا به آن اشاره شد،اصلیترین روش تولید پروانه است.پروانههای کوچک که در آبهای تمیز کاربرد دارند به دلیل نازکی لبهها و کاور پروانه از جنس برنج و یا برنز ریخته میشوند. البته اخیرا استفاده از پلاستیک نیز مرسوم شده است.
در پروانههای بزرگتر و در غالب مصارف، نخستین جنس برای ریختن پروانه چدن است. که برحسب استاندارد ASTM میبایست در کلاس A-48-40 باشد (حداقل مقاومت کششی آنPsi 40000 یا 2720 کیلوگرم در سانتی متر مربع باشد).
این نوع پروانه برای استفاده در مواردی است که حداکثر سرعت محیطی 55 متر بر ثانیه باشد و حداکثر دما 20 درجۀ سانتیگراد باشد. زمانی که دما از 200 درجۀ سانتیگراد فراتر رود استفاده از کربن استیل کلاس WAC یا WCC A-216 توصیه میگردد.
4-6-2-2ساختار پروانهها(Butterfly structure)
از نظر ساختار پروانهها سه نوع عمده دارند که اساسا با تکیه بر داشتن و یا نداشتن پوشش و
|
تصویر 9-4 : انواع پروانهها به لحاظ ساختاری |
کاور تقسیم میگردند. این سه نوع عبارتند از: بسته ، نیمه باز، باز که در تصویر 9-4 نشان داده شده است.
پروانه های بسته
|
تصویر 10-4: یک پروانۀ بسته |
پروانههای بسته از تعدادی پرۀ شعاعی تشکیل میشوند ( عموما 3 الی 7 عدد) که از دو طرف بوسیلۀ یک پوشش لفافهای که شرود نامیده میشود محصور شدهاند(تصویر 10-4). این پروانهها یک رینگ سایشپذیر در چشمی مکش دارند و ممکن است که در پوشش پشتی نیز دارای یک رینگ فرسایشی باشند. معمولا پروانههای بستهای که در قسمت پشتی رینگ ندارند دارای پرۀ پشتی هستند. پمپهایی که از پروانههای بستۀ دارای رینگ در هر دو طرف استفاده میکنند بازدهی بالاتری دارند.
پروانههای نیمه باز:
پروانههای نیمه باز به علت حذف اصطکاک دیسک از پوشش جلویی کاراتر هستند و زمانی که سیال حاوی ذرات معلق و فیبری باشد مطلوب تر هستند. بار محوری ایجاد شده در پروانههای نیمه باز معمولا بالاتر از پروانههای بسته است.
پروانههای باز:
این پروانهها با توجه به پوشش لفافهای پشتیشان به سه نوع تقسیم میشوند. اولین نوع آنها که کاملا انحنا دار است
در تصویر 11-4 دیده میشود. در این نوع تقریبا لفافۀ پشتی وجود ندارد و بنا براین بار محوری که توسط فشار هیدرولیکی ایجاد میشود کاملا از بین میرود.
|
تصویر 11-4 : پروانۀ باز کاملا منحنی شکل(نوع اول) |
نوع دوم این پروانهها با عنوان پروانههای بازی که دارای انحنای تقریبی هستند شناخته میشوند(تصویر 12-4). این نوع نسبت به نوع قبلی بار محوری بیشتری میبایست تحمل کند اما در عوض بازدهی و هد بالاتری دارد.
|
تصویر 12-4 : پروانۀ باز از نوع دوم |
نوع سوم این پروانهها پروانۀ بازی که کاملا پوشش لفافهای در پشت شان دارند شناخته میشوند (تصویر 13-4). این نوع معمولا نسبت به پروانههای باز نوع اول دارای پنج درصد بازدهی بیشتر است اما در عوض توانایی تولید هد آن کمتر است.
|
تصویر 13-4: پروانۀ باز با پوشش لفافهای کامل در پشت (نوع سوم) |
این نوع پروانهها بار محوری بیشتری را در مقایسه با سایر پروانههای باز میبایست تحمل کنند. برای کاهش بار محوری در این پروانهها از پرههای پشتی استفاده میشود تا از فشارهیدرولیکی تولید شده توسط بار محوری کاسته شود.
پروانههای گردابی یا پروانههای بدون انسداد نوع دیگری از پروانههای باز دارای پوشش لفافهای کامل به حساب میآیند (تصویر 14-4). این پروانهها در مصارفی استفاده میشوند که ذرات معلق در سیال حجیم باشند و یا از نوع فیبر و کریستال باشند. پروانههای گردابی انرژی را مستقیما به سیال نمیدهند و در عوض یک جریان گردابی ایجاد میکنند که این جریان گردابی انرژی را به سیال انتقال میدهد و یا آن را پمپاژ میکند. محل قرارگیری این پروانه معمولا در بالای پیچک حلزونی است در نتیجه به ندرت نیروی شعاعی به آن وارد میشود.
بعضی از اقسام پروانههای بدون انسداد از نوع نیمه باز
و بسته در تصویر 15-4 نشان داده شده است.
|
تصویر 15-4 : پروانۀ S شکل و بدون انسداد دو راهه |
|
تصویر15-4: پروانههای بدون انسداد دو راهه و سه راهه |
لازم به ذکر است که پروانهها را بر اساس نوع پرهها نیز میتوان دسته بندی کرد. از لحاظ شکل پره نوعی از پروانهها به نام پروانۀ فرانسیس از سایر پروانهها متمایز است. سطوح پرههای این پروانه دارای انحنای دوگانه است. در این نوع پروانه علاوه بر پرههای اصلی در درون چشمه پروانۀ آنها نیز پرههایی تعبیه شده است.
|
تصویر 16-4: پروانۀ دو مکشه بسته از نوع فرانسیس |
4-6-2-4مکش پروانه (Suction butterfly)
عموما پروانه دارای یک چشمی و یا ورودی است که مکش سیال از درون آن صورت میگیرد. برخی پروانهها با عنوان پروانههای تک مکشه نامیده میشوند. این پروانهها فقط در یک سمت دارای حفرۀ مکش هستند. پمپهایی که از پروانههای تک مکشه استفاده میکنند به دلیل اینکه جریان فقط در یک سمت پروانه قرار دارد در معرض عدم تعادل بالاتری توسط بارهای محوری هستند.
در برخی پمپهای خاص، میزان و مقدار جریان کاملا بالاست. در این موارد میتوان از طریق استفاده از یک پروانه که دارای دو چشمی مکش باشد جریان را مدیریت کرد. این پروانهها در هر دو طرف دارای حفرۀ مکش هستند. پمپهایی که پروانۀ دو مکشه دارند NPSH-r کمتری نسبت به پروانههای تک مکشه دارند.
عموما در صورتی که میزان جریان بالاتر از 550 متر مکعب در ساعت یا به عبارتی 153 لیتر در ثانیه باشد استفاده از یک پروانۀ دو مکشی ضروری است (تصویر 17-4 پمپ دارای پروانۀ دو مکشه را نشان میدهد).
|
تصویر 17-4 : پمپ دارای پروانۀ دو مکشه |
4-6-2-5خروجی جریان از پروانه(Output flow butterfly)
جهت جریان سیال در خروجی پروانه میتواند به شکل شعاعی (قائم نسبت به جهت جریان ورودی)، ترکیبی و یا محوری (موازی جهت جریان ورودی) باشد. خروجی جریان بوسیلۀ یک پارامتر بسیار مهم که سرعت مشخصۀ پمپ نامیده میشود تعیین میگردد. چنانچه در طراحی پمپ سرعت مشخصۀ پمپ افزایش یابد، ضروری است که ساختار پروانه را از نوع شعاعی به نوع محوری تغییر دهیم(به تصویر 18-4 مراجعه کنید). عموما برای پمپهای دارای سرعت خاص پایین (جریان پایین و هد بالا) پروانههای شعاعی استفاده میشود و برای پمپهای دارای سرعت خاص بالا (جریان بالا و هد پایین) پروانههای محوری (ملخ) استفاده میشود.
|
تصویر 18-4 : اشکال پروانهها بر اساس سرعت خاص هر کدام |
4-6-3-1 محفظۀ پمپ (Pump chamber) در پمپهای سانتریفیوژی کاربردی
سرعت سیال در خروجی پروانه، میتواند بین 30 تا 40 متر بر ثانیه باشد. این سرعت میبایست در لولۀ تخلیه به 3 الی 7 متر بر ثانیه کاهش یابد. کاهش سرعت درمحفظۀ پمپ به کمک فرایند تبدیل صورت میگیرد. انرژی جنبشی موجود درسیال درخروجی پمپ بوسیلۀ نوعی مبدل (Recuperator) به انرژی فشاری تبدیل میگردد. این فرایند تبدیل انرژی میبایست با کمترین افت و تلفات همراه باشد تا تأثیر آن در بازدهی پمپ ناچیز شود.
برخی از مهمترین مؤلفه ها در این فرایند تبدیل عبارتند از:
– محفظۀ متحدالمرکز (Concentric Casing)
– محفظۀ حلزونی (Volute Casing)
– پرههای حلقوی افشاننده (Diffuser Ring Vanes)
– پرههای افشانندۀ محوری (Axial Diffuser Vanes)
4-6-3-2 محفظۀ متحدالمرکز (Chamber concentric) در پمپهای سانتریفیوژی کاربردی
محفظههای متحدالمرکز معمولا در پمپهای
سانتریفیوژی تک مرحلهای و یا در مرحلۀ
آخر پمپهای چند مرحلهای یافت میشوند
(تصویر19-4). در طراحیهای آغازین پمپهای
|
تصویر 19-4: پمپ دارای محفظۀ متحد المرکز |
سانترفیوژی تک مرحلهای که برای هدهای
بالا مورد استفاده بودند، از یک مجرای انتقال
حلقوی در کنار حلقههای افشاننده استفاده میشد و خروجی سیال ازدرون یک افشانندۀ مخروطی بود. در این محفظهها نسبت میان قطر پروانه و قطر محفظه کمتر از 15/1 نیست و نیز بیشتر از 2/1 نیست.
به منظور کاهش جریان یافتن مجدد سیال در قسمت حلزونی، از یک زبانه که کار آن برش آب است استفاده میگردد. به علاوه این زبانه بار محوری وارده بر شفت را بهطور موثری کاهش میدهد.
در پمپهایی که سرعت مشخصۀ آنها کمتر از 600 گالن در دقیقه است، محفظۀمتحدالمرکزی بازدهی بیشتری نسبت به محفظههای حلزونی دارد.
4-6-3-3محفظه حلزونی (Spiral casing) در پمپهای سانتریفیوژی کاربردی
در پمپهایی که از محفظۀ حلزونی استفاده میکنند امکان کاستن از پرههای پروانه و پوشش لفافهای هست که البته تاثیر این کاهش بر روی بازدهی پمپ بسیار ناچیز است. در محفظه
|
تصویر 20-4: مقاطع مختلف محفظههای حلزونی |
های حلزونی، انرژی جنبشی صرفا در بخش افشاننده و بلافاصله پس از گلوگاه حلزونی به فشار تبدیل میگردد. در این محفظهها زاویۀ انحراف بین 7 تا 13 درجه است. محفظههای حلزونی میتوانند مقاطع و اشکال متفاوتی داشته باشند که در تصویر 20-4 دیده میشوند.
دو شکل اول سطح مقطع مدور دارند؛ سومین شکل دارای مقطع ذوزنقهای است و آخرین شکل مقطع مستطیلی دارد.
محفظههای دارای سطح مقطع مستطیلی در پمپهای تک مرحلهای کوچک و پمپهای چند مرحلهای استفاده میشوند. این محفظهها به دلیل شکل ساده و زمان کمی که برای تولیدشان صرف میشود کاملا اقتصادی هستند. محفظههای حلزونی در طراحیهای متفاوتی تولید میگردند که شامل محفظههای تک حلزونی و دو حلزونی میشوند.
محفظۀ تک حلزونی در پمپهای سانتریفیوژی کاربردی :
طراحی محفظۀ پمپ به شکل تک حلزونی رایج ترین نوع طراحی است. این نوع محفظهها به راحتی ریخته گری میشوند و از نظر هزینۀ تولید ارزانتر هستند(تصویر 21-4).
|
تصویر 21-4: نیروهای تولید شده در یک محفظة تک حلزونی |
در یک محفظۀ حلزونی، توزیع فشار فقط در پربازدهترین نقطۀ پمپ (BEP) متعادل است. در سایر نقاط کاری، این نوع محفظه باعث اعمال ته ماندۀ بار شعاعی بر روی شفت میشود که در وضعیت بیکاری در حداکثر است و در پربازدهترین نقطۀ پمپ یا همان بی.ای.پی تقریبا صفر است.
درنرخهای پایین جریان، توزیع فشار بدین ترتیب است که آن قسمت از سطوح پروانه که به بخش تخلیه نزدیکترند با فشار بیشتری عمل میکنند و آن قسمت از سطوح پروانه که در سمت مقابل نقطۀ برش آب قرار دارند با فشار کمتری عمل میکنند.
به بیان دیگر میتوان فرض کرد که برآیند نیروهای نامتعادل در نقطۀ 240 درجه (از نقطۀ مبدأ برش آب) در جهت مرکز پروانه اعمال میگردد. از نظر تئوریک میتوان از این محفظهها برای تمام پمپها استفاده کرد اما عمدتا این محفظهها در پمپهای ظرفیت پایین و با سرعت مشخصۀ پایین استفاده میشوند. همچنین میتوان از آنها در پمپهایی که سیالات دوغابی و جامد حمل میکنند استفاده کرد.
محفظۀ دو حلزونی یک محفظۀ حلزونی دوتایی در واقع از دو حلزونی تشکیل شده است (تصویر22-4). در محفظههای تک حلزونی بار شعاعی بیشتری بر روی شفت اعمال میشود در صورتی که در محفظههای دو حلزونه، این نیروی شعاعی کمتر و محدودتر است. عملکرد و بازدهی هیدرولیکی این نوع برابر با تک حلزونیها است. بازدهی آن در بهترین نقطۀ بازدهی کمی کمتر از تک حلزونی است اما در سایر نقاط عملیاتی بالاتر است.
|
تصویر 22-4 : تعادل نیروها در درون محفظۀ دو حلزونه |
مهمترین عامل در انتخاب نوع محفظۀ حلزونی، نرخ جریان است. برای جریانهایی که زیر 125 متر مکعب در ساعت هستند، به دلیل اینکه تولید و تمیزکاری سخت میشود از محفظههای حلزونی استفاده نمیشود. در پمپهای بزرگتر، همیشه از محفظههای دو حلزونه استفاده میشود.