پمپ های جابجایی مثبت ( Positive displacement pumps )
پمپ های جابجایی مثبت ، در مقابل پمپهای جنبشی (kinetic pumps) با دَوَران سریع پروانهشان، انرژی جنبشی را به سیال انتقال میدهند.
اگر برخی استثنائات را نادیده بگیریم، میتوانیم بگوییم که پمپهایِ جابجاییِ مثبت نسبت به پمپهای جنبشی حجم کمتری از سیال را در فشار بالا منتقل میکنند و در برابر، پمپهای جنبشی حجم بیشتری از سیال را با فشار پایینتر به پیش میبرند.
پمپهای جابجایی مثبت
پمپهای جابجایی مثبت را که کارشان جذب سیال در هر دور فعالیت پمپ است میتوان به دو دسته تقسیم کرد: رفت و برگشتی(reciprocating)، دَوَرانی(rotary)
پمپهای رفت و برگشتی شامل انواع پیستونی(piston pump)، پلانجری(plunger pump) و دیافراگمی(diaphragm pump) است؛ پمپهای دَوَرانی شامل پمپهای دندهای(gear pump)، لوبیایی(lobe pump)، پیچی(screw pump)، پرهای(vane pump) و بادامکی(cam pump) است.
3-2-2 پمپهای پیستونی و پلانجری (Piston & planchary pump)
شکل 1-3،مقایسه عملکرد پلانچر و پیستون |
پمپهای پلانجری از سایر پمپها قدیمیترند. پمپهای پلانجری و پیستونی از سیلندری تشکیل شدهاند که پیستون یا پلانجر در درون آن عقب و جلو میرود. در پمپهای پلانجری، پلانجر از میان یک سیل آب بندی شده میگذرد و به سیال فشار وارد میآورد در صورتی که در پمپهای پیستونی سیل بر روی پیستون قرار گرفته است و همراه آن حرکت میکند و سیال را به سمت بیرون از سیلندر میراند.(به شکل1-3 نگاه کنید) مکانیزم آنها به این
ترتیب است که به محض حرکت پیستون به سمت بیرون حجم موجود در سیلندر افزایش مییابد و سیال از طریق شیر ورودی یکطرفه به داخل سیلندر وارد میشود با برگشت پیستون به داخل سیلندر حجم سیال موجود در سیلندر کاهش مییابد، فشار سیال افزایش مییابد و در نتیجه سیال از طریق شیر خروجی به بیرون رانده میشود. در پمپهای پیستونی سرعت پمپاژ از صفر تا ماکزیمم در نوسان است؛
به این ترتیب : زمانی که پیستون در نقطهای قرار دارد که باید جهت حرکتش تغییر کند سرعت پمپاژ صفر است و زمانی که پیستون به نیمهی سیلندر رسیده باشد سرعت پمپاژ در حداکثر است.
شکل 3-3،پمپ پیستونی دوعمله در مقایسه با تک عمله |
شکل 2-3،نحوه عملکرد پمپ پیستونی |
برای مشاهده عملکرد پمپ پیستونی به شکل2-3 دقت کنید.
چنانچه از دو سمت پیستون برای پمپاژ استفاده شود سرعت پمپاژ میتواند کاهش یابد. پمپهایی که به این شیوه کار میکنند پمپهای دوعمله(double acting) نامیده میشوند. (برای مقایسه پمپهای پیستونی دو عمله و تک عمله به شکل3-3 نگاه کنید) سرعت پمپاژ چنانچه از بیشتر از یک سیلندر استفاده شود نیز بیشتر کاهش پیدا خواهد کرد؛ در مجموع میتوان گفت که سرعت پمپاژ پمپهای پستونی با تغییر سرعت رفت و برگشت پیستون و یا تغییر در مسافتی که پیستون برای ضربه زدن طی میکند، کاهش و یا افزایش مییابد. پیستون ممکن است مستقیماً با بخار، هوای فشرده، روغن هیدرولیکی، یک رابط مکانیکی و یا بادامکی- که حرکت دَوَرانی یک چرخ گردان را به حرکت رفت و برگشتی تبدیل کند- به حرکت درآید.
دو نوع پمپ پيستونی وجود دارد: 1- نوعی که برای سيالات با ويژگیهای متفاوت ساخته شده و پمپ هيدروليکی ناميده میشود. 2- نوعی که برای استعمال گاز و هوا بوده و به عنوان پمپ پنوماتيک شناخته میشود.( بوسيله انتگرال و دسته پمپ، پمپ روغن را تحت فشار رها میکند)
پمپهای پیستونی و پلانجری معمولا کم ظرفيت هستند ولی فشار خروجی سيال را میتوانند تا مقدار زيادی افزايش دهند. بنابراين از اين پمپها در جاهايی که نياز به جابجا کردن سيالی با حجم کم ولی فشار بالا باشد، استفاده میکتتد. در ضمن بايد به اين نکته نيز توجه داشت که جريان سيال در اين پمپها به صورت غير يکنواخت میباشد. پمپهای پیستونی و پلانجری گران قیمت هستند اما فوق العاده قابل اطمینان و بادوام هستند و به عنوان پمپهایی که برای صدسال نیاز به تعمیر و تعویض ندارند مشهورند. نکته بسيار مهم در مورد اين پمپها آن است که هرگز نبايد آنها را در حاليکه شير خروجی پمپ (dischsrge valve)بستهاست روشن نمود. پمپهای پيستونی ازنظر “priming”(پرکردن و تخليه پمپ) دارای کیفيت بالايی بوده اما محدوديت های زيادی نيز دارند که در اينجا به برخی از آنها اشاره میکنيم :
1- اين پمپ ها تحت فشار بالا نمیتوانند عمل کنند در نتيجه عمر مفيد آنها کوتاهتر از برخی پمپهاست.
2- جريان منحنی عملکرد آنها اساسا مسطح(يکنواخت)است.
3- برای انتقال مواد قابل احتراق و سمّی مناسب به نظر نمیرسند.
3-2-3 پمپهای دیافراگمی (Diaphragm pumps) در پمپ های جابجایی مثبت
شکل5-3،پمپهای دیافراگمی که با هوای فشرده کار می کنند. |
عملکرد پمپهای دیافراگمی بسیار مشابه پمپهای پیستونی است با این تفاوت که در اینجا یک دیافراگم قابل انعطاف که حرکاتی منظم دارد جایگزین پیستون شده است. این دیافراگمها این مزیت را دارند که در مقایسه با پمپهای پیستونی نیازی به پکینگ ندارند. دیافراگم ممکن است به شیوهای مکانیکی از طریق پیستونی که بی واسطه به آن متصل است و یا یک سیال نظیر روغن یا هوای فشرده به حرکت درآید.پمپهای دیافراگمی مقدار خروجی متناوبی دارند و میتوانند گازها، مایعات و یا ترکیبی از این دو را پمپ کنند؛ همچنین پمپهای دیافراگمی برای پمپکردن مایعات حاوی ذرات جامد قابل استفادهاند. علاوه براین برای پمپکردن مواد شیمیایی گران قیمت، سمی یا خورنده (فرسایشگر)- که ممکن است از
طریق پکینگ به بیرون ترشح کنند-استفاده میشوند. پمپهای دیافراگمی میتوانند برای مدت طولانی بدون روغنکاری به فعالیت بپردازند.
3-2-4پمپهای دندهای(Gear pumps) در پمپ های جابجایی مثبت
شکل6-3،طرح کلی یک پمپ دنده ای(دنده خارجی) |
یکی از رایج ترین انواع پمپ دندهای در شکل 6-3 دیده میشود. در این پمپ یکی از دندهها چرخان و دیگری آزاد است. خلاء موقتی که از طریق چرخش این دندهها که در ابتدا با هم درگیر نیستند ایجاد میشود سیال را به درون پمپ میکشد. سپس سیال به قسمت مابین محفظه و دندهها حرکت میکند. به محض درگیر شدن دندهها با هم
فشار بالایی ایجاد میشود که سیال را به سمت مسیر خروجی میراند.
همانطورکه میبینید جهت تخلیه در پمپ دندهای بستگی به جهت چرخش دندهها دارد.
شکل 7-3،طرح کلی یک پمپ دنده داخلی |
یک پمپ دنده داخلی در شکل7-3 دیده میشود. دندهی چرخان درواقع روتوری است با دندانههای تیز که با دندانههای دنده ای که هرزگرد و لنگ است درگیر میشود. بخش هلالشکل محفظهی پمپ جریان سیال را بین دندهی هرزگَرد و روتور تقسیم میکند. پمپهای دندهای از این نوع میتوانند مایعاتی را که حاوی بخار و گاز هستند پمپ کنند. این قبیل پمپهای دندهای
برای نرمکاری (اصطکاک زدایی) دلیل برای
شکل 8-3،طرح کلی یک پمپ لوبیایی |
پمپکردن گازها وابسته به مایعی هستند که پمپ میکنند به همین مناسب نیستند. این پمپها خروج ثابتی دارند و با کمی لرزش ناشی از چرخش روتور همراه هستند. فرسایش و خوردگی در آنها باعث بازگشت آب به درون پمپ میشود.به دلیل اینکه این پمپها قابلیت قفلکردن(جام شدن) دارند برای پمپاژ مایعات حاوی ذرات جامد مناسب نمیباشند و چون نیازی به سوپاپ یک طرفه ندارند میتوان در پمپاژ بسیاری از
مایعات لزج از آنها استفاده کرد.
3-2-5 پمپهای لوبیایی(lobe pumps) در پمپ های جابجایی مثبت
پمپهای لوبیایی از نظر ظاهری بسیار به پمپهای دنده خارجی شباهت دارند. با این تفاوت که این پمپها روتورهایی دارند که به جای دندهها با دو، سه و یا چهار lobe جایگزین شدهاند و هر دو روتور
آنها چرخان میباشند. پمپهای لوبیایی در مقایسه با پمپهای دنده خارجی لرزش بیشتری دارند و برای استفادهی بلند مدت و مداوم مناسب نیستند. نوع دیگر از این پمپها کمپرسورهای لوبیایی compressor) (lobe هستند که در این قبیل کمپرسورها هر روتور دو lobe داردو در پمپکردن گازها از آنها استفاده میشود.
3-2-6 پمپهای پیچی (Screw pumps) در پمپ های جابجایی مثبت
شکل 9-3،تصویری از دو پمپ لوبیایی |
شکل 10-3،تصویری از یک پمپ پیچی |
در یک پمپ پیچی، یک روتور مارپیچ در یک محفظهی ثابت میچرخد این محفظه به شکلی است که به هنگام دَوَران پیچ و حرکت سیال به سمت تخلیه، حفرهای در آن بوجود میآید. شکلگیری این حفره باعث ایجاد یک خلاء موقتی میشود که این خلاء سیال را به درون پمپ میکشد. سپس سیال به سمتی که خلاء در آن موجود است(حفره) منتقل میشود. شکل محفظه طوری است که به
هنگام تخلیهی پمپ حفره بسته میشود و با ایجاد فشار فزایندهای سیال به مسیر خروجی رانده میشود. پمپهای پیچی میتوانند سیالاتی حاوی بخار یا ذرات جامد را پمپ کنند. این پمپها خروجی ثابتی دارند و در عینحال لرزشی بسیار ناچیز ناشی از چرخش روتور نیز دارند. به دلیل اینکه پمپهای پیچی نیازی به شیرهای اطمینان ورودی و خروجی ندارند قارند مایعات بسیار لزج را نیز پمپ کنند. این پمپها غول پیکر، سنگین و گران قیمت هستند اما در عین حال بسیار قوی و پرقدرت اند و عمری طولانی دارند.
3-2-7پمپ پرهای (Vane pump) در پمپ های جابجایی مثبت
شکل 11-3،طرح کلی یک پمپ پره ای |
یک پمپ پرهای متغیر در شکل 11-3 دیده میشود روتور این پمپ به صورت لنگ جاگرفته است. پرههای مستطیل شکل در فواصل منظم و ثابتی نسبت به یکدیگر، حول سطح منحنی روتور قرار گرفتهاند. تمام پرهها
در درون یک شکاف(slot) قرار دارند طوری که میتوانند آزادانه در این شکاف حرکت کنند.
نیروی گریز از مرکز حاصل از دَوَران شفت، پرهها را برای تشکیل یک سیل(seal) در برابر محفظهی پمپ، به بیرون پرتاب میکند. با چرخش روتور خلاء موقتی که در قسمت مکش پمپ ایجاد شدهاست سیال را به درون پمپ میکشد و بدین ترتیب سیال به سمت دیگر پمپ – در فضایی که بین روتور و محفظه قرار دارد،منتقل شده است و افزایش فشار در قسمت تخلیه سیال را به سمت مسیر خروجی میراند. مقدار پمپاژ با تغییر درجهلنگی روتور قابل تغییر است. پمپهای پرهای نیازی به شیرهای اطمینان خروجی و ورودی ندارند. این قبیل پمپها قادرند سیالاتی که حاوی بخار و گاز هستند را پمپ کنند اما برای پمپاژ مایعات حاوی ذرات جامد مناسب نیستند. کمپرسورهای نوع پرهای نیز وجود دارند که برای پمپ کردن گازها از آنها استفاده میشود.پمپهای پرهای خروجی ثابتی به همراه کمی لرزش ناشی از چرخش روتور دارند و درعین حال پرقدرت نیز میباشند.
3-3 پمپهای جنبشی (Kinetic pumps)
پمپهای جنبشی به دو دسته قابل تقسیم هستند:گریز از مرکز یا سانتریفیوژی(Centrifugal) و جانبی(regenerative). در پمپهای جنبشی به سیال سرعت داده میشود. و بعداً مقدار قابل توجهی از این هد سرعت به هد فشار تبدیل میشود. هرچندکه نخستین پمپ سانتریفیوژی در حدود سال 1860 معرفی شد اما پمپهای جنبشی تا قرن بیستم بسیار کم مورد استفاده بودند.
هرگاه جسمی بهسرعت حول محور خود به چرخش در آيد، ذرات مرکزی آن جسم در اثر نيروی توليد شده به خارج پرتاب میگردند. اين نيرو را نيروی گريز از مرکز گويند. پمپهای گريز از مرکز بر اساس اين نيرو که در اثر چرخش پروانه بوجود میآيد، کار میکنند. مايع پس از رهايی از پروانه ، از مجرايی میگذرد که انرژی سرعتی مايع به انرژی فشاری مبدل میگردد. به اين ترتيب ، فشار مايع هنگام خروج بيش از فشار ورودی آن میباشد. پمپهای سانتریفیوژی شامل چند دستهی جریانمحوری، جریانشعاعی و جریانترکیبی هستند. عمدتاً پمپهای جریان شعاعی را بهترین نوع پمپهای سانتریفیوژی میدانند. رایجترین نوع پمپهای جریان شعاعی، پمپ حلزونی(پیچکی) است که در شکل12-3 دیده میشود. در این پمپها سیال در نزدیکی محور پروانهای که با سرعت بالا درحال چرخیدن است به پمپ وارد میشود و به صورت شعاعی از محفظهی پمپ
خارج میگردد.خلاء موقتیِ ایجادشده به صورت مداوم سیال بیشتری را به داخل پمپ میکشد.
شکل 13-3،نمای برشی از یک پمپ سانتریفیوژ |
شکل 14-3،طرح کلی یک پمپ دیفیوزر |
پمپهای سانتریفیوژی حلزونی، قوی، کمصدا، قابل اعتماد و نسبتاً ارزان هستند. این پمپها از نظر ابعاد کوچک و فشرده هستند. ساختار سادهای دارند و نیازی به شیر اطمینان ورودی و خروجی ندارند. پمپهای سانتریفیوژی حلزونی میتوانند مایعات حاوی ذرات جامد را پمپ کنند. اما وقتی که مایعاتی را که حاوی مقدار کمی بخار هستند پمپ میکنند، مکش آنها بهواسطهی کاویتاسیون صدمه میبیند. پمپهای سانتریفیوژی اگر برای پمپکردن مایعات غیرلزج استفاده شوند عالی عمل میکنند. ولی ظرفیتشان در صورتی که برای پمپکردن مایعات گرانرو (viscous) استفاده شوند به شدت کاهش مییابد.
نوع دیگر پمپهای سانتریفیوژی جریان شعاعی، پمپهای دیفیوزر Diffuser)) هستند. در این قبیل پمپها بعد از اینکه سیال پروانه را ترک کرد از درون حلقهای که از پرههای ثابت تشکیل شده است میگذرد. این پرهها سیال را پخش میکنند. و سیال بیشتر کنترل شدهای را تدارک میبینند بهعلاوه اینکه هد سرعت را بهتر از سایر پمپها به هد فشار تبدیل میکنند.
3-3-2 پمپهای سانتریفیوژی جریان محور (Axial flow centrifugal pump) در پمپ های جابجایی مثبت
در پمپهای سانتریفیوژی جریان محور، روتور یک ملخ است.در این قبیل پمپها سیال به صورت موازی در راستای محور جریان مییابد ( به شکل15-3 بنگرید). پرههای پخش کننده در بخش تخلیه پمپ واقع شدهاند و کار آنها حذف سرعت دَوَرانی سیال است که بوسیلهی ملخ ایجاد شده است. برای پمپکردن گازها میتوان از کمپرسورهای جریان محوری استفاده کرد. در پمپهای ترکیبی سیال به دو طریقهی محوری و شعاعی از محفظهی حلزونی تخلیه میشود.
شکل 15-3،طرح کلی یک پمپ سانتریفیوژ جریان محوری |
شکل 16-3،یک پمپ جریان ترکیبی |
دامنهی کاربرد پمپهای سانتريفيوژ بسيار وسيع است و درصنايع شيميايی،کاغذسازی، صنايع غذايی ولبنيات، آب و فاضلاب، دفع مواد زائد، نفت و پتروشيمی و… کار میروند.