پمپ های جابجایی مثبت

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.