پمپ های سانتریفیوژی کاربردی (Application of centrifugal pumps)
4-2 ساخت پمپ های سانتریفیوژی کاربردی (Structure of centrifugal pumps)
پمپ های سانتریفیوژی ساختار بسیار ساده ای دارند و در اساس شامل یک محفظه ی پیچکی و یک پروانه است. این پروانه بر روی یک شفت سوار می شود. این شفت بوسیلۀ یک یاتاقان حمایت و نگه داشته می شود و یاتاقان نیز به نوبۀ خود در محفظۀ یاتاقان جاگرفته است.
|
تصویر 2-4 : ساختار اساسی در یک پمپ سانتریفیوژی |
محرک اولیۀ این پمپ ها عموما یک موتور الکتریکی، توربین بخار و یا یک موتور احتراقی درون سوز است که گشتاور را بواسطه ی کوپلینگ به پمپ انتقال می دهد. همین که پروانه می چرخد سیالِ درونِ خود را شتاب می بخشد و جابجا می کند. در صورتی که پمپ به درستی طراحی و راه اندازی شده باشد سیال بیشتری برای گرفتن جای سیال قبلی به درون پمپ کشیده می شود. بنابراین میتوان گفت که پروانه انرژی جنبشی را بواسطه ی عمل مکانیکی به سیال انتقال می دهد. سپس این انرژی جنبشی بوسیلۀ محفظۀ حلزونی شکل به انرژی فشار تبدیل می گردد. فشار سیال در درون محفظۀ پمپ می بایست حفظ گردد؛ حفظ فشار سیال با استفاده از یک چیدمان مناسب سیل صورت می گیرد. سیل ها در محفظه ی سیل نصب می گردند. سرعت معمولی کار پمپ ها بین 1500 تا 3000 دور در دقیقه است.
|
شکل 3-4 |
هرچند بعضی پمپ ها نیز هستند که می توانند 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 پمپ های سانتریفیوژی کاربردی (Types of centrifugal pumps)
پمپ های سانتریفیوژی را می توان به شیوه های گوناگونی طبقه بندی کرد. بعضی از مبانی تقسیمات آنها در زیر می آید:
4-4-2 تقسیم پمپ های 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 می تواند عمودی یا افقی باشد. به بیان دیگر محور دوران معین می کند که پمپ افقی است و یا عمودی.
منظور از تعداد مراحل، تعداد دسته ی پروانه ها و دیفیوزرها در پمپ است. هر کدام از دسته ها یک مرحله را تشکیل می دهد و معمولا پمپ های سانتریفیوژی یک مرحله ای، دو مرحله ای و یا چند مرحله ای (بیشتر از دو) هستند.
|
تصویر4-4: پمپ چند مرحله ای |
تقسیم پمپ های 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 می گیرد. می تواند افقی (از ته مکش کننده نیز گفته می شود) یا عمودی (از بالا مکش کننده نیز گفته می شود) باشد.
|
تصویر 5-4: یک پمپ چند مرحله ای که فلنج مکش آن در انتهای پمپ قرار دارد |
4-4-4 تقسیم پمپ های 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 می تواند درجهت شعاعی و قائم به محور شفت باشد و یا محوری و در موازات محور شفت باشد. به بیان دیگر در این تقسیم بندی پمپ ها بر اساس نحوه ی جداشدن بدنه شان طبقه بندی می شوند.
4-4-5 تقسیم پمپ های سانتریفیوژی کاربردی براساس نحوه قرارگیری یاتاقان ها (Divided according bearing placement)
این تقسیم بندی ناظر به محل یاتاقان هایی است که روتور را نگه می دارند. در صورتی که روتور به شکلی توسط یاتاقان حمایت شود که شکل یک پایه را پیدا کنند این نوع پمپ ها را پمپ های روتور معلق می نامند و اگر پروانه های روی روتور بوسیله ی یاتاقان هایی حفظ و حمایت شوند که در همان سمت قرار دارند پمپ را از نوع یاتاقان در وسط می نامند.
|
تصویر 7-4 : پمپ از نوع روتور معلق(سمت راست) و پمپ از نوع یاتاقان در وسط (سمت چپ) |
4-4-6 تقسیم پمپ های سانتریفیوژی کاربردی براساس نحوه قرارگیری بر روی پایه (Divided according placement on base)
این تقسیم بندی ناظر به نحوه ی 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 چهارپایه ای 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 پمپ ها بلند است و پروانه در یکی از دو سمت انتهایی آن بر روی پمپ سوار می شود. پمپ های عمودی یک تکه (monobloc) فلنج های مکش و تخلیه شان در طول یک محور واقع شده است و می توانند بین خطوط لوله قرار گیرند.
4-5 مصارف پمپ ها (Pumps usage) در پمپ های سانتریفیوژی کاربردی
دسته بندی پمپ ها در بالا براساس ساختار و اجزای آنها صورت گرفت. در صورتی که بر اساس مورد مصرفی که پمپ های برای آن طراحی می گردند، تولیدشان نیز تفاوت می کند.
برخی مصارفی که پمپ های عمومی ممکن است داشته باشند عبارتند از:
– پمپ های فرآیندهای شیمیایی و نفتی پمپ های نیروگاه های الکتریکی و اتمی
– پمپ های برج های خنک کننده و فاضلاب های صنعتی و خانگی
– پمپ های صنایع کاغذ و مقواسازی
– پمپ های مواد دوغابی
– پمپ های سرعت بالا
4-6 اجزای پمپ های سانتریفیوژی کاربردی (Components of centrifugal pumps)
اساسا در تمام انواع مختلف پمپ های سانتریفیوژی قطعات یکسانی کاربرد دارند اما بسته به طراحی و کاربرد خاص پمپ ممکن است تفاوت هایی وجود داشته باشد. در ادامه به توضیح این اجزاء می پردازیم.
4-6-2-1 پروانه (Butterfly) در پمپ های سانتریفیوژی کاربردی
پروانه در پمپ های سانتریفیوژی دوران مکانیکی را به سرعت سیال مبدل می کند. پروانه در واقع در حکم چرخ نخ ریسی است و به مانند آن در پمپ عمل می کند. پروانه در محلی که مکش واقع می گردد دارای یک چشمی ورودی است. سیال پس از مکش به درون پروانه بوسیلۀ پره ها از ورودی به خروجی پروانه هدایت می شود. زاویه و شکلی که پره ها طراحی می گردند بسته به میزان جریان دارد. پره های هدایت کننده معمولا با صفحۀ پشتی همراه هستند که اصطلاحا شرود (Shroud) یا کاور پشتی پروانه گفته می شود. به صفحۀ جلویی که پره ها را در برگرفته است کاور جلویی گفته می شود. پروانه ها عموما ریخته گری می شوند و به ندرت ممکن است که به پروانه هایی برخورد که جوشکاری شده باشند و دست ساز باشند.
پروانه ها ممکن است مشخصه ها و اشکال متفاوتی داشته باشند نظیر پره های پشتی و سوراخ های بالانس که کارشان کمک به کاهش بار محوری است که توسط فشار هیدرولیکی ایجاد می گردد.
به منظور کاهش تلفات ناشی از چرخۀ دوبارۀ سیال و بهبود مقدار بازدهی پروانه، معمولا پروانه ها با رینگ های سایش پذیر تدارک دیده می شوند. این رینگ ها ممکن است در سمت جلویی پروانه و یا در هر دو سمت پروانه باشند. همچنین ممکن است که پروانه فاقد حلقه های سایش پذیر باشد.
فرآیند ریخته گری پروانه ها که در بالا به آن اشاره شد، اصلی ترین روش تولید پروانه است. پروانه های کوچک که در آب های تمیز کاربرد دارند به دلیل نازکی لبه ها و کاور پروانه از جنس برنج و یا برنز ریخته می شوند. البته اخیرا استفاده از پلاستیک نیز مرسوم شده است.
در پروانه های بزرگتر و در غالب مصارف، نخستین جنس برای ریختن پروانه چودن است. که برحسب استاندارد ASTM می بایست 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 سانتی گراد باشد. زمانی که دما از 200 درجۀ سانتی گراد فراتر رود استفاده از کربن استیل کلاس WAC یا WCC A-216 توصیه می گردد.
4-6-2-2ساختار پروانه ها (Butterfly structure)
از نظر ساختار پروانه ها سه نوع عمده دارند که اساسا با تکیه بر داشتن و یا نداشتن پوشش و کاور تقسیم می گردند. این سه نوع عبارتند از: بسته، نیمه باز، باز
|
تصویر 9-4 : انواع پروانه ها به لحاظ ساختاری |
|
تصویر 10-4: یک پروانۀ بسته |
پروانه های بسته
پروانه های بسته از تعدادی پره ی شعاعی تشکیل می شوند (عموما 3 الی 7 عدد) که از دو طرف بوسیله ی یک پوشش لفاف های که شرود نامیده می شود محصور شده اند. این پروانه ها یک رینگ سایش پذیر در چشمی مکش دارند و ممکن است که در پوشش پشتی نیز دارای یک رینگ فرسایشی باشند. معمولا پروانه های بسته ای که در قسمت پشتی رینگ ندارند دارای پرۀ پشتی هستند. پمپ هایی که از پروانه های بسته ی دارای رینگ در هر دو طرف استفاده می کنند بازدهی بالاتری دارند.
پروانه های نیمه باز:
پروانه های 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 پروانه های نیمه باز معمولا بالاتر از پروانه های بسته است.
پروانه های باز:
این پروانه ها با توجه به پوشش لفاف های پشتی شان به سه نوع تقسیم می شوند. اولین نوع آنها که کاملا انحنادار است.
در این نوع تقریبا لفافۀ پشتی وجود ندارد و بنابراین بار محوری که توسط فشار هیدرولیکی ایجاد میشود کاملا از بین می رود.
|
تصویر 11-4 : پروانۀ باز کاملا منحنی شکل (نوع اول) |
نوع دوم این پروانه ها با عنوان پروانه های بازی که دارای انحنای تقریبی هستند شناخته می شوند. این نوع نسبت به نوع قبلی بار محوری بیشتری می بایست تحمل کند اما در عوض بازدهی و هد بالاتری دارد.
|
تصویر 12-4 : پروانۀ باز از نوع دوم |
نوع سوم این پروانه ها پروانه ی بازی که کاملا پوشش لفافه ای در پشت شان دارند شناخته می شوند. این نوع معمولا نسبت به پروانه های 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 لفافه ای کامل در پشت (نوع سوم) |
این نوع پروانه ها بار محوری بیشتری را در مقایسه با سایر پروانه های باز می بایست تحمل کنند. برای کاهش بار محوری در این پروانه ها از پره های پشتی استفاده می شود تا از فشارهیدرولیکی تولید شده توسط بار محوری کاسته شود.
پروانه های گردابی یا پروانه های بدون انسداد نوع دیگری از پروانه های باز دارای پوشش لفافهای کامل به حساب می آیند. این پروانه ها در مصارفی استفاده می شوند که ذرات معلق در سیال حجیم باشند و یا از نوع فیبر و کریستال باشند. پروانه های گردابی انرژی را مستقیما به سیال نمی دهند و در عوض یک جریان گردابی ایجاد می کنند که این جریان گردابی انرژی را به سیال انتقال میدهد و یا آن را پمپاژ می کند. محل قرارگیری این پروانه معمولا در بالای پیچک حلزونی است در نتیجه به ندرت نیروی شعاعی به آن وارد می شود.
بعضی از اقسام پروانه های 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: پروانه های بدون انسداد دو راهه و سه راهه |
لازم به ذکر است که پروانه ها را بر اساس نوع پرهها نیز میتوان دسته بندی کرد. از لحاظ شکل پره نوعی از پروانه ها به نام پروانه ی فرانسیس از سایر پروانه ها متمایز است. سطوح پره های این پروانه دارای انحنای دوگانه است. در این نوع پروانه علاوه بر پره های اصلی در درون چشمه پروانۀ آنها نیز پره هایی 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 پروانه ها با عنوان پروانه های تک مکشه نامیده می شوند. این پروانه ها فقط در یک سمت دارای حفرۀ مکش هستند. پمپ هایی که از پروانه های تک مکشه استفاده می کنند به دلیل اینکه جریان فقط در یک سمت پروانه قرار دارد در معرض عدم تعادل بالاتری توسط بارهای محوری هستند.
در برخی پمپ های خاص، میزان و مقدار جریان کاملا بالاست. در این موارد می توان از طریق استفاده از یک پروانه که دارای دو چشمی مکش باشد جریان را مدیریت کرد. این پروانه ها در هر دو طرف دارای حفرۀ مکش هستند. پمپ هایی که پروانه ی دو مکشه دارند NPSH-r کمتری نسبت به پروانه های 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 |
4-6-2-5 خروجی جریان از پروانه (Output flow butterfly)
جهت جریان سیال در خروجی پروانه می تواند 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 می شود تعیین می گردد. چنانچه در طراحی پمپ سرعت مشخصۀ پمپ افزایش یابد، ضروری است که ساختار پروانه را از نوع شعاعی به نوع محوری تغییر دهیم. عموما برای پمپ های دارای سرعت خاص پایین (جریان پایین و هد بالا) پروانه های شعاعی استفاده می شود و برای پمپ های دارای سرعت خاص بالا (جریان بالا و هد پایین) پروانه های محوری (ملخ) استفاده می شود.
|
تصویر 18-4 : اشکال پروانه ها بر اساس سرعت خاص هر کدام |
4-6-3-1 محفظۀ پمپ (Pump chamber) در پمپ های سانتریفیوژی کاربردی
سرعت سیال در خروجی پروانه، می تواند بین 30 تا 40 متر بر ثانیه باشد. این سرعت می بایست در لولۀ تخلیه به 3 الی 7 متر بر ثانیه کاهش یابد. کاهش سرعت درمحفظه ی پمپ به کمک فرآیند تبدیل صورت می گیرد. انرژی جنبشی موجود درسیال درخروجی پمپ بوسیلۀ نوعی مبدل (Recuperator) به انرژی فشاری تبدیل می گردد. این فرآیند تبدیل انرژی می بایست 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)
– پره های حلقوی افشاننده (Diffuser Ring Vanes)
– پره های افشاننده ی محوری (Axial Diffuser Vanes)
4-6-3-2 محفظۀ متحدالمرکز (Chamber concentric) در پمپ های سانتریفیوژی کاربردی
محفظه های متحدالمرکز معمولا در پمپ های
سانتریفیوژی تک مرحله ای و یا در مرحلۀ
آخر پمپ های چند مرحله ای یافت می شوند
در طراحی های آغازین پمپ های
|
تصویر 19-4: پمپ دارای محفظۀ متحد المرکز |
سانتریفیوژی تک مرحله ای که برای هدهای بالا مورد استفاده بودند، از یک مجرای انتقال حلقوی در کنار حلقه های افشاننده استفاده می شد و خروجی سیال ازدرون یک افشانندۀ مخروطی بود. در این محفظه ها 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 می گردد. به علاوه این زبانه بار محوری وارده بر شفت را به طور موثری کاهش می دهد.
در پمپ هایی که سرعت مشخصۀ آنها کمتر از 600 گالن در دقیقه است، محفظه ی متحدالمرکزی بازدهی بیشتری نسبت به محفظه های حلزونی دارد.
|
تصویر 20-4: مقاطع مختلف محفظههای حلزونی |
محفظه حلزونی (Spiral casing) در پمپ های سانتریفیوژی کاربردی
در پمپ هایی که از محفظۀ حلزونی استفاده می کنند امکان کاستن از پره های پروانه و پوشش لفافه ای هست که البته تاثیر این کاهش بر روی بازدهی پمپ بسیار ناچیز است. در محفظه های حلزونی، انرژی جنبشی صرفا در بخش افشاننده و بلافاصله پس از گلوگاه حلزونی به فشار تبدیل می گردد. در این محفظه ها زاویۀ انحراف بین 7 تا 13 درجه است. محفظه های حلزونی می توانند مقاطع و اشکال متفاوتی داشته باشند.
دو شکل اول سطح مقطع مدور دارند؛ سومین شکل دارای مقطع ذوزنقه ای است و آخرین شکل مقطع مستطیلی دارد.
محفظه های دارای سطح مقطع مستطیلی در پمپهای تک مرحله ای کوچک و پمپ های چند مرحله ای استفاده می شوند. این محفظه ها به دلیل شکل ساده و زمان کمی که برای تولیدشان صرف می شود کاملا اقتصادی هستند. محفظه های حلزونی در طراحی های متفاوتی تولید می گردند که شامل محفظه های تک حلزونی و دو حلزونی می شوند.
محفظۀ تک حلزونی در پمپ های سانتریفیوژی کاربردی :
طراحی محفظه ی پمپ به شکل تک حلزونی رایج ترین نوع طراحی است. این نوع محفظه ها به راحتی ریخته گری می شوند و از نظر هزینه ی تولید ارزانتر هستند.
|
تصویر 21-4: نیروهای تولید شده در یک محفظة تک حلزونی |
در یک محفظۀ حلزونی، توزیع فشار فقط در پربازده ترین نقطۀ پمپ (BEP) متعادل است. در سایر نقاط کاری، این نوع محفظه باعث اعمال ته ماندۀ بار شعاعی بر روی شفت می شود که در وضعیت بیکاری در حداکثر است و در پربازده ترین نقطۀ پمپ یا همان بی.ای.پی تقریبا صفر است.
در نرخ های پایین جریان، توزیع فشار بدین ترتیب است که آن قسمت از سطوح پروانه که به بخش تخلیه نزدیکترند با فشار بیشتری عمل می کنند و آن قسمت از سطوح پروانه که در سمت مقابل نقطۀ برش آب قرار دارند با فشار کمتری عمل می کنند.
به بیان دیگر می توان فرض کرد که برآیند نیروهای نامتعادل در نقطۀ 240 درجه (از نقطۀ مبدأ برش آب) در جهت مرکز پروانه اعمال می گردد. از نظر تئوریک می توان از این محفظه ها برای تمام پمپ ها استفاده کرد اما عمدتا این محفظه ها در پمپ های ظرفیت پایین و با سرعت مشخصۀ پایین استفاده می شوند. همچنین میتوان از آنها در پمپ هایی که سیالات دوغابی و جامد حمل می کنند استفاده کرد.
محفظۀ دو حلزونی یک محفظۀ حلزونی دوتایی در واقع از دو حلزونی تشکیل شده است. در محفظه های تک حلزونی بار شعاعی بیشتری بر روی شفت اعمال می شود در صورتی که در محفظه های دو حلزونه، این نیروی شعاعی کمتر و محدودتر است. عملکرد و بازدهی هیدرولیکی این نوع برابر با تک حلزونی ها 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 جریان هایی که زیر 125 متر مکعب در ساعت هستند، به دلیل اینکه تولید و تمیزکاری سخت می شود از محفظه های حلزونی استفاده نمی شود. در پمپ های بزرگتر، همیشه از محفظه های دو حلزونه استفاده می شود.
