مقدمه ای بر پمپاژ و انواع پمپ ها

 هدف از به کارگيري پمپها پمپ به ماشيني اطلاق مي شود که از آن براي جابجايي سيالات تراکم ناپذير نظير مايعات استفاده مي شود و پمپاژ عبارت است از افزايش انرژي پتانسيل مايعات جهت انتقال آن از نقطه اي به نقطه ديگر ، افزايش فشار مايعات در فرآيند پمپاژ ، مي تواند به دلايل زير باشد : الف : غلبه بر اصطکاک موجود در سيستم ( شبکه هاي آب رساني شهري ) ب   : غلبه بر مقاومت موجود در مقابل جريان مايع ( پمپ تغذيه ديگ بخار ) ج   :  ذخيره سازي مايعات در سطح انرژي پتانسيل ( ارتفاع يا فشار ) بالاتر ( منابع هوايي آب ) د    : انجام کار مکانيکي ( سيستم هاي هيدروليک ) دسته بندي پمپها پمپها بر حسب مکانيزم عملکرد آن به دو دسته تقسيم مي شوند : الف : پمپهاي جابجايي مثبت در پمپهاي جابجايي مثبت ، مقدار معيني از مايع در لاي دو قطعه گير انداخته شده و سپس با جابجايي قطعه ( يا قطعات ) متحرک پمپ ، مايع مورد پمپاژ تحت فشار خروجي از پمپ به خارج رانده مي شود . در اين پمپها ، لقي بين قطعات متحرک و پوسته بسيار ناچيز بوده و لذا جابجايي مايع در جهت  روبه جلو صورت مي پذيرد . پمپهاي جابجايي مثبت خود به دو دسته تقسيم مي شوند:  الف : تناوبي Reciprocatingب  : دوراني Rotaryبه کارگيري پمپهاي جابجايي جنبه عمومي نداشته و فقط در شرايط ويژه اي مورد استفاده قرار مي گيرند . به عنوان مثال در مواقعي که فشار خروجي بالا مورد نظر بوده و يا اينکه مايع مورد جابجايي داراي ويسکوزيته زياد باشد ، ترجيح داده مي شود که ازپمپهاي دوراني استفاده شود . از سوي ديگر به علت حساسيت شديد دبي جريان در پمپهاي گريز از مرکز به ارتفاع کلي موجود در سيستم ، در مواردي که ثبات نسبي دبي در سيستم مورد نظر باشد ، به علت تغييرات اندک دبي جريان در پمپهاي جابجايي مثبت و عدم وابستگي نسبي آن به فشار سيستم ، ترجيحا ً بايد از پمپهاي جابجايي مثبت استفاده شود .
 ب : پمپهاي گريز ار مرکز به علت ويژگي هاي مطلوب پمپهاي گريز از مرکز ، امروزه بيش از 60 % پمپهاي مورد استفاده در دنيا از نوع گريز از مرکز مي باشند . پمپهاي گريز از مرکز جزء ماشين هاي جنبشي بوده ، چرا که در اثر حرکت دوراني پروانه انرژي جنبشي مايع به طور عمده و انرژي پتانسيل آن به طور جزئي افزايش يافته ، آنگاه بخش اعظمي از انرژي جنبشي اعمال شده در يک مجراي گشاد شونده به نام حلزوني به انرژي پتانسيل تبديل مي شود . از آنجايي که انرژي داده شده به مايع به سرعت آن بستگي دارد ، لذا افزايش انرژي پتانسيل مايع ، با دبي آن تغيير مي کند . بر همين اساس ، عملکرد پمپها با منحني مشخصه آن که معرف تغييرات دبي در مقابل مقاومت موجود در سيستم فشار يا ارتفاع مي باشد ، نشان داده مي شود . همانطوري که از شکل فوق پيداست ، دبي پمپهاي گريز از مرکز در مقابل تغييرات مقاومت موجود در سيستم بشدت تغيير نموده و بر همين اساس مي توان ظرفيت آن را با تغيير مقاومت در سيستم کنترل کرد . حال آنکه دبي پمپهاي جابجايي مثبت تقريبا ً ثابت بوده و هر چند که ظرفيت آن را نمي توان با تغيير مقاومت در سيستم تغيير داد ، ولي در عوض ويژگي فوق اجازه مي دهد تا در مواردي که لازم باشد ، سيستم پمپاژ با ظرفيت تقريبا ً ثابت کارکرده و با تغيير شرايط موجود در سيستم ، دبي پمپ تغيير چنداني نکند ، پمپهاي جابجايي مثبت ( به ويژه پمپهاي ديافراگمي ) انتخاب مناسبي مي باشند . پمپهاي گريز از مرکز را مي توان از نظر مکانيکي ماشيني ساده و از نظر هيروليکي ماشين پيچيده اي دانست که از قسمتهايي نظير پروانه که در داخل پوسته يا پيچک مي چرخد ، سيستم آب بند کننده يا طاقانها و شافت تشکيل شده است . گشتاور داده شده به شافت از طريق تيغه هاي پروانه به مايع مورد پمپاژ منتقل شده و باعث افزايش سرعت مايع مي گردد . ولي از آنجايي که هدف از به کارگيريب پمپها ، افزايش فشار معايعات است و نه سرعت آن ، بنابراين لازم است که حتي الامکان ، انرژي جنبشي به انرژي پتانسيل تبديل شود . اين امر در يک مجراي گشاد شونده  به نام حلزوني صورت مي پذيرد . در شکل ( 2-1 ) تغييرات سرعت مطلق مايع در مسير جريان از درون پوسته پمپ ( از دهانه مکش تا دهانه خروجي ) نشان داده شده است . مايع مورد پمپاژ با سرعت کم و تحت تاثير فشار مکش ( عموما ً فشار جو ) وارد پروانه شده و با چرخش پروانه ، شتاب ، سرعت و تا حدودي فشار آن افزايش مي يابد ، به نحوي که در قسمت لبه تيغه ها سرعت آن به حداکثر خود رسيده و بعد از خروج از پروانه ، وارد پوسته شده و به تدريج سرعت  آن کاهش و فشار آن افزايش مي يابد . هرچند که راندمان پمپهاي گريز از مرکز از پمپهاي جابجايي مثبت کمتر مي باشد ولي پايين بودن قيمت اوليه آن عيب فوق را مي پوشاند . در بعضي از پمپهاي جابجايي مثبت ( به ويژه پمپهاي تناوبي ) مايع خروجي از پمپ داراي ضربان است ، ولي مايع خروجي از پمپهاي گريز از مرکز داراي جريان پيوسته و يکنواخت بوده و فاقد ضربان مي باشد . در طي 80 سال گذشته دامنه بهره برداري از پمپهاي گريز از مرکز چه از نظر فشار و چه از لحاظ دبي قابل دسترس ، گسترش وسيعي پيدا نموده است . بزرگترين پمپ گريز از مرکز با دبي 417600متر مکعب در ساعت با ارتفاع 387 متر و توان مصرفي 410 مگاوات در آمريکا در حال بهره برداري مي باشد . در يک ايستگاه فضايي واقع در سياتل آمريکا از يک پمپ گريز از مرکز با دبي 3400 متر مکعب در ساعت با ارتفاع 56700 متر جهت تامين سوخت مورد استفاده قرار مي گيرد . اين پمپ با سرعت دوراني 37000 دور در دقيقه و توان مصرفي 52 مگاوات در حال بهره برداري است . هر چند که دامنه به کار گيري پمپهاي گريز از مرکز در زمينه ظرفيت بسيار وسيع مي باشد ولي نامحدود نيست . در يک جمع بندي کلي پمپهاي گريز از مرکز براي دبي زياد و ارتفاع کم تا زياد و پمپهاي جابجايي مثبت براي دبي کم و ارتفاع زياد مناسب مي باشند . دبي بنابر تعريف مقدار حجمي از مايع که در واحد زمان توسط پمپها جابجا مي شود را دبي يا ظرفيت پمپ مي نامند . دبي پمپ که عموما ً با Q نشان داده مي شود ، داراي واحد هاي مختلفي بوده که عمده ترين آنها عبارت است از متر مکعب در ساعت ، متر مکعب در ثانيه ، ليتر در ثانيه و گالن در دقيقه ( GPM ) . در جدول تبديل واحدهاي ظرفيت به يکديگر ارائه شده است . ارتفاع ( Head ) سازندگان پمپهاي گريز از مرکز همواره علاقه مندند که منحني مشخصه پمپها را طوري تهيه و در اختيار خريداران قرار دهند که به خواص فيزيکي  مايع مورد پمپاژ ( به ويژه وزن مخصوص ) بستگي نداشته باشد . براي اين منظور بجاي استفاده از فشار ، از اصطلاحي به نام ارتفاع استفاده مي شود . در پمپهاي گريز از مرکز ، در صورت ثابت بودن قطر و سرعت دوراني پروانه ، مقدار انرژي که به واحد وزن مايع داده مي شود ، مقداري ثابت بوده و مستقل از وزن مخصوص آن مي باشد . به همين خاطر ، در بيان عملکرد پمپهاي گريز از مرکز ، منحني مشخصه آن به صورت منحني H- Q  ( دبي – ارتفاع ) ارائه مي گردد . فرض مي شود که ستوني از آب سرد ( با وزن مخصوص واحد ) ساخته شود . براي اعمال يک بار فشار ، ستون فوق بايد حدود 2/10 متر ارتفاع داشته باشد . بديهي است که اگر وزن مخصوص مايع از آب بيشتر باشد ، ارتفاع فوق کاهش مي يابد ( و بر عکس ) . براي تبديل فشار به ارتفاع براي مايعي با وزن مخصوص SG مي توان از رابطه مربوط به آن استفاده کرد . لازم به ذکر است که منحني مشخصه پمپهاي گريز از مرکز ( منحني H – Q ) عموما ً براي آب تهيه مي شود . هر چند که منحني فوق به وزن مخصوص مايع مربوط نمي باشد ولي با توجه به تاثير ويسکوزيته بر روي عملکرد ديناميکي پمپهاي گريز از مرکز منحني مشخصه ارائه شده براي مايعاتي با ويسکوزيته بيشتر از ويسکوزيته آب صادق نبوده و فقط در نقطه Q = 0 ( shut off point  ) که سيستم حالت استاتيکي دارد ارتفاع قابل دسترس براي مايعات مختلف يکسان مي باشد ، ولي در ساير مقادير دبي ، به لحاظ عملکرد ديناميکي پمپ ، منحني مشخصه آن با منحني مشخصه پمپ در حالت انتقال آب مغايرت داشته و در اين صورت کارائي پمپ کاهش يافته که به طور مفصل در بخش هاي بعدي مورد اشاره قرار خواهد گرفت . با توجه به موارد فوق مي توان نتيجه گرفت : 1-     منحني مشخصه H – Q  هر پمپ گريز از مرکز با قطر و سرعت دوراني ثابت ، براي تمامي مايعات مستقل از وزن مخصوص آن مي باشد . 2-    در صورت مغايرت ويسکوزيته مايع مورد پمپاژ با ويسکوزيته آب ، منحني مشخصه پمپ داراي شکل نزولي خواهد بود ( در Q ≠ 0 به ازاء دبي ثابت ، پمپ براي مايعات با ويسکوزيته بيشتر ، ارتفاع کمتري را اعمال مي کند . )فرض مي شود که پمپي بايد فشاري برابر با 9/6 بار ( psi 100  ) را در قسمت دهش اعمال نمايد . اگر سيال مورد پمپاژ آب باشد ، ارتفاع خروجي پمپ معادل 4/70 متر ( 261 فوت ) بوده ، ندر صورتي که براي ايجاد فشار فوق توسط آب نمک با وزن مخصوص 2/1 ، ارتفاع ستون به 8/58 متر ( 193 فوت ) کاهش مي يابد . در عوض همين فشار با ستوني به ارتفاع  96 متر ( 308 فوت ) توسط نفت سفيد ( با وزن مخصوص 75/0 ) ايجاد مي شود . ارتفاع سيستم System Head ارتفاع  کلي هر سيستم شامل اجزاء زير مي باشد : 1-    ارتفاع استاتيکي2-    ارتفاع ناشي از اختلاف فشار بين منبع مکش و دهش3-     ارتفاع اصطکاکي
 4-    از دست رفت ارتفاع ناشي از ورود و خروج مايع به درون لوله 5-    ارتفاع سرعتي  ارتفاع استاتيکي ارتفاع استاتيکي ، همان اختلاف ارتفاع سطح مايع در دو منبع و دهش سيستم پمپاژ مي باشد . ارتفاع استاتيکي خود از دو بخش تشکيل مي گردد ، ارتفاع استاتيکي دهش و ارتفاع استاتيکي مکش . در چنين حالتي ، دهانه مکش پمپ به عنوان خط مرجع در نظر گرفته مي شود . اگر سطح مايع در منبع مکش پايين تر از پمپ قرار داشته باشد ، اصطلاحا ً Lift ناميده و اگر بالاتر از پمپ قرار گرفته باشد ، اصطلاحا ً آن را Head مي نامند . از تفاع استاتيکي برابر است با : ( 2-1 ) Hst = Hsd ± H H st  =  ارتفاع استاتيکي کل که در آن :  H sd =  ارتفاع استاتيکي دهشH ss =  ارتفاع استاتيکي مکشدر حالت Lift  علامت بين دو بخش مثبت و در حالت Head منفي در نظر گرفته مي شود . در مورد نحوه تاثير گذاري Hs بر روي ارتفاع استاتيکي سيستم دو نظريه مختلف وجود دارد . برخي اعتقاد دارند که  براي انتقال مايعبه منبع ، ارتفاع Hs نيز بايد منظور گردد ولي از آنجايي که ارتفاع فوق در اثر پديده سيفون قابل بازيابي مي باشد ارتفاع فوق نبايد در محاسبه استاتيکي کل منظور گردد . اما بنظر مي رسد که تصميم گيري نهايي در اين زمينه به شرايط سيستم انتقال مايع بستگي خواهد داشت . اگر ارتفاع استاتيکي سيستم و تاثير آن بر روي عملکرد پمپ حالت تعيين کننده اي داشته باشد ، با توجه به اينکه به هر حال در زمان راه اندازي ، پمپ بايد قادر باشد که مايع را به منبع برساند ، Hs بايد در محاسبه ارتفاع استاتيکي منظور شود . هرچند که اين امر باعث مي شود تا بعد از راه اندازي پمپ ، ارتفاع استاتيکي واقعي سيستم در اثر بازيابي انرژي در اثر پديده سيفون کاهش يافته و همين امر موجب افزايش دبي در سيستم انتقال مايع مي گردد . در ساير موارد که پمپ قابليت لازم را در زمان راه اندازي جهت تامين ارتفاع Hs دارا مي باشد ، بهتر است که مقدار آن را در محاسبه ارتفاع استاتيکي منظور نکرده و بديهي است که دبي پمپ در هنگام شروع بهره برداري از مقدار مورد انتظار کمتر بوده ولي در مدت کوتاهي به لحاظ بازيابي انرژي داده شده به مايع ، به حالت عادي بر مي گردد . ارتفاع ناشي از اختلاف فشار بين منبع مکش و دهش   اگر فشار ئر منبع مکش پمپ Ps و در منبع دهش پمپ Pd باشد ، ارتفاع ناشي از اختلاف فشار در دو منبع مکش و دهش ( Hp ) بر اساس رابطه ( 3-1 ) برابر است با : Hp = ( 3-1 )                                                                     از آنجايي که ارتفاع استاتيکي و ارتفاع ناشي از اختلاف فشار بين دو منبع مکش و دهش هر دو مستقل از دبي جريان مي باشند ، لذا مي توان جمع آن دو را ارتفاع استاتيکي کل منظور کرد . در اين صورت ارتفاع استاتيکي کل برابر است با : Hst = ( Hsd ± Hss ) +   ( 4-1 )                                                      ارتفاع اصطکاکي ارتفاع اصطکاکي ، مقدار انرژي لازم براي غلبه بر اصطکاک موجود در لوله و اتصالات ( شير ، زانوئي ، سه راهي و ... ) مي باشد که علامت Hd نشان داده مي شود . مقدار Hd به عوامل متعددي نظير دبي ، قطر لوله ، جنس لوله ، طول لوله ، تعداد اتصالات ، نوع اتصالات ، ويسکوزيته مايع ، وزن مخصوص مايع و ... بستگي دارد . رابطه Hd با دبي به صورت زير مي باشد : Hd  = KQªکه در آن K مقداري ثابت بوده و به عوامل ذکر شده در بالا ( بجز دبي ) بستگي دارد . N تابعي از رژيم جريان مايع در سيستم بوده  که به صورت زير تعريف مي شود :   N =     جريان آراماز دست رفت ناشي از ورود و خروج مايع بجز در موارد خاص ، اغلب پمپها ، مايع مورد پمپاژ را از يک منبع ذخيره دريافت مي کنند . در محل ورود مايع به درون لوله مکش ، همواره مقداري از دست رفت انرژي وجود داشته که آن را از دست رفت ناشي از ورود مايع به لوله ( Entrance Loss ) مي نامند و مقدار آن به طراحي دهانه ورودي مايع به درون لوله بستگي داشته و با اصلاح آن مي توان آن را کاهش داد . به همين ترتيب ئر قسمت خروجي مايع از لوله دهش ، مقداري از انرژي مايع به هدر رفته که آن را از دست رفت خروجي مي نامند . در قسمت خروجي ، مايع داراي سرعتي مانند V بوده و ارتفاع معادل با آن به هدر خواهد رفت . در بعضي از مراجع ترجيح مي دهند که از دست رفت هاي ورودي و خروجي را جزء از دست رفت ناشي از اصطکاک منظور نمايند . البته بهتر است که جهت تعيين نقش آنها در از دست رفت انرژي در سيستم هر يک را به طور جداگانه محاسبه و در ارتفاع کل سيستم منظور نمود . در بعضي از طرحها سعي مي شود که با استفاده از تبديل مخروطي طولاني ، سرعت را به مقدار زيادي کاهش داده و از اين طريق بخش اعظمي از انرژي را قبل از به هدر رفتن بازيابي کرد ارتفاع سرعتي   ارتفاع سرعتي ، بيانگر انرژي جنبشي مايع مورد پمپاژ بوده که بر حسب ژول بر کيلوگرم ( يا متر) بيان مي شود . اگر مايعي با سرعت V به سمت بالا پرتاب شود ،  تا ارتفاعي مانند Hv بالا خواهد رفت ، رابطه Hv با V به صورت زير مي باشد : Hv = ارتفاع مايع در هر نقطه از لوله برابر است با ارتفاع سرعتي بعلاوه ارتفاع فشاري ، لازم به ذکر است که فشار سنجها فقط فشار اضافي مايع را نشان داده ، در صورتي که انرژي واقعي مايع جمع انرژي هاي پتانسيل و جنبشي آن مي باشد . در پمپهاي با ارتفاع زياد ، ارتفاع سرعتي ناچيز بوده ولي در پمپهاي با ارتفاع کم نمي توان از ارتفاع سرعتي صرف نظر کرد . منحني مشخصه پمپهاي گريز از مرکز برخلاف پمپهاي جابجايي مثبت ، پمپهاي گريز از مرکز اگر با سرعت ثابتي کار کنند ، نمي توانند دبي ثابتي را در سيستم بر قرار کنند و مقدار آن مي تواند از صفر تا مقدار معيني که به اندازه ، طراحي و شرايط پمپ بستگي دارد ، تغيير کند . ارتفاع کلي قابل دسترس ، توان مصرفي و راندمان نيز با دبي پمپ تغيير مي کند
 البته غالبا ً منحني هاي فوق براي پروانه هاي با قطر مختلف و در مواردي براي سرعتهاي مختلف پمپ از سوي شرکت سازنده پمپ تهيه مي شود . بعضي از شرکتها جهت سهولت در انتخاب يک پمپ ، منحني مشخصه دسته اي از پمپهاي هم خانواده را در يک مجموعه گرد آوري و در اختيار مشتريان قرار مي دهند . مجموعه فوق  مي تواند در انتخاب پمپ مناسب در کمترين مدت ممکن مورد استفاده قرار گيرد . بعد از انتخاب پمپ مورد نظر ، اطلاعات تکميلي را مي توان از منحني مشخصه پمپ استخراج کرد . اين امر به خريداران پمپ کمک مي کند تا از به کارگيري پمپ در دبي زياد که مي تواند باعث وارد شدن بار اضافي بر الکتروموتور گردد ، خودداري کنند . دسته بندي منحني مشخصه پمپهاي گريز از مرکز منحني مشخصه پمپهاي گريز از مرکز ( منحني دبي – ارتفاع ) را مي توان به صورت زير دسته بندي کرد : الف : منحني هاي صعودي در پمپهاي با منحني صعودي با افزايش ارتفاع سيستم ، دبي پمپ به طور پيوسته کاهش مي يابد . ب : منحني هاي نزولي در پمپهاي با منحني مشخصه نزولي ، ارتفاع قابل دسترس در نقطه Q = 0 حداکثر ارتفاع نبوده و گاهش اوقات آن را منحني Looping مي نامند . ج : منحني هاي تيز منحني تيز نوعي منحني صعودي بوده که تغييرات ارتفاع بين نقطه کار و شرايطي که شير خروجي کاملا ً بسته باشد ( Q = 0 ) بسيار زياد است . البته اين امر مي تواند فقط در يک دامنه خاصي از منحني مشخصه پمپ مثلا ً بين دبي برابر 50 تا 100 درصد دبي طراحي وجود داشته باشد . د : منحني هاي تخت در اين پمپها تغييرات ارتفاع در يک دامنه وسيعي از دبي بسيار ناچيز مي باشد . اين نوع منحني ها مي توانند نزولي و يا صعودي باشند . در تمامي منحني هاي نزولي همواره در قسمتي از آن ، ارتفاع قابل دسترس تقريبا ً ثابت بوده و به همين خاطر آن را تخت مي نامند . ه : منحني هاي پايدار در پمپهاي با منحني مشخصه پايدار همواره به ازاء ارتفاع معين ، مي توان يک ظرفيت براي پمپ قائل شد . به عبارت ديگر اگر خطي با ارتفاع ثابت ( موازي محور طولها ) رسم شود ، منحني مشخصه پمپ را فقط در يک نقطه قطع مي کند . اساسا ً اين منحني ها از نوع صعودي مي باشند .و : منحني هاي ناپايدار در بعضي از پمپها ممکن است به ازاء ارتفاع مهعين ، پمپ در بيش از يک دبي کار کند ، يا به عبارت ديگر اگز خطي به موازات محور طولها رسم شود ، منحني مشخصه پمپ را در بيش از يک نقطه قطع مي نمايد . البته ناپايدار بودن منحني فقط در يک دامنه معيني از ارتفاع صادق بوده ، لذا بايد دقت شود که از اين پمپها فقط در منطقه پايدار استفاده شود . دسته بندي منحني هاي توان مصرفي اگر منحني توان مصرفي به صورتي باشد که در دبي هاي کم شکل صعودي داشته و بعد از رسيدن به نقطه با حد اکثر راندمان مجددا ً شکل نزولي را بخود بگيرد اصطلاحا ً آن را غير بار اضافي مي نامند . در حالي که اگر منحني توان مصرفي با افزايش دبي به طور پيوسته شکل صعودي داشته باشد ، منحني با وضعيت بار اضافي ناميده مي شود . تغييرات توان مصرفي با دبي به سرعت مخصوص پمپ بستگي دارد . در انتخاب پمپ ، نوع غير بار اضافي به علت آنکه در هر شرايطي ، توان مصرفي آن از يک حداکثر معيني تجاوز نمي کند ازجعيت داشته و لذا مشکلي در زمينه توان مصرفي و بار وارده براي الکتروموتور انتخاب شده وجد ندارد .توان مصرفي   براي محاسبه توان مصرفي در پمپ مي توان جدا از منحني P – Q ارائه شده از سوي شرکت سازنده پمپ از رابطه ( 8-1 ) استفاده کرد .P =P = توان مصرفي   کيلو واتQ =  متر مکعب در ساعت دبي H t = متر ارتفاع کل n =  اعشاري راندمان SG =  وزن مخصوص لازم به ذکر است که توان به دست آمده از رابطه فوق توان ترمزي بوده و براي انتخاب الکتروموتور لازم است که اولا ً قدرت الکتروموتور بر مبناي حداکثر توان مصرفي در دامنه دبي مجاز تعيين گرديده ضمنا ً ضرائب اطمينان زير براي انتخاب نهائي آن منظور شود . 20 % کيلووات  5/7 – 0 15 % کيلووات 40 – 5/7 10 % کيلووات  40 <