پمپ های سانتریفیوژ

پارامترهای هیدرولیکی و منحنی های عملکرد پمپ ها

منحنی عملکرد پمپ ها معمولاً نمایشگر گرافیکی  عملکرد هیدرولیکی پمپ ها می باشد. هر پمپ بسته به اینکه در کدامیک از طبقه بندی های پمپ قرار گیرد منحنی عملکرد متفاوتی دارد. اصولاً پمپ هایی که در یک طبقه بندی قرار می گیرند رفتار مشابهی از منظر منحنی های عملکردی دارند.

در منحنی های عملکرد پمپ ها مهمترین پارامترهای هیدرولیکی پمپ شامل دبی، هد، راندمان، توان مصرفی و همچنین NPSHr نمایش داده می شود.

* دبی: دبی یا همان مقدار حجم سیال در واحد زمان که توسط پمپ جابجا می شود. معمولاً برای پمپ های سانتریفوژ و روتاری بر حسب متر مکعب بر ساعت m³/hr، گالن بر دقیقه gpm و یا لیتر بر ثانیه Lit/sec، برای پمپ های جابجایی مثبت بر حسب لیتر بر ساعت Lit/hr و یا لیتر بر دقیقه  Lit/min بیان می شود. یکای علمی دبی بر حسب واحد SI، متر مکعب بر ثانیه m³/sec می باشد.

* هد: هد یا همان اختلاف ارتفاع پمپاژ و یا فشار پمپ می باشد. برای پمپ های سانتریفوژ هد یا فشار پمپ بر حسب متر (m) و یا فوت (ft) بیان می شود و برای پمپ های روتاری و جابجایی مثبت معمولاً فشار پمپ بر حسب bar, پوند بر اینچ مربع (PSI)، کیلو پاسکال (kPa) و مانند آن بیان می شود.

در پمپ های سانتریفوژ فشار پمپ را بر حسب متر سیال بیان می کنند. صرفنظر از مسائل تخصصی مکانیک سیالات، بیان هد به صورت متر سیال معرف این موضوع می باشد که پمپ تا چه ارتفاعی سیال را بالا خواهد برد. مثلاً پمپی که هدی معادل 30 متر دارد، احتمالاً قادر است سیال را تا ارتفاع 30 متری بالا ببرد.

بیان هد پمپ به صورت متر سیال درک نسبتاً ملموس تری نسبت به بیان هد به صورت فشار دارد.

در پمپ های روتاری و جابجایی مثبت معمولاً هد پمپ به صورت ماکزیمم فشار قابل ایجاد توسط پمپ بیان می شود.

* راندمان و توان مصرفی: راندمان یا همان بازده پمپ بیانگر میزان اتلاف انرژی در عمل پمپاژ می باشد. هرچقدر راندمان پمپ بالاتر باشد اتلاف انرژی کمتری صورت گرفته است. معمولاً راندمان پمپ را به صورت نسبت انرژی تحویل داده شده به سیال به انرژی مصرفی پمپ بیان می کنند. انرژی تحویل داده شده به سیال به صورت حاصلضرب دبی در فشار سیال بیان می شود. این انرژی (توان) را انرژی هیدرولیکی یا توان هیدرولیکی می نامند و با P_H نمایش می دهند.

P_H = ∆P.Q

∆P = ρ.g.∆H  → ∆H = ∆P / ρ.g

P_H = ρ.g.∆H.Q

در روابط بالا

P_H : توان هیدرولیکی پمپ (بر حسب وات)

∆P : فشار پمپ یا همان اختلاف فشار ایجاد شده در سیال توسط پمپ (بر حسب Pa)

ρ : چگالی سیال (بر حسب kg/m³)

∆H : هد پمپ یا اختلاف ارتفاع ایجاد شده در سیال توسط پمپ (بر حسب m)

Q : دبی پمپ یا همان حجم سیال عبوری از پمپ در واحد زمان (بر حسب m³/s)

انرژی یا توان مصرفی پمپ معمولاً با P_BHP بیان می شود و گاهی اوقات به آن توان ترمزی پمپ می گویند. توان ترمزی به توانی گفته می شود که برای متوقف کردن پمپ مورد نیاز است که برابر با توان مصرفی می باشد. توان مصرفی پمپ از روش های مختلفی قابل محاسبه می باشد که جلوتر توضیح داده می شود.

بازده پمپ برابر است با

η_P = P_H / P_BHP

با توجه به اهمیت بازده در پمپ ها اجازه دهید موضوع را بیشتر توضیح دهیم.

 در صورتی که نسبت توان هیدرولیکی به توان ورودی کل مجموعه موتور پمپ نوشته شود، بازده کل موتور پمپ بدست می آید.

بدیهی است بازده کل موتور پمپ از بازده پمپ تنها کوچکتر باشد. در صورتی که از موتور الکتریکی سه فاز AC به عنوان محرکه پمپ استفاده گردد، توان ورودی P₁ برابر است با:

که:

V: ولتاژ شبکه

I : آمپر مصرفی

Cosφ : ضریب قدرت الکتروموتور می باشد که توسط سازنده بر روی پلاک و یا کاتالوگ الکتروموتور درج می گردد.

لذا داریم:

در صورتی که بازده الکتروموتور را از کاتالوگ های سازنده آن بدست آوریم، توان خروجی از الکتروموتور P₂ برابر است با:

در صورتی که بازده کوپلینگ (عضو اتصال دهنده پمپ و موتور) را از کاتالوگ سازنده آن پیدا نماییم، داریم:

و از طرفی داریم:

در نتیجه بازده کل محموعه پمپ و موتور برابر است با حاصلضرب بازده پمپ در بازده موتور در بازده کوپلینگ. در صورتی که علاوه بر کوپلینگ، قطعات دیگری مانند گیربکس و پولی و تسمه وجود داشته باشد، به طریق مشابه می توان ثابت نمود بازده کل برابر است با حاصلضرب بازده تک تک اجزا سیستم انتقال قدرت.

صرفنظر از نوع پمپ، بازده پمپ ها معمولاً از سه بخش تشکیل شده است:

 : بازده حجمی. این بازده معیاری از میزان اتلاف انرژی در قطعات هیدرولیکی به خاطر وجود لقی بین قطعات ثابت و دوار پمپ می باشد.

 : بازده هیدرولیکی. انتقال انرژی به سیال با بازده 100% صورت نمی گیرد. بسته به نوع پمپ بازده هیدرولیکی معمولاً از 65% تا 95% متغیر است.

 : بازده مکانیکی. بیانگر اتلاف انرژی در قطعات مکانیکی پمپ مانند یاتاقان ها، آببندهای مکانیکی و مانند آن می باشد. این انرژی معمولاً به صورت گرما هدر می رود.

در پمپ های روتاری و جابجایی مثبت معمولاً بازده پمپ ها بیش از 85% می باشد. علت آن است که بازده هیدرولیکی در این پمپ ها معمولاً بالا است و انتقال انرژی به سیال در این پمپ ها با راندمان بالایی انجام می گیرد. در پمپ های گریز از مرکز به خاطر طبیعت پیچیده حرکت سیال در داخل پروانه، بازده هیدرولیکی ممکن است تا 65% هم افت پیدا کند. علاوه بر این بازده حجمی نیز در این پمپ ها عموماً پایین تر از پمپ های روتاری و جابجایی مثبت می باشد. پمپ های روتاری معمولاً اگر سیالات با ویسکوزیته بالا پمپاژ کنند، بازده حجمی آنها بهبود پیدا می کند. بهبود بازده حجمی تأثیر مستقیمی بر میزان دبی این پمپ ها خواهد داشت. این پمپ ها هنگامی که سیالات با ویسکوزیته بالا پمپاژ می کنند دبی بیشتری خواهند داشت.

پمپ هایی که توان مصرفی پایینی دارند (معمولاً کمتر از 7.5 کیلووات) معمولاً راندمان کمتری دارند. این امر بالاخص در پمپ های سانتریفوژ نمود بیشتری پیدا می کند. راندمان این پمپ ها ممکن است تا 15% نیز کاهش یابد. عموماً بهبود راندمان در پمپ ها مستلزم صرف هزینه های هنگفت آزمایشگاهی و اصلاح طراحی ها می باشد. در پمپ هایی که توان مصرفی پایینی دارند معمولاً صرف هزینه های آزمایشگاهی جهت افزایش راندمان پمپ کاملاً توجیه اقتصادی ندارد و معمولاً سازندگان ترجیح می دهند راندمان پمپ هایی که توان بالاتری مصرف می کنند را بهبود دهند. به عنوان مثال تصور کنید که پمپ سانتریفوژی با توان مصرفی 3 کیلووات در نقطه کاری با بازده کل 30% در حال کار می باشد. اصلاح راندمان این پمپ از 30% به 40% باعث کاهش توان مصرفی به میزان 750 وات می گردد. اصلاح 10% راندمان به خاطر کاهش مصرف 750 وات (تقریباً کمتر از 4 لامپ 200 وات) ارزش صرف وقت و هزینه را نخواهد داشت.

از طرفی در پمپ های کوچک سهم اتلاف مکانیکی ناشی از اصطکاک یاتاقان ها و سایر تجهیزات مکانیکی معمولاً نمود بیشتری پیدا می کند و بازده این پمپ ها را کم می کند. مثلاً اتلاف 150 وات انرژی به خاطر قطعات مکانیکی در پمپی که توان مصرفی آن 750 وات می باشد بازده پمپ را به شدت کاهش می دهد اما همین اتلاف در پمپی که 15 کیلووات توان مصرف می کند ناچیز می باشد.

بنابراین معمولاً پمپ های سانتریفوژ کوچک و پمپ هایی که توان مصرفی کمتر از 7.5 کیلووات دارند بازده های کمتری نسبت به پمپ های مشابه با سایز و توان بزرگتر دارند.

NPSH[1] : کلمه NPSH مخفف هد مکش مثبت است. به طور خلاصه می توان گفت: سیال در لحظه ورود به پمپ چه مقدار انرژی داشته باشد تا بخار نشود؟ مقدار این انرژی را NPSH می گویند. در صورتی که انرژی هر سیال کمتر از میزان مشخصی شود سیال دیگر سیال نخواهد بود و بخار می گردد. در واقع اگر در یک دمای مشخص فشار سیال کمتر از فشار بخار آن گردد، سیال بخار می شود. مقداری از انرژی سیال در هنگام مکش تلف می شود. پمپ در هنگام مکش چه مقدار انرژی سیال مورد نیاز دارد تا سیال را بخار نکند؟ پاسخ این سوال همان NPSH_r یا NPSH مورد نیاز می باشد. سیال در هنگام ورود به پمپ چه مقدار انرژی بیشتر از انرژی بخار شدن دارد؟ پاسخ این سوال همان NPSH_a یا NPSH در دسترس می باشد.

NPSH_r پارامتری است که توسط پمپ ساز گزارش می گردد. NPSH_a بر اساس موقعیت نصب پمپ و شرایط مکش سیال محاسبه می شود و توسط خریدار می بایست گزارش شود. NPSH معمولاً بر حسب متر سیال و یا فوت سیال بیان می شود. در انتخاب پمپ حتماً بایستی دقت شود که NPSH_r کوچکتر از NPSH_a باشد. یعنی انرژی در دسترس سیال در مکش پمپ بیش از انرژی مورد نیاز پمپ در مکش باشد تا سیال هنگام ورود به پمپ بخار نشود. تشکیل بخار در مکش پمپ ممکن است باعث گرفتگی و انسداد پمپ گردد و باعث کاهش دبی و فشار خروجی پمپ می شود. این پدیده را غالباً کاویتاسیون می گویند. موضوع کاویتاسیون در پمپ ها موضوع بسیار مهمی می باشد و معمولاً یکی از علل اساسی خرابی در پمپ های سانتریفوژ می باشد.

در مواقعی که دمای سیال نزدیک نقطه جوش می باشد و یا پمپ می بایست مکش منفی انجام دهد (سطح آب پایین تر از سطح تراز پمپ می باشد) و یا به واسطه طولانی بودن خط مکش پمپ و وجود اتصالات متعدد در سمت مکش لوله کشی انرژی سیال هنگام ورود به پمپ کم می باشد، بررسی پمپ ها از نقطه نظر NPSH و کاویتاسیون امری ضروری می باشد. همچنین در بعضی از کاربردهای خاص که فشار بخار سیال بالا می باشد و یا اصولاً سیال فرار می باشد بررسی پدیده کاویتاسیون اجتناب ناپذیر است. کاویتاسیون نتیجه برقرار نبودن رابطه زیر است:

کاویتاسیون می تواند منجر به کاهش یا قطع دبی، افت شدید هد پمپ، لرزش و سروصدا در پمپ، خوردگی پروانه پمپ (شیر یکطرفه مکش در پمپ های جابجایی مثبت) و خرابی زودهنگام کل پمپ گردد. تکنسین های مجرب تعمیرات و نگهداری پمپ ها در مواقعی که در سمت مکش پروانه پمپ های سانتریفوژ علائمی از خوردگی و حفره زایی مشاهده می کنند، علت را در پدیده کاویتاسیون می دانند.

معمولاً توصیه می گردد حداقل فاصله NPSH_a و NPSH_r در پمپ ها 0.5 متر یا 2 فوت باشد. در مواقعی که NPSH_a کمتر از یک متر می باشد حداقل فاصله NPSH_a و NPSH_r برابر با 15 تا 20 درصد NPSH_a توصیه می شود.

معمولاً پمپ سازان برای جبران NPSH_r بالا در پمپ های تولیدی از ایندیوسر[2] استفاده می کنند. ایندیوسر قطعه ای است که در مکش پمپ قرار می گیرد و وظیفه افزایش انرژی سیال در مکش پمپ و بالا بردن NPSH_a را دارد. طراحی ناصحیح ایندیوسرها ممکن است نتیجه معکوس داشته باشد و NPSH مورد نیاز پمپ را افزایش دهد و پدیده کاویتاسیون را تشدید کند. علاوه بر این نصب ایندیوسر در مکش پمپ باعث بالارفتن توان مصرفی پمپ و کاهش راندمان آن می شود.

پیچیدگی پدیده کاویتاسیون صرفاً به بخار شدن سیال محدود نمی شود. گاهی اوقات کاهش انرژی سیال در مکش پمپ منجر به آزاد شدن گازهای نامحلول در سیال و ایجاد نوع دیگری از کاویتاسیون به نام کاویتاسیون ثانوی می کند. در کاویتاسیون ثانوی، سیال اصلی بخار نشده است و صرفاً گازهای نامحلول فرصت نمایان شدن و جداشدن از مخلوط سیال را پیدا کرده اند. کاویتاسیون ثانوی اهمیت محاسبه دقیق NPSH_a را بیش از پیش نمایان می کند. معمولاً برای چنین سیالاتی، صرفاً محاسبه تئوریک NPSH_a کافی نمی باشد و می بایست اطلاعات دقیقتری از خواص ترمودینامیکی سیال پمپ شونده بدست آورد.

[1] Net Positive Suction Head

[2] Inducer

مطالب مرتبط

مفاهیم بنیادین پمپ ۱