پمپها چگونه کار می کنند

ابتدا سیال در لوله و نازل مکش پمپ جریان می یابد. سیال هنگام ورود به پمپها باید دارای انرژی کافی باشد تا پمپ بتواند با انرژی حاصل از آن راه اندازی شود. در غیر این صورت پمپ توان لازم برای مکش را نخواهد داشت .

در پمپهای جابه جایی مثبت (PD:Pisitive Displacement) ، سیال ابتدا به نازل مکش رفته و سپس در فضایی قابل حرکت که بسته به نوع طراحی، با دیافراگم تکانه ای (پالسی) یا یک فضای خالی بین چرخ دنده ها است، در اصطلاح گیر افتاده و محصور می شود.

با باز شدن فضای قابل حرکت، ناحیه ای کم فشار برای ورود سیال به داخل پمپ ایجاد می شود و طبیعتاً سیال از نازل مکشی به طرف نازل تخلیه حرکت خواهد کرد. با جمع و فشرده شدن فضای موجود، ناحیه ای پر فشار ایجاد شده و سیال به سمت لوله تخلیه رانده م شود تا بر مقاومت یا فشار سیستم غلبه کند. جریانی که یک پمپ جابه جایی مثبت ایجاد می کند اغلب تابعی از اندازه محفظه پمپ، سرعت موتور و تلرانس (جابه جایی مجاز) بین قطعات پمپ به لحاظ حرکت نسبی می باشد. همچنین فشار یا هدی که یک پمپ جابه جایی مثبت ایجاد می کند غالباً تابعی از ضخامت محفظه با در نظر گرفتن تلرانس و نیز استحکام دیگر اجزای پمپ خواهد بود.

وقتی از پمپ بیش از اندازه کار کشدیه شود، پدیده های خوردگی و سایش باعث از بین رفتن آب بندی قطعات و فرسودگی آنها خواهد شد؛ این قطعات ممکن است رینگ پیستونها ، واشرهای میله پیستونی ، دیافراگم و دندانه های چرخ دنده ها باشند. با فرسوده شدن این قطعات، بازده پمپ کاهش یافته و پمپ به مرور توانایی پمپاژ را از دست می دهد. با توجه به زمان؛ مقدار سایش و نیز طبیعت روغنکاری سیال باید هرچند وقت یک بار این قطعات را تعویض نمود. تعویض این قطعات را باید به حساب عملیات تولید گذاشت و نه هزینه اضافی در نگهداری و سرویس قطعات، زیرا با انجام این کار پمپ به بهترین بازده یا حداقل بازده اصلی خود می رسد.

در پمپهای سانتریفوژ، سیال هنگام ورود به نازل مکشی باید دارای انرژی کافی باشد. زیرا این نوع پمپها نمی توانند سیال را به داخل محفظه پمپ کشیده تا آن را بمکند. اجزای اصلی پمپ سانتریفوژ، محفظه حلزونی شکل و پره می باشد.

پره پمپ که به شفت (محور) متصل شده است به وسیله موتور یا گرداننده (بعضی از پمپها به جای اتصال مستقیم به موتور به پولی یا گیربکس وصل هستند) راه اندازی شده و می چرخد. سپس سیال وارد چشم پره شده و ین تیغه های پره گیر می افتد. تیغه ها سیال را محصور کرده و سرعت خود را در حین حرکت سیال از چشم پره به سمت قطر خارجی پره به آن منتقل می کنند. هنگامی که سیال شتاب می گیرد، ناحیه ای کم فشار در چشم پره ایجاد می شود(مطابق اصل برنولی، با افزایش سرعت، فشار کاهی خواهد یافت). لذا این نیز دلیل دیگری بر وجود انرژی کافی در مایع هنگام ورود به پمپ می باشد.

سیال از قطر خارجی پره با سرعت زیاد خارج شده (تقریباً هم سرعت با خود موتور) و بسرعت به طرف دیواره محفظه حلزونی پرتاب می شود. در این حین، سرعت گریز از مرکز سیال یکباره متوقف شده و به فشار تبدیل می گردد( اصل برنولی، معکوس خواهد شد). اینجا به خاطر چرخش موتور، سرعت دورانی نیز خواهیم داشت. سیال از سمت زبانه، کنار محفظه داخلی، وارد کانال خروجی (با مقطع متغیر در حال افزایش) می شود. با افزایش قطر، سرعت دورانی کاهش یافته و انرژی و فشار سیال به تدریج افزایش می یابد (دوباره، اصل برنولی). اکنون سیال با خروج ازپمپ در فشار تخلیه، می تواند بر مقاومت سیستم نیز غلبه کند.

دبی جریان، سرعت و یا هد پمپ، اغلب تحت تأثیر سرعت گرداننده و ارتفاع تیغه های پره می بشد. عوامل دیگر مانند تعداد، زاویه (شیب)، ضخامت تیغه های پره، لقی داخلی و نوارهای سایشی نقش کمتری در این کار دارند.

به عبارت ساده تر، پمپهای جابه جایی مثبت (PD) کار لازم را با جابه جایی فضای موجود داخل پمپ و نیز تغییر سرعت سیال هنگام عبور از پمپ به دست می آورند.

اندازه گیری فشار
نیرو، معادل فشار ضرب در سطح (A ) می باشد : F=PA
فشار، معادل نیرو تقسیم بر سطح (A) می باشد : P=F/A
اگر فشاری به سطح مایع وارد کنیم، این فشار به طور یکنواخت در تمام جهات از سیال کنار دیواره تا سیال ته ظرف، توزیع خواهد شد (قانون پاسکال). واحد فشار به صورت پوند بر اینچ مربع (psi یا lbs/in2) یا کیلوگرم بر سانتی متر مربع (kg/cm2) است.
فشار اتمسفریک (ATM)

فشار اتمسفریک (ATM) نیرویی است که توسط وزن هوا روی واحد سطح اعمال می شود (ATM=17/4Psia) . با افزایش ارتفاع از سطح دریا، فشار اتمسفریک نیز کاهش خواهد یافت.
فشار مطلق (Psia)
فشار مطلق، فشار اندازه گیری شده از مرجع فشار صفر می باشد. این فشار در سطح دریا ۱۴٫۷psia است. فشار مطلق به وسیله فشارسنجهای مرکب ثبت می شود.
فشار نسبی (Psig)
فشار نسبی، فشاری است که توسط فشار سنج ساده مشخص می شود. فشار سنجهای ساده دارای یک مرجع صفر مصنوعی در فشار اتمسفریک هستند.
خلاء
عبارت خلاء برای فشارهای زیر اتمسفر به کار می رود( گاهی خلاء را به صورت psi منفی روی فشار سنجها نشان می دهند ) . مقیاس دیگری که استفاده می شود اینچ جیوه است : ۱۴٫۷psia=29.92Hg . اما مقیاسی که عموماً به کار می رود کیلو پاسکال است : ۱۴٫۷psia=100kp
هد پمپ

هد پمپ ، مقدار کار خالص انجام شده توسط پمپ بر روی سیال را نشان می دهد که از چهار قسمت تشکیل شده است، هد استاتیک (Static head) یا به اختصار Hs یا همان تراز ارتفاع، هد فشار (Pressur head) یا به اختصار Hp یا مقدار فشاری که باید بر آن غلبه کند. هد سرعت (Velocity head) یا به اختصار Hv و هد اصطکاک (Friction head) یا به اختصار Hf که شامل اصطکاک و دیگر مقاومتهای سیستم لوله کشی است.
کار مفید یک پمپ

عبارت وات را به افتخار فیزیکدان نام جیمز وات، به عنوان یکی از آحاد انرژی برگزیده اند . او سعی بسیار در جهت بهبود و اصلاح دیگها و ماشینهای بخار به انجام رسانید. گفته می شود اولین کاربرد ماشین بخار در بالا کشیدن (شما بخوانید پمپ کردن) آب در معادن ذغال سنگ بود. تقریباً همه معادن در صورت پمپ نشدن مانداب دچار آب گرفتگی و طغیان می شوند. قبل از ماشین بخار، کودکان و اسبها برای بالا کشیدن و تخلیه مانداب معدن به کار گرفته می شدند.
جمیز وات مفاهیم انرژی ، کار و توان را توسعه بخشید تعاریف او به صورت زیر می باشد :

انرژی، قابلیت انجام کار است. برای مثال : ماهیچه های بازوی من، انرژی لازم را برای بلند کردن ۱۰۰ پوند دارد.
کار، حاصلضرب نیرو در فاصله است. برای مثال : اگر من چیزی را به وزن ۵ پوند را به اندازه ۱ فوت در هوا جابه جا کنم آنگاه ۵ فوت – پوند کار انجام داده ام و
توان ، کای است که در طول یک زمان معین انجام می شود. مثال : من ۵ فوت – پوند کار در مدت یک ثانیه یا یک دقیقه انجام می دهم.

ما اغل برای توصیف این عبارات دچار سردرگمی می شویم، اما عملاً درک درستی از آنها داریم. اگر من ۱۰ پوند را به اندازه ۱۰ فوت جابه جا کنم. آنگاه ۱۰۰ فوت – پوند کار انجام داده ام (۱۰۰ = ۱۰ فوت  ۱۰ پوند) . تا قبل از اختراع ماشین بخار، اغلب از نیروی اسب برای انجام کار استفاده می شد.

جیمز وات با انجام یک آزمایش ساده، دریافت که یک اسب بارکش معدن می تواند ۵۵۰ پوند را به فاصله یک فوت و در مدت زمان یک ثانیه جابه جا کند. بنابراین ۵۵۰ft-lbs/sec را به عنوان یک اسب بخار برگزید. امروزه نیز توان اکثر موتورها، ماشینهای بخار، احتراق داخلی، دیگهای بخار، الکتروموتورها، توربینهای گازی و حتی موتورهای جت و راکت نیز برحسب اسب بخار اندازه گیری می شود و نه مقیاسهایی مانند استریخ (Ostrich) و ایگوانا (iguana).

موتور، انرژی را بر حسب اسب بخار تولید می کند (Hg) و پمپ آن را به صورت اسب بخار ترمزی به مصرف می رساند (BHp). اختلاف بین Hp (خروجی) و BHp (ورودی) همان اتلافات سیستم انتقال قدرت یعنی یاتاقانها، شفت و کوپلینگ بین موتور و پمپ می باشد.
تعیین دبی جریان
دبی جریان، تعداد گالن بر دقیقه ای است که پمپ تخلیه می کند.
هرپمپی با کاهش فشار تخلیه، جریان بیشتری را تولید خواهد کرد.
در صورت افزایش فشار بدیهی است که دبی جریان و هد باید قبل از انتخاب پمپ سانتریفوژ مشخص باشد.
فضای قابل دسترس در پره و فضای قابل دسترس در محفظه، در تعیین دبی جریان نقش اساسی دارد. دو ناحیه بحرانی در پره وجود دارد، ناحیه خروجی و ناحیه ورودی، مهمترین قسمت نیز در محدوده محفظه که جریان باید از آن عبور کند زبانه است.
با انتقال انرژی چرخشی از طریق پره به سیال، هد یا فشار در پمپ افزایش یافته (به واسطه افزایش سرعت مایع)، سپس محفظه ، انرژی حاصله را با کاهش سرعت به فشار تبدیل خواهد کرد.
معمولاً رابطه بین ناحیه خروجی پره و زبانه پمپ دبی را تعیین خواهد نمود.
بازده پمپ
عوامل زیادی در بازده پمپ دخیل هستند که پره یکی از آنها است.
تأثیر مشخصه های پره بر بازده به این صورت است :
۱- سرعت پره
۲- قطر پره
۳- تعداد تیغه های پره

۴- قطر چشم پره
۵- ضخامت پره و
۶- زاویه تیغه .
دیگر عوامل مؤثر در بازده

۱- پرداخت سطوح داخلی – سطوحی که خوب پرداخت شده باشند روی سرعت ویژه پمپ Ns تأثیر می گذارند. معمولاً اصلاح سطوح پرداختی در پمپهای با سرعت ویژه کم از لحاظ اقتصادی نیز مقرون به صرفه است.

۲- تلرانس رینگ سایشی – تلرانسهای بسته روی رینگهای سایشی اثر نامطلوبی روی بازده پمپ دارند، مخصوصاً در پمپهای با سرعت ویژه (Ns<1500).
3- اتلافات مکانیکی – یاتاقانها ، آب بندهای لبه، واشرها و … همگ دارای مصرف انرژی بوده و بازده پمپ را کاهش می دهند. در این مورد پمپهای کوچک (کمتر از ۱۵Hp) آسیب پذیرتر هستند.

۴- قطره پره – با کاهش قطر پره، بازده نیز کاهش خواهد یافت. به همین دلیل کاهش (دوربری) پره بیش از ۲۰% اصلاً توصیه نمی شود. برای مثال اگر پمپ پره ای با سایز ۱۰ اینچ داشته باشد نباید قطر آن را به کمتر از ۸ اینچ، یعنی ۲۰% کمتر از قطر اصلی کاهش داد.

۵- ویسکوزیته – معمولاً با بالا رفتن ویسکوزیته سیال، بازده پمپ پایین می آید. البته در این مورد استثنا هم وجود دارد.
۶- اندازه ذرات جامد – غلظت کم ذرات جامد (میانگین کمتر از ۱۰%) که به واسطه اندازه و نوع ذرات طبقه بندی می شوند، معمولاً تأثیر چندانی بر بازده پمپ نخواهد داشت. هرچند قسمت تخلیه پمپ باید به اندازه ای باشد تا از انسداد آن جلوگیری به عمل آید. برای مثال در پمپهای مصارف بهداشتی و فاضلاب که ذرات جامد زیادی جابه جا می کنند، دو یا سه تیغه مخصوص روی پره وجود دارد.

۷- نوع پمپ – انواع مختلفی از پمپها با پیکربندی و مشخصه های گوناگون برای سرویسهای ویژه از جمله بهداشتی، فاضلاب، انتقال ذرات جامد و غیره وجود دارد که با توجه به NS ، طراحی آنها به گونه ای است تا پمپ بتواند حتی کمتر از پایین تر از بازده بهینه از عهده وظیفه خود به طرز مؤثری برآید. به عبارت ساده تر طراحیها و سرویسهای ویژه معمولاً بازده را کاهش می دهند.

پمپهای جابه جایی مثبت (PD)
پمپهای جابه جایی مثبت با انبساط و سپس انقباض حفره ، فضا و یا مرز متحرک در داخل پمپ، کار انجام می دهند. در این پمپها سیال ابتدا داخل محفظه پمپ گیر افتاده و سپس تا نازل تخلیه منتقل می شود. داخل پمپ با انبساط حفره، ناحیه ای کم فشار یا خلاء ایجاد شده که باعث ورود مایع به نازل مکش می گردد. با گیر افتادن و انتقال مایع به سمت نازل تخلیه، حفره نیز منقبض می گردد. پس با این حساب در می یابیم که فضای موجود در داخل پمپ ثابت بوده و از لحاظ نظری می توان گفت این پمپها، یک ماشین حجم ثابت با سیکل رفت و برگشتی هستند. اما در عمل به خاطر افزایش مقاومت یا فشار، مقدار کمی کاهش حجم در پمپ خواهیم داشت.
جریان در یک پمپ PD اغلب تابعی از سرعت موتور یا گرداننده است. لازم به ذکر است که خود پمپ قادر به تولید جریان نبوده و لذا جریان باید در نازل مکش موجود باشد. بنابراین جریان در یک پمپ PD در حقیقت نوعی انرژی است که فشار دهانه مثبت خالص نامیده می شود. فشار یا هدی که یک پمپ PD تولید می کند اغلب تابعی از ضخامت بدنه و استحکام اجزا مرتبط می باشد (آب بندها، شیلنگها و واشرها).
پمپهای جابه جایی مثبت دارای بعضی از اجزا با تلرانس بسته هستند. این اجزا با نوع و طراحی پمپ تغییر کرده و دارای تلرانس بسیار بسته ای هستند که فشار و جریان پمپ را کنترل می کند. اگر یکی از این تلرانسها به اندازه چند ده هزارم باز شده یا دچار فرسایش شود، پمپ تقریباً تمامی بازده و توانایی انجام کار را از دست خواهد داد. تعویض این اجزا باید به صورت دوره ای و منظم بر اساس میزان سایش و طبیعت روغنکاری سیال پمپ صورت گیرد پمپ در حداکثر بازده خود به کار ادامه دهد.
با این هیچ ارجحیتی در انتخاب بین پمپهای PD و سانتریفوژ وجود ندارد اما پمپهای PD برای کاربردهای زیر مناسب ترند :
مایعات ویسکوز
اندازه گیری دقیق (خوراک دهی، صنایع دارویی) و
جایی که فشار زیاد و دبی جریان کم باشد
پمپهای سانتریفوژ
پمپهای سانتریفوژ عملکردی مشابه پمپهای PD دارند اما به گونه ای دیگر کار می کنند. این پمپها ابتدا با شتاب دادن و سپس کاهش سیال داخل خود، تولید فشار می کنند.
برای شروع پمپاژ ، جریان باید دارای حداقل انرژی در نازل مکش باشد. این انرژی در پمپهای سانتریفوژ، NPSH یا هدمکش مثبت خالص نامیده می شود . این پمپها مانند همتای خود یعنی پمپهای PD قادر به تولید جریان نیستند. اصولاً هیچ پمپی نمی تواند مثلاً ۳ گالن بر دقیقه را در نازل مکش گرفته و ۴ گالن بر دقیقه در نازل تخلیه تحویل دهد. در پمپ سانتریفوژ سیال ابتدا وارد نازل مکش شده؛ به سمت چشم پره حرکت کرده و بین تیغه های پره گیر می افتد. پره که با سرعتی معادل گرداننده پمپ می چرخد، سیالی را که از چشم پره در طول تیغه در جهت خارجی قطر خارجی پره در حال حرکت است به طور ناگهانی شدت می دهد و سرعت سیال به یکباره افزایش می یابد. طبق اصل برنولی با افزایش سرعت، فشار کاهش یافته و در واقع ناحیه ای کم فشار در چشم پره ایجاد می شود. در این حین سیال از قطر خارجی پره جدا شده و با شتاب به سمت دیواره داخلی محفظه پرتاب می شود.