پمپ

تعریف پمپ: پمپ دستگاهی است که انرژی مکانیکی تولید شده به وسیله یک کنبع خارجی (موتور احتراق یا الکتریکی) را گرفته و به سیالی که از آن عبور می کند انتقال می دهد.
موارد کاربرد پمپ : عموما از پمپها برای انتقال انرژی به سیالات استفاده می شود که در زیر بدان اشاره می شود.
۱- انتقال آب : محل مصرف آب همیشه در محل منبع آن نمی باشد در این صورت لازم است آب به مراکز صنعتی و مسکونی و کشاورزی منتقل شود از این رو برای انتقال آب مورد نیاز از پمپ استفاده می شود . مثلاً پمپاژ آب از چاههای عمیق و نیمه عمیق – پمپاژ آب از رودخانه ها به اراضی اطراف ئ آبرسانی به مسافتهای دور.

۲- آبیاری اراضی: در سیستمهای آبیاری تحت فشار که می بایست آب در شبکه ای از لوله ها با فشار معین حرکت کرده و به صورت قطرات ریز و یگنواخت در شعاع کناسب در اطراف آبپاشها و یا قطره چکانها ریزش نماید ، لازم است این فشار توسط پمپهای فشار قوی یا منبع هوایی تامین گردد.
۳- زه کشی اراضی: زمینهایی که بر اثر آب اضافی ، کشت و کار در آنها غیر ممکن شده است به روشهای مختلفی زه کشی می شوند . چنانچه خروج طبیعی آب زه کشی ممکن نباشد با استفاده از پمپ این عمل امکان پذیر می شود. همچنین در معادن نیز آبهای اضافی به وسیله پمپ تخلیه می شود.
۴- به گردش در آوردن مایعات: به حرکت در آوردن مایعات مختلف در صنایع شیمیایی و تصفیه نفت و همچنین به گردش در آوردن آب به منظور گرم کردن و یا خنک کردن با پمپهای سیر کولاتر امکان پذیر است.

۵- انتقال گازها: برای نقل و انتقال گازها در صنایع مختلف و انتقال گازهای سوختی کسکونی از پمپهای ویژه ای استفاده می شود.
۶- انتقال جامدات: در صنعت برای انتقال مواد جامد می توان آنها را به صورت معلق در آب و با فشار ایجاد شده به وسیلة پمپ منتقل کرد.
ساختمان اصلی پمپ
اصولآً پمپها از قطعات اصلی زیر تشکیل شده اند.
۱- پوسته: پوسته یا بدنه در پمپها به اشکال متفاوتی ساخته شده است. در همة این پمپها نقش اصلی پوسته ایجاد امکان حرکت برای قسمت متحرک پمپ و جمع آوری آب مکیده شده می باشد.

۲- قطعه متحرک: این قطعه در پمپهای مختلف متفاوت است که شامل پیستون ، چرخ دنده، پروانه و اجزایی از قبیل شاتون ، اکسانزیک (بادامک) ، دیافراگم و غیره می باشد. همچنین قطعه متحرک عامل انتقال و تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی جنبشی در سیال در حال حرکت در پمپ است.
۳- دهانه مکش: به منظور ورود سیال به پمپ دهانه ای در نظر گرفته می شود که در پمپهای مختلف محل آن بر روی پوسته متفاوت است. دهانه مکش محل اتصال لوله مکش محل اتصال لوله مکش به پمپ می باشد.

۴- سوپاپ مکش: هنگام کار لازم است لوله مکش پمپ ، پر از آب باشد و قبل از روشن کردن پمپ می بایست این عمل انجام شود. در صورتی که لازم باشد متناوباً پمپ روشن و خاموش شود می توان در لوله مکش آن سوپاپ مکش نصب کرد که به صورت شیر یکطرفه از خروج آب در زمان خاموش بودن پمپ جلوگیری کند. و همواره لوله مکش پر از آب باقی بماند. در پمپهای پیستونی سوپاپ مکش ، عامل افزایش فشار می باشد.پ
۵- دهانه رانش: خروج آب از پوسته پمپ از محل دهانه رانش صورت می پذیرد که در پمپهای مختلف در محلهای متفاوتی تعبیه شده است. برای ایجاد فشار بیشتر معمولاً دهانه رانش قطر کمتری نسبت به دهانه مکش دارد.

۶- سوپاپ رانش: وقتی پمپ بنا به عللی خاموش شود، آب تحت فشار لوله رانش برگشت نموده ، موجب عملکرد معکوس پمپ می شود. در حالی که هنوز پمپ در حال حرکت عادی خود است این عمل موجب وارد آمدن ضربه به پمپ می شود و زیان آور است لذا برای جلوگیری از برگشت آب در محل اتصال لوله رانش به پمپ ، شیر یکطرفه و یا سوپاپی نصب می شود.

فصل ۲
اصول هیدرولیک پمپ
قبل از اینکه با انواع پمپها و طرز کار آنها آشنا شویم بهتر است اصول هیدرولیک پمپ را مورد بررسی قرار دهیم. هیدرولیک شاخه ای از فیزیک است که با خواص مکانیکی آب و سایر سیالات سر و کار دارد و موارد استفاده این خواص را در علوم مهندسی بررسی می کند. مهمترین مفروضاتی که در یادگیری هیدرولیک ارجحیت دارد ارتفاع و عمق می باشد . در مجموع ، عمق آّب در یک ظرف ، منبع یا لوله ارتفاع نامیده می شود و معیاری برای سنجش فشار در یک نقطه معین در زیر سطح آزاد سیال است. بنابراین ، واژه ارتفاع ، که بر حسب متر بیان می شود معمولآً اختلاف سطح آب در دو نقطه را نشان می دهد . در مورد پمپها ، انواع ارتفاعها ، تعریف شده که به شرح زیر است:
ارتفاع مکش تئوری

ارتفاع مکش ، ارتفاعی است کهبر اثر فشار هوا ستونی از آب در داخل لوله سر بسته خلاً تا آن ارتفاع بالای سطح منبع رانده و تعادل برقرار می شود. بدیهی است که در این حالت ستون آب مزبور در واحد سطح باید با فشار جو برابر باشد تا تعادل برقرار شود. به طوری که در شکل (۱-۲) نمایش داده شده است با تخلیه هوا در مجرای ورودی پمپ (که بالاتر از سطح آزاد آب منبع قرار دارد) ، برای بالا کشیدن آب می توان از فشار جو استفاده نمود. در نمودار زیر ، لوله مزبور قبل از اتصال به مجرای ورودی پمپ نشان داده شده است و به طوری که ملاحظه می شود ، چون بالای لوله باز است. سطح آب داخل و خارج لوله تحت تاثیر یک فشار مساوی قرار می گیرند. در صورتی که انتهای بالایی لوله به مجرای وروردی پمپ متصل شده باشد. بدیهی است که با روشن شدن پمپ هوای داخل لوله مکیده و یک خلاً نسبی ایجاد می شود که آب را تا ارتفاع A که فشار جو آن را تعیین می کند و معمولاً در شرایط متعارف حداکثر حدود ۱۰ متر می باشد بالا می کشد. این ارتفاع را ارتفاع مکش تئوری می گویند.

 

ارتفاع مکش حقیقی
عملآً ارتفاع مکش پمپ مقدار ۱۰ متر نخواهد بود بلکه عواملی باعث کاهش این ارتفاع خواهند شد. از جمله:
اصطکاک در لوله مکش: آب به دلیل حرکت در داخل لوله و بر خورد با جدار آن ، قسمتی از انرژی خود را از دست می دهد و این کاهش انرژی با وضعیت جداره لوله و با تعداد زانوها و طول لوله مکش رابطه مستقیم دارد.
تاثیر دما: وقتی آب گرم باشد ارتفاع مکش آن کم می شود زیرا فشار بخار آب افزایش می یابد و پمپهایی که آبهایی با دمای بالا را جابجا می کنند باید از عمق حقیقی کمتری برخوردار باشند. برای مثال در ۱۰۰ در جه سانتی گراد پمپ قادر به مکش هیچ آبی نخواهد بود زیرا که در این دما سیلندر آن در کورس ورودی خود مملو از بخار آب می شود. بنا به تعریف ، ارتفاع مکشی که عملاً هر پمپ در شرایط کارکرد خود از نظر ارتفاع محل از سطح دریا و وضعیت لوله مکش و غلظت سیال و … دارد «ارتفاع مکش حقیقی» می گویند.
ارتفاع رانش تئوری

عبارت است از طول قایم بین خط محور پمپ و محل خروج آب از لوله رانش. این ارتفاع به قدرت پمپ بستگی دارد.
ارتفاع رانش حقیقی
علاوه بر طول قایم بین محور پمپ و محل خروج آب عوامل دیگری نیز باعث تلفات انرژی می شوند که لازم است پمپ ؛ آن را جبران کرده و به سیال بدهد از جمله:
۱- اصطکاک لوله رانش: حرکت آب در لوله رانش و برخورد با جداه لوله و زانوها و اتصالات و شیر فلکه ها نیز مقداری انرژی را تلف می کند که باید معادل فشاری آن را پمپ به سیال بدهد. شکل (۳-۲)

۲- در صورتی که پمپاژ به منظور ایجاد سیستم آبیاری بارانی یا قطره ای باشد آب هنگام خروج از آخرین محل لوله رانش نیز باید مقداری فشار داشته باشد ، لذا این فشار هم به ارتفاع رانش اضافه می شود. به طور خلاصه:

+ ارتفاع معادل اصطکاک+ طول قایم بین محور پمپ و محل خروج آب= ارتفاع رانش حقیقی ارتفاع فشاری مورد نیاز
ارتفاع کلی: حاصل جمع ارتفاع مکش حقیقی و ارتفاع رانش حقیقی را ارتفاع کل یا ارتفاع مانومتریک می گویند که همان افزایش انرژی در واحد وزن سیال بین دهانه مکش و رانش پمپ است. ارتفاع کل بر حسب متر ستون سیال (آب) بیان می شود.

ظرفیت آبدهی می گویند. واحد آن بر حسب لیتر بر ثانیه ، لیتر در دقیقه ، متر مکعب در ساعت ، گالن بر دقیقه عنوان می شود.
قدرت خروجی پمپ: بنا به تعریف ، کاری را که پمپ برای انتقال واحد حجم آب برای واحد ارتفاع در واحد زمان مصرف می کند «قدرت خروجی پمپ» گویند. این قدرت با دبی و ارتفاع کلی پمپ نسبت مستقیم و با بازده پمپ نسبت معکوس دارد.
فرم ریاضی تعریف فوق به شرح زیر است:

P= قدرت خروجی بر حسب اسب بخار
Q= دبی پمپ بر حسب لیتر بر ثانیه
H= ارتفاع کلی بر حسب متر
E= بازده پمپ (عدد اعشار)
۷۵= عدد ثابت تبدیل واحدها به یکدیگر

قدرت ورودی پمپ: تمام انرژی که پمپ از موتور دریافت می کند و به سیال عبوری انتقال نمی دهد بلکه مقداری از این انرژی تلف شده ، صرف اصطکاک و گرم شدن سیال می شود که این امر به بازده پمپ بستگی دارد.
بازده پمپ: بازده پمپ: بازده یک پمپ عبارت است از نسبت قدرت خروجی پمپ به قدرت ورودی آن . از آنجا که قدرت خروجی پمپ ، تابعی از ارتفاع مانومتریک می باشد از این رو ، این بازده را اصطلاعاً بازده مانومتریک نیز می نامند و از رابطه زیر محاسبه می شود:

اگر بازده بر حسب در صد مورد نظر باشد ، نتیجه به دست آمده باید در ۱۰۰ ضرب شود.

انتخاب پمپ
پمپ ماشینی است که انرژی مکانیکی تولید شده را ، به وسیله یک موتور احتراق یا الکتریکی ، به انرژی مفید آب تبدیل می کند. در آبیاریهای تحت فشار ، این انرژی، فشار و دبی لازم را برای توزیع آب در لوله اصلی و لوله های جانبی و نیز آبپاشها و گسیلنده ها تامین می کند.
پمپها انواع و اقسام مختلف دارند. آنچه از پمپ انتظار می رود این است که مقداری آب را با فشار از نقطه ای به نقطه ای دیگر انتقال دهند. در این رابطه بین دبی پمپ فشار ، رابطه عکس وجود دارد. یعنی پمپهایی که دبی زیادی تولید می نمایند. پمپها به سه گروه مهم تقسیم می شوند:

پمپهای سانتریفوژ (گریز از مرکز)centrifugal pump
پمپهای توربینی turbine pump
پمپهای پروانه ای propeller pump

پمپهای سانتریفوژ برای مواردی به کار می رود که بخواهیم دبی نسبتاً کمی را به ارتفاع زیاد بالا ببریم. در این پمپها جهت جریان آب شعاعی است . در پمپهای توربینی دبی جریان متوسط ، و ارتفاعی که آب بالا داده می شود نیز متوسط است. حال آنکه در پمپهای پروانه ای مقدار دبی زیاد و ارتفاعی که آب بالا برده می شود کم است. در این پمپها جهت جریان آب به صورت محوری است.یکی از کمیت هایی که بتوان خصوصیات پمپها جهت جریان آب به صورت محوری است. یکی از کمیت هایی که بتوان خصوصیات پمپها را به صورت عددی توصیف نمود سرعت مخصوص است که مقدار آن برابر است با:
که در آن

– سرعت مخصوص (بدون بعد)
N- سرعت چرخش پمپ (دور در دقیقهRPM )
Q- دبی پمپ (لیتر در دقیقه L/min)
H- بار فشار جریان (متر m )
می توان با داشتن سرعت مخصوص و با توجه به جدول (۱-۲) پمپ مناسب را انتخاب نمود.

مثال: د ریک سیستم آبیاری تحت فشار دبی مورد نیاز طرح ۱۱۴۰ لیتر در دقیقه بر آورد شده است آب باید از چاهی به عمق ۳۰ متر استخراج گردد. چنانچه افت فشار در کل وله ها ۵۶ متر و فشار لازم در توضیع کننده ها ۳۵ متر باشد، و پمپ به وسیله موتوری به حرکت در آید که سرعت چرخش شتافت آن ۱۷۵۰ دور در دقیقه باشد، مناسب ترین پمپ را برای این طرح تعیین کنید.
حل:

بر اساس جدول (۱-۲)سرعت مخصوص ، تقریباً برابر پمپهای گریز از مرکز است از این رو مناسب ترین پمپ برای این مورد نوع گریز از مرکز است.
معمولی ترین پمپهایی که در آبیاری تحتت فشار مورد استفاده قرار می گیرند پمپهای گریز از مرکز هستند. این قبیل پمپها از نظر تامین فشار و دبی در توضیع کننده ها بهترین نوع هستند. طرح بسیار ساده ای دارند و هزینه خرید و نگهداری آنها بسیار کم است.

با مشخصات پمپهای سانتریفوژ در فصل پنجم آشنا خواهید شد. در اینجا با ویژگی از پمپها یعنی منحنیهای عملکرد آشنا می شوید و طریقه استفاده از آن در انتخاب پمپ مناسب را مرور می کنیم.
کارخانه ها ی سازنده ، برای هر نوع پمپ منحنیهای را ارائه می دهد. نمونه ای از این منحنیها در شکل (۷-۲) برای پمپی که فقط یک نوع پره دارد نشان داده شده است.
نحوه انتخاب پمپ بر اساس نمونه های موجود ، که در شکل (۸-۲) برای پمپهای نوع گریز از مرکز تشریع شده ، بدین ترتیب است که ابتدا از روی کاتولوگهایی مشابه شکل (۹-۲) براساس دبی و با مورد نیاز ، نمونه پمپ انتخحاب می شود. پمپهایی که با موتور برقی کار می کنند ۱۷۵۰ دور یا ۳۵۰۰ دور در دقیقه اند که نمونه ۱۷۵۰ دور نسبت به نوع ۳۵۰۰ دور در دقیقه دبی بیشتر و فشار کمتری دارند. در این شکل و در داخل هر قسمت شماره ای نوشته شده است که نماینده نمونه پمپی است که با شرایط مورد نظر ما ، بالاترین بازده را خواهد داشت پس از این که نمونه پمپ مشخص شد، به سراغ منحنیهای خصوصیات پمپ می رویم که این گونه منحنیها در شکل (۹-۲) نشان داده شده است. کاربرد این گرافها در مثالی روشن خواهد شد.

مثال: در یک طرح آبیاری ، دبی مورد نیاز (گالن در دقیقه ۶۶۰= لیتر در دقیقه ۲۴۹۸) و ارتفاع فشاری کل (فوت ۶۰= متر ۲۹/۱۸) بر آورد شده است. می خواهیم برای این مورد مناسب ترین نمونه پمپ از انواعی که در شکل (۸-۲) نشان داده شده است را انتخاب کنیم. از روی گرافهای شکل (۹-۲)قطر دقیق پره های پمپ و بازده آن مشخص کنید.
حل: چون دبی ۶۶۰ گالن در دقیقه و ارتفاع فشاری کل ۶۰ فوت است. از روی شکل (۸-۲) برای پمپ ۱۷۵۰ دور در دقیقه ، نمونه ۱۰۳۰ مناسب ترین است که منحنی خصوصیات آن در شکل (۹-۲-الف) نشان داده شده است. از روی منحنی خصوصیات پمپ (مدل A) 1030( قطر پره های پمپ ۵/۹ اینچ یا ۲۴۱ میلی متر و بازده پمپ ۸۲ در صد به دست می آید.

ضربه قوچ: هر گاه در مداری با خطوط لوله طولانی به عللی سرعت سیال به طور ناگهانی تغییر کند موجهای فشاری در شبکه به وجود خواهد آمد. این موجها می توانند فشاری چندین برابر فشار کار سیستم را تولید کنند و باعث بوجود آمدن تنشهای بسیار زیادی در اجزای مدار بشوند و در بدترین حالات ، قادر به ترکاندن لوله ها ، پوسته پمپ و شکستن اتصالات گوناگون گردند موجهای فشاری در یک سیستم پمپاژ ف به علت بازو بسته شدن سریع شیرها راه اندازی و خاموش کردن پمپها و یا تغییر سرعت دورانی آنها به طور ناگهانی ، به وجود می آید. علاوه بر این مسایل اتفاقی و غیر معمول نیز باعث بروز پدیده ضربت قوچ خواهد شد. مهمترین این مسایل عبارتند از:
الف: از کار افتادن موتور به علت قطع برق

ب: عملکرد نادرست شیرهای یکطرفه ، شیرهای کنترل و حفاظتی سیستم در اثر قطع ولتاژ کنترل ، از کار افتادن موتور الکتریکی ، شیرها و یا اشکالاتی نظیر آن
ج: قفل شدن یاتاقانهای پمپ ، یا هر اشکالی در محور که منجر به ا زکار افتادن پمپ شود.
د: مسدود شدن جریان به طور ناگهانی در داخل پمپ به علت وجود یک جسم خارجی
هـ : حرکات لرزشی و نا منظم صفحه یا قسمتهای متحرک شیرها
و: از بین رفتن پروانه پمپ ئذ اثر کاویتاسیون یا مسایل نظیر آن و در نتیجه عدم کار پمپ
ز: عدم دقت در پر کردن خطوط خالی ، به هنگام پر کردن خطوط لوله در ابتدای راه اندازی
ح: عدم طراحی صحیح سیستم لوله کشی

روشهای کاهش اثر ضربه قوچ:
۱- در هنگام طراحی ، قطر لوله رانش را بزرگتر در نظر گرفته تا از سرعت آّّب کاسته شود .
۲- به جای یک پمپ از چند پمپ موازی استفاده شود که در صورت از کار افتادن یکی ، دیگر پمپها از ایجاد ضربه قوچ جلوگیری نمایند.
۳- اضافه نمودن چرخ طیار به اجزای چرخنده پمپ
۴- استفاده از لوله کنار گذر همراه با شیر یکطرفه
۵- نصب مخزن سرج: این مخازن به عنوان یک منبع موج گیر عمل می کند. وقتی در لوله ، فشار افزایش یابد آب به داخل مخزن رفته و در صورت کاهش فشار آب به اخل لوله بر می گردد.

۶- نصب خازن هوا: مخازن هوا در حقیقت نوعی از مخازن سرج هستند با این تفاوت که به علت نحت فشار قرار گرفتن می توانند ذدر اندازه های کوچکتر ساخته شوند. این مخازن شامل محفظه نسبتاً کوچک می باشد که هوای فشرده در بالا و آب در پایین قرار می گیرد.
۷- استفاده از شیرهای یکطرفه: خطوط رانش پمپها ، معمولاً مجهز به شیرهای یکطرفه می باشند. وظیفه اصلی این شیرها جلوگیری از معکوس شدن جریان پس از خاموش کردن پمپ یا از کار افتادن آن است.
۸- نصب شیرهای کنترل فشار: این شیرها که در فشارهای بالا و غیر مجاز سریعاً باز می شوند و با تخلیه مقداری از آب سیستم ، از افزایش فشار بیش از حد لوله جلوگیری می کنند.

قانون برنولی
یکی از اصول مهم فیزیکی اصل بقای انرژی است. بر طبق این اصل «انرژی از بین نمی رود بلکه به نوع دیگری از انرژی تبدیل می شود». قانون یا رابطه برنولی نیز در حقیقت همان اصل بقای انرژی است که به صورت زیر بیان می شود:
(در یک سیال غیر قابل تراکم مقدار کل انرژی سیال همیشه ثابت می باشد)
که

ملاحظه می شود که واحد هر یک از جملات آن رابطه ، واحد طول ، یعنی متر است. به همین دلیل گاهی انرزی کل یک سیال را بر حسب ارتفاع بیان می کنند.
رابطه برنهولی برا یدو نقطه دلخواه A و B در شکل (۱۴-۲) در یک سیستم نیز به صورت زیر بیان می شود:

یکی از فرضیات در معادله برنولی بدون اصطکاک بودن مایع در حال حرکت است لیکن در عمل چنین فرضی درست نبوده و مایعات در مقابل حرکت ، کم و بیش از خود مقاومت نشان می دهند.
بنابراین در انتقال از نقطه A به نقطه B آب مقداری از انرژی خود را از دست می دهد بنابراین:

که ارتفاع معادلب انرژی ، صرف اصطکاک شده است.
این رابطه را با مثالی از مسایل روزمره زندگی مرور می کنیم:
تخلیه مایعی مثل نفت ، بنزین یا آب از یک بشکه به وسیله قطعه شیلنگ پلاستیکی که با مکش دهان جریان میع برقراذ می شود. شکل (۱۵-۲)رابطه برنولی را برای دو نقطه AوC در شکل (۱۵-۲) به کار می بریم. یعنی:

در این مثال اختلاف ارتفاع دو نقطه AوC که در واقع انرژی پتانسیل است تبدیل به انرژی جنبشی می شود و موجب جریان آب در داخل لوله شده است. به دلیل ثابت بودن قطر لوله این سرعت در تمام طول لوله ثابت است.