فصل اول
مقدمه
در یک سیستم پمپاژ، پمپ وظیفه افزایش فشار سیال از نقطه ای به نقطه دیگر (از طریق یک سیستم لوله کشی) را بر عهده دارد. در اغلب موارد، فشار از طریق تبدیل انرژی جنبشی مایع به انرژی فشاری ایجاد می شود. فشار در سیستم یکای مرسوم آمریکا (USCS) برحسب 2b/in1 (psi) و در سیستم یکایی بین المللی (SI) بر حسب کیلوپاسکال یا بار (bar) اندازه گیری می شود. دیگر واحدهای فشار در بخش های بعدی این کتاب مطرح خواهند گردید. در انتقال مایع در یک خط لوله، فشار ایجاد شده توسط پمپ در مبدا A این خط لوله، باید برای غلبه بر مقاومت اصطکاکی بین مایع و داخل لوله (در کل طول لوله) به نقطه انتهای B کافی باشد. علاوه بر این فشار باید برای غلبه بر هرگونه اختلاف ارتفاع بین A و B نیز کافی باشد. در نهایت، اگر قرار است کارکرد مفیدی در انتها داشته باشد، باید هنگامی که به پایانه B می رسد، یک فشار باقیمانده برای مایع وجود داشته باشد (بدین معنی که در هنگام خروج سیال از انتهای لوله فشار لازم را داشته باشد).
اگر ارتفاع B پایین تر از ارتفاع A باشد، در موقعیتی که پمپ قرار گرفته است، یک مزیت ارتفاعی وجود دارد که منجر به کاهش در فشاری که باید توسط پمپ تولید شود می گردد. برعکس، اگر ارتفاع B بالاتر از A باشد، پمپ برای توليد فشار اضافی (براى غلبه بر اختلاف ارتفاع) باید سختتر کار کند.
انواع پمپ
انواع مختلفی از پمپ ها در صنعت پمپاژ مورد استفاده قرار می گیرد. امروزه رایجترین نوع پمپ، پمپ گریز از مرکز می باشد که نحوه عملکرد آن بتفضیلی در کتاب پمپ، پمپاژ و پایینگ ازهمین نویسنده شرح داده شده است. انواع دیگر پمپ شامل پمپ های رفت و برگشتی و دوار می باشند. این نوع پمپ ها، پمپ های جابجایی مثبت نامیده می شوند، چرا که در هر سیکل پمپاژ یا چرخش، پمپ حجم ثابتی از مایع را که به هندسه پمپ و سرعت دورانی و یا رفت و برگشتی بستگی دارد، منتقل می کند. در پمپ های جابجایی مثبت، حجم مایع پمپ شده مستقل از فشار تولید شده است. این پمپ ها در مقایسه با پمپ های گریز از مرکز، قادر به تولید فشار بسیار بالاتری می باشند. بنابراین، به منظور حفاظت از لوله کشی و تجهیزات در معرض فشار پمپ، نیاز به نصب تجهیزات ایمنی نظیر شیر اطمینان در سمت تخلیه پمپ های جابه جایی مثبت داریم.
پمپ های گریز از مرکز قادر به ارائه طیف وسیعی از دبی در یک محدوده خاص از فشار می باشند. از اینرو فشار تولید شده توسط یک پمپ گریز از مرکز به دبی پمپ بستگی دارد. پمپ های گریز از مرکز، بدلیل تغییرات دبی در برابر فشار، انعطاف پذیری بیشتری داشته و به طور معمول در کاربردهای فرآیندی و خطوط لوله بکار گرفته می شوند. این پمپ ها، در پمپاژ مایعات سبک و نسبتاً سنگین (با ویسکوزیته بالا) مورد استفاده قرار می گیرند. با این وجود، در بسیاری از کاربردهای شامل مایعات بسیار سنگین با ویسکوزیته بالا، ممکن است نیاز باشد از پمپ جابجایی مثبت، نظیر پمپ های دوار اسکرو (حلزونی) یا دنده ای به علت بازده بالاتر شان استفاده شود.
پمپ های دوار، از قبیل پمپ های دنده ای و اسکرو (شکل ۱- ۳)، عموماً در کاربردهایی که در آنها مایعات با ویسکوزیته بالا پمپاژ می شوند، مورد استفاده قرار می گیرند. همانطور که پیش از این اشاره گردید، پمپ های جابجایی مثبت قادر به ایجاد فشارهای بالا در دبی های ثابت می باشند که به طراحی، هندسه و سرعت چرخش آنها بستگی دارد.
هزینه های عملیاتی و نگهداری پمپ های گریز از مرکز در مقایسه با پمپ های جابجایی مثبت کمتر می باشد. اما پمپ های جابجایی مثبت در مقایسه با پمپ های گریز از مرکز، بازده بالاتری دارند. روند اخیر در صنعت، رواج استفاده از پمپ های گریز از مرکز در اغلب موارد بوده است، البته به جز در برخی کاربردهای خاص با ویسکوزیته بالا که بجای پمپ های گریز از مرکز، از پمپ های جابجایی مثبت استفاده می شود. از آنجا که در خطوط لوله آب، مواد شیمیایی، نفت و صنایع پتروشیمی بیشتر از پمپ های گریز از مرکز استفاده می شود، تجزیه و تحلیل ما در این کتاب به سمت پمپ های گریز از مرکز هدایت خواهد شد.
پمپ گریز از مرکز یا سانتریفیوژ
پمپ های گریز از مرکز را می توان به سه دسته اصلی تقسیم بندی نمود:
پمپ های جریان شعاعی
پمپ های جریان محوری
پمپ های جریان مختلط
در پمپ های جریان شعاعی، ایجاد فشار از طریق به حرکت درآوردن مایع پمپاژ شده در جهت شعاعی نسبت به شفت پمپ انجام می گیرد. این پمپ ها در کاربردهایی با دبی کم و هد بالا بکار برده می شوند.
در پمپ های جریان محوری یا پروانه ای، فشار در اثر حرکت محوری مایع پمپ شده ایجاد می گردد و برای کاربردهایی با دبی بالا و هد کم استفاده می شوند. پمپ جریان مختلط، ترکیبی از انواع شعاعی و محوری بوده و بین این دو نوع قرار می گیرد. در طبقه بندی انواع پمپ های گریز از مرکز، از سرعت ویژه پمپ، که در فصل 2 به آن پرداخته شده است (و همچنین مطالب اشاره شده در کتاب پمپ، پمپاژ و پاپیانگ)، استفاده می شود. پمپ های جریان شعاعی دارای سرعت ویژه کم (کمتر از ۲۰۰۰) بوده در حالیکه پمپ های جریان محوری دارای سرعت ویژه بالا (بزرگتر از ۸۰۰۰) می باشند. پمپ های جریان مختلط در میان این دو قرار دارند.
برای تولید فشار، مایع در یک فشار اولیه (فشار مکش) وارد سمت مکش پمپ گریز از مرکز می گردد. انرژی مایع متناظر با این فشار، همراه با انرژی جنبشی مایع ناشی از سرعت مکش و انرژی پتانسیل ناشی از موقعیت لوله کشی مکش، انرژی کل مایع در زمانی که وارد پمپ می گردد را بیان می دارد. با جریان یافتن مایع درون پمپ، مایع در اثر چرخش پروانه پمپ با توجه به نیروی گریز از مرکز، شتاب می گیرد و انرژی جنبشی مایع افزایش می یابد. در پایان، زمان خارج شدن مایع (هنگامی که مایع از پیچک پمپ به لوله کشی تخلیه وارد می گردد) انرژی جنبشی به انرژی فشاری تبدیل می گردد.
بدیهی است که دبی پمپ و فشار تولید شده، هر دو تابع سرعت چرخش پروانه پمپ و قطر آن می باشند زیرا این پروانه است که به انرژی جنبشی مایع می افزاید. بنابراین، ظرفیت پمپ گریز از مرکز می تواند با تغییر سرعت پمپ در محدوده مشخصی، افزایش یا کاهش یابد. حد بالایی سرعت توسط تنش های ایجاد شده در تکیه گاه های پمپ و محدودیت محرک پمپ نظیر موتور الکتریکی، توربین، یا موتور احتراقی تعیین خواهد شد. همچنین، ظرفیت پمپ و هد ایجاد شده توسط پمپ با افزایش قطر پروانه، افزایش می یابد. بدیهی است که با توجه به محدودیت فضا در داخل محفظه پمپ، یک محدودیت عملی برای حداکثر اندازه پروانه وجود دارد. عملکرد پمپ گریز از مرکز با جزئیات بیشتر در فصل های بعدی مورد بحث قرار گرفته است.
در شکل 1-5 یک پمپ گریز از مرکز معمولی که می تواند به عنوان یک پمپ نوع پیچکی با دیفیوزری طبقه بندی شود، نمایش داده شده است. در پمپ های گریز از مرکز تک پیچکه هنگامی که مایع از میان پروانه ی در حال چرخش به داخل لوله تخلیه پرتاب می گردد.هد سرعت ناشی از سرعت چرخش پروانه به فشار استاتیک تبدیل می گردد. پمپهای دوپیچکه مشابه نوع تک پیچکه کار می کنند، با این تفاوت که در آنها با توجه به بالانس بودن بارهای شعاعی وارد بر شفت، خمش شفت به حداقل رسانده می شود. در پمپ های نوع دیفیوزری پره های، راهنمای ثابت پروانه را احاطه کرده است. این پره ها سبب افزایش تدریجی گذرگاه جریان مایع شده و در نتیجه به تغییر تدریجی در جهت جریان و تبدیل هد سرعت به هد فشاری منجر میگردند. در شکل ۱ - ۶ ، نمای برشی یک پمپ گریز از مرکز چند مرحله ای نمایش داده شده است
