در طول فرآیند جریان سیالات، مقداری انرژی مکانیکی به دلیل مقاومت در برابر جریان از بین می رود. بنابراین، برای انتقال سیال از مکانی به مکان دیگر، خواه انتقال سیال از مکانی با انرژی ویژه کل کمتر به مکانی با انرژی ویژه کل بالاتر باشد، یا صرفاً برای غلبه بر مقاومت جریان، باید انرژی مکانیکی در اختیار سیال قرار گیرد. ماشین آلات مورد استفاده برای انتقال مایعات پمپ (Pump) نامیده می شود. پمپ ها بر اساس ویژگی های ساختاری و اصول کار عمدتا به سه دسته طبقه بندی می شوند:
I. پمپهای پرهای-: این پمپها با داشتن پرههای دوار روی سیال کار میکنند و در نتیجه انرژی مکانیکی مایع را افزایش میدهند. به عنوان مثال می توان به انواع پمپ های گریز از مرکز، پمپ های گردابی، و پمپ های جریان محوری و غیره اشاره کرد.
پمپ های جابجایی مثبت II: این پمپ ها از حرکت رفت و برگشتی پیستون ها یا حرکت چرخشی روتورها برای تغییر حجم محفظه کار، فشرده سازی مایع و انجام کار روی مایع و در نتیجه افزایش انرژی مکانیکی مایع استفاده می کنند. به عنوان مثال می توان به پمپ های رفت و برگشتی، پمپ های دنده ای و پمپ های پیچی و غیره اشاره کرد.
پمپ جت III: با استفاده از جت پرسرعت تولید شده توسط سیال عامل برای بیرون راندن سیال کار می کند و سپس از طریق تبادل حرکت، انرژی سیال خارج شده افزایش می یابد.
پمپ های گریز از مرکز به دلیل ساختار ساده، سهولت ساخت، جریان پایدار، سازگاری قوی و عملکرد راحت، به طور گسترده ای در تولید مواد شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند. بنابراین در این مقاله به معرفی پمپ های گریز از مرکز می پردازیم.
اصل کار پمپ گریز از مرکز
هنگامی که یک پمپ گریز از مرکز در حال کار است، به پروانه چرخان با سرعت بالا-تکیه میکند تا مایع را قادر میسازد انرژی بگیرد و پتانسیل فشار خود را تحت تأثیر نیروی گریز از مرکز اینرسی افزایش دهد. قبل از شروع کار پمپ گریز از مرکز، بدنه پمپ و خط لوله ورودی باید با محیط مایع پر شود تا از بروز کاویتاسیون جلوگیری شود.
هنگامی که پروانه به سرعت می چرخد، تیغه ها باعث می شوند که محیط به سرعت بچرخد. محیط دوار تحت تأثیر نیروی گریز از مرکز از پروانه به بیرون پرتاب می شود. پس از بیرون ریختن آب داخل پمپ، یک ناحیه خلاء در مرکز پروانه ایجاد می شود. در عین حال، به طور مداوم مایع را می مکد و به طور مداوم به مایع مکیده شده{3} انرژی می دهد، سپس مایع را تخلیه می کند. بنابراین، پمپ گریز از مرکز به طور مداوم به این روش کار می کند.
ساختار یک پمپ گریز از مرکز
انواع مختلفی از پمپ های گریز از مرکز وجود دارد. اگرچه ساختار انواع پمپ ها متفاوت است، اما اجزای اصلی اساساً یکسان هستند.
اجزای اصلی پمپ گریز از مرکز عبارتند از: پروانه، محور پمپ، بدنه پمپ، پایه پمپ، جعبه بسته بندی (دستگاه آب بندی)، رینگ آب بندی، محفظه یاتاقان و ....
1. پروانه
پروانه جزء کار یک پمپ گریز از مرکز است. با چرخش با سرعت بالا و انجام کار بر روی مایعات به پمپاژ مایعات می رسد. این بخش مهمی از پمپ گریز از مرکز است.
پروانه به طور کلی از توپی، تیغه ها و صفحه پوششی تشکیل شده است. صفحه پوشش پروانه به صفحه پوشش جلو و صفحه پوشش عقب تقسیم می شود. صفحه پوشش در سمت ورودی پروانه، صفحه پوشش جلو و صفحه پوشش طرف دیگر، صفحه پوشش عقب نامیده می شود.
هنگامی که پمپ گریز از مرکز راه اندازی می شود، محور پمپ پروانه را به سمت چرخش با سرعت بالا هدایت می کند. این باعث می شود مایعی که از قبل بین تیغه ها- پر شده است بچرخد. تحت اثر نیروی گریز از مرکز اینرسی، مایع به صورت شعاعی از مرکز به سمت حاشیه پروانه حرکت می کند.
در طی فرآیند جریان از طریق پروانه، مایع با افزایش فشار ساکن و افزایش سرعت جریان، انرژی به دست می آورد. هنگامی که مایع از پروانه خارج شده و وارد محفظه پمپ می شود، به دلیل گسترش تدریجی کانال های جریان در داخل محفظه، سرعت آن کاهش می یابد. مقداری از انرژی جنبشی به انرژی فشار ساکن تبدیل می شود و در نهایت به صورت مماس به خط لوله تخلیه جریان می یابد.
پروانه ها را می توان با توجه به شکل ساختاری خود به سه نوع زیر طبقه بندی کرد.
(1) پروانه بسته دارای صفحات پوششی در دو طرف است. بین صفحات پوششی 4 تا 6 تیغه وجود دارد. پروانه بسته دارای راندمان بالایی بوده و پرکاربردترین نوع آن می باشد. برای انتقال مایعات تمیز بدون ذرات جامد یا الیاف مناسب است.
(2) پروانه باز- هیچ صفحه پوششی در دو طرف تیغه ها ندارد. برای حمل مایعات حاوی مقدار زیادی جامدات معلق مناسب است. با این حال، راندمان آن نسبتا کم است و فشار مایع حمل شده زیاد نیست.
(3) پروانه نیمه باز{1} تنها دارای صفحه پوشش عقب است. برای انتقال مایعاتی که مستعد رسوب هستند یا حاوی مواد معلق جامد هستند مناسب است. کارایی آن بین پروانه های نوع باز و بسته قرار دارد.
2. شفت پمپ
وظیفه اصلی شفت پمپ یک پمپ گریز از مرکز انتقال نیرو و پشتیبانی از پروانه برای حفظ آن در موقعیت کاری و عملکرد عادی است. یک سر شفت از طریق یک کوپلینگ به شفت موتور متصل می شود و سر دیگر پروانه را برای حرکت چرخشی پشتیبانی می کند. شفت مجهز به قطعاتی مانند بلبرینگ و آب بند محوری است.
مواد متداول برای شفت پمپ ها فولاد کربن و فولاد ضد زنگ است.
پروانه و شفت توسط یک کلید به هم متصل می شوند. از آنجایی که این روش اتصال فقط می تواند گشتاور را منتقل کند اما نمی تواند موقعیت محوری پروانه را ثابت کند، در پمپ از یک آستین محوری و یک مهره قفل کننده برای ثابت کردن موقعیت محوری پروانه استفاده می شود.
پس از اینکه پروانه با مهره قفل و آستین شفت به صورت محوری قرار گرفت، برای جلوگیری از شل شدن مهره قفل، باید از معکوس شدن پمپ جلوگیری کرد. مخصوصاً برای پمپهایی که به تازگی نصب شدهاند یا پمپهایی که دچار جداسازی و تعمیر شدهاند، برای اطمینان از سازگاری با جهت مشخص شده، باید جهت چرخش را طبق مقررات بررسی کنید.
3. آستین
عملکرد آستین شفت محافظت از شفت پمپ است و اصطکاک بین پکینگ و شفت پمپ را به اصطکاک بین پکینگ و آستین شفت تبدیل می کند. بنابراین، آستین شفت یک جزء مستعد سایش پمپ گریز از مرکز است.
سطح آستین شفت همچنین می تواند تحت درمان هایی مانند کربوریزاسیون، نیتریدینگ، آبکاری کروم و پاشش قرار گیرد. به طور کلی نیاز به زبری سطح برای رسیدن به Ra3.2μm - Ra0.8μm لازم است. این می تواند ضریب اصطکاک را کاهش دهد و عمر مفید را افزایش دهد.
4. بلبرینگ
یاتاقان ها نقش تحمل وزن و بار روتور را دارند. در پمپ های گریز از مرکز بیشتر از یاتاقان های غلتکی استفاده می شود. حلقه بیرونی یاتاقان در یک سیستم شفت پایه با سوراخ محفظه یاتاقان است، در حالی که حلقه داخلی در یک سیستم سوراخ پایه با شفت چرخان است. استانداردهای ملی رده منطبق دارای مقادیر توصیه شده است و می توان آنها را با توجه به شرایط خاص انتخاب کرد. بلبرینگ ها به طور کلی با گریس و روغن روانکاری روغن کاری می شوند.
5. جعبه پرکننده
هنگامی که شفت پمپ از محفظه پمپ بیرون می زند، فاصله ای بین شفت و محفظه وجود دارد. در پمپ های گریز از مرکز تک مکش، اگر در این قسمت از دستگاه آب بندی شفت استفاده نشود، آب با فشار بالا در داخل محفظه پمپ به مقدار زیادی نشت می کند. جعبه بسته بندی یکی از دستگاه های متداول آب بندی شفت است. جعبه بسته بندی از پنج جزء تشکیل شده است: آستین آب بندی شفت، بسته بندی، لوله آب بند آب، حلقه آب بندی و پوشش بسته بندی.
⒍蜗壳
پیچک یک کانال جریان مارپیچی-شکل است که به تدریج سطح مقطع-از خروجی پروانه تا ورودی پروانه مرحله بعدی یا به لوله خروجی پمپ افزایش مییابد. کانال جریان به تدریج منبسط می شود و خروجی به شکل یک لوله پخش کننده است. پس از خروج مایع از پروانه، سرعت جریان آن را می توان به آرامی کاهش داد و بخش بزرگی از انرژی جنبشی آن را به انرژی فشار ساکن تبدیل کرد.
از مزایای ولوت این است که ساخت آن آسان است، دارای ناحیه کارایی وسیع است و راندمان پمپ پس از ماشینکاری پروانه کمی تغییر می کند.
اشکال این است که شکل حلزونی نامتقارن است. هنگام استفاده از یک حلقه، فشاری که به صورت شعاعی روی روتور وارد می شود یکنواخت نیست، که احتمالاً باعث خم شدن شفت می شود. بنابراین، در پمپهای چند مرحلهای، فقط اولین و آخرین بخش از پیچ و مهره استفاده میکنند، در حالی که بخش میانی از دستگاه چرخ راهنما استفاده میکند.
جنس حلزون معمولاً چدن است. پیچ پمپ ضد خوردگی از فولاد ضد زنگ یا سایر مواد ضد خوردگی مانند پلاستیک، فایبرگلاس و غیره ساخته شده است.
⒎ چرخ محرک
چرخ راهنما یک دیسک ثابت با پره های هدایت کننده رو به جلو است که دور لبه بیرونی آن در سمت جلو پیچیده شده است. این پرههای راهنما مجموعهای از کانالهای جریان به شکل پخشکننده- را تشکیل میدهند. در قسمت پشتی، پره های راهنمای معکوس وجود دارد که مایع را به سمت ورودی پروانه مرحله بعدی هدایت می کند. پس از خارج شدن مایع از پروانه، به آرامی به چرخ راهنما جریان می یابد و در امتداد پره های هدایت کننده جلو به سمت بیرون جریان می یابد و سرعت آن به تدریج کاهش می یابد و بیشتر انرژی جنبشی آن به انرژی فشار ساکن تبدیل می شود.
فاصله شعاعی یک طرفه بین پروانه و پره های راهنما تقریباً 1 میلی متر است. اگر فاصله بیش از حد بزرگ باشد، راندمان کاهش می یابد. اگر خیلی کوچک باشد باعث لرزش و صدا می شود. در مقایسه با پیچ، پوشش پمپ پمپ گریز از مرکز چند مرحلهای چند مرحلهای با چرخهای راهنما ساخت آسانتر است و راندمان تبدیل انرژی بالاتری دارد. با این حال، نصب و نگهداری آن دشوارتر از پیچ و مهره است.
16. حلقه آب بندی
برای کاهش نشتی داخلی و محافظت از محفظه پمپ، یک حلقه آب بندی قابل تعویض بر روی پوسته مربوط به ورودی پروانه نصب می شود. فاصله شعاعی بین سوراخ داخلی حلقه آب بندی و دایره بیرونی پروانه معمولاً بین 0.1 تا 0.2 میلی متر است. پس از فرسودگی حلقه آب بندی، فاصله شعاعی افزایش می یابد و در نتیجه حجم تخلیه مایع پمپ کاهش می یابد و راندمان کاهش می یابد. هنگامی که شکاف آب بندی از مقدار مشخص شده بیشتر شد، لازم است به موقع آن را تعویض کنید.
اشکال ساختاری حلقه آب بندی سه نوع است:
نوع حلقه مسطح، با ساختار ساده و ساخت آسان، اما اثر آب بندی ضعیف.
حلقه آب بندی زاویه{0} سمت راست اجازه می دهد تا نشت مایع از کانال 90 درجه عبور کند و در نتیجه اثر آب بندی بهتری در مقایسه با حلقه- مسطح دارد. به طور گسترده استفاده می شود.
حلقه مهر و موم دخمه پرپیچ و خم دارای اثر آب بندی خوبی است، اما ساختار آن پیچیده است و ساخت آن دشوار است. بنابراین به ندرت در پمپ های گریز از مرکز استفاده می شود.
فرآیند کار یک پمپ گریز از مرکز
قبل از راه اندازی پمپ، ابتدا پمپ را با مایعی که قرار است حمل شود پر کنید.
2. پس از راه اندازی پمپ، شفت پمپ پروانه را به سمت چرخش با سرعت بالا هدایت می کند و نیروی گریز از مرکز ایجاد می کند. تحت این نیرو، مایع از مرکز پروانه به سمت حاشیه پروانه پرتاب می شود، فشار آن افزایش می یابد و با سرعت بسیار زیاد (25-15 متر بر ثانیه) به داخل محفظه پمپ می ریزد.
3. در محفظه پمپ، همانطور که کانال جریان به طور مداوم منبسط می شود، سرعت جریان مایع کاهش می یابد و باعث می شود بیشتر انرژی جنبشی به انرژی فشار تبدیل شود. در نهایت مایع با فشار استاتیکی نسبتاً بالایی از درگاه تخلیه خارج شده و وارد خط لوله تخلیه می شود.
4. پس از خروج مایع داخل پمپ، خلاء در مرکز پروانه ایجاد می شود. تحت اختلاف فشار بین فشار سطح مایع (فشار اتمسفر) و فشار داخل پمپ (فشار منفی)، مایع از طریق خط لوله مکش وارد پمپ می شود و محل خروج مایع را پر می کند.
طبقه بندی پمپ های گریز از مرکز
محصولات پمپ های گریز از مرکز به طور کلی بر اساس ویژگی های ساختاری آنها طبقه بندی می شوند. روشهای طبقهبندی مختلفی وجود دارد، از جمله شش نوع: طبقهبندی بر اساس فشار کاری، تعداد پروانههای کار، نحوه جذب آب توسط پروانه و غیره.
⒈ با توجه به فشار کاری:
پمپ فشار کم-: فشار کمتر از 100 متر ستون آب است.
پمپ فشار متوسط-: فشار از 100 تا 650 متر ستون آب متغیر است.
پمپ فشار قوی-: فشار بیشتر از ۶۵۰ متر ستون آب است.
2. با توجه به تعداد پروانه های کار:
پمپ تک مرحله ای-: این پمپ به پمپی اطلاق می شود که در آن فقط یک پروانه روی شفت پمپ وجود دارد.
پمپ چند مرحله ای: این نوع پمپ دارای دو یا چند پروانه در محور خود است. در این حالت، کل هد پمپ مجموع هدهای تولید شده توسط هر یک از n پروانه است.
3. با توجه به روش آبگیری پروانه:
پمپ مکش یک-سویه-: همچنین به عنوان پمپ مکش تک- شناخته میشود، به این معنی که تنها یک دریچه ورودی آب روی پروانه وجود دارد.
پمپ مکش دو طرفه: همچنین به عنوان پمپ مکش دوطرفه- شناخته میشود و دارای یک دریچه ورودی در دو طرف پروانه است. سرعت جریان آن دو برابر بیشتر از یک پمپ مکش است. تقریباً میتوان آن را بهعنوان دو پروانه پمپ مکش تکی-در عقب-به-در نظر گرفت.
4. با توجه به موقعیت شفت پمپ:
پمپ افقی: محور پمپ در حالت افقی قرار دارد.
پمپ عمودی: محور پمپ در حالت عمودی قرار دارد.
5. با توجه به فرم مفصل پوشش پمپ:
پمپ اسپلیت افقی: پمپی است که در آن درز اتصال بر روی صفحه افقی عبوری از محور باز می شود.
پمپ سطح اتصال عمودی: به پمپی اطلاق می شود که سطح اتصال عمود بر خط محور باشد.
6. روش هدایت آب خروجی از پروانه به سمت محفظه تخلیه:
پمپ بدنه: پس از خروج آب از پروانه، مستقیماً وارد محفظه پمپ می شود که شکل مارپیچی دارد.
پمپ پره ای راهنما: پس از خروج آب از پروانه، وارد پره های راهنمای تنظیم شده در خارج از پروانه می شود و سپس به مرحله بعدی می رود یا به لوله خروجی می ریزد.
⒎ با توجه به رسانههای مختلف در حال انتقال، پمپهای گریز از مرکز را میتوان بهعنوان پمپهای آب، پمپهای روغن، پمپهای مقاوم در برابر خوردگی-و غیره طبقهبندی کرد.
کاویتاسیون و قفل بخار
پدیده فرسایش
از اصل کار پمپ گریز از مرکز، می توان فهمید که پس از خروج مایع بین پره ها از پروانه چرخان با سرعت بالا، یک ناحیه فشار کم- در نزدیکی ورودی پروانه تشکیل می شود. هنگامی که فشار در ورودی پروانه برابر یا کمتر از pV فشار بخار اشباع مایع حمل شده در دمای عملیاتی باشد، مایع در این ناحیه تبخیر شده و حبابهایی تشکیل میدهد. هنگامی که حباب ها همراه با مایع به ناحیه فشار بالا می روند، در اثر فشار به سرعت متراکم می شوند.
در لحظه تراکم حباب، خلاء موضعی تشکیل می شود. مایع اطراف با سرعت زیاد به سمت فضایی که قبلاً توسط حباب اشغال شده بود میرود و باعث ضربه و لرزش میشود و در نتیجه نیروی ضربه قابل توجهی ایجاد میشود. به خصوص هنگامی که نقطه تراکم حباب نزدیک سطح تیغه باشد، ذرات مایع متعددی با فرکانس و فشار بالا بر تیغه ضربه می زند. در عین حال، حباب ممکن است حاوی مقدار کمی اکسیژن و سایر موادی باشد که دارای اثر خورنده شیمیایی بر روی مواد فلزی هستند. تحت اثر ترکیبی ضربه مداوم و خوردگی شیمیایی، سطح تیغه آسیب می بیند و لکه ها و ترک هایی ایجاد می شود که منجر به آسیب زودرس تیغه می شود. این پدیده کاویتاسیون در پمپ های گریز از مرکز نامیده می شود.
پدیده اتصال گاز
هنگامی که پمپ گریز از مرکز راه اندازی می شود، در صورت وجود هوا در پمپ، به دلیل چگالی کم هوا، نیروی گریز از مرکز ایجاد شده پس از چرخش کم است. در نتیجه، فشار کم ایجاد شده در ناحیه مرکزی پروانه برای مکش مایع کافی نیست. حتی اگر پمپ گریز از مرکز راه اندازی شود، نمی تواند کار حمل و نقل را کامل کند. این پدیده "قفل هوا" نامیده می شود.
این نشان میدهد که پمپ گریز از مرکز قابلیت خود- پرایمینگ ندارد. بنابراین قبل از راه اندازی پمپ سانتریفیوژ باید با مایعی که قرار است انتقال داده شود پر شود. البته اگر ورودی مکش پمپ گریز از مرکز زیر سطح مایع مایع انتقالی قرار گیرد، مایع به طور خودکار به داخل پمپ جریان می یابد. این یک مورد خاص است. خط لوله مکش پمپ گریز از مرکز مجهز به دریچه پایینی است تا از خروج مایعی که قبل از شروع به پمپ پر شده است جلوگیری کند. صفحه فیلتر می تواند از مکش مواد جامد در مایع و مسدود شدن خطوط لوله و لوله تخلیه محفظه پمپ جلوگیری کند. شیر تنظیم نصب شده در لوله تخلیه برای راه اندازی پمپ، توقف پمپ و تنظیم جریان استفاده می شود.
از دیدگاه علل مختلف کاویتاسیون و قفل بخار:
اتصال هوا به وجود هوا در داخل بدنه پمپ اشاره دارد. معمولاً هنگام راه اندازی پمپ اتفاق می افتد. تظاهرات اصلی این است که هوای داخل بدنه پمپ به طور کامل حذف نشده است. در حالی که کاویتاسیون ناشی از رسیدن مایع به فشار تبخیر در دمای معینی است. مشاهده می شود که ارتباط نزدیکی با محیط حمل و نقل و شرایط کاری دارد.
برای جلوگیری از وقوع پدیده قفل هوا می توان از روش های زیر استفاده کرد:
1. قبل از شروع، پوسته را با مایع پر کنید. از مهر و موم محکم روی پوسته اطمینان حاصل کنید. شیر پرکننده آب و سر دوش نباید نشتی داشته باشد. عملکرد آب بندی باید خوب باشد.
2. خط لوله مکش پمپ گریز از مرکز مجهز به یک دریچه پایینی است تا از برگشت مایعی که قبل از راه اندازی پمپ شده است به پمپ جلوگیری کند. صفحه فیلتر می تواند از مکش ذرات جامد در مایع جلوگیری کند. خط لوله تخلیه مجهز به یک شیر تنظیم است که برای راه اندازی و توقف پمپ و تنظیم سرعت جریان استفاده می شود.
3. ورودی مکش پمپ گریز از مرکز را زیر سطح مایع جایی که مایع باید حمل شود قرار دهید. مایع به طور خودکار وارد پمپ می شود.
علل و راه حل های بروز کاویتاسیون
علل اصلی کاویتاسیون عبارتند از:
1. مقاومت خط لوله ورودی خیلی زیاد است یا خط لوله خیلی نازک است.
2. دمای محیط انتقال خیلی زیاد است.
3. جریان بیش از حد، یعنی دریچه خروجی بیش از حد باز شود.
4. ارتفاع نصب خیلی زیاد است که بر ظرفیت مکش مایع پمپ تأثیر می گذارد.
5. مسائل انتخاب شامل انتخاب پمپ ها و انتخاب مواد پمپ و ....
راه حل:
1. برای اطمینان از جریان صاف، اجسام خارجی را از خط لوله ورودی خارج کنید یا قطر خط لوله را افزایش دهید.
2. کاهش دمای محیط حمل و نقل.
3. ارتفاع نصب را کاهش دهید.
4. پمپ را تعویض کنید یا برخی از اجزای پمپ را اصلاح کنید، مانند استفاده از مواد مقاوم در برابر کاویتاسیون.
