آگوست 27, 2020آگوست 27, 2020 از مهسا مسعودی

طراحی پمپ سانتریفیوژ(گریز از مرکز)

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی:

بیشتر فرآیندهای صنعتی شامل انتقال مایعات یا انتقال انرژی است. این کار به لطف پمپ های گریز از مرکز که محبوب ترین توربوماشین ها هستند، امکان پذیر شده است. رشد و پیشرفت فرآیندهای صنعتی همواره با پیشرفت تجهیزات پمپاژ مرتبط بوده است. پمپ های گریز از مرکز به دلیل ظرفیت آنها برای استفاده در جریانهای شدید، بیش از 85٪ از تولیدات جهانی پمپ ها را تشکیل می دهند.

این پمپ ها برای کاربردهای مختلف از جمله تقویت فشار، فاضلاب، تأمین آب، توزیع گرمایش و سرمایش و سایر کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. مهندسین عملیاتی در چنین صنایعی باید نه تنها درک خوبی از روند فرآیند ها بلکه از اجزای پمپ ها نیز داشته باشند.

پمپ گریز از مرکز چیست؟

به زبان ساده ، پمپ سانتریفیوژ ماشینی است که به مایع یا سیال انرژی می دهد تا مقدار ارتفاع آن افزایش یابد. این پمپ متعلق به کلاس ماشین های چرخشی است. این دستگاه با توجه به اینکه اولین دستگاه در اواخر 1600 طراحی شده است، به اندازه کافی مورد آزمایش واقع شده است.

با این حال، بیشترین کاربرد آن در قرن گذشته بوده است. پمپ های جابجایی مثبت قبل از آن محبوب تر بودند. ما می توانیم بیشتر این رشد را به دلیل توسعه موتورهای احتراق داخلی ، موتورهای برقی و توربین های بخارکه برای حرکت به پمپ های گریز از مرکز نیاز دارند، مرتبط بدانیم.

چرا این پمپ ها امروزه بسیار محبوب هستند؟ پمپ های گریز از مرکز به دلیل بهترین نسبت کارایی به هزینه بالاتر در مقایسه با سایر نوع پمپ ها یا دستگاه های مورد استفاده در انتقال مایعات استفاده می شوند.

اصول کار یک پمپ گریز از مرکز

به طور معمول، یک پمپ گریز از مرکز از یک محفظه پر از مایع تشکیل شده است. این مایع می تواند هر چیزی باشد،اما در بیشتر موارد آب است. یک جزء درون محفظه (پروانه) با سرعتی بالایی می چرخد و در نتیجه مایعات را تحت نیروی گریز از مرکز قرار می دهد. به دلیل این ایجاد نیرو، مایع به سمت خروجی تخلیه می شود.

با تخلیه آب، خلاء ای ایجاد می شود که منجر به شکل گیری فشار اتمسفر می شود و باعث می شود مایعات بیشتری از محفظه خارج شود. بخشی از دلیل بی نقص بودن این حرکت به دلیل است که پره ها روی پروانه دارای انحنا هستند.

حرکت سیال درون یک پمپ گریز از مرکز

ایده پمپ گریز از مرکز تبدیل نیروی گریز از مرکز به انرژی جنبشی است. چرخش پروانه به مایعات نیرو محوری می دهد که متناسب با سرعت در نوک پره است. با بیرون آمدن مایعات ، انرژی جنبشی دارد. این انرژی جنبشی به دلیل مقاومت در نازل تخلیه و حلزونی پمپ بیشتر در ادامه فشاری تبدیل می شود.

پارامترهای طراحی مکانیکی پمپ

مفید بودن مکانیکی و هیدرولیکی پمپ گریز از مرکز برای اثربخشی و قابلیت اطمینان سیستم بسیار مهم است. اندازه بیش از اندازه یا کم آن می تواند منجر به وقوع مشکلات در طول عمر کاری سیستم شود.

این فاکتورها مربوط به هر دو مشخصات مکانیکی و هیدرولیکی پمپ هستند. ملاحظات مکانیکی عبارتند از: شرایط پمپاژ ، آب بندی پمپ و هندسه پروانه. به طور کلی، شما باید در عمل بین راندمان و هزینه در هنگام طراحی هندسه تعادل برقرار کنید.

ملاحظات هیدرولیکی شامل نقطه کاری، سرعت جریان، مشخصات سیال و مقاومت سیستم است.

شما نمی توانید هنگام طراحی یا نصب پمپ گریز از مرکز ، شرایط مکش را نادیده بگیرید. یک مفهوم مهم در این زمینه هد خالص مکش مثبت (NPSH) است، که به معنی هد مورد نیاز در مکش پمپ در یک شرایط کاری خاص جهت جلوگیری از مشکلات وقوع کاویتاسیون است.

NPSH مورد نیاز فقط به طراحی سازنده پمپ بستگی دارد: پوشش، پروانه، نازل … این داده ها توسط سازنده به عنوان منحنی ارائه می شوند و NPSH موجود به شرایط مکش پمپ بستگی دارد.: فشار مایع، دما، بخار فشار سیال، سر مکش یا بالابر مکش … این داده ها توسط طراح نصب محاسبه می شود. برای انجام این محاسبات از روابط دقیق ریاضی مهندسی استفاده می گردد.

طراحی و عملکرد پمپ گریز از مرکز

دو قسمت اصلی در یک پمپ گریز از مرکز وجود دارد که عبارتند از قسمت ثابت و قسمت دوار. قطعات مانند اجزای نشان داده شده در شکل 2 در پایین است. قطعات ثابت عبارتند از محفظه ، نازل و بلبرینگ.

قطعات چرخان عبارتند از پروانه و شفت (میله). به غیر از این قسمت های اصلی ، پمپ گریز از مرکز همچنین دارای اجزای کمکی است که شامل سیستم های خنک کننده ، کنترل و روانکاری می باشد.

اجزای یک پمپ سانتریفیوژ

در هنگام انتخاب قسمت های محتلف یک پمپ گزینه های طراحی بسیاری وجود دارد. روکش مونوبلوک یا اسپلیت، مکش دوگانه، مکش انتهایی، خط ورودی، پروانه بسته یا باز، ساخت افقی یا عمودی ، تک مرحله یا چند مرحله و غیره تولید کننده محصولات مختلفی با ترکیب متفاوت قطعات برای رسیدن به نیازهای خاص هر فرآیند را دارد. به عنوان مثال پروانه باز برای سیال با جامد معلق استفاده میشود.

پروانه

پروانه مهم ترین عضو یک پمپ است. پروانه یک پمپ گریز از مرکز به سرعت چرخش می یابد تا سرعت را به مایع پمپاژ شونده منتقل کند. اگر قبلاً پروانه پمپ را ندیده اید، پروانه قایق را تجسم کنید. هنگامی که یک پروانه قایق چرخانده می شود ، سرعت را به مایع اطراف آن منتقل می کند. با حرکت مایع، این سرعت پروانه را وادار به حرکت می کند تا در آب حرکت کند.

حال تصور کنید چه اتفاقی می افتد اگر قایق در محل قرار گیرد، آنقدر محکم باشد که از حرکت قایق جلوگیری کند. بعد تصور کنید که سرعت تولید شده توسط پروانه قایق به طوری کنترل شده است که جریانی از آب ایجاد می شود تا شما بتوانید در به سمت مکان دلخواه خود حرکت کنید.

در پمپ گریز از مرکز شما پروانه ای دارید که به سرعت می چرخد و سرعت را به مایع موجود در پمپ منتقل می کند درست همانطور که یک پیشران قایق سرعت را به آب یک دریاچه منتقل می کند. محفظه، بخشی از ساختار پمپ است که سرعت آن را می گیرد ، آن را شامل می شود، آن را را کنترل می کند و به سمت جهت مطلوب می فرستد.

هر پروانه دارای 1 یا بیشتر پره است که از مرکز پروانه به سمت محیط خارجی آن کشیده شده اند. با چرخش پروانه، نیروی گریز از مرکز باعث می شود تا مایع به سرعت از مرکز پروانه، در امتداد پره ها حرکت کند و سپس از پروانه در خارجی ترین قطر خارج شود. نتیجه این است که مایع پمپ شده از محیط پروانه با سرعت بسیار بالایی خارج می شود.

انتخاب هیدرولیکی

در مورد فرآیند انتخاب پمپ گریز از مرکز: ظرفیت، هد و هد خالص مکش مثبت (NPSH) پارامتر های مهم هستند. آن ها در مراحل کلی زیر در انتخاب پمپ گریز از مرکز تعیین کننده هستند:

مرحله 1: محاسبه نرخ حجمی مورد نیاز

نرخ حجمی به حجم سیال عبور داده شده در واحد زمان از درون پمپ اشاره دارد. این پارامتر با نوع فرآیند و تعداد پمپ هایی که نصب می شود تعیین می شود.

مرحله 2: محاسبه هد استاتیکی

هد استاتیک به تفاوت در ارتفاع بین بالاترین نقطه در جایی که می خواهید آب را تحویل مصرف کننده بدهید و ارتفاع منبع آب، اشاره دارد. همانطور که از نام آن پیداست ، هد استاتیک ثابت است، یعنی با تغییر دبی سیستم دچار تغییر نمیشود.

مرحله 3: محاسبه هد اصطکاکی

برای محاسبه اتلاف هد در اثر اصطکاک، باید تمام عناصر موجود در سیستم لوله وصل شده به پمپ را در نظر بگیرید: لوله، اتصالات، مبدل های حرارتی، شیرها و… با تعیین خصوصیات اصطکاکی این عناصر و خصوصیات سیال، هد اصطکاکی محاسبه می شود.

مرحله 4: محاسبه هد کل

شما می توانید با جمع کردن هد استاتیک و هد اصطکاکی، هد کل را بدست آورید.

مرحله 5 : انتخاب پمپ گریز از مرکز

تولید کنندگان پمپ های گریز از مرکز دارای پمپ هایی برای اهداف خاص هستند. منحنی های پمپ به صورت نرخ حجمی در برابر هد پمپ در دسترس هستند تا به شما در انتخاب قطر پروانه مناسب کمک کند. از مقادیر محاسبه شده در مرحله 1 و مرحله 4 استفاده کنید تا یک پمپ مناسب از طریق منحنی های پمپ پیدا کنید.

گزینه دارای بیشتری راندمان را از بین پمپ های ممکن انتخاب کنید و همچنین بررسی کنید که NPSH مورد نیاز پمپ کمتر از NPSH موجود در نصب است تا اطمینان حاصل شود که مایع باعث خرابی یا کاویتاسیون در پمپ نمی شود. جنبه های دیگر مانند اندازه پروانه یا موقعیت نقطه کاری بایستی در منحنی در نظر گرفته بشود.

محدودیت های پمپ گریز از مرکز

عملکرد کارآمد پمپ گریز از مرکز به چرخش ثابت و پر سرعت پروانه آن متکی است. با تغذیه ویسکوزیته بالا، پمپ های گریز از مرکز به طور فزاینده ای ناکارآمد می شوند: مقاومت بیشتری وجود دارد و برای حفظ یک جریان خاص، فشار بیشتری لازم است. به طور کلی، پمپ های گریز از مرکز به دلیل فشار کم، ظرفیت بالا، پمپاژ مایعات با ویسکوزیته بین 0.1 تا 200 سی پی مناسب هستند.

مواد دوفازی مانند گل و لای یا روغن های بسیاز لزج می توانند باعث سایش فراوان و گرمای بیش از حد شوند که منجر به آسیب و خرابی زودرس شود. پمپ های جابجایی مثبت اغلب با سرعت بسیار پایین تر کار می کنند و کمتر در معرض این مشکلات قرار دارند.

هر وسیله پمپ شده ای که به برش حساس است (جداسازی امولسیون یا مایعات بیولوژیکی) می تواند در اثر سرعت زیاد پروانه پمپ گریز از مرکز آسیب ببیند. در چنین مواردی سرعت پایین پمپ جابجایی مثبت ترجیح داده می شود.

یک محدودیت دیگر این است که بر خلاف پمپ جابجایی مثبت، یک پمپ گریز از مرکز نمی تواند در صورت خشک شدن مکش را فراهم کند: پمپ از همان ابتدا باید پر از مایع باشد. بنابراین پمپ های گریز از مرکز در هیچ کاربردی که عرضه جریان سیال متناوب باشد مناسب نیست.

علاوه بر این، اگر فشار تامینی متغیر باشد، پمپ گریز از مرکز جریان متغیر را از خود عبور میدهد. پمپ جابجایی مثبت نسبت به تغییر فشارها حساس نیست و خروجی ثابت را فراهم می کند. بنابراین ، در کاربرد هایی که نیاز به دوز دقیق است، پمپ جابجایی مثبت ترجیح داده می شود.

جمع بندی

پمپ گریز از همانطور که در بالا به آن اشاره شد مرکز یک وسیله ساده اما اساسی است. با وجود انواع مختلفی از پمپ های موجود، طراحی مناسب مهمترین نیاز برای هر نوع کاربرد است. به طور کلی، اطمینان از عدم وجود کاویتاسیون و همچنین حفظ جریان مداوم کافی است. تنها طراحی مناسب با استفاده از مراحل ذکر شده در بالا می تواند تضمین کند که پمپ متناسب با شرایط تعیین شده است.

دیدگاهتان را بنویسید