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 پمپ

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.

انواع پمپ هیدرولیک

انواع پمپ هیدرولیک

پردیس فناوری کیش-طرح مشاوره متخصص صنعت و مدیریت-گروه مهندسی مکانیک

پمپ رفت و برگشتی

معمولا موتورهای الکتریکی تامین کننده نیروی محرکه لازم در این مدل هستند.
در این مدل پمپ، با چرخش میل لنگ، پیستون در سیلندر جلو و عقب رفته یا اصطلاحا حرکت رفت و برگشتی می کند.

مکش ایجاد شده در سیلندر که ناشی از عقب رفتن پیستون است، باعث کشیده شدن مایع به داخل سیلندر می شود.

مایع از یک شیر ورودی به داخل سیلندر کشیده می شود.

وقتی پیستون به جلو حرکت کند، ورودی بسته شده و مایع از شیر خروجی خارج می شود.
شیرهای ورودی و خروجی یک طرفه هستند و ورود و خروج مایع را در هنگام حرکت پیستون کنترل می کنند تا
مانع جابجایی اشتباه مایع به قسمت کم فشار و بالعکس شوند.

اگرچه حجم انتقال یافته در این پمپ ها ثابت است، اما دامنه حرکت عضو رفت و برگشتی می تواند با مکانیزمی قابل تنظیم باشد. به همین دلیل این پمپ ها اولین انتخاب برای سرویس های تزریق هستند.
از معایب این پمپ ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- نبض یا Pulse (به عنوان پدیده نامطلوب در سیستم لوله کشی)
2- وابستگی به عملکرد شیر یک طرفه (Check Valve) در ورودی و خروجی

پمپ پیستونی

در پمپ های پیستونی ساختار انتقال قدرت شبیه به پمپ های پلانجری است.
با این تفاوت که در اختلاف فشار کمتری می توانند حجم مشخصی از سیال را جا به جا کنند. علت آن را می توان در ضریب رعنایی بالاتر میله پیستون آن  و در نهایت کمانش راحت تر آن دانست.

محدوده کاری
این پمپ ها معمولا تا اختلاف فشار 150bar مورد استفاده قرار می گیرند.

کاربرد

  • پمپ های هیدرولیکی برای ماشین آلات سنگین
  •  پمپ انتقال نفت خام
پمپ پلانجری

در پمپ های پلانجری، نیروی دورانی موتور از طریق میل لنگ و یک میل-پیستون که حرکت دورانی را به حرکت رفت و برگشتی تبدیل می نماید به پیستون منتقل می شود.
پمپ های پلانجری بهترین گزینه برای پمپاژ سیالات با ویسکوزیته بالا می باشند.

محدوده کاریپمپ های پلانجری

از این پمپ ها معمولا تا اختلاف فشار 2100bar می توان بهره برداری نمود.

مزایای پمپ های پلانجری

این پمپ در میان سایر انواع خانواده پمپ های جابجایی مثبت می تواند در بالاترین محدوده اختلاف فشار، سیال را جا به جا نماید.

 پمپ دیافراگمی

پمپ های دیافراگمی را بر اساس تعداد دیافراگم می توان به انواع ذیل تقسیم بندی نمود:

  •  دیافراگم تکی(Single Diaphragm)
  •  دیافراگم دوتایی (Double Diaphrag)

همچنین بالاترین درجه نشت بندی را دارا بوده و به جز در ویسکوزیته دینامیکی 400cp از رایج ترین پمپ های تزریق در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی محسوب می شوند.
در حالت دیافراگم دوتایی، فاصله میان دو دیافراگم با لایه نازکی از روغن پر شده یا آن را در فشاری نزدیک به فشار خلا قرار می دهند. یک سنسور معروف به

Rupture detector فضای موجود میان دو دیافراگم را مورد پایش قرار می دهد.

محدوده کاری
از این پمپ ها معمولا تا اختلاف فشار 250bar می توان استفاده کرد؛ که در این اختلاف فشار معمولا می توان دبی 500l/h را پمپاژ نمود.

مزایا
به دلیل قدرت نشت بندی بالا برای پمپ کردن مواد شیمیایی اشتعال پذیر و یا خطرناک مناسب هستند.

پمپ چرخشی 

این پمپ ها با استفاده از مکانیسم چرخشی، سیال را جا به جا می کنند.
در واقع خلاء ایجاد شده ناشی از چرخش چرخ دنده ها، منجر به جذب و هدایت سیال می شود.

مزیت مهم این پمپ ها که آن ها را بسیار کارآمد کرده این است که
می توان از آن ها برای پمپ کردن سیالات ویسکوز (چسبناک) استفاده کرد.

در این پمپ ها با افزایش ویسکوزیته، سرعت گردش بالاتر می رود و سیال در سیستم انتقال می یابد.

ین پمپ ها که خود یکی از انواع پمپ های جابجایی مثبت هستند، در حالت کلی خود به چند دسته تقسیم می شوند که در شکل زیر قابل مشاهده است:

پمپ های پرکاربرد از گروه پمپ های روتوری به شرح ذیل است:

  •  پمپ های اسکرو
  • پمپ های دنده ای (دنده داخلی و خارجی)
  •  پمپ های تیغه ای
  • پمپ های گوشواره ای
پمپ اسکرو یا پیچ ارشمیدس

این دسته پمپ اولین و مهم ترین نماینده خانواده پمپ های چرخشی هستند.

حرکت سیال در این گونه از پمپ ها براساس تغییر زاویه یک پیچ در پوسته است.
به دلیل ابداع این پمپ توسط ارشمیدس این پمپ ها را با نام پیچ ارشمیدس (Archimedes rotary pump) نیز می شناسند.

محدوده کاری
محدوده سرعت جریان: 189 تا 56781 لیتر در دقیقه
محدوده اختلاف فشار: 310 بار

پمپ دنده ای (gear Pump)

این پمپ ها شامل دو نوع دنده ای داخلی و دنده ای خارجی می باشند.

 پمپ دنده ای خارجی

پمپ های دنده خارجی یکی از پمپ های محبوب هستند و اغلب به عنوان پمپ های روان کاری در ماشین آلات، در واحد انتقال قدرت مایع و به عنوان پمپ های روغن در موتور استفاده می شود

محدوده کاری
پمپ های کوچک دنده خارجی معمولا در دور 1750Rpm یا 3450Rpm عمل می کنند و مدل های بزرگتر با سرعت تا 640 دور در دقیقه عمل می کنند. این پمپ ها بهتر است سیال را حداکثر در اختلاف فشار 120 بار جاه به جا نماید.

پمپ دنده ای داخلی

پمپ های دنده داخلی فوق العاده همه کاره هستند و می توان از آن ها در محدوده وسیع ویسکوزیته ای و دمایی استفاده کرد.

این به دلیل نقطه ی تکین لقی (clearance) (فاصله ی بین انتهای دنده دنده روتور و سر پمپ) است.

این لقی (clearance) قابل تنظیم است تا بتواند خود را به درجه حرارت بالا، حداکثر بهره وری در مایعات ویسکوزیته بالا تطبیق دهد.

پمپ هیدرولیک

پمپ هیدرولیک

پردیس فناوری کیش-طرح مشاوره متخصص صنعت ومدیریت-گروه مهندسی مکانیک

پمپ چیست؟

پمپ ها (pumps) دستگاه های هیدرولیکی هستند که با دادن انرژی مکانیکی (تولید شده توسط موتور) به سیال عبوری، باعث افزایش انرژی سیال می شوند.

عملا از پمپ ها برای انتقال و جابجایی سیالات تراکم ناپذیر در سیستم استفاده می شود،
این سیال می تواند خالص یا به صورت مخلوط با مواد جامد دارای چگالی و دمای متفاوت باشد.

دسته بندی انواع پمپ

پمپ ها براساس هندسه و مکانیزم عضو انتقال دهنده نیرو به دو دسته کلی ذیل تقسیم می شوند:

  • پمپ هایجابجایی غیرمثبت
  •  پمپ های جابجایی مثبت
پمپهای جابجایی غیرمثبت

این پمپها قابلیت ایجاد و جریانهای بالا را در فشارهای پایین دارا هستند. با افزایش فشار دبی و خروجی این پمپها كاهش می یابد . پمپ گریز از مركز نمونه ای از این نوع پمپها می باشد.

این پمپها عموماََ در مدارات هیدرولیك ( جریان در لوله های سر بسته تحت فشارهای بالا ) تنها نقش تقویت دبی ورودی به پمپهای اصلی را دارا می باشند.

پمپ گریز از مرکز
پمپهای جابجایی مثبت

این پمپها قابلیت ایجاد دبی های lit/min  0.1 تا lit/min  3500 را در دامنه فشار بالایی فراهم می كنند. اساس كار سیستم های هیدرولیكی قدرت به این پمپها وابسته است.

در این نوع پمپ، انتقال انرژی به سیال متناوب یا دوره ای است.
این پمپ ها با کاهش حجم محفظه پمپ و در نتیجه افزایش فشار، سیال را منتقل می کنند.
تغییر حجم محفظه سیال به طور متناوب بین خطوط لوله فشار و سیستم مکنده رخ می دهد.