پمپ

پمپ (PUMP) یا تلمبه چیست؟

پمپ آب یا تلمبه وسیله ای مکانیکی است که برای جابجایی و انتقال انواع مایعات با افزایش فشار، باعث جابجایی مایعات به ارتفاع بالاتر یا حتی پایین تر (حوضچه یا مخزن) میشود.

پمپ در صنایع مختلف کاربردهای فراوانی دارد. پمپ ها از منابع انرژی مختلفی استفاده میکنند که شامل پمپ های با کارکرد دستی، برقی، موتورهای درون سوز و نیروی باد میشوند. پمپ ها دارای اندازه های مختلفی هستند که از سایز میکروسکوپی برای کارهای پزشکی تا پمپ های بزرگ صنعتی را شامل میشود.

پمپ (PUMP) انرژی مکانیکی را از یک منبع خارجی مانند موتور گرفته و به سیال مایعی که در حال عبور از آن است منتقل میکند، در نتیجه انرژی سیال پس از خارج شدن از پمپ افزایش می یابد. از پمپ ها برای انتقال یا جابجایی سیال از یک نقطه به نقطه دیگر در یک سیستم لوله کشی یا هیدرولیک استفاده میشود پمپ ها دارای انواع مختلفی هستند که هر کدام کاربرد خاصی دارند.

واحد های مهم اندازه گیری در پمپ

یک سری از واژه های فنی و کلیدی را که در صنعت تولید پمپ کاربرد اساسی دارند، به همراه مزایا آنها مورد بررسی قرار خواهیم کرد. تمامی اندازه ها و واحدهای اندازه گیری به شکل فنی بیان میشوند.

دبی (آبدهی)

میزان عبور سیال از یک مقطع در واحد زمان تعریفی از دبی میباشد و آن را با حرف Q نمایش میدهند. اندازه گیری دبی بصورت عمده و بر اساس دو دسته واحد اندازه گیری صورت میپذیرد:

بعبارت دیگر به مقدار سیال یا مایعی که در واحد مشخصی از زمان از نقطه ای خاص مانند خروجی پمپ یا سطح مقطع لوله عبور کرده و خارج میشود، دبی یا آدهی گفته میشود که میتواند بر حسب لیتر بر دقیقه، لیتر بر ثانیه یا متر مکعب در هر ساعت محاسبه شود. همچنین بین مقدار سیال عبوری از لوله و مقدار الکتریسیته عبوری از یک سیم تناسب مشابهی وجود دارد. بدین ترتیب که مقدار هد هیدرولیکی برابر با مقدار ولتاژ و انرژی پتانسیل الکتریکی بوده و مقدار جریان هیدرولیکی نیز برابر با مقدار آمپر و جریان الکتریکی میباشد. همانطورکه هر چه سیم انتقال جریان الکتریسیته نازک تر باشد، مقدار جریان عبوری از سیم کاهش می یابد. با کاهش قطر و سطح مقطع لوله انتقال آب، مقدار دبی نیز کاهش می یابد. همانطورکه جهت انتقال جریان الکتریسیته به کابل برق از طریق سیم نیاز به اختلاف ولتاژ داریم، برای انتقال سیال در لوله نیز باید هد خاصی را تعریف کرد. تعیین مقدار هد یکسان در دو طرف یک لوله افقی باعث میشود سیال درون لوله هیچگونه جریانی نداشته باشد. به این علت که همانطورکه کابل برق در برابر عبور جریان الکتریسیته از خود مقاومت نشان میدهد.

هد (ارتفاع) یا فشار پمپ

منظور از هد یعنی یک پمپ تا چه ارتفاعی (در شرایط نرمال و استاندارد) میتواند سیال را تحت فشار بالا ببرد. برای پمپ های آب سانتریفیوژ (حلزونی)، هد یا فشار آب بر حسب متر (m) یا فوت (ft) بیان میشود و برای پمپ های روتاری و جابجایی مثبت فشار پمپ بر حسب بار (bar) و (PSI) و کیلوپاسکال (kpa) بیان میشود.

بعبارت دیگر Head به معنای ارتفاع بوده و به اختلاف سطح اشاره دارد. برای مثال پمپی با مقدار دبی برابر Q در هر ثانیه و با ارتفاع 50 متر قادر است مقدار Q لیتر از سیال را در هر ثانیه به ارتفاع 50 متر پمپاژ کند. مقدار ارتفاع پمپاژ هر پمپ بر اساس قطر پروانه و سرعت گردش موتور پمپ محاسبه میشود و نوع سیال پمپاژ شونده حائز اهمیت نمیباشد. بعبارت دیگر در مثال فوق پمپ قادر است مقدار Q لیتر از سیال پمپاژ شونده اعم از آب صاف، نفت یا جیوه و غیره را به ارتفاع 50 لیتر در هر ثانیه پمپاژ کند و تفاوت تنها در مقدار توان مصرفی پمپ جهت پمپاژ سیالات متفاوت میباشد.

فشار (Pressure)

منظور از مقدار فشار وارد شده بر روی هر واحد از سطح زمین (برای مثال Kg/cm²) و باید دقت داشت که با مقدار ارتفاع اشتباه نشود. درصورت پمپاژ مایعات، مقدار فشاری که مایع بر روی سطح زمین وارد میکند برابر است با حاصل ضرب مقدار ارتفاع پمپاژ در وزن خاص مایع پمپاژ شونده. بهمین منظور حجم چندین کیلومتر هوا بر روی سطح زمین، بر روی سطح دریا تنها فشاری برابر با یک Kg/cm² تولید میکند یعنی فشاری نزدیک به تقریبا یک اتمسفر. ولی همین مقدار حجم از مایع فشاری برابر با 700 الی 800 برابر فشار هوا تولید میکند، زیرا وزن خاص مایع 700 الی 800 برابر از وزن هوا بیشتر است. بخاطر داشته باشید که مقدار فشار آب با ارتفاع 10 متر، چیزی نزدیک به یک Kg/cm² میباشد. با نصب یک مانومتر در خروجی پمپ میتوان افزایش فشارهای زیر را اندازه گیری کرد.

جیوه: وزن خاص 40.8 Kg/cm2 = 13.6 * 0.001 *30 * 100 = 13.6 Kg/cm3

آب: وزن خاص 0.3 Kg/cm2 = 00.1*0.001*30*100 = 1.0 Kg/cm3

نفت: وزن خاص 2.1 Kg/cm2 = 00.7*0.001*30*100 = 0.7 Kg/cm3

افت ارتفاع پمپاژ

با عبور سیال از لوله، فیلتر و در اثر اصطکاک با جداره داخلی آنها مقدار جریان سیال و در نتیجه ارتفاع پمپاژ تا حدودی کاهش می یابد که به آن افت ارتفاع گفته میشود. همانند جریان الکتریسیته که با افزایش مقدار جریان (آمپر) افت جریان داخل کابل افزایش پیدا میکند. با افزایش سرعت جریان سیال، افت مقدار جریان و بنابراین افت ارتفاع پمپاژ بیشتر میشود. بنابراین با عبور سیال از لوله ها و فیلترها و شیرهای بیشتر، افت ارتفاع نیز به همان نسبت افزایش پیدا میکند.

جرم مخصوص سیال

منظور از جرم مخصوص سیال یا مایع، وزن آن سیال/مایع در یک واحد اندازه گیری خاص میباشد که معمولا بر اساس واحدهای اندازه گیری Kg/dm³ یا Kg/l سنجیده میشود. قابل ذکر است که هر 1dm³ برابر با 1 لیتر است.

توان خروجی

منظور مقدار توان (انرژی) وارد شده به سیال توسط پمپ، توان خروجی پمپ گفته میشود که به سه عامل دبی، ارتفاع و وزن سیال بستگی دارد. بعنوان مثال توان خروجی پمپ مورد استفاده جهت پمپاژ بنزین بسیار پایین تر از توان خروجی پمپی است که جهت پمپاژ اسید سولفوریک مورد استفاده قرار میگیرد زیرا وزن هر دو سیال متفاوت میباشند. تمامی پمپ ها با کمک الکتروموتور یا موتورهایی که در داخل خود دستگاه نصب شده اند، قادر به پمپاژ سیالات میباشند. قدرت (توان) مورد نیاز پمپ جهت کارکرد و پمپاژ سیالات را توان مصرفی میگویند.

توان مصرفی

منظور توان وارد شده به پمپ توسط موتور و انتقال آن به سیال، توان مصرفی پمپ گفته میشود. بواسطه عواملی همچون اصطکاک سیال با لوله ها یا افت های هیدرولیکی طبیعی در خود دستگاه، همواره توان خروجی پمپ کمتر از توان مصرفی آن بوده که عمدتا کمتر از عدد یک و بصورت درصد محاسبه میشود که به این درصد راندمان پمپ گفته میشود.

راندمان

میتوان با تقسیم توان خروجی پمپ بر توان مصرفی، راندمان پمپ بدست آورد. بعنوان مثال پمپی که دارای راندمان 75 درصدی است، یعنی تنها پمپ درصد از توان مصرفی را برگردانده و 25 درصد آن در اثر اصطکاک سیال با لوله ها و سایر وسایل یا حرارت داخل لوله و دستگاه هدر میرود.

نتیجه هر چه راندمان پمپ بیشتر باشد، مقدار درصد هدر رفت توان مصرفی کمتر است، بنابراین هزینه مصرف انرژی آن کمتر میباشد.

اگر توان خروجی دو پمپ برابر با 1 HP بوده در حالیکه راندمان پمپ اول 50 و دیگری 60 درصد باشد، نتیجه میگیریم که مقدار توان مصرفی مورد نیاز جهت تأمین توان خروجی 1 HP برای پمپ اول 2 HP و برای پمپ دوم تنها 1.67 HP میباشد.

نتیجه مهمترین پارامتر جهت تعیین کیفیت دستگاه و مقدار صرفه جویی در مصرف انرژی، پارامتر راندمان است.

دسته بندی پمپ ها بر اساس ارتباط بین مقدار دبی و مقدار ارتفاع پمپاژ:

پمپ هایی با مقدار دبی پایین و ارتفاع پمپاژ بالا (پمپ های پیستونی و دوار و سانتریفیوژهای کوچک)
پمپ هایی با مقدار دبی و ارتفاع معمولی (سانتریفیوژها)
پمپ هایی با دبی و ارتفاع پمپاژ بالا (پمپ های دارای پروانه های ملخی شکل و Helio Centrifugal)
موتور سانتریفیوژها یا Heliocentrifugal یا پمپ های دارای پروانه های ملخی شکل بصورت دورانی حرکت کرده و سرعت گردش آن بر حسب دور در دقیقه rpm محاسبه میشود. در این دسته از پمپ ها با تغییر مقدار دبی عمکلرد پمپ تغییر نکرده و ارتفاع پمپاژ ثابت باقی میماند.

دسته بندی پمپ ها بر اساس کارکرد:

پمپ جابجایی مثبت (Positive Displacement Pumps)

پمپ های جابجایی مثبت خود به دو نوع دورانی (Rotary) و رفت و برگشتی (Reciprocating) دسته بندی میگردند:

پمپ دورانی یا Rotary

مکانیزم کارکرد پمپ های دورانی اینگونه است که جابجایی توسط حرکت دورانی چرخ دنده، میل بادامک یا پره ها انجام میشود.

پمپ های دورانی تنوعی زیادی دارد که در ادامه به شرح هر کدام از انواع این محصول خواهیم پرداخت.

پمپ دنده ای یا Gear Pumps، که با نام پمپ غلیظ کش نیز شناخته میشوند، به نوعی از پمپ های جابجایی مثبت گفته میشوند که میتوانند حجم ثابتی از سیال را در داخل خود محصور کنند. پس از آن نیز با استفاده از دنده ها سیال را انتقال میدهند.

لوب پمپ یا Lobe Pumps، در صنایع مختلف از جمله صنعت کاغذ، صنایع شیمیایی، صنایع غذایی، نوشیدنی (نوشابه سازی)، صنایع دارویی و بهداشتی و بیوتکنولوژی استفاده میشود. بعلت ویژگی های بارزی همچون کیفیت عملکرد عالی، راندمان بالا، قابلیت اطمینان، مقاومت بالا در برابر خوردگی و همچنین سهولت در تمیزکاری و نگهداری، این نوع پمپ در همه این صنایع متنوع، رایج و محبوب است.

پمپ پره ای یا vane pumps، که با نام پمپ کارتریجی (cartridge pumps) نیز شناخته میشود، نوعی از پمپ های باد دورانی و جابجایی مثبت هستند که میتوانند به شکلی متناوب انرژی را به سیالات منتقل کنند. این پمپ ها از پره هایی ساخته شده اند که بر روی روتوری در حال دوران نصب شده و در داخل یک محفظه ثابت (استاتور) قرار گرفته اند.

مونو پمپ، پمپ پیش رونده خلاء یا Progressive Cavity Pumps یک پمپ جابجایی مثبت است که جزو پمپ های نوع معدنی میباشد. مونو پمپ را با نام های دیگری نیز میشناسند از جمله: پمپ حفره ای، پمپ تک اسکرو، پمپ مارپیچی، پمپ اسکرو خارج از مرکز، پمپ با حفره پیش رونده و پمپ ماردونی. این پمپ کاربرد خاص و منحصر بفردی دارد و داشتن قدرت بالا و موتور قوی از ویژگی های دیگر آن میباشد.

پمپ های پیش رس، پمپ محیطی یا Peripheral Pumps محفظه مکش بزرگتر از تخلیه است و این باعث افت فشار محفظه مکش شده در نتیجه سیال راحت تر وارد پمپ میشود. اما قسمت تخلیه کوچکتر است و این عامل سیال را به شدت بیشتری میراند. هنگامیکه پمپ روشن میشود پروانه پمپ، سیال را از قسمت دهانه مکش به خروجی هدایت میکند.

پمپ های پیچی یا screw pumps، در صنعت به پمپ های اسکرو هیدرولیک هم معروف هستند. این پمپ ها تنها نوع از پمپ های جابجایی مثبت روتاری (rotary positive displacement pumps) هستند که جریان از میان قطعات پمپ بشکل محوری (axial flow) عبور میکند.

پمپ رفت و برگشتی یا Reciprocating Pumps

پمپ رفت و برگشتی یا Reciprocating Pumps وسیله ای مکانیکی است که انرژی مکانیکی سیال را به انرژی هیدرولیک (انرژی فشار) تبدیل میکند. از یک پیستون برای پمپاژ سیال از یک مکان به مکان دیگر استفاده میکند. از آنجاکه یک پمپ رفت و برگشتی از پیستون برای اهداف پمپاژ استفاده میکند، بنابراین بعنوان پمپ پیستونی نیز شناخته میشود. در این پمپ پیستون بصورت رفت و برگشتی به سمت بالا و پایین در داخل سیلندر پمپ حرکت میکند. هنگامیکه پیستون به سمت BDC حرکت میکند، سیال را میمکد درحالیکه وقتی به سمت TDC حرکت میکند، سیال را تحت فشار قرار میدهد.

پمپ دیافراگمی یا Air operated diaphragm pumps نوعی از پمپ های جابجایی مثبت میباشد که با نیروی هوای فشرده و حرکت رفت و برگشتی دیافراگم سیال را متراکم میکند. پمپ های پنوماتیک دارای دو دیافراگم یا لاستیک میباشند که در سایزهای بزرگ هر دیافراگم بصورت دوبل میباشد. در این پمپ ها مجموعه دیافراگم شامل دیافراگم اولیه و دیافراگم ثانویه میباشد. نصب پمپ های دیافراگمی بسیار ساده است و با اتصال شیلنگ هوای فشرده پمپ فعال میشود. با توجه به حرکت رفت و برگشتی دیافراگم در پمپ های دیافراگمی جریان خروجی در این پمپ ها بصورت نوسانی یا پالس میباشد که در مواردی که نیاز به جریان یکنواخت است میتوان در خروجی آنها از یک منبع انبساط یا پالسیشن دمپر استفاده کرد. پمپ دیافراگمی بادی فاقد آب بند مکانیکی میباشد از این رو هیچ گونه نشتی در این پمپ وجود ندارد. عدم نشتی در پمپ های دیافراگمی پنوماتیک یکی از مزایای آنها میباشد که قابلیت استفاده برای پمپاژ مایعات گران قیمت، سمی یا قابل اشتعال را فراهم میسازد.

پمپ پیستونی شناور یا پلانجری تشکیل شده است از سیلندر، پیستون، شیر ورودی و شیر خروجی. سطح پیستون به وسیله دسته ای بر روی چرخ دواری قرار گرفته و در جهت بالا و پایین حرکت مینمایند. هنگام حرکت پیستون به طرف بالا دریچه A در اثر مکش و برگشت جریان از مجرای خروجی بسته شده و در اثر مکش دریچه B باز و مایع به درون محفظه پمپ مکیده میشود. هنگامیکه پیستون به طرف پایین حرکت مینماید دریچه B بسته شده و دریچه A باز میگردد و سیال محبوس در محفظه و تحت فشار پیستون به مجرای خروجی انتقال مییابد و تکرار این عمل سبب انتقال سیال از یک محل به محل دیگر میگردد. سیلندر باید بنحوی آب بندی شده باشد که مایع نتواند به خارج نشت نماید. هر حرکت رفت پیستون را یک ضربه و مسافتی را که پیستون طی میکند طول ضربه نامند.

پمپ دینامیکی یا جابجایی غیر مثبت (Non Positive Displacement Pumps)

پمپ های جابجایی غیر مثبت یا (پمپ های دینامیکی) نوعی پمپ شتابدار هستند که در آن با افزایش سرعت جریان، انرژی جنبشی به سیال اضافه میشود. این افزایش انرژی در صورت کاهش سرعت قبل از خروج پمپ یا خروج سیالات از پمپ به داخل لوله تخلیه، به افزایش انرژی پتانسیل (فشار) تبدیل میشود.

پمپ سانتریفیوژ یا Centrifugal Pumps، پمپ گریز از مرکز براساس نیروی گریز از مرکز کار میکند، بدینصورت که مایع به مرکز پمپ و پای پره های پروانه وارد میشود. (در اثر کاهش فشار در این ناحیه) پروانه توسط الکتروموتور با سرعت بالا دوران میکند و مایع قرارگرفته در بین پره های پروانه همراه با آن به دوران در می آید لذا انرژی جنبشی آن افزایش می یابد و در اثر نیروی گریز از مرکز به طرف خارج پرتاب میشود و پوسته پمپ را پر از سیال میکند. در نهایت انرژی جنبشی مایع به دلیل طراحی خاص مجرای خروجی پمپ به انرژی پتانسیل فشار تبدیل میگردد.

پمپ خطی یا Axial Flow Pumps از نوع گریز از مرکز میباشند که با توجه به ظرفیت های مختلف در دو نوع خطی و زمینی مورد استفاده قرار میگیرند. در دو نوع پمپ سیرکولاتور بدنه چدن و پمپ سیرکولاتور بدنه استیل ساخته میشود و قادر به پمپاژ سیالات تا دمای 130 تا 100 درجه سانتیگراد میباشند. این پمپ ها غالبا برای سیرکوله آب مورد استفاده قرار میگیرند. نکات مهم در پمپ های زمینی و خطی میتوان عنوان کرد که پمپ های خطی معمولا فقط دبی ایجاد میکنند. در حالی که پمپ های زمینی هم دبی و هم فشار تولید میکنند.

نحوه محاسبه هد پمپ

جهت انتقال سیال از نقطه ای به نقطه دیگر در داخل سیستم به فشار نیاز است، این فشار باید بر مقاومت سیستم غلبه کند؛ که به آن هد میگویند. هد کلی برابر با مجموع هد استاتیکی، هد فشاری و هد دینامیکی میباشد.

هد استاتیکی پمپ برابر با مقدار ارتفاع پمپاژ بوده که عموما بر حسب متر محاسبه میشود. جهت محاسبه ارتفاع پمپاژ پمپ باید مقدار هد مکش و مقدار هد دهش را در حین کارکرد پمپ اندازه گیری کنید.

متناسب با نحوه نصب دستگاه، ارتفاع پمپ به دو حالت زیر محاسبه میشود:

در حالت اول مقدار ارتفاع پمپاژ برابر با مجموع ارتفاع مکش و دهش و در حالت دوم برابر با کسر مقدار ارتفاع مکش از مقدار ارتفاع دهش است. توجه داشته باشید که اتصالات ارتفاع سنج های مکش و دهش به دهانه هایی با قطر یکسان متصل باشند تا تفاوت در غلظت سیالات موجب تغییر مقادیر آنها نشود. هد دینامیکی (هد اصطکاکی) افت فشار داخل لوله در اثر اصطکاک بین سیال با جداره لوله و اتصالات است و از طریق فرمول هیزن – ویلیامز و دارسی – ویسباخ محاسبه میشود. این معادله یک رابطه تجربی است و مزیت آن نسبت به روابط دیگر این است که ضریب اصطکاک در آن تابعی از عدد رینولدز نیست. اما عیب های آن این است که فقط برای آب اعتبار دارد و تاثیرات دما و ویسکوزیته در این رابطه درنظر گرفته نشده است.

Pm = (4.25 * Q1.85) ÷ (C1.85 * d4.87)

در سیستم SI برابر است با:

Pm = 6.05 * {(Q1.85) ÷ (C1.85 * d4.87)}

معادله دارسی – ویرباخ:

∆P = 0/000216f (LρQ2/d5)

P∆: هد تلف شده
Q: دبی پمپاژ (گالن بر دقیقه)
L: طول لوله
p: چگالی سیال (پوند بر فوت مکعب)
C: ضریب افت اصطکاکی
d: قطر داخلی حقیقی لوله (اینچ)

در محاسبات سریع با دقت مناسب برای محاسبه هد دینامیکی در سیستم های آبرسانی و سیرکولاسیون گرمایشی، 50 درصد به طول لوله کشی اضافه کرده و آن را در محدوده مجاز افت در هر متر لوله براساس نوع سیستم ضرب میکنند. بهمچنین اگر مقصد پمپاژ دارای فشار باشد، پمپ باید به این فشار غلبه کند (بعنوان مثال در دیگ های بخار، پمپ باید بفشار بویلر نیز غلبه کند) که به آن هد فشاری میگویند. جهت محاسبه هد پمپ های شناور، تنها محاسبه هد دهش کافی میباشد. سپس با اضافه کردن مقدار هد دینامیکی و اختلاف ارتفاع بین سطح سیال و مانومتر میتوان هد پمپ را محاسبه کرد.

نحوه محاسبه توان پمپ

مقدار توان پمپ بر حسب کیلووات (kW) یا اسب بخار (HP) محاسبه میشود.

توان پمپ با یکی از فرمول های زیر محاسبه میشود: