انواع پمپها و نحوه عملکرد آنها
انواع پمپها و نحوه عملکرد آنها
پمپها دستگاههایی هستند که برای انتقال سیالات (آب، روغن، گازها و... ) با افزایش انرژی جنبشی یا پتانسیل آنها استفاده میشوند. انتخاب نوع پمپ به عواملی مانند دبی، فشار، نوع سیال، ویسکوزیته و کاربرد بستگی دارد. در زیر به معرفی انواع اصلی پمپها و اصول کارکرد آنها پرداخته میشود:
پمپهای دینامیکی (Dynamic Pumps)
این پمپها با افزایش انرژی جنبشی سیال، آن را منتقل میکنند. انرژی عمدتاً از طریق حرکت پروانه یا ایمپلر تأمین میشود.
الف) پمپهای گریز از مرکز (Centrifugal Pumps)
نحوه عملکرد:
سیال به مرکز پروانه (ایمپلر) وارد شده و با چرخش پروانه، انرژی جنبشی دریافت میکند.
انرژی جنبشی در محفظه حلزونی به انرژی فشاری تبدیل میشود.
اجزا:
پروانه (ایمپلر)، محفظه حلزونی، شفت، آببند.
کاربرد:
سیستمهای آبرسانی شهری، صنایع شیمیایی، تخلیه آب از چاهها.
انواع:
تکمرحلهای (Single-stage): برای فشارهای متوسط.
چندمرحلهای (Multi-stage): برای فشارهای بالا (مثلاً در دیگهای بخار).
ب) پمپهای جریان محوری (Axial Flow Pumps)
نحوه عملکرد:
سیال موازی با محور پمپ جریان مییابد (مانند پروانه کشتی).
کاربرد:
زهکشی سیلاب، آبیاری مزارع با دبی بالا و فشار کم.
ج) پمپهای جریان مختلط (Mixed Flow Pumps)
ترکیبی از پمپهای گریز از مرکز و جریان محوری.
برای دبی و فشار متوسط مناسب است.
پمپهای جابجایی مثبت (Positive Displacement Pumps)
این پمپها با جابهجایی فیزیکی حجم ثابتی از سیال، آن را منتقل میکنند. دبی خروجی تقریباً ثابت و مستقل از فشار است.
الف) پمپهای رفت و برگشتی (Reciprocating Pumps)
نحوه عملکرد:
حرکت خطی پیستون یا پلانجر باعث مکش و رانش سیال میشود.
شیرهای یکطرفه (چکشی) از بازگشت سیال جلوگیری میکنند.
انواع:
پیستونی (Piston): برای فشارهای بسیار بالا (تا ۱۰۰۰ بار).
دیافراگمی (Diaphragm): مناسب برای سیالات خورنده یا سمی (با جدا شدن سیال از قطعات مکانیکی).
کاربرد:
صنایع نفت و گاز، سیستمهای تزریق مواد شیمیایی.
ب) پمپهای دورانی (Rotary Pumps)
نحوه عملکرد:
چرخش چرخدنده، پیچ یا لوب، حجم ثابتی از سیال را منتقل میکند.
انواع:
چرخدندهای (Gear Pump):
دو چرخدنده درگیر، سیال را بین دندانها منتقل میکنند.
مناسب برای روغنها و سیالات ویسکوز.
لوب (Lobe Pump):
مشابه چرخدنده، اما با لوبهای غیرتماسی برای انتقال مواد حساس (صنایع غذایی و دارویی).
پیچی (Screw Pump):
انتقال سیالات ویسکوز با کارایی بالا (مانند نفت و گریس).
پمپهای ویژه
الف) پمپهای سانتریفیوژ عمودی (Vertical Turbine Pumps)
برای استخراج آب از چاههای عمیق استفاده میشوند.
پروانهها بهصورت عمودی روی شفت نصب میشوند.
ب) پمپهای شناور (Submersible Pumps)
موتور و پمپ در داخل سیال غوطهور میشوند.
کاربرد: تخلیه فاضلاب، آبهای زیرزمینی.
ج) پمپهای پریستالتیک (Peristaltic Pumps)
انتقال سیال با فشردن لوله توسط رولرها.
مناسب برای سیالات حساس به آلودگی (صنایع پزشکی).
۴. عوامل مؤثر در انتخاب پمپ
۱. دبی (Flow Rate): حجم سیال انتقالی در واحد زمان (مثلاً m³/h).
۲. هد (Head): انرژی مورد نیاز برای غلبه بر اصطکاک و اختلاف ارتفاع (بر حسب متر).
۳. ویسکوزیته سیال: پمپهای جابجایی مثبت برای سیالات غلیظ بهتر هستند.
۴. NPSH (Net Positive Suction Head): حداقل فشار مورد نیاز در دهانه مکش برای جلوگیری از کاویتاسیون.
مراحل انتخاب پمپ
پارامترهای کلیدی برای انتخاب پمپ
۱. دبی (Flow Rate):
حجم سیال انتقالی در واحد زمان (m³/h یا L/min).
فرمول: Q=v/t (حجم بر زمان).
۲. هد (Head):
انرژی مورد نیاز برای غلبه بر ارتفاع، اصطکاک و فشار (بر حسب متر).
هد کل (Total Head): H=Hstatic+Hfriction+Hpressure.
۳. نوع سیال:
ویسکوزیته، چگالی، خورندگی و وجود ذرات جامد.
۴. NPSH (Net Positive Suction Head):
حداقل فشار مورد نیاز در دهانه مکش برای جلوگیری از کاویتاسیون.
۵. راندمان (Efficiency):
نسبت توان مفید به توان ورودی (η=PshaftPhydraulic).
۶. فشار کاری:
فشار عملیاتی سیستم (بار یا psi).
الف) تعیین نیازهای سیستم
محاسبه دبی و هد مورد نیاز با استفاده از منحنی سیستم (System Curve).
مثال: برای انتقال آب از چاه به مخزن ۲۰ متر بالاتر با اصطکاک لوله:
(D5×12.1)/H=20m+(f×L×Q2)f: ضریب اصطکاک، L: طول لوله، D: قطر لوله.
ب) انتخاب نوع پمپ
پارامترپمپ گریز از مرکزپمپ پیستونی پمپ چرخدندهای
دبی بالا (تا ۱۰۰۰ m³/h)پایین تا متوسطمتوسط
فشار متوسط (تا ۳۰ بار)بسیار بالا (تا ۱۰۰۰ بار)متوسط (تا ۲۰ بار)
ویسکوزیته سیال مناسب برای ویسکوزیته پایینمناسب برای ویسکوزیته بالامناسب برای ویسکوزیته بالا
ج) تطابق منحنی پمپ و سیستم
منحنی پمپ (Pump Curve): رابطه بین دبی و هد پمپ.
نقطه کار (Operating Point): تقاطع منحنی پمپ و سیستم.
η=(توان ورودی/توان هیدرولیکی) ×100
محاسبات مهندسی
الف) توان پمپ (Power Calculation)
(P=(Q×H×ρ×g)/(3.6×106
ρ: چگالی سیال (kg/m³) - برای آب: ۱۰۰۰.
g: شتاب گرانش (۹.۸۱ m/s²).
η: راندمان پمپ (معمولاً ۰.۶ تا ۰.۸۵).
ب) محاسبه NPSH
NPSH Available (NPSHa):
NPSHa=ρ×gPsuction−Pv+2gv2−HfrictionPsuctionPsuction: فشار در دهانه مکش.
PvPv: فشار بخار سیال.
NPSH Required (NPSHr): از کاتالوگ پمپ استخراج میشود.
شرط ایمنی: NPSHa>NPSHr+0.5m.
ج) محاسبه سرعت مخصوص (Specific Speed)
Ns=N×H0.75Q
N: سرعت چرخش پمپ (RPM).
برای انتخاب نوع پمپ:
Ns<۴۰: پمپ پیستونی.
۴۰
s<۲۰۰: پمپ گریز از مرکز. Ns>۲۰۰: پمپ جریان محوری.
نرم افزارهای طراحی و انتخاب پمپ
Pump-Flo: برای انتخاب پمپ بر اساس پارامترهای سیستم.
Pipe-Flo: تحلیل هیدرولیکی سیستمهای لوله کشی.
ANSYS CFX: شبیه سازی جریان در پمپ.
۶. جمع بندی
پمپهای دینامیکی (مانند سانتریفیوژ) برای دبی بالا و فشار متوسط ایده آل هستند.
پمپهای جابجایی مثبت (مانند پیستونی و چرخدندهای) برای فشار بالا و دبی پایین مناسب اند.
انتخاب پمپ باید بر اساس نیازهای پروژه، نوع سیال و شرایط عملیاتی انجام شود.
نگهداری منظم (تعویض آببندها، بررسی لرزشها) برای افزایش عمر پمپ ضروری است.
کاویتاسیون: با افزایش NPSHa یا کاهش NPSHr کنترل میشود.
منحنی پمپ: باید با منحنی سیستم همپوشانی داشته باشد.
استانداردها: ISO 5199 (پمپهای گریز از مرکز)، API 674 (پمپهای پیستونی).
با انجام دقیق محاسبات و تطابق پارامترها، میتوان پمپی انتخاب کرد که بهرهوری انرژی، دوام و هزینههای عملیاتی بهینه داشته باشد.
جنبه های مختلف استانداردها و قوانین پمپ ها
پمپها به عنوان تجهیزات حیاتی در صنایع مختلف (آب و فاضلاب، نفت و گاز، کشاورزی، صنایع شیمیایی و ...) تحت قوانین و استانداردهای فنی، ایمنی، و زیستمحیطی خاصی قرار دارند. این قوانین برای طراحی، نصب، بهرهبرداری، و نگهداری پمپها تدوین شدهاند تا عملکرد ایمن، کارآمد و پایدار آنها تضمین شود. در زیر مهمترین قوانین و استانداردهای حاکم بر پمپها شرح داده شده است:
۱. قوانین فنی و استانداردهای طراحی
استانداردهای بینالمللی:
ISO 5199: استاندارد طراحی پمپهای سانتریفیوژ برای صنایع شیمیایی و پتروشیمی.
ISO 2858: مشخصات ابعادی و عملکردی پمپهای سانتریفیوژ افقی.
API 610: استاندارد پمپهای مورد استفاده در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی (پمپهای با فشار و دمای بالا).
ANSI/HI (Hydraulic Institute): استانداردهای جامع برای انواع پمپها (سانتریفیوژ، پیستونی، دندهای و ...).
مقررات هیدرولیکی:
رعایت قوانین انتقال سیالات (دبی، فشار، ارتفاع مکش) بر اساس معادله برنولی و منحنی عملکرد پمپ (Pump Curve).
محاسبه NPSH (Net Positive Suction Head) برای جلوگیری از کاویتاسیون.
۲. قوانین ایمنی
مقررات OSHA (ایمنی شغلی):
نصب محافظ (Guarding) برای قطعات چرخان پمپ جهت جلوگیری از آسیب به اپراتورها.
استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی و انفجار در محیطهای خطرناک (مثلاً مناطق ATEX در صنایع شیمیایی).
مقرات ATEX (مناطق انفجاری):
استفاده از پمپهای ضد انفجار (Explosion-Proof) در محیطهای دارای گازهای قابل اشتعال.
سیستمهای قطع اضطراری (Emergency Shutdown):
نصب سنسورهای فشار، دما و جریان برای قطع خودکار پمپ در شرایط خطر (نشت، اضافه بار، یا گرمایش بیش از حد).
۳. قوانین زیستمحیطی
جلوگیری از نشت سیالات:
استفاده از مکانیکال سیل (Mechanical Seal) یا گزینههای بدون نشت (Sealless Pumps) در پمپهای انتقال مواد سمی یا خطرناک.
رعایت استاندارد ISO 15848 برای آببندی پمپها.
مدیریت آلودگی صوتی:
محدودیت سطح صدای پمپها بر اساس استاندارد ISO 3744.
۴. قوانین مربوط به بازده انرژی
استانداردهای بهرهوری انرژی:
رعایت EUROPEAN ErP Directive برای پمپهای برقی (الزام به برچسب انرژی A+ یا بالاتر).
استاندارد HI Energy Rating برای انتخاب پمپهای با راندمان بالا.
بهینهسازی سیستم:
استفاده از درایوهای فرکانس متغیر (VFD) برای تطبیق سرعت پمپ با نیاز واقعی و کاهش مصرف انرژی.
۵. قوانین نگهداری و تعمیرات
برنامه زمانبندی تعمیرات:
بازرسی دورهای یاتاقانها، سیلها، و پروانه پمپ بر اساس دستورالعمل سازنده.
استفاده از سیستمهای مانیتورینگ وضعیت (Condition Monitoring) مانند ارتعاشسنجی و ترموگرافی.
مدیریت روانکاری:
تعویض روغن یا گریس بر اساس استانداردهای ISO 4406 (سطح تمیزی روغن).
۶. استانداردهای نصب و راهاندازی
الزامات فونداسیون و لولهکشی:
رعایت فاصله استاندارد بین پمپ و لولهها برای کاهش تنش مکانیکی (بر اساس ANSI B73.1).
استفاده از اتصالات انعطافپذیر (Flexible Couplings) برای جذب ارتعاشات.
همراستایی (Alignment):
هممحور بودن دقیق پمپ و موتور الکتریکی بر اساس استاندارد ISO 10816 (حداکثر میزان مجاز ارتعاش).
۷. استانداردهای مواد و ساخت
انتخاب متریال بر اساس سیال:
استفاده از فولاد ضدزنگ (Stainless Steel) برای سیالات خورنده یا مواد غذایی.
پمپهای ساخته شده از مواد کامپوزیتی در محیطهای اسیدی.
آزمونهای کیفیت:
تست هیدرواستاتیک (Hydrostatic Test) برای اطمینان از مقاومت بدنه پمپ.
آزمون عملکرد (Performance Test) مطابق استاندارد ISO 9906.
۸. قوانین حمل و نقل
بستهبندی و نشانهگذاری:
رعایت استاندارد ISTA برای حمل ایمن پمپها.
نشانهگذاری جهت جریان، وزن، و نقاط سنگین روی پمپ.
نتیجه
رعایت قوانین حاکم بر پمپها نه تنها ایمنی و طول عمر تجهیزات را افزایش میدهد، بلکه از هدررفت انرژی، آلودگی محیطزیست، و هزینههای تعمیرات غیرضروری جلوگیری میکند. برای انتخاب و بهرهبرداری از پمپها، هماهنگی با استانداردهای بینالمللی (مانند ISO، API، ANSI) و مقررات محلی (سازمان آب، محیطزیست و انرژی) الزامی است.
روش های اتصال پمپ ها و محاسبات
پمپها را میتوان به دو روش سری و موازي به يكديگر متصل كرد كه هر كدام كاربردها و ويژگيهاي خاص خود را دارند:
1. پمپهای سری (Series Pumps)
نحوه اتصال: خروجی پمپ اول به ورودی پمپ دوم متصل میشود.
ویژگیها:
هد کل (Head): هد کلی سیستم برابر با مجموع هدهای تک تک پمپها در همان دبی است.
Htotal=H1+H2دبی (Flow Rate): دبی عبوری از تمام پمپها یکسان است.
کاربرد: برای غلبه بر مقاومتهای هیدرولیکی بالا (مانند خطوط لوله بلند یا سیستمهای با فشار موردنیاز زیاد).
مثال: پمپاژ آب به ارتفاعات بالا یا سیستمهای آبرسانی تحت فشار.
نکات مهم:
اگر یک پمپ از کار بیفتد، جریان کل قطع میشود.
پمپها باید از نظر دبی با هم سازگار باشند تا بازدهی بهینه داشته باشند.
2. پمپهای موازی (Parallel Pumps)
نحوه اتصال: ورودی و خروجی پمپها به یک خط مشترک متصل میشوند.
ویژگیها:
دبی کل (Flow Rate): دبی کلی سیستم برابر با مجموع دبیهای تک تک پمپها در همان هد است.
Qtotal=Q1+Q2هد (Head): هد کلی سیستم برابر با هد هر پمپ است (پمپها در همان هد کار میکنند).
کاربرد: برای افزایش ظرفیت جریان (مانند سیستمهای خنککاری با نیاز متغیر یا افزایش دبی در ساعات اوج مصرف).
مثال: تامین آب در شبکههای شهری یا سیستمهای صنعتی با نیاز به دبی بالا.
نکات مهم:
اگر یک پمپ از کار بیفتد، پمپهای دیگر همچنان میتوانند بخشی از دبی را تامین کنند.
پمپها باید از نظر هد با هم سازگار باشند تا از جریان معکوس یا کاهش بازدهی جلوگیری شود.
مقایسه سری و موازی
ویژگی سری موازی
هد کل افزایش مییابدثابت میماند
دبی کل ثابت میماندافزایش مییابد
مصرف انرژی بیشتر (به دلیل هد بالاتر)کمتر (با افزایش دبی)
انعطافپذیری کمتربیشتر (کنترل پلهای دبی)
کاربردسیستمهای با فشار بالاسیستمهای با دبی بالا
انتخاب بین سری و موازی
سری: اگر سیستم به هد بیشتری نیاز دارد (مثلاً برای غلبه بر اختلاف ارتفاع یا اصطکاک زیاد).
موازی: اگر سیستم به دبی بیشتری نیاز دارد (مثلاً در زمانهای اوج مصرف یا افزایش ظرفیت).
نمودار عملکرد (Pump Curve)
سری: منحنی هد-دبی کلی با جمع عمودی منحنیهای پمپها به دست میآید.
موازی: منحنی هد-دبی کلی با جمع افقی منحنیهای پمپها به دست میآید.
ملاحظات طراحی
سازگاری پمپها: در صورت استفاده از پمپهای غیرهمسان، ممکن است یک پمپ عملکرد دیگری را محدود کند.
نقطه کار بهینه: اطمینان از همپوشانی نقطه کار پمپها با منحنی سیستم برای بازدهی بالا.
NPSH (هد مثبت مکش خالص): در اتصال سری، پمپ دوم باید NPSH کافی داشته باشد تا از کاویتاسیون جلوگیری شود.
پمپ و پمپاژ
متداول ترین تقسیم بندی پمپ ها بر اساس نحوه انتقال انرژی مربوطه به سیال است که براساس آن به موارد زیر تقسیم می گردند:
دارای انتقال انرژی پیوسته: که بنام پمپ دینامیکی شناخته می شود. از این گونه پمپ ها می توان به توربوپمپ ها، پمپ های محیطی و پمپ های خاص اشاره نمود.
دارای انتقال انرژی متناوب ( دوره ای یا پریودیک ): که تحت عنوان پمپ های جابجایی شناخته می شوند. ازآنها می توان به پمپ های رفت آمدی و پمپ های گردشی اشاره کرد.
تقسیم بندی پمپ ها بر اساس نحوه ورود و خروج سیال:
جریان محوری : این نوع پمپ ها دارای پروانه باز می باشند که این نوع پروانه برای تولید دبی بیشتر و فشار کمتر کاربرد دارد.
جریان مختلط یا نیمه سانتریفیوژ : دارای پروانه نیمه باز برای تولید دبی و فشار متوسط می باشند.
جریان شعاعی : دارای پروانه بسته می باشند که برای تولید دبی کم و فشار زیاد بکار برده می شوند.
پمپ های سانتریفیوژی به پمپ هایی گفته می شود که دارای جریان شعاعی باشند.
آزمون پمپاژ
بعد از اینکه یک چاه که دارای آب می باشد، حفاری و تکمیل شد؛ برای اینکه دبی مجاز را تعیین کنیم از ((آزمایش پمپاژ)) استفاده می کنیم تا دبی مجاز را بدست آوریم تا در این راستا دبی ای به بهره بردار داده شود تا به آبخوان در اثر برداشت بی رویه ضرر نرساند.
همچنین برای تعیین قدرت توربین و تجهیزات مربوطه از ((آزمون پمپاژ )) استفاده خواهیم کرد.
لازم به ذکر است که آزمون پمپاژ در بدست آوردن ضرایب هیدرودینامیکی (T,S) و همچنین تکمیل توسعه ئ چاه نیز بسیار موثر است است.
برای انجام این آزمون از روش های گوناگونی استفاده می شود . و برای هر روش بعد شروع پمپاژ، نسبت دبی به افت وهمچنین فاصله پیزومتر از چاه (در صورت وجود) را یاداشت کرده و در منحنی های مربوطه مقادیر T,S را بدست می آورند.
اهداف کلی آزمون پمپاژ
چنانچه آزمون پمپاژ در سطح وسیعی از آبخوان انجام شود به منظور تعیین رفتار آن آبخوان در مقابل :
·بارندگی ها
·تغذیه مصنوعی
·آلودگی ها
ایستگاه های پمپاژ
محل استقرار پمپاژ آب برحسب شرائط محل متغير بوده و اغلب در محل برداشت آب (چاه ، چشمه ، رودخانه) مي باشد . از نظر كلي بايد محل استقرار پمپ را با درنظرگرفتن خطر طغيان رودخانه و يا خطر استغراق ، قرارداده و گذشته از آن بايد در مقابل خطرات ناشي از ريزش محل و رطوبت نامناسب و يخبندان محافظت نمود . در داخل محوطه ايستگاه پمپاژ و در كف ساختمان آن شيب 1% منظور نمود و براي هركدام از ماشين آلات موجود ، پي و پايه مجرائي درنظر گرفته مي شود.
با علم به اينكه ايستگاههاي پمپاژ معمولاً در گودترين نقاط شهر واقع مي شود ، بايد تدابيري براي جلوگيري از خرابي تلمبه خانه ها در اثر ورود آبهاي سطحي حاصل از بارندگي درنظر گرفت .
در موارديكه محل تلمبه خانه در داخل شهراست بايدساختمان آن از نظر وضع ظاهري ، نظير منازل مسكوني اطراف بوده و منظره ناخشايندي ايجاد نگردد.
روش های تعیین محل ایستگاه ها برای پمپاژ آب
با علم به اینكه ایستگاههای پمپاژ معمولاً در گودترین نقاط شهر واقع می شود، باید تدابیری برای جلوگیری از خرابی تلمبه خانه ها در اثر ورود آبهای سطحی حاصل از بارندگی درنظر گرفت.
در مواردیكه محل تلمبه خانه در داخل شهر است باید ساختمان آن از نظر وضع ظاهری، نظیر منازل مسكونی اطراف بوده و منظره ناخشایندی ایجاد نگردد.
الف- محل ایستگاه پمپاژ وقتی منبع تغذیه چشمه باشد:
درصورتیكه محل برداشت آب چشمه باشد چند حالت زیر مطرح می گردد:
۱- در صورتیكه ارتفاع چشمه ها از ارتفاع مخزن ذخیره بیشتر باشد آب در اثر نیروی ثقل به منبع تغذیه هدایت شده و احتیاجی به عمل پمپاژ نخوهد بود، كه در اغلب روستاهای دارای چشمه این پدیده در سهولت كار آبرسانی آن محل كمك زیادی خواهد نمود.
كاهش ضربه قوچ در ايستگاه پمپاژ(انتخاب پمپ با اینرسی مناسب)
در یک پمپ سانتریفوژ با اینرسی چرخشی مناسب ، در صورتیکه پره های پمپ تا مدت زمانی پس از قطع نیرو به چرخش خود ادامه دهند ، در هنگام ایجاد فشار منفی به علت تغذیه لوله رانش با جریان حاصل از چرخش پره های پمپ ، در کاهش اثرات ضربه قوچ موثر واقع خواهد شد.
یکی از مشکلات مهندسان ایرانی در محاسبه ضربه قوچ عدم دسترسی به عدد ممان اینرسی پمپ می باشد اگرچه این عدد باید از سازنده درخواست گردد.
برای افزایش پارامتر اینرسی پمپ یا توربین می توان از چرخ لنگر استفاده نمود تا موجب ازدیاد اینرسی این ماشین های آبی گردد. چرخ لنگری که برروی موتور محرک نصب می گردد ، با ذخیره انرژی جنبشی ، پس از قطع یا خاموشی نیروی محرک مانع از کاهش سریع تلمبه می گردد و این امر موجب کاهش تغییرات سرعت در واحد زمان خواهد شد که خود اثر مهمی در ایجاد ضربه قوچ به صورت تدریجی داشته و از ایجاد موج فشار شدید جلوگیری می کند.
معمولا کاربرد چرخ لنگر وزین دو اشکال عمده دارد اولاً در شروع کار جریان یا آمپر راه اندازی را بی اندازه افزایش می دهد و ثانیاَ محدودیت فضا و مکان را باعث می شود، از اینرو استفاده از این وسیله فقط در تاسیساتی نظیر پمپهای کوچک و حداکثر تا2 کیلومتر خط لوله استفاده می شود.