شرايط و وضعيت درمكش پمپ Suction conditions
هيدروليك هاي موجود درسيستم System Hydraulics
مارس 25, 2017عملكرد پمپ در يك سيستم فرايندي
آوریل 4, 2017شرايط و وضعيت درمكش پمپ Suction conditions
عمومي
درنظر گرفتن شرايط و وضعيت در مكش پمپ بعنوان يك عنصر كليدي در عملكرد و نصب موفقيت آميز پمپ مي باشد.
اگر مايعي كه قراراست پمپ شود ،نتواند وارد چشم پروانه(impeller eye) شود؛
آنگاه پمپ قادر نخواهد بود كه ميزان عملكرد مورد انتظار از خود را فراهم نمايد.
لذا درك درست از شرايط و وضعيت درمكش پمپ از جمله ضروريات ميباشد.
از جمله مهمترين مسائلي كه در مكش پمپ پديد مي آيد بحث كاويتاسيون ميباشد که دراين رابطه مطالب زيادي نگاشته شده و اثرات آن برروي پمپهاي مختلف ارائه گرديده است.البته اين مشكل همه گير نبوده و بسياري از پمپهايي كه در حال حاضر درحال عملكرد مي باشند اين معضل را تجربه ننموده اند ولي اثرات زيانبار آن به حدي است كه لازم مي گردد تا جزئيات آن بطور مفصل مورد بررسي قرار گيرد.
فشار بخار (vapor pressure)
كاويتاسيون؛ارتباطي ويژه با فشار بخار دارد.فشار بخار نيز فشاريست كه تحت آن مايع تبخير خواهد شد.به عنوان مثال آب در دماي 212درجه فارنهايت و هنگامي كه فشار آن به كمتر از 14.7psi برسد؛شروع به تبخير شدن مي كند.در اصطلاح عاميانه به اين واژه جوشانده شدن (Boiling) نيز گفته مي شود.همينطور مي توان گفت كه آب در100درجه فارنهايت اگر در معرض فشار خلايي برابر 18 اينچ جيوه قرار بگيرد به جوش خواهد آمد.
كاويتاسيون (cavitation)
هركسي كه با پمپها كار مي كند با علامت ها ونشانه هاي كاويتاسيون آشنايي نسبي دارد.اين پديده همواره با يك صداي تلق تلق ويژه همراه بوده وسطح ارتعاشات نيز درآن بالا مي باشد.در بازرسي نزديك از پروانه پس از وقوع اين پديده مشخص خواهد شد كه برروي پروانه حفره هاي ناشي از خوردگي(pitting) بوجود آمده و همچنين دراثر اين پديده همواره مقداري از هدكلي كه مي بايست توسط پمپ تامين گردد كاسته خواهد شد.
جهت برطرف كردن كامل اين ايراد لازم است تا در مرحله نخست بدانيم كه كاويتاسيون واقعا چيست و چه عواملي در پمپهاي گريز از مركز باعث بروز كاويتاسيون درآنها مي گردد.
بطور كلي پديده كاويتاسيون يك فرايند دوقسمتي است كه بوسيله تغييرات صورت گرفته درفشار مايعي است كه به درون پمپ (قسمت پروانه) وارد ميگردد.
هنگامي كه مايع به درون نازل مكش پمپ وارد شده ودر طول آن حركت كرد؛همواره فشار آن دچار تغييراتي ميگردد كه اين تغييرات در شكل زير نشان داده شده است.
مقدار فشار مايع پس از اينكه از قسمت نازل مكش وارد پمپ گرديد اندكي افت مي كند.ميزان اين افت فشار بستگي به شكل هندسي اين بخش داشته وبراي هر پمپ نيز فرق خواهد داشت. مايع مسير خود را به سمت چشم پروانه ادامه داده ودر همين راستا افت فشار بيشتري بوجود خواهد آمد.
اگر دراين وضعيت ميزان افت فشار سيال به حدي باشد كه فشار آن به پائين تراز فشار بخار خودش برسد آنگاه اولين مرحله فرايند كاويتاسيون بوجود مي آيد.اين حالت باعث توليد حباب هاي بخار در اين قسمت مي گردد.(به عبارت ديگر مايع دراين منطقه شروع به جوشيدن ميكند).
بخش دوم فرايند كاويتاسيون هنگامي آغاز ميگردد كه حركت گريز از مركز پروانه باعث انتقال حبابهاي توليد شده به درون پره ها گرديده و حبابها به محض ورود به اين قسمت فورا داراي فشار شده و مي تركند.
تركيدن يك حباب ممكن است كه به تنهايي اثر نامطلوب برروي پروانه نداشته باشد ولي هنگاميكه تكرار تركيدن آنها بيشتر شده و برشدت آنها نيز افزوده گردد؛آنگاه سطح انرژي آنها افزايش يافته واز ميزان مقاومت تسليم (yield strength) جنس بيشتر پروانه ها فراتر مي روند.به گونه اي كه دراين مرحله تركيدن حبابها باعث ايجاد حفره هاي كوچك درپروانه گرديده و خوردگي در پروانه شروع مي شود.
اين شرايط همواره با سروصدا همراه بوده و همانگونه كه قبلا نيز بيان شد؛بروز اين پديده باعث بالا رفتن سطوح ارتعاشات در پمپ مي گردد.
اگر مجددا به شكل صفحه قبل نگاه كنيم؛به اين واقعيت ميرسيم كه كاويتاسيون هنگامي بوقوع مي پيوندد كه فشار مايع به كمتر از فشار بخار آن درقسمت چشم پروانه افت ميكند.اين دقيقا همان چيزي است كه باعث ايجاد حباب هاي بخار دراين قسمت ميگردد.بنابراين مي توان اينگونه نتيجه گيري كرد كه درصورتي كه فشار مايع قبل از آنكه به ناحيه مكش وارد شود افزايش داده شود مي توان از بروز كاويتاسيون جلوگيري كرد.اين افزايش بخار بايد به اندازه اي باشد كه از افت فشار مايع به پائين تر از فشار بخار آن جلوگيري كند.درچنين حالتي است كه حبابهاي بخار فرصت ايجاد شدن پيدا نكرده و درنتيجه هيچگونه كاويتاسيوني بوجود نخواهد آمد.
بيشتر افت فشارهاي بحراني هنگامي ايجاد ميگردند كه مايع هنگامي كه از يك حالت سكون (درقسمت مكش پمپ)وارد يك حالت ديناميكي (گردش پروانه) ميگردد؛مقداري از انرژي آن تلف شده و دچار افت فشار ميگردد.
البته ساير فاكتور هاي طراحي نظير زواياي ورودي در تيغه هاي پروانه نيز در بروز افت فشار نقش بسزايي دارند.
هدمكش مثبت خالص (NPSH)
انرژي فشاري كه در فرايند كاويتاسيون از ايجاد حبابهاي بخار در قسمت چشم پروانه جلوگيري ميكند بنام هد مكش مثبت خالص شناخته مي شود.
ازجمله معيارهاي اصلي در طراحي پروانه آن است كه اين پروانه توانايي تامين يك حداقل مقدار NPSH را داشته باشد .اين مقدار حداقل بنام NPSH موردنياز شناخته مي شود.
اين فاكتور از جمله توابع اصلي در طراحي پمپ و سرعت چرخش پروانه آن مي باشد.مقدار انرژي فشاري كه پمپ به آن نياز دارد از طريق سيستمي كه پمپ درآن عمل مي كند در دسترس قرار مي گيرد.
اين انرژي به نامNPSHموجود(Available) شناخته شده و فقط بعنوان تابعي از طراحي سيستم مي باشد.بنابراين جهت جلوگيري از خسارات ناشي از پديده كاويتاسيون بايد مقدار NPSH در دسترس از NPSH مورد نياز بزرگتر باشد.به عبارت ديگر:
همانگونه كه در شكل فوق نشان داده شده در صورتيكه مقدارNPSHRبزرگتر از NPSHAگردد آنگاه اين تعادل بهم خورده وپمپ وارد منطقه كاويتاسيون ميگردد.
بنابراين هنگاميكه دريك پمپ پديده كاويتاسيون رخ داد؛لازم است تا يكي از دو راه حل زير براي آن درنظر گرفته شود:
1:كاهش مقدار NPSHR و يا
2:افزايش مقدار NPSHA
ذكر اين نكته لازم است كهچون اختلاف فشار بين NPSHAوNPSHRكمتر از چند فوت است؛لذا بيشتر پمپها به اين پديده دچار مي شوند فلذا بندرت به تغييرات اساسي درجهت حذف اين عامل درپمپ نياز مي گردد.
NPSH مورد نياز پمپ
نزديك به بيست سال است كه سازندگان معتبر پمپ مقدار NPSH مورد نياز پمپ خود را بوسيله يك تست استاندارد مشخص ميكنند.
اين استاندارد مقدار NPSH مورد نياز پمپ را براساس 3درصد افت هد معين ميكند.بعبارت ديگر مقدار انرژي تامين شده براي يك پمپ باعث ايجاد كاهشي به اندازه حداكثر 3درصد در هد كلي مي گردد.
تستهاي اين كارخانجات دريك نرخ جريان ثابت برپايه استاندارد موسسات هيدروليك بوده و نتايج آنها بروي منحني،مشابه منحني ارائه شده درشكل زیرميباشد.
در برخي از پمپهاي خاص كه در كاربردهاي بحراني از آنها استفاده مي شود معمولا گاهي اوقات لازم مي گردد كه مقدارNPSH مورد نياز آنها در 1.0درصد افت هد مشخص گردد.البته موارد نادري هم وجود دارد كه درآنها مقدار NPSH مورد نياز در نقطه آغازين كاويتاسيون(Incipient cavitation)مورد نياز ميگردد.
اين نقطه جايي است كه مي توان صداي تركيدن اولين حباب را بوسيله تجهيزات اندازه گيري صوتي شنيد.ذكر اين نكته لازم است كه اين موارد از جمله استانداردهاي مدون براي انواع پمپها كه توسط بسياري از سازندگان مورد استفاده قرار مي گيرندنمي باشد.اينها فقط مربوط به پمپهاي خاص مي باشند.
كليه سازندگان پمپ محصولات خود را براساس محدوده افت فشار كلي 3درصد جهت تعيين NPSH مورد نياز درنظر مي گيرند.
بنابراين هرسازنده پمپ ميتواند مقدار NPSH مورد نياز توسط پمپهاي خودرا هنگاميكه آن پمپ دريك شرايط ويژه كمتر از هدظرفيت كار مي كند را مشخص نمايد.اما تشخيص اين مطلب بسيار مهم مي باشد؛چون اگر اين مقدار NPSH براي پمپ تامين گردد؛آنگاه پمپ حتما دچار كاويتاسيون مي گردد.
همواره مي توان با ايجاد تغييرات ويا در نظر گرفتن ساير ادوات از ميزانNPSH مورد نياز (NPSHR) كم كرد تا با پديده كاويتاسيون مواجه نگرديم.
تعدادي از اين عوامل عبارتند از:
افزايش مساحت چشم پروانه
افزایش مساحت چشم پروانه می تواند به نوبه خود باعث بروز ایرادات دیگری از جمله چرخش مجدد سیال گردد فلذا استفاده از این گزینه به عنوان راه حل اخر درنظر گرفته می شود.
نصب يك وادار كننده (تحریک كننده (inducer)) درمكش
تحریک کننده درپمپهای سانتریفوز قطعه ای است که بصورت محوری در قسمت جلوی پروانه بر روی روتور نصب شده وهدف از استفاده از این قطعه انستکه این قطعه با چرخش خود باعث افزایش درمیزان هد موجود در قسمت ورودی پمپ میگردد.
اغلب پمپهای سانتریفوژ درقسمت مکش خود دارای سرعتویژه ای بین 8000-12000 می باشند .استفاده از inducer درقسمت مکش پمپ باعث افزایش این مقدار تا محدوده 15000-35000 میگردد.
تعدادي از سازندگان پمپ در قسمت مكش پمپهاي خود از این قطعه استفاده می کنند.البته كاركرد عملي اين گزينه همواره با محدوديت هاي شديدي روبروست.دربرخي از پمپها كه داراي چنين قطعه اي مي باشند بايد توجه داشت که اثرگذاري آن درنرخ هاي جريان كمتر برروي عملكرد پمپ محتمل مي باشد.
استفاده از يك مكش دوبل براي پروانه
چون دراين حالت همواره جريان از دو قسمت در مقابل يكديگر وارد پروانه ميگردد لذا استفاده از مكش دوبل باعث ميگردد كه 67درصد از مقدار NPSH درحالت مكش تكي(درهمان سايز)مورد نياز گردد.اين تغيير مستلزم ايجاد تغييرات در پمپ مي باشد.نمونه ای از یک پروانه با مکش دوبل ومکش تکی درشکل زیر نشان داده شده است.
استفاده از پمپ با سرعت كمتر
يك پمپ با سرعت كمتر به مقدار NPSH كمتري نياز داشته واين تغيير در پمپهاي بسيار بزرگ با پروانه هاي بزرگتر استفاده مي گردد.
در راستاي بكارگيري سرعت كمتر در پمپ لازم است كه تغييراتي در ابعاد پمپ و پروانه جهت حفظ شرایط عملکردی پمپ داده شود به گونه اي كه بايد ابعاد پمپ و پروانه بزرگتر شوند.
استفاده از پمپها ی با ظرفيت كمتر
يك پمپ كوچك با ظرفيت كمتر؛همواره به NPSH كمتري نياز دارد. اما در صورت بكار گيري آن لازم است تاجهت حفظ شرایط عملکردی همواره از تعداد پمپهای بیشتری در فرایند استفاده شود.
استفاده از يك پمپ تقويت كننده (Booster pump)
اين پمپ بايدبلافاصله در قسمت بالادست پمپ اصلي(Main pump) نصب شود.
اين پمپ بايد توانايي عملكرد در همان نرخ جريان را داشته باشد ولی معمولا هد آن کمتر بوده ودرنتیجه به مقدار NPSH كمتري نياز پيدا مي كند.
همانگونه که مشاهده شد برای کاهش مقدار NPSH مورد نیاز پمپ همواره باید تغییراتی را در ساختار پمپ بوجود بیاوریم که این خود مستلزم محدودیتهایی در پمپ نیز خواهد شد فلذا بهترین راه حل ودرواقع تنها راه حل عملی با توجه به مواردي كه در آيتم هاي فوق اشاره گرديدجهت جلوگيري از بروز كاويتاسيون در پمپها افزايش NPSHموجودحاصل از سیستم ميباشد.
NPSH موجود حاصل از سيستم
NPSH موجود حاصل از سيستم شامل چهار مقدار مطلق ميباشد كه اين 4 عامل عبارتند از :
دراين رابطه داريم:
Hs :هداستاتيكي در بالاي خط المركز پروانه
Ha :هد موجود بروي سطح مايع در داخل مخزن مكش
Hvp :معادل فشار بخار مايع
Hf :اتلافات اصطكاكي در لاين مكش پمپ
همانطور كه در شكل ساده زير و معادله فوق نشان داده شده است همواره 2 عامل باعث افزايشNPSHA شده و 2عامل نیز باعث كاهش مقدار آن مي گردد.بنابراين واضح است كه اگر يك پمپ درحال حفره زايي باشد بايد كوشش كرد كه 2 فاكتور اول درفرمول فوق افزايش داده شده ويا دو فاكتور بعدي را كاهش داد.
مجددا تاكيد مي گردد كه وجود يك اختلاف بزرگ درجهت حذف كاويتاسيون درحالت نرمال مورد نياز نبوده و معمولا اختلافي به اندازه چند فوت براي اين قضيه كافي مي باشد.با اين طرز تفكر مي توان هر 4 عامل را در نظر گرفت چون هركدام از آنها با سيستم ورودي پمپ مرتبط مي باشند.
درادامه به بررسي هريك از 4 فاكتور فوق الذكر مي پردازيم:
هد استاتيكي (Hs)
همانگونه كه نشان داده شد براي افزايش مقدار هد استاتيكي مي توان يا پمپ را در سطح پائين تري قرار داد و يا مخزن مكش را بالاتر برد و درنهايت مي توان با افزايش سطح مايع در درون مخزن ميزان Hs را افزايش داد. جابجا كردن پمپ ويا مخزن همواره مشكل بوده و انجام آنها مستلزم صرف هزينه هاي زيادي مي باشد.درصورتي كه بالا بردن سطح مايع دردرون مخزن از جمله راه حلهاي ساده و مقرون به صرفه بوده و مي تواند اين معضل را برطرف نمايد.
البته اگر مخزن مكش درمجاورت رودخانه يا درياچه باشد؛آنگاه هيچگونه كنترلي بر روي ارتفاع سطح مايع نبوده و به تبع آن هيچگونه كنترلي نيز برروي Hsصورت نمي گيرد.مشكل ديگر دراين رابطه وجود نوسانات زياد درسطح مايع بوده كه در اثر بالا و پائين رفتن مايع بوجود مي آيد.البته اين حالت نيز در حالتي كه مخزن مكش به يك رودخانه يا درياچه متصل باشد روي مي دهد.
اگر پمپ در بالاي سطح مخزن مكش قرار گرفته باشد؛آنگاه مقدار هد استاتيكي منفي ميگردد ولي ساير مواردي كه در بالا بحث شد داراي همان مقادير قبلي خواهند بود.شكل زير را ببينيد:
فشار سطح (Ha)
درصورتي كه مخزن اصلي مكش، بخشي از آبي باشد كه در مقابل كنترل شدن مقاومت كند آنگاه ميزان فشار وارده بر سطح نيز تغيير مي كند.اين وضعيت مي تواند امكان پذير گردد اما اگر مخزن مكش بگونه اي درنظر گرفته شود كه داراي فشار گرديده ويا يك گاز مانند نيتروژن دربالاي آن قرار گيرد(Nitrogen blanket)آنگاه مقدار فشار وارده برسطح نيز تغيير خواهد كرد.
هردو حالت مذكور باعث بروز محدوديتهايي در سرويسهاي ويژه خواهند شد.به عنوان مثال افزايش فشار در داخل يك مخزن گازدار ؛ مي تواند تمامي وظايف آن مخزن را مختل كند؛لذا اين راه حل بعنوان يك راه حل غير عملي دراين گونه موارد قلمداد مي گردد.اما چون فشار وارده برسطح نيز از جمله عوامل دخيل درفرمول NPSH ميباشد؛لذا درنظر گرفتن برخي الزامات درهنگام بكارگيري آن بايد رعايت گردد.
فشار بخار (Vapor pressure (Hvp) )
تنها راه كاهش فشار بخار دريك مايع كاهش مقدار درجه حرارت آن مي باشد.
البته در بيشتر موارد عملكردي؛انجام اين كار غير قابل قبول بوده و بايد از آن صرف نظر كرد.همچنين تغيير در اندازه دما باعث ايجاد يك اختلاف محسوس در NPSHA خواهد شدكه اين نيزخودباعث عدم كارآيي؛اين روش ميگردد. اتلافات اصطكاكي (friction losses (Hf))
لاين ورودي پمپ از جمله مناطقي است كه همواره بيشترين مشكلات را در نصب اين تجهيزات به خود اختصاص مي دهد.البته با بكارگيري مواردي در بهبود اين منطقه ميتوان آنرا اصلاح نمود.
ازجمله راه حل هاي موثر در كاهش اتلافات اصطكاكي در لاين ورودي به پمپ آنستكه حتي المقدور طول اين لاين كوتاه درنظر گرفته شود.كوتاه شدن اين طول در كاهش اتلافات اصطكاكي نقش بسزايي خواهد داشت.البته كوتاه تر شدن لاين ورودي مي تواند باعث بروز اغتشاش (Turbulence) در جريان ورودي شده و نهايتا منجر به كاويتاسيون در پمپ گردد.لذا جهت جلوگيري از چنين مواردي طول لاين ورودي به پمپ بايد لايني مستقيم بوده كه طول آن به اندازه 5تا10 برابر قطر لاين باشد.
موثرترين روش در كاهش مقدار اتلافات ناشي از اصطكاك در قسمت مكش پمپ؛افزايش سايز لاين مكش مي باشد.
به عنوان مثال اگر سايز لاين ورودي از 12اينچ به 14 اينچ تغيير كند آنگاه از ميزان اتلافات اصطكاكي به مقدار 50درصد كاسته خواهد شد.همچنين اگر سايز ورودي پمپ از 6 اينچ به 8 اينچ تغيير كند؛آنگاه از مقدار اتلافات اصطكاكي به مقدار 75 درصد كاسته مي شود.اتلافات اصطكاكي را با بكارگيري همان سايز لاين ورودي ولي با استفاده از زانويي هايي با شعاع بزرگ(Long sweep elbows) ويا تعويض انواع ولوها در مسير ورودي ويا كاهش تعداد آنها نيز ميتوان به حداقل رساند.بكارگيري انواع صافي ها(strainers) درقسمت مكش پمپ در سايتهاي جديد كه در آستانه راه اندازي مي باشند نيز مي تواند باعث افزايش ميزان اتلافات اصطكاكي گردد.مسدود شدن سبد موجود درصافي مي تواند اتلافات ناشي از اصطكاك را تا يك سطح غيرقابل پذيرش افزايش دهد.
نمونه اي از محاسبه NPSHA
هد استاتيك (Hs)
فاصله عمودي بين ارتفاع سطح آزاد مايع در مخزن مكش تا خط المركز افقي پروانه بعنوان هداستاتيكي شناخته مي شود.
Hs=45ft
فشارسطح (Ha)
هدمطلق موجود برسطح مايع در مخزن تامين مايع
فشار بخار(Hvp)
اتلاف ناشي از اصطكاك (Hf)
اتلافات موجود در پايپينگ براساس نرخ جريان340gpm
(بااستناد از جداول مربوط به اتلاف اصطكاكي براي لاين 6 اينچ :0.806 فوت در 100 متر طول لوله
اتلافات ناشي از اتصالات و شيرها براساس نرخ جريان 340gpm (با استناد از جداول مربوط به ضريب مقاومت و اتلافات اصطكاكي)
سرعت ويژه مكش پمپ (Suction specific speed)
دربسياري از صنايع؛مفهوم سرعت ويژه مكش بعنوان مقايسه اي بين نرخ جريان ایده ال و سرعت چرخشي پمپ با مقدار NPSH مورد نياز درهمان نرخ جريان می باشد.
دراين رابطه داريم :
سرعت ويژه مكش از اطلاعات موجود برروي منحني عملكرد پمپ كه توسط سازنده تهيه گرديده محاسبه مي شود.اين سرعت فقط درنقطه بازدهي بهينه(BEP) محاسبه شده كه اين نقطه نيز معمولا در بزرگترين قطر پروانه روي مي دهد.
اين نقطه جايي است كه مي توان صداي تركيدن اولين حباب را بوسيله تجهيزات اندازه گيري صوتي شنيد.ذكر اين نكته لازم است كه اين موارد از جمله استانداردهاي مدون براي انواع پمپها كه توسط بسياري از سازندگان مورد استفاده قرار مي گيرندنمي باشد.اينها فقط مربوط به پمپهاي خاص مي باشند.
كليه سازندگان پمپ محصولات خود را براساس محدوده افت فشار كلي 3درصد جهت تعيين NPSH مورد نياز درنظر مي گيرند.
بنابراين هرسازنده پمپ ميتواند مقدار NPSH مورد نياز توسط پمپهاي خودرا هنگاميكه آن پمپ دريك شرايط ويژه كمتر از هدظرفيت كار مي كند را مشخص نمايد.اما تشخيص اين مطلب بسيار مهم مي باشد؛چون اگر اين مقدار NPSH براي پمپ تامين گردد؛آنگاه پمپ حتما دچار كاويتاسيون مي گردد.
همواره مي توان با ايجاد تغييرات ويا در نظر گرفتن ساير ادوات از ميزانNPSH مورد نياز (NPSHR) كم كرد تا با پديده كاويتاسيون مواجه نگرديم.
تعدادي از اين عوامل عبارتند از:
افزايش مساحت چشم پروانه
افزایش مساحت چشم پروانه می تواند به نوبه خود باعث بروز ایرادات دیگری از جمله چرخش مجدد سیال گردد فلذا استفاده از این گزینه به عنوان راه حل اخر درنظر گرفته می شود.
نصب يك وادار كننده (تحریک كننده (inducer)) درمكش
تحریک کننده درپمپهای سانتریفوز قطعه ای است که بصورت محوری در قسمت جلوی پروانه بر روی روتور نصب شده وهدف از استفاده از این قطعه انستکه این قطعه با چرخش خود باعث افزایش درمیزان هد موجود در قسمت ورودی پمپ میگردد.
اغلب پمپهای سانتریفوژ درقسمت مکش خود دارای سرعتویژه ای بین 8000-12000 می باشند .استفاده از inducer درقسمت مکش پمپ باعث افزایش این مقدار تا محدوده 15000-35000 میگردد.
تعدادي از سازندگان پمپ در قسمت مكش پمپهاي خود از این قطعه استفاده می کنند.البته كاركرد عملي اين گزينه همواره با محدوديت هاي شديدي روبروست.دربرخي از پمپها كه داراي چنين قطعه اي مي باشند بايد توجه داشت که اثرگذاري آن درنرخ هاي جريان كمتر برروي عملكرد پمپ محتمل مي باشد.
استفاده از يك مكش دوبل براي پروانه
چون دراين حالت همواره جريان از دو قسمت در مقابل يكديگر وارد پروانه ميگردد لذا استفاده از مكش دوبل باعث ميگردد كه 67درصد از مقدار NPSH درحالت مكش تكي(درهمان سايز)مورد نياز گردد.اين تغيير مستلزم ايجاد تغييرات در پمپ مي باشد.نمونه ای از یک پروانه با مکش دوبل ومکش تکی درشکل زیر نشان داده شده است.
استفاده از پمپ با سرعت كمتر
يك پمپ با سرعت كمتر به مقدار NPSH كمتري نياز داشته واين تغيير در پمپهاي بسيار بزرگ با پروانه هاي بزرگتر استفاده مي گردد.
در راستاي بكارگيري سرعت كمتر در پمپ لازم است كه تغييراتي در ابعاد پمپ و پروانه جهت حفظ شرایط عملکردی پمپ داده شود به گونه اي كه بايد ابعاد پمپ و پروانه بزرگتر شوند.
استفاده از پمپها ی با ظرفيت كمتر
يك پمپ كوچك با ظرفيت كمتر؛همواره به NPSH كمتري نياز دارد. اما در صورت بكار گيري آن لازم است تاجهت حفظ شرایط عملکردی همواره از تعداد پمپهای بیشتری در فرایند استفاده شود.
استفاده از يك پمپ تقويت كننده (Booster pump)
اين پمپ بايدبلافاصله در قسمت بالادست پمپ اصلي(Main pump) نصب شود.
اين پمپ بايد توانايي عملكرد در همان نرخ جريان را داشته باشد ولی معمولا هد آن کمتر بوده ودرنتیجه به مقدار NPSH كمتري نياز پيدا مي كند.
همانگونه که مشاهده شد برای کاهش مقدار NPSH مورد نیاز پمپ همواره باید تغییراتی را در ساختار پمپ بوجود بیاوریم که این خود مستلزم محدودیتهایی در پمپ نیز خواهد شد فلذا بهترین راه حل ودرواقع تنها راه حل عملی با توجه به مواردي كه در آيتم هاي فوق اشاره گرديدجهت جلوگيري از بروز كاويتاسيون در پمپها افزايش NPSHموجودحاصل از سیستم ميباشد.
NPSH موجود حاصل از سيستم
NPSH موجود حاصل از سيستم شامل چهار مقدار مطلق ميباشد كه اين 4 عامل عبارتند از :
دراين رابطه داريم:
Hs :هداستاتيكي در بالاي خط المركز پروانه
Ha :هد موجود بروي سطح مايع در داخل مخزن مكش
Hvp :معادل فشار بخار مايع
Hf :اتلافات اصطكاكي در لاين مكش پمپ
همانطور كه در شكل ساده زير و معادله فوق نشان داده شده است همواره 2 عامل باعث افزايشNPSHA شده و 2عامل نیز باعث كاهش مقدار آن مي گردد.بنابراين واضح است كه اگر يك پمپ درحال حفره زايي باشد بايد كوشش كرد كه 2 فاكتور اول درفرمول فوق افزايش داده شده ويا دو فاكتور بعدي را كاهش داد.
مجددا تاكيد مي گردد كه وجود يك اختلاف بزرگ درجهت حذف كاويتاسيون درحالت نرمال مورد نياز نبوده و معمولا اختلافي به اندازه چند فوت براي اين قضيه كافي مي باشد.با اين طرز تفكر مي توان هر 4 عامل را در نظر گرفت چون هركدام از آنها با سيستم ورودي پمپ مرتبط مي باشند.
درادامه به بررسي هريك از 4 فاكتور فوق الذكر مي پردازيم:
هد استاتيكي (Hs)
همانگونه كه نشان داده شد براي افزايش مقدار هد استاتيكي مي توان يا پمپ را در سطح پائين تري قرار داد و يا مخزن مكش را بالاتر برد و درنهايت مي توان با افزايش سطح مايع در درون مخزن ميزان Hs را افزايش داد. جابجا كردن پمپ ويا مخزن همواره مشكل بوده و انجام آنها مستلزم صرف هزينه هاي زيادي مي باشد.درصورتي كه بالا بردن سطح مايع دردرون مخزن از جمله راه حلهاي ساده و مقرون به صرفه بوده و مي تواند اين معضل را برطرف نمايد.
البته اگر مخزن مكش درمجاورت رودخانه يا درياچه باشد؛آنگاه هيچگونه كنترلي بر روي ارتفاع سطح مايع نبوده و به تبع آن هيچگونه كنترلي نيز برروي Hsصورت نمي گيرد.مشكل ديگر دراين رابطه وجود نوسانات زياد درسطح مايع بوده كه در اثر بالا و پائين رفتن مايع بوجود مي آيد.البته اين حالت نيز در حالتي كه مخزن مكش به يك رودخانه يا درياچه متصل باشد روي مي دهد.
اگر پمپ در بالاي سطح مخزن مكش قرار گرفته باشد؛آنگاه مقدار هد استاتيكي منفي ميگردد ولي ساير مواردي كه در بالا بحث شد داراي همان مقادير قبلي خواهند بود.شكل زير را ببينيد:
فشار سطح (Ha)
درصورتي كه مخزن اصلي مكش، بخشي از آبي باشد كه در مقابل كنترل شدن مقاومت كند آنگاه ميزان فشار وارده بر سطح نيز تغيير مي كند.اين وضعيت مي تواند امكان پذير گردد اما اگر مخزن مكش بگونه اي درنظر گرفته شود كه داراي فشار گرديده ويا يك گاز مانند نيتروژن دربالاي آن قرار گيرد(Nitrogen blanket)آنگاه مقدار فشار وارده برسطح نيز تغيير خواهد كرد.
هردو حالت مذكور باعث بروز محدوديتهايي در سرويسهاي ويژه خواهند شد.به عنوان مثال افزايش فشار در داخل يك مخزن گازدار ؛ مي تواند تمامي وظايف آن مخزن را مختل كند؛لذا اين راه حل بعنوان يك راه حل غير عملي دراين گونه موارد قلمداد مي گردد.اما چون فشار وارده برسطح نيز از جمله عوامل دخيل درفرمول NPSH ميباشد؛لذا درنظر گرفتن برخي الزامات درهنگام بكارگيري آن بايد رعايت گردد.
فشار بخار (Vapor pressure (Hvp) )
تنها راه كاهش فشار بخار دريك مايع كاهش مقدار درجه حرارت آن مي باشد.
البته در بيشتر موارد عملكردي؛انجام اين كار غير قابل قبول بوده و بايد از آن صرف نظر كرد.همچنين تغيير در اندازه دما باعث ايجاد يك اختلاف محسوس در NPSHA خواهد شدكه اين نيزخودباعث عدم كارآيي؛اين روش ميگردد. اتلافات اصطكاكي (friction losses (Hf))
لاين ورودي پمپ از جمله مناطقي است كه همواره بيشترين مشكلات را در نصب اين تجهيزات به خود اختصاص مي دهد.البته با بكارگيري مواردي در بهبود اين منطقه ميتوان آنرا اصلاح نمود.
ازجمله راه حل هاي موثر در كاهش اتلافات اصطكاكي در لاين ورودي به پمپ آنستكه حتي المقدور طول اين لاين كوتاه درنظر گرفته شود.كوتاه شدن اين طول در كاهش اتلافات اصطكاكي نقش بسزايي خواهد داشت.البته كوتاه تر شدن لاين ورودي مي تواند باعث بروز اغتشاش (Turbulence) در جريان ورودي شده و نهايتا منجر به كاويتاسيون در پمپ گردد.لذا جهت جلوگيري از چنين مواردي طول لاين ورودي به پمپ بايد لايني مستقيم بوده كه طول آن به اندازه 5تا10 برابر قطر لاين باشد.
موثرترين روش در كاهش مقدار اتلافات ناشي از اصطكاك در قسمت مكش پمپ؛افزايش سايز لاين مكش مي باشد.
به عنوان مثال اگر سايز لاين ورودي از 12اينچ به 14 اينچ تغيير كند آنگاه از ميزان اتلافات اصطكاكي به مقدار 50درصد كاسته خواهد شد.همچنين اگر سايز ورودي پمپ از 6 اينچ به 8 اينچ تغيير كند؛آنگاه از مقدار اتلافات اصطكاكي به مقدار 75 درصد كاسته مي شود.اتلافات اصطكاكي را با بكارگيري همان سايز لاين ورودي ولي با استفاده از زانويي هايي با شعاع بزرگ(Long sweep elbows) ويا تعويض انواع ولوها در مسير ورودي ويا كاهش تعداد آنها نيز ميتوان به حداقل رساند.بكارگيري انواع صافي ها(strainers) درقسمت مكش پمپ در سايتهاي جديد كه در آستانه راه اندازي مي باشند نيز مي تواند باعث افزايش ميزان اتلافات اصطكاكي گردد.مسدود شدن سبد موجود درصافي مي تواند اتلافات ناشي از اصطكاك را تا يك سطح غيرقابل پذيرش افزايش دهد.
نمونه اي از محاسبه NPSHA
هد استاتيك (Hs)
فاصله عمودي بين ارتفاع سطح آزاد مايع در مخزن مكش تا خط المركز افقي پروانه بعنوان هداستاتيكي شناخته مي شود.
Hs=45ft
فشارسطح (Ha)
هدمطلق موجود برسطح مايع در مخزن تامين مايع
فشار بخار(Hvp)
اتلاف ناشي از اصطكاك (Hf)
اتلافات موجود در پايپينگ براساس نرخ جريان340gpm
(بااستناد از جداول مربوط به اتلاف اصطكاكي براي لاين 6 اينچ :0.806 فوت در 100 متر طول لوله
اتلافات ناشي از اتصالات و شيرها براساس نرخ جريان 340gpm (با استناد از جداول مربوط به ضريب مقاومت و اتلافات اصطكاكي)
سرعت ويژه مكش پمپ (Suction specific speed)
دربسياري از صنايع؛مفهوم سرعت ويژه مكش بعنوان مقايسه اي بين نرخ جريان ایده ال و سرعت چرخشي پمپ با مقدار NPSH مورد نياز درهمان نرخ جريان می باشد.
دراين رابطه داريم :
سرعت ويژه مكش از اطلاعات موجود برروي منحني عملكرد پمپ كه توسط سازنده تهيه گرديده محاسبه مي شود.اين سرعت فقط درنقطه بازدهي بهينه(BEP) محاسبه شده كه اين نقطه نيز معمولا در بزرگترين قطر پروانه روي مي دهد.
بنابراين يك منحني تنها نمي تواند به عنوان يك مرجع خوب دراين زمينه بوده و بايدمنحني هاي مركب پمپ كه شامل منحني پمپ با پروانه های با قطر متفاوت مي باشد مورد استفاده قرار بگيرند.
هنگاميكه در يك پمپ از پروانه با مكش دوبل(double suction impeller) استفاده ميشود لازم است كه مقدار جريان مندرج درفرمول فوق بر2 تقسيم گردد.
زيرا مقصود اصلي مقايسه عملكرد درهرچشم پروانه مجزا مي باشد.در بيشتر كاربردها توانايي استفاده از يك پمپ با NPSHR كم در طراحي فيزيكي سيستم بسيار سودمند مي باشد اما ثابت شده است كه اين كار مي تواند باعث بروز پديده چرخش مجدد(Recirculation) در پروانه گردد.سرعت ويژه مكش يك روش مناسب در تشخيص شرايطي همچون شرايط فوق ميباشد.
هنگاميكه مقدار NPSHمورد نياز كاهش يابد آنگاه مقدار سرعت ويژه مكش افزايش خواهد يافت.اماهنگاميكه سرعت ويژه مكش از مقدار 11000 تجاوز نمايد ،از قابليت اطمينان پمپ كاسته مي شود.
شرايط و وضعيت هايگمراه كننده (Confusing conditions)
از جمله دلايلي كه باعث ادامه پيدا كردن پدیده كاويتاسيون میگردد آنستكه؛علامات مشخصه اين پديده در سه وضعيت و شرايطی بروز مي كند كه اين شرايط ممكن است كه باعث گمراهي گردد.اين وضعيتها عبارتند از:
چرخش مجدد در قسمت مكش(suction Recirculation)
چرخش مجدد در خروجي(Discharge Recirculation)
وياشرايطي كه حبابهاي بخارقبل از اينكه مايع به پمپ برسد به درون آن راه پيدا ميكنندكه به اين پديده(Air Entrainment) ميگويند.
حال اين شرايط را مورد بررسي قرار مي دهيم:
چرخش مجدد سیال در قسمت مكش پمپ
این شرایط حاصل ازناپایداری بوجود امده در اثر مواردی همچون اغتشاش درجریان(Turbulence)، جریان برگشتی چرخشی (backflow circulation)وچرخش گردابی(swirling actions)بوده وتمامی این موارد هنگامی بروز میکنند که پمپ در یک ظرفیت (دبی) کم کارکند.گاهی اوقات به اين وضعيت جداشدگي(separation)ويا كاويتاسيون هيدروديناميكي نيز گفته وبگونه ای است که جریانها تمایل دارند در دبی های کم ،بر روی خودشان بر گشت داشته باشند.
متاسفانه نرخ جرياني كه دراين وضعيت ايجاد مي گردد از يك پروانه تا پروانه بعدي متفاوت خواهد بود.بيشتر آنها درجريانهايي كه مقدار آنها كمتر از 30 درصد نقطه B.E.P بوده ايجاد مي گردند.درحالیکه این نرخ جریان می بایست بیش از 80 درصد نقطه B.E.P قرار بگیرد.
در صنايع پتروشيمي عمده پديده چرخش مجدد درقسمت چشم پروانه رخ مي دهد درحالي كه در صنايع ديگر معمولا صدمات ناشي ازاين پديده نظير سوراخ شدن((pitting در طول پره ها بوجود مي آيد.(شكل زير را ببينيد).
پس بطور كلي پديده چرخش مجدد درقسمت مكش هنگامي روي ميدهد كه پمپ با يك حداقل جريان كار كند.از جمله صدمات ناشي از اين پديده مي توان به سوراخ شدگي در طول پره هاي پروانه اشاره كرد.
چرخش مجدد جریان در قسمت خروجي پمپ
اين پديده هنگامي ايجاد ميگردد كه لبه نوك تيز پره ها دچار پديده سوراخ شدگي(Pitting) گردد.البته درمواردي كه لبه تيز پوسته درقسمت خروجي نيز صدمه ببيند امكان بروز اين پديده وجود خواهد داشت.
كاركردن پمپ در دبي پائين نيز مي تواند باعث ايجاد اين وضعيت گردد.از جمله دلايلي كه باعث بروز پديده چرخش مجدد بين لبه پره هاي پروانه و لبه تيز پوسته مي گردد؛نامناسب بودن مقدار لقي شعاعي (Radial clearance) بين اين نقاط مي باشد.
ورود حبابهاي هوا (Air Entrainment)
اين پديده درشرايطي بوجود می اید که حباب هاي هوا قبل از اين كه مايع به درون پمپ برسد به درون پمپ وارد مي گردند.هنگاميكه اين حباب ها وارد چشم پروانه مي شوند؛دقيقا همان وضعيتي روي ميدهد كه اين حبابها درآن قسمت ايجاد گرديده اند.بعبارت ديگر باورود حبابهاي موجود در مايع به ناحيه چشم پروانه دقيقا همان وضعيت به وقوع مي پيوندد كه حبابهاي هوا دراين قسمت بوجود آمده اند.
اين حبابها در نقطه شروع پره ها در معرض افزايش فشار قرار گرفته و مي تركند.
اين تركيدن باعث بروز صدماتي نظير كاويتاسيون درهمان نقطه ميگردد.
اين وضعيت اغلب در پمپاژ مايعاتي نظير مخمرها ويا فوم هاي پاك كننده كه دراغلب صنايع مورد استفاده قرار ميگيرند روي ميدهد.همچنين اين شرايط مي تواند در پمپاژ مايعاتي نظير ميعانات (Condensation) كه اين مايعات به نقطه جوش نزديك هستند روي ميدهد.اما وجود هوا در مايع در اغلب موارد باعث بروز اغتشاش در لاين مكش پمپ ويا حتي در منبع مكش پمپ مي گردد.
بعنوان مثال وضعيت نشان داده شده در شكل زير باعث بروز اغتشاش در مخزن مكش پمپ شده و نهايتا باعث كشيده شدن حبابهاي هوا از داخل مخزن مكش به داخل لاين مكش ميگردد.
همچنين اگر درداخل مخزن مكش يك پمپ از ميكسر يا مخلوط كننده اي استفاده شود اين وضعيت(Air Entrainment) ميتواند بوجود بيايد.
اگر در داخل اين قبيل مخازن از اعوجاج گير يا موج گيرهاي ويژه اي استفاده شود (baffles) آنگاه اثرات حاصله از اين ميكسرها برروي جريان به حداقل مقدار خود نزديك مي شوند.اگر درلاين مكش پمپ از زانويي هاي متعددي استفاده شود آنگاه اين وضعيت باعث بروز اغتشاش درلاين مكش پمپ ميگردد.حتي قرارگيري تنها يك زانويي بصورت مستقيم برروي فلنج لاين مكش كافيست تا جريان دچار اغتشاش گرديده و نهايتا منجر به نفوذ هوا در داخل مايع و نهايتا به داخل پمپ ميگردد.اگر در قسمت ورودي پمپ دو زانويي نزديك به يكديگر (ولي درسطوح متفاوت)قرار گرفته باشند؛آنگاه مايع خروجي از زانويي دوم بصورت يك جريان گردابي بوده و منجر به بروز اغتشاشاتي درلاين خواهد شد.اين اغتشاشات باعث ايجاد مشكلاتي همانند به همراه بردن هوا به داخل پمپ را بوجود اورده و منجر به بخارزايي در پمپ مي شود.
ايده آل ترين موقعيت لاين مكش آنستكه اين لاين اولا بصورت كاملا مستقيم بوده (بدون هيچگونه زانويي) و ثانيا طول آن معادل 5تا10 برابر قطر لايني كه بين اولين كاهنده در ورودي پمپ(Reducer) و اولين قسمت خروجي از مخزن مكش ميباشد درنظر گرفته شود.شكل زير را ببينيد.
اين نوع قرارگيري باعث ورود جرياني يكنواخت به داخل چشم پروانه گرديده واز هرنوع اغتشاش درجريان ورودي به پمپ جلوگيري مي گردد.
بهمراه بردن هوا به داخل پمپ(Air Entrainment) سبب بروز صدماتي نظير سوراخ شدگي و حفره دار شدن پروانه(Pitting)ميگردد. اين صدمات دقيقا درهمان محلي كه كاويتاسيون به وقوع مي پيوندد روي ميدهند.اين موضوع مي تواند در مواردي باعث گيج شدن افراد گرديده كه اين ايراد برروي چشم پروانه براثر كاويتاسيون بوجود آمده ويا دراثر همراه بردن هوا به داخل پمپ پديد آمده است.تشخيص اين موضوع هنگاميكه هردوي اين ايرادات بصورت همزمان دريك سرويس بوجود مي آيند مشكل تر مي شود.اما در چنين مواردي با مقايسه سريع بين NPSHA و NPSHR و تركيب اين مقايسه با مشخصات و ويژگيهاي ظاهري پايپينگ مي توان ريشه ايراد را مشخص كرد و فهميد كه اين ايراد مربوط به كاويتاسيون است ويا در اثر ورودهوا به همراه مايع به داخل چشم پروانه روي داده است.
تشابهات و اختلافات (Similarities & differences)
پديده هاي كاويتاسيون؛به همراه بردن هوا با مايع به داخل پمپ و چرخش مجدد(Recirculation) باعث بروز خوردگي وسوراخ شدن پروانه گردیده كه اين حالات دراثر تشكيل حباب ودرنهايت تركيدن آنها در پروانه بوجود مي آيند. اختلاف بين اين سه درحقیقتبه موقعيت شكل گيري حبابهامربوط بوده و همانطور كه درشكل زير نشان داده شده؛موقعيت فرم گيري حبابها ونهايتا تركيدن آنها منجر به بروز يكي از سه وضعيت مذكور مي گردد.
هنگاميكه شدت هريك از موارد سه گانه فوق تشديد گردیده و افزايش يابد آنگاه ميزان سروصدا ؛ارتعاشات و صدمات وارده برپروانه نيز افزايش خواهد يافت.درچنين شرايطي پديده خوردگي و سوراخ شدگي در چشم پروانه گسترش پيدا كرده وسطح پروانه را نيز دربر گرفته و در مواردي ممكن است برخي از نواحي پوسته را نيز دربر بگيرد.برخي علامات و نشانه هاي حاصله از ايرادات فوق مشابه يكديگر بوده و لذا امكان عيب يابي نادرست دراين خصوص وجود دارد.اما چون هريك ازاين ايرادات در وضعيتهاي مجزايي روي مي دهند لذا مي توان با تمركز بر روي اين حالات ؛ ميزان دقت در عيب يابي آنها را افزايش داد.
بايد توجه داشت كه اثرات مخرب اين شرايط برروي پروانه تنها يكي از صدمات وارده مي باشد.اين شرايط باعث بروز ارتعاشات(Vibration) گرديده و اثرات اين ارتعاشات بروي آب بندها ويا ياتاقانها(bearing) از جمله ساير آثار مخرب وارده مي باشد.
راه اندازی اولیه (Priming)
ازجمله دیگر شرايط و وضعيتهاي مهمي كه در مكش پمپ روي ميدهد هنگامي است كه مكش پمپ از درون مخزني كه از سطح پمپ پائين تر است انجام مي گيرد.
بعبارت ديگر مكش پمپ با بالاكشيدن مايع صورت مي گيرد.(suction Lift).
درچنين وضعيتي ؛هنگاميكه پمپ متوقف ميگردد ؛آنگاه مايع موجود در لوله مكش با توجه به وزن ثقلي خود تمايل دارد به درون مخزن برگردد.چنين وضعيتي باعث تخليه لاين مكش پمپ مي گردد.اگر دراين حالت مجددا پمپ راه اندازي گردد آنگاه بايد قادر باشد هواي موجود در لاين مكش را كه جايگزين مايع گرديده حركت دهد.دراين حالت چون وظيفه پمپ جابجايي مايع بوده و توانايي انتقال گاز يا هوا را ندارد لذا ادامه كار پمپ با مشكل روبرو خواهد شد. عمومي ترين روش برطرف كردن اين ايراد؛استفاده از پمپهايي با ويژگي خودراه انداز اوليه(self-priming) مي باشد.
دراين پمپها هرگونه هواي موجود درلاين مكش باعث بروز ايراد درآنها نگرديده و مي توانند پس از استارت مجدد؛به كار خود ادامه دهند.
برروي پوسته اين پمپها مخزني چدني بصورت يكپارچه تعبيه گرديده كه درداخل اين مخزن حجم قابل ملاحظه اي از مايعي كه پمپاژ مي شود ذخيره گرديده است.درشكل زير نمونه اي از اين پمپها نشان داده شده است.
هنگاميكه پمپ مجددا راه اندازي گرديد مايع موجود در مخزن چدني را به حركت درآورده وچرخش اين مايع در درون پمپ باعث مي گردد كه هواي موجود درلاين مكش بصورت عادي از درون پمپ عبور كرده و مايع جايگزين آن مي گردد.
لذا پمپ پس از اين حالت شرايط نرمال خود را پيدا ميكند.درشكل شماتيك زير قرارگيري اين پمپها نشان داده شده است.
چيدمان درپمپ خود راه انداز (self-priming pump layout)
چيدمان تجهيزات دراين پمپها به گونه ايست كه معمولا در قسمت پائين انتهاي لاين مكش از يك شيريكطرفه استفاده مي كنند.
اين ولو از جريان مايع از داخل پمپ به مخزن در هنگام توقف پمپ جلوگيري مي كند.
پمپ گريز از مركز به همراه مخزن جهت راه انداز اولیه
اين مخزن در پمپهاي self priming pump شبيه يك تله براي مكش پمپ عمل مي كند.(suction trap) .
سايزينگ اين مخزن بايد به گونه اي باشد كه ظرفيتي معادل 3 برابر حجم موجود درلاين مكش درآن ذخيره گردد.
هنگاميكه پمپ جهت تخليه اين مخزن شروع به كار ميكند؛اين شروع باعث ايجاد يك فضاي خلاء درمخزن شده و همين خلاء كافي است تا مايع از درون لاين مكش به بالا كشيده شده و قبل از اينكه مخزن از مايع خالي گردد اين مايع به درون آن راه پيدا كرده است.درطول اين كارNPSH تامين شده براي پمپ بوسيله مخزن كافي خواهد بود.
سيستم بيرون انداز بوسيله هوا (Air ejector system)
جهت تخليه لاين مكش پمپ كه بجاي مايع از هوا پرشده است مي توان ازيك سيستم بيرون انداز هوا كه به يك كمپرسور هوا متصل است ؛استفاده كرد.
همانگونه كه در شكل زير نشان داده شده است هنگامي كه هوا بوسيله يك كمپرسور به داخل لاين مكش تزريق گرديد؛اين كار باعث ايجاد خلاء در لاين گرديده و نهايتا پس از تخليه هوا به داخل مخزن مكش، بايد مايع به درون لاين جهت پر كردن خلاء حركت كند.همين كار باعث ميگردد لاين مكش پمپ در لحظه استارت از هوا خالي شده و مايع جايگزين آن گردد.
غوطه وري (submergence)
غوطه وري عبارت است از اختلاف ارتفاع استاتيكي بين سطح آزاد مايع و خط المركز پروانه دريك وضعيتي كه محور پمپ بصورت عمودي قرار گرفته باشد.
غوطه وري ناكافي باعث ايجاد جريانهاي گردابي(Vortics) گرديده وباعث ميگردند كه هوا به داخل پمپ كشيده شده و درنتيجه همين عامل باعث افزايش ارتعاشات درپمپ شده و از عمر مفيد پمپ كاسته شود.غوطه وري مورد نياز پمپ كاملا بستگي به مقدار NPSH مورد نياز توسط پمپ دارد.
دربسياري از موارد طراحي نامناسب مخزن انبارش مايعات (sump) جهت پمپاژ باعث بروز مشكلات عديده اي براي پمپ ميگردد اما براي بسياري از اين مخازن كه برپايه استاندارد موسسه هيدروليك مي باشند همواره راهنمايي هايي جهت نوع قرارگيري پمپ و لقي هاي مجاز بين پمپها؛ديوارها و... ارائه ميگردد.
از جمله ملزومات اصلي در طراحي يك مخزن انبارش مايعات جهت پمپاژ آنستكه هيچگاه نبايد در درون اين مخازن لبه هاي تيزي وجود داشته باشد.اين لبه هاي تيز باعث چرخش مايعات ويا توقف آنها شده و ممكن است توليد جريان گردابي كند.
هنگاميكه در يك پمپ از پروانه با مكش دوبل(double suction impeller) استفاده ميشود لازم است كه مقدار جريان مندرج درفرمول فوق بر2 تقسيم گردد.
زيرا مقصود اصلي مقايسه عملكرد درهرچشم پروانه مجزا مي باشد.در بيشتر كاربردها توانايي استفاده از يك پمپ با NPSHR كم در طراحي فيزيكي سيستم بسيار سودمند مي باشد اما ثابت شده است كه اين كار مي تواند باعث بروز پديده چرخش مجدد(Recirculation) در پروانه گردد.سرعت ويژه مكش يك روش مناسب در تشخيص شرايطي همچون شرايط فوق ميباشد.
هنگاميكه مقدار NPSHمورد نياز كاهش يابد آنگاه مقدار سرعت ويژه مكش افزايش خواهد يافت.اماهنگاميكه سرعت ويژه مكش از مقدار 11000 تجاوز نمايد ،از قابليت اطمينان پمپ كاسته مي شود.
شرايط و وضعيت هايگمراه كننده (Confusing conditions)
از جمله دلايلي كه باعث ادامه پيدا كردن پدیده كاويتاسيون میگردد آنستكه؛علامات مشخصه اين پديده در سه وضعيت و شرايطی بروز مي كند كه اين شرايط ممكن است كه باعث گمراهي گردد.اين وضعيتها عبارتند از:
چرخش مجدد در قسمت مكش(suction Recirculation)
چرخش مجدد در خروجي(Discharge Recirculation)
وياشرايطي كه حبابهاي بخارقبل از اينكه مايع به پمپ برسد به درون آن راه پيدا ميكنندكه به اين پديده(Air Entrainment) ميگويند.
حال اين شرايط را مورد بررسي قرار مي دهيم:
چرخش مجدد سیال در قسمت مكش پمپ
این شرایط حاصل ازناپایداری بوجود امده در اثر مواردی همچون اغتشاش درجریان(Turbulence)، جریان برگشتی چرخشی (backflow circulation)وچرخش گردابی(swirling actions)بوده وتمامی این موارد هنگامی بروز میکنند که پمپ در یک ظرفیت (دبی) کم کارکند.گاهی اوقات به اين وضعيت جداشدگي(separation)ويا كاويتاسيون هيدروديناميكي نيز گفته وبگونه ای است که جریانها تمایل دارند در دبی های کم ،بر روی خودشان بر گشت داشته باشند.
متاسفانه نرخ جرياني كه دراين وضعيت ايجاد مي گردد از يك پروانه تا پروانه بعدي متفاوت خواهد بود.بيشتر آنها درجريانهايي كه مقدار آنها كمتر از 30 درصد نقطه B.E.P بوده ايجاد مي گردند.درحالیکه این نرخ جریان می بایست بیش از 80 درصد نقطه B.E.P قرار بگیرد.
در صنايع پتروشيمي عمده پديده چرخش مجدد درقسمت چشم پروانه رخ مي دهد درحالي كه در صنايع ديگر معمولا صدمات ناشي ازاين پديده نظير سوراخ شدن((pitting در طول پره ها بوجود مي آيد.(شكل زير را ببينيد).
پس بطور كلي پديده چرخش مجدد درقسمت مكش هنگامي روي ميدهد كه پمپ با يك حداقل جريان كار كند.از جمله صدمات ناشي از اين پديده مي توان به سوراخ شدگي در طول پره هاي پروانه اشاره كرد.
چرخش مجدد جریان در قسمت خروجي پمپ
اين پديده هنگامي ايجاد ميگردد كه لبه نوك تيز پره ها دچار پديده سوراخ شدگي(Pitting) گردد.البته درمواردي كه لبه تيز پوسته درقسمت خروجي نيز صدمه ببيند امكان بروز اين پديده وجود خواهد داشت.
كاركردن پمپ در دبي پائين نيز مي تواند باعث ايجاد اين وضعيت گردد.از جمله دلايلي كه باعث بروز پديده چرخش مجدد بين لبه پره هاي پروانه و لبه تيز پوسته مي گردد؛نامناسب بودن مقدار لقي شعاعي (Radial clearance) بين اين نقاط مي باشد.
ورود حبابهاي هوا (Air Entrainment)
اين پديده درشرايطي بوجود می اید که حباب هاي هوا قبل از اين كه مايع به درون پمپ برسد به درون پمپ وارد مي گردند.هنگاميكه اين حباب ها وارد چشم پروانه مي شوند؛دقيقا همان وضعيتي روي ميدهد كه اين حبابها درآن قسمت ايجاد گرديده اند.بعبارت ديگر باورود حبابهاي موجود در مايع به ناحيه چشم پروانه دقيقا همان وضعيت به وقوع مي پيوندد كه حبابهاي هوا دراين قسمت بوجود آمده اند.
اين حبابها در نقطه شروع پره ها در معرض افزايش فشار قرار گرفته و مي تركند.
اين تركيدن باعث بروز صدماتي نظير كاويتاسيون درهمان نقطه ميگردد.
اين وضعيت اغلب در پمپاژ مايعاتي نظير مخمرها ويا فوم هاي پاك كننده كه دراغلب صنايع مورد استفاده قرار ميگيرند روي ميدهد.همچنين اين شرايط مي تواند در پمپاژ مايعاتي نظير ميعانات (Condensation) كه اين مايعات به نقطه جوش نزديك هستند روي ميدهد.اما وجود هوا در مايع در اغلب موارد باعث بروز اغتشاش در لاين مكش پمپ ويا حتي در منبع مكش پمپ مي گردد.
بعنوان مثال وضعيت نشان داده شده در شكل زير باعث بروز اغتشاش در مخزن مكش پمپ شده و نهايتا باعث كشيده شدن حبابهاي هوا از داخل مخزن مكش به داخل لاين مكش ميگردد.
همچنين اگر درداخل مخزن مكش يك پمپ از ميكسر يا مخلوط كننده اي استفاده شود اين وضعيت(Air Entrainment) ميتواند بوجود بيايد.
اگر در داخل اين قبيل مخازن از اعوجاج گير يا موج گيرهاي ويژه اي استفاده شود (baffles) آنگاه اثرات حاصله از اين ميكسرها برروي جريان به حداقل مقدار خود نزديك مي شوند.اگر درلاين مكش پمپ از زانويي هاي متعددي استفاده شود آنگاه اين وضعيت باعث بروز اغتشاش درلاين مكش پمپ ميگردد.حتي قرارگيري تنها يك زانويي بصورت مستقيم برروي فلنج لاين مكش كافيست تا جريان دچار اغتشاش گرديده و نهايتا منجر به نفوذ هوا در داخل مايع و نهايتا به داخل پمپ ميگردد.اگر در قسمت ورودي پمپ دو زانويي نزديك به يكديگر (ولي درسطوح متفاوت)قرار گرفته باشند؛آنگاه مايع خروجي از زانويي دوم بصورت يك جريان گردابي بوده و منجر به بروز اغتشاشاتي درلاين خواهد شد.اين اغتشاشات باعث ايجاد مشكلاتي همانند به همراه بردن هوا به داخل پمپ را بوجود اورده و منجر به بخارزايي در پمپ مي شود.
ايده آل ترين موقعيت لاين مكش آنستكه اين لاين اولا بصورت كاملا مستقيم بوده (بدون هيچگونه زانويي) و ثانيا طول آن معادل 5تا10 برابر قطر لايني كه بين اولين كاهنده در ورودي پمپ(Reducer) و اولين قسمت خروجي از مخزن مكش ميباشد درنظر گرفته شود.شكل زير را ببينيد.
اين نوع قرارگيري باعث ورود جرياني يكنواخت به داخل چشم پروانه گرديده واز هرنوع اغتشاش درجريان ورودي به پمپ جلوگيري مي گردد.
بهمراه بردن هوا به داخل پمپ(Air Entrainment) سبب بروز صدماتي نظير سوراخ شدگي و حفره دار شدن پروانه(Pitting)ميگردد. اين صدمات دقيقا درهمان محلي كه كاويتاسيون به وقوع مي پيوندد روي ميدهند.اين موضوع مي تواند در مواردي باعث گيج شدن افراد گرديده كه اين ايراد برروي چشم پروانه براثر كاويتاسيون بوجود آمده ويا دراثر همراه بردن هوا به داخل پمپ پديد آمده است.تشخيص اين موضوع هنگاميكه هردوي اين ايرادات بصورت همزمان دريك سرويس بوجود مي آيند مشكل تر مي شود.اما در چنين مواردي با مقايسه سريع بين NPSHA و NPSHR و تركيب اين مقايسه با مشخصات و ويژگيهاي ظاهري پايپينگ مي توان ريشه ايراد را مشخص كرد و فهميد كه اين ايراد مربوط به كاويتاسيون است ويا در اثر ورودهوا به همراه مايع به داخل چشم پروانه روي داده است.
تشابهات و اختلافات (Similarities & differences)
پديده هاي كاويتاسيون؛به همراه بردن هوا با مايع به داخل پمپ و چرخش مجدد(Recirculation) باعث بروز خوردگي وسوراخ شدن پروانه گردیده كه اين حالات دراثر تشكيل حباب ودرنهايت تركيدن آنها در پروانه بوجود مي آيند. اختلاف بين اين سه درحقیقتبه موقعيت شكل گيري حبابهامربوط بوده و همانطور كه درشكل زير نشان داده شده؛موقعيت فرم گيري حبابها ونهايتا تركيدن آنها منجر به بروز يكي از سه وضعيت مذكور مي گردد.
هنگاميكه شدت هريك از موارد سه گانه فوق تشديد گردیده و افزايش يابد آنگاه ميزان سروصدا ؛ارتعاشات و صدمات وارده برپروانه نيز افزايش خواهد يافت.درچنين شرايطي پديده خوردگي و سوراخ شدگي در چشم پروانه گسترش پيدا كرده وسطح پروانه را نيز دربر گرفته و در مواردي ممكن است برخي از نواحي پوسته را نيز دربر بگيرد.برخي علامات و نشانه هاي حاصله از ايرادات فوق مشابه يكديگر بوده و لذا امكان عيب يابي نادرست دراين خصوص وجود دارد.اما چون هريك ازاين ايرادات در وضعيتهاي مجزايي روي مي دهند لذا مي توان با تمركز بر روي اين حالات ؛ ميزان دقت در عيب يابي آنها را افزايش داد.
بايد توجه داشت كه اثرات مخرب اين شرايط برروي پروانه تنها يكي از صدمات وارده مي باشد.اين شرايط باعث بروز ارتعاشات(Vibration) گرديده و اثرات اين ارتعاشات بروي آب بندها ويا ياتاقانها(bearing) از جمله ساير آثار مخرب وارده مي باشد.
راه اندازی اولیه (Priming)
ازجمله دیگر شرايط و وضعيتهاي مهمي كه در مكش پمپ روي ميدهد هنگامي است كه مكش پمپ از درون مخزني كه از سطح پمپ پائين تر است انجام مي گيرد.
بعبارت ديگر مكش پمپ با بالاكشيدن مايع صورت مي گيرد.(suction Lift).
درچنين وضعيتي ؛هنگاميكه پمپ متوقف ميگردد ؛آنگاه مايع موجود در لوله مكش با توجه به وزن ثقلي خود تمايل دارد به درون مخزن برگردد.چنين وضعيتي باعث تخليه لاين مكش پمپ مي گردد.اگر دراين حالت مجددا پمپ راه اندازي گردد آنگاه بايد قادر باشد هواي موجود در لاين مكش را كه جايگزين مايع گرديده حركت دهد.دراين حالت چون وظيفه پمپ جابجايي مايع بوده و توانايي انتقال گاز يا هوا را ندارد لذا ادامه كار پمپ با مشكل روبرو خواهد شد. عمومي ترين روش برطرف كردن اين ايراد؛استفاده از پمپهايي با ويژگي خودراه انداز اوليه(self-priming) مي باشد.
دراين پمپها هرگونه هواي موجود درلاين مكش باعث بروز ايراد درآنها نگرديده و مي توانند پس از استارت مجدد؛به كار خود ادامه دهند.
برروي پوسته اين پمپها مخزني چدني بصورت يكپارچه تعبيه گرديده كه درداخل اين مخزن حجم قابل ملاحظه اي از مايعي كه پمپاژ مي شود ذخيره گرديده است.درشكل زير نمونه اي از اين پمپها نشان داده شده است.
هنگاميكه پمپ مجددا راه اندازي گرديد مايع موجود در مخزن چدني را به حركت درآورده وچرخش اين مايع در درون پمپ باعث مي گردد كه هواي موجود درلاين مكش بصورت عادي از درون پمپ عبور كرده و مايع جايگزين آن مي گردد.
لذا پمپ پس از اين حالت شرايط نرمال خود را پيدا ميكند.درشكل شماتيك زير قرارگيري اين پمپها نشان داده شده است.
چيدمان درپمپ خود راه انداز (self-priming pump layout)
چيدمان تجهيزات دراين پمپها به گونه ايست كه معمولا در قسمت پائين انتهاي لاين مكش از يك شيريكطرفه استفاده مي كنند.
اين ولو از جريان مايع از داخل پمپ به مخزن در هنگام توقف پمپ جلوگيري مي كند.
پمپ گريز از مركز به همراه مخزن جهت راه انداز اولیه
اين مخزن در پمپهاي self priming pump شبيه يك تله براي مكش پمپ عمل مي كند.(suction trap) .
سايزينگ اين مخزن بايد به گونه اي باشد كه ظرفيتي معادل 3 برابر حجم موجود درلاين مكش درآن ذخيره گردد.
هنگاميكه پمپ جهت تخليه اين مخزن شروع به كار ميكند؛اين شروع باعث ايجاد يك فضاي خلاء درمخزن شده و همين خلاء كافي است تا مايع از درون لاين مكش به بالا كشيده شده و قبل از اينكه مخزن از مايع خالي گردد اين مايع به درون آن راه پيدا كرده است.درطول اين كارNPSH تامين شده براي پمپ بوسيله مخزن كافي خواهد بود.
سيستم بيرون انداز بوسيله هوا (Air ejector system)
جهت تخليه لاين مكش پمپ كه بجاي مايع از هوا پرشده است مي توان ازيك سيستم بيرون انداز هوا كه به يك كمپرسور هوا متصل است ؛استفاده كرد.
همانگونه كه در شكل زير نشان داده شده است هنگامي كه هوا بوسيله يك كمپرسور به داخل لاين مكش تزريق گرديد؛اين كار باعث ايجاد خلاء در لاين گرديده و نهايتا پس از تخليه هوا به داخل مخزن مكش، بايد مايع به درون لاين جهت پر كردن خلاء حركت كند.همين كار باعث ميگردد لاين مكش پمپ در لحظه استارت از هوا خالي شده و مايع جايگزين آن گردد.
غوطه وري (submergence)
غوطه وري عبارت است از اختلاف ارتفاع استاتيكي بين سطح آزاد مايع و خط المركز پروانه دريك وضعيتي كه محور پمپ بصورت عمودي قرار گرفته باشد.
غوطه وري ناكافي باعث ايجاد جريانهاي گردابي(Vortics) گرديده وباعث ميگردند كه هوا به داخل پمپ كشيده شده و درنتيجه همين عامل باعث افزايش ارتعاشات درپمپ شده و از عمر مفيد پمپ كاسته شود.غوطه وري مورد نياز پمپ كاملا بستگي به مقدار NPSH مورد نياز توسط پمپ دارد.
دربسياري از موارد طراحي نامناسب مخزن انبارش مايعات (sump) جهت پمپاژ باعث بروز مشكلات عديده اي براي پمپ ميگردد اما براي بسياري از اين مخازن كه برپايه استاندارد موسسه هيدروليك مي باشند همواره راهنمايي هايي جهت نوع قرارگيري پمپ و لقي هاي مجاز بين پمپها؛ديوارها و... ارائه ميگردد.
از جمله ملزومات اصلي در طراحي يك مخزن انبارش مايعات جهت پمپاژ آنستكه هيچگاه نبايد در درون اين مخازن لبه هاي تيزي وجود داشته باشد.اين لبه هاي تيز باعث چرخش مايعات ويا توقف آنها شده و ممكن است توليد جريان گردابي كند.
