آزمایش پمپ و ترکیب سری و موازی
2- هدف آزمایش : بررسی هیدرولیک سیستم پمپاژ و بدست آوردن منحنی مشخصه یک پمپ سانتریفوژ و تعیین راندمان پمپ و ترکیب پمپها به صورت سری وموازی و مقایسه آنها با یکدیگر.
3- وسایل آزمایش :
1) پمپ دارای دو محور گردشی در دو طرف
2)
میز هیدرولیکی (متشکل از سرریز مثلثی شکل و عمق سنج)
3) وزنه برای متعادل نمودن الکترو پمپ
4) دینانومتر برای تنظیم دور الکتروپمپ
5)
مانومتر
4- تئوری آزمایش: به طور کلی ماشین هایی که در مسیر سیال قرار می گیرند یا انرژی به سیال می دهند ویا انرژی از سیال می گیرند.
آندسته از ماشین هائیکه به سیال انرژی می دهند پمپ ، فن و کمپر سور نام دارند، و ماشین هایی که از سیال انرژی می گیرند توربین نام دارند.
ماشین های مورد استفاده در سیالات |
ماشین هایی که به سیال انرژی می دهند |
ماشین هایی که از سیال انرژی می گیرند |
توربین ها فن ها کمپرسورها پمپ
انواع پمپ ها |
پمپ های جابجایی مثبت |
پمپ های روتو دینامیک |
جریان محوری Axial flow
|
گریز از مرکز یا جریان شعاعی Centrifugal
|
جریان مختلط Mixed flow
|
دوار Rotary |
رفت و برگشتی Reciprocating P. |
پیستونی Piston |
بادامکی Cam |
دنده ای Gear |
پیچی Scrw |
گوشواره ای Lobe |
تیغه ای Vane |
دیافراگمی Diaphragm |
انگشتی Plunger |
توربوماشین، ماشینی است که به سیال انرژی میدهد و یا از سیال انرژی میگیرد. یکی از انواع توربوماشینها پمپها هستند که انرژی مکانیکی را از منبع خارج گرفته و به سیالی که از آن عبور مینماید، انتقال میدهد. در نتیجه این عملیات انرژی سیال بعد از خروج از ماشین افزایش مییابد. از پمپ برای انتقال سیال به یک ارتفاع معین و یا حرکت سیال در مدارهای مختلف هیدرولیکی و سیستمهای لولهکشی و به طور کلی انتقال سیال از نقطهای به نقطه دیگر استفاده میشود.
متداولترین نحوه تقسیمبندی پمپها برمبنای نحوه انتقال انرژی به سیال است. در این روش پمپها به دو دسته اصلی زیر تقسیم میشوند:
1. پمپهای جابجایی مثبت (PDP): پمپهایی هستند که انرژی را به صورت ناپیوسته به سـیال میدهند، مانند قلب انسان، پمپهای پیستونی.
2. پمپهای دینامیکی: پمپهایی هستند که انرژی را بهطور پیوسته به سیالی میدهند، مثل پمپ گریز از مرکز.
پمپهای جابجایی مثبت برای تامین فشار بالا در دبی پایین و پمپهای دینامیکی معمولاً برای ایجاد دبی بالا و افزایش فشاربه اندازه کمتر مصرف میشوند. مهمترین مزیت پمپهای جابجایی مثبت، کار با هرگونه سیال بدون توجه به لزجت آن میباشد و دیگر اینکه نیاز به راهاندازی اولیه ندارند. توربوپمپها که زیرمجموعهای از پمپهای دینامیکی هستند، به علت شکل ساده ساختمانی، نسبت پایین حجم به قدرت و تنوع فراوان موارد مصرف، نسبت به سایر پمپها از اهمیت بیشتری برخوردار میباشند.
متداولترین روش تقسیمبندی توربوپمپها تقسیمبندی براساس مسیر حرکت سیال در داخل پمپ است. از این نظر توربوپمپها به سه دسته اصلی تقسیم میشوند:
1. پمپ جریان شعاعی (گریز از مرکز)
2. پمپ جریان محوری
3. پمپ جریان مختلط (نیمه گریز از مرکز)
در نوع اول، سیال بهطور موازی با محور وارد پمپ شده و عمود بر محور از آن خارج میشود. این پمپها در دبیهای کم و برای افزایش فشار نسبتاً زیاد بهکار میروند. در نوع دوم، سیال موازی محور وارد پمپ شده و مـوازی با محور از آن خارج میشـود. لذا این پمپها برای تولیــد دبیهای زیاد و ارتفاعهای کم استفاده میشود.
درنوع سوم، سیال موازی محور وارد پمپ شده و به طور مایل نسبت به محور از آن خارج میشود. ایـن پمپها برای ایجاد دبی و فشار متوسط بهکار میروند.. تمرکز در این آزمایش روی پمپ گریز از مرکز میباشد. این پمپ از اجزای زیر تشکیل شده است:
1. لوله مکش: وظیفه این قسمت هدایت سیال از محیط خارج تا ورودی پمپ است.
2. پروانه: در این قسمت انرژی جنبشی سیال زیاد میشود.
3. دیفیوزر: دراین قسمت مقداری از انرژی جنبشی سیال به انرژی پتانسیل تبدیل میشود.
4. محفظه حلزونی (جمعکننده): این قسمت نقش جمعآوری سیال و هدایت آن به خارج پمپ را دارد، همچنین دراین قسمت مقداری از انرژی جنبشی به شار تبدیل میشود.
راه اندازی پمپ ها :
پمپ های سانتریفیوژ و لوله های مکش آن ها باید را باید قبل از راه اندازی کاملا از آب پر نمود. این کار برای صورت گرفتن عمل مکش در این پمپ ها انجام می شود.
در تاسیساتی که پمپ ها در ارتفاعی پایین تر از منبع مکش نصب می شوند، پمپ ها در تمامی مواقع پر از آب باقی می مانند، این عمل برای تمام پمپ های با سرعت مخصوص بالا و همچنین آنهایی که نیاز به ارتفاع مکش مثبت زیادی دارند معمول است. لیکن پمپ هایی که مکش آن ها به صورت منفی صورت می گیرد (یعنی مخزن مکش آن ها پایین تر از پمپ قرار دارد)، همواره باید قبل از راه اندازی، از آب پر شوند. برای این کار روش های مختلفی وجود دارد. یکی از راه های کم هزینه برای پر کردن پمپ ها، نصب شیرهای یکطرفه مخصوص، به نام شیرهای کفی در ابتدای لوله مکش و پر کردن سیستم با آب از هر طریق ممکن می باشد.
در حالتی که پمپ بالاتر از مخزن نصب می شود، نباید فاصله محور پمپ از سطح آب زیاد باشد، چون در این حالت فشار آبی که به پره وارد می شود، کمتر از فشار بخار آب می شود و کاویتاسیون رخ می دهد.
شیرهای کفی افت فشار زیادی تولید می کنند و در ضمن، دبی نشتی از آن ها، به خصوص پس از مدتی کار، آن قدر زیاد است که هر بار قبل از راه اندازی پمپ نیاز به هواگیری دارد. یک روش مطمئن تر برای هواگیری، بستن شیر رانش و تخلیه هوا از پمپ، توسط یک پمپ خلا، از مرتفع ترین نقطه پوسته پمپ باشد.
یکی دیگر از راه های پرکردن پمپ، استفاده از یک مخزن آب است که در روی پوسته و یا در کنار پمپ، قبل از دهانه مکش تعبیه می شود. این مخزن همواره قبل از راه اندازی پمپ از آب پر بوده و در نتیجه از ورود هوا به پمپ جلوگیری می نمایند. در شروع راه اندازی، پمپ از داخل مخزن مکش نموده و خلا ایجاد شده در قسمت فوقانی مخزن، باعث مکش آب به داخل مخزن می شود. طبیعی است که حجم مخزن باید طوری محاسبه گردد که قبل از تخلیه کامل مخزن، سیال به قدر کافی از لوله مکش داخل مخزن پر شود. معمولا حجم مخزن را از زیر لوله ورود آب به داخل آن، تا بالای لوله مکش پمپ، حداقل سه برابر حجم لوله مکش (بین منبع مکش تا مخزن) انتخاب می نماید.
علایم واحد
P= فشار
H= هد فشاری
L= طول بازوی گشتاور دینامومتر (L=0.25m)
M= جرم بکار برده شده برای بازوی گشتاور
T= گشتاور
Q= دبی
A= سطح مقطع لوله
V= سرعت متوسط لوله
N= سرعت دورانی (N=2800rpm)
P= قدرت
X= اختلاف تراز بین انشعابات فشارسنج مکش و تخلیه
Y= ارتفاع فشار سنج مکش بالای انشعاب فشار تخلیه
Z= ارتفاع فشار سنج تخلیه بالای فشار سنج مکش
ضمناً اندیسهای d, s به ترتیب برای مکش (Suction) و تخلیه (رانش) (Delivery) استفاده میشود.
ثوابت:
شتاب ثقل
جرم مخصوص آب
مشخصات اصلی پمپها :
1) دبی: دبی یک پمپ Q ، مقدار مؤثر حجم سیالی است که در واحد زمان از دهانه خروجی پمپ خارج میگردد.
2) ارتفاع کل: ارتفاع کل یک پمپ H مقدار قدرت مفیدی است که توسط پمپ به واحد وزن سیال منتقل میشود. ارتفاع کل تولیدی مستقل از وزن مخصوص سیال میباشد.
3) توان مصرفی :
توان مصرفی یا توان روی محور عبارت از توانی است که ماشین محرک
روی محور پمپ قرار میدهد:
4) توان مفید:
مقدار توانی است که توسط پمپ به سیال داده میشود و برابر است با حاصلضرب ارتفاع
مفید تولیدی در وزن سیال منتقل شده توسط پمپ، یعنی:
راندمان کل پمپ: راندمان کل پمپ، نسبت بین توان مفید به توان مصرفی پمپ است که از رابطه زیر بدست میآید:
5) توان ماشین محرک: انتخاب توان ماشین محرک در توربو پمپها از دقت خاصی برخوردار است. زیرا در هنگام کار معمولاً دبی و یا ارتفاع کل پمپ تغییر کرده و متناسباً توان مفید و توان روی محور نیز تغییر مینماید.
6) سرعت مخصوص : طبق تعریف، سرعت مخصوص دوری از پمپ است که دبی را تا ارتفاع 1m بالا ببرد. میتوان ثابت کرد کلیه پمپهایی که از نظر هندسی مشابه هستند و بطور مشابه هم کار نمایند، دارای یک سرعت مخصوص مساوی در نقطه راندمان ماکزیمم خود بوده که مقدار عددی آن از رابطه زیر بدست میآید:
منحنی های مشخصه : نشان دادن شرایط کاری یک پمپ توسط معادلات ریاضی و یا سطوح فضائی از نظر استفاده عملی تولید اشکال مینماید وبه همین جهت سعی شده است که کلیه مشخصات را در روی صفحه نمایش دهند تا استفاده از آن راحت تر و عملی تر گردد.
به همین جهت برای یک سرعت معین N مشخصات یک پمپ میتواند بوسیله فصل مشترک سطوح مشخصه با سطح تعیین گردد. در این صورت در یک سرعت دورانی ثابت خواهیم داشت:
معادلات فوق که به صورت
منحنی در روی یک صفحه قابل رسم میباشند به نام منحنی های مشخصه توربو پمپها
نامیده میشوند. نام هریک به ترتیب عبارت است از منحنی مشخصه ارتفاع کل، توان
مصرفی، راندمان کل و NPSH
که در سرعت دورانی ثابت N
تعریف و رسم میشوند.
اطلاعات فنی :
نوع پمپ گریز از مرکز پروانه باز
قطر پروانه 120 میلیمتر
نوع موتور سرعت متغیر صفر تا 2900دقیقه دور در دقیقه
که بوسیله دینامومتر نوسانی تنظیم میگردد.
قدرت موتور 2/2 کیلووات در rpm 2900
تغذیه الکتریکی V 220 یک فاز، 50 تا 60 هرتز
شعاع بازوی گشتاور 25/0 متر
دبی روی شکاف 90
که در آن هد اندازه گیری شده بر حسب متر، میباشد.
افزایش هد کلی پمپ بین ورودی و خروجی اغلب به هد مانومتریک نامیده میشود. قدرت هیدرولیکی خروجی پمپ عبارتست از که در آن Q دبی منطبق با هد کلی میباشد.
با مراجعه به شکل 1 و ارتباط دادن انرژیها (هدها) به محور پمپ:
هد کلی مانومتریک :
یا
قطر و سطح لوله مکش:
قطر و سطح لوله رانش (تخلیه):
از این رو:
قدرت ورودی به پمپ برابر است با:
افتهای انتقال یا تبدیل انرژی( )- قدرت خروجی موتور ))=
افتهای انتقال شامل قدرت جذب شده بوسیله اصطکاک یاتاقانها، کشش هوا و غیره بوده و بین تجهیزات مختلف و همچنین روی یک تجهیزات و با سرعتهای مختلف تغییر میکند. اگر چه، مقدار 1/0 کیلووات بعنوان یک تقریب کلی برای فرض میشود.
از گشتاور استاتور موتور و سرعت دورانی بدست میآید. گشتاور عبارتست از:
که در آن: جرم بکار رفته در بازوی گشتاور
شتاب ثقل
طول بازو (متر)= 25/0 می باشد.
پس:
که درآن سرعت دورانی شافت=
سرعت دورانی
بنابراین:
راندمان هیدرولیکی پمپ بوسیله فرمول زیر داده میشود:
پارامترهای بدون بعد :
کارائی مقایسه ای ماشینهای روتودینامیک ممکن است با استفاده ازاصول تشابه دینامیکی مورد مطالعه قرار گیرد. پارامترهای هیدرولیکی مهم مؤثر در عملکرد پمپ روتودینامیک ممکن است به فرم تنظیم شده در زیر باشد:
که درآن
دانسیته سیال
ویسکوزیته دینامیکی
شتاب ثقل
قطر پروانه
سرعت دورانی
دبی
هد کل
با استفاده از اصول آنالیز ابعادی و بکار بردن تئوری پی باکینگهام بدست خواهیم آورد:
شرایط تشابه دینامیکی بین ماشینهای مشابه هندسی موقعیکه الگوهای جریان مربوطه بصورت هندسی مشابه هستند برقرار میباشد. این تشابه به نوبه خود موقعیکه ترکیبات نیروهای مربوطه دارای یک نسبت باشند برقرار خواهد بود. در صورت ماشینهای روتودینامیکی، نیروهای لزجت فقط یک تأثیر ثانویه روی کارائی خواهند داشت.
از این رو:
این معادله نشان دهنده این است که منحنیهای مشخصه در سرعتهای گوناگون برای یک سری ماشینهای متشابه هندسی موقعیکه روی مختصات بدون بعد بعنوان عرض و طول بعنوان طول رسم شوند همه به یک منحنی خلاصه میگردد.
(1)
(2)
از این رو:
که این عبارت سرعت مخصوص نامیده می شود.
ماشینهای روتو دینامیکی متشابه هندسی موقعیکه در راندمان ماکزیمم کار میکنند دارای یک سرعت مخصوص میباشند.
سرعت مخصوص همچنین ممکن است برای انتخاب نوع پمپ مورد استفاده قرار گیرد، از این رو ضرورت بدست آوردن راندمان ماکزیمم، تغییرات هد و دبی و همینطور سرعت مخصوص را برای هر نوع محدود میکند. جدول زیر طیف سرعت مخصوص مناسب برای سه نوع اصلی پمپ روتو دینامیک را نشان میدهد. بیان فیزیکی سرعت مخصوص، همانگونه که از عبارت ریاضی آن میتوان مشاهده کرد، این است که این سرعت دورانی یک پمپ طبقه بندی شده هندسی است که یک لیتر بر ثانیه را در هد یک متر بدهد. در مورد پمپهای چند طبقه، سرعت مخصوصی که محاسبه میشود برای هر طبقه منفرد میباشد.
برای ماشینهای هم اندازه معادلات بالا نشان میدهد که:
بنابراین، با فرض منحنی هد ـ دبی برای یک پمپ در سرعت مشخص( ) موقعیکه در سرعت دیگر کار کند، منحنی کارائی میتواند از طریق مقایسه ترسیم گردد. نقاط روی منحنی در سرعت با استفاده از با استفاده از روابط زیر به نقاط مرتبط روی منحنی منتقل میگردد:
جریان محوری |
جریان مختلط |
گریز از مرکز |
نوع پمپ |
10000-4000 |
5000-2000 |
4000-400 |
محدوده سرعت مخصوص |
ارتباطات سرعت مخصوص/ نوع پمپ :
پمپها در بهره برداری سری یا موازی :
در بهره برداری سری، یک دبی از میان هر دو پم عبور کرده، اما هدها یکدیگر را تقویت میکنند. هد کلی که بصورت تئوری افزایش یافته با جمع هد هر پمپ منطبق با دبی مربوطه با یکدیگر بدست میآید، اما درعمل افتهای کوچکی در انشعابات شبکه لوله رخ خواهد داد.
راندمان کلی دو پمپ در حالت سری میتواند از فرمول زیر بدست آید:
که در آن به ترتیب عبارتند از هد وراندمان در دبی Q
از این رو:
در صورتیکه پمپها بصورت موازی به ممتصل شوند، هد در محدوده هر دو پمپ یکی بوده اما دبیهای هر کدام ممکن است متفاوت شود مگر اینکه پمپها یکسان باشند. دبی کل منطبق با هد بخصوص مجموع دبیهای عبور کرده از هر پمپ در آن هد بدست میآید:
بنابراین:
5- روش آزمایش:
سیستم در درجه اول با باز کردن تمام شیرها بجز شیر تنظیم آماده گشته و با آب از طریق در پوش مخصوص پرکردن پر شود. این بخصوص مهم است که مطمئن شویم که خطوط متصل به انشعابات فشار به فشارسنج با آب پر شده باشد، پس از آن به اندازه یک ستون هوا در انشعاب بدلیل بلندی فشارسنج در بالای نقطه انشعاب در هد فشاری اشتباه خواهیم داشت.
قبل از راه اندازی پمپها استاتور موتور را با استفاده از وزنه تعادل موازنه کردیم. تراز آب در کانال دسترسی به شکاف V شکل را بنحوی تنظیم کردیم تا این تراز کاملا با رأس شکاف همسطح شد، تأثیر کشش سطحی را بحساب آورده، و فلش عمق سنج را در محفظه آرامش صفر کردیم. موتور را روی سرعت 2800rpm راه اندازی کردیم. هر دو فشارسنج را هواگیری کردیم.
قرائتهای اولیه روی دو فشارسنج مربوطه را یاداشت کردیم و با باز کردن شیر تنظیم، دوباره قرائتهای فشارها را یادداشت میکنیم. این شیر را در فاصلههای زمانی بنحوی باز میکنیم که افزایشهای منظم دبی بدست آید. برای این آزمایش، شیر تنظیم را در هر مرحله 3 دور باز کردیم. فشارسنج کالیبره شده متصل به اریفیس پلیت ممکن است برای نشان دادن موقعیتهای شیر مورد استفاده قرار گیرد. در هر فاصله زمانی بعد از بالانس کردن الکترومتر و دادن مهلت کافی برای پایدار شدن تراز درون محفظه آرامش قبل از انجام قرائت، هد روی استوانه را با عمق سنج خوانده و یادداشت کردیم. وزنه هایی را برای موازنه مجدد بازوی گشتاور بکار برده و وزن کلی بکار برده شده را یادداشت میکنیم.
پس از این مرحله، شیرهای مخصوص به ترکیب نمودن سری و موازی را در حالات خود قرار دادیم و بدین وسیله، ترکیبات سری و موازی را ایجاد نمودیم و مراحل بالا را انجام دادیم.
6- پاسخ سوالات، محاسبات و نتیجه گیری
الف) پمپ شماره 1 :
محاسبات مربوط به مرحله اول است:
Hm-Q پمپ1 |
مشاهده می شود که با افزایش دبی، هد پمپ کاهش می یابد.
Pm-Q پمپ1 |
مشاهده می شود که هر چه توان ورودی پمپ را زیاد کنیم، دبی پمپ نیز زیاد می شود.
η-Q پمپ1 |
مشاهده می شود که اگر دبی پمپ زیاد شود، راندمان نیز زیاد می شود تا به max خود برسد ولی از آنجا به بعد، هرچه دبی را زیاد کنیم، راندمان کاهش می یابد.
|
ب) پمپ شماره 2 :
محاسبات مربوط به مرحله اول است:
Hm-Q پمپ2 |
Pm-Q پمپ2 |
مشاهده می شود که هر چه توان ورودی پمپ را زیاد کنیم، دبی پمپ نیز زیاد می شود.
η-Q پمپ2 |
|
5-1 و 6-1)
این سوالات مربوط به حالت ترکیب سری پمپهاست که بررسی می شود:
مشاهده می شود که اگر پمپ ها به صورت سری بسته شوند، دبی ثابت می ماند ولی هدها با هم جمع می شوند.
5-2 و 6-2) این سوالات مربوط به حالت ترکیب موازی پمپهاست که بررسی می شود:
همانطور که ملاحظه می شود، درپمپهای موازی، هدها با هم برابرند.
مشاهده می شود که اگر پمپ ها به صورت موازی بسته شوند، هد ثابت می ماند ولی دبی ها با هم جمع می شوند.
7) سرعت مخصوص را برای هر دو پمپ به دست
آورید.
تذکر: همانطور که شما گفتید، سرعت مخصوص را برای حالت اول (Step1) بدست می آورم.
8) منحنی مقاومت سیستم و نقطه کار پمپ را
توضیح دهید.
مدار پمپی را مطابق شکل بعد در نظر بگیرید. این پمپ، آب را از منبع تحتانی A
، تحت فشار PA و با سرعت VA به منبع فوقانی R با فشار PR و سرعت VR منتقل می کند.
در این مدار می توان معادله برنولی را یکبار بین A
و دهانه ورودی پمپ و بار دیگر بین دهانه خروجی پمپ و منبع R
نوشت، یعنی:
با جمع و مرتب نمودن رابطه فوق میتوان نوشت:
HL مجموع افت فشار در لوله های رانش و مکش است.
سمت چپ معادله فوق، نشان دهنده ارتفاع مانومتریک پمپ ( )است. طرف راست این معادله نیز «مقاومت مدار»خوانده می شود و با مشخص می گردد. بنابراین شرط کار پمپ روی مدار عبارتست از:
یعنی ارتفاع کلی تولیدی یک پمپ برابر است با مقاومتی که مدار در مقابل آن ایجاد می کند. بدین ترتیب در صورت تغییر مقاومت مدار ارتفاع تولیدی پمپ نیز متناسبا تغییر می نماید. این موضوع یکی از مشخصات اصلی توربوپمپ ها است. به همین علت هیچگاه نمی توان گفت که یک توربوپمپ به طور مشخص چه ارتفاع یا دبی را ایجاد می کند. بلکه دبی پمپ دقیقا با مقاومتی که مدار در مقابل آن قرار می دهد تنظیم می گردد.
منحنی مقاومت مدار از دو قسمت تشکیل می گردد: مقاومت دینامیکی و مقاومت استاتیکی
مقاومت دینامیکی مدار تقریبا متناسب با مجذور دبی تغییر می کند و برابر است با:
مقاومت استاتیکی مدار با تغییرات دبی ثابت می ماند و جز ثابت مقاومت مدار را تشکیل می دهد:
در صورتی که منحنی مشخصه مدار HR، و منحنی مشخصه پمپ در یک دستگاه مختصات رسم شوند، نقطه تقاطع دو منحنی، نقطه کار سیستم را روشن می سازد. با مشخص شدن این نقطه، دبی، ارتفاع، راندمان، قدرت جذبی و سرانجام NPSH پمپ معلوم می گردد. واضح است که هر چه نقطه کار سیستم نزدیک تر به نقطه طراحی پمپ قرار گیرد، عملکرد پمپ رضایت بخش تر خواهد بود.
9) در مورد کاربرد انواع پمپ در صنعت، مختصری بنویسید.
در قسمت تئوری توضیح داده شد.
7) خطاها :
الف- رانش سیستم پمپ
ب- دقت پایین مانومتر رانش و حرکت نوسانی شدید آن به دلیل رانش پمپ
ج- وجود هوا در سیستم پمپاژ و همچنین در مانومترها
د- دقت پایین در بالانس کردن الکتروموتور به دلیل نقص کیفی وزنه ها (به عنوان مثال وزنه 5 گرمی نداشتیم).
و- توان تلف شده را حدود 100 وات در نظر گرفتیم، درحالیکه در واقعیت اینطور نیست.
ه- معادله دبی سرریز باید برای ارتفاع های مورد استفاده، از قبل کالیبره گردد. در حالیکه شما این معادله را برای هر ارتفاع دلخواه، ارائه کردید.