مشخصات عمومی پمپ های هیدرولیک، هد و انرژی

نیروی اجزای رفت و برگشتی نامتعادل در پمپ هیدرولیک

مشخصات پمپ هیدرولیک شامل موارد زیادی می گردد که این اجزا شامل میله اتصال (شاتون)، سرلغزنده، یاتاقانِ سرلغزنده، پین سرلغزنده، میله رانش و پلانجر است. علاوه بر این در پمپ های عمودی ، اجزای دیگر شامل میله های کشش، قلاب، و مهره پلانجر است. بنابراین داریم:

مقدار خالص هد مکش مثبت لازم (NPSHR):

NPSHR هدِ لازم از سیال تمیز در خط مکش است که شرایط مناسب کاری برای مکش پمپ را تأمین می‌کند. برای انواع پلانجر با ابعاد مختلف، سرعت، دبی، و فشارِ متفاوت، مقدار ویژه‌ای از NPSHR وجود دارد. تغییر در یک یا چند تا از موارد بالا، باعث تغییر در NPSHR می‌شود.

برای هر پلانجر، مقدار NPSHR تقریباً با توان دوم سرعت تغییر می‌کند. به عنوان یک اصل،‌لازم است که مقدار NPSH، 3 تا psi 5 از NPSHR بالاتر باشد. NPSH در واقع، مقدار خالص هد مکش مثبت موجود در دهانه مکش است. این امر از آزاد شدن بخارها و گازهای همراه سیال در سیستم مکش جلوگیری می‌کند. بخارهای آزاد شده و گازهای تحت انبساط و انقباض مداوم، باعث ایجاد کاویتاسیون و خرابی‌های ناشی از آن در محفظه داخلی و راهگاه‌های پمپ می‌شود.

مقدار خالص هد مکش مثبت (NPSH):

NPSH مقدار حداقل مکش برای جلوگیری از ایجاد پدیده کاویستاسیون در سمت مکش پمپ هیدرولیک است. مقدار NPSH حداقل یا NPSH مورد نیاز باید به وسیله آزمایش معین شود و مشخصات پمپ هیدرولیک معمولاً توسط تولیدکنندگان معرفی و ارائه می‌شود. مقدار قابل دسترس و موجود NPSH در هنگام نصب باید برابر با NPSH مورد نیاز باشد تا از کاویتاسیون جلوگیری شود. افزایش NPSH قابل دسترس اطمینان بیشتری را در مقابل بروز کاویتاسیون فراهم می‌کند.

فشار مطلق اتمسفری، فشار مکش اندازه‌گیری شده با مانومتر یا فشارسنج در مقطع S-S که ممکن است مثبت یا منفی باشد، فشار مطلق در سطح آزاد سیال درون مخزن سربسته متصل به مکش پمپ، فشار بخار سیال در دمای مقطع S-S که اگر سیال مخلوطی از چند نوع هیدروکربن باشد آنگاه باید از روش bubble point به دست آید، افت هد ناشی از اصطکاک در خط مکش بین مخزن و مقطع S-S، v سرعت متوسط در مقطع S-S، و Z فاصله عمودی تعریف شده ، ممکن است مثبت و یا منفی باشد، و وزن مخصوص سیال در دمای کاری پمپ است.

هد و انرژی در سیستم‌های هیدرولیک:

یکی از مهم ترین نکاتی که می بایست در مشخصات پمپ هیدرولیک در نظر گرفت این است که: پمپ، انرژی را بدون اینکه خلق کند، منتقل می‌کند. بررسی مفهوم هد و انرژی در پمپ های هیدرولیک به نوع پمپ و چگونگی نصب پمپ با توجه به مشخصات پمپ هیدرولیک بستگی دارد. در ادامه، به سه طرح عمده بررسی این مفاهیم خواهیم پرداخت. مشخصات پمپ هیدرولیک ممکن است بالاتر، همسطح یا پایین‌تر از سطح آزاد سیال و یا درون مخزن قرار گرفته باشد.

1- اگر پمپ مورد استفاده و سطح سیال هم‌تراز باشند، در بررسی عملکرد پمپ با مشکلی مواجه نخواهیم شد.

2- اگر پمپ زیر سطح آزاد سیال درون مخزن قرار گرفته باشد، در دهانه ورودی پمپ دارای مقداری انرژی به عنوان هد جاذبه یا هد ارتفاع خواهد بود.

3- اگر پمپ بالای سطح آزاد سیال و درون مخزن قرار گرفته باشد، برای مکش سیال به دهانه ورودی پمپ مقداری انرژی اولیه مورد نیاز است.

مشخصات پمپ هیدرولیک در این مدار، با فشار اتمسفری در تماس نیست و اصطلاحاً مخزن بسته نامیده می‌شود. در این مورد، هد مکش لازم بیشتر از مدارهای با مخزن باز است. در بروز پدیده کاویستاسیون بسیار مهم است.

مشخصات عمومی پمپ های هیدرولیک:

از دیگر مشخصات پمپ هیدرولیک: اگر مقدار باری که به پمپ اعمال می‌شود و یا سرعت عملکرد پمپ تغییر کند، فشار یا حجم خروجی سیال از پمپ تغییر می‌کند. علاوه بر آن، پمپ های هیدرولیک گوناگون تحت شرایط یکسان عملکرد یکسانی ندارند. عملکرد پمپ تحت شرایط مختلف توسط منحنی‌هایی نشان داده می‌شود که منحنی مشخصه پمپ نامیده می‌شود.

1- رابطه بین هد یا فشار ایجاد شده در پمپ هیدرولیک:

رابطه بین هد (Head) یا فشار (Pressure) ایجاد شده در یک پمپ هیدرولیک توسط قانون پاسخگویی پمپ به نیازهای سیستم تعیین می‌شود. این رابطه تاثیر عواملی مانند جریان (Flow) و کارایی (Efficiency) پمپ نیز دارد. رابطه اصلی به صورت زیر است:

P = ρ * g * h + ΔP_loss

در اینجا:

P نمایانگر فشار ایجاد شده در پمپ است (بر حسب فشار سیستم، معمولاً در پاسکال یا بار).
ρ نمایانگر چگالی مایع (معمولاً در کیلوگرم بر متر مکعب) است.
g نمایانگر شتاب گرانش (معمولاً در متر بر مثبت دوم) است.
h نمایانگر ارتفاع نسبی (هد) مایع در محل نصب پمپ نسبت به مکان مورد نظر است (معمولاً در متر).
ΔP_loss نمایانگر افت فشاری در سیستم به علت افت فشار در لوله‌ها، اتصالات و دیگر عوامل است.

به علاوه، جریان (Q) و کارایی (η) پمپ نیز در معادله تأثیر دارند:

P = (ρ * g * h) / η + ΔP_loss

این معادله نشان می‌دهد که فشار ایجاد شده در پمپ بر اساس ارتفاع مایع و چگالی آن محاسبه می‌شود و سپس بر اساس کارایی پمپ تصحیح می‌شود. افت فشاری در سیستم نیز به علت افت فشارهای مختلف در مسیر جریان مایع اضافه می‌شود.

برای محاسبه دقیق تر فشار در یک سیستم هیدرولیک خاص، نیاز به اطلاعات دقیق تر در مورد خصوصیات مایع (چگالی، ویسکوزیته، و…) و ویژگی‌های پمپ (کارایی در دامنه مورد استفاده و …) که در مشخصات پمپ هیدرولیک قید شده است، دارید.

2- مقدار توانی‌ که برای تولید دبی‌های لازم به ازای هدهای مختلف باید به پمپ هیدرولیک داده شود:

برای محاسبه توان مورد نیاز برای تولید دبی‌های مختلف به وسیله پمپ هیدرولیک، از رابطه زیر استفاده می‌شود:

توان (P) = (Q * ΔP) / η

در اینجا:

P نمایانگر توان مورد نیاز برای تولید دبی (Flow rate) Q به وسیله پمپ است. توان از واحد وات (Watt) یا اسب بخار (Horsepower) استفاده می‌شود.
Q نمایانگر دبی مورد نیاز برای سیستم هیدرولیک است و معمولاً بر حسب مترمکعب در ثانیه (m³/s) یا گالن در دقیقه (GPM) اندازه گیری می‌شود.
ΔP نمایانگر اختلاف فشار مورد نیاز برای پمپ کار کند. این اختلاف فشار به واحد پاسکال (Pa) یا بار (psi) اندازه گیری می‌شود.
η نمایانگر کارایی پمپ است. کارایی پمپ می‌تواند بین 0 و 1 باشد و نشان‌دهنده درصد انرژی ورودی که به دبی خروجی تبدیل می‌شود است.

برای محاسبه توان مورد نیاز، شما باید دبی مورد نیاز برای سیستم خود (Q) و اختلاف فشار مورد نیاز (ΔP) را محاسبه کرده و یا اطلاع داشته باشید. همچنین، بازدهی پمپ (η) را از مشخصات تولید کننده پمپ (کاتالوگ) به دست آورید. سپس با استفاده از معادله بالا می‌توانید توان مورد نیاز برای پمپ هیدرولیک خود را محاسبه کنید.

3- بازده پمپ یا نسبت انرژی مفید به کل انرژی ورودی:

بازده پمپ هیدرولیک یا نسبت انرژی مفید به کل انرژی ورودی به پمپ توسط کارایی پمپ (Pump Efficiency) اندازه گیری می‌شود. این نسبت نشان می‌دهد که چقدر از انرژی ورودی به پمپ به عنوان انرژی مفید برای ایجاد فشار یا دبی مایع استفاده می‌شود(مشخصات پمپ هیدرولیک).

کارایی پمپ (η) به عبارت زیر تعریف می‌شود:

η = (انرژی مفید خروجی پمپ) / (انرژی ورودی به پمپ)

معمولاً کارایی پمپ به صورت درصدی اعلام می‌شود و بین 0 تا 100 درصد قرار دارد. هر چه کارایی پمپ بیشتر باشد، پمپ کارآمدتری است و کمتر انرژی از دست می‌دهد.

کارایی پمپ توسط تولید کننده پمپ (کارخانه تولید با کیفیت بالا) در کاتالوگ مشخص می‌شود و معمولاً در برچسب یا مشخصات فنی پمپ (مشخصات پمپ هیدرولیک) به عنوان یک درصد آن ذکر می‌شود. ممکن است کارایی پمپ در طول زمان تغییر کند و به عواملی مانند وضعیت کارکرد پمپ، سایز و نوع پمپ، و شرایط عملیاتی وابسته باشد.

برای بهبود بازدهی سیستم هیدرولیک خود، می‌توانید به انتخاب پمپی با کارایی بالا (محصول با کنترل کیفیت دقیق) توجه کنید و همچنین سعی کنید از افت فشارها و اتلاف‌های انرژی در سیستم را با توجه دقیق به مشخصات پمپ هیدرولیک به حداقل برسانید.

بازدهی پمپ چرخشی:

پمپ چرخشی در هدهای پایین‌تر با بازده بالاتری کار می‌کند. بنابراین حداکثر بازده در فشاری حدود psi 80 به دست می‌آید. در سرعت ثابت، با افزایش فشار خروجی پمپ های چرخشی، توان ورودی لازم برای پمپ مستقیماً افزایش می‌یابد. همچنین دبی پمپ به میزان خیلی کمی با تغییر فشار براساس مشخصات پمپ هیدرولیک تغییر می‌کند.

در پمپ های گریز از مرکز با افزایش فشار، دبی در سیستم به شدت کاهش می‌یابد ، به عنوان مثال در هد فشار 140 فوت دبی خروجی 250 گالن بر دقیقه است و با افزایش هد تا 170 فوت، دبی به سرعت تا مقدار صفر کاهش می‌یابد. این پمپ، در دبی‌های بالاتر، با بازده بیشتری کار می‌کند.

بنابراین چنانچه در حداکثر بازده پمپ های گریز از مرکز در دبی 300 گالن بر دقیقه به دست می‌آید. در حالی که این مقدار حداکثر برای پمپ های چرخشی در دبی 100 گالن بر دقیقه رخ می‌دهد . با افزایش دبی، مقدار توان ورودی مورد نیاز پمپ (مشخصات پمپ هیدرولیک) به میزان بسیار کمی و تا حد مشخصی افزایش می‌یابد. بنابراین توان ورودی مورد نیاز این پمپ ها نسبت به توان خروجی نسبتاً کم است.

کاربرد پمپ های گریز از مرکز:

با توجه به نوع کاربرد پمپ های گریز از مرکز در مدارهای متفاوت، طراحی آنها با هم متفاوت خواهد بود. مشخصه‌های پمپ های هیدرولیکی که پمپ های چرخشی یا پمپ های رفت و برگشتی پیستونی را سوپر شارژ می‌کنند (مشخصات پمپ هیدرولیک) با پمپ‌های هیدرولیکی از این نوع که برای انتقال حجم زیاد سیال به کار می‌روند، اختلاف فاحشی دارد.

همچنین مشخصات پمپ هیدرولیک چند طبقه از این نوع با انواع معمولی آنها بسیار متفاوت است. گاهی اوقات از این اختلاف‌ها در پمپ های گریز از مرکز به عنوان مشخصه‌های افزایشی (خیز) یا کاهشی (افت) یاد می‌شود.

در پمپ های با مشخصه افزایشی، هنگامی که پمپ با سرعت ثابت کار می‌کند و دبی از مقدار صفر افزایش می‌یابد، هد تا نقطه معینی افزایش می‌یابد(بر اساس مشخصات پمپ هیدرولیک). در پمپ با مشخصه کاهشی، در سرعت ثابت، هنگامی که دبی پمپ از مقدار صفر افزایش می‌یابد، هد به طور پیوسته کاهش می‌یابد .

در پمپ با مشخصه هموار در محدوده‌ای با افزایش دبی جریان(مشخصات پمپ هیدرولیک)، خصوصیات پمپ تغییرات محسوسی نمی‌کند. همچنین برخی از قطعات پمپ هیدرولیک نیز قابل تامین است (این مطلب در پمپ های هیدرولیک به غیر از پمپ های پیستونی و پره ای و پمپ دنده ای internal صدق می کند).