آموزش مصور

تئوری و طراحی پمپ آب

تا به حال به این فکر کردید که چه مکانیزمی باعث جا به جا شدن مایعات از یک نقطه به نقطه دیگه یا انتقال مایع به ارتفاع بالاتر یا حتی پایین‌تر می‌شه؟ یا این که چه اصولی در طراحی پمپ آب استفاده شده؟ چه عواملی منجر به عملکرد بهتر پمپ آب کشاورزی میشه؟ چه عواملی عامل محدود کننده در عملکرد پمپ‌های آب گریز از مرکز هستند؟ آگاهی از دانش پایه در استفاده بهینه دستگاه‌ها خیلی می‌تونه به شما کمک کنه و شما را برای به کار گرفتن ابزار و دستگاه کشاورزی به فردی متخصص و فنی تبدیل می‌کنه. با من همراه باشید چون بعد از مطالعه این مقاله با تئوری و اصول طراحی پمپ آب آشنا خواهید شد.

اصول طراحی پمپ آب

تمامی پمپ‌های آب نیروی خود را برای حرکت آّب از طبیعت می‌گیرند. به طوری که بخش متحرک پمپ آب(پروانه، پره، دیافراگم پیستون و...) شروع به حرکت می‌کند، جریان هوا را به بیرون هدایت می‌کند. حرکت هوا باعث ایجاد خلاء جزئی با فشار کم می‌گردد که موجب ایجاد جریان هوای بیشتری می‌گردد یا در پمپ‌های آب، آب جریان می‌یابد.

این عمل مانند مکیدن توسط نی می‌باشد. همان طور در زمان مکیدن خلاء جزئی در درون دهان شما ایجاد می‌گردد. بدین ترتیب به دلیل وجود اختلاف فشار بین دهان شما و جو، سیال یا مایع به سمت بالا حرکت می‌کند. به شکل 1 توجه کنید.

 suction of water + ایجاد خلا جزئی برای مکش آب

شکل 1: ایجاد خلا جزئی در دهان و مکش آب

فشار هوا در پمپ آب

در سطح دریا، طبیعت فشاری معادل با 7/14 پوند بر اینچ مربع را در اطراف ما ایجاد می‌کند. چنانچه سر یک لوله داخل آب قرار بگیرد و خلائی به سر دیگر آن اعمال گردد، فشار 7/14 پوند بر اینچ مربع قادر است سطح آب را تا ارتفاع 9/33 فوت بالا نگه دارد. به شکل 2 توجه کنید.

این رخداد فقط در سطح دریا و با شرایط خلاء کامل در دسترس می‌باشد. در واقع همه‌ی پمپ‌های آب  با ویژگی گریز از مرکز می‌توانند ارتفاع آب را بیش از 26 فوت از سطح دریا بالا ببرند. این مقدار به ازای هر 1000 فوت ارتفاع تقریبا به اندازه 2 فوت از سطح دریا کمتر می‌شود.

 air pressure for water fluid + اثر فشار هوا برای پمپ کردن آب

شکل 2: اثر فشار هوا در حرکت آب داخل لوله

تفاوت فشار هوا

روند حرکت در طبیعت از چگالی بیشتر به چگالی کمتر می‌باشد. ردیابی سیستم‌های آب و هوایی زمانی که فشارهای بالا به طرف فشارهای پایین حرکت می‌کنند، انجام می‌شود.

در باتری‌ها، طرفی که دارای ذرات مثبت می‌باشد به سمتی که دارای فشار کمی است، حرکت می‌کنند.  اگر راهی در دسترس باشد، مایع با فشار بالا به سمت طرفی که فشار کمتری دارد، حرکت خواهند کرد. به شکل 3 توجه کنید.

 اختلاف فشار هوا عامل پمپ کردن آب است + air pressure difference leads to water displacement 

شکل 3: تفاوت فشار هوا عامل حرکت آب به محل کم فشار

نیروی گریز از مرکز در پمپ آب

پمپ آب با ویژگی گریز از مرکز همانند مکیدن نی عمل می‌کند. موتور پمپ روشن می‌شود، پروانه آن می‌چرخد و آب را از طریق درگاه تخلیه به بیرون انتقال می‌دهد. فشار هوا توسط خلاء ایجاد شده آب را به طرف شلنگ مکش هدایت می‌کند تا آب خارج شود.

زمانی که آب به پروانه در حال چرخش برخورد می‌کند، انرژی آن به آب انتقال می‌یابد آنگاه آب به بیرون منتقل می‌گردد( نیروی گریز از مرکز). بدین ترتیب آب به بیرون منتقل می‌شود آنگاه آب بیشتری به سمت مکش پمپ آّب جریان می‌یابد و آب جابه جا می‌گردد. شکل 4 را ببیند.

centrifugal pump performance + عملکرد پمپ گریز از مرکز 

شکل 4: عملکرد نیروی گریز از مرکز در پمپ آب

سیستم آب‌بندی پمپ

در زمان ایجاد خلاء جزئی، سه مرحله زیر باید در پمپ آّب انجام شود:

  1. پمپ آب باید آماده شود. وجود آب برای روان کاری و آب‌بندی مکانیکی اجزای پمپ لازم است تا ساییده نشوند و نشتی رخ ندهد.
  2. شیلنگ مربوط به مکش آب، کانکتور شیلنگ و تمامی اورینگ‌ها بایستی شرایط مناسبی داشته باشند به طوری که هوا نتواند به درون آن نفوذ کند و موجب از دست رفتن خلاء نگردد.
  3. فاصله بین اتصال پروانه به پیچ باید به اندازه تعیین شده باشد تا خلاء لازم ایجاد گردد.

به شکل 5 نگاه کنید تا سه مورد ذکر شده برای ایجاد خلا در پمپ را بهتر درک کنید.

sealed system for vacuuming+ آببندی کردن پمپ برای ایجاد خلا 

شکل 5: سیستم آب‌بندی برای ایجاد خلاء در پمپ

انواع پمپ‌ها  بر اساس مشخصات فنی طراحی پمپ

میزان فشار، ظرفیت تخلیه و موادی که از پمپ آب عبورکند، به اندازه پروانه و پره‌های آن بستگی دارد. متریال سازنده پروانه و اندازه دهانه تخلیه حلزونی آن مشخص می‌کند که چه موادی می‌توانند از آن بدون آسیب عبور نمایند.

در مدل‌های استاندارد

پره های عمیق‌تر دارای ظرفیت تخلیه‌ی بیشتری هستند.

در مدل‌های چندمنظوره

این پمپ آب طراحی خاصی دارد و برای انتقال بعضی از مواد شیمیایی صنعتی و کشاورزی استفاده می‌شوند.

در مدل‌های تراش

این پره‌های عمیق ظرفیت تخلیه بالایی دارند. این پره‌ها با دهانه‌ی تخلیه‌ای حلزونی بزرگی ترکیب شده‌اند و قادر هستند زباله‌هایی با ابعاد بزرگ‌تری را عبور دهند که ممکن است به اجزای پمپ آسیب برسانند.

به شکل 6 نگاه کنید.

 pump parts +  اجزای پمپ

شکل 6: اجزای پمپ‌ آب

عملکرد پمپ آب

منحنی‌های اجرایی منعکس‌کننده ی آزمایش‌های استاندارد هستند. کارخانه‌های تولیدکننده پمپ آب این منحنی‌ها را با استفاده از یک ابزار فشارسنج متصل به پورت تخلیه حساب می‌کنند. برای ارتفاع کل تعیین شده، ظرفیت تخلیه مشخص می‌گردد. منحنی‌های اجرایی پمپ را می‌توانید در دفترچه راهنمای هر مدل مشاهده کنید. یک نمونه از منحنی عملکرد پمپ آب در شکل 7 نشان داده شده است.

 pump performance diagram + منحنی عملکرد پمپ آب

شکل 7: منحنی عملکرد پمپ آب

ملاحظات عملکرد پمپ آب

در انتخاب یک پمپ آب خاص منحنی‌های عملکرد بسیار مفید هستند. زمانی که در مورد عملکرد یک پمپ خاص برای شما سوالی پیش آمد، به مشخصات آن پمپ آب مراجعه نمایید. ارتفاع مکش استاتیک پمپ را مشخص کنید تا بدانید آن تا چه اندازه‌ای بالاتر از منبع آب قرار می‌گیرد.

تعیین کنید که پمپ در چه ارتفاعی بالاتر از سطح منبع آب قرار می‌گیرد (ارتفاع مکش را تعیین کنید). تعیین کنید خروجی تخلیه آب در چه ارتفاعی بالاتر از پمپ خواهد بود (ارتفاع تخلیه را تعیین کنید). همچنین ظرفیت تخلیه پمپ (گالن در دقیقه) نیز باید مشخص شود. به شکل 8 نگاه کنید.

ظرفیت تخلیه را می‌توان با توجه به ارتفاع کل ( مکش + تخلیه) و منحنی عملکرد تخمین زد. توجه داشته باشید که ممکن است عملکرد تخلیه واقعی کمتر از مقدار پیش‌بینی شده با استفاده از ارتفاع استاتیک باشد و دلیل آن نیز اصطکاک سیستم است.

فشار کلی را می‌توان با ضرب ارتفاع کل در عدد 433/0حساب کرد. فشار مربوط به انتهای شیلنگ در جریان صفر برای ارتفاع کل (کمتر از ارتفاه کل) را می‌توان با ضرب ارتفاع کل در عدد 433/0 و سپس کسر آن از میزان فشار حساب نمود.

به عنوان مثال: بیشترین فشار برای یک مدل پمپ، 71 پوند بر اینچ مربع است ( 433/0*164 ارتفاع کل در فوت). بیشترین فشار در دسترس در ارتفاع کل 120 فوت مقدار(433/0 *120) 52-71 در جریان صفر است.

 suction head and discharge head specification + مشخصه‌های هد تخلیه و مکش

شکل 8: آگاهی از مشخصه‌های هد تخلیه و مکش پمپ آب

ملاحظات خاص

بیشتر اوقات در زمان انتخاب پمپ آب فقط به ارتفاع کل استاتیک توجه می‌شود. با این شرایط، به دلیل وجود اصطکاک این روش بیشتر اوقات خطای زیادی دارد و در موارد زیادی عملکرد پمپ نیاز مصرف‌کنندگان را برآورده نمی‌کند. حتی زمانی که شما از نازل یا آبپاش استفاده می‌کنید، فرایند انتخاب دشوارتر می‌گردد. یک شماتیک  در شکل 9 نشان داده شده است.

به منظور پیش‌بینی دقیق عملکرد یک پمپ آب گریز از مرکز با کاربرد ویژه، باید افت عملکرد ارتفاع کل مورد توجه قرار گیرد. این افت عملکرد تنها محدود به در نظر گرفتن ارتفاع کل استاتیک، اندازه، مواد اولیه و طول لوله نیست بلکه شامل افت عملکرد مربوط به آبپاش خودکار یا نازل ها نیز می‌باشد.

پیش‌بینی دقیق مقدار تخلیه و فشار در یک پمپ آب با کاربرد ویژه نیاز به محاسبات زیاد همراه با سعی و خطا دارد.

 pump selection + انتخاب پمپ برای شرایط خاص

شکل 9: ملاحظات خاص برای انتخاب پمپ در سیستم‌های خاص

بافت شیلنگ

زمان حرکت آب در شیلنگ، به دلیل اصطکاک دو سطح آب و شیلنگ گرما تولید می‌شود. این امر یکی از واقعیت‌های طبیعت می‌باشد. لوله فولادی نسبت به لوله‌های PVC یا وینیل اصطکاک بیشتری ایجاد می‌کنند.  میزان اصطکاک با افزایش طول لوله یا شیلنگ یا قطر کمتر شیلنگ بیشتر می‌شود که منجر به کاهش ظرفیت تخلیه می‌گردد (گالن در دقیقه). به شکل 10 نگاه کنید.

مشخصات لوله مناسب برای متصل کردن به پمپ آب در دفترچه راهنمای پمپ ذکر می‌شود. حتما به این نکات در زمان کاربرد پمپ توجه کنید.

hose texture + بافت شیلنگ 

شکل 10: اهمیت بافت شیلنگ و میزان اصطکاک

هد مکش یا ارتفاع مکش

در طبیعت فشاری معادل با 7/14پوند بر اینچ مربع بر سطح آب دریا  وارد می‌کند. این باعث می‌شود تا برای ارتفاع مکش پمپ‌های گریز از مرکز به اندازه 9/33 فوت محدودیت ایجاد شود. با این شرایط، این امر در صورتی محقق می‌شود که بتوان به خلاء کامل در پمپ آب دسترسی داشت. در این صورت ارتفاع مکش پمپ‌های گریز از مرکز به اندازه ی 26 فوت محدود می‌گردد. برای درک مفهوم ارتفاع مکش به شکل 11 نگاه کنید.

زمانی که پمپ به سطح آب دسترسی داشته باشد عملکرد پمپ (ظرفیت یا فشار) نیز افزایش می‌یابد. افزایش ارتفاع مکش میزان ارتفاع تخلیه را کاهش می‌دهد و در نتیجه ظرفیت پمپ آّب کاهش پیدا می‌کند. مسئله مهم‌تر آن است که ارتفاع مکش در کمترین مقدار ممکن نگه‌داری شود تا احتمال تشکیل فضای خالی به طور قابل توجهی کاهش پیدا کند. در صورتی که  شیلنگ مکش محدود باشد نیز باز هم پدیده ایجاد فضای خالی رخ می‌دهد. هرگز از شیلنگ مکنده‌ای که اندازه قطرش کمتر از دهانه مکش است، استفاده نکنید. پدیده ایجاد فضای خالی یا کاویتاسیون می‌تواند در زمان کمی به پمپ آب آسیب وارد نماید.

suction head + ارتفاع مکش 

شکل 11: ارتفاع مکش یا هد مکش

ارتفاع تخلیه

طبیعت در فشرده‌سازی آب نقش مهمی ایفا می‌کند. آب سنگین به  حدود 3/8 پوند آب در هر گالن گفته می‌شود. ضرب المثلی قدیمی می‌گوید: آنچه بالا رود بایستی پایین بیاید. آب نیز تمایل دارد به منبع خود برگردد. پروانه انرژی مکانیکی خود را به آب انتقال می‌دهد. انرژی مکانیکی بر حسب پوند بر اینچ مربع در دبی اندازه‌گیری می‌گردد. زمانی که ارتفاع تخلیه پمپ آب افزایش می‌یابد، ظرفیت پمپ کاهش می‌یابد و در نتیجه فشار ایجاد شده در انتهای شیلنگ تخلیه نیز کمتر می‌گردد.

در حالت حداکثری ارتفاع، ظرفیت پمپ به صفر می‌رسد و در این صورت هیچ گونه فشاری برای راه اندازی نازل یا آبپاش وجود نخواهد داشت. چنانچه فشار موجود در قسمت پایین شیلنگ تخلیه اندازه‌گیری شود، فشار حداکثری پمپ آب ناشی از تحمل وزن آب می‌باشد. رابطه بین ارتفاع کل و ظرفیت تخلیه بر روی منحنی‌های عملکرد قابل مشاهده است.

برای درک ارتفاع تخلیه یا هد تخلیه به شکل 12 توجه کنید.

 discharge head + ارتفاع تخلیه

شکل 12: ارتفاع تخلیه یا هد تخلیه

طول لوله تخلیه

زمانی که طول شیلنگ تخلیه بیشتر شود، سطح بیشتری از شیلنگ با آب در تماس می‌باشد. تماس دیواره داخلی شیلنگ با آب موجب ایجاد اصطکاک می‌گردد. افزایش میزان اصطکاک موجب کاهش مقدار آب و ظرفیت تخلیه می‌گردد. به شکل 13 نگاه کنید. مشخصات لوله مناسب برای متصل کردن به پمپ آب در دفترچه راهنمای پمپ ذکر می‌شود. حتما به این نکات در زمان کاربرد پمپ توجه کنید.

discharge length+ طول لوله تخلیه پمپ 

شکل 13: طول لوله تخلیه و تاثیر آن بر دبی آب

محدودیت‌های جریان پمپ آب

محدودیت‌ها نقش سد را برای جریان آب ایفا می‌کنند. زمانی که جریان آب با مانعی برخورد می‌کند، مقدار کمی آب می‌تواند عبور کند. در حد امکان شیلنگ تخلیه را صاف نگه دارید تا اندازه آن کم نشود. محدودیت‌ها میزان اصطکاک را افزایش می‌دهند و باعث کاهش ظرفیت تخلیه در انتهای لوله می‌گردند. برای درک موضوع به شکل 14 نگاه کنید.

 restrictions in water  fellow + عوامل کاهش دهنده دبی پمپ آب

شکل 14: محدودیت‌ در مسیر جریان پمپ آب و کاهش دبی

زانوهای لوله

زانوهایی که به طول لوله آب متصل می‌گردند، مانع جریان روان آب می‌شوند. تلاطم یا جوش و خروش اطراف اتصالات مربوط به زانوها موجب اصطکاک می‌گردند که این امر ظرفیت تخلیه آب را کمتر می‌کنند. برای درک موضوع به شکل 15 نگاه کنید.

 reduction of water flow + ایجاد تلاطم در آب و کاهش دبی پمپ آب

شکل 15: کاهش دبی به خاطر زانوهای لوله و ایجاد تلاطم در جریان آب

شیرها و اتصالات مربوط به لوله

با افزودن شیرها و اتصالات به طول لوله آب، روانی جریان آن کاهش می‌یابد. تلاطم‌های ایجاد شده موجب می‌گردد تا میزان اصطکاک افزایش و ظرفیت تخلیه را کمتر می‌کند. برای درک بهتر به شکل 16 نگاه کنید.

couplers and valves in pumping water + مشخصات لوله و اتصالات پمپ آب 

شکل 16: اثر شیرها و اتصالات مربوط به لوله در کاهش دبی آب

نقش ارتفاع در مکش آب

عملکرد موتور پمپ آب متناسب با ارتفاع از سطح دریا کمتر می‌گردد. هر چقدر ارتفاع از سطح دریا برای محل نصب پمپ بیشتر گردد، هوای کمتری برای کارکرد موتور پمپ در دسترس خواهد بود. حداکثر توان موتور حدود 5/3 درصد در هر 1000 فوت ارتفاع از سطح دریا کاهش می‌یابد. به شکل 17 نگاه کنید.

منظور از هوای کمتر، فشار هوای کمتری است که باید به سطح آب وارد شود تا آن را وارد پمپ نماید. در نتیجه  چون فشار هوای کمتری آب را به داخل پمپ آب انتقال می‌دهد، حداکثر ارتفاع مکش کاهش می‌یابد. علاوه بر این احتمالا کاهش قدرت موتور، ظرفیت تخلیه را نیز کاهش می‌دهد.

 reject carburetor + رابطه ارتفاع از سطح دریا و پمپ کردن آب

شکل 17: نقش ارتفاع از سطح دریا در مکش آب