اصول اساسي كار كليه پمپهاي سانتريفوژ بر اساس استفاده از نيروي گريز از مركز پايه ريزي شده است. هر جسمي كه در يك مسير دايره اي حركت كند تحت تاثير نيروي گريز از مركز واقع مي شود. جهت نيروي گريز از مركز طوري است كه همواره تمايل دارد كه جسم را از محور يا مركز دوران دور مي سازد.

 
شكل 1 - نمونه پمپ سانتريفوژ افقي

قطعه دواري كه داخل پوسته پمپ وجود دارد با حركت سريع خود موجب گردش سيال مي گردد . در نتيجه اين عمل، سيال تحت تاثير نيروي گريز از مركز واقع شده و از مجراي خروجي خارج مي گردد . در نتيجه ايجاد خلا نسبي، فشار اتمسفر باعث دخول سيال به بدنه پمپ مي گردد. تا زماني كه آب در داخل پمپ وجود داشته باشد مراحل فوق تكرار مي شود. قطعه دوار يكه در داخل پمپ هاي گريز از مركز قرار دارد پره ناميده مي شود. مجراي ورودي يا مكش سيال در مركز پره قرار داشته و مجراي خروجي در پيرامون بدنه واقع شده است.

قسمت هاي اصلي يك پمپ سانتريفوژ عبارت است از:

پروانه ها: كه بهره يك پمپ سانتريفوژي را تعيين مي كنند. بسته به نوع و كاري كه از پمپ انتظار مي رود،تعداد پره ها بين 1 تا 9 يا بيشتر تغيير مي كند. به عنوان مثال از پروانه هاي با تك پره نيمه باز در بسياري از پمپهاي صنعتي قوي كه با مايعات غير يكنواخت و تصفيه نشده همراه با رسوبات و ذرات معلق ، سروكار دارند، استفاده مي شود. از پره هاي باز نيز براي پمپاژ سيالاتي كه داراي ماده خارجي اضافي بيشتري هستند به كار مي رود.

 
شكل 2 - نمونه پره نيمه باز در يك پمپ سانتريفوژ

قسمت ديگر پمپ پوسته و يا بدنه آن است كه معمولاً به صورت دوپارچه مي سازند. پارچه هاي مزبور تحت يك صفحه افقي يا به صورت قطري با يكديگر جفت مي شوند، معمولاً دريچه هاي ورود و خروج آب را در پارچه زيري تعبيه مي كنند. پمپ هاي گريز از مركز را به صورت يك راهه يا دوراهه مي سازند. البته نوع دوراه به مراتب بهتر از نوع يك راهه است زيرا وقتي فشار موجود در يكي از مجراهاي ورودي يا خروجي تغيير كند نيروهاي محوري به صورت خودكار يكديگر را متعادل مي سازند.

 
شكل 3 -  نماي داخلي يك پمپ سانتريفوژ افقي

تقسيم بندي و انواع پمپ سانتريفوژ

طرحهاي اساسي پمپهاي سانتريفوژ به اصول مختلف عملكرد آنها بستگي دارد. به طور عمومي پمپهاي گريز از مركز را نسبت به موارد زير طراحي مي كنند:

1. وضعيت مجراي ورودي مثل يك راهه يا دوراهه.
2. وضعيت مراحل از قبيل يك مرحله و يا چند مرحله اي.
3. وضعيت خروجي از نظر ميزان سيال خارج شده مثل پمپ با خروجي زياد، متوسط و يا كم.
4. وضعيت پروانه مانند نوع، تعداد پره ها و وضعيت بدنه پمپ.

- پمپ هاي يك مرحله اي: اين پمپ ها بيشتر براي مواردي استفاده مي شوند كه ارتفاع خروجي، كم يا متوسطي مورد نظر باشد. مي توان با استفاده از يك پمپ يك مرحله اي به ارتفاع خروجي حدود 100 ft دست پيدا كرد در حاليكه عملاً وقتي ارتفاع بيش از 250 تا 300 فوت مورد نظر باشد بهره گيري از پمپ هاي چند مرحله اي عاقلانه تر است.

- پمپ هاي چندمرحله اي: اين پمپ ها قادرند آب را تا ارتفاع نسبتاً زياد پمپاژ نموده، فشار قابل توجهي را نيز در اختيار بگذارند. بسته به اندازه و ارتفاع پمپاژ، آنها را به صورت دو مرحله يا چند مرحله طراحي مي كنند. با وجوديكه همه پروانه ها به يك محور واحد متصل بوده و در داخل يك بدنه واقع شده اند هر مرحله را مي توان عمل يك پمپ مجزا فرض كرد. براي مثال در داخل يك بدنه مي توان از 8 مرحله متفاوت استفاده نمود . در اولين مرحله سيال منبع مورد نظر مستقيماً از طريق مجراي ورودي تحويل گرفته شده و فشار آن به اندازه فشار ناشي از يك پمپ تك مرحله اي افزايش مي يابد و به مرحله بعدي ارجاع مي شود. در هر مرحله، فشار كمي زياد مي شود تا جاييكه فشار و حجم آب خروجي به ميزاني كه مورد نظر است برسد و مراحل خاتمه يابد.
از يك ديدگاه خاص پمپهاي سانتريفوژ برحسب محرك نيز تقسيم بندي مي شوند . پمپهاي سانتريفوژي كه مستقيماً به يك موتور الكتريكي متصل مربوط مي شوند و با استفاده از يك تسمه حركت منتقل مي شود . در اين موارد كه پمپ مستقيماً توسط يك موتور به گردش در مي آيد، موتور و پمپ هر دو بر روي يك زيركاري بزرگ تعبيه شده و با يك كوپلينگ مناسب به هم مربوط مي شوند . موتورهاي الكتريكي داراي سرعت بالا و راندمان مناسب هستند تنها ايرادي كه دارند اين است كه نمي توان سرعت موتور را با بار ورودي تنظيم نمود. پمپ هاي توربيني با وجود اينكه داراي راندمان پايين هستند ولي به علت اينكه دور موتور با بارورودي قابل تنظيم است كاربرد فراوان دارند و معمولاً به عنوان پشتيبان پمپهاي الكتروموتوري مورد استفاده قرار مي گيرند.

مزاياي پمپ هاي سانتريفوژ

مزاياي پمپ هاي سانتريفوژ بدين شرح مي باشد:

1. سادگي ساختمان
2. قيمت كم
3. تنوع جنس پروانه و محفظه ( انواع فلزات و غير فلزات مثل پلاستيك ها و لاستيك ها )
4. هزينه نگه داري كم
5. چون مي توانند در دورهاي بالا كار كنند امكان اتصال مستقيم به موتور الكتريكي وجود دارد.
6. جريان تحويلي از پمپ پايدار و بالا است.
7. مي تواند جريان هاي دوغابي را پمپ كند.
8. فضاي كمي را اشغال مي كند.

معايب پمپ هاي سانتريفوژ

معايب اين پمپ ها نيز عبارتند از:

1. به جز در سرعت هاي بالا ( مثلاً بيش از 10000 rpm ) امكان ايجاد فشارهاي بالا در پمپ هاي يك مرحله اي وجود ندارد.
2. پمپ هاي چند مرحله اي براي فشارهاي بالا گران قيمت هستند، خصوصاً براي مصالح مقاوم در مقابل حرارت.
3. در دبي هاي بالا راندمان سريعاً افت مي كند.
4. اين پمپ ها Self-priming نيستند ( احتياج به آب بندي دارند ).

يكي از مهمترين مشكلاتي كه بيشتر براي پمپ هاي سانتريفوژ پيش مي آيد مسئله كاويتاسيون مي باشد. قبل از بررسي اين مطلب بايد مختصري در مورد NPSH) Net Positive Suction Head) كه يكي از پارامترهاي مهم پمپ ها است توضيح دهيم.

در هنگام مكش و در قسمتهاي مختلف پمپ هرگز نبايد فشار مايع كمتر از فشار بخار مايع شود . NPSHR در واقع حداقل فشاري است كه پس از غلبه بر افت هاي اصطكاكي و اغتشاشي درون پمپ باز هم بايد از فشار بخار مايع بيشتر يا مساوي آن باشد. زيرا اگر اين اتفاق رخ دهد باعث بوجود آمدن حباب هاي درون مايع داخل پمپ شده حباب هاي بخار به علت سرعت زياد پره ها و فشار زيادي كه خودشان دارند ضربات بسيار محكمي به پره هاي پمپ وارد كرده و باعث تخريب پره ها مي شوند. در واقع پديده كاويتاسيون وجود چنين حباب هايي در جريان ورودي مايع پمپ است كه براي اينكه اين اتفاق نيفتد بايد فشار مايع ورودي حداقل به مقداري باشد كه NPSHR مثبت را نتيجه بدهد. NPSH يكي از پارامترهاي طراحي پمپ ها است كه معمولاً توسط كارخانه سازنده پمپ مشخص مي شود.

NPSH=hss -hfs –p >0

hss = هد مايع در مكش
hfs = هد اصطكاكي
p = فشار بخار مايع در دماي عملكرد پمپ بر حسب هد مايع

 
شكل 4 - كاويتاسيون در پمپ هاي سانتريفوژ به علت كاهش فشار مايع ورودي

شرايط عملكرد غير عادي پمپ

وقتي پمپ هاي گريز از مركز در شرايط عادي باشند، نرم و بدون لرزش كار مي كنند. در اين حالت ياتاقان ها گرماي ثابتي دارند كه به وضعيت قرار گيري دستگاه ها بستگي دارد. اين دما ممكن است تا حدود oF 100 پايين بيايد. البته بايد به خاطر داشت كه دماي كلي سيستم به ظرفيت آن بستگي دارد و به ازاء حداقل جريان ، دما به حداكثر ممكن مي رسد. بعضي از اشكالاتي كه ممكن است در پمپ هاي گريز از مركز اتفاق بيفتد همراه با علل ممكنه به صورت خلاصه در زير آورده شده است.

دبي پمپ كمي پس از روشن شدن پمپ كم مي شود؟ در صورت بروز چنين مشكلي علت را بايد در عوامل زير جستجو نمود:

1. هوا وارد لوله مي شود.
2. عمق زياد است (بيش از 5 متر).
3. لوله آب بندي اوليه مسدود است و يا داخل سيال هوا يا گازهاي مزاحم زياد است (هوا يا بخار در بخش مكش تجمع كرده است).

پمپ موتور داغ مي كند؟ در اين صورت بايد عوامل زير را بررسي كرد:

1. سرعت زياد است.
2. ارتفاع ديناميكي كل كمتر از قدرت پمپ بوده و سيال زيادي پمپاژ مي شود.
3. پمپ براي جابجا كردن سيالي با وزن مخصوص و ويسكوزيته سيالي كه فعلاً دارد آن را پمپاژ مي كند ساخته نشده است.

پمپ لرزش زيادي دارد؟ علل به شرح زير است:

1. به طور كلي قطعات در تماس باهم، تنظيم نيستند.
2. فونداسيون به قدر كافي سخت نيست.
3. يك ماده خارجي تعادل پروانه را به هم زده است.
4. يك اشكال مكانيكي از قبيل خم شدن محو ر، ساييده شدن ياتاقان ها و يا ماليده شدن يك قطعه متحرك به يك قطعه ثابت وجود دارد.

پمپهاي گريز از مركز كه در صفحات قبل بررسي شد در واقع پمپهاي جابجايي منفي هستند. در واقع اين پمپها سرعت سيال را به طور زيادي بالا مي برند در حاليكه پمپهاي جابجايي مثبت به طور ثابت و يكنواخت سيال را از داخل محفظه خود به بيرون مي رانند. پمپهاي جابجايي مثبت براي هد بالاتر و ظرفيت هاي پايين تر بكار مي روند. اصول كار به اين صورت است كه مقداري از سيال درون محفظه اي كه مرتباً پر از سيال مي شود گير مي كند و سپس در فشار بالاتري، از قسمت خروجي پمپ خارج مي شود.

تقسيم بندي انواع پمپ هاي جابجايي مثبت

پمپهاي جابجايي مثبت داراي دو نوع عمده هستند. يك نوع ،محفظه اصلي پمپ ثابت است و تقريباً شبيه سيلندر است و يك قطعه متحرك مانند پيستون درون آن حركت مي كند . به اين پمپها، پمپهاي رفت و برگشتي  مي گويند. اما نوع ديگر پمپها، پمپهاي دوراني  مي باشند كه حركت محفظه شامل سيال، از قسمت ورودي سيال تا قسمت خروجي آن صورت مي گيرد.

پمپهاي جابجايي مثبت نسبت به وضعيت پروان هاي كه داخل آن است تقسيم بندي هاي خاص خود را دارند: پمپهاي دنده اي  كه شامل دو چرخ دنده ساده هستند و يكي از آنها به وسيله عامل محرك مثل موتور به گردش در آمده و چرخ دنده ديگر را بر مي گرداند يك نوع از اين پمپها هستند. در پمپهاي دنده اي ميزان سيال را به سادگي و تنها با تغيير سرعت گردش محور مي توان تغيير داد.

  
شكل 5 - ترتيب ورود وخروج سيال در پمپ جابجايي مثبت

 پمپ هاي سنجشي معمولاً براي پمپ كردن مقدار دقيق سيال (مثل افزودن بازدارنده هاي شيميايي) به كار مي روند. ظرفيت كم و فشارهاي بالا از خصوصيات اين پمپ ها مي باشد.

پمپهاي پيستوني نيز به صورت جابجايي مثبت يا متغير ساخته مي شوند . در پمپهاي پيستوني با جابجايي متغير، جابجايي پمپ به طور خودكار تغيير يافته و موجب مي شود كه جريان مورد نياز سيستم به طور اتوماتيك ثابت باقي بماند. وقتي ميزان جابجايي تغيير كند فشار سيستم به نحوي متناسب با آن تغيير كرده به صورتي كه جريان تقريباً ثابت باقي بماند.

نحوه كار پمپ ها در سيستم
منحني يك پمپ ارتباط بين هد و ظرفيت يك پمپ را شرح مي دهد و اين ارتباط بدين صورت است كه هرچه ارتفاع بالاتري مورد نظر باشد ظرفيت پمپ كمتر خواهد شد و در نتيجه اين دو رابطه عكس با يكديگر دارند. منحني سيستم نيز ارتباط بين اختلاف هد كل در سراسر سيستم و جريان كلي در سيستم را نشان مي دهد.

براي انتخاب يك پمپ شكل و شيب نمودار پمپ بايد نسبت به موقعيتش ( با توجه به نمودار سيستم ) مورد توجه قرار گيرد. گاهي اوقات كه ظرفيت پمپ از ظرفيت سيستم بيشتر است به وسيله شيرهايي به نام شير فشار شكن (Throttle Valve ) ظرفيت پمپ را تا ظرفيت مورد نياز در سيستم كاهش مي دهد. به اين ترتيب كه شير فشار شكن با صرف انرژي باعث افزايش انرژي اصطكاكي در قسمت خروجي پمپ شده و باعث كاهش ظرفيت مي شود.كنترل ظرفيت پمپ مي تواند با برگرداندن قسمتي از مايع به بخش ورودي پمپ نيز صورت بگيرد كه غالباً اين روش براي پمپهاي جابجايي مثبت بكار مي رود زيرا براي اين گونه پمپها شير فشار شكن به كار نمي رود.

راه ديگر براي تنظيم ظرفيت پمپ تطبيق سرعت چرخش پمپ با ظرفيت  مورد نياز است كه غالباً كار آساني است زيرا پمپهاي الكتروموتوري با سرعت ثابتي راه اندازي مي شوند ولي از اين روش در پمپهاي توربيني مي توان استفاده كرد.

در پمپ هاي مارپيچي(شكل 7) ساختمان داخلي، شبيه چرخ گوشت است و براي مايعات با ويسكوزيته بالا، مثل پليمرها به كار مي رود و غالباً با سر و صدا و داراي راندمان بالايي هستند.

 
شكل 6 - نمونه پمپ مارپيچي (screw

يكي ديگر از پمپ هاي مورد استفاده در صنعت، پمپ دوراني مي باشد. همانطوريكه در شكل زير مشاهده مي شود در اين نوع از پمپ ها، سيال وارد محفظه اي مي شود كه در آن چند پر(معمولاً دو پره ) در حال چرخيدن هستند. نحوه چرخش پره ها به صورتي است كه باعث بردن سيال به كناره هاي محفظه شده و از آنجا سيال به قسمت خروجي پمپ با فشار ايجاد شده توسط پره ها منتقل مي شود . اين پمپ ها داراي ساختمان ساده اي بوده و براي سيالات با ويسكوزيته بالا بيشتر مورد استفاده قرار مي گيرند.

شكل 8 - پمپ دوراني

يكي از خصوصيات اين پمپ ها قابليت كنترل فشار خروجي از پمپ با تنظيم سرعت چرخش پره مي باشد. يكي از مسايل مهم اين نوع پمپ ها، قابليت خوردگي سيال مي باشد . لذا در مورد جريان هايي كه مي توانند خاصيت خورندگي روي پره ها ايجاد كنند، با كشيدن پوشش بر روي پره ها از خوردگي جلوگيري مي شود.

 
شكل 7 - پمپ پره اي