پمپ وکیوم دوزینگ
دوزینگ پمپها یا پمپ های مترینگ گونه ای از پمپ های جابجایی مثبت اند که قادرند مقدار دقیقی از سیال را پمپاژ نمایند و به همین جهت به آنها دوزینگ پمپ یا مترینگ پمپ گفته می شود.
از آنجا که دبی پمپ های سانتریفوژ و روتاری بسته به فشار سیستم تغییر می کند، بنابراین هیچیک از پمپ های مذکور نمی تواند به عنوان دوزینگ پمپ مورد استفاده قرار گیرد. معمولاً تنها پمپ های پیستونی و پیستون دیافراگمی این امکان را دارند که در رده پمپ های دوزینگ قرار گیرند.
دوزینگ پمپ
دوزینگ پمپ دستگاهی است که مقدار دقیقی از مواد شیمیایی را تزریق می نماید. دبی این پمپ ها به صورت دستی و یا اتوماتیک و بسته به شرایط فرآیند قابل تغییر می باشد. این پمپ ها قادرند محدوده وسیعی از مواد شیمیایی حاوی اسیدها، سیالات خورنده و یا مایعات ویسکوز و اسلاری را پمپاژ نمایند. دقت کورس های رفت و برگشتی این پمپ ها بسیار بالا می باشد چرا که می بایست در هر کورس دوز صحیحی از سیال را پمپاژ نمایند.
مترینگ پمپها عموماً در حالات زیر مورد استفاده قرار می گیرند:
الف) دبی های پایین که بر حسب ml/hr و یا GPH بیان شوند.
ب) وقتی که فشار سیستم بالا است.
پ) تزریق خیلی دقیق سیال مورد نیاز باشد.
ت) تزریق سیال توسط رایانه، میکرو پروسسورها، DCS، PLC و یا شیرهای تناسبی کنترل می شود.
ث) جاییکه مایعات خورنده، آتشزا و یا سیالات داغ انتقال داده می شود.
ج) پمپاژ سیالات ویسکوز یا اسلاری ها
ساختار پمپهای دوزینگ محرکه
عموماً محرکه این پمپ ها یک الکتروموتور جریان متناوب AC دور ثابت می باشد. در بعضی موارد ممکن است الکتروموتورهای دور متغیر، موتورهای پنوماتیکی و یا هیدرولیکی نیز مورد استفاده قرار گیرد.
مکانیزم حرکت
مکانیزم حرکت بگونه ای است که حرکت دورانی الکتروموتور به حرکت رفت و برگشتی تبدیل می گردد. غالب پمپ هایی که در صنایع مورد استفاده قرار می گیرد، اجزا مکانیزم حرکتی آنها درون روغن قرار می گیرد تا عملکرد مداوم سیستم تضمین گردد.
تنظیم دبی
دبی پمپ با تغییر طول موثر کورس و یا تغییر سرعت کورس تنظیم می گردد. بیشتر دوزینگ پمپ ها از یک پیچ میکرومتر یا چیزی شبیه آن برای تنظیم دبی استفاده می کنند . میکرومتر می تواند با یک عملگر پنوماتیکی و یا الکترونیکی جایگزین گردد. در این حالت عملگر با سیگنالی که از سیستم دریافت می کند، دبی را به صورت اتوماتیک تنظیم می کند.
گذرگاه سیال Liquid End
طراحی گذرگاه سیال و متریال آن با توجه به سرویس کاری پمپ و خصوصیات سیال مشخص می شود. مواردی همچون دما، دبی، ویسکوزیته، خورندگی سیال و فاکتورهای دیگر در طراحی موثر می باشند.
منحنی های مشخصه دوزینگ پمپها
عمل پمپاژ توسط یک پیستون رفت و برگشتی انجام می شود. حرکت رفت و برگشتی سبب تولید دبی می شود که می توان به راحتی آن را توسط یک موج سینوسی نشان داد دبی پمپ برابر است با حاصلضرب مقدار جابجایی موثر پیستون در تعداد سیکل ها در واحد زمان.
در دوزینگ پمپ ها بر خلاف پمپ های گریز از مرکز، تغییرات فشار تأثیر زیادی بر دبی ندارد
منحنی مشخصه دبی- کورس دوزینگ پمپ ها خطی می باشد. البته الزاماً به این معنی نیست که تنظیم 50 درصد کورس برابر با 50 درصد دبی می باشد. به خاطر اینکه خط کالیبر به طور همزمان از مبدا مختصات عبور نمی کند . با اندازه گیری دبی در دو بار تنظیم کورس و رسم خط مستقیمی که از دو نقطه می گذرد، می توان تغییرات دبی بر حسب تنظیم کورس را به صورت دقیق پیش بینی کرد. برای دوزینگ پمپ های صنعتی که به درستی نصب شده اند، دقت پیش بینی دبی در حدود ±1 درصد می باشد.
اگرچه دوزینگ پمپ ها عموماً می توانند برای دبی صفر تا حداکثر خود تنظیم شوند، اما دقت عمل آنها ممکن است کاهش یابد. عموماً سازندگان پمپ محدوده 10 درصد تا 100 درصد دبی را به عنوان محدوده عملکرد دقیق دستگاه مشخص می نمایند. اخیراً شرکت Milton Roy ادعا نموده است محدوده عملکرد دقیق دوزینگ پمپ مدل Centrac خود را به 1درصد افزایش داده است. یعنی در هر نقطه بین دبی 1 تا 100 درصد، دقت دستگاه یکسان می باشد.
محدوده دبی و فشار
دوزینگ پمپ ها عموماً برای دبی های پایین مورد استفاده قرار می گیرند. ماکزیمم دبی هر پمپ با توجه به نسبت گیربکس، قطر پیستون و دور الکتروموتور تعیین می شود. معمولاً در محدوده دقیق دستگاه، حداقل دبی از 4ر0 گالون در ساعت یا 5ر1 لیتر بر ساعت شروع می شود و بزرگترین دوزینگ پمپ ها عموماً بیش از 2500 گالون بر ساعت یا 9500 لیتر بر ساعت دبی تولید نمی کنند.
ماکزیمم فشار این پمپ ها تا PSI 30،000 یا Bar 2000 بار گزارش شده است. اگر چه ممکن است بعضی سازنده ها بسته به نیاز مشتری با فشارهای بالاتر نیز تولید کرده باشند.
طرح های مختلف گذرگاه سیال
گذرگاه سیال که به قطعات در تماس با سیال پمپ اطلاق می شود، بر مبنای شرایط کاری پمپ طراحی و انتخاب می گردد. دبی و فشار کاری بعلاوه خصوصیات فیزیکی و شیمیایی سیال مورد ملاحظه قرار می گیرد. در مواقعی که با سیالات آتشزا و سمی سروکار داریم، محافظت گذرگاه سیال از محیط اطراف نیز مساله ساز خواهد بود. تمامی گذرگاه های سیال چندین خصوصیت مشترک دارند: اول؛ با حرکت رو به عقب پیستون، سیال به داخل گذرگاه مکیده و با حرکت رو به جلو به بیرون فرستاده می شود. برای این منظور، در پمپ های دوزینگ در قسمت مکش و رانش شیرهای یکطرفه بکار می رود.
هنگام عمل مکش، حرکت پیستون سبب می شود توپی شیر یکطرفه سمت مکش از روی نشیمن خود حرکت کند و سیال به داخل پمپ وارد شود. در همان موقع توپی شیر یکطرفه سمت رانش بر روی نشیمن خود فشرده می شود و امکان خروج سیال را غیر ممکن می سازد. هنگام کورس رانش، عکس این عمل اتفاق می افتد.
شیرهای یکطرفه در طرح های مختلف ساخته شده اند. انتخاب نوع شیرها (مثلاً توپی یا سوپاپی) معمولاً با توجه به دبی پمپ انتخاب می شود و مسئولیت آن بر عهده سازنده پمپ می باشد.
در مواقع پمپاژ اسلاری و یا مایعاتی که الیاف بلندی دارند بهتر است به جای استفاده از شیر یکطرفه نوع توپی تکی از شیر دوبل استفاده شود. چرا که اگر ذرات بین توپی و نشیمن گیر بیفتد آببندی شیر مختل می شود. بنابراین استفاده از شیر یکطرفه نوع توپی دوبل Double Ball Check Valve دقت و پایداری بیشتری دارد. از طرف دیگر، از آنجا که هر شیر یکطرفه ای حتی هنگامی که کاملاً باز می باشد مقداری مقاومت در مسیر جریان ایجاد می کند، در مواقعی که سیال ویسکوز می باشد استفاده از شیر یکطرفه تک در قسمت مکش ارجحیت دارد و باعث کاهشNPSHr می شود.
1پلانجر با آببندی پکینگی
این طرح تنها حالتی است که پیستون در تماس مستقیم با سیال فرایند می باشد (شکل 4-7). این طرح چندین مزیت دارد:
الف) قابلیت فشار و مکش رانش بالا
ب) مقاومت دمایی بالا
پ) NPSHr پایین
در این طرح آببندی پیستون از نوع پکینگ می باشد. پلانجر با آببندی پکینگی ساده و موثر است اما در بعضی کاربردها محدودیت هایی دارد.
از آنجا که نشتی کنترل شده ای در پکینگها وجود دارد، این طرح نباید جهت سیالات شیمیایی آتشزا و سمی استفاده شود. علاوه بر این سایش بین پیستون و پکینگ سبب افزایش نشتی در مدت معینی می گردد. بنابراین باید به طور متناوب جهت حفظ بازده حجمی پکینگ ها تنظیم شوند. جهت جلوگیری از مشکلات نشتی باید از طرح دیافراگمی برای گذرگاه سیال استفاده کرد.
پلانجر با آببندی پکینگی می تواند فشارهایی تا 1000 بار و دماهایی تا 600 درجه فارنهایت را تحمل نماید.
2 دیافراگم دیسکی Disc Diaphragm
طرح دیافراگم دیسکی برای گذرگاه سیال از یک دیافراگم تفلونی تشکیل شده است که مانعی بین سیال فرایند و پیستون می باشد حرکت رفت و برگشتی پیستون به سیال هیدرولیک وارد می شود که سبب حرکت دیافراگم به جلو و عقب می شود.
فشار سیال هیدرولیک و فشار سیال فرایند هر دو یکسان است. در نتیجه فشار در دو طرف دیافراگم در تمام زمانها متعادل خواهد بود و سبب حذف تنش در آن می شود. دو صفحه کانتور مسیر حرکت دیافراگم را احاطه می کنند. سیال هیدرولیک و سیال فرایند از سوراخ های صفحه کانتور که به دقت طراحی شده اند عبور می کنند تا در تماس با دیافراگم باشند. شیرهای فشار شکن و پر کننده Refill حجم سیال هیدرولیک را کنترل می کنند. یک شیر تخلیه اتوماتیک هواAutomatic air bleed valve به طور پیوسته هوا را از سیال هیدرولیک خارج می کند.
در این طرح، دیافراگم آببندی است. بنابراین انتخاب مناسبی است برای مایعات شیمیایی آتشزا، سمی و خورنده. جهت محافظت بیشتر، دیافراگم دوبل و سنسور نشتی استفاده می شود. اگرچه بخاطر استحکام بالای این طرح استفاده از طرح های محافظتی چندان متداول نیست.
از آنجا که سیال فرایند می بایست از داخل سوراخ های نسبتاً کوچک صفحات کانتور عبور کند، این طرح برای اسلاری ها و سیالات ویسکوز بهترین انتخاب نیست.
طرح دیافراگم دیسکی قابلیت تزریق تا فشار PSI 3500 یا بالاتر را دارد. دمای سیال ماکزیمم تا 250 درجه فارنهایت امکان پذیر می باشد.
همانطور که در بالا به آن اشاره شد، در این طرح از شیر فشار شکن و پرکننده استفاده می شود. در مواقعی که دیافراگم بنا به هر دلیلی نتواند در هنگام مکش پیستون به عقب حرکت کند، شیر پرکننده وارد عمل می شود و سیال هیدرولیک را وارد مجرا می کند. همچنین وقتی عمل مکش به طور موقت و یا دائم به خاطر مسائلی همچون بروز کاویتاسیون و یا بسته شدن ناگهانی شیر مکش و یا هر دلیل دیگری قطع شود، این شیر وارد عمل می شود و سیال هیدرولیک اضافی وارد مجرا مربوطه می کند. در نتیجه مجرا بیش از حد پر می شود و جهت جلوگیری از آسیب دیافراگم در کورس برگشت، صفحات کانتور مانع حرکت بیش از اندازه دیافراگم می گردند. در این حالت سیال هیدرولیک اضافی از شیر تخلیه خارج می گردد.صفحات کانتور محدب- مقعر می باشد و حرکت رفت و برگشتی دیافراگم را کنترل می کنند. این صفحه تعدادی سوراخ دارد که اجازه می دهد سیال در تماس با دیافراگم باشد. الگو و سایز این سوراخ ها باید به دقت مهندسی گردد تا استحکام کافی جهت نیروهای دیافراگم در فشارهای مختلف را داشته باشد.
صفحه کانتور سمت سیال هیدرولیک در طول عملکرد خود مشکل خاصی ندارد و سیال هیدرولیک به راحتی از بین سوراخ های آن عبور می کند. اما صفحه کانتور سمت سیال فرایند محدودیت هایی از بابت شرایط سیال دارد. اسلاری ها و سیالات ویسکوز به راحتی نمی توانند از داخل سوراخ های صفحه کانتور عبور کنند. ضمن آنکه عبور سیال از داخل آن نیز سبب افت فشار و بالا رفتنNPSH پمپ می شود.
طرح دیافراگم مکانیکی
این طرح توازن خیلی خوبی بین قیمت پایین و کیفیت عمل دارد. بخاطر نشتی صفر دیافراگم، در مواقعی که سیال گرانقیمت می باشد و یا دستورالعمل های زیست محیطی مطرح می باشد، استفاده از این طرح توجیه دارد. جهت پمپاژ اسلاری ها و سیالات ساینده، این طرح بهترین انتخاب است. جهت پمپاژ سیالات ویسکوز بالا و یا سیالاتی که شرایط سخت و مشکلی دارند از لحاظ اقتصادی طرح قابل قبولی است.
در این طرح، پلانجر مستقیماً به دیافراگم متصل شده است . اتصال از طریق پیچ و کلامپ که از داخل دیافراگم و پلانجر عبور می کند، ایجاد می شود. حرکت الکتروموتور باعث حرکت رفت و برگشتی پلانجر می شود و در نتیجه باعث عمل مکش و رانش سیال از طریق دیافراگم می شود. فشار ماکزیمم در این طرح بالا نیست و حداکثر به 15 بار خواهد رسید. با تعویض دیافراگم در مدت زمان معین، می توان عمر پمپ را افزایش داد. معمولاً هزینه های تعمیر و نگهداری سالانه این طرح بسیار پایین است.
طرح دیافراگم فلزی
این طرحی بی همتا برای استفاده در شرایط بحرانی و کاربردهای فشار بالا مانند سکوهای نفت و گاز و صنایع حساس می باشد . این طرح به ویژه مواقعی استفاده می شود که دما و فشار محیط و سیال شیمیایی متغیر و پیچیده می باشد.
اساس عمل این طرح مشابه سایر طرح های دیافراگمی می باشد. با این تفاوت که دیافراگم تلفونی (و یا ساخته شده با مواد معمولی) با یک آلیاژ فلزی مخصوص جایگزین شده است. این آلیاژ ویژه اجازه تولید فشارهای بالاتر از مواد معمولی را می دهد. همچنین طرح فلزی دیافراگم باعث می شود مایعات ساینده، ویسکوز و اسلاری ها با راندمان بهتری نسبت به طرح های استاندارد دیگر پمپاژ گردند. خیلی از سکویهای حفاری نفت به خاطر قابلیت اعتماد و طول عمر بیشتر، به این طرح احتیاج دارند.
2 مکانیزم میل لنگ دورانی Polar Crank
این طرح عملکرد فوق العاده بهتری نسبت به مکانیزم میل لنگ خارج از مرکز دارد. یک چرخدنده مارپیچی دور بالا، دور الکتروموتور را کاهش و به میل لنگ دورانی منتقل می کند (شکل 4-19 و 4-20). یک میله رابط Connecting Rod که در دو سر خود یاتاقانهای کروی دارد از یک طرف به میل لنگ دورانی و از طرف دیگر به مجموعه Cross head و پیستون متصل است. در حالت دبی صفر یا به اصطلاح کورس صفر، محور میل لنگ دورانی و محور چرخدنده مارپیچ بر هم عمود هستند (شکل 4-19). در این حالت حرکت رفت و برگشتی مجموعه Cross head و پیستون تولید نمی شود و فقط میله رابط حول دایره میل لنگ دوران می کند. بسته به انحراف زاویه میل لنگ نسب به محور چرخدنده مارپیچ، کورس رفت و برگشتی شکل می گیرد. برای شکل گیری ماکزیمم کورس رفت و برگشتی، می بایست بیشینه زاویه ممکن بین میل لنگ و محور چرخدنده مارپیچی ایجاد شود. این زاویه نسبت به حالت کورس صفر (زاویه 90 درجه بین میل لنگ و محور چرخدنده مارپیچی) اندازه گیری می شود. صرفنظر از میزان تنظیم طول کورس، این سیستم در انتهای کورس رانش، بیشترین نیرو را به سیال وارد می کند. این امر سبب می شود حداکثر سیال ممکن از گذرگاه سیال تخلیه گردد.
همانطور که گفته شد، زاویه میل لنگ دورانی را می توان تغییر داد. این امر سبب افزایش یا کاهش طول کورس پیستون و در نتیجه تنظیم دبی از 0 تا 100 درصد می شود. معمولاً جهت کنترل دقیق دبی از میکرومتر دستی یا اتوماتیک استفاده می شود. به هر حال با توجه به نوع مکانیزم، کنترل دبی در این حالت نسبت به مکانیزم حرکتی میل لنگ خارج از مرکز، دقیقتر و مطمئن تر می باشد.
تجهیزات جانبی دوزینگ پمپ ها
عملکرد صحیح سیستم پمپهای دوزینگ وابسته به انتخاب صحیح تجهیزات جانبی می باشد. در زیر به متداولترین تجهیزات جانبی این پمپ ها اشاره می شود.
شیرهای ایمنی Safety Relief Valves
بیشتر سیستم های لوله کشی نیازمند شیرهای ایمنی برای محافظت از لوله ها در هنگام افزایش فشار غیر مجاز می باشد. اگرچه پمپ های دوزینگ شیر ایمنی برای محافظت از خود دارند، اما جهت محافظت لوله ها، کماکان نیاز به شیر ایمنی وجود دارد.
شیرهای Back Pressure
از آنجا که پمپ های مترینگ باید دوز صحیحی از سیال را پمپاژ نمایند، در حالاتی که اختلاف فشار خط رانش و مکش کمتر از 5ر1 بار باشد، استفاده از این شیر توصیه می شود. این شیر باعث می شود دبی ناخواسته از پمپ به خاطر فشار کم خط رانش جریان نیابد.
تعدیل کننده های پالس جریان Pulsation Dampeners
حرکت رفت و برگشتی پمپ های دوزینگ سبب می شود جریان خروجی به صورت پالسی باشد. این تعدیل کننده ها تا 90 درصد پالس را از بین می برند. معمولاً این دستگاه تا فشار 60 بار تولید می شود .
ستون کالیبراسیون
اگرچه هنگامی که پمپی از کارخانه سازنده خریداری می شود، مشخصه های دبی و فشار آن قبلاً کالیبره می شود. اما هر چند وقت یکبار نیاز است پمپ در حال کار مجدداً تست و کالیبر گردد تا اطمینان حاصل شود دبی مورد نظر تأمین می شود
صافی ها
شیرهای یکطرفه پمپ های مترینگ باید از ورود ذرات و خرده ریزها توسط نصب صافی، محافظت شود. وقتی اسید سولفوریک غلیظ پمپاژ می کنید، تله لجن Sludge trap می بایست استفاده شود تا ذرات آلوده را به دام اندازد و محلول تمیز تحویل دهد.
در شکل زیر شماتیک نصب یک سیستم دوزینگ پمپ نشان داده شده است.
