استانداردهای طراحی حوضچه مکش

[فاطمه یاس]

حوضچه مکش

بحرانی‌ترین بخش سامانه پمپاژ مسیر مکش و یا ورودی است. فراهم آوردن یک جریان تقریباً یکنواخت و کنترل آن در نقطه تماس سیال با پروانه پمپ بسیار مهم است. در طراحی ایستگاههای پمپاژ بخشی از کنترل جریان بواسطه انتخاب مناسب پمپ انجام می‌شود. اما طراحی حوضچه مکش و لوله مکش ﺗﺄثیر بسیاری در دستیابی به عملکرد مناسب پمپ دارد. در طراحی حوضچه‌های مکش روباز، جریان سیال می‌بایست تا حد امکان بصورت یکنواخت و بدون تغییر در مسیر به لوله مکش برسد. ابعاد حوضچه مکش، موقعیت لوله مکش و شرایط آبگیری ورودی حوضچه مکش ﺗﺄثیر زیادی در
عملکرد پمپ دارد. شرایط هیدرولیکی زیان‌بخش برای عملکرد پمپ شامل موارد زیر است:

- عدم تقارن در جریان ورودی به آبگیر – توزیع سرعت نامتقارن و غیر یکنواخت در آبگیر پمپ – حرکت چرخشی جریان در روی پروانه پمپ – وجود گردابه‌های سطحی و زیرسطحی

جریان نامتقارن در آبگیر پمپ باعث ایجاد جریان چرخشی و توزیع نامتقارن سرعت در دهانه ورودی پمپ می‌شود. سرعت‌های نامتقارن در دهانه ورودی پمپ باعث توزیع نامتقارن سیال بر روی پروانه شده که در نتیجه آن به یک طرف پروانه نیروی بیشتری وارد می‌شود. اعمال نیرو به این صورت به پروانه پمپ باعث انحراف محور پمپ و ایجاد تنش اضافی بر روی یاتاقان‌ها و مفصل‌ها می‌شود. این مسائل در پمپ‌های بزرگتر و با سرعت مخصوص بالاتر اثرات مخرب‌تری را ایجاد می‌کند. جریان چرخشی ارتفاع، ظرفیت و راندمان پمپ را کاهش می‌دهد و باعث تشکیل گردابه‌ها می‌شود. وقتی یک گردابه قوی می‌شود، باعث تشدید پدیده خلاءزایی و افزایش سرعت خوردگی فلزات می‌شود.

استانداردهای طراحی حوضچه مکش

در حال حاضر در دنیا به‌منظور طراحی حوضچه‌های مکش روش‌ها و استانداردهای مختلفی وجود دارد. بر این اساس در اکثر اوقات برای مشکلات مربوط به حوضچه‌‌های مکش و پمپ‌ها، در شرایط ثابت راه‌حل‌های متفاوت ارائه شده ‌است. بطور معمول در روش‌های مختلف طراحی ابعاد حوضچه مکش بر مبنای قطر لوله مکش تعریف می‌شود. مبنای انتخاب قطر لوله مکش نیز حداکثر سرعت مجاز است.

۱- استاندارد طراحی حوضچه‌های مکش امریکا

ﻣﺆسسه استانداردهای طراحی حوضچه‌های مکش امریکا، محدوه سرعت مجاز درون لوله مکش را بین ۹/۰ تا ۴/۲ متر بر ثانیه توصیه کرده است. در شکل (۱) پارامترهای مختلف حوضچه مشاهده می‌شود.

​

شکل (۱) پارامترهای حوضچه مکش (ﻣﺆسسه استانداردهای طراحی حوضچه‌های مکش امریکا ۱۹۹۸)

پارامترهای موجود در شکل (۱) به صورت زیر تعریف می‌شوند:

D، قطر دهانه لوله مکش؛ A=5D، فاصله مرکز لوله مکش تا ابتدای قسمت ورودی حوضچه؛

B=0.75D، فاصله مرکز لوله مکش تا دیواره انتهایی؛ ۰٫۳D<C<0.5D، فاصله دهانه لوله مکش از کف حوضچه؛

H، ارتفاع آب داخل حوضچه (S+C)؛ h، ارتفاع حوضچه؛

، حداقل ارتفاع استغراق لوله مکش ( فاصله دهانه لوله مکش تا سطح آب)؛

W=2D، عرض حوضچه؛

۲- استاندارد شرکت کا-اس-ب

شرکت کا-اس-ب آلمان یکی از بزرگترین شرکت‌های تولیدکننده پمپ در دنیا است. در حال حاضر بزرگترین کارخانه سازنده پمپ در کشور ما محصولات خود را تحت استاندارد این شرکت تولید می‌کند. این شرکت استانداردهایی را برای طراحی حوضچه‌های مکش ارائه داده است. مطابق این استاندارد پارامترهای حوضچه بصورت زیر تعریف می‌شوند: D، قطر دهانه لوله مکش؛ B=1.5D، فاصله مرکز لوله مکش تا دیواره‌ها؛ ، فاصله دهانه لوله مکش از کف حوضچه؛ W=3D، عرض حوضچه؛

مطابق این استاندارد، حداقل ارتفاع استغراق لوله مکش با توجه به قطر لوله مکش و دبی پمپاژ با استفاده از شکل (۲) بدست می‌آید.

​

 

[فاطمه یاس]

پدیده گرداب

پدیده گرداب در اثر خصوصیات سیال ، نظیر لزجت کشش سطحی و همچنین تغییرجهت‌ها بوجود می‌آید. از نظر هیدرولیکی هنوز پدیده گرداب ‌بطور کامل شناخته نشده است، اما در این زمینه تحقیقات وسیعی صورت گرفته است. گرداب پدیده پیچیده‌ای است که افراد مختلف ایده‌های گوناگونی در راستای شناخت آن ارائه داده‌اند.

در گردابه با سطح آزاد تمام گردابها در ابتدا در مرزهای سیال تشکیل می‌گردند و با گذشت زمان به داخل سیال انتشار می‌یابند. بطور معمول ابتدای یک جریان گردابی از سطح جریان شروع می‌شود و بتدریج بداخل جریان انتشار می‌یابد. ممکن است در یک سیستم پمپاژ گردابه از کف آبگیر شروع شود و تا دهانه لوله مکش ادامه یابد.

گردابه‌ها درون حوضچه‌های مکش با توجه به محل تشکیل به دو دسته تقسیم می‌شوند که شامل گردابه‌های باسطح آزاد و گردابه‌های زیر سطحی هستند.

۱- گردابه‌های باسطح آزاد

گردابه‌های با سطح آزاد همانطور که از نام آنها مشخص است از سطح آزاد آب شروع و با گذشت زمان وارد جریان می‌شود. بطور کلی گردابه‌ها بصورت کیفی طبقه‌بندی می‌شوند. مطابق این طبقه‌بندی انواع گردابه‌های با سطح آزاد را می‌توان در شکل (۳) مشاهده کرد.

​

شکل (۳) طبقه‌بندی گردابه‌های باسطح آزاد (Pump Handbook 2001)

- گردابه با سطح آزاد نوع-۱: جریان چرخشی در سطح مایع و بدون هیچ گونه فرورفتگی در سطح آن است؛

- گردابه با سطح آزاد نوع-۲: جریان چرخشی همراه با فرورفتگی در سطح مایع است؛

- گردابه با سطح آزاد نوع-۳: جریان چرخشی همراه با هسته کدر و در حال نوسان به طرف آبگیر را گویند؛

- گردابه با سطح آزاد نوع-۴: گردابه با قدرت مکش ذرات شناور سبک است؛

- گردابه با سطح آزاد نوع-۵: گردابه با قدرت مکش حباب های هوا به داخل دهانه لوله است؛

- گردابه با سطح آزاد نوع-۶: گردابه با یک هسته هوای کاملاً توسعه یافته به داخل لوله مکش را گویند؛

۲- گردابه‌های زیر سطحی

گردابه‌های زیر سطحی، از طرف مرزهای ثابت جریان، یعنی کف و دیواره‌های حوضچه شکل می‌گیرند. شناسایی و مشاهده این دسته از گردابه‌ها در حوضچه‌های مکش بسیار دشوار و در اغلب موارد غیرممکن است. گردابه‌های مستغرق بصورتیکه در شکل (۴) مشخص شده طبقه‌بندی می‌شوند.

​

شکل (۴) طبقه‌بندی گردابه‌های زیرسطحی (Pump Handbook 2001)

در گردابه‌های زیرسطحی، فشار بصورت موضعی کاهش می‌یابد که این پدیده با افزایش قدرت گردابه باعث ایجاد هسته هوا و ورود آن به لوله مکش می‌شود. در حوضچه‌های مکش این مسئله معمولاً در زیر لوله مکش مشاهده می‌شود. این دسته از گردابه‌ها نوسانات شدیدی را در جریان ورودی به لوله مکش ایجاد می‌کند. معمولاً حباب‌های هوا در گردابه‌های زیر سطحی شامل هوای محلول در آب است که به‌علت کاهش فشار در هسته گردابه از آن جدا می‌شود. گردابه‌های زیر سطحی از گردابه‌های سطحی خطرناک‌تر هستند. اگر حباب‌های بخار آب تشکیل شوند، با تشدید پدیده خلاءزایی، باعث خوردگی می‌شوند.

 

[فاطمه یاس]

روابط ارائه شده برای طراحی در راستای کاهش گردابه ها

عدد فرود و ارتفاع استغراق لوله مکش دو عامل مهم و ﺗﺄثیرگذار در تشکیل گردابه‌ها هستند. همانطور که اشاره شد، برای محاسبه حداقل ارتفاع استغراق روابط و گراف‌های بسیاری توسط محققین ارائه شده است. یکی از مهمترین این روابط رابطه هکر[۱] (۱۹۸۷) است. وی رابطه (۲-۱) را برای محاسبه حداقل ارتفاع استغراق جهت جلوگیری از تشکیل گردابه‌ها درون حوضچه‌های مکش پمپاژ ارائه داد.

(۱)پارامترهای موجود در رابطه (۲-۱) به صورت زیر تعریف می‌شوند:

D، قطر دهانه لوله مکش؛ S، حداقل ارتفاع استغراق لوله مکش؛ Fr، عدد فرود لوله مکش؛

رابطه (۱) در سال ۱۹۹۸ توسط موسسه استاندارهای هیدرولیک جهت محاسبه حداقل ارتفاع استغراق تائید شد. رابطه (۲) نیز توسط گالیور ریندلز (۱۹۸۷) جهت محاسبه حداقل ارتفاع استغراق ارائه شد. این رابطه مقادیر بیشتری را برای حداقل ارتفاع استغراق ارائه می‌دهد که از ضریب اطمینان بالاتری برخوردار است.

(۲)در این رابطه پارامتر مشخصه سیرکولاسیون می‌باشد و مقدار آن از رابطه (۲-۳) محاسبه می‌شود.

(۳)پارامترهای موجود دراین رابطه بصورت زیر تعریف می‌شود:

، زاویه سرعت نزدیک‌شونده؛ L، طول حوضچه مکش؛ B، عرض حوضچه مکش؛

در سال ۱۹۹۴ موسسه هیدرولیک امریکا کمیته‌ای متشکل از سازندگان پمپ و محققین را ﻣﺄمور توسعه و بهبود استانداردهای طراحی حوضچه‌های مکش نمود. این موسسه جدول (۱) را برای محدوده سرعت درون لوله مکش ارائه داده است.

در استانداردهای این موسسه تدابیری جهت کنترل جریان‌های گردابی اندیشیده شده است. در شکل (۵) نمای کلی و ابعاد حوضچه تک پمپ توصیه شده توسط این موسسه نشان داده شده است.

جدول (۱) محدوده سرعت درون لوله مکش (توصیه شده توسط موسسه هیدرولیک آمریکا ۱۹۹۸)

​

شکل (۵) حوضچه مکش تک پمپ (توصیه شده توسط موسسه هیدرولیک امریکا ۱۹۹۸)

پارامترهای موجود در این شکل بصورت زیر تعریف می‌شوند:

D، قطر دهانه لوله مکش؛

C، فاصله دهانه لوله مکش از کف حوضچه؛

همانطور که مشاهده می‌شود در این طرح جهت کنترل گردابه‌ها در گوشه‌های حوضچه از یکسری پرکننده و در دیواره انتهایی از یک تیغه استفاده شده است. همچنین در میانه حوضچه از یک صفحه جهت آرام کردن جریان استفاده شده است. سنکس و همکاران (۱۹۹۳) عوارض نامطلوبی را که بطور معمول درون حوضچه‌های مکش رخ می‌دهند را بصورت زیر بیان می‌کند:

• سقوط آزاد مایع از آبگیر ورودی به داخل حوضچه مکش: این پدیده باعث ورود هوا به داخل مایع می‌شود. حباب‌های هوا همراه جریان وارد پمپ می‌شوند که باعث کاهش ظرفیت پمپاژ و صدمه زدن به تجهیزات می‌شوند. در مجاری فاضلاب، هوای موجود در آب باعث افزایش تولید اسید سولفوریک می‌شود که در نتیجه موجب تخریب لوله‌ها و مجاری بتنی می‌شود.

• افزایش بی‌مورد سرعت درون لوله مکش: این پدیده باعث اجاد لرزش در لوله، اتصالات و شیرها می‌شود.

• تغییرات ناگهانی در جهت جریان درون حوضچه: این پدیده باعث بروز جریانهای نامتقارن در لوله مکش شده و در نتیجه نیروی بیش از حدی به محورها و یاتاقان‌ها وارد می‌شود.

• افزایش سرعت افقی نزدیک لوله مکش: بطور معمول سرعت جریان در نزدیکی لوله مکش باید کمتر از m/s 3/0باشد. افزایش سرعت در این ناحیه باعث تشکیل گردابه‌های مستغرق می‌شود.

• تداخل لوله‌های مکش مجاور هم: فاصله لوله‌های مکش مجاور هم در حوضچه‌هایی که دارای چند پمپ هستند نباید کمتر از ۵/۲ برابر قطر لوله مکش باشد. اثر لوله‌های مکش مجاور یکدیگر باعث بروز جریان‌های گردابی می‌شود.

• مکش هوا توسط گردابه: این پدیده باعث بروز جریانهای دوفاز شده که مشکلات عدیده‌ای را برای سامانه پمپاژ ایجاد می‌کند.

• وجود نواحی راکد در حوضچه: این پدیده در ایستگاه‌های پمپاژ فاضلاب باعث ته‌نشست مواد موجود در این آبها می‌شود.

تجمع رسوبات درون حوضچه‌های مکش یکی از مشکلات اساسی بسیاری از ایستگاههای پمپاژ است. سنکس و همکارانش تحقیقاتی را پیرامون طراحی حوضچه‌های مکش خودتمیزشونده انجام دادند. این دسته از حوضچه‌ها جهت شستشوی هیدرولیکی رسوبات انباشته شده در حوضچه طراحی می‌شوند. نتایج تحقیق این محققین در موسسه هیدرولیک امریکا در تهیه استانداردهای طراحی حوضچه‌های مکش مورد استفاده قرار گرفت. نمونه‌ای از طرح‌های ارائه شده توسط این موسسه برای حوضچه‌های مکش خودتمیزشونده در شکل (۲-۱۴) نشان داده شده است.

​

شکل (۶) طرح ارائه شده توسط موسسه هیدرولیک امریکا برای حوضچه‌های مکش خودتمیزشونده (HI 1998)

همانطور که در شکل (۶) مشاهده می‌شود، کف حوضچه پایین‌تر از کف آبگیر ورودی قرار دارد و در ابتدای حوضچه از یک قسمت اوجی شکل استفاده شده است. در شرایط عادی این قوس ورودی مستغرق شده و یک جریان نسبتاً آرام درون حوضچه برقرار می‌شود. پس از انباشته شدن رسوبات درون حوضچه، دریچه ورودی به نحوی تنظیم می‌شود که با تشکیل جریان فوق بحرانی در ابتدای حوضچه، یک جهش هیدرولیکی درون حوضچه ایجاد شود. جهش هیدرولیکی ایجاد شده درون حوضچه باعث شستشوی هیدرولیکی رسوبات درون حوضچه می‌شود که از طریق پمپ انتهایی به خارج از حوضچه منتقل می‌شود. طراحی این حوضچه‌ها به نحوی انجام می‌شود که در مدت زمان کوتاهی (کمتر از پنج دقیقه) عمل شستشوی رسوبات انجام شود.