خلاصه پایان نامه بررسی عملکرد و امکان سنجی استفاده از پمپ های ضربه قوچی در سیستم های آبرسانی روستایی
پایاننامه کارشناسی ارشد (مهندسی عمران- مهندسی آب و فاضلاب)
چکیده:
در این مطالعه، مدلسازی پمپ ضربه قوچی توسط نرم‌افزاری که تهیه گردیده انجام شده است. این نرم‌افزار خروجی‌های نرم‌افزار HAMMER را به عنوان ورودی در یافت نموده و با کسب اطلاعاتی دیگر (شامل ارتفاع پمپاژ و ...) میزان آب پمپاژ شده را در هر بار قطع و وصل ناگهانی شیر محاسبه می‌نماید.
در این تحقیق مدلسازی نمونه‌ای از پمپ فوق در مجتمع آبرسانی کوثر شهرستان اردبیل انجام گرفته است. بر اساس تحلیل فنی و اقتصادی انجام شده مدلسازی فوق نشان می‌دهد که در مواردی که دبی پمپاژ کم باشد می‌توان به جای پمپاژ متعارف از پمپ ضربهقوچی استفاده نمود.
عوامل مؤثر در مدلسازی و طراحی پمپ ضربهقوچی شامل قطر خط پمپاژ، زمان قطع و وصل شیر، حجم هوای موجود در محفظه هوا و ... میباشد. این پارامترها در طراحی این نوع پمپ مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
از مهمترین مزایای پمپ مذکور عدم نیاز به استفاده از انرژی‌های گران قیمت از قبیل انرژی فسیلی یا انرژی الکتریکی میباشد. در مواردی که امکان استفاده از انرژی‌های مذکور با سختی و هزینه زیادانجام میگیرد، استفاده از پمپ ضربهقوچی می‌تواند کارگشا باشد.
کلمات کلیدی:
پمپ ضربهقوچی، نرم‌افزار HAMMER ، آبرسانی روستایی، مدلسازی هیدرولیکی
فصل اول
معرفی تحقیق
1- معرفی تحقیق
پمپها (تلمبهها) [1] از اصلیترین اجزای صنعت آبرسانی میباشند. این واحد از جمله تأسیسات استراتژیک محسوب شده و یکی از آیتمهای اصلی مصرف انرژی در سیستم آبرسانی است. به منظور تعریف کاملتر و دقیقتر این پایاننامه، ابتدا بحث مختصری راجع به انواع پمپها و گروهبندی آنها از نظر استفاده از انرژی (استفاده مستقیم یا استفاده غیرمستقیم) لازم به نظر میرسد.
بر مبنای نحوه انتقال انرژی از پمپ به سیال، پمپها را به سه دسته کلی تقسیم میکنند (نوربخش, 1385):
پمپ های دینامیکی[2]
پمپهای جابجایی مثبت[3]
پمپهای ویژه[4]
پمپهای دینامیکی پمپهایی هستند که انرژی جنبشی آب را افزایش می‌دهند. در این نوع پمپها انتقال انرژی از پمپ به سیال به صورت پیوسته انجام میگیرد و مقدار سیال عبوری از واحد زمان (آبدهی) و فشار خروجی سیال از پمپ به هم وابسته میباشند. این دسته از پمپها شامل زیرمجموعه کاملاً متنوعی بوده که پمپهای چرخی[5] از مهمترین آنهاست که خود بر اساس مسیر حرکت سیال در چرخ به سه دسته پمپهای شعاعی[6] (برای ایجاد فشار بالا و آبدهی بالنسبه کمتر)، پمپهای محوری[7] (برای ایجاد آبدهی بالا و فشار کمتر) و پمپهای مختلط[8] (برای ایجاد فشار و آبدهی متوسط) تقسیم می‌شوند (نوربخش, 1385).
در پمپهای جابجایی مثبت، انتقال انرژی به سیال به صورت متناوب صورت میگیرد. این پمپها خود به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند که از مهمترین آنها پمپهای رفت و برگشتی (پیستونی)[9]، گردشی[10] و لوله‌ای[11] را می‌توان نام برد. این نوع پمپها معمولاً برای دبی‌ها و لزجت‌های نامتعارف مورد استفاده قرار می‌گیرند و اغلب کاربرد صنعتی دارند (نوربخش, 1385).
سایر پمپها که مکانیزمی متفاوت از دو رده پمپ ذکر شده دارند در رده پمپهای ویژه قرار می‌گیرند. از این نوع پمپها می‌توان به پمپهای هوا[12] ، پمپهای اجکتور[13] و همچنین پمپهای قوچآبی (ضربه قوچی)[14] اشاره کرد. در این پمپها نحوه انتقال انرژی به سیال برای انجام حرکت خاصی اندکی متفاوت از دو نوع اول میباشد. لیکن باز هم به گونه‌ای می‌توان آنها را در دو دسته اول نیز جا داد.
پمپهای ضربهقوچی که موضوع این پایاننامه هستند، در زمره پمپهای ویژه بوده لیکن به عنوان پمپ جابجایی مثبت نیز قابل دسته‌بندی هستند. در این پمپها از انرژی جریان ناپایدار ضربه‌قوچ[15] در یک خط آبرسانی برای انتقال آب به ارتفاع بالا ولی در دبی‌های محدود استفاده می‌گردد. امکان‌سنجی استفاده از این نوع پمپاژ در پروژه‌های آبرسانی مناطق دوردست و با اختلاف ارتفاع بالا، موضوع تحقیق در این پایاننامه میباشد.
1-1- هدف از طرح مورد نظر و ضرورت انجام آن
با توجه به هزینه بالای تأمین انرژی متعارف (شامل انرژی الکتریکی یا انرژی فسیلی) در استفاده از پمپهای رایج در صنعت آب، استفاده از پمپهایی که دارای مکانیزم ساده‌تر و مصرف انرژی کمتری باشند می‌تواند از جذابیت مناسبی برخوردار باشد. پمپهای قوچآبی (ضربهقوچی) فقط با استفاده از انرژی هیدرولیکی ناشی از جریان ناپایدار[16] در خطوط لوله، عمل پمپاژ آب را انجام می‌دهند و نیازی به استفاده از انرژی‌های الکتریکی یا فسیلی ندارند. همچنین در برخی از مناطق روستایی بعلت شرایط توپوگرافی ویژه تأمین آب روستاهای هم‌جوار از طریق یک ایستگاه پمپاژ (مجتمعهای آبرسانی) با سختی و هزینه زیاد انجام میشود. استفاده از پمپهای ضربهقوچی می‌تواند به عنوان یکی از گزینه‌های حل مشکلات فوق مطرح گردد.
1-1-1- اهداف اصلی
هدف اصلی از انجام این پایاننامه، امکان‌سنجی اجرای چنین ایستگاههای پمپاژی در سیستمهای آبرسانی، بویژه در مناطق روستایی میباشد.
1-1-2- اهداف فرعی
از جمله اهداف دیگر پروژه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
تهیه برنامه نرم‌افزاری برای تسهیل و بهینه کردن طراحی ایستگاههای پمپاژ ضربهقوچی
تعیین محدوده‌های فنی و اقتصادی استفاده از این نوع پمپاژ
حفاظت خط اصلی انتقال آب در برابر فشارهای ناشی از ضربه‌قوچ (علاوه بر عمل پمپاژ آب)
1-2- فرضیه اصلی
فرض اصلی تحقیق عبارت است از اینکه در صورت استفاده از پمپهای ضربهقوچی (قوچآبی) در روستاهایی که امکان اجرای این پروژه وجود دارد، می‌توان بدون استفاده از انرژی گران‌قیمت الکتریکی یا فسیلی عمل انتقال آب را با راندمان بالا و نسبت سود به هزینه قابل قبول به روستاهای مذکور انجام داد. در این پروژه با مقایسه فنی و اقتصادی اجرای یک طرح در دو حالت ایستگاههای پمپاژ متعارف و یا استفاده از پمپهای قوچآبی در جهت اثبات فرضیه فوق اقدام می‌گردد.
1-3- برنامه تحقیق
به منظور بررسی استفاده از پمپهای ضربهقوچی در سیستمهای آبرسانی روستایی مراحل تحقیق زیر در نظر گرفته شده است:
مطالعات کتابخانه‌ای و تدوین ادبیات موضوع (تئوری، تاریخچه و مکانیزم‌های مؤثر)
مطالعه وضعیت موجود سیستمهای آبرسانی روستایی استان اردبیل و امکان‌سنجی استفاده از پمپ ضربهقوچی در آنها
انتخاب یکی از طرح‌های موجود به عنوان طرح پایلوت
مدلسازی طرح انتخاب شده با استفاده از نرم‌افزارهای موجود
طراحی سیستم پمپاژ به روش ضربهقوچی در ایستگاه مورد نظر
مدلسازی طرح تهیه شده و تعیین ضرایب مقاومت و قطر لوله‌ها و طراحی تجهیزات مورد نیاز
جمع‌بندی نتایج و مقایسه آن با روش‌های متعارف ایستگاههای پمپاژ از نظر فنی و اقتصادی
نتیجه‌گیری و ارائه پیشنهادات
تدوین پایان نامه
1-4- ساختار این گزارش
این گزارش مشتمل بر 5 فصل ذیل میباشد:
فصل اول : کلیات، اهداف و ضرورت انجام تحقیق
فصل دوم: پمپ ضربهقوچی
فصل سوم: مواد و روش تحقیق
فصل چهارم: نتایج تحقیق و تحلیل نتایج
فصل پنجم: نتیجه‌گیری و ارائه پیشنهادات
فصل دوم
پمپ ضربهقوچی
2- پمپ ضربهقوچی
همانطور که در فصل اول بیان شد، پمپ ضربهقوچی یکی از انواع پمپهای ویژه میباشد. در این فصل ابتدا به معرفی پدیده ضربه‌قوچ و معادلات اساسی در این زمینه پرداخته شده و سپس نرم‌افزارهای موجود در زمینه تحلیل پدیده فوق به اختصار معرفی می‌شوند. در پایان، تاریخچه پمپ ضربهقوچی و مکانیزم پمپاژ در این نوع پمپ مورد بررسی قرار میگیرد.
2-1- پدیده ضربه‌قوچ در سیستم های خطوط انتقال آب
در سیستمهای هیدرولیکی تحت فشار، نظیر خطوط انتقال آب، نفت یا شبکه‌های توزیع و لوله‌های آب منتهی به توربین‌ها، تونل‌های آبی، سیستمهای پمپاژ و جریان‌های ثقلی امکان بروز جریان ناپایدار وجود دارد که با ایجاد موج‌های سریع و زودگذر و میرا، موجب خطرات گوناگونی نظیر خرابی و شکسته شدن شیرها، دریچه‌های کنترل، پمپها، خطوط لوله و ... میشود که به آن در اصطلاح ضربه‌قوچ می‌گویند. ضربه‌قوچ پدیده‌ای است که می‌توان اثرات آن را در سیستمهای تحت فشار به موج‌های الکتریکی و مکانیکی تشبیه نمود و از این رو می‌توان آن را با استفاده از قوانین مشترک مشابه‌سازی و تحلیل نمود. در واقع مکانیزم ضربه‌قوچ، حساسیت یک سیستم انتقال سیال را در مقابل هر نوع تغییر وضعیت دبی، سرعت و فشار جریان نشان می‌دهد. ضربه‌قوچ که در نتیجه تغییرات دبی یا سرعت رخ می‌دهد، مقدار معینی نیرو ایجاد می‌کند که به صورت موج با سرعت ثابت در خط لوله جریان، به طرف بالادست یا پایین‌دست حرکت می‌نماید (تحلیل ضربه قوچ بر اساس اصل بقاء مومنتوم صورت می‌پذیرد). این موج در مسیر حرکت خود به تدریج مستهلک شده و پس از مدتی که از رفت و برگشت موج سپری گشت این سیستم ناپایدار یا زودگذر به حالت پایدار دیگری میرسد که قابل پیش‌بینی میباشد (نجمایی, 1374).
Modeling and Feasibility Study for Using Hi-ram Pumps in Rural Areas Water Supply Systems
Abstract
In this study a Hydram Pump is modeled using provided software, in which outputs of HAMMER software are used as input variables. Using other data including head of pumping etc. this software is able to computate the amount of pumped water in every valve shut on and shut off.
In this study, modeling of Hydram Pump is performed in Kosar water supply system in Ardebil province. Based on finantial and technical analysis, the modeling indicated that when the flowrate of pumping is small, Hydram Pumping can be used instead of conventional pumping.
Important factors in modeling and design of a Hydram Pump are diameter of pipeline, time of valve shut off and the volume of air in the air chamber. These parameters investigated and analysed in this modeling.
The most important advantage of Hydram Pump is that it dose not need expensive energies including fossil and electericity.In the cases these energies are expensive and hard to use, performing a Hydram Pump can be benefitial.
Keywords:
Hydram Pump, HAMMER software, Rural area water supply, Hydraulic modeling.
فهرست پایان نامه بررسی عملکرد و امکان سنجی استفاده از پمپ های ضربه قوچی در سیستم های آبرسانی روستایی
فهرست:
فهرست مطالب............................................................................................................................................................................. ز
فهرست اشکال............................................................................................................................................................................. ط
فهرست جداول.......................................................................................................................................................................... ک
چکیده:...................................................................................................................................................................................... 1
فصل اول.................................................................................................................................................................................... 2
معرفی تحقیق............................................................................................................................................................................... 2
1-1- هدف از طرح مورد نظر و ضرورت انجام آن....................................................................................................................... 4
1-1-1- اهداف اصلی...................................................................................................................................................... 4
1-1-2- اهداف فرعی...................................................................................................................................................... 5
1-2- فرضیه اصلی................................................................................................................................................................ 5
1-3- برنامه تحقیق................................................................................................................................................................ 5
1-4- ساختار این گزارش....................................................................................................................................................... 6
فصل دوم................................................................................................................................................................................... 8
پمپ ضربهقوچی.......................................................................................................................................................................... 8
2-1- پدیده ضربه‌قوچ در سیستمهای خطوط انتقال آب.................................................................................................................. 9
2-1-1- تاریخچه مطالعات و تحقیقات در زمینه ضربه‌قوچ....................................................................................................... 9
2-1-2- تعریف اصطلاحات........................................................................................................................................... 11
2-1-3- نظریه‌های مربوط به ضربه‌قوچ.............................................................................................................................. 11
2-1-3-1- نظریه رفتار صلب ستون آب................................................................................................................................................................................................. 11
2-1-3-2- نظریه رفتار کشسانی.............................................................................................................................................................................................................. 13
2-1-4- ضربه‌قوچ در باز و بستن سریع شیر........................................................................................................................ 14
2-1-5- استفاده از انرژی حاصل از ضربه‌قوچ..................................................................................................................... 16
2-2- نرم‌افزارهای موجود در زمینه تحلیل ضربه‌قوچ.................................................................................................................. 16
2-3- پمپ ضربهقوچی........................................................................................................................................................ 18
2-4- تاریخچه پمپ ضربه قوچی........................................................................................................................................... 19
2-5- مکانیزم پمپ ضربهقوچی.............................................................................................................................................. 19
2-5-1- بدنه پمپ (Pump Body)............................................................................................................................... 24
2-5-2- شیر قطع و وصل (Impulse Valve)................................................................................................................. 24
2-5-3- شیر یکطرفه (Delivery Valve)...................................................................................................................... 27
2-5-4-محفظه هوا (Air Vessel or Air Chamber)..................................................................................................... 28
2-5-6- شیر ورود هوا (Snifter Valve)....................................................................................................................... 29
2-6- راه‌اندازی پمپ ضربهقوچی........................................................................................................................................... 29
2-7- طراحی پمپ ضربهقوچی.............................................................................................................................................. 31
فصل سوم................................................................................................................................................................................ 33
مواد و روش تحقیق.................................................................................................................................................................... 33
3-1- مدلسازی و طراحی پمپ ضربهقوچی با استفاده از نرم‌افزار HAMMER V8i........................................................................ 34
3-1-1- اجزای مورد استفاده در مدل................................................................................................................................ 34
3-1-2- وارد کردن اطلاعات اولیه در نرم افزار................................................................................................................... 37
3-1-3- مدلسازی نمونه‌ای از پمپ ضربهقوچی.................................................................................................................... 43
3-1-4- نرم‌افزار تهیه شده جهت مدلسازی پمپ ضربهقوچی.................................................................................................. 46
3-2- طراحی پمپ ضربهقوچی در مجتمع آبرسانی استان اردبیل (مطالعه موردی تحقیق)..................................................................... 48
3-2-1- مشخصات کلی روستاهای طرح........................................................................................................................... 48
3-2-2- مقایسه پمپاژ به روش متعارف و روش ضربهقوچی.................................................................................................... 50
3-2-3- طراحی خط پمپاژ به روستای گاودول.................................................................................................................... 52
3-2-3-1- طراحی خط پمپاژ متعارف..................................................................................................................................................................................................... 52
3-2-3-2- طراحی خط پمپاژ ضربهقوچی............................................................................................................................................................................................... 53
فصل چهارم............................................................................................................................................................................. 55
نتایج تحقیق و تحلیل آن.............................................................................................................................................................. 55
4-1- مقدمه...................................................................................................................................................................... 56
4-2- نتایج نمونه پمپ مدل شده (بخش 3-1-3)...................................................................................................................... 56
4-3- نتایج مدلسازی برای روستای گاودول (اردبیل)................................................................................................................... 62
4-4- مقایسه اقتصادی پمپاژ ضربهقوچی و پمپاژ متعارف.............................................................................................................. 77
4-5- تأثیر حجم تانک هوا بر روی حجم آب پمپاژ شده............................................................................................................. 78
4-6- محاسبه نسبت دبی پمپ شده به دبی خط اصلی.................................................................................................................. 79
4-7- ملاحظات طراحی پمپ ضربهقوچی................................................................................................................................ 79
فصل پنجم............................................................................................................................................................................... 81
نتیجه‌گیری و ارائه پیشنهادات........................................................................................................................................................ 81
5-1- نتیجه‌گیری کلی......................................................................................................................................................... 82
5-2- ارائه پیشنهادات.......................................................................................................................................................... 82
پیوست 1................................................................................................................................................................................. 83
برنامه تعیین حجم پمپاژ در طراحی پمپ ضربهقوچی به زبان فرترن........................................................................................................ 84
پیوست 2................................................................................................................................................................................. 86
نمودارهای تغییرات فشار ناشی از ضربه‌قوچ برای قطرهای مختلف (پمپاژ گاودول)..................................................................................... 87
Abstract.............................................................................................................................................................................. 94
منبع:
آشفته، ج.، و پزشکی راد، ع. ، 1369، هیدرولیک کاربردی جریان‌های میرا (خطوط انتقال، شبکه‌های توزیع، کانالها و نیروگاهها – ضربه‌قوچ) ، انتشارات کبری، تهران، جلد اول.
اسکو نژاد، م. م.، 1390، اقتصاد مهندسی – ارزیابی اقتصادی پروژه‌های مهندسی ، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران.
پارماکیان، ج.، مترجمین: احمدی، م. ع. و تقوی، ع.، 1374، آب کوبه – آنالیز ضربه قوچی آب، انتشارات شرکت آب و فاضلاب استان اصفهان، اصفهان.
چیپ من، س. ج.، مترجمین: ناصر قدسی، ا. و ممتاز، ا.، 1389، آموزش زبان برنامه نویسی فرترن 90-95، انتشارات ناقوس، تهران.
مسعودی، ح. ق.، 1373، اقتصاد مهندسی (تجزیه و تحلیل اقتصادی پروژه‌ها) ، انتشارات دانشگاه تهران، تهران.
نجمایی، م.، 1374، ضربه قوچ ، انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، جلد اول.
نوربخش، ا.، 1385، پمپ و پمپاژ ، انتشارات دانشگاه تهران، تهران.
Alaban, R. A., 2007, Hydraulic Ram for Fuel-free Water Lifting, Philippines.
Brown, D., 2009, Design, sizing, construction and maintenance of gravity-fed system in rural areas – Module 6: Hydraulic Ram Pump systems, Indonesia.
Brown, L., 2006, Using A Hydraulic Ram to Pump, British Columbia University.
Hazarika, S., 2007. Theory and Application of Hydraulic Ram Pump (Hydrams). U.K ISSUE 10. Nottingham.
Henning, F., 1998, Hydraulic Ram made from standard plumbing parts, The University of Georgia, Athens.
http://www.haestad/Hammer User's Guide, 2012.
Jeffery, T. D., 1992. Hydraulic Ram Pumps: A Guide to Ram Pump Water Suply Systems. ITDG Publishing. London.
Jennings, G. D., 1996, Hydraulic Ram Pump, North Carolina Cooperative Extension Service, North Carolina.
Karassik, I.J., 2001, Pump Handbook, McGRAW-HILL, New York.
Lightman A., Gerber M., 2010, The O.G. - Hydraulic Ram Pump, Project Report.
Mohammed, S. N. 2007. Design and Construction of a Hydraulic Ram Pump. Departmen of Mechanical Engineerings, Federal university of Technology. Minna, Nigeria.
Schiller, E.J., 1984, Proceeding of a Workshop on Hydraulic Ram Pump (Hydram) Technology, International Development Research Center, Canada.
Teferi, T. 1998. Hydraulic Ram Pumps, Journal of the Ethiopian Society of Mechanical Engineerings.
Tessema, A. A., 2000, Hydraulic Ram Pump System Design and Application. Department of Basic Metals and Engineering Industies Agency, Addis Ababa, Ethiopia.
Warwichshire, R., 2005. Hydraulic Ram Pumps, Practial Action, United Kingdom. Wales.
Watt, S. B. 1981. A Manual on The Hydraulic Ram for Pumping water. National College of Agricultural Engineering. Bedford, U.K
Wood, F.M., 1970. History of Water Hammer, Qeen's University at Kingston, Ohtario,Canada.