أثناء عملية تدفق السوائل، يتم فقدان بعض الطاقة الميكانيكية بسبب مقاومة التدفق. لذلك، لنقل السائل من مكان إلى آخر، سواء كان نقل السائل من موقع ذو طاقة نوعية إجمالية أقل إلى موقع ذو طاقة نوعية إجمالية أعلى، أو لمجرد التغلب على مقاومة التدفق، يجب توفير الطاقة الميكانيكية للسائل. الآلة المستخدمة لنقل السوائل تسمى المضخة (Pump). يتم تصنيف المضخات بشكل أساسي إلى ثلاث فئات بناءً على خصائصها الهيكلية ومبادئ عملها:
1. المضخات من النوع -الريشية: تعمل هذه المضخات من خلال جعل الريش الدوارة تعمل على السائل، وبالتالي زيادة الطاقة الميكانيكية للسائل. تشمل الأمثلة مضخات الطرد المركزي المختلفة، والمضخات الدوامية، ومضخات التدفق المحوري، وما إلى ذلك.
II مضخات الإزاحة الإيجابية: تستخدم هذه المضخات الحركة الترددية للمكابس أو الحركة الدورانية للدوارات لتغيير حجم غرفة العمل، وضغط السائل والقيام بشغل على السائل، وبالتالي زيادة الطاقة الميكانيكية للسائل. تشمل الأمثلة المضخات الترددية، والمضخات الترسية، والمضخات اللولبية، وما إلى ذلك.
III المضخة النفاثة: تعمل عن طريق استخدام النفاث عالي السرعة- الناتج عن السائل العامل لإخراج السائل، ومن خلال تبادل الزخم، تتم زيادة طاقة السائل المقذوف.
نظرًا لهيكلها البسيط، وسهولة التصنيع، والتدفق المستقر، والقدرة على التكيف القوية والتشغيل المريح، فإن مضخات الطرد المركزي تستخدم على نطاق واسع في الإنتاج الكيميائي. لذلك سنركز في هذا المقال على التعريف بمضخات الطرد المركزي.
مبدأ عمل مضخة الطرد المركزي
عندما تكون مضخة الطرد المركزي قيد التشغيل، فإنها تعتمد على دافع دوار عالي السرعة- لتمكين السائل من الحصول على الطاقة وزيادة احتمالية الضغط تحت تأثير قوة الطرد المركزي بالقصور الذاتي. قبل أن تبدأ مضخة الطرد المركزي في العمل، يجب ملء جسم المضخة وخط أنابيب الإدخال بوسط سائل لمنع حدوث التجويف.
عندما تدور المكره بسرعة، تتسبب الشفرات في دوران الوسط بسرعة. يتم طرح الوسط الدوار من المكره تحت تأثير قوة الطرد المركزي. بعد طرد الماء الموجود داخل المضخة، تتشكل منطقة فراغ في وسط المكره. وفي الوقت نفسه، فإنه يمتص السائل بشكل مستمر ويعطي بشكل مستمر طاقة معينة للسائل الممتص-، ثم يقوم بتفريغ السائل. وبالتالي فإن مضخة الطرد المركزي تعمل بشكل مستمر بهذه الطريقة.
هيكل مضخة الطرد المركزي
هناك أنواع عديدة من مضخات الطرد المركزي. على الرغم من اختلاف هياكل الأنواع المختلفة من المضخات، إلا أن المكونات الرئيسية هي نفسها بشكل أساسي.
المكونات الرئيسية لمضخة الطرد المركزي تشمل: المكره، عمود المضخة، غلاف المضخة، قاعدة المضخة، صندوق التعبئة (جهاز الختم)، حلقة الختم، مبيت المحمل، إلخ.
1. المكره
المكره هو المكون العامل لمضخة الطرد المركزي. إنه يحقق ضخ السوائل عن طريق الدوران بسرعة عالية والقيام بالشغل على السوائل. إنه جزء مهم من مضخة الطرد المركزي.
تتكون المكره بشكل عام من المحور والشفرات ولوحة الغطاء. تنقسم لوحة غطاء المكره إلى لوحة الغطاء الأمامية ولوحة الغطاء الخلفي. تسمى لوحة الغطاء الموجودة على جانب مدخل المكره بلوحة الغطاء الأمامية، وتسمى لوحة الغطاء على الجانب الآخر بلوحة الغطاء الخلفي.
عندما يتم تشغيل مضخة الطرد المركزي، فإن عمود المضخة يدفع المكره إلى الدوران بسرعة عالية معًا. يؤدي ذلك إلى إجبار السائل الذي تم تعبئته مسبقًا-بين الشفرات على الدوران. تحت تأثير قوة الطرد المركزي بالقصور الذاتي، يتحرك السائل بشكل قطري من المركز إلى محيط المكره.
أثناء عملية التدفق عبر المكره، يكتسب السائل طاقة، مع زيادة ضغطه الثابت وزيادة سرعة التدفق. عندما يترك السائل المكره ويدخل إلى غلاف المضخة، فإنه يتباطأ بسبب قنوات التدفق التي تتوسع تدريجياً داخل الغلاف. يتم تحويل بعض الطاقة الحركية إلى طاقة ضغط ثابتة، وتتدفق أخيرًا بشكل عرضي إلى خط أنابيب التفريغ.
وفقا لأشكالها الهيكلية، يمكن تصنيف الدفاعات إلى الأنواع الثلاثة التالية.
(1) المكره المغلق لديه لوحات تغطية على كلا الجانبين. يوجد من 4 إلى 6 شفرات بين ألواح الغطاء. تتميز المكره المغلقة بكفاءة عالية وهي النوع الأكثر استخدامًا. إنها مناسبة لنقل السوائل النظيفة بدون جزيئات أو ألياف صلبة.
(2) لا تحتوي المكره من النوع المفتوح- على ألواح تغطية على جانبي الشفرات. إنها مناسبة لنقل السوائل التي تحتوي على كمية كبيرة من المواد الصلبة العالقة. ومع ذلك، فإن كفاءتها منخفضة نسبيًا وضغط السائل المنقول ليس مرتفعًا.
(3) المكره من النوع شبه المفتوح-يحتوي على لوحة غطاء خلفية فقط. إنها مناسبة لنقل السوائل المعرضة للترسيب أو التي تحتوي على مواد صلبة عالقة. وتكمن كفاءتها بين كفاءة الدفاعات المفتوحة والمغلقة.
2. عمود المضخة
تتمثل الوظيفة الرئيسية لعمود المضخة في مضخة الطرد المركزي في نقل الطاقة ودعم المكره لإبقائها في وضع العمل والعمل بشكل طبيعي. يتم توصيل أحد طرفي العمود بعمود المحرك من خلال أداة التوصيل، بينما يدعم الطرف الآخر المكره للحركة الدورانية. تم تجهيز العمود بمكونات مثل المحامل والأختام المحورية.
المواد الشائعة لأعمدة المضخة هي الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ.
يتم توصيل المكره والعمود بواسطة مفتاح. نظرًا لأن طريقة الاتصال هذه يمكنها فقط نقل عزم الدوران ولكن لا يمكنها إصلاح الموضع المحوري للمكره، في المضخة، يتم استخدام غلاف محوري وجوز قفل لإصلاح الموضع المحوري للمكره.
بعد وضع المكره بشكل محوري مع صامولة القفل وغطاء العمود، لمنع صامولة القفل من الارتخاء، من الضروري منع المضخة من الرجوع إلى الخلف. خاصة بالنسبة للمضخات المثبتة حديثًا أو المضخات التي خضعت للتفكيك والإصلاح، يجب إجراء فحص اتجاه الدوران وفقًا للوائح لضمان الاتساق مع الاتجاه المحدد.
3. كم
تتمثل وظيفة غلاف العمود في حماية عمود المضخة، وتحويل الاحتكاك بين العبوة وعمود المضخة إلى احتكاك بين العبوة وجلبة العمود. ولذلك، فإن غلاف العمود عبارة عن مكون-معرض للتآكل في مضخة الطرد المركزي.
يمكن أيضًا أن يخضع سطح غلاف العمود للعلاجات مثل الكربنة، والنيترة، والطلاء بالكروم، والرش. متطلبات خشونة السطح مطلوبة بشكل عام للوصول إلى Ra3.2μm - Ra0.8μm. هذا يمكن أن يقلل من معامل الاحتكاك ويزيد من عمر الخدمة.
4. المحامل
تلعب المحامل دور دعم وزن وحمل الدوار. في مضخات الطرد المركزي، يتم استخدام المحامل المتداول في الغالب. الحلقة الخارجية للمحمل موجودة في نظام عمود أساسي مع فتحة مبيت المحمل، في حين أن الحلقة الداخلية موجودة في نظام ثقب أساسي مع عمود دوار. تحتوي المعايير الوطنية للفئة المطابقة على قيم موصى بها، ويمكن اختيارها وفقًا لظروف محددة. يتم تشحيم المحامل عمومًا بالشحم وزيت التشحيم.
5. صندوق الحشو
عندما يبرز عمود المضخة من غلاف المضخة، تكون هناك فجوة بين العمود والغلاف. في مضخات الطرد المركزي - الفردية، إذا لم يتم استخدام جهاز إغلاق العمود في هذا الجزء، فإن الماء عالي الضغط - الموجود داخل غلاف المضخة سوف يتسرب بكميات كبيرة. يعد صندوق التعبئة أحد أجهزة ختم العمود شائعة الاستخدام. يتكون صندوق التعبئة من خمسة مكونات: غلاف ختم العمود، والتعبئة، وأنبوب ختم الماء، وحلقة ختم الماء، وغطاء التغليف.
⒍蜗壳
الحلزون عبارة عن قناة تدفق حلزونية الشكل-تزداد تدريجيًا في مساحة المقطع العرضي-من مخرج المكره إلى مدخل دافع المرحلة التالية أو إلى أنبوب مخرج المضخة. تتوسع قناة التدفق تدريجيًا، ويكون المخرج على شكل أنبوب ناشر. بعد أن يتدفق السائل من المكره، يمكن تقليل سرعة تدفقه بسلاسة، وتحويل جزء كبير من طاقته الحركية إلى طاقة ضغط ثابتة.
تتمثل مزايا الحلزون في سهولة تصنيعه، وله منطقة كفاءة واسعة، ولا تتغير كفاءة المضخة إلا قليلاً بعد تشكيل المكره.
العيب هو أن الشكل الحلزوني غير متماثل. عند استخدام حلزوني واحد، فإن الضغط المؤثر على الجزء المتحرك بشكل قطري ليس منتظمًا، مما قد يتسبب في انحناء العمود. ولذلك، في المضخات متعددة-المراحل، يستخدم القسمان الأول والأخير فقط المضخات الحلزونية، بينما يستخدم القسم الأوسط جهاز عجلة التوجيه.
عادة ما تكون مادة الحلزون من الحديد الزهر. الحلزوني للمضخة المضادة للتآكل-مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ أو مواد أخرى مضادة للتآكل-، مثل البلاستيك والألياف الزجاجية وما إلى ذلك. بالنسبة للمضخات متعددة-المراحل، نظرًا للضغط العالي، تكون متطلبات قوة المواد أعلى، وتكون الحلزونات بشكل عام مصنوعة من الفولاذ المصبوب.
⒎ عجلة القيادة
عجلة التوجيه عبارة عن قرص ثابت مع دوارات توجيه أمامية ملفوفة حول حافتها الخارجية على الجانب الأمامي. تشكل دوارات التوجيه هذه سلسلة من قنوات التدفق ذات الشكل الناشر-. على الجانب الخلفي، توجد دوارات توجيه عكسية توجه السائل إلى مدخل دافع المرحلة التالية. بعد إخراج السائل من المكره، يتدفق بسلاسة إلى عجلة التوجيه ويستمر في التدفق للخارج على طول دوارات التوجيه الأمامية، مع انخفاض سرعته تدريجيًا وتحويل معظم طاقته الحركية إلى طاقة ضغط ثابتة.
تبلغ المسافة الشعاعية الأحادية الجانب بين المكره ودوارات التوجيه حوالي 1 مم. إذا كان التخليص كبيرا جدا، فسوف تنخفض الكفاءة؛ إذا كان صغيرًا جدًا، فسوف يسبب الاهتزاز والضوضاء. بالمقارنة مع المضخة الحلزونية، فإن غلاف المضخة لمضخة الطرد المركزي متعددة المراحل -المجزأة مع عجلات التوجيه أسهل في التصنيع ولها كفاءة أعلى في تحويل الطاقة. ومع ذلك، فإن تركيبها وصيانتها أكثر صعوبة من التركيب الحلزوني.
16. حلقة الختم
لتقليل التسرب الداخلي وحماية غلاف المضخة، يتم تثبيت حلقة مانعة للتسرب قابلة للاستبدال على الغلاف المقابل لمدخل المكره. يتراوح الخلوص الشعاعي بين الفتحة الداخلية لحلقة الختم والدائرة الخارجية للمكره عمومًا بين 0.1 و0.2 مم. بعد تآكل حلقة الختم، يزداد الخلوص الشعاعي، مما يؤدي إلى انخفاض حجم تفريغ سائل المضخة وانخفاض الكفاءة. عندما تتجاوز فجوة الختم القيمة المحددة، فمن الضروري استبدالها في الوقت المناسب.
الأشكال الهيكلية لحلقة الختم هي ثلاثة أنواع:
نوع حلقي-مسطح، ذو بنية بسيطة وسهل التصنيع، ولكن تأثير الختم ضعيف؛
تسمح حلقة الغلق من النوع-اليمنى بتسرب السائل عبر قناة بزاوية 90 درجة، مما يؤدي إلى تأثير إغلاق أفضل مقارنة بنوع الحلقة-المسطحة. يتم استخدامه على نطاق واسع.
حلقة الختم المتاهة لها تأثير ختم جيد، لكن هيكلها معقد وتصنيعها صعب. لذلك، نادرا ما يستخدم في مضخات الطرد المركزي.
عملية عمل مضخة الطرد المركزي
قبل بدء تشغيل المضخة، املأ المضخة بالسائل المراد نقله أولاً.
2. بعد تشغيل المضخة، فإن عمود المضخة يدفع المكره للدوران بسرعة عالية، مما يولد قوة الطرد المركزي. تحت هذه القوة، يتم رمي السائل من مركز المكره إلى محيط المكره، ويزداد ضغطه، ويتدفق إلى غلاف المضخة بسرعة عالية جدًا (15-25 م/ث).
3. في غلاف المضخة، مع توسع قناة التدفق بشكل مستمر، تتباطأ سرعة تدفق السائل، مما يتسبب في تحويل معظم الطاقة الحركية إلى طاقة ضغط. أخيرًا، يتدفق السائل من منفذ التفريغ بضغط ثابت مرتفع نسبيًا ويدخل إلى خط أنابيب التفريغ.
4. بعد طرد السائل الموجود داخل المضخة، يتشكل فراغ في مركز المكره. تحت فرق الضغط بين الضغط السطحي للسائل (الضغط الجوي) والضغط داخل المضخة (الضغط السلبي)، يدخل السائل إلى المضخة عبر أنبوب الشفط ويملأ الموضع الذي تم طرد السائل منه.
تصنيف مضخات الطرد المركزي
يتم تصنيف منتجات مضخات الطرد المركزي بشكل عام وفقًا لخصائصها الهيكلية. هناك طرق تصنيف مختلفة، بما في ذلك ستة أنواع: مصنفة حسب ضغط العمل، وعدد الدفاعات العاملة، والطريقة التي تستقبل بها الدفاعة الماء، وما إلى ذلك.
⒈ حسب ضغط العمل:
مضخة الضغط المنخفض-: الضغط أقل من 100 متر من عمود الماء.
مضخة الضغط المتوسط-: يتراوح الضغط من 100 إلى 650 متر من عمود الماء.
مضخة الضغط العالي-: الضغط أعلى من 650 مترًا من عمود الماء.
2. حسب عدد الدفاعات العاملة:
مضخة -مرحلة واحدة: يشير هذا إلى مضخة تحتوي على دافع واحد فقط على عمود المضخة.
مضخة متعددة -المراحل: يحتوي هذا النوع من المضخات على دافعتين أو أكثر على عمودها. في هذه الحالة، إجمالي رأس المضخة هو مجموع الرؤوس الناتجة عن كل من الدفاعات n.
3. حسب طريقة تناول الماء للمكره:
مضخة سحب الماء-جانبية واحدة-: تُعرف أيضًا باسم مضخة الشفط-المفردة، ويعني ذلك وجود منفذ واحد فقط لسحب المياه في المكره.
مضخة الشفط ثنائية الاتجاه: تُعرف أيضًا باسم مضخة الشفط-المزدوجة، وهي تحتوي على منفذ مدخل على جانبي المكره. ويبلغ معدل تدفقها ضعف معدل تدفق مضخة الشفط الواحدة-. يمكن اعتبارها تقريبًا عبارة عن دافعتين فرديتين لمضخة الشفط-موضوعتين في الخلف-إلى-الخلف.
4. حسب موضع عمود المضخة:
المضخة الأفقية: عمود المضخة في وضع أفقي.
المضخة العمودية: عمود المضخة في وضع عمودي.
5. حسب شكل وصلة غلاف المضخة:
المضخة المنفصلة الأفقية: هي التي يتم فيها فتح التماس المشترك على المستوى الأفقي الذي يمر عبر المحور.
المضخة السطحية المفصلية العمودية: تشير إلى المضخة التي يكون سطح المفصل فيها متعامدًا مع خط المحور.
6. طريقة توجيه الماء الخارج من المكره نحو حجرة التفريغ:
مضخة الغلاف: بعد خروج الماء من المكره، يدخل مباشرة إلى غلاف المضخة الذي له شكل حلزوني.
مضخة ريشة التوجيه: بعد خروج الماء من المكره، يدخل إلى ريش التوجيه الموضوعة خارج المكره، ثم ينتقل إلى المرحلة التالية أو يتدفق إلى أنبوب المخرج.
⒎ وفقًا للوسائط المختلفة التي يتم نقلها، يمكن تصنيف مضخات الطرد المركزي على النحو التالي: مضخات المياه، ومضخات الزيت، والمضخات المقاومة للتآكل، وما إلى ذلك.
التجويف وقفل البخار
ظاهرة التآكل
من مبدأ عمل مضخة الطرد المركزي، يمكن معرفة أنه بعد إخراج السائل بين الشفرات من المكره الدوارة عالية السرعة-، يتم تشكيل منطقة ضغط منخفضة-بالقرب من مدخل المكره. عندما يكون الضغط عند مدخل المكره مساويًا أو أقل من ضغط البخار المشبع الكهروضوئي للسائل المنقول عند درجة حرارة التشغيل، فإن السائل الموجود في هذه المنطقة سوف يتبخر ويشكل فقاعات. عندما تنتقل الفقاعات مع السائل إلى منطقة الضغط العالي-، فإنها تتكثف بسرعة بسبب الضغط.
في لحظة تكثيف الفقاعة، يتشكل فراغ محلي. يندفع السائل المحيط نحو المساحة التي كانت تشغلها الفقاعة سابقًا بسرعة عالية، مما يسبب الاصطدام والاهتزاز، مما ينتج عنه قوة تصادم كبيرة. خاصة عندما تكون نقطة تكثيف الفقاعة قريبة من سطح الشفرة، فإن العديد من جزيئات السائل تؤثر على الشفرة بتردد وضغط عاليين؛ وفي الوقت نفسه، قد تحتوي الفقاعة أيضًا على كمية صغيرة من الأكسجين والمواد الأخرى التي لها تأثير تآكل كيميائي على المواد المعدنية. في ظل العمل المشترك للتأثير المستمر والتآكل الكيميائي، يتضرر سطح الشفرة، ويشكل بقعًا وشقوقًا، مما سيؤدي إلى تلف الشفرة مبكرًا. وتسمى هذه الظاهرة التجويف في مضخات الطرد المركزي.
ظاهرة الارتباط الغازي
عند بدء تشغيل مضخة الطرد المركزي، إذا كان هناك هواء في المضخة، بسبب انخفاض كثافة الهواء، فإن قوة الطرد المركزي المتولدة بعد الدوران تكون صغيرة. ونتيجة لذلك، فإن الضغط المنخفض المتكون في المنطقة الوسطى من المكره غير كافي لامتصاص السائل. حتى لو تم تشغيل مضخة الطرد المركزي، فلن تتمكن من إكمال مهمة النقل. وتسمى هذه الظاهرة "قفل الهواء".
ويشير هذا إلى أن مضخة الطرد المركزي لا تتمتع بإمكانية التحضير الذاتي-. لذلك، قبل بدء تشغيل مضخة الطرد المركزي، يجب ملؤها بالسائل المراد نقله. بالطبع، إذا تم وضع مدخل الشفط لمضخة الطرد المركزي تحت مستوى السائل للسائل المنقول، فسوف يتدفق السائل تلقائيًا إلى المضخة. هذه حالة خاصة. تم تجهيز خط أنابيب الشفط الخاص بمضخة الطرد المركزي بصمام سفلي لمنع تدفق السائل الذي تم ملؤه قبل البدء إلى خارج المضخة. يمكن لشاشة الفلتر منع امتصاص المواد الصلبة الموجودة في السائل وسد خطوط الأنابيب وأنبوب التفريغ الخاص بحاوية المضخة. يتم استخدام صمام التنظيم المثبت في أنبوب التفريغ لبدء تشغيل المضخة، وإيقاف المضخة، وتنظيم التدفق.
من منظور الأسباب المختلفة للتجويف وقفل البخار:
يشير ربط الهواء إلى وجود الهواء داخل جسم المضخة. يحدث هذا عادةً عند بدء تشغيل المضخة. المظهر الرئيسي هو أن الهواء الموجود داخل جسم المضخة لم تتم إزالته بالكامل. بينما يحدث التجويف بسبب وصول السائل إلى ضغط التبخر عند درجة حرارة معينة. ويمكن ملاحظة أنه يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالوسيلة المنقولة وظروف العمل.
يمكن استخدام الطرق التالية لمنع حدوث ظاهرة قفل الهواء:
1. قبل البدء، املأ القشرة بالسائل. تأكد من وجود ختم محكم على القشرة. يجب ألا يتسرب صمام تعبئة المياه ورأس الدش. يجب أن يكون أداء الختم جيدًا.
2. إن خط أنابيب الشفط الخاص بمضخة الطرد المركزي مزود بصمام سفلي لمنع السائل الذي تم ضخه قبل بدء التشغيل من التدفق مرة أخرى إلى المضخة. يمكن لشاشة الفلتر أن تمنع امتصاص الجزيئات الصلبة الموجودة في السائل. خط أنابيب التفريغ مجهز بصمام تنظيم يستخدم لبدء وإيقاف المضخة وتنظيم معدل التدفق.
3. ضع مدخل الشفط لمضخة الطرد المركزي تحت مستوى السائل حيث يحتاج السائل إلى النقل. سوف يتدفق السائل تلقائيًا إلى المضخة.
أسباب وحلول حدوث التجويف
الأسباب الرئيسية للتجويف هي:
1. مقاومة خط الأنابيب المدخل عالية جدًا أو أن خط الأنابيب رفيع جدًا.
2. درجة حرارة الوسط المنقول مرتفعة جدًا؛
3. التدفق المفرط، أي أن صمام المخرج مفتوح على نطاق واسع جدًا؛
4. ارتفاع التثبيت مرتفع جدًا، مما يؤثر على قدرة امتصاص السائل للمضخة.
5. قضايا الاختيار، بما في ذلك اختيار المضخات واختيار مواد المضخة، الخ.
حل:
1. قم بإزالة الأجسام الغريبة من خط الأنابيب المدخل لضمان التدفق السلس، أو زيادة قطر خط الأنابيب.
2. خفض درجة حرارة الوسط المنقول.
3. تقليل ارتفاع التثبيت.
4. استبدال المضخة أو إجراء تحسينات على بعض مكونات المضخة مثل استخدام مواد مقاومة للتجويف.
