במהלך תהליך הזרימה של נוזלים, אנרגיה מכנית מסוימת אובדת עקב התנגדות הזרימה. לכן, כדי להעביר את הנוזל ממקום אחד למשנהו, בין אם זה להעביר את הנוזל ממקום עם אנרגיה ספציפית כוללת נמוכה יותר למקום עם אנרגיה ספציפית כוללת גבוהה יותר, או רק כדי להתגבר על התנגדות הזרימה, יש לספק לנוזל אנרגיה מכנית. המכונות המשמשות להובלת נוזלים נקראת משאבה (Pump). משאבות מסווגות בעיקר לשלוש קטגוריות על סמך המאפיינים המבניים ועקרונות העבודה שלהן:
I. משאבות מסוג-שבבים: משאבות אלו פועלות בכך שהשבבים המסתובבים פועלים על הנוזל, ובכך מגדילות את האנרגיה המכנית של הנוזל. דוגמאות כוללות משאבות צנטריפוגליות שונות, משאבות מערבולת ומשאבות זרימה צירית וכו'.
II משאבות תזוזה חיוביות: משאבות אלו מנצלות את התנועה ההדדית של בוכנות או את תנועת הסיבוב של הרוטורים כדי לשנות את נפח תא העבודה, לדחוס את הנוזל ולעשות עבודה על הנוזל, ובכך להגדיל את האנרגיה המכנית של הנוזל. דוגמאות כוללות משאבות הדדיות, משאבות גלגלי שיניים ומשאבות ברגים וכו'.
משאבת סילון III: היא פועלת על ידי שימוש בסיל- הגבוה שנוצר על ידי נוזל העבודה כדי להוציא את הנוזל, ולאחר מכן באמצעות חילופי מומנטום, האנרגיה של הנוזל הנפלט מוגברת.
בשל המבנה הפשוט, קלות הייצור, הזרימה היציבה, יכולת הסתגלות חזקה ותפעול נוח, משאבות צנטריפוגליות נמצאות בשימוש נרחב בייצור כימי. לכן, במאמר זה, נתמקד בהחדרת משאבות צנטריפוגליות.
עקרון העבודה של משאבה צנטריפוגלית
כאשר משאבה צנטריפוגלית פועלת, היא מסתמכת על האימפלר המסתובב במהירות גבוהה- כדי לאפשר לנוזל לרכוש אנרגיה ולהגדיל את פוטנציאל הלחץ שלו בהשפעת כוח צנטריפוגלי אינרציאלי. לפני שהמשאבה הצנטריפוגלית מתחילה לעבוד, יש למלא את גוף המשאבה ואת צינור הכניסה במדיום נוזלי כדי למנוע את התרחשות הקוויטציה.
כאשר האימפלר מסתובב במהירות, הלהבים גורמים למדיום להסתובב במהירות. המדיום המסתובב נזרק מהאימפלר תחת פעולת הכוח הצנטריפוגלי. לאחר שהמים בתוך המשאבה נזרקים החוצה, נוצר אזור ואקום במרכז האימפלר. במקביל, הוא יונק ברציפות נוזל ונותן ללא הרף אנרגיה מסוימת לנוזל הנשאב-, ואז משחרר את הנוזל. לפיכך, המשאבה הצנטריפוגלית פועלת באופן רציף בצורה זו.
המבנה של משאבה צנטריפוגלית
ישנם סוגים רבים של משאבות צנטריפוגליות. למרות שהמבנים של סוגים שונים של משאבות שונים, המרכיבים העיקריים זהים בעצם.
המרכיבים העיקריים של משאבה צנטריפוגלית כוללים: אימפלר, גל משאבה, מעטפת משאבה, בסיס משאבה, תיבת אריזה (מכשיר איטום), טבעת איטום, בית מיסבים וכו'.
1. אימפלר
האימפלר הוא מרכיב העבודה של משאבה צנטריפוגלית. הוא משיג את שאיבת הנוזלים על ידי סיבוב במהירות גבוהה וביצוע עבודה על הנוזלים. זהו חלק חשוב במשאבה הצנטריפוגלית.
האימפלר מורכב בדרך כלל מהרכזת, מהלהבים ומלוח הכיסוי. לוח הכיסוי של האימפלר מחולק ללוח הכיסוי הקדמי וללוח הכיסוי האחורי. לוח הכיסוי בצד הכניסה של האימפלר נקרא לוח הכיסוי הקדמי, ולוח הכיסוי של הצד השני נקרא לוח הכיסוי האחורי.
כאשר המשאבה הצנטריפוגלית מופעלת, ציר המשאבה מניע את האימפלר להסתובב במהירות גבוהה יחד. זה מאלץ את הנוזל שמולא מראש-בין הלהבים להסתובב. תחת פעולת הכוח הצנטריפוגלי האינרציאלי, הנוזל נע באופן רדיאלי מהמרכז אל הפריפריה של האימפלר.
במהלך תהליך הזרימה דרך האימפלר, הנוזל רוכש אנרגיה, כאשר הלחץ הסטטי שלו עולה ומהירות הזרימה עולה. כאשר הנוזל יוצא מהאימפלר ונכנס למארז המשאבה, הוא מאט בגלל תעלות הזרימה המתרחבות בהדרגה בתוך המעטפת. חלק מהאנרגיה הקינטית מומרת לאנרגיית לחץ סטטית, ולבסוף זורם באופן משיק לצינור הפריקה.
על פי צורותיהם המבניות, ניתן לסווג את האימפלרים לשלושת הסוגים הבאים.
(1) לאימפלר הסגור יש לוחות כיסוי משני הצדדים. ישנם 4 עד 6 להבים בין לוחות הכיסוי. האימפלר הסגור בעל יעילות גבוהה והוא הסוג הנפוץ ביותר. הוא מתאים להעברת נוזלים נקיים ללא חלקיקים מוצקים או סיבים.
(2) לאימפלר הפתוח- אין לוחות כיסוי משני צידי הלהבים. הוא מתאים להובלת נוזלים המכילים כמות גדולה של מוצקים מרחפים. עם זאת, יעילותו נמוכה יחסית ולחץ הנוזל המועבר אינו גבוה.
(3) לאימפלר מסוג -פתוח למחצה יש רק לוחית כיסוי אחורית. הוא מתאים להעברת נוזלים המועדים לשקיעה או מכילים חומר מרחף מוצק. היעילות שלו נמצאת בין זו של האימפלרים הפתוחים והסגורים.
2. פיר משאבה
תפקידו העיקרי של פיר המשאבה של משאבה צנטריפוגלית הוא להעביר כוח ולתמוך באימפלר כדי לשמור אותו במצב עבודה ולפעול כרגיל. קצה אחד של הציר מחובר לציר המנוע באמצעות צימוד, והקצה השני תומך באימפלר לתנועה סיבובית. הציר מצויד ברכיבים כגון מיסבים ואטמים צירים.
החומרים הנפוצים עבור פירי משאבה הם פלדת פחמן ופלדת אל חלד.
האימפלר והציר מחוברים באמצעות מפתח. מכיוון ששיטת חיבור זו יכולה להעביר רק מומנט אך אינה יכולה לקבע את המיקום הצירי של האימפלר, במשאבה משתמשים בשרוול צירי ואום נעילה לקיבוע המיקום הצירי של האימפלר.
לאחר שהאימפלר ממוקם בצורה צירית עם אום הנעילה ושרוול הציר, כדי למנוע את התרופפות אום הנעילה, יש צורך למנוע מהמשאבה להתהפך. במיוחד עבור משאבות שהותקנו לאחרונה או משאבות שעברו פירוק ותיקון, יש לבצע בדיקת כיוון פנייה בהתאם לתקנות כדי להבטיח עקביות עם הכיוון שצוין.
3. שרוול
תפקידו של שרוול הפיר הוא להגן על פיר המשאבה, תוך המרת החיכוך בין האריזה לפיר המשאבה לחיכוך בין האריזה לשרוול הפיר. לכן, שרוול הפיר הוא מרכיב-שנוטה לבלאי של המשאבה הצנטריפוגלית.
פני השטח של שרוול הפיר יכולים גם לעבור טיפולים כגון קרבוריזציה, ניטרד, ציפוי כרום וריסוס. דרישת חספוס פני השטח נדרשת בדרך כלל כדי להגיע ל-Ra3.2μm - Ra0.8μm. זה יכול להפחית את מקדם החיכוך ולהגדיל את חיי השירות.
4. מיסבים
המסבים ממלאים את התפקיד של תמיכה במשקל ובעומס של הרוטור. במשאבות צנטריפוגליות משתמשים בעיקר במיסבים מתגלגלים. הטבעת החיצונית של המיסב נמצאת במערכת גל בסיס עם חור בית המיסב, ואילו הטבעת הפנימית נמצאת במערכת חור בסיס עם הציר המסתובב. לסטנדרטים הלאומיים של הקטגוריה התואמת יש ערכים מומלצים, וניתן לבחור אותם בהתאם לנסיבות ספציפיות. מיסבים משומנים בדרך כלל עם גריז ושמן סיכה.
5. קופסת מילוי
כאשר ציר המשאבה בולט ממעטפת המשאבה, נוצר רווח בין הפיר למארז. במשאבות צנטריפוגליות יניקה-יחידות, אם לא נעשה שימוש במכשיר איטום פיר בחלק זה, המים בלחץ הגבוה- בתוך מעטפת המשאבה ידלפו החוצה בכמויות גדולות. קופסת האריזה היא אחד ממכשירי איטום הפיר הנפוצים. קופסת האריזה מורכבת מחמישה מרכיבים: שרוול איטום הפיר, האריזה, צינור איטום המים, טבעת איטום המים ומכסה האריזה.
⒍蜗壳
הוולוט הוא תעלת זרימה בצורת-ספירלה שגדלה בהדרגה בשטח החתך- מהיציאה של האימפלר לכניסה של האימפלר בשלב הבא או לצינור היציאה של המשאבה. ערוץ הזרימה מתרחב בהדרגה, והמוצא הוא בצורת צינור מפזר. לאחר שהנוזל זורם מהאימפלר, ניתן להפחית בצורה חלקה את מהירות הזרימה שלו, ולהמיר חלק גדול מהאנרגיה הקינטית שלו לאנרגיית לחץ סטטית.
היתרונות של הוולוט הם שהוא קל לייצור, בעל אזור יעילות רחב, ויעילות המשאבה משתנה מעט לאחר עיבוד האימפלר.
החיסרון הוא שצורת הוולוט היא א-סימטרית. בעת שימוש בוולוט בודד, הלחץ הפועל על הרוטור באופן רדיאלי אינו אחיד, מה שעלול לגרום לפיר להתכופף. לכן, במשאבות מרובות-שלבים, רק החלק הראשון והאחרון משתמשים בוולוטים, בעוד שהחלק האמצעי מאמץ התקן גלגל מנחה.
החומר של הוולוט הוא בדרך כלל ברזל יצוק. הנדנדה של המשאבה נגד-קורוזיה עשויה מפלדת אל-חלד או חומרים אחרים נגד-קורוזיה, כגון פלסטיק, פיברגלס וכו'. עבור משאבות רב--שלביות, בשל הלחץ הגבוה, דרישות חוזק החומר גבוהות יותר, ובדרך כלל הנשרים שלהן עשויים מפלדה יצוקה.
⒎ גלגל מניע
גלגל ההנחיה הוא דיסק נייח עם שבבי הדרכה קדמיים עטופים סביב הקצה החיצוני שלו בצד הקדמי. שבבי הדרכה אלו יוצרים סדרה של ערוצי זרימה בצורת מפזר-. בצד האחורי, יש שבבי הדרכה הפוכים המכוונים את הנוזל לכניסה של אימפלר השלב הבא. לאחר שהנוזל נפלט מהאימפלר, הוא זורם בצורה חלקה לתוך גלגל ההנחיה וממשיך לזרום החוצה לאורך שבבי ההנחיה הקדמיים, כאשר מהירותו יורדת בהדרגה ומרבית האנרגיה הקינטית שלו מומרת לאנרגיית לחץ סטטית.
המרווח החד-צדדי הרדיאלי בין האימפלר לבין שבבי ההדרכה הוא כ-1 מ"מ. אם המרווח גדול מדי, היעילות תקטן; אם הוא קטן מדי, הוא יגרום לרטט ורעש. בהשוואה לוולוט, מעטפת המשאבה של המשאבה הצנטריפוגלית הרב--מפולחת עם גלגלי מנחה קלה יותר לייצור ובעלת יעילות גבוהה יותר של המרת אנרגיה. עם זאת, התקנתו והתחזוקה שלו קשים יותר מזו של הוולוט.
16. טבעת איטום
כדי להפחית את הדליפה הפנימית ולהגן על מעטפת המשאבה, מותקנת טבעת איטום הניתנת להחלפה על המעטפת המתאימה לכניסה של האימפלר. המרווח הרדיאלי בין החור הפנימי של טבעת האיטום למעגל החיצוני של האימפלר הוא בדרך כלל בין 0.1 ל-0.2 מ"מ. לאחר שחיקה של טבעת האיטום, המרווח הרדיאלי גדל, וכתוצאה מכך ירידה בנפח פריקת הנוזל של המשאבה והפחתה ביעילות. כאשר פער האיטום עולה על הערך שצוין, יש צורך להחליף אותו בזמן.
הצורות המבניות של טבעת האיטום הן שלושה סוגים:
סוג טבעת- שטוחה, עם מבנה פשוט וייצור קל, אך אפקט איטום גרוע;
טבעת האיטום מסוג -זווית ישרה מאפשרת לנזילת נוזלים לעבור דרך תעלה של 90 מעלות, וכתוצאה מכך אפקט איטום טוב יותר בהשוואה לסוג הטבעת השטוחה. זה נמצא בשימוש נרחב.
לטבעת האיטום במבוך יש אפקט איטום טוב, אך המבנה שלה מורכב וייצורה קשה. לכן, הוא משמש לעתים רחוקות במשאבות צנטריפוגליות.
תהליך העבודה של משאבה צנטריפוגלית
לפני הפעלת המשאבה, מלא תחילה את המשאבה בנוזל להובלה.
2. לאחר הפעלת המשאבה, ציר המשאבה מניע את האימפלר להסתובב במהירות גבוהה, ויוצר כוח צנטריפוגלי. תחת כוח זה, הנוזל נזרק ממרכז האימפלר לשולי האימפלר, הלחץ שלו גדל, והוא זורם לתוך מעטפת המשאבה במהירות גבוהה מאוד (15-25 מ"ש).
3. במארז המשאבה 蜗形, כאשר ערוץ הזרימה מתרחב ללא הרף, מהירות הזרימה של הנוזל מואטת, מה שגורם להמרה של רוב האנרגיה הקינטית לאנרגיית לחץ. לבסוף, הנוזל זורם החוצה מנמל הפריקה בלחץ סטטי גבוה יחסית ונכנס לצינור הפריקה.
4. לאחר הוצאת הנוזל שבתוך המשאבה, נוצר ואקום במרכז האימפלר. בהפרש הלחצים בין לחץ פני הנוזל (לחץ אטמוספרי) לבין הלחץ בתוך המשאבה (לחץ שלילי), הנוזל נכנס למשאבה דרך צינור היניקה וממלא את המיקום בו נפלט הנוזל.
סיווג משאבות צנטריפוגליות
מוצרי משאבה צנטריפוגליים מסווגים בדרך כלל לפי המאפיינים המבניים שלהם. ישנן שיטות סיווג שונות, כולל שישה סוגים: מסווגים לפי לחץ עבודה, לפי מספר האימפלרים הפועלים, לפי אופן הכנסת המים של האימפלר וכו'.
⒈ לפי לחץ עבודה:
משאבת-לחץ נמוך: הלחץ נמוך מ-100 מטרים של עמודת מים.
משאבת לחץ בינונית-: הלחץ נע בין 100 ל-650 מטרים של עמוד מים.
משאבת-לחץ גבוה: הלחץ גבוה מ-650 מטר של עמודת מים.
2. לפי מספר האימפלרים הפועלים:
משאבה- חד-שלבית: הכוונה היא למשאבה שבה יש רק אימפלר אחד על פיר המשאבה.
משאבה רב-שלבית: משאבה מסוג זה כוללת שני אימפלרים או יותר על הציר. במקרה זה, הראש הכולל של המשאבה הוא סכום הראשים שנוצרו על ידי כל אחד מ-n האימפלרים.
3. לפי שיטת צריכת המים של האימפלר:
משאבת צריכת מים- צדדית-: ידועה גם בשם משאבת יניקה- יחידה, זה אומר שיש רק פתח כניסת מים אחד על האימפלר.
משאבת יניקה דו-כיוונית: ידועה גם בשם משאבת יניקה-כפולה, יש לה יציאת כניסה משני צידי האימפלר. קצב הזרימה שלו גדול פי שניים מזה של משאבת יניקה- יחידה. אפשר להתייחס אליו כאל שני-אימפלרים יחידים של משאבת יניקה המוצבים גב-אל-גב.
4. לפי המיקום של פיר המשאבה:
משאבה אופקית: פיר המשאבה נמצא במצב אופקי.
משאבה אנכית: פיר המשאבה נמצא במצב אנכי.
5. לפי צורת מפרק מעטפת המשאבה:
משאבה מפוצלת אופקית: היא כזו שבה התפר המפרק נפתח במישור האופקי העובר דרך הציר.
משאבת משטח מפרק אנכית: הכוונה היא למשאבה שבה משטח המפרק מאונך לקו הציר.
6. שיטת הפניית המים היוצאים מהאימפלר לכיוון תא הפריקה:
משאבת מעטפת: לאחר יציאת המים מהאימפלר, הם נכנסים ישירות למארז המשאבה בעל צורת ספירלה.
משאבת שבשבת מובילה: לאחר יציאת המים מהאימפלר, הם נכנסים לשבבי ההדרכה הממוקמים מחוץ לאימפלר, ואז ממשיכים לשלב הבא או זורמים לתוך צינור היציאה.
⒎ על פי המדיות השונות המועברות, ניתן לסווג משאבות צנטריפוגליות כ: משאבות מים, משאבות שמן, משאבות עמידות בפני קורוזיה- וכו'.
נעילת קאוויטציה ואדים
תופעת שחיקה
מעיקרון העבודה של המשאבה הצנטריפוגלית, ניתן לדעת שלאחר שהנוזל בין הלהבים נפלט מהאימפלר המסתובב במהירות-גבוהה, נוצר אזור בלחץ נמוך- ליד כניסת האימפלר. כאשר הלחץ בכניסת האימפלר שווה או נמוך מלחץ האדים הרווי pV של הנוזל המועבר בטמפרטורת הפעולה, הנוזל באזור זה יתאדה ויוצר בועות. כאשר הבועות נעות עם הנוזל לאזור הלחץ הגבוה-, הן יתעבו במהירות בגלל הלחץ.
ברגע של עיבוי בועות נוצר ואקום מקומי. הנוזל שמסביב דוהר לעבר החלל שנכבש על ידי הבועה במהירות גבוהה, וגורם לפגיעה ולרעידות, וכתוצאה מכך כוח פגיעה משמעותי. במיוחד כאשר נקודת העיבוי של הבועה קרובה לפני השטח של הלהב, חלקיקי נוזלים רבים פוגעים בלהב בתדירות ובלחץ גבוהים; במקביל, הבועה עשויה להכיל גם כמות קטנה של חמצן וחומרים אחרים בעלי השפעה קורוזיבית כימית על חומרי מתכת. תחת פעולה משולבת של פגיעה מתמשכת וקורוזיה כימית, פני הלהב ניזוקים, ויוצרים כתמים וסדקים, שיובילו לנזק מוקדם של הלהב. תופעה זו נקראת cavitation במשאבות צנטריפוגליות.
תופעת קשירת הגז
כאשר מפעילים משאבה צנטריפוגלית, אם יש אוויר במשאבה, עקב צפיפות האוויר הנמוכה, הכוח הצנטריפוגלי שנוצר לאחר סיבוב קטן. כתוצאה מכך, הלחץ הנמוך שנוצר במרכז האימפלר אינו מספיק כדי לשאוב את הנוזל. גם אם המשאבה הצנטריפוגלית מופעלת, היא לא יכולה להשלים את משימת ההובלה. תופעה זו נקראת "נעילת אוויר".
זה מצביע על כך שלמשאבה הצנטריפוגלית אין יכולת -תחולה עצמית. לכן, לפני הפעלת המשאבה הצנטריפוגלית, יש למלא אותה בנוזל שיועבר. כמובן שאם כניסת היניקה של המשאבה הצנטריפוגלית ממוקמת מתחת למפלס הנוזל של הנוזל המועבר, הנוזל יזרום אוטומטית למשאבה. זהו מקרה מיוחד. צינור היניקה של המשאבה הצנטריפוגלית מצויד בשסתום תחתון למניעת זרימת הנוזל שהתמלא לפני תחילתו מתוך המשאבה. מסך המסנן יכול למנוע מחומרים מוצקים בנוזל להישאב פנימה ולחסום את הצנרת ואת צינור הפריקה של בית המשאבה. שסתום הוויסות המותקן בצינור הפריקה משמש להתנעת המשאבה, עצירת המשאבה וויסות הזרימה.
מנקודת המבט של הגורמים השונים לקוויטציה ולנעילת אדים:
קשירת אוויר מתייחסת לנוכחות האוויר בתוך גוף המשאבה. זה מתרחש בדרך כלל כאשר המשאבה מופעלת. הביטוי העיקרי הוא שהאוויר בתוך גוף המשאבה לא הוסר לחלוטין. בעוד שקאוויטציה נגרמת מכך שהנוזל מגיע ללחץ האידוי שלו בטמפרטורה מסוימת. ניתן לראות שזה קשור קשר הדוק למדיום המובל ולתנאי העבודה.
ניתן להשתמש בשיטות הבאות כדי למנוע את התרחשות תופעת נעילת האוויר:
1. לפני שמתחילים ממלאים את הקליפה בנוזל. ודא אטימה הדוקה על הקליפה. אסור שסתום מילוי המים וראש המקלחת ידלפו. ביצועי האיטום צריכים להיות טובים.
2. צינור היניקה של המשאבה הצנטריפוגלית מצויד בשסתום תחתון כדי למנוע מהנוזל שנשאב לפני ההפעלה לזרום חזרה למשאבה. מסך המסנן יכול למנוע מחלקיקים מוצקים בנוזל להישאב פנימה. צינור הפריקה מצויד בשסתום ויסות המשמש להתנעה ולעצירת המשאבה ולוויסות קצב הזרימה.
3. הנח את כניסת היניקה של המשאבה הצנטריפוגלית מתחת למפלס הנוזל שבו יש להעביר את הנוזל. הנוזל יזרום אוטומטית לתוך המשאבה.
הסיבות והפתרונות להופעת קוויטציה
הגורמים העיקריים לקוויטציה הם:
1. ההתנגדות של צינור הכניסה גבוהה מדי או שהצינור דק מדי.
2. הטמפרטורה של המדיום המועבר גבוהה מדי;
3. זרימה מוגזמת, כלומר שסתום היציאה נפתח לרווחה מדי;
4. גובה ההתקנה גבוה מדי, מה שמשפיע על יכולת צריכת הנוזלים של המשאבה.
5. נושאי בחירה לרבות בחירת משאבות ובחירת חומרי משאבה וכו'.
פִּתָרוֹן:
1. הסר עצמים זרים מצינור הכניסה כדי להבטיח זרימה חלקה, או הגדל את קוטר הצינור.
2. להפחית את הטמפרטורה של המדיום המועבר;
3. הפחת את גובה ההתקנה;
4. החלף את המשאבה או בצע שיפורים ברכיבים מסוימים של המשאבה, כגון שימוש בחומרים עמידים בפני קוויטציה.
