Positive forskydningspumper
Del I - Gensidige pumper
Der er mange pumpedesign, der falder inden for kategorien med positiv forskydning, men for det meste kan de pænt opdeles i to grundlæggende grupper. Den frem- og tilbagegående gruppe fungerer via stempler, stempler eller membraner, mens roterende pumper bruger gear, lobes, skruer, vinger og peristaltisk handling. Deres almindelige designtråd er, at energi kun tilsættes pumpevæsken periodisk, hvor den i dynamiske pumper tilføjes kontinuerligt.
PISTON & PLUNGER PUMPS
Stempelpumpen er en af de mest almindelige frem- og tilbagegående pumper, og inden udviklingen af højhastighedsdrivere, der forbedrede centrifugalernes popularitet, var den den valgte pumpe til en lang række anvendelser.
I dag ses de oftest i applikationer med lavere flow, moderat (til 2000 PSI) tryk. Dens nære fætter, stemplepumpen, er designet til højere tryk op til 40.000 PSI. Den største forskel mellem de to er metoden til tætning af cylindrene. I en stempelpumpe er tætningssystemet (ringe, pakning osv.) Fastgjort til stemplet og bevæger sig med det under sit slag. Forseglingssystemet til stemplets pumpe er stille, og stemplet bevæger sig gennem det under sit slag.
Gengangsende pumper fungerer ud fra princippet om, at et fast stof vil fortrænge et væskevolumen svarende til dets eget volumen. Figuren til højre er en generisk dobbeltvirkende stempelpumpe. Hvis vi skulle fjerne de to ventiler i venstre side af figuren og udskifte dem med en forlængelse af cylinderen, ville vi have en enkeltvirkende pumpe. Den enkeltvirkende pumpe udleder kun vand på sit forreste slag, mens den dobbeltvirkende pumpe også udledes på sit returslag. Under sugeslaget (højre til venstre) lukker den enkeltvirkende pumpes udladningsventil og tillader væske at trænge ind i cylinderen via sugeventilen. Når stemplet skifter retning (frem- og tilbagegående) lukker sugeventilen, og vand ledes gennem afgangsventilen. I dobbeltvirkende pumpe forekommer den samme sekvens under begge slag, og næsten dobbelt så meget væske udledes per tidsenhed.
Tryk
Hovedet frembragt af en centrifugalpumpe afhænger af den hastighed, det bibringer fluidet via dets løbehjul. Derfor vil hovedet for enhver given løberediameter og rotationshastighed være en vis maksimal, uoverensstemmende mængde. Ikke så til frem- og tilbagegående pumper. Selv om de har en maksimal driftstrykvurdering, afhænger det opnåede maksimale tryk (P) af applikationen.
Mod en lukket udtømningsventil er trykket kun begrænset af driverens evne og styrken af de anvendte materialer. Kun "brudspunktet" for en komponent vil begrænse udløbstrykket. Derfor skal der leveres en form for trykaflastning, hvis en applikation er i stand til at overskride pumpens trykklassificering.
Kapacitet
Kapaciteten (Q) på et enkeltvirkende stempel- eller stemplepumpe er proportional med dens forskydning (D) pr. Enhedstid. Forskydningen er pumpens beregnede kapacitet under antagelse af 100% hydraulisk effektivitet og er proportional med stempelets (A) tværsnitsareal, længden af dens slag (r), antallet af cylindre (n) og pumpens hastighed i omdr./min. I gallons per minut er det:
D = (A xsxnx o / min) / 231
I tilfælde af dobbeltvirkende pumper er stemplets eller stemplets tværsnitsareal fordoblet, og stempelstangens (a) tværsnitsareal trækkes fra. I gallons pr. Minut er D igen:
D = ((2A - a) xsxnx o / min) / 231
I det virkelige liv er den teoretiske kapacitet af et stempel- eller stemplepumpe tempereret af flere faktorer. Den ene er kendt som slip (S). Den vigtigste del af slip er lækage af væske tilbage gennem udtømnings- eller sugeventilen, når den lukker (eller sidder). Det kan reducere beregnet forskydning fra 2 til 10% afhængigt af ventilens design og tilstand. Forøget viskositet vil også have negativ indflydelse på slip.
En anden vigtig faktor, der påvirker en frem- og tilbagegående pumpes kapacitet, er noget, der kaldes volumetrisk effektivitet (VE). VE udtrykkes som en procentdel og er proportional med forholdet mellem det samlede udledningsvolumen og stemplets eller stemplets forskydning. Figuren til højre illustrerer, hvordan vi når frem til dette forhold.
Forholdet (r) er vist at være (c + d) / d, hvor d er det volumen, der er forskudt af stemplet eller stemplet, og c er det yderligere volumen mellem afgangs- og sugeventilerne. Jo mindre dette forhold er, jo bedre er den volumetriske effektivitet. Udtrykt matematisk ser det sådan ud:
VE = 1 - (P xbxr) - S
hvor P er tryk, b er væskens kompressibilitetsfaktor, r er volumenforholdet, og S er glidende. Kompressibilitetsfaktoren for vand er ganske lille (3 x 10-6 inches pr. Kilo tryk ved omgivelsestemperatur), men ved tryk på mere end 10.000 PSI bliver det en faktor.
Figuren ovenfor illustrerer også tydeligt driftsprincippet for volumetrisk forskydning af disse pumper. Selvom der ikke er nogen cylindervæg omkring stemplet i bunden af dens slag, forskyder den stadig væske lig med sit eget volumen. Nu kan vi endelig angive den faktiske kapacitet af en frem- og tilbagegående pumpe. Det er ganske enkelt:
Q = D x VE
Strøm
Den effekt, der kræves til at drive en frem- og tilbagegående pumpe, er ret ligetil. Det er simpelthen proportionalt med tryk og kapacitet. I bremse hestekræfter er det:
bhp = (QXP) / (1714 X ME)
hvor 1714 er bhp-konverteringsfaktoren og ME er mekanisk effektivitet. Mekanisk effektivitet er den procentdel af drivereffekten, der ikke går tabt i pumpens effektramme og andre frem- og tilbagegående dele. Den mekaniske effektivitet af et stempel- eller stemplepumpe ligger mellem 80 og 95% afhængigt af hastighed, størrelse og konstruktion.
DIAPHRAGM PUMPS
Membranpumper er frem- og tilbagegående positive fortrængningspumper, der anvender en fleksibel membran i stedet for et stempel eller stempel for at fortrænge det pumpede fluid. De er virkelig selvfundende (kan først tørre) og kan løbe tørre uden skader. De fungerer via det samme volumetriske forskydningsprincip, der er beskrevet tidligere. Figuren til højre viser driftscyklussen for en grundlæggende, håndbetjent enkelt membranpumpe.
Var dens funktion enklere, ville den konkurrere med tyngdekraften. Den øverste del af figuren viser sugeslaget. Håndtaget løfter membranen og skaber et delvist vakuum, som lukker udladningsventilen, mens væske får adgang til pumpekammeret via sugefventilen. Under udløbsslaget skubbes membranen nedad, og processen vendes. Håndbetjente pumper er designet til at levere op til 30 gpm ved op til 15 fod, men den faktiske kapacitet er yderst afhængig af førerens fysiske tilstand. Luft-, motor- og motordrevne enheder er også tilgængelige og tilbyder kapacitet til 130 gpm. Både suge- og afladningshoved varierer fra 15 til 25 fod.
Du vil bemærke, at membraner, i modsætning til stempler og stempler, ikke kræver et tætningssystem og derfor fungerer lækker. Denne funktion udelukker dog muligheden for et dobbeltvirkende design. Hvis der kræves næsten kontinuerlig strømning, anvendes der normalt en dobbeltmembran eller duplexpumpe. Figuren nedenfor er et tværsnit af en luftbetjent dobbelt membranpumpe.
Den dobbelte membranpumpe anvender en fælles suge- og afgangsmanifold sammen med to membraner, der er stift forbundet med en aksel. Den pumpede væske befinder sig i det ydre kammer i hvert, mens trykluft ledes til og fra deres indre kamre. På figuren har det højre kammer netop afsluttet sit sugeslag, og samtidig afsluttet det venstre kammer sit udløbsslag. Som forventet er sugekontrollen åben, så væske kan strømme ind i det højre kammer, og udløbskontrollen for det venstre kammer er åbent, så væske kan strømme ud. Bortset fra konfigurationen af dobbeltkammer er dens funktion ligesom den dobbeltvirkende stempelpumpe, der er set tidligere. Forskellen ligger naturligvis inden for de indre kamre og den metode, hvori den frem- og tilbagegående bevægelse opretholdes. Dette opnås med en luftfordelingsventil, der indfører trykluft til det ene membrankammer, mens det udtømmes fra det andet. Efter slagtilfælde roterer ventilen 90 grader, og gengældelse finder sted.
Jeg introducerede dette afsnit med udsagnet om, at membranpumper er positive forskydninger i naturen. Generelt er dette en nøjagtig erklæring, men de kan også benævnes "semi" positiv forskydning. Årsagen hertil er membranens elasticitet og en tilsvarende reduktion i den volumetriske effektivitet, når udledningstrykket stiger. Lækage af tilbagekoblingsventiler er ofte ofte større end det, der opleves af stempel- og stemplepumper.
TILHØRSFORHOLD
Selvom vi har en tendens til at knytte affinitetslove til centrifugalpumper, udviser andre mekaniske enheder også disse "naturlige" forhold. I tilfælde af positive forskydningspumper er affinitetslovene meget ligetil.
Flow - Flow varierer direkte med en ændring i hastighed. Hvis rotationshastigheden fordobles, fordobles også flowet.
Tryk - Trykket er uafhængigt af en ændring i hastighed. Hvis vi ignorerer effektivitetstab, vil det tryk, der genereres ved en given rotationshastighed, være det, der kræves for at understøtte flow.
Hestekræfter - Hestekræfter varierer direkte med en ændring i hastighed. Hvis vi fordobler rotationshastigheden, kræves dobbelt så meget strøm.
NPSHr - Nødpositivt sugehoved, der kræves, varierer, da kvadratet for en ændring i hastighed. Hvis vi fordobler rotationshastigheden, øges NPSHR med fire.
