Pozitivne prestavne črpalke
Del I - Črpalke s povratnim tokom
Obstaja veliko modelov črpalk, ki spadajo v kategorijo s premestitvijo, vendar se večinoma lahko lepo razdelijo v dve osnovni skupini. Vzmetna skupina deluje preko bata, bata ali membrane, medtem ko vrtljive črpalke uporabljajo zobnike, lopatice, vijake, lopatice in peristaltično delovanje. Njihova skupna nit oblikovanja je, da se črpalni tekočini dodaja energija le občasno, kadar se v dinamičnih črpalkah doda neprekinjeno.
ČRPALKE IN PLOŠČINE
Batna črpalka je ena najpogostejših črpalk z vrtenjem vretena in je bila pred razvojem gonilnikov za visoke hitrosti, ki je povečala priljubljenost centrifugalnih goriv, bila izbira črpalke za široko paleto uporab.
Danes jih najpogosteje opažamo pri uporabi zmernega (do 2000 PSI) zmernega tlaka. Njegov tesni bratranec, batna črpalka, je zasnovan za višje tlake do 40.000 PSI. Glavna razlika med obema je metoda tesnjenja jeklenk. V batni črpalki je tesnilni sistem (obroči, embalaža itd.) Pritrjen na bat in se z njim premika med potezo. Tesnilni sistem za batno črpalko je v mirovanju in bat se med potezo premika po njej.
Povratne črpalke delujejo po načelu, da trdna snov izpodrine prostornino tekočine, ki je enaka njeni lastni prostornini. Slika desno je generična batna črpalka z dvojnim delovanjem. Če bi odstranili dva ventila na levi strani slike in ju zamenjal s podaljškom valja, bi imeli enotno delujočo črpalko. Enostavna črpalka izpušča vodo samo na svojem prednjem hodu, medtem ko dvojno delujoča črpalka izpušča tudi povratni hod. Med sesalnim gibom (desno na levo) se odzračevalni ventil enojne črpalke zapre in omogoči tekočini vstop v valj skozi sesalni ventil. Ko bat zamenja smer (povratno), se sesalni ventil zapre in skozi izpustni ventil se odvaja voda. Pri črpalki z dvojnim delovanjem se pri obeh potezah pojavi isto zaporedje in na enoto se odvaja skoraj dvakrat več tekočine.
Pritisk
Glava, ki jo ustvari centrifugalna črpalka, je odvisna od hitrosti, ki jo daje tekočini skozi rotor. Zato bo pri katerem koli danem premeru rotorja in vrtilni hitrosti glava nekaj največje, nespremenljive količine. Pri črpanju črpalk ni tako. Najvišji tlak (P) bo dosežen, odvisno od uporabe.
V nasprotju z zaprtim praznilnim ventilom je pritisk omejen le zaradi sposobnosti voznika in trdnosti uporabljenih materialov. Le "prelomna točka" neke komponente bo omejila tlak v praznjenju. Zato je treba navesti določeno obliko razbremenitve tlaka, če aplikacija lahko preseže tlak črpalke.
Zmogljivost
Zmogljivost (Q) enega samega delujočega bata ali batne črpalke je sorazmerna z njegovo premestitvijo (D) na enoto časa. Premik je izračunana zmogljivost črpalke, ob predpostavki 100-odstotnega hidravličnega izkoristka, in je sorazmerna s površino preseka bata (A), dolžino giba (-ov), številom jeklenk (n) in hitrost črpalke v vrt./min. V litrih na minuto je:
D = (A xsxnx vrt./min.) / 231
Pri črpalkah z dvojnim delovanjem se površina prečnega prereza bata ali bata podvoji, površina preseka bata (a) pa se odšteje. Spet v galonih na minuto je D:
D = ((2A - a) xsxnx rpm) / 231
V resničnem življenju je teoretična zmogljivost bata ali batne črpalke ublažena z več dejavniki. Eden je znan kot zdrs (S). Glavna sestavina zdrsa je uhajanje tekočine skozi izpustni ali sesalni ventil, ko se zapira (ali sedi). Zmanjša izračunani premik od 2 do 10%, odvisno od zasnove in stanja ventila. Povečana viskoznost bo tudi negativno vplivala na zdrs.
Drug pomemben dejavnik, ki vpliva na zmogljivost črpalke z zamikom, je nekaj, kar imenujemo volumetrična učinkovitost (VE). VE je izražen kot odstotek in je sorazmeren razmerju med celotno prostornino praznjenja in premikom bata. Slika desno prikazuje, kako dosežemo to razmerje.
Prikaže se, da je razmerje (r) (c + d) / d, kjer je d prostornina, ki jo potisne bat ali bat in c dodatna prostornina med izpustnimi in sesalnimi ventili. Manjše ko je to razmerje, boljši je volumetrični izkoristek. Matematično izraženo je videti tako:
VE = 1 - (P xbxr) - S
kjer je P tlak, b faktor stisljivosti tekočine, r razmerje prostornine in S zdrs. Faktor stisljivosti za vodo je zelo majhen (3 X 10-6 palcev na funt tlaka pri temperaturi okolice), toda pri tlakih, večjih od 10 000 PSI, postane dejavnik.
Zgornja slika tudi jasno prikazuje načelo delovanja teh črpalk z volumetričnim premerom. Čeprav na dnu giba ni stene valja okoli bata, še vedno izpodrine tekočino, enako svoji prostornini. Zdaj lahko končno navedemo dejansko zmogljivost črpalke z zamikom. Precej preprosto:
Q = D x VE
Moč
Moč, potrebna za pogon povratne črpalke, je precej naravnost. Preprosto je sorazmerna s tlakom in zmogljivostjo. Pri zavornih konjskih močih je:
bhp = (QXP) / (1714 X ME)
kjer je 1714 faktor pretvorbe moči, ME pa mehanski izkoristek. Mehanski izkoristek je odstotek pogonske moči, ki se ne izgubi v napajalnem okviru črpalke in drugih povratnih delih. Mehanska učinkovitost bata ali batne črpalke se giblje med 80 in 95%, odvisno od hitrosti, velikosti in konstrukcije.
ČRPALKE DIAFRAGM
Membranske črpalke so povratne črpalke s pozitivnim pomikom, ki namesto bata ali bata uporabljajo prožno membrano, ki izpodriva črpano tekočino. Resnično se samo segrejejo (lahko se posušijo) in se lahko sušijo brez poškodb. Delujejo po istem principu volumetričnega premika, ki je bil opisan prej. Slika na desni prikazuje obratovalni cikel osnovne ročne enojne membranske črpalke.
Če bi bilo njegovo delovanje bolj preprosto, bi tekmovalo z gravitacijo. Na zgornjem delu slike je prikazan sesalni hod. Ročaj dvigne membrano, ki ustvarja delni vakuum, ki zapre izpustni ventil, hkrati pa skozi sesalni ventil omogoča vstop tekočine v črpalno komoro. Med potekom praznjenja se membrana potisne navzdol in postopek se obrne. Črpalke z ročnim upravljanjem so zasnovane tako, da omogočajo do 30 vrtljajev na minuto do 15 čevljev, vendar je dejanska zmogljivost zelo odvisna od fizičnega stanja voznika. Na voljo so tudi zračne, motorne in motorne enote, ki ponujajo zmogljivosti do 130 gpm. Tako sesalna kot izpustna glava se gibljeta od 15 do 25 čevljev.
Upoštevali boste, da za razliko od bata in bata membrane ne potrebujejo tesnilnega sistema in zato ne puščajo. Ta funkcija pa izključuje možnost dvojnega delovanja. Če je potreben skoraj neprekinjen pretok, se običajno uporablja dvojna membranska ali dvostranska črpalka. Spodnja slika je presek zračne črpalke z dvojno membrano.
Dvojna membranska črpalka uporablja skupni sesalni in izpustni razdelilnik, povezan z dvema membranama, ki sta trdno povezana z gredjo. Črpana tekočina prebiva v zunanji komori vsakega, medtem ko se stisnjeni zrak preusmeri v notranjost komor in iz njih. Na sliki je desna komora pravkar zaključila svoj sesalni hod in hkrati leva komora zaključila svoj izpustni hod. Kot bi bilo pričakovati, je preverjanje sesanja odprto, tako da lahko tekočina priteče v desno komoro, odtok leve komore pa je odprt, tako da lahko tekočina izteka. Razen pri konfiguraciji z dvojno komoro je njegovo delovanje tako kot batna črpalka z dvojnim delovanjem, ki smo jo videli prej. Razlika je seveda znotraj notranjih komor in načina ohranjanja povratnega gibanja. To doseže ventil za distribucijo zraka, ki v eno membransko komoro uvaja stisnjen zrak, medtem ko ga izčrpava iz druge. Po zaključku giba se ventil zavrti za 90 stopinj in pride do vzajemnosti.
Ta razdelek sem predstavil z izjavo, da so membranske črpalke v naravi pozitiven premik. Na splošno je to natančna trditev, vendar jih lahko imenujemo tudi "pol" pozitivni premik. Razlog za to je elastičnost membrane in ustrezno zmanjšanje volumetrične učinkovitosti, ko se izpustni tlak povečuje. Prav tako je puščanje povratnega ventila pogosto bistveno večje od tistega, ki ga imajo batne in batne črpalke.
AFFINITOST
Čeprav smo ponavadi povezani s zakonitostjo afinitete s centrifugalnimi črpalkami, imajo tudi drugi mehanski pripomočki te »naravne« odnose. Pri črpalkah s pozitivnim premikom so zakoni afinitete zelo naravnost naprej.
Tok - pretok se spreminja neposredno s spremembo hitrosti. Če je hitrost vrtenja podvojena, se podvoji tudi pretok.
Tlak - tlak ni odvisen od spremembe hitrosti. Če zanemarimo izgube učinkovitosti, bo tlak, ustvarjen pri kateri koli hitrosti vrtenja, tist, ki je potreben za podporo pretoka.
Konjska moč - Končna moč se spreminja neposredno s spremembo hitrosti. Če podvojimo hitrost vrtenja, bo potrebna dvakrat večja moč.
NPSHr - Potrebna neto pozitivna sesalna glava se spreminja glede na kvadrat spremembe hitrosti. Če podvojimo hitrost vrtenja, se NPSHR poveča za štiri.
