المدونة

مبدأ عمل المضخات الطاردة المركزية

مبدأ عمل مضخات الطرد المركزي يعتمد على قوة الطرد المركزي. عند دوران المكره بسرعة عالية، يندفع السائل من مركزه إلى حافته الخارجية تحت تأثير قوة الطرد المركزي، مكتسبًا طاقة حركية وطاقة ضغط. آلية العمل المحددة هي كما يلي:

1.يدخل السائل إلى المنطقة المركزية للمكره من خلال مدخل الشفط الخاص بالمضخة.

2. يؤدي دوران المكره إلى توليد قوة طرد مركزي، مما يتسبب في تحرك السائل من مركز المكره إلى الحافة الخارجية على طول ممرات الشفرة.

3. يكتسب السائل طاقة حركية وطاقة ضغط داخل الدافع ثم يتم تفريغه في غلاف المضخة.

4. داخل غلاف المضخة، يتم تحويل جزء من الطاقة الحركية للسائل إلى طاقة ضغط، ويتم تفريغ السائل في النهاية من خلال المخرج.

أثناء تشغيل مضخة الطرد المركزي، يبذل الدافع شغلًا بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة السائل. مع تدفق السائل عبر الدافع، يزداد ضغطه وسرعته. ووفقًا لمعادلة برنولي، تتجلى الزيادة في الطاقة الكلية للسائل بشكل رئيسي في زيادة طاقة الضغط، مما يُمكّن مضخة الطرد المركزي من نقل السائل إلى ارتفاع أعلى أو التغلب على مقاومة أكبر للنظام.

من المهم ملاحظة أن الشرط الأساسي للتشغيل الطبيعي لمضخة الطرد المركزي هو ملء تجويفها بالسائل. وذلك لأن قوة الطرد المركزي تؤثر فقط على السوائل، وليس على الغازات. في حال وجود هواء في تجويف المضخة، لن تتمكن المضخة من بناء الضغط بشكل طبيعي، مما يؤدي إلى "انغلاق البخار"، والذي يؤدي في النهاية إلى التجويف.

تحليل أسباب تجويف مضخة الطرد المركزي

1. وسط مدخل غير كافٍ أو ضغط مدخل غير كافٍ

يُعدّ نقص وسط الإدخال أحد أكثر أسباب تجويف مضخة الطرد المركزي شيوعًا. قد تؤدي الحالات التالية إلى نقص وسط الإدخال:

أ. انخفاض مستوى السائل: عندما ينخفض ​​مستوى السائل في حوض السباحة أو الخزان أو حاوية التخزين إلى ما دون أنبوب شفط المضخة أو الحد الأدنى للمستوى الفعال، فقد تقوم المضخة بسحب الهواء بدلاً من السائل، مما يؤدي إلى حدوث التجويف.

ب. رفع الشفط المفرط: بالنسبة لمضخات الطرد المركزي غير ذاتية التحضير، إذا تجاوز ارتفاع التركيب قوة الشفط المسموح بها، حتى مع غمر أنبوب الشفط في السائل، فلن تتمكن المضخة من سحب السائل لأعلى، مما يؤدي إلى نقص السائل داخلها. وفقًا للمبادئ الفيزيائية، يبلغ الحد الأقصى النظري لقوة الشفط لمضخات الطرد المركزي غير ذاتية التحضير حوالي 10 أمتار من عمود الماء (قيمة الضغط الجوي). ومع ذلك، بالنظر إلى الخسائر المختلفة، يكون رفع الشفط الفعلي عادةً أقل من 6-7 أمتار.

ج. ضغط مدخل غير كافٍ: في التطبيقات التي تتطلب ضغط مدخل إيجابي، إذا كان ضغط المدخل المقدم أقل من القيمة المطلوبة، فقد تواجه المضخة إمدادًا غير كافٍ من السائل، مما يتسبب في حدوث تجويف.

د. سوء تصميم النظام: في بعض تصميمات النظام، إذا كان خط الشفط طويلاً للغاية، أو كان قطر الأنبوب صغيرًا للغاية، أو كان هناك الكثير من الانحناءات، تزداد مقاومة خط الأنابيب، مما يقلل من ضغط المدخل ويمنع مضخة الطرد المركزي من سحب السائل بشكل صحيح.

تُظهر دراسات الحالة أن حوالي 35% من أعطال مضخات الطرد المركزي في صناعة البتروكيماويات ناجمة عن عدم كفاية وسط الإدخال أو ضغط الإدخال. وتُعد هذه المشكلة شائعة بشكل خاص في أنظمة نقل النفط نظرًا لارتفاع اللزوجة وضغط بخار المنتجات النفطية.

2. انسداد في خط أنابيب المدخل

انسداد خط أنابيب المدخل سبب شائع آخر لتجويف مضخة الطرد المركزي. تشمل الأعراض المحددة ما يلي:

أ. الشاشات أو الفلاتر المسدودة: أثناء التشغيل على المدى الطويل، قد تصبح الشاشات أو المرشحات الموجودة في خط الأنابيب الداخل مسدودة تدريجيًا بسبب الشوائب أو الرواسب، مما يحد من تدفق السائل.

ب. تكوّن الترسبات الكلسية داخل خط الأنابيب: وخاصة عند التعامل مع المياه العسيرة، أو المياه ذات المحتوى العالي من أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم، أو السوائل الكيميائية المحددة، فقد تتكون رواسب بلورية أو حجرية على الجدران الداخلية لأنابيب الأنابيب، مما يقلل من القطر الفعال بمرور الوقت.

ج. دخول جسم غريب: قد يؤدي الدخول العرضي لأشياء مثل الأوراق أو الأكياس البلاستيكية أو النباتات المائية إلى خط أنابيب الشفط إلى انسداد المرفقين أو الصمامات، مما يعيق تدفق السائل.

د. الصمامات المغلقة جزئيًا: يمكن أن تؤدي الأخطاء التشغيلية، مثل الفشل في فتح الصمامات بالكامل في خط أنابيب الشفط، أو أعطال الصمام الداخلي، أيضًا إلى تدفق غير كافٍ.

هـ. فشل صمام القدم: في الأنظمة المجهزة بصمامات القدم، إذا حدث خلل في صمام القدم (على سبيل المثال، تشوه الزنبرك أو تلف سطح الختم)، فقد يؤثر ذلك على قدرة المضخة على سحب السائل بشكل صحيح.

تشير البيانات الإحصائية إلى أن حوالي 25% من حالات تجويف مضخات الطرد المركزي في شبكات إمدادات المياه والصرف الصحي البلدية ناجمة عن انسدادات في أنابيب المدخل. وتنتشر هذه المشكلة بشكل خاص في أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي ذات المستويات العالية من المواد الصلبة العالقة.

3. إزالة الهواء غير الكاملة من تجويف المضخة

يُعدّ عدم اكتمال إزالة الهواء من تجويف المضخة سببًا رئيسيًا لتجويف مضخة الطرد المركزي. تشمل الأعراض الرئيسية ما يلي:

أ. عدم كفاية التحضير قبل بدء التشغيل الأولي: بعد التركيب الأولي أو التوقف المطول، يجب تحضير مضخات الطرد المركزي لإزالة الهواء من جسمها. إذا لم يكن التحضير كافيًا، فقد يمنع الهواء المتبقي المضخة من تحقيق ضغط تشغيل طبيعي.

ب. عدم كفاية قدرة التحضير الذاتي: لا تستطيع مضخات الطرد المركزي غير ذاتية التحضير طرد الهواء تلقائيًا، وتعتمد على التحضير الخارجي. مع أن بعض المضخات ذاتية التحضير تتمتع بقدرة معينة على التحضير الذاتي، إلا أن طرق التشغيل غير الصحيحة أو ارتفاع التحضير الذاتي المفرط قد يؤديان إلى ضعف طرد الهواء.

ج. تسربات الهواء في نظام الأنابيب: قد تسمح الشقوق الصغيرة في وصلات أنابيب الشفط، أو نقاط الختم، أو الأنابيب القديمة بدخول الهواء إلى النظام تحت ضغط سلبي. وهذا خطير للغاية، لأنه حتى مع تشغيل المضخة بشكل صحيح في البداية، قد يتراكم الهواء مع مرور الوقت، مما يؤدي في النهاية إلى التجويف.

د. فشل الختم: يمكن أن تسمح أختام العمود البالية أو المثبتة بشكل غير صحيح (على سبيل المثال، الأختام الميكانيكية أو أختام التعبئة) بدخول الهواء الخارجي إلى المضخة، وخاصة عندما يكون ضغط جانب الشفط أقل من الضغط الجوي.

في التطبيقات الصناعية، يحدث حوالي ٢٠٪ من حالات تجويف مضخات الطرد المركزي بسبب عدم إزالة الهواء بالكامل من تجويف المضخة. وتُعد هذه المشكلة شائعةً بشكل خاص أثناء التشغيل الأولي بعد التركيب أو الصيانة.

4. أسباب أخرى

بالإضافة إلى الأسباب الرئيسية المذكورة أعلاه، يمكن لعوامل أخرى أيضًا أن تؤدي إلى تجويف مضخة الطرد المركزي:

أ. تبخر السائل: عند التعامل مع سوائل عالية الحرارة أو شديدة التطاير، إذا انخفض ضغط أنبوب الشفط عن ضغط بخار تشبع السائل عند تلك الدرجة، فقد يتبخر السائل، مشكّلاً فقاعات. قد يمنع هذا المضخة من سحب السائل أو يُسبب التجويف.

ب. الأخطاء التشغيلية: يمكن أن تؤدي العوامل البشرية، مثل تشغيل الصمام بشكل غير صحيح أو عدم اتباع إجراءات بدء التشغيل، إلى تجويف المضخة.

ج. أعطال نظام التحكم: في أنظمة التحكم الآلية، قد يؤدي الفشل في مستشعرات المستوى، أو مستشعرات الضغط، أو الأخطاء في منطق برمجة PLC إلى بدء تشغيل المضخة أو تشغيلها في ظل ظروف غير مناسبة، مما يؤدي إلى حدوث تجويف.

د. مشاكل الطاقة أو المحرك: قد يؤدي تسلسل طور الطاقة غير الصحيح، الذي يُسبب انعكاسًا في المحرك، إلى منع المضخة من سحب السائل بشكل صحيح. كما أن عدم استقرار الجهد، الذي يُسبب تقلبات في سرعة المحرك، قد يُعطل التشغيل الطبيعي للمضخة.

هـ. تأثيرات درجة الحرارة: في الظروف البيئية القاسية، كالمناطق الباردة، قد يؤدي العزل غير الكافي إلى تجمد السائل داخل الأنابيب، مما يعيق تدفقه. أما في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، فقد تتبخر السوائل، مشكّلةً حواجز بخارية.

تشير الأبحاث إلى أن هذه الأسباب الأخرى تُمثل حوالي 20% من حالات تجويف مضخة الطرد المركزي. ورغم صغر هذه النسبة، إلا أنها قد تُشكل عوامل مهمة في حالات أو ظروف مُحددة، ولا ينبغي إغفالها.