مضخة طرد مركزي عالية الكفاءة

  مضخات الطرد المركزي تُستخدم على نطاق واسع في أنظمة الإنتاج الصناعي والهندسة لنقل مختلف الوسائط السائلة. ومع ذلك، أثناء التشغيل، غالبًا ما تحدث ظاهرة تؤثر بشدة على أداء المضخة وعمرها الافتراضي، وهي ظاهرة التجويف. لا يقتصر تأثير التجويف على تقليل كفاءة مضخات الطرد المركزي، بل يُسبب أيضًا أضرارًا جسيمة لمكوناتها الرئيسية، مثل المكرهات، وقد يؤدي إلى تعطلها بالكامل. لذلك، تُعد دراسة وفهم أسباب التجويف في مضخات الطرد المركزي أمرًا بالغ الأهمية لتصميمها بشكل صحيح، وتركيبها بشكل صحيح، وتشغيلها بشكل آمن. أقل، انهوى شينغشي داتانغ سأقدم لك مقدمة مفصلة. 1. المفهوم الأساسي للتجويف يشير التجويف إلى الظاهرة التي ينخفض ​​فيها الضغط الموضعي، أثناء تدفق السائل عبر دافع المضخة، إلى ما دون ضغط البخار المشبع عند درجة حرارة تشغيله، مما يتسبب في تبخر جزئي للسائل وتكوين فقاعات بخارية صغيرة عديدة. عندما يحمل تدفق السائل هذه الفقاعات إلى منطقة ذات ضغط أعلى، يزداد الضغط المحيط بها بسرعة، مما يتسبب في انهيارها الفوري وتكثفها مجددًا لتتحول إلى سائل. يولّد انهيار هذه الفقاعات موجات صدمية شديدة ودرجات حرارة عالية موضعية، تؤثر على سطح الدافع، مما يؤدي إلى تآكل المعدن أو تقشره. هذه هي ظاهرة التجويف في مضخات الطرد المركزي. جوهر التجويف هو نتيجة التأثير المشترك لديناميكيات الموائع والديناميكا الحرارية. والسبب الرئيسي هو التوزيع غير المتساوي للضغط داخل السائل. عندما تكون سرعة التدفق المحلية عالية جدًا أو يكون التصميم الهندسي غير منطقي، ينخفض ​​الضغط المحلي، مما يُحفز عملية التبخر الدورية وانهيار الفقاعات. 2. السبب الجذري للتجويف السبب الجذري للتجويف في مضخات الطرد المركزي هو انخفاض الضغط الموضعي للسائل داخل المضخة عن ضغط البخار المشبع للسائل عند درجة الحرارة تلك. في مضخة الطرد المركزي، يتدفق السائل من أنبوب الشفط إلى مدخل المكره. مع انكماش ممر التدفق تدريجيًا، تزداد سرعة السائل، وبالتالي ينخفض ​​الضغط الساكن. عندما ينخفض ​​الضغط الموضعي إلى ضغط البخار المشبع للسائل، يبدأ السائل في التبخر، مما يؤدي إلى تكوين فقاعات بخارية. تنتقل هذه الفقاعات إلى منطقة الضغط العالي باتجاه منتصف ومخرج المكره، حيث تنهار بسرعة تحت الضغط العالي. تتسبب موجات الصدمة عالية الطاقة المنبعثة أثناء انهيار الفقاعة في تآكل المعدن على سطح المكره، وزيادة اهتزاز المضخة، وزيادة الضوضاء، ومشاكل مثل انخفاض معدل التدفق والضغط. 3. العوامل الرئيسية المؤدية إلى التجويف أ. رفع الشفط المفرط: إذا تم تركيب المضخة على ارتفاع عالٍ جدًا أو كان مستوى سائل السحب منخفضًا جدًا، ينخفض ​​الضغط على جانب السحب. مع تدفق السائل نحو مدخل المكره، ينخفض ​​الضغط أكثر. عندما ينخفض ​​الضغط عن ضغط البخار المشبع، يحدث التبخر. إذا تجاوز رفع السحب الحد المسموح به لرأس السحب الإيجابي الصافي (NPSH)، فإن التجويف أمر لا مفر منه. ب. مقاومة مفرطة لخط الشفط: يؤدي طول أو ضيق أنبوب الشفط بشكل مفرط، أو كثرة الكوع فيه، أو إغلاق الصمام جزئيًا إلى خسائر احتكاكية وموضعية كبيرة. يؤدي انخفاض الضغط عند طرف الشفط إلى انخفاض إضافي في الضغط عند مدخل المكره، مما يزيد من احتمالية حدوث التجويف. بالإضافة إلى ذلك، قد يؤدي تسرب الهواء أو ضعف إحكام أنابيب الشفط إلى دخول الغاز إلى السائل، مما يفاقم التجويف. ج. ارتفاع درجة حرارة السائل بشكل مفرط: تؤدي زيادة درجة حرارة السائل إلى ارتفاع ضغط بخاره المشبع بشكل ملحوظ، مما يجعله أكثر عرضة للتبخر. على سبيل المثال، يكون ضغط بخار الماء المشبع منخفضًا نسبيًا عند درجة حرارة الغرفة، ولكنه يزداد بشكل ملحوظ عند درجات الحرارة المرتفعة. حتى مع ثبات ضغط الشفط، قد يتحقق شرط التبخر عند ارتفاع درجة الحرارة، مما يُحفز التجويف. د. انخفاض ضغط المدخل أو انخفاض الضغط المحيط: عندما ينخفض ​​الضغط عند مصدر شفط المضخة - مثل انخفاض مستوى السائل، أو وجود فراغ في حاوية الإمداد، أو انخفاض الضغط الجوي المحيط (على سبيل المثال، في المرتفعات العالية) - يصبح الضغط عند منفذ الشفط غير كافٍ، مما يجعل من السهل جدًا تبخر السائل عند مدخل الدافع. هـ. تصميم أو تركيب المضخة بشكل غير صحيح: يؤثر التصميم الهيكلي للمضخة بشكل مباشر على أدائها في التجويف. على سبيل المثال، قد يؤدي صغر قطر مدخل المكره، أو زاوية الحافة الأمامية غير المعقولة للشفرة، أو سطح المكره الخشن إلى تدفق غير مستقر للسائل، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في الضغط المحلي. علاوة على ذلك، قد يؤدي عدم اتباع متطلبات NPSH المطلوبة من الشركة المصنعة (NPSHr) أثناء التركيب، أو تركيب المضخة على ارتفاع مفرط، إلى حدوث التجويف. و. ظروف التشغيل غير المناسبة: عندما تعمل المضخة بمعدلات تدفق تنحرف عن نقطة التصميم، أو تعمل لفترات طويلة عند تدفق منخفض، أو أثناء تعديلات الصمام المفاجئة، يتغير توزيع ضغط السائل، مما قد يتسبب أيضًا في التبخر والتجويف الموضعي. 4. تأثيرات ومخاطر التجويف مخاطر التجويف على مضخات الطرد المركزي تتجلى بشكل رئيسي في الجوانب التالية: أ. تلف سطح المعدن: تُسبب صدمات الضغط العالي الناتجة عن انهيار الفقاعات تآكلًا نقريًا على سطح المكره. وقد يؤدي التطوير طويل الأمد إلى إجهاد المادة وتقشرها، بل وحتى ثقبها. ب. تدهور الأداء: يؤدي التجويف إلى انخفاض كبير في معدل التدفق والرأس والكفاءة، مما يؤدي إلى تغيير المنحنيات المميزة للمضخة. ج. الاهتزاز والضوضاء: تسبب قوى التأثير الناتجة عن التجويف اهتزازات ميكانيكية وضوضاء عالية التردد، مما يؤثر على التشغيل المستقر للمعدات. د. عمر خدمة أقل: يؤدي التشغيل طويل الأمد في ظل ظروف التجويف إلى تسريع التآكل الميكانيكي، مما يؤدي إلى تقصير عمر خدمة المحامل والأختام والمكره. 5. تدابير لمنع التجويف ولمنع التجويف أو التخفيف منه، ينبغي اتخاذ التدابير من منظور التصميم والتركيب والتشغيل: أ. اختر ارتفاعًا مناسبًا للتركيب لضمان ضغط كافٍ على جانب الشفط، مما يجعل NPSH المتاح (NPSHa) أكبر من NPSH المطلوب للمضخة (NPSHr). ب. تحسين خط أنابيب الشفط عن طريق تقصير طولها، وتقليل عدد المرفقين، وزيادة قطر الأنبوب، والحفاظ على صمامات الشفط مفتوحة بالكامل، وتجنب دخول الهواء. ج. التحكم في درجة حرارة السائل من خلال التبريد أو خفض درجة حرارة خزان التخزين لتقليل ضغط بخار السائل المشبع. د. زيادة ضغط المدخلعلى سبيل المثال، عن طريق تركيب مضخة تعزيز، أو زيادة الضغط على سطح السائل، أو وضع حاوية السائل على ارتفاع أعلى. هـ. تحسين هيكل المكره من خلال استخدام مواد وأشكال هندسية ذات خصائص جيدة مضادة للتجويف، مثل إضافة محفز أو تحسين زاوية مدخل الشفرة. و. حافظ على تشغيل المضخة بالقرب من نقطة تصميمها، وتجنب التشغيل لفترات طويلة عند معدلات تدفق منخفضة أو ظروف تشغيل غير طبيعية أخرى. باختصار، يحدث التجويف في مضخات الطرد المركزي بشكل رئيسي بسبب انخفاض ضغط السائل عند مدخل المكره، حيث ينخفض ​​إلى ما دون ضغط بخاره المشبع، مما يؤدي إلى التبخر وانهيار الفقاعات. تشمل العوامل المحددة التي تؤدي إلى هذه الظاهرة الرفع المفرط للشفط، ومقاومة الشفط المفرطة، وارتفاع درجة حرارة السائل، وانخفاض ضغط المدخل، والتصميم أو التشغيل غير السليم. لا يؤثر التجويف على أداء المضخة فحسب، بل يُسبب أيضًا أضرارًا جسيمة للمعدات. لذلك، يجب التركيز في كل من التصميم والتشغيل على منع التجويف والسيطرة عليه. من خلال تهيئة النظام بشكل عقلاني، وتحسين المعايير الهيكلية، وتحسين ظروف التشغيل، يمكن ضمان التشغيل الآمن والفعال لـ... يمكن ضمان المضخات الطاردة المركزية.  

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.