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平时用的泵,你知道它们的工作原理吗?

作者:泵管家  来源:www.crqzzl.com  更新时间:2020-6-30 11:29:58  点击次数:

  引言:泵,一种用来增加液体或气体的压力,使之输送流动的机械,为英语pump的音译,是一种用来移动液体、气体或特殊流体介质的装置,即对流体做功的机械装置。实验室泵主要用来输送水、油、酸碱液和有机溶剂等液体,也可输送气体、气液体混合物以及含悬浮固体物的液体。

  启正泵业致力于绿色连续化反应研究,针对不同性状的流体做了细致的分析与研究,为不同客户的进样问题提供最可靠实用的解决方案。

  本文针对实验室常用的几种泵的工作原理及其性能特点作简要的介绍:

  1)高压计量泵,2)蠕动泵,3)注射泵,4)螺杆泵,5)气体增压泵

  1.计量泵的基本工作原理

  计量泵主要由动力驱动、流体输送和调节控制三部分组成。动力驱动装置经由机械联杆系统带动流体输送隔膜(活塞)实现往复运动:

  隔膜(活塞)于冲程的前半周将被输送吸入的流体并于后半周将流体排出泵头;所以,改变冲程的往复运动频率或每一次往复运动的冲程长度即可达到调节流体输送量这一目的。而要保证每次泵出精密计量的被输送介质,就需要精密的加工精度。因其动力驱动和流体输送方式的不同,计量泵可以大致划分成柱塞式和隔膜式两大种类。

  (1)柱塞式计量泵

  主要包括普通有阀泵和无阀泵两种。柱塞式计量泵因其结构简单和耐高温高压等优点而被广泛应用于石油化工领域。针对高粘度介质在高压力工况下普通柱塞泵的不足,一种无阀旋转柱塞式计量泵愈受到更多的关注,被广泛应用于糖浆、巧克力和石油添加剂等高粘度介质的计量添加。因流体介质和泵内润滑剂之间无法实现完全隔离这一结构性缺点,柱塞式计量泵在高防污染要求流体计量应用中受到诸多限制。

  (2)隔膜式计量泵

  隔膜式计量泵,其设计是在柱塞泵基础上得到了更大的改进,原理是用电动机带动活塞往复工作,其中,活塞不直接接触液体,再推动隔膜运动,将液体吸收加压后推出,由于其活塞在防磨损的润滑油中工作,工作环境大大优化,使用寿命大大提高,经过渗透硬化处理的活塞更是不易损坏,加上高分子材料制成的高抗隔膜使隔膜泵的寿命进一步提高。故障率低,对电压要求低,对环境要求低,维修容易是隔膜式计量泵的优点。

  利用隔膜之前和之后动作使隔膜与泵头间变化,造成球阀上下移动形成真空吸附与推挤现象,达到液体输送的目的。

  作为隔膜式计量泵的一种,电磁驱动式计量泵以电磁铁产生脉动驱动力,省却了电机和变速机构,使得系统小巧紧凑,是小量程低压计量泵的重要分支。

  往复泵的工作原理如下图所示:主要部件是气缸1及在其中做往复直线运动的活塞2。活塞的驱动是用曲柄连杆3来完成的。除上述主要部件外还有排气阀4和吸气阀5。

  运转时,在电动机的驱动下,通过曲柄连杆机构的作用,使气缸内的活塞做往复运动。当活塞在气缸内从左端向右端运动肘,由于气缸的左腔体积不断增大,气缸内气体的密度减小,而形成抽液过程,此时容器中的液体经过进液阀5进入泵体左腔。当活塞达到最右位置时,气缸内就完全充满了液体。接着活塞从右端向左端运动,此时进液阀5关闭。气缸内的液体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩,出液阀4被打开,将液体排出,完成一个工作循环。当活塞再自左向右运动时,又吸进一部分液体,重复前一循环,如此反复下去,不断泵出稳定的液体。

  而为了使流出的液体减少脉冲,两个往复活塞杆经过计算做不规则的椭圆运动,通过不断的往复形成稳定的流体输送。

  但是由于其高精度的设计,所以在泵入液体的时候,需要用过滤头,并且泵入的液体不能有坚硬的固体(一般颗粒小于200 um)。否则会引起机械摩擦,损坏机械内壁,导致进样精度出现问题。

  2.蠕动泵

  蠕动泵又称软管泵,它的基本工作原理,是由软管、装在转子上的滚轮和泵壳等零部件组成。在这些构件中,软管用橡胶、靼料或多层复合材质等弹性材料制备而成,其余则为金属刚性件。

  蠕动泵原理是转子转动时,由滚轮和泵壳夹挤压形成的软管内空腔从生成开始逐渐增大,此腔处于吸液状态。之后这部分液体又被挤压送至与泵出口相同的空腔,进而排出泵外。转子连续转动,便形成软管的连续“蠕动”,将液体从泵的低压入口不断地向高压出口输送。

  蠕动泵是一种无泄漏泵,输送介质通过泵时位于封闭的软管中,整台泵上没有输送介质的密封部分,所以不存在影响泵流量的泄露。蠕动泵的流量是脉动的,增加滚轮数目,减小滚轮直径,有利于减小流量脉动。

  蠕动泵软管材质的弹性、强度、耐磨性和有化学腐蚀性的输送介质都要相当好。软管内壁通常是弹性极好的软橡胶。输送介质内有固态颗粒物,软管内壁的可变形能力也使其能在滚轮挤压下闭合,故蠕动泵可用来输送高浓度固液两相介质,但是,蠕动泵输送压力有限,故在一定的压力条件下,蠕动泵不能将液体输送进反应体系。

  图5 蠕动泵的工作原理图

  拿转子直径相同的泵相比较,产生较大“枕”体积的泵,其转子每转一圈所输送的流体体积也较大,但产生的脉动度也较大。而产生较小“枕”体积的泵,其转子每转一圈所输送的流体体积也较小;而且,快速、连续地形成的小“枕”使流体的流动较为平稳。

  在日常使用过程中,长时间使用后尽量更换软管,这样不容易造成硅胶管破裂,液体则从软管涔出流入泵头的滚轮内,伴有腐蚀性的液体流入滚轮缝隙,应及时将泵头拆卸清洗以免风化后凝固在滚轮缝隙中,会造成泵头卡住的现象。软管在使用过程中要根据具体泵的使用频率及时更换,或者经常挪动位置,若果液体具有强腐蚀性,请选择相应材质的进口软管,以免造成泵的损伤。

  3.注射泵的原理

  注射泵在工作时,单片机系统发出控制脉冲使步进电机旋转,而步进电机带动丝杆将旋转运动变成直线运动,推动注射器的活塞进行注射输出液体,实现高精度、平稳无脉动的液体传输。注射速度可由操作人员通过操作面板进行设定。注射泵启动后,CPU借助于D/A转换提供电机驱动电压,通过电机的旋转产生脉冲信号,这一脉冲信号反馈到CPU,CPU根据这一反馈控制电机电压,以便获得设定的转速。

  豪迈自主研发的独立双筒注射泵,能够实时传输压力,并且可以以不同流量同时单次单筒注射600 mL不同黏度的液体,提高实验效率,保证实验的准确性。但是考虑到注射泵的输送安全,对于强腐蚀性的液体以及高压力的反应条件来说,注射泵可能并不能适合。

  4.螺杆泵

  螺杆泵亦称渐进式容积泵,由定子和转子组成,两者的螺旋状过盈配合形成连续密封的腔体,通过转子的旋转运动实现对介质的传输。它具有结构简单、流量均匀、扰动小、携带能力强等优点。

  螺杆泵是靠空腔排油,即转子与定子间形成一个个互不连通的封闭空腔室,当转子转动时,封闭空腔沿轴线方向吸入端向排出端方向运动。封闭腔在排出端消失,空腔内的液体也就随之由吸入端均匀地挤到排出端。同时,又在吸入端重新形成新的低压空腔将液体吸入。这样,封闭空腔不断地形成,运移和消失,液体便不断地充满、挤压和排出。

  在使用完螺杆泵后,要及时清洗里面残余的黏稠液体,防止放置时间过久,导致固体凝结,损坏泵体。

  螺杆泵的优点:

  1)压力和流量范围宽。压力约在3.4-340 kg/cm 2,流量可达100 cm3/min;

  2)运送液体的种类和粘度范围大;

  3)因为泵内的回转部件惯性力较低,故可使用很高的转速;

  4)吸入性能好,具有自吸能力;

  5)流量均匀连续,振动小,噪音低;

  6)与其它回转泵相比,对进入的气体和污物不太敏感;

  7)结构坚实,安装保养容易。

  5.气气增压泵

  气气增压泵以压缩空气为驱动力,将低压气体压力升高后连续输出,最终输出压力可升高至驱动气体压力的几倍甚至数十倍,是无污染的气体增压装置。根据输出压力和结构形式又分成低压泵和高压泵。低压泵主要用于当现场气源压力不足或不稳定,不能保证气动装置的最低使用压力时,为维持气动装置正常工作,满足设备的局部高压用气要求时。高压泵主要用于增压非普通压缩空气场合,如把氮气、氦气、氩气等增压至几十兆帕并装入高压储气罐。实验室使用的增压泵为低压气体增压泵。

  气体增压泵是以压缩空气为动力源的一种活塞式增压泵,当进气时增压气控阀的阀芯往复切换工作,控制增压泵活塞以极快的速度作往复动作,随着输出压力的增高,活塞的往复速度减慢直至停止,此时,增压泵输出的压力恒定,能量消耗最低,各部件停止工作;无论何种原因造成保压回路压力下降,增压泵将自动启动,补充泄露压力,保持回路压力恒定。

  由于驱动活塞和压缩柱塞存在面积差,当低压压缩空气作用在驱动活塞端时,在压缩柱塞端就会输出高压或超高压气体。

  实验室现有的的气体增压泵驱动气压力为0.2 MPa,而被增压气体的最大可增压到8 MPa。

  目前实验室用气体增压泵密封圈为氟胶,能增压空气,氮气等没有腐蚀性的气体。要增压氨气、氟气等强腐蚀性气体,需要订制特殊密封圈。

  气气增压泵的性能特点:

  1)工作压力范围大,选用不同型号的泵可获得不同的压力区域,调节输入气压时,出气压相应得到调整,可达到较高的压力,气体8-10 MPa

  2)流量范围广,对所有型号泵来说仅0.1 MPa气压就能平稳工作,此时获得最小的流量,调节进气量后可得到不同的流量。

  3)易于控制,从简单的手动控制到完全的自动控制均可满足要求。

  4)自动重新启动,无论何种原因造成保压回路压力下降,将自动重新启动,补充泄漏压力,保持回路压力恒定。

  5)操作安全,采用气体驱动,无电弧及火花,可在危险场合使用。

  6)最大节能可达70%,因为保持保压不消耗任何能量。

  大多数情况下,泵对于固体污染物非常敏感,因此,为了保护泵的精密性和准确性,通常要在泵的入口安装过滤器。

  启正泵业经过多年的实验探索和对输送物料介质的研究,在微通道反应器和管式反应器的不同反应模式下,选择合适的进料方式,解决了客户不同反应类型的进料问题,从而安全、高效的为客户提供最优的实验方案。

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