משאבות

נושא : משאבות

תוכן העניינים :

3. מבוא

4. הקדמה

5. סוגי משאבות

6. משאבות בורגיות

7. משאבות בוכנתיות

8. משאבות גלגלי שיניים

9. משאבות ממברנה

10. משאבות צנטריפוגליות

14. סיכום

15. ביבליוגרפיה

מבוא

הרעיון לכתיבת העבודה נבע מהרצון להסביר את חשיבות המשאבות בחיינו היומיומיים, צורך בסיסי קיומי שרובנו לא מודעים אליו.

השימוש במשאבות מגוון מאוד ונוגע בכל תחום בחיינו, לדוגמא: תשתיות מוניציפאליות,  תעשייה, חקלאות ורפואה .

בתשתיות המוניציפאליות – הזרמת מים לברזים, ביוב וטיהור שפכים.

בתעשייה – מגוון רחב מאוד, הזרמת אוויר, טיהור, מערכות הידראוליות, מערכות הטפלה והזרמת דלקים.

בחקלאות – השקיה, דישון ושטיפה.

ברפואה – משאבות מינון לתרופות, לב מלאכותי ומשאבות וואקום.

בעבודה זו אנסה להעביר בצורה ברורה את עיקרי השימוש במשאבות, ההיסטוריה של המשאבות וההתפתחות הטכנולוגית, בעיקר לסוג ספציפי של משאבות שנקראות "משאבות צנטריפוגליות" אך גם ובנוסף אסקור בקצרה משאבות מסוגים אחרים (משאבות גלגלי שיניים, משאבות ממברנה, משאבות בוכנה, משאבות בורגיות ומשאבות וואקום) כולל דוגמאות לשימושים בהן ושיטות עבודה.

מתוך העבודה נוכל לראות גם את הקשר בין התפתחות הציוויליזציה באזורים גיאוגרפים שונים בעולם לבין ההתפתחות הטכנולוגית של המשאבות דבר שלא מובן מאליו מאחר וההתיישבות של בני האדם באזורים שונים תלויה ביכולת לקיים חיים באיכות המתאימה לדרישות הזמן, הכוונה היא קיום הצרכים של בני האדם (ביניהם גם נוחות) באמצעות הטכנולוגיות הקיימות.

חלק גדול מן העבודה מתבסס על ידע אישי וניסיון בתחום, הידע והניסיון יגובו במקורות כתובים מתוך ספרי הנדסה, ספרי היסטוריה, וקטלוגים של יצרנים.

הקדמה

רוב היצורים החיים הינם יצורים חברתיים החיים בקבוצות, הסיבה לכך טמונה ביכולת ובצורך לשרוד, משחר ההיסטוריה האנושית נדדו בני האדם (כמו גם החיות) במטרה לקיים את הצרכים הבסיסיים ביותר שהם מזון ומים, נדידה זו יישבה את עולמנו באזורים גיאוגרפיים שונים שנמצאו מתאימים לצרכים אלו, התנאים הסביבתיים הדרושים כיום לקיום חיים הם מגוונים מאוד ועבודה זו קצרה מלהכילם, אך נוכל לגעת בנושא המרכזי ביותר שהוא מים, מים הם המקור לכל צורות החי והצומח בעולמנו, כיום הדבר נראה טריוויאלי אך לא תמיד היה כך, בעבר הרחוק לא הייתה יכולת להזרים מים לאזורי מחייה ולכן התיישבו בני האדם ליד מקורות מים, עם השנים מקומות אלו לא יכלו להכיל את כל האוכלוסייה שהייתה שבטית ולכן שבטים חלשים נדדו בניסיון למצוא מקומות אחרים, עם ריבויי האוכלוסייה וההתפתחות השכלית והטכנולוגית חיפשו בני האדם אמצעים יצירתיים לפתרון בעיות, בתחילה בעיות קיומיות ולאחר מכן גם בעיות "נוחות" .

שבטים שנקלעו בזמן נדידתם למקומות בהם לא מצויים מים בשפע (אגמים,נהרות וכו'...) גילו שאפשר להוציא מים מעומק האדמה ע"י חפירת בארות, או ע"י חפירת בורות מים שיאגרו את מי הגשמים, בתחילה שימשו הבארות בעיקר לשתייה אך לאחר מכן גם לגידולים חקלאיים שסיפקו מזון לבני האדם ולבהמות,  בהמשך גילו את המשאבות הראשונות, תיעוד משאבת המים הראשונה שייך לארכימדס והשם המקובל הוא "בורג ארכימדס".

לאחר מציאת פתרונות לבעיות הולכת המים נוצרו ציביליזציות קבע שצרכיהם תרמו רבות לפיתוח סוגי משאבות נוספות לצרכים שונים ומגוונים.

מכאן החלה מגמת שיפור והתאמה לצרכים נוספים בתחומים רבים, חלקם הוזכרו במבוא ועליהם נפרט בהמשך.

פיתוח המשאבות נמשך עד היום וככל הנראה יימשך לעד, בתכנונים הנדסיים של מבנה המשאבה, חומרי המבנה, אורך חיים, צריכת אנרגיה, תפוקה ביחס לגודל, דיוק, התאמה לחומרים שונים כגון: נוזלים, גזים, אבקות, בוצה ועוד ועוד......

כל זאת ועוד בהמשך המאמר......

סוגי משאבות

קיימות מס' סוגי משאבות הנמצאות בשימוש ולכל סוג של משאבה יש מס' אפליקציות :

•          משאבות בורגיות – הולכת אבקות ובוצה, לחץ אוויר

•          משאבות בוכנה – וואקום, מיזוג אוויר,קיטור, נוזלים ולחץ אוויר

•          משאבות גלגלי שיניים – יח' כח הידראוליות

•          משאבות ממברנה (דיאפרגמה) – ריסוס בחקלאות, תעשיות רפואיות 

•          משאבות צנטריפוגליות – מים וביוב

חלק מהמשאבות מיועדות ליצירת לחץ וחלקן להגברת לחץ, למשל משאבות צנטריפוגליות בעלות מאיץ מיועדות בעיקר להגברת לחץ קיים בעוד שמשאבות בוכנה מיועדות ליצור לחץ תוך כדי יניקה.

רוב המשאבות הן משאבות רוטוריות, "סיבוביות" אך לא כולן, משאבות הבוכנה המקוריות היו לינאריות, "קוויות" בדיוק כמו משאבה לניפוח אוויר בצמיגי האופניים, יניקה בפעולה אחת ודחיסה בפעולה השנייה

בתמונה למעלה אפשר לראות משאבת בוכנה ששימשה לשאיבת מים (מקור התמונה ויקיפדיה)

בפרקים הבאים אפרט יותר על סוגי המשאבות, אראה דוגמאות לשימושים שונים ואפרט על צורת עבודתן.

משאבות בורגיות 

המשאבה הבורגית שהוזכרה בהקדמה, הומצאה ע"י ארכימדס, ככל הנראה (עד כמה שידוע) בורג ארכימדס היא המכונה הראשונה שנוצרה לצורך שאיבת מים, הרעיון הוא מערכת בורגית שמסתובבת על צירה ו"מבריגה" את המים ממקום נמוך למקום גבוה, השימוש המקורי היה ריקון מים מספינה, לאחר מכן השתמשו באמצעי זה לצורכי השקיה וייבוש שטחי מים.

כיום משתמשים בשיטה זו בעיקר בתעשייה לצורך שינוע אבקות ובוצה.

שימוש נוסף נפוץ מאוד הבנוי על אותו עיקרון הוא מטחנות בשר, תעשייתיות וביתיות, "החילזון" או "הבורג" שמוביל את הבשר לסכינים הוא בורג ארכימדס, טכנולוגיה משנת 230 לפני הספירה שמשמשת אותנו עד היום..    

שיטת העבודה: ציר אורכי שעליו מולבשת "ספירלה" או "חילזון" לפעמים עם צינור חיצוני ולפעמים בלי, סיבוב הספירלה "מבריג" את המים בכיוון ההברגה וע"י כך מוביל אותם לנקודה העליונה.

יתרונות השיטה: משאבה מסוג זה יכולה להעביר כמעט כל סוג של חומר ובכל צורה אפליקציה זו מתאימה במיוחד להובלת חומרים לא נוזליים כגון: אבקות ובוץ.                  כפי שניתן לראות בתמונה רק חצי מהספירלה מלא, במקרה זה במים, כך שיכולת ההעברה קטנה ביחס לנפח אך כך נמנעות סתימות במערכת

חסרונות השיטה: מכיוון שרק חלק מהנפח מלא נצילות המכונה נמוכה יחסית בהשוואה למשאבות מסוגים אחרים

כיום ישנם חלזונות גמישים באורכים של עשרות מטרים שמובילים חומרים שונים מנקודה לנקודה, שימוש נפוץ בסוג זה נמצא בלולי תרנגולות, בצורה זו מעבירים אוכל לעופות מהסילו לכל אורך הלול

משאבות בוכנה 

משאבות הבוכנה (דוגמא: משאבת ניפוח גלגלים לאופניים) פועלות על עיקרון של שינוי נפח הבוכנה מבצעת יניקה בפעולה קווית לכיוון אחד ודחיסה בכיוון השני . בכל משאבה בוכנתית יהיו בוכנה, צילינדר, ושסתומים, תפקיד הצילינדר (גליל) הוא ליצור נפח, לפי גודלו של הצילינדר אפשר לדעת מה הכמות הנפחית שתתקבל בכל פעולה, תפקיד הבוכנה הוא לשנות את הנפח ובכך לבצע את הפעולות הנדרשות (יניקה,ודחיסה). תנועת הבוכנה מעלה גורמת להגדלת חלל השאיבה מתחתיה, ועקב כך לירידת הלחץ בצילינדר מתחת ללחץ האטמוספרי. תפקידי השסתומים (בד"כ 2) הם לכוון את כניסת החומר הנשאב בפעולה הראשונה ולכוון את החומר לכיוון היציאה בפעולה השנייה. בתנועת הבוכנה בכיוון אחד, גדל נפח חלל השאיבה, החומר נשאב לתוך הצילינדר בפעולה בכיוון ההפוך נפח הצילינדר קטן והחומר נדחס החוצה (פעולה זו נקראת סניקה).

משאבות בוכנתיות משמשות בעיקר מפעלים תעשייתים במערכות הידראוליות.

חתך של משאבת קיטור בוכנתית כפולה (מתוך ויקיפדיה):

ספיקת משאבות קיטור בוכנתיות מוגבלת על ידי ממדי הצילינדרים ומשקל החלקים הנעים, ושיעורה במשאבות גדולות הוא 200-350 מטרים מעוקבים בשעה, אם כי נבנו משאבות בעלות ספיקה של 750 מטר מעוקב בשעה. את לחץ סניקת המים קובעים לפי היחס בין שטח בוכנת הקיטור לשטח בוכנת המים, כאשר קוטר בוכנת הקיטור גדול מקוטר בוכנת המים, המשאבה היא ללחץ גבוה ולהפך.

משאבות גלגלי שיניים

משאבת גלגלי השיניים בנויה משני גלגלי שיניים, כאשר אחד מהם מחובר לגל הינע ואילו השני משולב בו ומסתובב באמצעותו.

גלגלי השיניים נמצאים בתוך בית המשאבה הבנוי לרוב מאלומיניום, בצדו האחד יש פתח דרכו נכנס הנוזל אותו שואבים ומצדו השני פתח דרכו הוא יוצא. פעולת השאיבה נוצרת כתוצאה מהיווצרות תת-לחץ במקום בו השיניים המשתלבות מתרחקות זו מזו והנפח ביניהן גדל. תת-הלחץ גורם לנוזל להישאב פנימה לתוך המשאבה. הנוזל ממלא את החללים בין השיניים ונדחף-מוסע על ידן אל פתח הסניקה. במקום זה משתלבות השיניים מחדש, הנפח ביניהן קטן, לחץ הנוזל גדל והוא נסנק החוצה מבית המשאבה.

משאבות גלגלי השיניים מאופיינות בבלאי נמוך, אורך חיים גבוה ומחיר זול וכמו כן יעילות גבוהה ועבודה שקטה יחסית.

משאבות גלגלי שיניים משמשות בעיקר כמשאבות הידראוליות לאספקת שמן בלחץ בינוני/גבוה (למשל להנעת בוכנות הידראוליות) וכמשאבות אספקת דלק ואספקת שמן במנועי דיזל ובנזין.

מודל משאבת גלגלי שיניים (מתוך ויקיפדיה):

במודל ניתן לראות כמה פשוטה המשאבה, עקב יעילותה ומחירה הזול היא כנראה המשאבה הנפוצה ביותר במערכות הידראוליות, לדוגמא: מלגזות, משאיות, משאבות דלק, מנופים ועוד...

משאבות ממברנה

משאבות הממברנה הן משאבות שינוי נפח, יתרונן הגדול הוא בממדיהן הקטנים ובכושר עבודה גבוה, השימושים העיקריים במשאבות אלו הם העברת חומרים קורסיביים כמו חומרי דישון בחקלאות, וחומרים כימיים.

מבנה המשאבה דומה מאוד למבנה הלב וכך גם שיטת הפעולה, גוף המשאבה בנוי מחדרים, עליות ושסתומים, במרכז נמצאת ממברנה שמקיימת את שינוי הנפח ע"י תזוזה מצד לצד, השסתומים מכוונים את התנועה ע"י כך שבמצב יניקה נפתח שסתום יניקה ובמצב דחיסה נפתח שסתום דחיסה.    

כפי שצוין, משאבות הממברנה עמידות מאוד ויעילות מאוד, החסרונות של משאבות אלו הוא המחיר וספיקות נמוכות יחסית למשאבות האחרות .

משאבה צנטריפוגלית 

משאבה צנטריפוגלית הינה מכשיר ההופך אנרגיית הנעה סיבובית (הנמסרת ע"י מנוע) לאנרגיה קינטית שדוחפת נוזל ע"י הזרמתו המואצת דרך חלק הנקרא מאיץ .

מתן מהירות זרימה לנוזל הינו הפיכת אנרגיה מכאנית (סיבובית) המתקבלת מהמנוע לאנרגיה קינטית (תנועה) בנוזל .

כמות האנרגיה המועברת לנוזל מתאימה למהירות ההיקפית של המאיץ .

המהירות ההיקפית תלויה בקוטר המאיץ ובמהירות הסיבוב .

ככל שמהירות הנוזל גבוהה יותר, האנרגיה הקינטית שהועברה אליו גדולה יותר .

האנרגיה הקינטית של הנוזל היוצא מהמאיץ, נרתמת ע"י היווצרות התנגדות לזרימה ע"י המבנה הלולייני (בעל תעלה מתרחבת) של גוף המשאבה - הלוכד שת הנוזל ומאט את הזרימה.

האטת הזרימה נגרמת עקב העובדה שאותה כמות נוזל נאלצת לעבור (באותה יחידת זמן) דרך החתך הצר (במהירות זרימה גבוהה) ולהמשיך דרך חתך רחב יותר ויותר עד ליציאה.

כאשר יורדת מהירות הזרימה בתוך גוף המשאבה, הופכת האנרגיה הקינטית לאנרגיה פוטנציאלית (המתנגדת לזרימה) .

חוק שימור האנרגיה אומר -  קבוע=  E = EK + EP

כלומר סה"כ האנרגיה - הקבוע

כאשר פוחתת אנרגיה קינטית (EK) גדלה האנרגיה הפוטנציאלית (EP)

משאבה צנטריפוגלית אינה יוצרת לחץ, היא יוצרת זרימה .

לחץ הוא מדידה של ההתנגדות לזרימה ( אנרגיה פוטנציאלית).

עומד 

אם נעמיד צינור אנכי ביציאה מהמשאבה יעלה הנוזל הנפלט לגובה מסוים (התלוי בכמות האנרגיה שהושקעה בו)

לגובה עמוד הנוזל אנו קוראים - עומד .

משתמשים במונח עומד ולא לחץ היות ולחץ תלוי במשקל הסגולי של הנוזל, ואילו העומד תלוי במהירות הזרימה בלבד.

 במשאבה הצנטריפוגלית גובה עמוד הנוזל בסניקה תלוי במהירות הזרימה ואילו הלחץ תלוי במשקל הסגולי של הנוזל.

במשאבות זהות עם נוזלים שונים יהיה העומד זהה, והלחצים שונים.

במשאבות שונות המפתחות לחץ זהה של נוזלים שונים יהיה העומד שונה.

 תרגום עומד ללחץ

 P=(H X SG)/10

 P   לחץ באטמוספרות

 H   עומד במטר

 S.G   משקל סגולי

קל להבין שלחץ תלוי במשקל הסגולי של הנוזל ואילו ההספק הנדרש תלוי בלחץ - על כן במשאבות זהות עבור נוזלים שונים ידרשו הספקי מנוע שונים .

HP/n=(H X Q  X S.G)/270

            HPהספק בכ"ס

            Hעומד במטר

            Q ספיקה ב m3/h

            n יעילות בנקודת עבודה  100/%

            270 קבוע

קוטר מאיץ ומהירות סיבוב

ככול שקוטר המאיץ גדול יותר  - ההיקף גדול יותר

מהירות היקפית ( מהירות נקודה על ההיקף) - הינה מכפלה של ההיקף במספר הסיבובים .

מאיץ גדול יותר = מהירות סיבוב גבוהה = מהירות נוזל גבוהה יותר – התוצאה : עומד גבוה יותר.

מהירויות סיבוב של מנועים חשמליים סטנדרטיים בתדר 50 הרץ ( תלוי בליפוף המנוע ) 750-960-1450-2900 סל"ד.

קוויטציה

 קוויטציה הינה תופעה המופיעה כאשר הנוזל מתאדה בזמן המעבר בתוך המשאבה

במהירות - האדים הופכים חזרה לנוזל .

התמוטטות בועות האדים בנוזל גורמת להיווצרות זרמים מיקרונים הרסניים הפוגעים בגוף המשאבה ובמאיץ.

זרמים אלה פועלים כפטישים קטנים המכים בחומר ומכרסמים חלקיקים ממנו.

ההתאדות מופיעה אם הלחץ על הנוזל הנשאב יורד מתחת ללחץ האדים שלו .

ככול שטמפרטורת הנוזל גבוה יותר - לחץ האדים גבוה יותר לכן מגיעים למצב של קוויטציה מוקדם יותר.

למניעת אפשרות קוויטציה יש להגביר את הלחץ על הנוזל ע"י עמוד נוזל בכניסה למשאבה.

בכדי שמשאבה תשאב ללא קוויטציה , עמוד נוזל מינימלי דרוש ביניקה .

המונח המגדיר עמוד זה הוא -

NPSH - net positive suction head 

לכל נקודת עבודה של המשאבה יש דרישות  NPSH required

אוסף נקודות אלה יותר את עקום ה-  NPSH המסופק ע"י יצרן המשאבה.

בחירת משאבה

כלי ראשון לבחירת משאבה הינן עקומות הביצועים המסופקות ע"י היצרן :

            עקום עומד - ספיקה - בעזרתו נבחר את גודל המשאבה .

            עקום יעילות ב- % - לצורך חישוב ההספק הדרוש בנקודת העבודה .

            עקום ההספק ב KW - העקום המסופק מתאים לנוזל מים משקל סגולי - 1

            עקום  NPSH - לאחר שקבענו את גודל המשאבה ומצאנו את הספק המשאבה עלינו לבדוק כיצד המשאבה תתפקד בנקודות העבודה שבחרנו.

עקום NPSH - חשיבותו גבוהה לחישוב העומד הדרוש ביניקה כאשר :

•          טמפרטורת הנוזל גבוהה.

•          הנוזל נדיף.

•          הספיקה גבוהה(נקודת העבודה בצד הימיני של עקום הביצועים).

•          מפלס הנוזל נמוך מהמשאבה .

•          צנרת היניקה ארוכה או בקוטר קטן מהדרוש .

למניעת קוויטציה יש לוודא כי יש עומד מינימלי בנקודת היניקה של המשאבה (H)

או לחשב מהו העומק המקסימלי ממנו המשאבה תהיה מסוגלת לינוק .

הערך המקסימלי של  H ניתן לחישוב לפי הנוסחה :

 H =pb x 1 0.2 - NPSH - HF - HV - HS

pb - לחץ ברומטרי ב- אט'

 NPSH - לקרוא מעקום היצרן (בספיקה המקסימלית שנדרוש מהמשאבה)

HF - הפסדי חיכוך בקו היניקה במטר (בספיקה המקסימלית שנדרוש)

HV - לחץ האדים ב-מטר (למצוא בעמודה לפי הטמפרטורה המקסימלית של הנוזל)

HS - מקדם בטחון 0.5 מ'

 אם נקבל H >0  ( תוצאה חיובית), יכולה המשאבה לינוק מעומק  H מטר (כאשר המערכת מלאה נוזל)

אם נקבל H< 0  ( תוצאה שלילית) יש להגביה את מקור המים ב H מטר מעל לנקודת היניקה (יצירת  העומד הדרוש)

סיכום

בכתיבת עבודה זו סיכמתי פרק לא קטן מחיי, אני עובד בתחום המכניקה לא מעט שנים ולא פעם נתקלתי בשאלות/בעיות הקשורות בנושא משאבות, אני יכול לציין שלא מצאתי חומר כתוב המרכז את סוגי המשאבות והתאמתם לשימושים השונים, יתרה מכך, החומר הכתוב רובו באנגלית, לא פונה לקהל הרחב וגם לא לבעלי המקצוע כמו אינסטלטורים, אנשי אחזקה וכדומה אלה לאנשי הנדסה. 

על כן, ניסיתי להסביר בצורה ברורה את עיקרי השימושים ושיטות העבודה של סוגים שונים של משאבות, כמו כן ניסיתי להראות את הצורך היומיומי במשאבות בכל תחומי החיים, איך היה נראה העולם ללא המשאבות ? איך היו נראים החיים ללא משאבות ?

באיסוף החומר ובניסיון לכתוב את העבודה בצורה פשוטה ומובנת (לא רק לאנשי מקצוע) למדתי גם אני (כאיש מקצוע) על הטכנולוגיות השונות בייצור משאבות, למדתי גם על חומרי מבנה שונים ועל פיתוחים בתחום החומרים שיענו על הדרישות לאפליקציות השונות.

כולי תקווה שעבודה זו תעשיר את הידע של מי שקורא אותה.   

ביבליוגרפיה: 

ספרות מקצועית טכנית:

1. Robert L. Daugherty and Joseph B.Franzini: .Fluid Mechanics with Engineering Applic.

Mc-Graw Hill, Kogakusha, Ltd.1977 Chap.17 (1,2,4,6,8,10,11,14)

2. Lazarkiweiz, S. and Troskolanski, A.T., Impeller Pumps, Pergamon Press.

Wydawnictwa,Naukowo-Techniczne,Warsaw 1965 Chaps.II;XVI:1.1-1.4

3. Jacks, R.J., Pump Manual. American Institute of Chemical Engineer. ,N.Y.1960 Chap 8

יצרנים :

•          Allwailer Germany

•          Itt u.s.a

•          Danfos

•          Flygt