حاقن الوقود

الحاقن عبارة عن نظام من الأنابيب والفوهات يُستخدم لتوجيه تدفق سائل عالي الضغط بحيث يُسحب سائل ذو ضغط منخفض في النفث ويُنقل عبر قناة إلى منطقة ذات ضغط أعلى. وهو مضخة ديناميكية سائلة لا تحتوي على أجزاء متحركة باستثناء صمام للتحكم في تدفق المدخل .

بحسب التطبيق، يمكن أن يتخذ الحاقن شكل مضخة نفاثة ، أو حاقن مائي ، أو جهاز شفط . ويعمل جهاز القذف وفق مبادئ مماثلة لإنشاء وصلة تغذية فراغية لأنظمة الكبح وغيرها.

قد يكون سائل الدفع سائلاً أو بخاراً أو أي غاز آخر. وقد يكون سائل السحب المحمل غازاً أو سائلاً أو معلقاً أو تياراً غازياً محملاً بالغبار. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

حاقن البخار جهاز شائع الاستخدام لتزويد غلايات البخار بالماء، وخاصة في قاطرات البخار. وهو تطبيق نموذجي لمبدأ الحاقن، حيث يُستخدم لتزويد الغلاية بالماء البارد عكس ضغطها الذاتي، باستخدام بخارها الحي أو بخار العادم، ليحل محل أي مضخة ميكانيكية . عند تطويره لأول مرة، كان تشغيله مثيرًا للاهتمام لأنه بدا متناقضًا، أشبه بالحركة الدائمة ، ولكن تم تفسيره لاحقًا باستخدام الديناميكا الحرارية . ^{[ 4 ]} قد تستخدم أنواع أخرى من الحاقنات سوائل دافعة مضغوطة أخرى، مثل الهواء.

يتكون الحاقن من جسم مملوء بسائل ثانوي، يُحقن فيه سائل دافع. يحفز السائل الدافع السائل الثانوي على الحركة. توجد الحاقنات بأشكال متنوعة، وقد تتكون من عدة مراحل، كل منها يكرر نفس مبدأ التشغيل الأساسي، لزيادة فعاليتها الإجمالية.

تستخدم هذه التقنية تأثير فنتوري لفوهة متقاربة-متباعدة على نفاثة بخارية لتحويل طاقة ضغط البخار إلى طاقة سرعة ، مما يخفض ضغطه إلى ما دون الضغط الجوي، وهو ما يُمكّنه من حمل سائل (مثل الماء). بعد مروره عبر "مخروط التجميع" المتقارب، يتكثف السائل المختلط بالكامل. ثم يدخل خليط المكثفات إلى "مخروط التوصيل" المتباعد الذي يُبطئ النفاثة، محولًا الطاقة الحركية إلى طاقة ضغط ثابتة أعلى من ضغط المرجل، مما يُمكّنه من التدفق عبر صمام عدم الرجوع. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

تُعاد معظم الطاقة الحرارية الموجودة في البخار المكثف إلى المرجل، مما يزيد من الكفاءة الحرارية للعملية. ولذلك، تتميز الحاقنات عادةً بكفاءة طاقة إجمالية تتجاوز 98% ؛ كما أنها بسيطة مقارنةً بالأجزاء المتحركة العديدة في مضخة التغذية.

قاذفات الفراغ

يُستخدم نظام الحقن أيضًا في قاذفات التفريغ لأنظمة الكبح المستمر للقطارات ، والتي أصبحت إلزامية في المملكة المتحدة بموجب قانون تنظيم السكك الحديدية لعام 1889. يستخدم قاذف التفريغ ضغط البخار لسحب الهواء من أنبوب التفريغ وخزانات نظام الكبح المستمر للقطار. وجدت قاطرات البخار، التي تتمتع بمصدر بخار جاهز، أن نظام الحقن مثالي لبساطته ومتانته وخلوه من الأجزاء المتحركة. تحتوي قاطرة البخار عادةً على قاذفين: قاذف كبير لتحرير المكابح عند التوقف، وقاذف صغير للحفاظ على التفريغ ومنع التسرب. يتم توجيه العادم من القاذفين دائمًا إلى صندوق الدخان، مما يساعد المنفاخ في سحب اللهب. يُستبدل القاذف الصغير أحيانًا بمضخة ترددية تعمل من رأس الرفع، لأن ذلك أكثر اقتصادًا في استهلاك البخار ولا يلزم تشغيلها إلا أثناء حركة القطار.

تم استبدال مكابح التفريغ بمكابح الهواء في القطارات الحديثة، مما يسمح باستخدام أسطوانات مكابح أصغر و/أو قوة كبح أعلى بسبب الفرق الأكبر عن الضغط الجوي.

التطبيق السابق للمبدأ

كان التطبيق العملي لهذا المبدأ شائع الاستخدام في قاطرات البخار قبل تطويره رسميًا كحاقن، وذلك من خلال ترتيب أنبوب النفخ والمدخنة في صندوق دخان القاطرة. يوضح الرسم التخطيطي على اليمين مقطعًا عرضيًا لصندوق الدخان، بعد تدويره 90 درجة؛ ويمكن ملاحظة وجود المكونات نفسها، وإن اختلفت تسميتها، كما هو الحال في الرسم التخطيطي العام للحاقن في أعلى المقال. يُوجَّه بخار العادم من الأسطوانات عبر فوهة في نهاية أنبوب النفخ، لتقليل الضغط داخل صندوق الدخان عن طريق سحب غازات الاحتراق من المرجل، والتي تُقذف بعد ذلك عبر المدخنة. والنتيجة هي زيادة قوة السحب على النار بدرجة تتناسب مع معدل استهلاك البخار، بحيث كلما زاد استهلاك البخار، زادت الحرارة المتولدة من النار، وبالتالي يزداد إنتاج البخار. وقد لاحظ ريتشارد تريفيتيك هذا التأثير لأول مرة ، ثم طوره مهندسو القاطرات الأوائل تجريبيًا. استفاد صاروخ ستيفنسون من ذلك، وهذا يشكل جزءًا كبيرًا من سبب أدائه المحسن بشكل ملحوظ مقارنة بالآلات المعاصرة.

أصبح استخدام الحاقنات (أو القاذفات) شائعًا جدًا في مختلف التطبيقات الصناعية نظرًا لبساطتها النسبية وقابليتها للتكيف. على سبيل المثال:

• يُستخدم هذا الجهاز لحقن المواد الكيميائية في خزانات الغلايات الصغيرة الثابتة ذات الضغط المنخفض. أما في الغلايات الحديثة الكبيرة ذات الضغط العالي، فلا يُمكن استخدام أجهزة الحقن لحقن المواد الكيميائية نظرًا لانخفاض ضغط مخرجاتها.
• في محطات الطاقة الحرارية ، يتم استخدامها لإزالة الرماد المتراكم في قاع الغلاية ، وإزالة الرماد المتطاير من قواديس المرسبات الكهروستاتيكية المستخدمة لإزالة هذا الرماد من غازات مداخن الغلاية ، ولسحب ضغط فراغ في مكثفات عادم التوربينات البخارية .
• تُستخدم المضخات النفاثة في المفاعلات النووية التي تعمل بالماء المغلي لتدوير سائل التبريد. ^{[ 13 ]}
• للاستخدام في إنتاج ضغط فراغي في أنظمة تبريد نفاثات البخار .
• لأغراض استعادة أعمال التمدد في أنظمة تكييف الهواء والتبريد.
• لتحسين عمليات استخلاص النفط في صناعة النفط والغاز.
• للمناولة بكميات كبيرة من الحبوب أو غيرها من المواد الحبيبية أو المسحوقة.
• تستخدمها صناعة البناء لضخ المياه العكرة والمواد الطينية .
• تُستخدم أجهزة الضخ في السفن لضخ مياه التوازن المتبقية ، أو زيت الشحنة الذي لا يمكن إزالته باستخدام المضخات الطاردة المركزية بسبب فقدان ضغط الشفط، وقد يؤدي تشغيلها وهي جافة إلى تلف المضخة الطاردة المركزية، وهو ما قد يحدث بسبب ميل السفينة أو انحرافها .
• تُستخدم أجهزة الشفط على متن السفن لضخ مياه الصرف، حيث أن استخدام المضخة الطاردة المركزية لن يكون مجديًا لأن رأس الشفط قد يضيع بشكل متكرر.
• تستخدم بعض الطائرات (معظمها تصاميم سابقة) جهاز طرد متصل بجسم الطائرة لتوفير فراغ للأجهزة الجيروسكوبية مثل مؤشر الوضع (الأفق الاصطناعي).
• تُستخدم أجهزة الحقن في أنظمة وقود الطائرات كمضخات نقل؛ حيث يمكن توصيل تدفق السوائل من مضخة ميكانيكية مثبتة على المحرك إلى جهاز حقن مثبت على خزان الوقود لنقل الوقود من ذلك الخزان.
• أجهزة الشفط هي مضخات تفريغ تعتمد على نفس مبدأ التشغيل وتستخدم في المختبرات لإنشاء فراغ جزئي وللاستخدام الطبي في شفط المخاط أو سوائل الجسم.
• مضخات المياه هي مضخات مياه تستخدم في تجريف الطمي والتنقيب عن الذهب، حيث يمكنها تحمل الخلائط شديدة الكشط.
• لإنشاء نظام فراغ في وحدة التقطير الفراغي (مصفاة النفط).
• تستخدم أجهزة التعقيم بالتفريغ الهوائي جهاز طرد لسحب الفراغ، ويتم تشغيلها بشكل عام عن طريق إمداد الماء البارد للجهاز.
• يمكن صنع مضخات نفاثة خفيفة الوزن من الورق المعجن .

تُستخدم المضخات النفاثة عادةً لاستخراج المياه من الآبار . تُشغَّل المضخة الرئيسية، وهي غالبًا مضخة طرد مركزي ، وتُركَّب على مستوى سطح الأرض. يُقسَّم تدفقها، حيث يخرج الجزء الأكبر منه من النظام، بينما يُعاد جزء منه إلى المضخة النفاثة المُثبَّتة تحت الأرض في البئر. يُستخدم هذا الجزء المُعاد تدويره من السائل المضخوخ لتشغيل المضخة النفاثة. عند المضخة النفاثة، يدفع التدفق العائد عالي الطاقة ومنخفض الكتلة المزيد من السائل من البئر، ليتحول إلى تدفق منخفض الطاقة وعالي الكتلة، والذي يُنقل بعد ذلك عبر الأنابيب إلى مدخل المضخة الرئيسية.

مضخات الآبار الضحلة هي تلك التي يتم فيها توصيل مجموعة النفث مباشرة بالمضخة الرئيسية وتقتصر على عمق يتراوح بين 5 و 8 أمتار تقريبًا لمنع التكهف .

مضخات الآبار العميقة هي تلك التي يقع فيها فوهة الضخ في قاع البئر. ويُحدد أقصى عمق لهذه المضخات بالقطر الداخلي للبئر وسرعة تدفق الماء عبر فوهة الضخ. وتتمثل الميزة الرئيسية لمضخات الضخ في الآبار العميقة في إمكانية وضع جميع الأجزاء الميكانيكية (مثل المحرك الكهربائي/البنزين، والمراوح الدوارة) على سطح الأرض لتسهيل الصيانة. وقد أدى ظهور المضخات الكهربائية الغاطسة إلى الاستغناء جزئيًا عن مضخات الضخ، باستثناء الآبار النقطية المدفوعة أو مآخذ المياه السطحية.

عمليًا، عند ضغط سحب أقل من 100 ملي بار مطلق، يُستخدم أكثر من قاذف، وعادةً ما تكون هناك مكثفات بين مراحل القاذف. يُحسّن تكثيف بخار المحرك كفاءة مجموعة القاذف بشكل كبير؛ وتُستخدم مكثفات سطحية من نوع بارومتري وأنابيب .

يتكون النظام ثنائي المراحل من قاذف عالي الفراغ (HV) رئيسي وقاذف منخفض الفراغ (LV) ثانوي. في البداية، يُشغَّل القاذف منخفض الفراغ لخفض مستوى الفراغ من الضغط الابتدائي إلى ضغط متوسط. بمجرد الوصول إلى هذا الضغط، يُشغَّل القاذف عالي الفراغ بالتزامن مع القاذف منخفض الفراغ لخفض مستوى الفراغ إلى الضغط المطلوب.

يتكون النظام ثلاثي المراحل من معزز أساسي، وقاذف ثانوي عالي الفراغ، وقاذف ثالثي منخفض الفراغ. وكما هو الحال في النظام ثنائي المراحل، يُشغَّل القاذف منخفض الفراغ مبدئيًا لخفض مستوى الفراغ من الضغط الابتدائي إلى ضغط متوسط. وبمجرد الوصول إلى هذا الضغط، يُشغَّل القاذف عالي الفراغ بالتزامن مع القاذف منخفض الفراغ لخفض مستوى الفراغ إلى الضغط المتوسط ​​الأدنى. وأخيرًا، يُشغَّل المعزز (بالتزامن مع القاذفين عالي ومنخفض الفراغ) لخفض مستوى الفراغ إلى الضغط المطلوب.

تُصنع الحاقنات أو القاذفات من الفولاذ الكربوني ، والفولاذ المقاوم للصدأ ، والنحاس الأصفر ، والتيتانيوم ، ومادة PTFE ، والكربون ، ومواد أخرى.

• جيه بي سنيل (1973). الهندسة الميكانيكية: السكك الحديدية . دار آرو للنشر. رقم ISBN 978-0-09-908170-8.
• جيه تي هودجسون؛ سي إس ليك (1954). إدارة القاطرات (  الطبعة العاشرة). مطبعة توثيل.

• استخدام جهاز شفط لرفع المياه