مضخة تمعجية

لا يلامس السائل المضخوخ سوى السطح الداخلي للأنبوب. وهذا يُلغي مخاوف توافق السائل مع مكونات المضخة الأخرى كالصمامات والحلقات المطاطية والمانعات، والتي يجب مراعاتها في تصميمات المضخات الأخرى. لذا، يُؤخذ في الاعتبار فقط تركيب الأنبوب الذي يمر عبره السائل المضخوخ من حيث التوافق الكيميائي.

يجب أن تكون الأنابيب مطاطية للحفاظ على مقطعها الدائري بعد ملايين دورات الضغط في المضخة. هذا الشرط يستبعد العديد من البوليمرات غير المطاطية المتوافقة مع نطاق واسع من المواد الكيميائية، مثل PTFE والبولي أوليفينات و PVDF ، من استخدامها كمواد لأنابيب المضخات. تشمل المطاطات الشائعة لأنابيب المضخات: النتريل (NBR) ، والهايبالون ، والفيتون ، والسيليكون ، و PVC ، و EPDM ، وEPDM مع البولي بروبيلين (كما في سانتوبرين )، والبولي يوريثان ، والمطاط الطبيعي . من بين هذه المواد، يتميز المطاط الطبيعي بأفضل مقاومة للإجهاد، بينما يتميز كل من EPDM والهايبالون بأفضل توافق كيميائي. يُستخدم السيليكون بكثرة مع السوائل المائية، كما هو الحال في صناعة الأدوية الحيوية ، ولكنه محدود التوافق الكيميائي في الصناعات الأخرى.

تتمتع أنابيب الفلوروبوليمر المبثوقة مثل FKM (Viton، Fluorel، إلخ) بتوافق جيد مع الأحماض والهيدروكربونات ووقود البترول ، ولكنها لا تتمتع بمقاومة كافية للإجهاد لتحقيق عمر فعال للأنبوب.

هناك بعض التطورات الحديثة في مجال الأنابيب التي توفر توافقًا كيميائيًا واسع النطاق باستخدام الأنابيب المبطنة والمطاط الفلوري .

في الأنابيب المبطنة، تُصنع البطانة الداخلية الرقيقة من مادة مقاومة كيميائيًا، مثل البولي أوليفين وPTFE، لتشكل حاجزًا يمنع باقي جدار الأنبوب من ملامسة السائل المضخوخ. غالبًا ما تكون هذه البطانات غير مرنة، لذا لا يمكن تصنيع جدار الأنبوب بالكامل من هذه المادة لتطبيقات المضخات التمعجية. توفر هذه الأنابيب توافقًا كيميائيًا وعمرًا كافيًا لاستخدامها في التطبيقات التي تتطلب مقاومة كيميائية عالية. هناك بعض الأمور التي يجب مراعاتها عند استخدام هذه الأنابيب؛ فأي ثقوب دقيقة في البطانة أثناء التصنيع قد تجعل الأنبوب عرضة للتآكل الكيميائي. في حالة البطانات البلاستيكية الصلبة، مثل البولي أوليفينات، قد تتشقق مع الانثناء المتكرر في المضخة التمعجية، مما يجعل المادة الأساسية عرضة للتآكل الكيميائي مرة أخرى. من المشاكل الشائعة في جميع الأنابيب المبطنة انفصال البطانة مع الانثناء المتكرر، مما يشير إلى نهاية عمر الأنبوب. بالنسبة لمن يحتاجون إلى أنابيب متوافقة كيميائيًا، توفر هذه الأنابيب المبطنة حلاً جيدًا.

في أنابيب الفلوروإيلاستومر، يتمتع الإيلاستومر نفسه بمقاومة كيميائية. على سبيل المثال، في أنابيب Chem-Sure، فهي مصنوعة من بيرفلوروإيلاستومر، الذي يتميز بأوسع نطاق من التوافق الكيميائي بين جميع أنواع الإيلاستومرات. يجمع أنبوبا الفلوروإيلاستومر المذكوران أعلاه بين التوافق الكيميائي وعمر افتراضي طويل جدًا بفضل تقنية التقوية المستخدمة فيهما، ولكنهما يأتيان بتكلفة أولية مرتفعة نسبيًا. لذا، يجب تبرير هذه التكلفة بالقيمة الإجمالية المُستمدة على مدار عمر الأنبوب الطويل، ومقارنتها بخيارات أخرى، مثل أنواع الأنابيب الأخرى أو حتى تقنيات الضخ الأخرى.

تتوفر العديد من المواقع الإلكترونية للتحقق من التوافق الكيميائي لمادة الأنابيب مع السائل المضخوخ. وقد توفر الشركات المصنعة للأنابيب أيضًا جداول توافق خاصة بطريقة إنتاج الأنابيب، والطلاء، والمادة، والسائل المضخوخ.

مع أن هذه الجداول تغطي قائمة بالسوائل الشائعة الاستخدام، إلا أنها قد لا تشمل جميع السوائل. في حال وجود سائل غير مدرج في قائمة التوافق، فإن اختبار الغمر يُعدّ اختبارًا شائعًا لتحديد التوافق.  تُغمر عينة من الأنبوب، بطول 2.5 إلى 5 سم، في السائل المراد ضخه لمدة تتراوح بين 24 و48 ساعة، ويُقاس مقدار التغير في الوزن قبل وبعد الغمر. إذا تجاوز التغير في الوزن 10% من الوزن الأولي، فإن هذا الأنبوب غير متوافق مع السائل، ولا يُنصح باستخدامه في هذا التطبيق. مع ذلك، يبقى هذا الاختبار أحادي الاتجاه، إذ لا يزال هناك احتمال ضئيل بأن يكون الأنبوب الذي يجتاز هذا الاختبار غير متوافق مع التطبيق، لأن اجتماع التوافق الحدّي مع الانثناء الميكانيكي قد يؤدي إلى تلف الأنبوب قبل الأوان.

بشكل عام، أدت التطورات الحديثة في مجال الأنابيب إلى توفير توافق كيميائي واسع النطاق لخيار المضخة التمعجية، مما يمكن أن تستفيد منه العديد من تطبيقات الجرعات الكيميائية مقارنة بتقنيات المضخات الحالية الأخرى.

تحدد المسافة الدنيا بين البكرة والهيكل أقصى ضغط يُطبق على الأنبوب. يؤثر مقدار الضغط على الأنبوب على أداء الضخ وعمر الأنبوب ؛ فزيادة الضغط تُقلل عمر الأنبوب بشكل كبير، بينما قد يؤدي انخفاضه إلى انزلاق المادة المضخوخة للخلف، خاصةً في الضخ عالي الضغط، مما يُقلل كفاءة المضخة بشكل كبير، وعادةً ما تتسبب سرعة الانزلاق العالية في تلف الخرطوم قبل الأوان. لذلك، يُعد مقدار الضغط هذا أحد أهم معايير التصميم. 

يُستخدم مصطلح "الانسداد" لقياس مقدار الضغط. ويتم التعبير عنه إما كنسبة مئوية من ضعف سمك الجدار، أو كمقدار مطلق من الجدار الذي يتعرض للضغط.

يترك

g = الحد الأدنى للفجوة بين الأسطوانة والهيكل،

t = سمك جدار الأنبوب.

ثم

y = 2 t − g ، عند التعبير عنها كمقدار الضغط المطلق،

y = 100% × (2 t − g ) / (2 t )، عند التعبير عنها كنسبة مئوية من ضعف سمك الجدار.

تتراوح نسبة الانسداد عادةً من 10٪ إلى 20٪، مع نسبة انسداد أعلى لمادة الأنبوب الأكثر ليونة، ونسبة انسداد أقل لمادة الأنبوب الأكثر صلابة.

لذا، بالنسبة لمضخة معينة، يصبح سُمك جدار الأنبوب هو البُعد الأكثر أهمية. ومن الجدير بالذكر هنا أن القطر الداخلي للأنبوب ليس معيارًا تصميميًا مهمًا لمدى ملاءمته للمضخة. لذلك، من الشائع استخدام أكثر من قطر داخلي واحد مع المضخة، طالما بقي سُمك الجدار ثابتًا.

عند سرعة دوران محددة للمضخة، يوفر الأنبوب ذو القطر الداخلي الأكبر معدل تدفق أعلى من الأنبوب ذي القطر الداخلي الأصغر. ويعتمد معدل التدفق على مساحة المقطع العرضي لتجويف الأنبوب.

يُعد معدل التدفق أحد المعايير المهمة للمضخة. ويتحدد معدل التدفق في المضخة التمعجية بعوامل عديدة، منها:

1. القطر الداخلي للأنبوب – معدل تدفق أعلى مع قطر داخلي أكبر. 
2. القطر الخارجي لرأس المضخة – معدل تدفق أعلى مع قطر خارجي أكبر. 
3. سرعة دوران رأس المضخة – معدل تدفق أعلى مع سرعة أعلى. 
4. نبضات المدخل - تقلل النبضات من حجم ملء الخرطوم. 

زيادة عدد البكرات لا تزيد من معدل التدفق، بل تقلله قليلاً بتقليل محيط رأس الضخ الفعال (أي محيط ضخ السائل). وتساهم إضافة البكرات في تقليل سعة نبضات السائل عند المخرج عن طريق زيادة تردد التدفق النبضي.

لا يؤثر طول الأنبوب (المقاس من نقطة الانضغاط الأولية قرب المدخل إلى نقطة التحرير النهائية قرب المخرج) على معدل التدفق. مع ذلك، فإن الأنبوب الأطول يعني وجود نقاط انضغاط أكثر بين المدخل والمخرج، مما يزيد الضغط الذي يمكن أن تولده المضخة.

لا يكون معدل تدفق المضخة التمعجية خطيًا في معظم الحالات. ويؤثر النبض عند مدخل المضخة على درجة امتلاء الخرطوم التمعجي. فمع ارتفاع نبض المدخل، قد يصبح الخرطوم بيضاوي الشكل، مما يؤدي إلى انخفاض التدفق. لذا، لا يمكن تحقيق قياس دقيق باستخدام المضخة التمعجية إلا عندما يكون معدل تدفقها ثابتًا، أو عند التخلص من نبض المدخل باستخدام مخمدات نبض مصممة بشكل صحيح.

يُعدّ النبض أحد الآثار الجانبية المهمة للمضخة التمعجية. ويتحدد النبض في المضخة التمعجية بعوامل عديدة، منها:

1. معدل التدفق – معدل التدفق الأعلى يعطي نبضات أكثر. 
2. طول الخط – خطوط الأنابيب الطويلة تعطي نبضات أكثر. 
3. زيادة سرعة المضخة - زيادة التردد الدوراني تؤدي إلى مزيد من النبضات. 
4. الكثافة النوعية للسائل – زيادة كثافة السائل تؤدي إلى زيادة النبض. 

تستخدم مضخات الخراطيم التمعجية ذات الضغط العالي، والتي يمكنها عادةً العمل بضغط يصل إلى 16 بار (230 رطل لكل بوصة مربعة) في الخدمة المستمرة، أحذيةً (بينما تُستخدم البكرات فقط في الأنواع ذات الضغط المنخفض)، ولها أغلفة مملوءة بمادة تشحيم لمنع تآكل السطح الخارجي لأنبوب المضخة وللمساعدة في تبديد الحرارة، وتستخدم أنابيب مقواة، تُسمى غالبًا "خراطيم". يُطلق على هذا النوع من المضخات اسم "مضخة الخراطيم".  

تتمثل الميزة الأكبر لمضخات الخراطيم مقارنةً بمضخات البكرات في ضغط التشغيل العالي الذي يصل إلى 16  بار. أما مع مضخات البكرات، فيمكن أن يصل أقصى ضغط إلى 12 بار (170 رطل لكل بوصة مربعة) دون أي مشكلة. إذا لم يكن ضغط التشغيل العالي مطلوبًا، فإن مضخة الأنابيب تُعد خيارًا أفضل من مضخة الخراطيم إذا لم يكن الوسط المضخوخ كاشطًا. مع التطورات الحديثة في تكنولوجيا الأنابيب من حيث الضغط، والعمر الافتراضي، والتوافق الكيميائي، بالإضافة إلى نطاقات معدل التدفق الأعلى، تتضاءل مزايا مضخات الخراطيم مقارنةً بمضخات البكرات.  

تتميز المضخات التمعجية منخفضة الضغط عادةً بأغلفة جافة وتستخدم بكرات مع أنابيب مقذوفة غير مقواة. يُطلق على هذا النوع من المضخات أحيانًا اسم "مضخة الأنابيب". تستخدم هذه المضخات بكرات لضغط الأنبوب. باستثناء تصميم المضخة اللامركزية بزاوية 360 درجة، تحتوي هذه المضخات على بكرتين على الأقل تفصل بينهما زاوية 180 درجة، وقد يصل عددها إلى 8 أو حتى 12 بكرة. يؤدي زيادة عدد البكرات إلى زيادة تردد نبضات ضغط السائل المضخوخ عند المخرج، مما يقلل من سعة النبضات. أما الجانب السلبي لزيادة عدد البكرات فهو أنها تزيد بشكل متناسب من عدد مرات الضغط، أو الانسداد، على الأنبوب لتدفق تراكمي معين عبره، مما يقلل من عمر الأنبوب.

يوجد نوعان من تصميم البكرات في المضخات التمعجية:

• الانسداد الثابت - في هذا النوع من المضخات، تتحرك البكرات في مسار ثابت أثناء دورانها، مما يحافظ على ثبات الانسداد أثناء ضغطها للأنبوب. يتميز هذا التصميم بالبساطة والفعالية. العيب الوحيد فيه هو أن نسبة الانسداد على الأنبوب تتغير بتغير سماكة جداره. عادةً ما تتفاوت سماكة جدران الأنابيب المبثوقة بشكل كافٍ  يسمح بتغير نسبة الانسداد تبعًا لسماكة الجدار (انظر أعلاه). لذلك، فإن جزءًا من الأنبوب ذي سماكة جدار أكبر، ولكن ضمن التفاوت المسموح به، سيحتوي على نسبة انسداد أعلى، مما يزيد من تآكل الأنبوب، وبالتالي يقلل من عمره. تُضبط تفاوتات سماكة جدار الأنبوب اليوم بدقة كافية تجعل هذه المشكلة غير ذات أهمية عملية. بالنسبة للمهتمين بالميكانيكا، قد يكون هذا هو التشغيل ذو الإجهاد الثابت.
• بكرات زنبركية - كما يوحي الاسم، تُركّب البكرات في هذه المضخة على زنبرك. هذا التصميم أكثر تعقيدًا من التصميم ذي الانسداد الثابت، ولكنه يُساعد على التغلب على اختلافات سُمك جدار الأنبوب ضمن نطاق أوسع. وبغض النظر عن هذه الاختلافات، تُطبّق البكرة نفس مقدار الإجهاد على الأنبوب بما يتناسب مع ثابت الزنبرك، مما يجعل هذه العملية ذات إجهاد ثابت. وقد تم اختيار الزنبرك للتغلب ليس فقط على مقاومة الأنبوب للضغط، بل أيضًا على ضغط السائل المضخوخ.

يتم تحديد ضغط التشغيل لهذه المضخات بواسطة الأنابيب وقدرة المحرك على التغلب على قوة الضغط المحيطي للأنابيب وضغط السائل.

في مجال الموائع الدقيقة، يُفضّل غالبًا تقليل حجم السائل المتداول. تتطلب المضخات التقليدية حجمًا كبيرًا من السائل خارج دائرة الموائع الدقيقة، مما قد يؤدي إلى مشاكل بسبب تخفيف المواد المراد تحليلها وجزيئات الإشارة البيولوجية المخففة أصلًا. ^{[ 9 ]} لهذا السبب، من بين أسباب أخرى، يُفضّل دمج بنية مضخة دقيقة في دائرة الموائع الدقيقة. في عام 2008، قدّم وو وزملاؤه مضخة دقيقة تمعجية تعمل بالهواء المضغوط ، مما يُغني عن الحاجة إلى أحجام كبيرة من السائل المتداول الخارجي. ^{[ 8 ]}