ملخص: تُقدم هذه الورقة البحثية وحدة مضخة ذاتية التحضير لمحرك ديزل، تستخدم تدفق غاز العادم من محرك الديزل للحصول على فراغ. تتضمن هذه الوحدة مضخة طرد مركزي، ومحرك ديزل، وقابض، وأنبوب فنتوري، وكاتم صوت، وأنبوب عادم، وغيرها. يتكون عمود خرج محرك الديزل من القابض والوصلة. يتصل كاتم الصوت بعمود دخل مضخة الطرد المركزي، ويُركب صمام بوابة عند منفذ عادم كاتم صوت محرك الديزل. كما يُركب أنبوب عادم إضافي على جانب كاتم الصوت، ويتصل هذا الأنبوب بمدخل هواء أنبوب فنتوري، ويتصل جانب أنبوب فنتوري بمنفذ عادم حجرة مضخة الطرد المركزي. يُركب صمام بوابة وصمام أحادي الاتجاه للفراغ على خط الأنابيب، ويتصل أنبوب مخرج بمنفذ عادم أنبوب فنتوري. يتم تصريف غاز العادم المنبعث من محرك الديزل في أنبوب فنتوري، ويتم ضخ الغاز الموجود في حجرة المضخة الطاردة المركزية وخط أنابيب مدخل المياه للمضخة الطاردة المركزية لتشكيل فراغ، بحيث يتم سحب الماء الموجود أسفل مدخل المياه للمضخة الطاردة المركزية إلى حجرة المضخة لتحقيق التصريف الطبيعي.
وحدة مضخة محرك الديزل هي وحدة ضخ مياه تعمل بمحرك ديزل، وتُستخدم على نطاق واسع في الصرف، والري الزراعي، ومكافحة الحرائق، ونقل المياه المؤقت. تُستخدم مضخات محركات الديزل غالبًا في الحالات التي يتم فيها سحب المياه من أسفل مدخل المضخة. في الوقت الحالي، تُستخدم الطرق التالية عادةً لضخ المياه في هذه الحالة:
١- تركيب صمام سفلي في نهاية أنبوب مدخل مضخة الماء في حوض السحب: قبل تشغيل مضخة محرك الديزل، املأ تجويف المضخة بالماء. بعد تفريغ الهواء من حجرة المضخة وأنبوب مدخل الماء، شغّل مضخة محرك الديزل لضمان إمداد الماء بشكل طبيعي. نظرًا لتركيب الصمام السفلي في قاع الحوض، فإن أي عطل فيه يُصعّب الصيانة. علاوة على ذلك، تتطلب مضخات محركات الديزل ذات التدفق العالي كمية كبيرة من الماء نظرًا لكبر حجم تجويف المضخة وقطر أنبوب مدخل الماء، مما يقلل من مستوى التشغيل الآلي ويجعل استخدامها غير عملي.
٢- تُجهز مجموعة مضخة محرك الديزل بمجموعة مضخة تفريغ تعمل بمحرك ديزل: عند تشغيل مضخة التفريغ، يُسحب الهواء من حجرة المضخة وخط أنابيب مدخل الماء، مما يُولد فراغًا. يدخل الماء من مصدره إلى خط أنابيب مدخل المضخة وحجرة المضخة تحت تأثير الضغط الجوي. ثم يُعاد تشغيل مجموعة مضخة الديزل لتوفير إمداد الماء بشكل طبيعي. تتطلب مضخة التفريغ في هذه الطريقة أيضًا محرك ديزل، كما يجب أن تكون مزودة بفاصل بخار-ماء، مما يزيد من حجم الجهاز وتكلفته.
03 、تتوافق المضخة ذاتية التحضير مع محرك الديزل: تتميز المضخة ذاتية التحضير بكفاءة منخفضة وحجم كبير، كما أن المضخة ذاتية التحضير تتميز بتدفق صغير ورفع منخفض، مما لا يلبي متطلبات الاستخدام في كثير من الحالات. بهدف تقليل تكلفة معدات مجموعة مضخة محرك الديزل، وتقليل المساحة التي تشغلها، وتوسيع نطاق استخدامها، والاستفادة الكاملة من غاز العادم الناتج عن تشغيل محرك الديزل بسرعة عالية عبر أنبوب فنتوري [1]، يتم تصريف الغاز الموجود في أنبوب الماء من تجويف المضخة الطاردة المركزية إلى المضخة نفسها عبر واجهة السحب لأنبوب فنتوري المتصل بمنفذ العادم في حجرة المضخة الطاردة المركزية. يتولد فراغ في حجرة المضخة الطاردة المركزية وفي أنبوب مدخل الماء. تحت تأثير الضغط الجوي، يدخل الماء الموجود في مصدر الماء، والذي يكون أقل من مستوى مدخل الماء في المضخة الطاردة المركزية، إلى أنبوب مدخل الماء في المضخة وتجويفها، مما يؤدي إلى ملء أنبوب مدخل الماء وتجويف المضخة الطاردة المركزية. ثم يبدأ تشغيل القابض لتوصيل محرك الديزل بالمضخة الطاردة المركزية. تبدأ المضخة الطاردة المركزية في توفير إمدادات المياه بشكل طبيعي.
ثانيًا: مبدأ عمل أنبوب فنتوري
جهاز فنتوري هو جهاز لتوليد الفراغ يستخدم السوائل لنقل الطاقة والكتلة. يوضح الشكل 1 بنيته الأساسية. يتكون من فوهة تشغيل، ومنطقة شفط، وغرفة خلط، وممر، وموزع. وهو مولد فراغ. المكون الرئيسي للجهاز هو عنصر فراغ جديد، فعال، نظيف، واقتصادي، يستخدم مصدر سائل ذي ضغط موجب لتوليد ضغط سالب. وتتلخص آلية عمل توليد الفراغ فيما يلي:
١- يمثل المقطع من النقطة ١ إلى النقطة ٣ مرحلة تسارع المائع الديناميكي في فوهة التشغيل. يدخل المائع المحرك ذو الضغط العالي فوهة التشغيل في جهاز فنتوري بسرعة أقل عند مدخل فوهة التشغيل (المقطع ١). عند التدفق في المقطع المخروطي لفوهة التشغيل (من المقطع ١ إلى المقطع ٢)، يمكن معرفة ذلك من ميكانيكا الموائع، حيث أنه بالنسبة لمعادلة استمرارية المائع غير القابل للانضغاط [٢]، فإن معدل تدفق المائع الديناميكي Q١ في المقطع ١ والقوة الديناميكية في المقطع ٢، والعلاقة بين معدل تدفق المائع Q٢ هي Q١ = Q٢.
Scilicet A1v1= A2v2
في الصيغة، A1، A2 - مساحة المقطع العرضي للنقطة 1 والنقطة 2 (م2)؛
v1، v2 — سرعة السائل المتدفق عبر المقطع النقطي 1 والمقطع النقطي 2، م/ث.
يتضح من الصيغة أعلاه أنه مع زيادة مساحة المقطع العرضي، تنخفض سرعة التدفق؛ ومع انخفاض مساحة المقطع العرضي، تزداد سرعة التدفق.
بالنسبة للأنابيب الأفقية، وفقًا لمعادلة برنولي للسوائل غير القابلة للانضغاط
P1+(1/2)*ρv12=P2+(1/2)ρv22
في الصيغة، P1، P2 - الضغط المقابل عند المقطع العرضي للنقطة 1 والنقطة 2 (باسكال)
v1، v2 — سرعة السائل (م/ث) المتدفق عبر المقطع عند النقطة 1 والنقطة 2
ρ — كثافة السائل (كجم/م³)
يتضح من الصيغة أعلاه أن سرعة تدفق المائع الديناميكي تزداد باستمرار، بينما ينخفض الضغط باستمرار من المقطع 1 إلى المقطع 2. عندما تكون v2 أكبر من v1، فإن P1 أكبر من P2. وعندما تزداد v2 إلى قيمة معينة (قد تصل إلى سرعة الصوت)، يصبح الضغط P2 أقل من الضغط الجوي، أي أنه سيتولد ضغط سالب عند المقطع 3.
عندما يدخل سائل الدفع إلى قسم التمدد في فوهة التشغيل، أي القسم الممتد من النقطة 2 إلى النقطة 3، تستمر سرعة سائل الدفع في الارتفاع، بينما يستمر الضغط في الانخفاض. وعندما يصل سائل الدفع إلى قسم المخرج في فوهة التشغيل (القسم عند النقطة 3)، تصل سرعته إلى أقصى حد لها، وقد تتجاوز سرعة الصوت. في هذه اللحظة، يصل الضغط عند النقطة 3 إلى أدنى حد له، أي أن درجة الفراغ تصل إلى أقصى حد لها، وقد تصل إلى 90 كيلو باسكال.
02. القسم من النقطة 3 إلى النقطة 5 هو مرحلة خلط السائل المحرك والسائل المضخوخ.
يتشكل سائل عالي السرعة بفعل التدفق الديناميكي عند مخرج فوهة التشغيل (النقطة 3)، مما يُحدث فراغًا بالقرب من مخرج الفوهة. ونتيجةً لذلك، يُسحب السائل ذو الضغط المرتفع نسبيًا إلى غرفة الخلط بفعل فرق الضغط. يُسحب السائل المضخوخ إلى غرفة الخلط عند النقطة 9. وخلال التدفق من النقطة 9 إلى النقطة 5، تزداد سرعة السائل المضخوخ باستمرار، بينما ينخفض الضغط تدريجيًا إلى أدنى مستوى له عند مخرج فوهة التشغيل (النقطة 3).
في قسم غرفة الخلط والجزء الأمامي من عنق المضخة (من النقطة 3 إلى النقطة 6)، يبدأ سائل الدفع والسائل المراد ضخهما بالاختلاط، ويتبادلان الزخم والطاقة، وتنتقل الطاقة الحركية الناتجة عن طاقة الوضع لسائل الدفع إلى السائل المضخوخ. ونتيجة لذلك، تتناقص سرعة السائل تدريجيًا، بينما تزداد سرعة الجسم المسحوب تدريجيًا، ثم تتناقص السرعتان تدريجيًا حتى تتقاربا. وأخيرًا، عند النقطة 4، تتساوى السرعتان، ويتم تفريغ عنق المضخة وموزعها في جهاز فنتوري.
三:تكوين ومبدأ عمل مجموعة المضخات ذاتية التحضير التي تستخدم تدفق غاز العادم من محرك الديزل للحصول على فراغ
يشير غاز عادم محرك الديزل إلى الغازات المنبعثة من محرك الديزل بعد احتراق زيت الديزل. وهو غاز عادم، ولكنه يتميز بوجود كمية معينة من الحرارة والضغط. بعد إجراء اختبارات من قبل جهات بحثية مختصة، تبين أن ضغط غاز العادم المنبعث من محرك ديزل مزود بشاحن توربيني [3] قد يصل إلى 0.2 ميجا باسكال. من منظور الاستخدام الأمثل للطاقة، وحماية البيئة، وخفض تكاليف التشغيل، أصبح استغلال غاز العادم الناتج عن تشغيل محرك الديزل موضوعًا بحثيًا هامًا. يعمل الشاحن التوربيني [3] على استغلال غاز العادم المنبعث من تشغيل محرك الديزل. وباعتباره مكونًا أساسيًا في عملية توليد الطاقة، يُستخدم لزيادة ضغط الهواء الداخل إلى أسطوانة محرك الديزل، مما يسمح باحتراق الوقود بشكل كامل، وبالتالي تحسين أداء المحرك، وزيادة القدرة النوعية، وتحسين كفاءة استهلاك الوقود، وخفض مستوى الضوضاء. فيما يلي طريقة لاستخدام غاز العادم الناتج عن تشغيل محرك الديزل كسائل طاقة. يُسحب الغاز من حجرة المضخة الطاردة المركزية وأنبوب مدخل الماء عبر أنبوب فنتوري، مما يُحدث فراغًا في حجرة المضخة وأنبوب مدخل الماء. تحت تأثير الضغط الجوي، يدخل الماء، الذي يقل مستواه عن مستوى مصدر الماء في مدخل المضخة الطاردة المركزية، إلى أنبوب المدخل وحجرة المضخة، فيملأهما، ويبدأ تشغيل المضخة لتوفير إمداد الماء بشكل طبيعي. يوضح الشكل 2 بنية هذه الطريقة، وتكون عملية التشغيل كما يلي:
كما هو موضح في الشكل 2، يتصل مدخل الماء للمضخة الطاردة المركزية بخط الأنابيب المغمور في الحوض أسفل مخرج المضخة، ويتصل مخرج الماء بصمام مخرج المضخة وخط الأنابيب. قبل تشغيل محرك الديزل، يُغلق صمام مخرج الماء للمضخة الطاردة المركزية، ويُفتح صمام البوابة (6)، وتُفصل المضخة عن محرك الديزل بواسطة القابض. بعد بدء تشغيل محرك الديزل وعمله بشكل طبيعي، يُغلق صمام البوابة (2)، ويدخل غاز العادم الخارج من محرك الديزل إلى أنبوب فنتوري عبر أنبوب العادم (4) من كاتم الصوت، ثم يُصرّف عبر أنبوب العادم (11). في هذه العملية، ووفقًا لمبدأ أنبوب فنتوري، يدخل الغاز الموجود في حجرة المضخة الطاردة المركزية إلى أنبوب فنتوري عبر صمام البوابة وأنبوب العادم، ويختلط مع غاز العادم من محرك الديزل، ثم يُصرّف عبر أنبوب العادم. بهذه الطريقة، يتشكل فراغ في تجويف المضخة الطاردة المركزية وفي أنبوب مدخل الماء الخاص بها، ويدخل الماء من مصدر أدنى من مدخل المضخة الطاردة المركزية إلى تجويفها عبر أنبوب المدخل بفعل الضغط الجوي. عند امتلاء تجويف المضخة الطاردة المركزية وأنبوب المدخل بالماء، يُغلق صمام البوابة (6)، ويُفتح صمام البوابة (2)، وتُوصل المضخة الطاردة المركزية بمحرك الديزل عبر القابض، ويُفتح صمام مخرج الماء الخاص بها، ليبدأ نظام المضخة بمحرك الديزل بالعمل بشكل طبيعي. بعد الاختبار، تبين أن نظام المضخة بمحرك الديزل قادر على سحب الماء من عمق مترين أسفل أنبوب مدخل المضخة الطاردة المركزية إلى تجويفها.
تتميز مجموعة مضخات التحضير الذاتي لمحرك الديزل المذكورة أعلاه، والتي تستخدم تدفق غاز العادم من محرك الديزل للحصول على فراغ، بالخصائص التالية:
1. حل مشكلة قدرة المضخة ذاتية التحضير لمحرك الديزل بشكل فعال؛
2. يتميز أنبوب فنتوري بصغر حجمه وخفة وزنه وصغر حجمه، كما أن تكلفته أقل من تكلفة أنظمة مضخات التفريغ الشائعة. لذلك، فإن مجموعة مضخة محرك الديزل المصممة بهذا الشكل توفر المساحة التي تشغلها المعدات وتكاليف التركيب، مما يقلل من تكلفة المشروع.
3. إن مجموعة مضخة محرك الديزل ذات هذا الهيكل تجعل استخدام مجموعة مضخة محرك الديزل أكثر شمولاً وتحسن نطاق استخدام مجموعة مضخة محرك الديزل؛
4. أنبوب فنتوري سهل التشغيل والصيانة، ولا يتطلب وجود موظفين متفرغين لإدارته. ولعدم وجود أجزاء نقل ميكانيكية، يكون مستوى الضوضاء منخفضًا ولا حاجة لاستهلاك زيت التشحيم.
5. يتميز أنبوب فنتوري ببنية بسيطة وعمر خدمة طويل.
السبب في قدرة مضخة محرك الديزل ذات هذا التصميم على سحب الماء من مستوى أدنى من مدخل الماء في المضخة الطاردة المركزية، والاستفادة الكاملة من غازات العادم الناتجة عن تشغيل محرك الديزل لتدفقها عبر أنبوب فنتوري المكون الأساسي بسرعة عالية، هو ما يجعل مضخة محرك الديزل التي لا تمتلك في الأصل خاصية الشفط الذاتي، مزودة بهذه الخاصية.
رابعًا: تحسين ارتفاع امتصاص الماء لمجموعة مضخة محرك الديزل
تتميز مجموعة المضخات ذاتية التحضير لمحرك الديزل، الموصوفة أعلاه، بوظيفة التحضير الذاتي باستخدام غاز العادم المنبعث من محرك الديزل، والذي يتدفق عبر أنبوب فنتوري لتوليد فراغ. مع ذلك، فإن سائل التشغيل في هذه المضخات هو غاز العادم المنبعث من محرك الديزل، ويكون ضغطه منخفضًا نسبيًا، وبالتالي يكون الفراغ الناتج منخفضًا أيضًا، مما يحد من ارتفاع امتصاص الماء للمضخة الطاردة المركزية، ويحد من نطاق استخدامها. لزيادة ارتفاع السحب، يجب زيادة درجة الفراغ في منطقة سحب أنبوب فنتوري. وفقًا لمبدأ عمل أنبوب فنتوري، ولتحسين درجة الفراغ، يجب تصميم فوهة التشغيل الخاصة به. يمكن أن تكون هذه الفوهة صوتية، أو حتى فوق صوتية، مما يزيد من الضغط الأصلي للسائل المتدفق عبر أنبوب فنتوري.
لزيادة الضغط الأصلي لسائل فنتوري المحرك المتدفق في مجموعة مضخات محرك الديزل، يمكن تركيب شاحن توربيني في أنبوب عادم محرك الديزل [3]. الشاحن التوربيني [3] هو جهاز لضغط الهواء، يستخدم الدفع الذاتي لغاز العادم المنبعث من المحرك لدفع التوربين في حجرة التوربين، حيث يقوم التوربين بتدوير المروحة المحورية، فتضغط المروحة الهواء. يوضح الشكل 3 هيكله ومبدأ عمله. ينقسم الشاحن التوربيني إلى ثلاثة أنواع: عالي الضغط، ومتوسط الضغط، ومنخفض الضغط. تكون ضغوط الغاز المضغوط الخارجة من الشاحن التوربيني كالتالي: الضغط العالي أكبر من 0.3 ميجا باسكال، والضغط المتوسط من 0.1 إلى 0.3 ميجا باسكال، والضغط المنخفض أقل من 0.1 ميجا باسكال، ويكون ضغط الغاز المضغوط الخارج من الشاحن التوربيني مستقرًا نسبيًا. إذا تم استخدام الغاز المضغوط المدخل بواسطة الشاحن التوربيني كسائل طاقة فنتوري، فيمكن الحصول على درجة أعلى من الفراغ، أي أن ارتفاع امتصاص الماء لمجموعة مضخة محرك الديزل يزداد.
ثانيا: الاستنتاجات:تعتمد مجموعة مضخات محرك الديزل ذاتية التحضير، التي تستخدم تدفق غاز العادم من محرك الديزل لتوليد فراغ، على التدفق عالي السرعة لغاز العادم، وأنبوب فنتوري، وتقنية الشحن التوربيني المتولدة أثناء تشغيل محرك الديزل، لسحب الغاز من تجويف المضخة وأنبوب مدخل الماء للمضخة الطاردة المركزية. يتولد فراغ، فيُسحب الماء الموجود أسفل مصدر الماء في المضخة الطاردة المركزية إلى أنبوب مدخل الماء وتجويف المضخة، مما يُكسب مجموعة مضخات محرك الديزل خاصية التحضير الذاتي. تتميز مجموعة مضخات محرك الديزل ذات هذا التصميم ببساطة التركيب، وسهولة التشغيل، وانخفاض التكلفة، كما أنها تُحسّن نطاق استخدامها.
تاريخ النشر: 17 أغسطس 2022