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泵,或称唧筒,又作帮浦,是一种移动流体(有时也包括泥浆)的装置,可能透过加压,也可能透过其他的方式。泵运(Pumping)又称泵送、抽运,是指泵的运作,可将液体或分子从一个位置移动到另一个位置。泵一般是将电能转换为液压能或是气压能。
泵有许多不同的应用,例如水井泵、水族箱过滤、池塘过滤以及水曝气,汽车产业中用在水冷系统以及燃料喷射装置,能源产业用在油井泵、天然气井,或是暖通空调系统中运作冷却塔以及其他元件。在医疗卫生产业中,在药品的开发和制造时会用到泵,泵也可作为人工脏器,例如人工心脏以及人工阴茎,
有些泵里有二个或多个泵的机构,流体会依序经过这些机构,这类的泵称为多级泵(multi-stage pump)。
人类及动物的心脏可说是天然的泵,它把血液输送到身体各个部分。生物体内也有许多不同种类的泵(包括化学泵)。有时也会用仿生学来发展新型的泵。
最早的泵是在大约于公元前300年左右出现的,阿基米德发明了一种泵,称为阿基米德式螺旋抽水机,至今仍有厂家在生产。
希腊人克特西比乌斯(Ctesibius)(公元前285-222年)发明的压力泵是一种最原始的活塞泵。主要用来生产水柱以及从井口举起水。(至今还保存在古罗马时代的遗址上,如在英国的西尔切斯特(Silchester))。
中国历史上南北朝时期出现的方板链泵作为一种链泵(Chain pump)是泵类机械的一项重要发明。
有些泵是沉没在要抽取的流体中的,有些则是置放在流体之外运作。
泵可以依其运作方式分为电磁泵、正排量泵、impulse pump、动力泵、重力泵、蒸气泵和无阀式泵。泵主要可以分成三种:正排量泵、离心泵和轴流泵。离心泵的流体流动方向在进入叶轮后会有90度的旋转,而轴流泵的流体在进入叶轮后方向不会改变[1][2]。
电磁泵是利用电磁学移动液态金属、熔盐、盐水或是其他导电液体的设备。
电磁泵会将磁场施加在和液体行进方向垂直的方向,并且让电流流过流体,因此产生电磁力使液体移动。
正排量泵(positive-displacement pump)会限制一定量的流体,并施力使流体前进的泵。
有些正排量泵在入口侧有渐渐扩张的空穴,在出口侧则有渐渐收缩的空穴。流体在入口处空穴渐渐扩张时进入泵内,在出口空穴渐渐收缩时离开泵,在每一个运作循环之间,其容积均为定值。
Impulse pump是用气体(多半是空气)产生的压力。有些脉冲泵会让液体 (多半是水)中注入气体,并让气体释放,累积在泵的某处,产生压力并使部分的液体往上移动。
Impulse pump包括:
Impulse pump除了用气体循环累积和释放的方式进行外,也可以用燃烧碳氢化合物来产生压力。这类燃烧驱动的泵在燃烧时会透过致动膜传递冲量到流体。为了可以直接传递,泵的大部分材质都要由弹性体(例如硅橡胶)组成。因此燃烧让薄膜膨胀,让流体挤压到旁边的泵腔室内。第一个燃烧驱勋泵是由ETH Zurich所开发[3]。
转子动力泵(或动力泵)是用增加流速来增加流体动能的泵。在流体离开泵时,流速变慢,增加的能量就会转换为压力。动能和压力的转换可以用热力学第一定律或伯努利定律来解释。
动力泵可以用提升速度的方式再作细分[4]。
这类的泵有一些特点:
动力泵和正排量泵有个差异,在于在阀关闭的条件下如何运作。正排量泵会让流体移动,因此关闭出口的阀会让压力持续增加,会破坏泵或管线。动力泵在出口阀关闭的情形下,短时间下可以安全运作。
重力泵包括虹吸和海伦喷泉。液压锤有时也视为是重力泵。其中的流体是被重力所提升。
蒸气泵包括所有由蒸汽机驱动的泵,也包括托马斯·塞维利的无活塞泵以及蒸汽双缸泵,近来对蒸气泵的研究多半是和历史有关。
近来在发展中国家的小农对于小功率的太阳能蒸气泵又有了兴趣。蒸汽机越小,效率越低,因此使用小型蒸汽机的方案不可行。不过使用现代的工程材料配合其他的发动机组态,这类系统在性价比上有优势。
无阀式泵的原理在许多生医或是工程系统中都有使用。无阀泵的系统中,不是用阀门或是实体的阻碍来调节流体的运动。而无阀式泵的效率不一定低于有阀的泵。事实上,许多自然或是工程用的流体动力系统或多或少有使用无阀式泵来输送流体。心血管系统的血液流动即为一例,即使心瓣膜失效,血液系统仍可进行一定程度的循。而且脊椎动物胚胎的心脏,早在可辨识的心室和瓣膜发育之前就开始泵血。和单方向的血液流动类似,鸟类呼吸系统在固定的肺脏内将空气注入体内,生理上也没有类似阀的组织。在微流控中,制作了无阀的阻抗泵,且预期这类阀特别适合输送敏感的生物流体。利用压电效应的喷墨打印机也是用无阀式泵。喷墨时泵腔室因为该方向的流体阻抗小而将墨清空,之后再透过毛细现象填充。
泵的规格会用马力、体积流率、输出压强(以扬程高度表示)、输入吸力(以扬程高度表示)。
扬程高度可以表示在大气压力下,泵可以提升水柱的高度。
从初始设计的观点来看,工程师会用名为比速率(specific speed)的量,来识别针对某流量及以扬程下,某一种泵是否适合。NPSH(Net Positive Suction Head)是有关泵性能很重要的参数,其中包括二个概念:
为了理想的泵运作,需让NPSHa始终大于NPSHr。这可以确保泵运作时,不会出现可能会造成破坏的空蚀现象(cavitation)。
泵注入流体内的功率会增加流体的能量。因此其功率关系是泵机制的力学能以及泵内流体元素力学能之间的平衡。这是由一系列联立微分方程所统御,此联立微分方程即为纳维-斯托克斯方程。不过在泵内也可以使用较简化的伯努利定律来描述。因此泵需要的功率P为:
其中Δp是入口和出口之间总压的变化(单位是Pa),Q是流体的体积流率,单位是m3/s。 总压有重力位能、静压和动能的元素。也就是说,能量透过流体引力势能的变化、速度的变化以及静压的变化来分配。η是泵的效率,可以从制造商的资讯中得到(例如泵曲线),一般可以由流体动力学模拟(根据泵的几何求解纳维-斯托克斯方程),也可以用测试求得。泵的效率和泵的组态以及运作条件(像转速、流体密度以及黏度等)有关
针对典型的泵组态,会对流体作功,因此功是正值。若是流体对泵作用的应用(涡轮发动机),其功为负值。要驱动泵的功率等于输出功率除以效率。
泵的效率定义为给流体的功率除以驱动泵的功率。即使泵固定,效率也不是定值,是输出流量和扬程冟函数。离心泵的效率随着流量增加,一直到运作范围的一半为止(峰值效率或是最佳效率点),之后效率就随流量减少。这类的泵性能资料会由泵厂商提供,以便客户选择泵。泵的效率会随着时间磨损,而下降(叶轮变小,因此间隙增加)。
若系统中有离心泵时,在设计上需符合泵的“扬程损失-流量特性”,让泵在接近其最佳效率点运作。
泵效率是重要的指标,需要定期测试。热力泵测试是其中一种的测试方式。上标
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