白衛(wèi)衛(wèi)

(河南省舞陽縣農(nóng)業(yè)機械推廣站, 河南 舞陽　462400)

0　引　言

目前，分析儀器上廣泛采用注射泵或蠕動泵作為液體輸送的動力。注射泵可以實現(xiàn)高精度，平穩(wěn)無脈動的液體傳輸，但價格昂貴；蠕動泵價格便宜，但蠕動泵的泵管需要經(jīng)常維護和更換。

1　氣體置換泵工作原理分析及設計要點

氣體置換泵原理如圖1所示。

圖1　氣體置換泵原理圖

氣體置換泵由一個密閉容器，進氣管路，出液管路三部分組成。其工作原理是密閉容器內(nèi)盛有液體，向封閉容器內(nèi)通入具有一定壓力的氣體(空氣或惰性氣體)時，容器內(nèi)的液體在壓力的作用下沿著出液管路流出。出液速度與入口壓力有關，入口壓力越大，出液越快。

氣體置換泵設計要點：

(1) 通入的氣體不溶于密閉容器內(nèi)的液體，也不能與之發(fā)生反應。

(2) 密閉容器應具有足夠的強度，具有一定的耐壓性，通過進氣管路向密閉容器內(nèi)通入具有一定壓力的氣體時，密閉容器不變形。

(3) 進氣管路插入容器的一端應該高于液面高度，出液管路插入容器的一端應該低于高度。

(4) 容器內(nèi)設計液位報警開關，在容器內(nèi)液面低于設定值時有提示或報警。

2　氣體置換泵壓力-流量理論分析計算

氣體置換泵的液體可以分為兩部分：①密閉容器內(nèi)近似靜止的液體；②出液管路內(nèi)流動的液體。

在圖1氣體置換泵原理圖中，選取氣體置換泵密閉容器內(nèi)的液面為斷面Ⅰ-Ⅰ，氣體置換泵出液口處為斷面Ⅱ-Ⅱ。對斷面Ⅰ-Ⅰ和斷面Ⅱ-Ⅱ列伯努利方程，并以斷面Ⅰ-Ⅰ為基準面，即有：

(1)

式中：P1、P2為斷面Ⅰ-Ⅰ和斷面Ⅱ-Ⅱ處的液體壓力，MPa；v1、v2為斷面Ⅰ-Ⅰ和斷面Ⅱ-Ⅱ處的液體平均流速，m/s；α1、α2為斷面Ⅰ-Ⅰ和斷面Ⅱ-Ⅱ處的液體動能修正系數(shù)，無量綱；本設計中液體做層流流動，α1=α2=2；ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；h為斷面Ⅱ-Ⅱ距斷面Ⅰ-Ⅰ(基準面)的垂直距離，m；hw為由于液體粘性的存在造成的水頭損失，m。

斷面Ⅰ-Ⅰ的液體壓力為通入的氣體壓力P0，即P1=P0，液面下降的速度可近似為0，即v1=0；斷面Ⅱ-Ⅱ的液體壓力為大氣壓，P2=0，液體流速v2=v。液體的壓力損失為Pw=ρghw。

從而得到斷面Ⅱ-Ⅱ處的液體平均流速：

(2)

本設計中，液體在直徑不變的直管中做層流流動，壓力損失主要是沿程壓力損失，即有Pw=Pλ。沿程壓力損失的計算公式為：

(3)

式中：λ為沿程壓力損失系數(shù)，無量綱；層流時，沿程壓力損失系數(shù)的理論值為λ=64/Re，實際值要大一些。Re為雷諾數(shù)；l為管路長度，m；d為管路內(nèi)徑，m；ρ為液體密度，kg/m3；ν為液體運動粘度，m2/s。

得出出口流量計算公式：

(4)

3　氣體置換泵流量仿真與實驗

3.1　氣體置換泵流量仿真

以氣體置換泵為研究對象，建立氣體置換泵的壓力為流量仿真模型。

仿真步驟：

(1) 創(chuàng)建端蓋，形成封閉的仿真模型腔體。

(2) 運行設置向導，select fluids 步選擇液體為水作為介質；Result and Geometry Resolution(設置結果和幾何精度)。

(3) 設置邊界條件：分別設置了入口靜壓力和出口靜壓力，出口靜壓力為環(huán)境氣壓。

(4) 確定求解目標：出口體積流量。

(5) 新建參數(shù)研究，選擇輸入變量為入口靜壓力(離散型)，輸出參數(shù)為出口體積流量。入口靜壓力取值范圍為0～200 000 Pa，步長為20 000 Pa，求解出液管路的出口流量。

流量仿真結果見表1，出口流量隨入口壓力變化曲線如圖2。

表1　密閉容器內(nèi)液面高度為180 mm時的出口流量仿真結果

圖2　密閉容器內(nèi)液面高度為180 mm時的流量-壓力仿真曲線

由圖2可以看出，出口流量與入口壓力成線性關系。入口壓力越大，出口量量越大。入口壓力為0時，由于密閉容器內(nèi)的液面具有一定的重力，出口仍具有微小的流量。

不同入口壓力下出口流量隨液面高度變化的仿真結果見表2，變化趨勢曲線見圖3。

表2　不同入口壓力下的出口流量隨液面變化的仿真結果

圖3　不同入口壓力下出口流量隨液面高度變化曲線1.入口壓力0.15 MPa　2.入口壓力0.10 MPa　3.入口壓力0.05 MPa

3.2　氣體置換泵測試結果

氣體置換泵壓力-流量關系測試裝置原理如圖4所示。采用空氣壓縮機作為氣源，在液面高度均為180 mm時，用精密調(diào)壓閥設置氣體壓力，利用調(diào)試軟件控制兩位三通電磁閥的開啟時間均為5 s，利用100 mL量筒測量流出的液體體積，測量3次，計算平均值。測試計算結果如表3。

圖4　氣體置換泵壓力-流量關系測試裝置　　　1.氣源　2.氣源處理三聯(lián)件　3.截止閥　4.精密調(diào)壓閥　5.氣體置換泵　6.兩通電磁閥　7.量筒

表3　氣體置換泵出口流量測試結果

測試結果與仿真結果的對比曲線如圖5所示。

圖5　測試結果與仿真結果對比曲線

從圖5可看出，在相同的入口壓力時出口流量的測試結果小于仿真結果。造成誤差的原因是：仿真過程中未考慮兩通電磁閥及管壁粗糙度造成的壓力損失；測量過程中的誤差。

4　氣體置換泵應用舉例

在樣品前處理設備中，氣體置換泵可以用來清洗移液針。原理如圖6所示。

圖6　氣體置換泵在樣品移液設備中的應用原理圖1.氣源　2.氣源處理三聯(lián)件　3.截止閥　4.精密調(diào)壓閥　5.氣體置換泵　6.注射泵　7.兩位三通電磁閥　8.樣品容器　9.廢液槽

來自氣源的氣體經(jīng)氣源處理三聯(lián)件冷卻、過濾和干燥后，經(jīng)精密調(diào)壓閥減壓后，進入氣體置換泵的密封容器內(nèi)，推動密封容器內(nèi)的清洗溶劑沿出液管路流出，以清洗樣品管路，廢液流入廢液槽；注射泵用于準確抽取樣品容器內(nèi)的液體樣品將其轉移到另一容器內(nèi)。注射泵轉移完樣品后，氣體置換泵用于清洗樣品管路，防止交叉污染；兩位三通電磁閥用于液體樣品和清洗溶劑的切換。氣體置換泵的出口流量調(diào)節(jié)靠改變氣源壓力的大小來實現(xiàn)。

5　結　論

利用壓縮空氣作為動力設計了一款氣體置換泵，對泵的流量-壓力特性進行了仿真和實驗，并列舉了具體的應用實例。該氣體置換泵采用氣動移液技術，成本低、結構簡單、可靠性高、免維護，而且清潔無污染，已批量應用在實驗室液體樣品前處理設備上，還可以應用在氣動式農(nóng)藥噴灑裝置或灑水除塵裝置上，具有較高的應用和推廣價值。