פרק 5: בקרת צד הכניסה של המשאבה

מצב התקנת המשאבה

במערכות הידראוליות תעשייתיות, המשאבה מותקנת בדרך כלל על גב המיכל שמכיל את נוזל המערכת. קו הhapaka (הנקרא גם קו הכניסה) מחבר את פתח הכניסה של המשאבה לשמן במיכל.

הזרימה של הנוזל מהמיכל למשאבה יכולה להיחשב כמערכת הידראולית נפרדת. בתת-המערכת הזו, הלחץ שמתחת לאטמוספירי שנוצר על ידי המשאבה מהווה את התנגדות הזרימה, והאנרגיה שמזיזה את הנוזל מגיעה מהלחץ האטמוספרי. האטמוספירה, הפועלת על פני השטח של השמן במיכל, פועלת כמו מאגר לחץ.

איור 5-1 התקנת משאבה סטנדרטית — המשאבה ממוקמת בחלק העליון, וקו הhapaka נמצא מתחת למדרגת השמן. הלחץ האטמוספרי הפועל על פני השטח של השמן הוא שדוחף את השמן כלפי מעלה לתוך המשאבה.

מדידת הלחץ האטמוספרי

בדרך כלל אנו חושבים שאויר אינו כבד, אך האטמוספירה הסובבת את כדור הארץ אכן מפעילה לחץ. טוריצ'לי, הממציא של הברומטר, הראה שניתן למדוד את הלחץ האטמוספרי באמצעות עמוד זיוּב. על ידי הפיכת צינור מלא בזיוּב לתוך אמבט זיוּב, גילה כי בגובה פני הים הגובה של עמוד הזיוּב שהלחץ האטמוספרי מסוגל לתמוך בו הוא 29.92 אינץ' (760 מ"מ). לפיכך, בתנאים נורמליים, הלחץ האטמוספרי בגובה פני הים שווה (או שקול) לעמוד זיוּב בגובה 29.92 אינץ' (760 מ"מ). כמובן שבכל מיקום הנמצא מעל גובה פני הים הלחץ האטמוספרי יהיה נמוך יותר.

הלחץ ההידראולי מובע בדרך כלל ב-psi או ב-bar, אך הלחץ האטמוספירי מודד בדרך כלל ב-in.Hg (אינצ'ים של כספית) או ב-mmHg. בטמפרטורה של 68°F (20°C) ורطיבות יחסית של 36%, הלחץ האטמוספירי בגובה פני הים שווה ל-29.92 in.Hg או ל-760 mmHg, כלומר 14.7 psia או 1.01 bar. חשוב לציין כי היחידה bar אינה משמשת להגדרת הלחץ האטמוספירי; במקום זאת, הלחץ האטמוספירי התקני הוא 101,000 N/m².

בעת המרה בין in.Hg ל-psi, יש לשים לב כי 1 psia = 2.04 in.Hg, ו-1 bar ≈ 752 mmHg. לכן, בערך: 1 psia ≈ 2 in.Hg, או 1 bar ≈ 750 mmHg.

לחץ מוחלט ולחץ מדוד

גם לחץ מוחלט וגם לחץ מדוד יכולים לשמש למדידת הלחץ במערכת הידראולית.

לחץ מוחלט

הלחץ המוחלט נמדד מהנקודה אפס של הלחץ — הנקודה שבה אין כלל לחץ. היחידה יכולה להיות psi (bar) או in.Hg (mmHg). ללחץ המוחלט מתווספת סיומת 'a': psia (psi מוחלט), bara.

לחץ מדידה

הלחץ היחסי נמדד מהנקודה المرجعية של לחץ האטמוספירה. היחידות הן psi (בר). הלחץ המוחלט שווה ללחץ היחסי ועוד לחץ האטמוספירה התקני. לדוגמה: אם המערכת מראה 100 psig (6.9 בר יחסית), ולחץ האטמוספירה התקני הוא 14.7 psia (1 בר), אז הלחץ המוחלט הוא 114.7 psia (7.9 בר מוחלט). כדי להבחין בין השניים, כותבים את הלחץ היחסי כ־psig ואת הלחץ המוחלט כ־psia.

תנאי הכניסה למדחף

כאשר המדחף אינו פועל, צד הכניסה למערכת נמצא בשיווי משקל — הפרש הלחצים בין המדחף לאטמוספירה הוא אפס, כלומר אין זרימה. על מנת שימסוק המדחף שמן לרכיב הסיבוב שלו, המדחף הפועלת יוצרת לחץ נמוך מלחץ האטמוספירה — המערכת הופכת לא מאוזנת — והזרימה מתחילה.

שתי התפקידים של לחץ האטמוספירה

הלחץ שהאטמוספירה מפעילה על הנוזל משרת שני מטרות:

1. אספקת נוזל לכניסת המדחף.
2. להאיץ את הנוזל לתוך הרכיב הסיבובי המהיר — המהירויות התקניות הן 1,200 סל"ד ו-1,800 סל"ד.

לרוב משתמשים בלחץ האטמוספירי כדי להאיץ את הנוזל לתוך המשאבה, אך המשימה הראשונה חייבת להתבצע תחילה: אספקת הנוזל לכניסת המשאבה. אם יישמר יותר מדי לחץ אטמוספירי בשלב זה, לא יוותר מספיק לחץ להאצת הנוזל לתוך הרכיב הסיבובי. כתוצאה מכך המשאבה תחווה חוסר באספקת נוזל (starvation), ויתרחש מה שמכונה קוויטציה.

קביטציה

קוויטציה היא היווצרות והיעלמות של פקעות אדים בנוזל. היא פוגעת במשאבה בשני אופנים:

3. היא מפריעה לשמירה.
4. היא פוגעת במשטחים מתכתיים.

בצד הכניסה של המשאבה, נוצרים חללים של אדים בכל הנוזל. תופעה זו מפחיתה את יעילות השמירה ומאיצה את ההתעכלות. כאשר החללים הללו מגיעים לאזור הלחץ הגבוה ביציאת המשאבה, דפנותיהם מתכווצות ומתרסקות באורח אלים, משחררות אנרגיה עצומה ש„מגנבת" את פני המטאל — ממש כמו פסל שמשתמש במברג ובקולר על האבן. אם מאפשרים לקוויטציה להימשך, קוצרת תקופת חייו של המשאבה, והפסולת שנוצרת עקב הקוויטציה יכולה לנוע לחלקים אחרים של המערכת ולפגוע ברכיבים נוספים.

איור 5-5: נזק מקוויטציה בקוטר גוף המשאבה. דפוס החורים המיקרוסקופיים נגרם על ידי התפרצויות חוזרות של חללי אדים על פני השטח המטאלי.

סימנים לקוויטציה

הסימן המובהק ביותר של קוויטציה הוא רעש — כאשר מערות מתפוצצות, הן יוצרות ויברציה בעוצמה גבוהה שמתפשטת בכל המערכת, והמשאבה ההידראולית משמיעה צליל חד וחדירתי. כאשר מתרחשת קוויטציה, מכיוון שהתאים של המשאבה אינם מלאים לחלוטין בנוזל, הזרימה קטנה והלחץ במערכת נעשה לא יציב.

איך נוצרת קוויטציה

קוויטציה נוצרת בנוזל משום שהנוזל רותח — אך רתיחה זו אינה נגרמת על ידי חום. היא נגרמת כאשר הנוזל מגיע ללחץ מוחלט נמוך מספיק.

הלחץ האדים של נוזל

כל המולקולות בנוזל נמצאות בתנועה מתמדת, אך לא כולן באותה מהירות. מולקולות מהירות יותר הקרובות לפני השטח מנסות לברוח לחלל מעליהם, למרות כוח המשיכה של המולקולות הסמוכות. הכוח שמולקולות מהירות צריכות להתגבר עליו כדי לברוח לאטמוספרה הוא הלחץ האדים של הנוזל.

אם מיכל הנוזל אטום, מולקולות נעות במהירות גבוהה נכנסות לחלל מעל הנוזל. כאשר החלל הזה מגיע לרוויה באדים, המולקולות מתנגשות זו בזו ומחזירות את עצמן לנוזל. התהליך שבו מולקולות עוזבות את הנוזל נקרא הידרור; התהליך שבו מולקולות חוזרות לנוזל נקרא מיזוג. כאשר קצב ההידרור וקצב המיזוג שווים זה לזה, מושגת שיווי משקל, והלחץ שנוצר על ידי האדים הוא לחץ האדים של אותו נוזל. לחץ אדים מוצג בדרך כלל ביחידי לחץ מוחלטים, כגון אינץ' כספית (in.Hg).

השפעת הטמפרטורה על לחץ האדים

לחץ האדים מושפע מהטמפרטורה. ככל שהטמפרטורה עולה, המולקולות של הנוזל מקבלות יותר אנרגיה ומזדחלות מהר יותר. כתוצאה מכך, לחץ האדים עולה. כאשר לחץ האדים שווה ללחץ האטמוספרי, מולקולות הנוזל יכולות להיכנס בחופשיות לאטמוספירה — תהליך זה נקרא רתיחה. מים בגובה פני הים רותחים ב-212°F (100°צ), מכיוון שבטמפרטורה זו לחץ האדים של המים שווה ללחץ האטמוספרי.

השפעת הלחץ על נקודת הרתיחה

נוזל יכול גם לרתוח על ידי הפחתת הלחץ הפועלים עליו. כאשר הלחץ המופחת שווה ללחץ האדים של הנוזל, מולקולות הנוזל יכולות להיכנס בחופשיות לחלל מעל הנוזל. למים בטמפרטורה של 100°F (37.2°C) יש לחץ אדים של 2 אינץ' כספית (0.068 בר). אם מיכל המים בטמפרטורה של 100°F מחובר לממיסת ואקום והלחץ המוחלט הפנימי יורד ל-2 אינץ' כספית (0.068 בר), המים ירתחו. ממיסות העוסקות בנוזל נתקלות בדרך כלל בסוג זה של רתיחה.

אוויר מומס בנוזל

שמן הידראולי בגובה פני הים מכיל כ-10% אויר מומס. האויר הזה קיים במצב מומס בנוזל — הוא בלתי נראה ואינו מגדיל באופן מורגש את נפח הנוזל. היכולת של שמן הידראולי או כל נוזל אחר להמיס אויר קטנה ככל שהלחץ הפועם על הנוזל קטן. לדוגמה, אם כוס שמן הידראולי תחת לחץ אטמוספרי תונח בריק, האויר המומס יתפזר לכדי בועות ויצא מהפתרון. במהלך הקוויטציה, האויר המומס משתחרר מהשמן וגורם נזק למדחס ההידראוליקה.

אויר מוטבע

אויר מוטבע הוא אויר שנמצא בנוזל במצב לא מומס — כלומר, כבועות. אם מדחס סופק מדי פעם שמן המכיל אויר מוטבע, הבועות יגרמו להשפעות דומות לקוויטציה על המדחס. עם זאת, מאחר שזה אינו קשור ללחץ האדים של הנוזל, אנו מכנים זאת 'קוויטציה מדומה'.

אם קיימים דליפות במערכת הhapaka או אם חותמת ציר המשאבה נכשלת, אוויר נלכד נמצא כמעט תמיד במערכת. מכיוון שהלחץ בצד הhapaka של המשאבה לרוב נמוך מהלחץ האטמוספרי, כל פתח בצד זה יגרום לספיגת אוויר לתוך השמן ולתוך המשאבה. כל пузыיריות אוויר נלכדות שלא יכולות לברוח מהתנור גם כן ייכנסו למשאבה.

דרישות טכניות בצד הhapaka

התרחשות הקוויטציה היא מזיקה מאוד הן למשאבה והן למערכת. מסיבה זו, יצרני משאבות מציינים את הגבולות בצד הhapaka למוצרים שלהם. יצרני משאבות הידראוליות תעשייתיות בעלות נפח קבוע מציינים לרוב כי הלחץ בצד הhapaka של המשאבה חייב להיות נמוך מהלחץ האטמוספרי כדי לאפשר הזנה של הנוזל לתוך היחידה הסובבת של המשאבה. עם זאת, מפרט הלחץ הזה אינו מוצג בדרך כלל ביחסי לחץ מוחלט — אלא במונחים של ריק.

סולם לחץ הריק (ריק)

ריק הוא כל לחץ הנמוך מלחץ האטמוספירה. ריק הוא מושג מבלבל מכיוון שנקודת המוצא שלו זהה לזו של הלחץ היחסי (לחץ האטמוספירה), אך הערכים נמדדים כלפי מטה ביחידות אינץ' כספית (מ"מ כספית).

0 אינץ' (0 מ"מ) ריק = לחץ אטמוספירי או לחץ יחסית אפס. 29.92 אינץ' כספית (760 מ"מ כספית) ריק = ריק מלא או לחץ מוחלט אפס.

קביעת הריק

כמתואר באיור, קערת כספית מחוברת דרך צינור זכוכית למיכל הנמצא תחת לחץ אטמוספירי: מכיוון שהלחץ בתוך המיכל שווה ללחץ האטמוספירי הפועל על הקערה, הכספית לא עולה בצינור הזכוכית. גובה עמוד הכספית האפס מצביע על כך שהמיכל אינו בריק.

אם המיכל נפיח עד שלחץ הפנימי יורד ב-10 אינץ' כספית (254 מ"מ כספית), הלחץ האטמוספרי הפועל על פני השטח של הבריכה יוכל לתמוך אז בגובה של 10 אינץ' (254 מ"מ) כספית — הריק הנמדד הוא 10 אינץ' כספית (254 מ"מ כספית). אם המיכל נפיח לריק מלא (אפס לחץ מוחלט), הלחץ האטמוספרי יוכל לתמוך בגובה של 29.92 אינץ' (760 מ"מ) כספית — הריק הנמדד הוא 29.92 אינץ' כספית (760 מ"מ).

ריק של 0 אינץ' (0 מ"מ) כספית = לחץ אטמוספרי = אפס לחץ מדיד. ריק של 29.92 אינץ' כספית (760 מ"מ) = ריק מלא = אפס לחץ מוחלט.

איור 5-9: מדידת ריק באמצעות מנומטר כספית. שלושת המצבים מלמעלה למטה: אטמוספרי (ריק 0), ריק חלקי (10 אינץ' כספית), וריק מלא (29.92 אינץ' כספית = 0 פסיא).

מִדֵּד רֵיקָן

מד ריקון מוערך מ-0 עד 30 אינץ' כספית (0–760 מ"מ כספית), כאשר כל חלוקה שווה לאינץ' אחד של כספית. בגובה פני הים, כדי להמיר קריאת מד ריקון ללחץ מוחלט, פשוט החסר את קריאת הריקון (באינץ' כספית) מ-30 אינץ' כספית (760 מ"מ כספית). לדוגמה, קריאת ריקון של 7 אינץ' כספית (177 מ"מ כספית) שווה ללחץ מוחלט של 23 אינץ' כספית (583 מ"מ כספית).

השתמש בואקום כדי להגדיר את הדרישות הטכניות של פתח הספיקה של המשאבה

יצרני משאבות משתמשים ביחדות ריקון לדרישות הכניסה מכיוון שהן קשורות לגובה פני הים — כאשר המשאבה משמשת בגבהים מעל פני הים, יש לקחת בחשבון את הלחץ האטמוספרי הנמוך בגובה זה.

דוגמה: אם יצרן מציין שהשֶׁמֶן המרבי בכניסה לא צריך לעלות על 7 אינץ' כספית (177 מ"מ כספית), זה אומר שהיצרן דורש לפחות 23 אינץ' כספית (583 מ"מ כספית) של לחץ מוחלט (או לחץ אטמוספירי) בכניסה למדחס כדי להאיץ את הזרימה לתוך היחידה הסובבת. אם הלחץ המוחלט בכניסה למדחס יורד מתחת ל-23 אינץ' כספית (583 מ"מ כספית), ייתכן שיפגעו במדחס, אף כי זה תלוי בגורם העיצוב שהיצרן קבע לדרגת הריק. כל المواصفות המפורסמות לכניסה למדחס מניחות מהירות נומינלית ושמן פט롤יום. אם המדחס פועל במהירות שונה או משתמש בנוזל אחר, יש להתאים את المواصفות.

השפעת נוזלים שונים על הריק המרבי המותר

הריקוי המרבי המותר של המשאבה תלוי בנוזל שמתניעים. הדרישות הטכניות בצד הכניסה מחושבות על סמך הצפיפות הסגולה ולחץ האדים של שמן נפט. אם משתמשים בנוזלי הידראוליקה בעלי עמידות לשריפה, שינויים בצפיפות הסגולה ובלחץ האדים ישפיעו על הריקוי המרבי המותר בצד הכניסה.

השפעת הצפיפות הסגולה על הריקוי המרבי המותר

הצפיפות הסגולה היא היחס בין משקל נוזל אחד למשקל נוזל אחר. באופן מדויק יותר, זהו היחס בין משקל נפח קבוע של נוזל למשקל הנפח הזה של מים. בטמפרטורה של 60°F (15.6°C), נפח של 1 פוט קוביות של מים שוקל 62.4 ליברות (28.3 ק"ג). כאשר מחלקים את משקל השמן במשקל המים, אנו מוצאים שהשמן שוקל 90% ממשקל המים, כלומר יחס המשקל הוא 1 (מים) ל-0.90 (שמן נפט) — ולכן הצפיפות הסגולה (SG) של שמן נפט היא 0.90.

דרישות הכניסה למשאבה מחושבות עבור שמן נפט עם צפיפות יחסית של 0.87–0.90. עבור נוזל דלק עמיד לאש מסוג אסטר פוספט, הצפיפות היחסית עולה ב-30%, לערך של כ-1.15. הצפיפות היחסית של נוזלים הידראוליים מבוססי מים נעת בין 0.93 (אמולסיה מסוג HFB) ל-1.08 (גليكול-מים). כדי להאיץ את הנוזלים הכבדים הללו לתוך המשאבה, יש צורך בלחץ גבוה יותר בכניסה למשאבה. לפיכך, הריק המרבי המותר צריך להיות מופחת במעט.

השפעת לחץ האדים על הריק המרבי המותר

לשמן נפט ולנוזלים עמידים לאש מסוג אסטר פוספט יש לחץ אדים נמוך מאוד בטמפרטורות הפעלה הידראוליות הרגילות, אך נוזלים הידראוליים מבוססי מים שונים. נוזלים מבוססי מים מכילים אחוז גבוה של מים. לחץ האדים של אמולסיה מסוג HFB ושל גליקול-מים יכול להגיע למספר אינצ'ים של כספית, בעוד שלשמן נפט ולנוזלים הסינתטיים יש לחץ אדים של רק שבריר אינץ' של כספית. לפיכך, נוזלים מבוססי מים נוטים יותר להתאדות וליצירת קavitציה.

כדי למנוע קוויטציה של נוזלים מבוססי מים, יצרני משאבות דורשים לחץ מספיק בכניסה למשאבה כדי להאיץ את הנוזל העובד לתוך המשאבה. דרישה זו יכולה להיענות על ידי הפחתת הריק המרבי המותר.

איור 5-13: השוואה של לחץ אדים. נוזלים מבוססי מים יש להם לחץ אדים גבוה בהרבה מאשר שמן מינרלי באותה טמפרטורה, מה שהופך אותם לפגיעים יותר לקוויטציה אם ריק הכניסה גבוה מדי.

אבחון קוויטציה במשאבה

אנשי התיקון הם האנשים הסבירים ביותר לגילוי מוקדם של קוויטציה במשאבה או של ספיגת אוויר אליה, מכיוון שהיכרותם עם המכונה מאפשרת להם לזהות את הסימנים הראשונים של תקלה.

הסימן המובהק ביותר לקוליטציה של משאבה הידראולית או לבליעת אוויר הוא צליל חד, אך קיימים הבדלים עדינים: משאבה הנמצאת תחת קוליטציה יוצרת צליל חד קבוע — צליל זה עלול להיווצר עקב קריסת בועות בגודל דומה. כאשר המשאבה שואבת אוויר, הצליל שלה משתנה במידה רבה: כאשר כמות קטנה של אוויר נכנסת, הרעש נשמע כמו קליקים או כמו כשל של גלגלת; אם כמויות גדולות של אוויר נכנסות, נוצר צליל מוזר של הקשה או קריסל.

דרך אמינה יותר להבחין בין קוליטציה לבליעת אוויר היא להשתמש במנומטר ריקבון כדי לקבוע את הלחץ המוחלט בכניסה למשאבה. יש להפחית את קריאת הריקבון מהלחץ האטמוספרי; אם ערך הלחץ המוחלט אינו מספיק, ייתכן שמתבצעת קוליטציה.

למערכות הידראוליות חדשות: אם משאבת הידראוליקה סובלת מקוויטציה, הסיבה עשויה להיות תכנון לקוי של צינור הhapaka או צמיגות השמן גבוהה מדי. שימוש בשמן עם הצמיגות הנכונה או הגדלת קוטר צינור הhapaka כדי להפחית את נפילת הלחץ בצינור יסייעו בהפחתת הקוויטציה. למערכת קיימת שתוכננה כראוי: אם משאבת הידראוליקה סובלת מקוויטציה, הסיבה עשויה להיות חסימה בצינור הhapaka על ידי זבל, נייר או בעלי חיים קטנים — או שמסנן הכניסה מזדקר מדי ולא כולל מעבר חלופי (bypass), או שהמעבר החלופי אינו נפתח מספיק.

הזרקת נוזל למשאבה

במקרה של משאבות הידראוליות, "הזרקת נוזל" (priming) פירושה מילוי מנגנון ההשאבה בנוזל. משאבה שלא הוזרקה מכילה אוויר או מה שנקרא 'מנעולי אוויר'. לפני התחלת פעולת ההשאבה, יש להסיר את האוויר הזה מצינור הhapaka ומחדר המשאבה. אם שלב זה לא מתבצע, הפעלת המשאבה ההידראולית ללא הזרקת נוזל עלולה לגרום נזק קבוע תוך דקות בודדות עקב חוסר שמייה.

משאבה שיציאתה מחוברת ישירות למיכל דרך שסתום כיווני יכולה בדרך כלל להוציא בקלות את הגז הנותר למיכל ברגע ההפעלה. אם על המשאבה לפרק את האוויר הפנימי דרך שסתום הלחיצה, פעולה זו עשויה שלא להיות אפשרית — מכיוון שמשאבת הידראוליקה תעשיתית טיפוסית היא מכווץ אוויר גרוע מאוד.

כדי לפרק את האוויר הנותר ממשאבה שאינה מלאה מראש, פשטו את חיבור הצינור ביציאת המשאבה, סובבו לאט את המשאבה עד ששמן יזרום מהחיבורים, מה שמצביע על כך שהמשאבה מלאה מראש, ואז הדקו את החיבור. ניתן גם לפרק את האוויר הנותר על ידי פריקת לחץ משסתום הלחיצה.

משאבות הידראוליות זקוקות למתן נוזל מראש בדרך כלל רק בעת הפעלת מערכת חדשה או כאשר נעשו עבודות תחזוקה בצד הספיגה של מערכת קיימת.

מונחים והגדרות מרכזיים — צד הכניסה של המשאבה

המונחים והנוסחאות הבאים משמשים בעת עבודה בתנאי הכניסה למשאבה:

ספיגה מאופקת

המצב שבו פתח היניקה של המשאבה נמצא מתחת לרמה של נוזל המיכל. במערכת יניקה מוצפת, גובה העמוד הנוזלי (כוח הכבידה) מספק אנרגיה נוספת לדחיקת הנוזל לתוך המשאבה.

הלחץ בצד הראשי

הלחץ בתחתית עמוד נוזלי. כאשר פתח היניקה של המשאבה נמצא מתחת לרמה של הנוזל, לחץ הגובה מספק מקור אנרגיה נוסף למשאבה. נוסחאות לחץ הגובה:

לחץ הרמה

גובה עמוד שקול, מבוטא ביחדות אורך, מתחת לנקודת ייחוס נתונה. נוסחת לחץ הרמה (ב־in.Hg):

הובלה

הפעולה שביצעה משאבה הידראולית כדי ליצור הפרש לחצים בין עצמה לבין האטמוספירה.

לחץ הכניסה

הלחץ המוחלט של הנוזל בפתח היניקה של המשאבה.