气体置换泵的压力流量特性研究*

白卫卫

(河南省舞阳县农业机械推广站, 河南 舞阳　462400)

0　引　言

目前，分析仪器上广泛采用注射泵或蠕动泵作为液体输送的动力。注射泵可以实现高精度，平稳无脉动的液体传输，但价格昂贵；蠕动泵价格便宜，但蠕动泵的泵管需要经常维护和更换。

1　气体置换泵工作原理分析及设计要点

气体置换泵原理如图1所示。

图1　气体置换泵原理图

气体置换泵由一个密闭容器，进气管路，出液管路三部分组成。其工作原理是密闭容器内盛有液体，向封闭容器内通入具有一定压力的气体(空气或惰性气体)时，容器内的液体在压力的作用下沿着出液管路流出。出液速度与入口压力有关，入口压力越大，出液越快。

气体置换泵设计要点：

(1) 通入的气体不溶于密闭容器内的液体，也不能与之发生反应。

(2) 密闭容器应具有足够的强度，具有一定的耐压性，通过进气管路向密闭容器内通入具有一定压力的气体时，密闭容器不变形。

(3) 进气管路插入容器的一端应该高于液面高度，出液管路插入容器的一端应该低于高度。

(4) 容器内设计液位报警开关，在容器内液面低于设定值时有提示或报警。

2　气体置换泵压力-流量理论分析计算

气体置换泵的液体可以分为两部分：①密闭容器内近似静止的液体；②出液管路内流动的液体。

在图1气体置换泵原理图中，选取气体置换泵密闭容器内的液面为断面Ⅰ-Ⅰ，气体置换泵出液口处为断面Ⅱ-Ⅱ。对断面Ⅰ-Ⅰ和断面Ⅱ-Ⅱ列伯努利方程，并以断面Ⅰ-Ⅰ为基准面，即有：

(1)

式中：P1、P2为断面Ⅰ-Ⅰ和断面Ⅱ-Ⅱ处的液体压力，MPa；v1、v2为断面Ⅰ-Ⅰ和断面Ⅱ-Ⅱ处的液体平均流速，m/s；α1、α2为断面Ⅰ-Ⅰ和断面Ⅱ-Ⅱ处的液体动能修正系数，无量纲；本设计中液体做层流流动，α1=α2=2；ρ为液体密度，kg/m3；g为重力加速度，g=9.8 m/s2；h为断面Ⅱ-Ⅱ距断面Ⅰ-Ⅰ(基准面)的垂直距离，m；hw为由于液体粘性的存在造成的水头损失，m。

断面Ⅰ-Ⅰ的液体压力为通入的气体压力P0，即P1=P0，液面下降的速度可近似为0，即v1=0；断面Ⅱ-Ⅱ的液体压力为大气压，P2=0，液体流速v2=v。液体的压力损失为Pw=ρghw。

从而得到断面Ⅱ-Ⅱ处的液体平均流速：

(2)

本设计中，液体在直径不变的直管中做层流流动，压力损失主要是沿程压力损失，即有Pw=Pλ。沿程压力损失的计算公式为：

(3)

式中：λ为沿程压力损失系数，无量纲；层流时，沿程压力损失系数的理论值为λ=64/Re，实际值要大一些。Re为雷诺数；l为管路长度，m；d为管路内径，m；ρ为液体密度，kg/m3；ν为液体运动粘度，m2/s。

得出出口流量计算公式：

(4)

3　气体置换泵流量仿真与实验

3.1　气体置换泵流量仿真

以气体置换泵为研究对象，建立气体置换泵的压力为流量仿真模型。

仿真步骤：

(1) 创建端盖，形成封闭的仿真模型腔体。

(2) 运行设置向导，select fluids 步选择液体为水作为介质；Result and Geometry Resolution(设置结果和几何精度)。

(3) 设置边界条件：分别设置了入口静压力和出口静压力，出口静压力为环境气压。

(4) 确定求解目标：出口体积流量。

(5) 新建参数研究，选择输入变量为入口静压力(离散型)，输出参数为出口体积流量。入口静压力取值范围为0～200 000 Pa，步长为20 000 Pa，求解出液管路的出口流量。

流量仿真结果见表1，出口流量随入口压力变化曲线如图2。

表1　密闭容器内液面高度为180 mm时的出口流量仿真结果

图2　密闭容器内液面高度为180 mm时的流量-压力仿真曲线

由图2可以看出，出口流量与入口压力成线性关系。入口压力越大，出口量量越大。入口压力为0时，由于密闭容器内的液面具有一定的重力，出口仍具有微小的流量。

不同入口压力下出口流量随液面高度变化的仿真结果见表2，变化趋势曲线见图3。

表2　不同入口压力下的出口流量随液面变化的仿真结果

图3　不同入口压力下出口流量随液面高度变化曲线1.入口压力0.15 MPa　2.入口压力0.10 MPa　3.入口压力0.05 MPa

3.2　气体置换泵测试结果

气体置换泵压力-流量关系测试装置原理如图4所示。采用空气压缩机作为气源，在液面高度均为180 mm时，用精密调压阀设置气体压力，利用调试软件控制两位三通电磁阀的开启时间均为5 s，利用100 mL量筒测量流出的液体体积，测量3次，计算平均值。测试计算结果如表3。

图4　气体置换泵压力-流量关系测试装置　　　1.气源　2.气源处理三联件　3.截止阀　4.精密调压阀　5.气体置换泵　6.两通电磁阀　7.量筒

表3　气体置换泵出口流量测试结果

测试结果与仿真结果的对比曲线如图5所示。

图5　测试结果与仿真结果对比曲线

从图5可看出，在相同的入口压力时出口流量的测试结果小于仿真结果。造成误差的原因是：仿真过程中未考虑两通电磁阀及管壁粗糙度造成的压力损失；测量过程中的误差。

4　气体置换泵应用举例

在样品前处理设备中，气体置换泵可以用来清洗移液针。原理如图6所示。

图6　气体置换泵在样品移液设备中的应用原理图1.气源　2.气源处理三联件　3.截止阀　4.精密调压阀　5.气体置换泵　6.注射泵　7.两位三通电磁阀　8.样品容器　9.废液槽

来自气源的气体经气源处理三联件冷却、过滤和干燥后，经精密调压阀减压后，进入气体置换泵的密封容器内，推动密封容器内的清洗溶剂沿出液管路流出，以清洗样品管路，废液流入废液槽；注射泵用于准确抽取样品容器内的液体样品将其转移到另一容器内。注射泵转移完样品后，气体置换泵用于清洗样品管路，防止交叉污染；两位三通电磁阀用于液体样品和清洗溶剂的切换。气体置换泵的出口流量调节靠改变气源压力的大小来实现。

5　结　论

利用压缩空气作为动力设计了一款气体置换泵，对泵的流量-压力特性进行了仿真和实验，并列举了具体的应用实例。该气体置换泵采用气动移液技术，成本低、结构简单、可靠性高、免维护，而且清洁无污染，已批量应用在实验室液体样品前处理设备上，还可以应用在气动式农药喷洒装置或洒水除尘装置上，具有较高的应用和推广价值。