Peristaltik pompa - Peristaltic pump

İki yaylı silindirli peristaltik boru pompası
Peristaltik pompa hareket halinde

Bir peristaltik pompa , aynı zamanda genel olarak bir silindir pompa olarak da bilinen, pozitif yer değiştirmeli bir tür pompa çeşitli pompalamak için kullanılan sıvılar . Akışkan, dairesel bir pompa gövdesi içine yerleştirilmiş esnek bir boru içinde bulunur. Doğrusal peristaltik pompalar da yapılmış olsa da, çoğu peristaltik pompa döner hareketle çalışır. Rotor bunlar ile dönerken esnek boru sıkıştırmak dış çevresine birleştirilmiştir "silecekler" ya da "silindirler", bir dizi vardır. Tüpün sıkıştırılan kısmı kapatılarak sıvıyı tüp içerisinde hareket etmeye zorlar. Ayrıca merdaneler geçtikten sonra tüp doğal haline açıldığı için tüpe daha fazla sıvı çekilir. Bu sürece peristalsis denir.ve gastrointestinal sistem gibi birçok biyolojik sistemde kullanılmaktadır . Tipik olarak, boruyu sıkıştıran ve aralarında bir sıvı gövdesini tutan iki veya daha fazla silindir olacaktır. Akışkan gövdesi, borudan pompa çıkışına doğru taşınır. Peristaltik pompalar sürekli çalışabilir veya daha az miktarda sıvı vermek için kısmi devirlerle endekslenebilirler.

Tarih

Doğrusal peristaltik pompa

1845'te The Mechanics Magazine'de bir peristaltik pompa şekli tarif edildi . Pompa, silindirler tarafından serbest bırakıldığında kendiliğinden açılması gerekmeyen, bunun yerine gelen suyun açık giriş ucunu doldurmak için yeterli basınca sahip olmasına dayanan bir deri hortum kullandı. her döngü. Peristaltik pompa ilk olarak Amerika Birleşik Devletleri'nde Rufus Porter ve JD Bradley tarafından 1855'te (ABD Patent numarası 12753) bir kuyu pompası olarak ve daha sonra Eugene Allen tarafından 1881'de (ABD Patent numarası 249285) kan nakli için patentlendi . 1932 yılında tıp öğrencisi iken kalp cerrahı Dr. Michael DeBakey tarafından kan nakli için geliştirilmiş ve daha sonra kendisi tarafından kardiyopulmoner baypas sistemleri için kullanılmıştır . 1992'de kardiyopulmoner baypas sistemleri için yumuşak düz boru kullanan özel bir tıkayıcı olmayan silindir pompa (ABD Patenti 5222880) geliştirilmiştir. Laboratuvar dışında kullanım için teknik ve ticari olarak uygun ilk peristaltik pompa Bernard Refson tarafından geliştirildi.

Uygulamalar

Peristaltik pompalar tipik olarak temiz/steril veya yüksek oranda reaktif sıvıları bu sıvıları açıkta kalan pompa bileşenlerinden kaynaklanan kontaminasyona maruz bırakmadan pompalamak için kullanılır. Bazı yaygın uygulamalar, bir infüzyon cihazı, aferez , yüksek oranda reaktif kimyasallar, yüksek katı madde içeren bulamaçlar ve ürünün çevreden izolasyonunun kritik olduğu diğer malzemeler aracılığıyla IV sıvılarının pompalanmasını içerir . Ayrıca kalp-akciğer makinelerinde baypas ameliyatı sırasında kanı dolaştırmak için ve hemodiyaliz sistemlerinde kullanılırlar, çünkü pompa önemli hemolize veya kan hücrelerinin yırtılmasına neden olmaz .

Anahtar tasarım parametreleri

İdeal peristaltik pompa, sonsuz bir pompa kafası çapına ve mümkün olan en büyük silindir çapına sahip olmalıdır. Böyle ideal bir peristaltik pompa, mümkün olan en uzun boru ömrünü sunacak ve sabit ve titreşimsiz bir akış hızı sağlayacaktır.

Böyle ideal bir peristaltik pompa gerçekte inşa edilemez. Ancak peristaltik pompalar, bu ideal peristaltik pompa parametrelerine yaklaşmak için tasarlanabilir.

Dikkatli tasarım, boru yırtılması riski olmadan uzun bir boru ömrü ile birlikte birkaç hafta boyunca sabit doğru akış hızları sunabilir.

Kimyasal uyumluluk

Pompalanan sıvı sadece borunun iç yüzeyiyle temas eder. Bu, diğer pompa tasarımları için dikkate alınması gereken valfler, O-ringler ve contalar gibi diğer pompa bileşenleriyle akışkan uyumluluğu sorunlarını ortadan kaldırır. Bu nedenle, kimyasal uyumluluk için yalnızca pompalanan ortamın içinden geçtiği borunun bileşimi dikkate alınır.

Pompada milyonlarca sıkma döngüsünden sonra dairesel kesiti korumak için borunun elastomerik olması gerekir . Bu gereklilik, PTFE , poliolefinler , PVDF vb. gibi çok çeşitli kimyasallarla uyumluluğu olan çeşitli elastomerik olmayan polimerlerin pompa boru tesisatı malzemesi olarak değerlendirilmesini ortadan kaldırır . Pompa boruları için popüler elastomerler nitril (NBR), Hypalon , Viton , silikon , PVC , EPDM , EPDM+ polipropilen ( Santprene'de olduğu gibi ), poliüretan ve doğal kauçuktur . Bu malzemelerden doğal kauçuk en iyi yorulma direncine sahiptir ve EPDM ve Hypalon en iyi kimyasal uyumluluğa sahiptir. Silikon, biyo-ilaç endüstrisinde olduğu gibi su bazlı sıvılarda popülerdir , ancak diğer endüstrilerde sınırlı bir kimyasal uyumluluğu vardır.

FKM (Viton, Fluorel, vb.) gibi ekstrüde floropolimer tüpler asitler, hidrokarbonlar ve petrol yakıtları ile iyi uyumluluğa sahiptir , ancak etkili bir tüp ömrü elde etmek için yetersiz yorulma direncine sahiptir.

Çizgili boru ve floroelastomerler kullanarak geniş kimyasal uyumluluk sunan birkaç yeni boru geliştirmesi var .

Astarlı boru sistemiyle, ince iç astar, boru duvarının geri kalanının pompalanan sıvıyla temas etmesini engelleyen poli-olefin ve PTFE gibi kimyasal olarak dirençli bir malzemeden yapılmıştır. Bu astarlar genellikle elastomerik olmayan malzemelerdir, bu nedenle peristaltik pompa uygulamaları için tüm boru duvarı bu malzeme ile yapılamaz. Bu boru, kimyasal olarak zorlu uygulamalarda kullanılmak üzere yeterli kimyasal uyumluluk ve kullanım ömrü sağlar. Bu tüpleri kullanırken akılda tutulması gereken birkaç şey vardır - üretim sırasında astardaki herhangi bir iğne deliği, boruyu kimyasal saldırılara karşı savunmasız hale getirebilir. Poliolefinler gibi sert plastik astarlar durumunda, peristaltik pompada tekrarlanan esneme ile bunlar çatlaklar geliştirebilir ve dökme malzemeyi tekrar kimyasal saldırılara karşı savunmasız hale getirebilir. Tüm astarlı tüplerle ilgili ortak bir sorun, tüpün ömrünün sonuna işaret eden tekrarlanan esneme ile astarın delaminasyonudur. Kimyasal olarak uyumlu boruya ihtiyaç duyanlar için bu astarlı borular iyi bir çözüm sunar.

Floroelastomer boru ile elastomerin kendisi kimyasal dirence sahiptir. Örneğin Chem-Sure durumunda, tüm elastomerler arasında en geniş kimyasal uyumluluğa sahip olan bir perfloroelastomerden yapılmıştır. Yukarıda listelenen iki floroelastomer tüp, kimyasal uyumluluğu, takviye teknolojilerinden kaynaklanan çok uzun bir tüp ömrüyle birleştirir, ancak oldukça yüksek bir başlangıç ​​maliyetine sahiptir. Maliyeti, uzun boru ömrü boyunca elde edilen toplam değerle doğrulamalı ve diğer boru sistemleri ve hatta diğer pompa teknolojileri gibi diğer seçeneklerle karşılaştırmalısınız.

Boru malzemesinin pompalanan sıvı ile kimyasal uyumluluğunu kontrol etmek için birçok çevrimiçi site vardır. Hortum üreticilerinin ayrıca hortum üretim yöntemine, kaplamaya, malzemeye ve pompalanan sıvıya özel uyumluluk çizelgeleri olabilir.

Bu çizelgeler yaygın olarak karşılaşılan sıvıların bir listesini içerse de, tüm sıvılara sahip olmayabilirler. Uyumluluğu hiçbir yerde listelenmeyen bir sıvı varsa, o zaman ortak bir uyumluluk testi daldırma testidir. 1 ila 2 inçlik bir boru numunesi, 24 ila 48 saat arasında herhangi bir yerde pompalanacak sıvıya daldırılır ve daldırmadan önce ve sonra ağırlık değişimi miktarı ölçülür. Ağırlık değişimi başlangıç ​​ağırlığının %10'undan fazla ise o tüp sıvı ile uyumlu değildir ve o uygulamada kullanılmamalıdır. Bu test hala tek yönlü bir testtir, çünkü sınırda uyumluluk ve mekanik esneme kombinasyonu boruyu kenardan itebileceğinden, bu testi geçen borunun hala uygulama için uyumsuz olabileceğine dair uzak bir ihtimal vardır. , erken tüp yetmezliği ile sonuçlanır.

Genel olarak, son boru geliştirmeleri, birçok kimyasal dozaj uygulamasının diğer mevcut pompa teknolojilerine göre fayda sağlayabileceği peristaltik pompa seçeneğine geniş kimyasal uyumluluk getirmiştir.

oklüzyon

Silindir ve mahfaza arasındaki minimum boşluk, boruya uygulanan maksimum sıkıştırmayı belirler. Boruya uygulanan sıkıştırma miktarı, pompalama performansını ve boru ömrünü etkiler - daha fazla sıkma borunun ömrünü önemli ölçüde azaltırken, daha az sıkma, özellikle yüksek basınçlı pompalamada, pompalanan ortamın geri kaymasına neden olabilir ve pompanın verimini düşürür. çarpıcı biçimde ve geri kaymanın yüksek hızı tipik olarak hortumun erken arızalanmasına neden olur. Bu nedenle, bu sıkıştırma miktarı önemli bir tasarım parametresi haline gelir.

Sıkışma miktarını ölçmek için "tıkanma" terimi kullanılır. Ya duvar kalınlığının iki katının yüzdesi olarak ya da sıkıştırılan duvarın mutlak miktarı olarak ifade edilir.

İzin Vermek

y = oklüzyon
g = silindir ve gövde arasındaki minimum boşluk
t = borunun duvar kalınlığı

Sonra

y = 2t - g (mutlak sıkma miktarı olarak ifade edildiğinde)
y = %100 x (2t - g) / (2t) (duvar kalınlığının iki katının yüzdesi olarak ifade edildiğinde)

Tıkanma tipik olarak %10 ila %20'dir, daha yumuşak bir boru malzemesi için daha yüksek bir tıkanıklık ve daha sert bir boru malzemesi için daha düşük bir tıkanıklık.

Böylece belirli bir pompa için en kritik boru boyutu duvar kalınlığı olur. Buradaki ilginç bir nokta, borunun iç çapının (ID), borunun pompaya uygunluğu açısından önemli bir tasarım parametresi olmamasıdır. Bu nedenle, duvar kalınlığı aynı kaldığı sürece bir pompa ile birden fazla ID kullanılması yaygındır.

İç çapı

Pompanın belirli bir dönüş hızı için, daha büyük bir iç çapa (ID) sahip bir boru, daha küçük bir iç çapa sahip bir borudan daha yüksek bir akış hızı verecektir. Akış hızı, boru deliğinin kesit alanının bir fonksiyonudur.

Akış hızı

Akış hızı, bir pompa için önemli bir parametredir. Bir peristaltik pompadaki akış hızı, aşağıdakiler gibi birçok faktör tarafından belirlenir:

  1. Tüp iç çapı - daha büyük iç çap ile daha yüksek akış hızı
  2. Pompa kafası dış çapı - daha büyük dış çap ile daha yüksek akış hızı
  3. Pompa kafası dönüş hızı - daha yüksek hızda daha yüksek akış hızı
  4. Giriş Darbesi - darbe, hortumun dolum hacmini azaltır

Silindir sayısını artırmak akış hızını artırmaz, bunun yerine kafanın etkin (yani sıvı pompalayan) çevresini azaltarak akış hızını biraz azaltır. Artan silindirler, darbeli akışın frekansını artırarak çıkışta darbeli sıvının genliğini azaltma eğilimindedir.

Tüpün uzunluğu (girişin yakınındaki ilk sıkışma noktasından çıkışın yakınındaki son serbest bırakma noktasına kadar ölçülen) akış hızını etkilemez. Bununla birlikte, daha uzun bir boru, giriş ve çıkış arasında daha fazla sıkışma noktası anlamına gelir ve pompanın oluşturabileceği basıncı artırır.

Bir peristaltik pompanın akış hızı çoğu durumda doğrusal değildir. Pompanın girişindeki titreşimin etkisi peristaltik hortumun dolum derecesini değiştirir. Yüksek giriş titreşimi ile peristaltik hortum, daha az akışla sonuçlanan oval şekilli hale gelebilir. Bu nedenle bir peristaltik pompa ile doğru ölçüm, yalnızca pompa sabit bir akış hızına sahip olduğunda veya doğru tasarlanmış titreşim sönümleyicilerin kullanımıyla giriş titreşimi tamamen ortadan kaldırıldığında mümkündür.

nabız

Nabız, peristaltik pompanın önemli bir yan etkisidir. Bir peristaltik pompadaki titreşim, aşağıdakiler gibi birçok faktör tarafından belirlenir:

  1. Akış Hızı - daha yüksek akış hızı daha fazla titreşim sağlar
  2. Hat Uzunluğu - Uzun boru hatları daha fazla titreşim verir
  3. Daha Yüksek Pompa Hızı - daha yüksek RPM daha fazla titreşim sağlar
  4. Sıvının özgül ağırlığı - daha yüksek sıvı yoğunluğu daha fazla Nabız verir

Varyasyonlar

Hortum pompaları

Sürekli hizmette tipik olarak 16 bar'a (230 psi) kadar çalışabilen daha yüksek basınçlı peristaltik hortum pompaları, pabuçlar (yalnızca düşük basınçlı tiplerde kullanılan silindirler) kullanır ve pompa borusunun dışının aşınmasını önlemek için yağlayıcı ile doldurulmuş muhafazalara sahiptir. ve ısının yayılmasına yardımcı olmak için ve genellikle "hortumlar" olarak adlandırılan güçlendirilmiş borular kullanın. Bu pompa sınıfına genellikle "hortum pompası" denir.

Hortumlu pompaların makaralı pompalara göre en büyük avantajı 16 bara kadar çıkan yüksek çalışma basıncıdır. Silindirler ile maksimum basınç 12 bar'a (170 psi) kadar sorunsuz bir şekilde ulaşabilir. Yüksek çalışma basıncı gerekli değilse, pompalanan ortam aşındırıcı değilse bir hortum pompası hortum pompasından daha iyi bir seçenektir. Basınç, ömür ve kimyasal uyumluluk için boru teknolojisinde yapılan son gelişmelerin yanı sıra daha yüksek akış hızı aralıkları ile hortum pompalarının silindirli pompalara göre avantajları azalmaya devam ediyor.

Tüp pompaları

Düşük basınçlı peristaltik pompalar tipik olarak kuru mahfazalara sahiptir ve takviye edilmemiş, ekstrüde edilmiş boru ile birlikte silindirler kullanır. Bu pompa sınıfına bazen "boru pompası" veya "boru pompası" denir. Bu pompalar, boruyu sıkmak için silindirler kullanır. Aşağıda açıklanan 360° eksantrik pompa tasarımı dışında, bu pompaların en az 180° aralıklı 2 silindiri vardır ve 8 hatta 12 silindire kadar olabilir. Silindir sayısının arttırılması, çıkışta pompalanan sıvının basınç darbe frekansını arttırır, böylece darbe genliğini azaltır. Silindir sayısını artırmanın dezavantajı, o borudan belirli bir kümülatif akış için borudaki sıkma veya tıkanıklıkların sayısını orantılı olarak artırması ve böylece boru ömrünü azaltmasıdır.

Peristaltik pompalarda iki tür silindir tasarımı vardır:

  • Sabit tıkanıklık - Bu tür pompada, dönerken silindirlerin sabit bir yeri vardır ve boruyu sıkıştırırken tıkanmayı sabit tutar. Bu basit ama etkili bir tasarımdır. Bu tasarımın tek dezavantajı, tüp üzerindeki yüzde olarak tıkanıklığın, tüp duvar kalınlığının değişmesiyle değişmesidir. Tipik olarak, ekstrüde edilmiş tüplerin duvar kalınlığı, % tıkanıklık duvar kalınlığı ile değişebilecek kadar değişir (yukarıya bakın). Bu nedenle, daha büyük duvar kalınlığına sahip, ancak kabul edilen tolerans dahilinde borunun bir bölümü, boru üzerindeki aşınmayı artıran ve dolayısıyla boru ömrünü azaltan daha yüksek tıkanma yüzdesine sahip olacaktır. Günümüzde boru et kalınlığı toleransları genellikle yeterince sıkı tutulmakta ve bu konu pratikte pek sorun teşkil etmemektedir. Mekanik olarak eğimli olanlar için bu, sabit gerinim işlemi olabilir.
  • Yaylı silindirler - Adından da anlaşılacağı gibi, bu pompadaki silindirler bir yay üzerine monte edilmiştir. Bu tasarım, sabit oklüzyondan daha ayrıntılıdır, ancak daha geniş bir aralıkta tüp duvar kalınlığındaki varyasyonların üstesinden gelmeye yardımcı olur. Varyasyonlardan bağımsız olarak, silindir, boruya yay sabitiyle orantılı olarak aynı miktarda stres uygulayarak bunu sabit bir stres işlemi haline getirir. Yay, sadece borunun çember mukavemetini değil, aynı zamanda pompalanan sıvının basıncını da aşacak şekilde seçilmiştir.

Bu pompaların çalışma basıncı, boru tesisatı ve motorun boru tesisatının çember mukavemetinin ve sıvı basıncının üstesinden gelme kabiliyeti ile belirlenir.

Mikroakışkan pompalar

Pnömatik olarak çalıştırılan bir mikroakışkan peristaltik pompada kullanılan pompalama sırası.

Mikroakışkanlarda, dolaşan sıvı hacminin en aza indirilmesi genellikle arzu edilir. Geleneksel pompalar, mikroakışkan devresinin dışında büyük miktarda sıvı gerektirir. Bu, analitlerin seyreltilmesi ve halihazırda seyreltilmiş biyolojik sinyal molekülleri nedeniyle sorunlara yol açabilir. Bu nedenle, diğerlerinin yanı sıra mikro-pompalama yapısının mikroakışkan devresine entegre edilmesi arzu edilir. Wu et al. 2008'de büyük harici sirkülasyon sıvısı hacimlerine olan ihtiyacı ortadan kaldıran pnömatik olarak çalıştırılan bir peristaltik mikro pompa sundu.

Avantajlar

  • Kirlenme yok. Pompanın pompalanan sıvı ile temas eden tek kısmı tüpün içi olduğundan, pompanın iç yüzeylerini sterilize etmek ve temizlemek kolaydır .
  • Düşük bakım ihtiyacı ve temizlenmesi kolay; vanalar, mühürler ve onların eksikliği bezleri bakım olanağı nispeten ucuz hale getirir.
  • Bulamaçları, viskoz, kaymaya duyarlı ve agresif sıvıları işleyebilirler.
  • Pompa tasarımı, valfler olmadan geri akışı ve sifonlamayı önler.
  • Dönme başına sabit bir miktarda sıvı pompalanır, bu nedenle pompalanan sıvı miktarını kabaca ölçmek için kullanılabilir.

Dezavantajları

  • Esnek boru sistemi zamanla bozulma eğilimi gösterecek ve periyodik olarak değiştirilmeyi gerektirecektir.
  • Akış, özellikle düşük dönüş hızlarında darbelidir. Bu nedenle, bu pompalar düzgün ve tutarlı bir akışın gerekli olduğu yerlerde daha az uygundur. Alternatif bir pozitif deplasmanlı pompa tipi daha sonra düşünülmelidir.
  • Etkinlik sıvı viskozitesi ile sınırlıdır

boru

Peristaltik pompa boru tesisatının seçilmesine ilişkin hususlar, pompanın sürekli mi yoksa aralıklı olarak mı kullanılacağına, pompalanan sıvıya karşı uygun kimyasal direnci ve maliyeti içerir. Peristaltik pompalarda yaygın olarak kullanılan boru türleri şunları içerir:

Sürekli kullanım için, malzemelerin çoğu kısa zaman dilimlerinde benzer şekilde çalışır. Bu, PVC gibi gözden kaçan düşük maliyetli malzemelerin kısa süreli, tek kullanımlık tıbbi uygulamaların ihtiyaçlarını karşılayabileceğini göstermektedir. Aralıklı kullanım için sıkıştırma seti önemlidir ve Silikon optimal bir malzeme seçimidir.

Tipik uygulamalar

Bir su arıtma tesisinin kimyasal arıtma işleminde kullanılan peristaltik pompa

Ayrıca bakınız

Referanslar