Peristaltisk pump

Peristaltisk slangpump med två fjädrande rullar
Peristaltisk pump i rörelse

En peristaltisk pump , även känd som en rullpump, är en typ av positiv deplacementpump som används för att pumpa en mängd olika vätskor . Vätskan finns i ett flexibelt rör monterat inuti ett cirkulärt pumphus. De flesta peristaltiska pumpar fungerar genom roterande rörelse, även om linjära peristaltiska pumpar också har gjorts. Rotorn har ett antal "torkare" eller "rullar" fästa på sin yttre omkrets, som trycker ihop det flexibla röret när de roterar förbi . Den del av röret som är under kompression stängs, vilket tvingar vätskan att röra sig genom röret. Dessutom, när röret öppnar till sitt naturliga tillstånd efter att rullarna passerat, dras mer vätska in i röret. Denna process kallas peristaltik och används i många biologiska system såsom mag-tarmkanalen . Vanligtvis kommer det att finnas två eller flera rullar som komprimerar röret och fångar en vätska mellan dem. Vätskekroppen transporteras genom röret, mot pumpens utlopp. Peristaltiska pumpar kan köras kontinuerligt, eller så kan de indexeras genom partiella varv för att leverera mindre mängder vätska.

Historia

Linjär peristaltisk pump

En form av peristaltisk pump beskrevs i The Mechanics Magazine 1845. Pumpen använde en läderslang som inte behövde öppna sig själv när den släpptes av rullarna, istället förlitade sig på att det inkommande vattnet hade tillräckligt tryck för att fylla den öppna inloppsänden på varje cykel. Den peristaltiska pumpen patenterades först i USA av Rufus Porter och JD Bradley 1855 (US-patentnummer 12753) som en brunnspump och senare av Eugene Allen 1881 (US-patentnummer 249285) för blodtransfusioner . Det utvecklades av hjärtkirurgen Dr Michael DeBakey för blodtransfusioner medan han var läkarstudent 1932 och användes senare av honom för kardiopulmonella bypass- system. En specialiserad icke-ocklusiv rullpump (US Patent 5222880) som använder mjuka platta slangar utvecklades 1992 för kardiopulmonella bypass-system.

Ansökningar

Peristaltiska pumpar används vanligtvis för att pumpa rena/sterila eller mycket reaktiva vätskor utan att utsätta dessa vätskor för kontaminering från exponerade pumpkomponenter. Några vanliga applikationer inkluderar pumpning av IV-vätskor genom en infusionsanordning, aferes , högreaktiva kemikalier, uppslamningar med hög fast substans och andra material där isolering av produkten från miljön är kritisk. De används också i hjärt-lungmaskiner för att cirkulera blod under bypassoperationer och i hemodialyssystem , eftersom pumpen inte orsakar signifikant hemolys eller bristning av blodkropparna.

Viktiga designparametrar

Den idealiska peristaltiska pumpen bör ha en oändlig diameter på pumphuvudet och största möjliga diameter på rullarna. En sådan idealisk peristaltisk pump skulle erbjuda den längsta möjliga slanglivslängden och ge en konstant och pulsationsfri flödeshastighet.

En sådan idealisk peristaltisk pump kan inte konstrueras i verkligheten. Däremot kan peristaltiska pumpar utformas för att närma sig dessa idealiska peristaltiska pumpparametrar.

Noggrann design kan erbjuda konstanta exakta flödeshastigheter i flera veckor tillsammans med en lång slanglivslängd utan risk för att slangen går sönder. [ citat behövs ]

Kemisk kompatibilitet

Den pumpade vätskan kommer endast i kontakt med insidan av slangen. Detta eliminerar vätskekompatibilitetsproblem med andra pumpkomponenter som ventiler, O-ringar och tätningar, som måste beaktas för andra pumpkonstruktioner. Därför beaktas endast sammansättningen av slangen som det pumpade mediet färdas genom för kemisk kompatibilitet.

Slangen måste vara elastomer för att bibehålla det cirkulära tvärsnittet efter miljontals cykler av klämning i pumpen. Detta krav eliminerar en mängd olika icke-elastomera polymerer som är kompatibla med ett brett spektrum av kemikalier, såsom PTFE , polyolefiner , PVDF , etc. från att betraktas som material för pumpslangar. De populära elastomererna för pumpslangar är nitril (NBR), Hypalon , Viton , silikon , PVC , EPDM , EPDM+ polypropen (som i Santoprene ), polyuretan och naturgummi . Av dessa material har naturgummi den bästa utmattningsbeständigheten och EPDM och Hypalon har den bästa kemiska kompatibiliteten. Silikon är populärt med vattenbaserade vätskor, till exempel inom biofarmaindustrin, men har ett begränsat utbud av kemisk kompatibilitet i andra industrier.

Extruderade fluorpolymerrör såsom FKM (Viton, Fluorel, etc.) har god kompatibilitet med syror, kolväten och petroleumbränslen , men har otillräcklig utmattningsbeständighet för att uppnå en effektiv rörlivslängd.

Det finns ett par nyare rörutvecklingar som erbjuder bred kemisk kompatibilitet med fodrade rör och fluorelastomerer .

Med fodrad slang är den tunna insidan gjord av ett kemiskt resistent material som polyolefin och PTFE som utgör en barriär för resten av slangväggen från att komma i kontakt med den pumpade vätskan. Dessa liners är material som ofta inte är elastomeriska, därför kan hela rörväggen inte tillverkas med detta material för användning av peristaltiska pumpar. Denna slang ger tillräcklig kemisk kompatibilitet och livslängd för att användas i kemiskt utmanande applikationer. Det finns några saker att tänka på när du använder dessa rör - eventuella nålhål i fodret under tillverkningen kan göra röret sårbart för kemiska angrepp. I fallet med styva plastfoder som polyolefinerna, med upprepad böjning i den peristaltiska pumpen, kan de utveckla sprickor, vilket gör bulkmaterialet igen sårbart för kemiska angrepp. Ett vanligt problem med alla fodrade rör är delamineringen av fodret med upprepad böjning som signalerar slutet på rörets livslängd. För dem med behov av kemiskt kompatibla slangar erbjuder dessa fodrade slangar en bra lösning.

Med fluorelastomerslangar har själva elastomeren den kemiska resistensen. I fallet med t.ex. Chem-Sure är den gjord av en perfluorelastomer som har den bredaste kemiska kompatibiliteten av alla elastomerer. De två fluorelastomerrören som listas ovan kombinerar den kemiska kompatibiliteten med en mycket lång rörlivslängd som härrör från deras förstärkningsteknologi men har en ganska hög initial kostnad. Man måste motivera kostnaden med det totala värdet som härleds över den långa slanglivslängden och jämföra med andra alternativ såsom andra slangar eller till och med andra pumptekniker.

Det finns många webbsidor för att kontrollera den kemiska kompatibiliteten hos slangmaterialet med den pumpade vätskan. Slangtillverkarna kan också ha kompatibilitetsdiagram som är specifika för deras slangproduktionsmetod, beläggning, material och vätskan som pumpas.

Även om dessa diagram täcker en lista över vanliga vätskor, kanske de inte har alla vätskor. Om det finns en vätska vars kompatibilitet inte finns listad någonstans, är ett vanligt test av kompatibilitet nedsänkningstestning. Ett 1 till 2 tums prov av slangen nedsänks i vätskan som ska pumpas under allt från 24 till 48 timmar, och mängden viktförändring från före och efter nedsänkningen mäts. Om viktförändringen är större än 10 % av den ursprungliga vikten är det röret inte kompatibelt med vätskan och bör inte användas i den applikationen. Detta test är fortfarande ett envägstest, i den meningen att det fortfarande finns en liten chans att slangen som klarar detta test fortfarande kan vara inkompatibel för applikationen eftersom kombinationen av borderline-kompatibilitet och mekanisk böjning kan skjuta röret över kanten , vilket resulterar i för tidig slangbrott.

Generellt sett har den senaste utvecklingen av slangar fört med sig bred kemisk kompatibilitet till det peristaltiska pumpalternativet som många kemikaliedoseringstillämpningar kan dra nytta av jämfört med andra nuvarande pumpteknologier.

Ocklusion

Det minsta gapet mellan rullen och huset bestämmer den maximala klämningen som appliceras på slangen. Mängden klämning som appliceras på slangen påverkar pumpens prestanda och slangens livslängd - mer klämning minskar slangens livslängd dramatiskt, medan mindre klämning kan göra att det pumpade mediet glider tillbaka, särskilt vid högtryckspumpning, och minskar pumpens effektivitet dramatiskt och den höga hastigheten för tillbakasläpningen orsakar typiskt för tidigt fel på slangen. Därför blir denna mängd squeeze en viktig designparameter.

Termen "ocklusion" används för att mäta mängden squeeze. Det uttrycks antingen som en procentandel av två gånger väggtjockleken, eller som en absolut mängd av väggen som kläms.

Låta

g = minsta mellanrum mellan valsen och huset
t = väggtjockleken på slangen

Sedan

y = 2t - g (uttryckt som den absoluta mängden squeeze)
y = 100 % x (2t - g) / (2t) (uttryckt som en procentandel av två gånger väggtjockleken)

Tilltäppningen är vanligtvis 10 % till 20 %, med en högre ocklusion för ett mjukare rörmaterial och en lägre ocklusion för ett hårdare rörmaterial.

För en given pump blir den mest kritiska slangdimensionen väggtjockleken. En intressant poäng här är att slangens innerdiameter (ID) inte är en viktig designparameter för slangens lämplighet för pumpen. Därför är det vanligt att mer än ett ID används med en pump, så länge väggtjockleken förblir densamma.

Innerdiameter

För en given rotationshastighet hos pumpen kommer ett rör med större innerdiameter (ID) att ge ett högre flöde än ett med mindre innerdiameter. Flödeshastigheten är en funktion av tvärsnittsarean av rörhålet.

Flödeshastighet

Flödeshastigheten är en viktig parameter för en pump. Flödeshastigheten i en peristaltisk pump bestäms av många faktorer, såsom:

  1. Rörets innerdiameter - högre flödeshastighet med större innerdiameter
  2. Pumphuvudets ytterdiameter - högre flödeshastighet med större ytterdiameter
  3. Pumphuvudets rotationshastighet - högre flöde med högre hastighet
  4. Inloppspulsation - pulsen minskar påfyllningsvolymen för slangen

Att öka antalet rullar ökar inte flödeshastigheten, istället kommer det att minska flödeshastigheten något genom att minska den effektiva (dvs. vätskepumpande) omkretsen av huvudet. Ökande rullar tenderar att minska amplituden hos fluiden som pulserar vid utloppet genom att öka frekvensen av det pulserade flödet.

Längden på röret (mätt från den initiala klämpunkten nära inloppet till den slutliga släpppunkten nära utloppet) påverkar inte flödeshastigheten. Ett längre rör innebär dock fler klämpunkter mellan inlopp och utlopp, vilket ökar trycket som pumpen kan generera.

Flödeshastigheten för en peristaltisk pump är i de flesta fall inte linjär. Effekten av pulsering vid pumpens inlopp ändrar fyllnadsgraden för den peristaltiska slangen. Med hög inloppspulsering kan den peristaltiska slangen bli oval, vilket resulterar i mindre flöde. Noggrann mätning med en peristaltisk pump är därför endast möjlig när pumpen har ett konstant flöde, eller när inloppspulsering elimineras med användning av korrekt designade pulsationsdämpare.

Pulsering

Pulsering är en viktig bieffekt av den peristaltiska pumpen. Pulsationen i en peristaltisk pump bestäms av många faktorer, såsom:

  1. Flödeshastighet - högre flödeshastighet ger mer pulsering
  2. Linjelängd - Långa rörledningar ger mer pulsering
  3. Högre pumphastighet - högre varvtal ger mer pulsering
  4. Vätskans specifika vikt - högre vätskedensitet ger mer pulsering

Variationer

Slangpumpar

Högtrycks peristaltiska slangpumpar som vanligtvis kan arbeta mot upp till 16 bar (230 psi) i kontinuerlig drift, använder skor (rullar används endast på lågtryckstyper) och har höljen fyllda med smörjmedel för att förhindra nötning av utsidan av pumpröret och för att hjälpa till med avledning av värme, och använd förstärkta rör, ofta kallade "slangar". Denna klass av pumpar kallas ofta en "slangpump".

Den största fördelen med slangpumparna framför rullpumparna är det höga drifttrycket på upp till 16 bar. Med rullar kan maxtryck komma upp till 12 bar (170 psi) utan problem. Om det höga driftstrycket inte krävs är en slangpump ett bättre alternativ än en slangpump om det pumpade mediet inte är abrasivt. Med de senaste framstegen inom rörtekniken för tryck, livslängd och kemisk kompatibilitet, samt de högre flödeshastighetsområdena, fortsätter fördelarna som slangpumpar hade jämfört med rullpumpar att urholkas.

Rörpumpar

Peristaltiska pumpar med lägre tryck har vanligtvis torra höljen och använder rullar tillsammans med icke-förstärkta, extruderade slangar. Denna klass av pumpar kallas ibland en "slangpump" eller "slangpump". Dessa pumpar använder rullar för att klämma ihop röret. Förutom 360° excentrisk pumpkonstruktion som beskrivs nedan, har dessa pumpar minst 2 rullar 180° isär och kan ha så många som 8 eller till och med 12 rullar. Ökning av antalet rullar ökar tryckpulsfrekvensen för den pumpade vätskan vid utloppet, och minskar därigenom pulseringsamplituden. Nackdelen med att öka antalet rullar är att det proportionellt ökar antalet klämningar, eller ocklusioner, på slangen för ett givet kumulativt flöde genom det röret, vilket minskar slangens livslängd.

Det finns två typer av rulldesign i peristaltiska pumpar:

  • Fast ocklusion - I denna typ av pump har rullarna ett fast läge när de svänger, vilket håller ocklusionen konstant när den klämmer ihop röret. Detta är en enkel men ändå effektiv design. Den enda nackdelen med denna design är att ocklusionen i procent på röret varierar med variationen av rörets väggtjocklek. Typiskt varierar väggtjockleken hos de extruderade rören tillräckligt för att procentuell ocklusion kan variera med väggtjockleken (se ovan). Därför kommer en sektion av röret med större väggtjocklek, men inom den accepterade toleransen, att ha en högre procentuell ocklusion, vilket ökar slitaget på röret och därigenom minskar rörets livslängd. Toleranser för rörväggtjocklek i dag hålls i allmänhet tillräckligt snäva för att denna fråga inte är av stor praktisk betydelse. För dem som är mekaniskt benägna kan detta vara den konstanta belastningen.
  • Fjäderbelastade rullar - Som namnet indikerar är rullarna i denna pump monterade på en fjäder. Denna design är mer utarbetad än den fasta ocklusionen, men hjälper till att övervinna variationerna i rörets väggtjocklek över ett bredare område. Oavsett variationer ger rullen samma belastning på röret som är proportionell mot fjäderkonstanten, vilket gör detta till en konstant spänningsoperation. Fjädern är vald för att övervinna inte bara slangens ringstyrka utan även trycket hos den pumpade vätskan.

Driftstrycket för dessa pumpar bestäms av slangen och av motorns förmåga att övervinna slangens ringstyrka och vätsketrycket.

Mikrofluidpumpar

Pumpsekvensen som används i en pneumatiskt aktiverad mikrofluidisk peristaltisk pump.

Inom mikrofluidik är det ofta önskvärt att minimera den cirkulerande vätskevolymen. Traditionella pumpar kräver en stor volym vätska utanför mikrofluidkretsen. Detta kan leda till problem på grund av utspädning av analyter och redan utspädda biologiska signalmolekyler. Bland annat av detta skäl är det önskvärt att integrera en mikropumpande struktur i mikrofluidkretsen. Wu et al. presenterade 2008 en pneumatiskt manövrerad peristaltisk mikropump som eliminerar behovet av stora externa cirkulerande vätskevolymer.

Fördelar

  • Ingen kontaminering. Eftersom den enda delen av pumpen som är i kontakt med vätskan som pumpas är insidan av röret, är det lätt att sterilisera och rengöra pumpens invändiga ytor.
  • Lågt underhållsbehov och lätt att rengöra; deras brist på ventiler, tätningar och glands gör dem förhållandevis billiga att underhålla.
  • De kan hantera slurry, trögflytande, skjuvkänsliga och aggressiva vätskor.
  • Pumpdesign förhindrar återflöde och sugning utan ventiler.
  • En fast mängd vätska pumpas per varv, så den kan användas för att grovt mäta mängden pumpad vätska.

Nackdelar

  • Den flexibla slangen tenderar att försämras med tiden och kräver periodiskt utbyte.
  • Flödet är pulsat, speciellt vid låga rotationshastigheter. Därför är dessa pumpar mindre lämpliga där ett jämnt jämnt flöde krävs. I applikationer som kräver jämnt flöde bör en alternativ typ av deplacementpump övervägas.
  • Effektiviteten begränsas av vätskans viskositet

Slang

Överväganden för att välja peristaltisk pumpslang inkluderar lämplig kemisk resistens mot vätskan som pumpas, om pumpen kommer att användas kontinuerligt eller intermittent, och kostnad. Typer av slangar som vanligtvis används i peristaltiska pumpar inkluderar:

För kontinuerlig användning fungerar de flesta av materialen på liknande sätt över korta tidsramar. Detta tyder på att förbisedda lågkostnadsmaterial som PVC kan möta behoven hos en kortvarig engångsanvändning för medicinska tillämpningar. För intermittent användning är kompressionsset viktigt och silikon är ett optimalt materialval.

Typiska Användningsområden

Peristaltisk pump som används i kemisk behandling av en vattenreningsanläggning

Se även

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Peristaltic_pump&oldid=1140545010 "