مضخة

المضخة هي جهاز ينقل السوائل ( السوائل أو الغازات )، أو أحيانًا المواد اللزجة ، ^{[ 1 ]} عن طريق العمل الميكانيكي، وعادة ما يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة هيدروليكية أو هوائية.

تُستخدم المضخات الميكانيكية في نطاق واسع من التطبيقات، مثل ضخ المياه من الآبار ، وترشيح أحواض السمك والبرك ، وتهويتها ، وفي صناعة السيارات لتبريد المياه وحقن الوقود ، وفي قطاع الطاقة لضخ النفط والغاز الطبيعي ، أو لتشغيل أبراج التبريد ومكونات أخرى لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء . أما في المجال الطبي ، فتُستخدم المضخات في العمليات الكيميائية الحيوية لتطوير وتصنيع الأدوية، وكبدائل اصطناعية لأعضاء الجسم، ولا سيما القلب الاصطناعي والقضيب الاصطناعي .

عندما تحتوي المضخة على آليتين أو أكثر، حيث يُوجَّه السائل للتدفق عبرها بالتتابع، تُسمى مضخة متعددة المراحل . وقد تُستخدم مصطلحات مثل "مرحلتين" أو "مرحلتين مزدوجتين" لوصف عدد المراحل بدقة. أما المضخة التي لا تنطبق عليها هذه المواصفات فهي ببساطة مضخة أحادية المرحلة . في علم الأحياء، تطورت أنواع عديدة من المضخات الكيميائية والميكانيكية الحيوية ؛ ويُستخدم أحيانًا مبدأ المحاكاة الحيوية في تطوير أنواع جديدة من المضخات الميكانيكية.

قد تكون المضخات الميكانيكية مغمورة في السائل الذي تقوم بضخه أو موضوعة خارج السائل.

يمكن تصنيف المضخات حسب طريقة إزاحتها إلى مضخات كهرومغناطيسية ، ومضخات إزاحة موجبة ، ومضخات نبضية ، ومضخات سرعة ، ومضخات جاذبية، ومضخات بخارية ، ومضخات بدون صمامات . وهناك ثلاثة أنواع أساسية من المضخات: مضخات الإزاحة الموجبة، والمضخات الطاردة المركزية ، ومضخات التدفق المحوري . في المضخات الطاردة المركزية، يتغير اتجاه تدفق السائل بزاوية 90 درجة أثناء مروره فوق دافعة، بينما في مضخات التدفق المحوري، يبقى اتجاه التدفق ثابتًا. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

مضخة الإزاحة الموجبة

تعمل مضخة الإزاحة الموجبة على تحريك السوائل عن طريق حجز كمية ثابتة منها ودفعها (إزاحتها) إلى أنبوب التصريف. تستخدم بعض مضخات الإزاحة الموجبة تجويفًا متوسعًا في جانب السحب وتجويفًا متقلصًا في جانب التصريف. يتدفق السائل إلى المضخة مع توسع التجويف في جانب السحب، ويتدفق خارجًا من جانب التصريف مع انكماشه. ويبقى حجم السائل ثابتًا خلال كل دورة تشغيل.

سلوك المضخات ذات الإزاحة الموجبة وسلامتها

تتميز مضخات الإزاحة الموجبة، على عكس المضخات الطاردة المركزية ، بقدرتها النظرية على إنتاج نفس التدفق عند سرعة دوران محددة بغض النظر عن ضغط التفريغ. ولذلك، تُعتبر مضخات الإزاحة الموجبة آلات ذات تدفق ثابت . مع ذلك، فإن الزيادة الطفيفة في التسريب الداخلي مع ارتفاع الضغط تحول دون الحصول على معدل تدفق ثابت تمامًا.

لا يجوز تشغيل مضخة الإزاحة الموجبة مع صمام مغلق على جانب التفريغ، لأنها لا تملك ضغط إيقاف مثل المضخات الطاردة المركزية. فعند تشغيل مضخة الإزاحة الموجبة مع صمام تفريغ مغلق، يستمر تدفق السائل، ويزداد الضغط في خط التفريغ حتى ينفجر الخط، أو تتعرض المضخة لتلف شديد، أو كليهما.

لذا، يُعدّ صمام تخفيف الضغط أو صمام الأمان على جانب التفريغ لمضخة الإزاحة الموجبة ضروريًا. يمكن أن يكون صمام تخفيف الضغط داخليًا أو خارجيًا. عادةً ما يُتيح مُصنِّع المضخة خيار توفير صمامات تخفيف الضغط أو صمامات الأمان الداخلية. يُستخدم الصمام الداخلي عادةً كإجراء احترازي فقط. أما صمام تخفيف الضغط الخارجي في خط التفريغ، مع خط إرجاع إلى خط السحب أو خزان التزويد، فيُوفّر مستوى أمان أعلى .

أنواع الإزاحة الموجبة

يمكن تصنيف مضخة الإزاحة الموجبة بشكل أكبر وفقًا للآلية المستخدمة لتحريك السائل:

• مضخات الإزاحة الموجبة الدوارة : مضخة التروس الداخلية والخارجية ، مضخة لولبية ، مضخة فصية ، مضخة كتلة مكوكية، مضخة ريشة مرنة ومضخة ريشة منزلقة ، مضخة مكبس محيطي، مضخة دافعة مرنة ، مضخة جذور ملتوية حلزونية (مثل مضخة ويندلكولبن) ومضخات الحلقة السائلة
• مضخات الإزاحة الموجبة الترددية : مضخات المكبس ، ومضخات الغاطس ، ومضخات الحجاب الحاجز.
• مضخات الإزاحة الموجبة الخطية : مضخات الحبل ومضخات السلسلة

مضخة إزاحة موجبة دوارة

تقوم هذه المضخات بتحريك السوائل باستخدام آلية دوارة تخلق فراغًا يلتقط السائل ويسحبه. ^{[ 4 ]}

المزايا: تتميز المضخات الدوارة بكفاءة عالية ^{[ 5 ]} لأنها قادرة على التعامل مع السوائل عالية اللزوجة بمعدلات تدفق أعلى مع زيادة اللزوجة. ^{[ 6 ]}

العيوب: تتطلب طبيعة المضخة وجود مسافات دقيقة للغاية بين المضخة الدوارة والحافة الخارجية، مما يجعلها تدور بسرعة بطيئة وثابتة. إذا تم تشغيل المضخات الدوارة بسرعات عالية، فقد يحدث تجويف في السائل ، مما قد يتسبب في تآكل، والذي بدوره يؤدي في النهاية إلى زيادة المسافات التي يمر من خلالها السائل، مما يقلل من الكفاءة.

تنقسم المضخات الدورانية ذات الإزاحة الموجبة إلى خمسة أنواع رئيسية:

• مضخات التروس - نوع بسيط من المضخات الدوارة حيث يتم دفع السائل حول زوج من التروس.
• المضخات اللولبية - يتكون الشكل الداخلي لهذه المضخة عادةً من لولبين يدوران عكس بعضهما البعض لضخ السائل
• مضخات ريشية دوارة
• تُشبه مضخات القرص المجوف (المعروفة أيضًا بمضخات القرص اللامركزية أو مضخات القرص الدوارة المجوفة) ضواغط اللولب ، حيث تحتوي على دوار أسطواني لامركزي مُغلّف بغلاف دائري. أثناء دوران الدوار، يحصر السائل بينه وبين الغلاف، ساحبًا إياه عبر المضخة. تُستخدم هذه المضخات مع السوائل عالية اللزوجة مثل المنتجات البترولية، كما يمكنها تحمل ضغوط عالية تصل إلى 290 رطل لكل بوصة مربعة. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}
• تحتوي المضخات التمعجية على بكرات تضغط على جزء من أنبوب مرن، دافعةً السائل للأمام مع تقدم البكرات. ونظرًا لسهولة تنظيفها، فهي شائعة الاستخدام في توزيع المواد الغذائية والأدوية والخرسانة .

مضخة إزاحة موجبة ترددية

تقوم المضخات الترددية بتحريك السائل باستخدام مكبس واحد أو أكثر من المكابس المتذبذبة، أو الأغشية (الحجاب الحاجز)، بينما تحد الصمامات من حركة السائل في الاتجاه المطلوب. ولكي تتم عملية السحب، يجب على المضخة أولاً سحب المكبس للخارج لتقليل الضغط في الحجرة. وبمجرد أن يعود المكبس إلى وضعه الأصلي، سيرتفع الضغط في الحجرة، وسيؤدي الضغط الداخلي للمكبس إلى فتح صمام التفريغ وإطلاق السائل في أنبوب التوصيل بمعدل تدفق ثابت وضغط مرتفع.

تتراوح المضخات في هذه الفئة من المضخات البسيطة ذات الأسطوانة الواحدة إلى المضخات الرباعية (أربع أسطوانات) أو أكثر في بعض الحالات. العديد من المضخات الترددية ثنائية (اثنتان) أو ثلاثية (ثلاث). يمكن أن تكون هذه المضخات أحادية الفعل، حيث يكون السحب في اتجاه واحد من حركة المكبس والتفريغ في الاتجاه الآخر، أو ثنائية الفعل، حيث يكون السحب والتفريغ في كلا الاتجاهين. يمكن تشغيل هذه المضخات يدويًا، أو بالهواء أو البخار، أو بواسطة سير يُدار بمحرك. استُخدم هذا النوع من المضخات على نطاق واسع في القرن التاسع عشر - في بدايات استخدام الدفع البخاري - كمضخات لتغذية مياه الغلايات. أما الآن، فتُستخدم المضخات الترددية عادةً لضخ السوائل عالية اللزوجة مثل الخرسانة والزيوت الثقيلة، وتُستخدم في تطبيقات خاصة تتطلب معدلات تدفق منخفضة في مواجهة مقاومة عالية. كانت المضخات اليدوية الترددية شائعة الاستخدام لضخ المياه من الآبار. كما تستخدم مضخات الدراجات الهوائية ومضخات القدم الشائعة للنفخ آلية الحركة الترددية.

تتميز هذه المضخات الإزاحية الموجبة بوجود تجويف متسع في جانب السحب وتجويف متناقص في جانب التفريغ. يتدفق السائل إلى المضخات مع تمدد التجويف في جانب السحب، ويتدفق خارجًا من جانب التفريغ مع انكماشه. يظل الحجم ثابتًا في كل دورة تشغيل، ويمكن تحقيق الكفاءة الحجمية للمضخة من خلال الصيانة الدورية وفحص صماماتها. ^{[ 13 ]}

من الأمثلة النموذجية على المضخات الترددية ما يلي:

• مضخة المكبس - يقوم مكبس ترددي بدفع السائل عبر صمام واحد أو صمامين مفتوحين، ويتم إغلاقهما عن طريق الشفط في طريق العودة.
• مضخة الحجاب الحاجز - تشبه مضخات المكبس، حيث يقوم المكبس بضغط الزيت الهيدروليكي الذي يُستخدم لثني الحجاب الحاجز في أسطوانة الضخ. تُستخدم صمامات الحجاب الحاجز لضخ السوائل الخطرة والسامة.
• مضخات الإزاحة ذات المكبس - وهي عادةً أجهزة بسيطة لضخ كميات صغيرة من السوائل أو المواد الهلامية يدويًا. موزع صابون اليد الشائع هو أحد هذه المضخات.
• مضخة المكبس الشعاعية - شكل من أشكال المضخات الهيدروليكية حيث تمتد المكابس في اتجاه شعاعي. 
• المضخة الاهتزازية أو مضخة الاهتزاز - نوع منخفض التكلفة من مضخات المكبس، شائعة الاستخدام في آلات الإسبريسو منخفضة التكلفة . ^{[ 14 ] [ 15 ]} الجزء المتحرك الوحيد فيها هو مكبس زنبركي، وهو الجزء الدوار لملف لولبي . تعمل هذه المضخات بتيار متردد مقوم بنصف موجة ، حيث يُدفع المكبس للأمام عند تشغيله، ويتراجع للخلف بفعل الزنبرك خلال النصف الآخر من الدورة. نظرًا لانخفاض كفاءتها، لا يمكن تشغيل المضخات الاهتزازية عادةً لأكثر من دقيقة واحدة دون ارتفاع درجة حرارتها، لذا فهي تقتصر على التشغيل المتقطع. 

مضخات إزاحة موجبة متنوعة

ينطبق مبدأ الإزاحة الموجبة في هذه المضخات:

• مضخة فصية دوارة
• مضخة تجويف متقدمة
• مضخة تروس دوارة
• مضخة مكبسية
• مضخة غشائية
• مضخة لولبية
• مضخة تروس
• مضخة هيدروليكية
• مضخة دوارة ذات ريش
• مضخة تمعجية
• مضخة حبل
•  مضخة ذات مروحة مرنة

مضخة تروس

هذا هو أبسط أنواع المضخات الدورانية ذات الإزاحة الموجبة. تتكون من ترسين متشابكين يدوران داخل غلاف محكم. تعمل الفراغات بين أسنان الترسين على حجز السائل ودفعه حول المحيط الخارجي. لا يعود السائل إلى الجزء المتشابك، لأن الأسنان تتشابك بإحكام في المركز. تُستخدم مضخات التروس على نطاق واسع في مضخات زيت محركات السيارات وفي مختلف وحدات الطاقة الهيدروليكية.

مضخة لولبية

المضخة اللولبية نوعٌ أكثر تعقيدًا من المضخات الدوارة، تستخدم لولبين أو ثلاثة ذات خيوط متعاكسة، حيث يدور أحد اللوالب باتجاه عقارب الساعة والآخر عكسها. تُركّب اللوالب على أعمدة متوازية مزودة غالبًا بتروس متشابكة، ما يسمح للأعمدة بالدوران معًا وثبات جميع الأجزاء في مكانها. في بعض الحالات، يُشغّل اللولب الرئيسي اللولب الثانوي دون تروس، مستخدمًا السائل غالبًا للحد من الاحتكاك. تدور اللوالب على الأعمدة، دافعةً السائل عبر المضخة. وكما هو الحال في أنواع المضخات الدوارة الأخرى، تكون المسافة بين الأجزاء المتحركة وغلاف المضخة ضئيلة للغاية.

مضخة تجويف متقدمة

تُستخدم مضخة التجويف التقدمي على نطاق واسع لضخ المواد الصعبة، مثل حمأة الصرف الصحي الملوثة بجزيئات كبيرة. تتكون هذه المضخة من دوار حلزوني، يبلغ طوله حوالي عشرة أضعاف عرضه، وجزء ثابت مصنوع أساسًا من المطاط. يمكن تصور هذا الجزء على أنه قلب مركزي قطره x ، ملفوف حوله عادةً حلزون منحني بسمك نصف x ، مع أنه في الواقع يُصنع على شكل فص واحد. يُركب هذا العمود داخل غلاف مطاطي متين أو جزء ثابت، بسمك جدار يبلغ عادةً x أيضًا . مع دوران العمود داخل الجزء الثابت، يدفع الدوار السائل تدريجيًا إلى أعلى التجويف المطاطي. يمكن لهذه المضخات توليد ضغط عالٍ جدًا عند أحجام منخفضة، بمعدل 90 رطل لكل بوصة مربعة لكل مرحلة من الماء في التكوينات القياسية.

مضخة من نوع رووتس

سميت هذه المضخة الفصية نسبةً إلى الأخوين روتس اللذين اخترعاها، وهي تعمل على إزاحة السائل المحصور بين دوارين حلزونيين طويلين، يتداخلان مع بعضهما البعض عند التعامد بزاوية 90 درجة، ويدوران داخل خط إحكام مثلث الشكل، عند كلٍ من نقطة السحب ونقطة التفريغ. يُنتج هذا التصميم تدفقًا مستمرًا متساوي الحجم وخاليًا من الدوامات. كما يمكنها العمل بمعدلات نبض منخفضة ، وتوفر أداءً سلسًا يتطلبه بعض التطبيقات.

تشمل التطبيقات ما يلي:

• ضواغط هواء صناعية عالية السعة .
• شواحن رووتس الفائقة على محركات الاحتراق الداخلي .
• علامة تجارية لأجهزة الإنذار الخاصة بالدفاع المدني، وهي جهاز Thunderbolt التابع لشركة Federal Signal Corporation .

مضخة تمعجية

المضخة التمعجية نوع من أنواع مضخات الإزاحة الموجبة. تحتوي على سائل داخل أنبوب مرن مثبت داخل غلاف دائري (مع وجود مضخات تمعجية خطية أيضًا). تقوم مجموعة من البكرات أو الأحذية أو الماسحات المتصلة بدوار بضغط الأنبوب المرن. عند دوران الدوار، ينغلق الجزء المضغوط من الأنبوب، مما يدفع السائل عبره . بالإضافة إلى ذلك، عندما ينفتح الأنبوب إلى وضعه الطبيعي بعد مرور الكامة، فإنه يسحب السائل إلى داخل المضخة. تُسمى هذه العملية بالتمعج، وتُستخدم في العديد من الأنظمة البيولوجية، مثل الجهاز الهضمي .

مضخة مكبسية

المضخات المكبسية هي مضخات ترددية ذات إزاحة موجبة.

تتكون هذه الأجهزة من أسطوانة مزودة بمكبس متحرك. تُركّب صمامات السحب والتفريغ في رأس الأسطوانة. في شوط السحب، ينكمش المكبس وتفتح صمامات السحب، مما يؤدي إلى سحب السائل إلى داخل الأسطوانة. في شوط الدفع، يدفع المكبس السائل خارج صمام التفريغ.

الكفاءة والمشاكل الشائعة: في المضخات المكبسية ذات الأسطوانة الواحدة، يتفاوت تدفق السائل بين أقصى تدفق عند تحرك المكبس في المنتصف، وانعدام التدفق عند وصوله إلى أقصى حد. ويُهدر قدر كبير من الطاقة عند تسارع السائل في نظام الأنابيب. وقد تُشكل الاهتزازات والصدمة المائية مشكلة خطيرة. وعمومًا، تُعالج هذه المشاكل باستخدام أسطوانتين أو أكثر لا تعملان بتزامن تام. كما أن المضخات الطاردة المركزية عُرضة للصدمة المائية. ^{[ 16 ]} ، وهي دراسة متخصصة، تُساعد في تقييم هذا الخطر في هذه الأنظمة.

مضخة مكبس ثلاثية الأسطوانات

تستخدم مضخات المكبس الثلاثية ثلاثة مكابس، مما يقلل من النبضات مقارنةً بمضخات المكبس الترددية المفردة. ويمكن إضافة مُخمد للنبضات على مخرج المضخة لتنعيم تموجات المضخة ، أو منحنى تموجات محول الطاقة الخاص بها. تتطلب العلاقة الديناميكية بين السائل عالي الضغط والمكبس عمومًا استخدام موانع تسرب عالية الجودة للمكبس. تتميز مضخات المكبس ذات العدد الأكبر من المكابس بزيادة التدفق، أو تدفق أكثر سلاسة دون الحاجة إلى مُخمد للنبضات. إلا أن زيادة عدد الأجزاء المتحركة وحمل عمود المرفق تُعد من عيوبها.

تستخدم مغاسل السيارات غالبًا مضخات المكبس ثلاثية الأسطوانات (ربما بدون مخمدات نبضات). في عام ١٩٦٨، قام ويليام بروغمان بتقليص حجم مضخة المكبس ثلاثية الأسطوانات وزيادة عمرها الافتراضي، مما مكّن مغاسل السيارات من استخدام معدات ذات مساحة أصغر. تساهم موانع التسرب المتينة عالية الضغط، وموانع التسرب منخفضة الضغط، وموانع تسرب الزيت، وعمود المرفق المقوى، وقضبان التوصيل المقواة، والمكابس الخزفية السميكة، ومحامل الكرات والأسطوانات شديدة التحمل، في تحسين موثوقية مضخات المكبس ثلاثية الأسطوانات. تُستخدم مضخات المكبس ثلاثية الأسطوانات الآن في العديد من الأسواق حول العالم.

تُعدّ المضخات الثلاثية ذات العمر الافتراضي الأقصر شائعة الاستخدام لدى المستخدمين المنزليين. قد يكتفي من يستخدم غسالة الضغط المنزلية لمدة 10 ساعات سنويًا بمضخة تدوم 100 ساعة قبل الحاجة إلى إعادة تأهيلها. أما المضخات الثلاثية الصناعية أو المخصصة للخدمة المتواصلة، والتي تُمثل الطرف الآخر من نطاق الجودة، فقد تعمل لمدة تصل إلى 2080 ساعة سنويًا. ^{[ 17 ]}

تستخدم صناعة التنقيب عن النفط والغاز مضخات ثلاثية ضخمة تُنقل على شاحنات نصف مقطورة، تُعرف بمضخات الطين ، لضخ طين الحفر الذي يُبرد رأس الحفر ويحمل نواتج الحفر إلى السطح. ^{[ 18 ]} ويستخدم الحفارون مضخات ثلاثية أو حتى خماسية لحقن الماء والمذيبات في أعماق الصخر الزيتي في عملية الاستخراج المعروفة بالتكسير الهيدروليكي .

مضخة غشائية

تُشغَّل مضخات الحجاب الحاجز عادةً بالهواء المضغوط الكهربائي، وهي رخيصة نسبيًا وتؤدي مجموعة واسعة من المهام، بدءًا من ضخ الهواء إلى حوض السمك ، وصولًا إلى ضخ السوائل عبر مكبس الترشيح . وتستطيع مضخات الحجاب الحاجز المزدوجة التعامل مع السوائل اللزجة والمواد الكاشطة بعملية ضخ لطيفة، مما يجعلها مثالية لنقل المواد الحساسة للقص. ^{[ 19 ]}

مضخة حبل

مضخة السرعة

المضخات الدورانية الديناميكية (أو المضخات الديناميكية) هي نوع من مضخات السرعة، حيث تُضاف الطاقة الحركية إلى السائل عن طريق زيادة سرعة التدفق. وتتحول هذه الزيادة في الطاقة إلى زيادة في الطاقة الكامنة (الضغط) عند خفض السرعة قبل أو أثناء خروج السائل من المضخة إلى أنبوب التصريف. ويُفسر هذا التحول من الطاقة الحركية إلى الضغط بالقانون الأول للديناميكا الحرارية ، أو تحديدًا بمبدأ برنولي .

يمكن تقسيم المضخات الديناميكية بشكل أكبر وفقًا للوسائل التي يتم من خلالها تحقيق زيادة السرعة. ^{[ 22 ]}

تتميز هذه الأنواع من المضخات بعدد من الخصائص:

1. طاقة مستمرة
2. تحويل الطاقة المضافة إلى زيادة في الطاقة الحركية (زيادة في السرعة)
3. تحويل السرعة المتزايدة (الطاقة الحركية) إلى زيادة في ضغط الماء

يتمثل أحد الفروق العملية بين المضخات الديناميكية ومضخات الإزاحة الموجبة في طريقة عملها عند إغلاق الصمام. فمضخات الإزاحة الموجبة تُزيح السائل فعلياً، لذا فإن إغلاق صمام في اتجاه مجرى هذه المضخة يُؤدي إلى تراكم مستمر للضغط، مما قد يُسبب عطلاً ميكانيكياً في خط الأنابيب أو المضخة نفسها. أما المضخات الديناميكية، فتتميز بإمكانية تشغيلها بأمان عند إغلاق الصمام (لفترات زمنية قصيرة).

مضخة التدفق الشعاعي

يُشار إلى هذا النوع من المضخات أيضًا باسم المضخة الطاردة المركزية . يدخل السائل على طول المحور أو المركز، ويتسارع بفعل المروحة، ثم يخرج بزاوية قائمة على العمود (شعاعيًا)؛ ومن الأمثلة على ذلك المروحة الطاردة المركزية  ، والتي تُستخدم عادةً في تشغيل المكنسة الكهربائية . نوع آخر من مضخات التدفق الشعاعي هو مضخة الدوامة. يتحرك السائل فيها بشكل مماس حول عجلة الدوران. يتم تحويل الطاقة الميكانيكية للمحرك إلى طاقة كامنة للتدفق عن طريق دوامات متعددة، تُثار بواسطة المروحة في قناة عمل المضخة. عمومًا، تعمل مضخة التدفق الشعاعي عند ضغوط أعلى ومعدلات تدفق أقل من مضخة التدفق المحوري أو مضخة التدفق المختلط.

مضخة التدفق المحوري

تُعرف هذه المضخات أيضًا باسم مضخات السوائل الكاملة . يُدفع السائل للخارج أو للداخل لتحريكه محوريًا. تعمل هذه المضخات بضغوط أقل بكثير ومعدلات تدفق أعلى من مضخات التدفق الشعاعي (الطاردة المركزية). لا يمكن تشغيل مضخات التدفق المحوري بكامل طاقتها دون اتخاذ احتياطات خاصة. عند معدل تدفق منخفض، فإن الارتفاع الكلي للضغط وعزم الدوران العالي المرتبطين بهذا الأنبوب يعنيان أن عزم الدوران الابتدائي سيصبح دالةً لتسارع كتلة السائل بأكملها في نظام الأنابيب. ^{[ 23 ]}

تُعدّ المضخات ذات التدفق المختلط حلاً وسطاً بين المضخات ذات التدفق القطري والمضخات ذات التدفق المحوري. يتعرض السائل لتسارع ورفع قطريين، ويخرج من المروحة بزاوية تتراوح بين 0 و90 درجة من الاتجاه المحوري. ونتيجةً لذلك، تعمل المضخات ذات التدفق المختلط بضغوط أعلى من المضخات ذات التدفق المحوري، بينما تُنتج معدلات تدفق أعلى من المضخات ذات التدفق القطري. وتحدد زاوية خروج التدفق خصائص الضغط ومعدل التدفق بالنسبة للتدفق القطري والمختلط.

مضخة توربينية متجددة

تُعرف أيضًا باسم مضخات السحب ، أو الاحتكاك ، أو مضخات الحلقة السائلة ، أو المضخات المحيطية ، أو مضخات الجر ، أو مضخات الاضطراب ، أو مضخات الدوامات ، وهي فئة من المضخات الدورانية الديناميكية التي تعمل عند ضغوط رأس عالية، تتراوح عادةً بين 4-20 بار (400-2000 كيلو باسكال؛ 58-290 رطل لكل بوصة مربعة) . ^{[ 24 ]}  

تحتوي المضخة على دافعة مزودة بعدد من الريش أو المجاديف التي تدور داخل تجويف. يقع منفذ السحب ومنافذ الضغط على محيط التجويف، ويفصل بينهما حاجز يُسمى " المُجَرِّد" ، والذي يسمح فقط لقناة طرف الريشة (السائل الموجود بين الريش) بإعادة الدوران، ويجبر أي سائل في القناة الجانبية (السائل الموجود في التجويف خارج الريش) على المرور عبر منفذ الضغط. في مضخة التوربينات التجديدية، عندما يدور السائل بشكل حلزوني متكرر من ريشة إلى القناة الجانبية ثم يعود إلى الريشة التالية، تُنقل طاقة حركية إلى المحيط، ^{[ 24 ]} وبالتالي يتراكم الضغط مع كل دورة، بطريقة مشابهة للمروحة التجديدية. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

نظرًا لأن مضخات التوربينات التجديدية لا تتعرض لانحباس البخار ، فإنها تُستخدم عادةً لنقل السوائل المتطايرة أو الساخنة أو المبردة. مع ذلك، ونظرًا لدقة أبعادها، فهي عرضة لتراكم المواد الصلبة أو الجسيمات التي قد تُسبب انسدادها أو تآكلها السريع. عادةً ما تكون كفاءتها منخفضة، وينخفض ​​الضغط واستهلاك الطاقة مع زيادة التدفق. إضافةً إلى ذلك، يمكن عكس اتجاه الضخ بعكس اتجاه الدوران. ^{[ 27 ] [ 25 ] [ 28 ]}

مضخة القناة الجانبية

تحتوي المضخة ذات القناة الجانبية على قرص سحب، ومروحة، وقرص تصريف. ^{[ 29 ]}

مضخة نفاثة

تستخدم هذه التقنية تيارًا نفاثًا، غالبًا من البخار، لخلق ضغط منخفض. يسحب هذا الضغط المنخفض السائل ويدفعه إلى منطقة ذات ضغط أعلى.

يُعدّ فحص سجلات إصلاح المضخات ومتوسط ​​الوقت بين الأعطال (MTBF) ذا أهمية بالغة لمستخدمي المضخات المسؤولين والواعيين. ونظرًا لهذه الحقيقة، تشير مقدمة دليل مستخدم المضخات لعام 2006 إلى إحصائيات "أعطال المضخات". ولتسهيل الأمر، غالبًا ما تُترجم هذه الإحصائيات إلى متوسط ​​الوقت بين الأعطال (في هذه الحالة، العمر الافتراضي قبل العطل). ^{[ 30 ]}

في أوائل عام 2005، قام غوردون باك، كبير مهندسي العمليات الميدانية في شركة جون كرين في باتون روج، لويزيانا، بفحص سجلات الصيانة لعدد من مصافي النفط ومصانع الكيماويات للحصول على بيانات موثوقية دقيقة للمضخات الطاردة المركزية. شمل المسح 15 مصنعًا عاملًا تضم ​​ما يقارب 15000 مضخة. كان أصغر هذه المصانع يحتوي على حوالي 100 مضخة، بينما احتوى عدد من المصانع الأخرى على أكثر من 2000 مضخة. تقع جميع هذه المنشآت في الولايات المتحدة. بالإضافة إلى ذلك، صُنفت بعض هذه المصانع على أنها "جديدة"، وبعضها الآخر على أنها "مُجددة"، وبعضها الآخر على أنها "قائمة". كان لدى العديد من هذه المصانع -وليس جميعها- اتفاقية تحالف مع شركة جون كرين. في بعض الحالات، تضمن عقد التحالف وجود فني أو مهندس من شركة جون كرين في الموقع لتنسيق مختلف جوانب البرنامج.

ليست كل المصانع مصافي تكرير، وتختلف النتائج في أماكن أخرى. ففي المصانع الكيميائية، كانت المضخات تُعتبر تاريخيًا من المعدات التي تُستهلك بسرعة نظرًا لتأثير المواد الكيميائية الذي يُقلل من عمرها الافتراضي. وقد تحسّن الوضع في السنوات الأخيرة، إلا أن المساحة المحدودة نسبيًا في صناديق الحشو القديمة المتوافقة مع معايير DIN وASME تُقيّد أنواع موانع التسرب المُناسبة. فما لم يُحدّث مُستخدم المضخة حجرة مانع التسرب، فإن المضخة لا تستوعب إلا الأنواع الأصغر حجمًا والأبسط. وبدون هذا التحديث، تتراوح أعمار المضخات في المنشآت الكيميائية عادةً بين 50 و60 بالمئة من عمرها في مصافي التكرير.

تُعدّ الصيانة غير المجدولة من أبرز تكاليف امتلاك المضخات، وتُعتبر أعطال الأختام الميكانيكية والمحامل من أهم أسبابها. لذا، ضع في اعتبارك القيمة المحتملة لاختيار مضخات أغلى ثمناً في البداية، ولكنها تدوم لفترة أطول بكثير بين عمليات الصيانة. قد يمتد متوسط ​​الوقت بين الأعطال (MTBF) للمضخة المُحسّنة من سنة إلى أربع سنوات أطول من نظيرتها غير المُحسّنة. تجدر الإشارة إلى أن متوسط ​​التكاليف المُعلنة لتجنب أعطال المضخات يتراوح بين 2600 و12000 دولار أمريكي. ولا يشمل هذا تكاليف الفرص الضائعة . يحدث حريق واحد في المضخة لكل 1000 عطل. تقليل أعطال المضخات يعني تقليل حرائق المضخات المُدمّرة.

كما ذُكر سابقاً، تُكلّف أعطال المضخات النموذجية، استناداً إلى تقارير عام 2002، 5000 دولار أمريكي في المتوسط. ويشمل هذا المبلغ تكاليف المواد والقطع والعمالة والتكاليف العامة. إنّ تمديد متوسط ​​الوقت بين الأعطال للمضخة من 12 إلى 18 شهراً من شأنه أن يوفر 1667 دولاراً أمريكياً سنوياً، وهو مبلغ قد يفوق تكلفة تحسين موثوقية المضخة الطاردة المركزية. ^{[ 30 ] [ 1 ] [ 31 ]}

تُستخدم المضخات في مختلف مجالات الحياة لأغراض متنوعة. من بين استخداماتها المبكرة استخدام طواحين الهواء أو المياه لضخ المياه. أما اليوم، فتُستخدم المضخات في الري، وإمدادات المياه ، وإمدادات البنزين، وأنظمة تكييف الهواء ، والتبريد (ويُطلق عليها عادةً اسم الضاغط)، ونقل المواد الكيميائية، ونقل مياه الصرف الصحي ، والتحكم في الفيضانات، والخدمات البحرية، وغيرها.

بسبب التنوع الكبير في التطبيقات، فإن المضخات لها عدد كبير من الأشكال والأحجام: من الكبيرة جدًا إلى الصغيرة جدًا، ومن التعامل مع الغاز إلى التعامل مع السوائل، ومن الضغط العالي إلى الضغط المنخفض، ومن الحجم الكبير إلى الحجم المنخفض.

المضخات كمصدر لمياه الشرب العامة

كانت إحدى أنواع المضخات الشائعة عالميًا في الماضي هي مضخة المياه اليدوية، أو ما يُعرف بـ"مضخة الإبريق". وكانت تُركّب عادةً فوق آبار المياه العامة قبل انتشار شبكات المياه. وفي بعض مناطق الجزر البريطانية، كانت تُسمى غالبًا " مضخة الرعية" . ورغم أن هذه المضخات العامة لم تعد شائعة، إلا أن الناس ما زالوا يستخدمون مصطلح " مضخة الرعية" لوصف مكان أو منتدى تُناقش فيه شؤون محلية. ^{[ 36 ] [ 37 ]} ولأن المياه من مضخات الإبريق تُسحب مباشرةً من التربة، فهي أكثر عرضة للتلوث. وإذا لم تُصفّى هذه المياه وتُنقّى، فقد يؤدي استهلاكها إلى الإصابة بأمراض معوية أو غيرها من الأمراض المنقولة بالمياه. ومن الأمثلة الشهيرة على ذلك تفشي وباء الكوليرا في شارع برود عام 1854. في ذلك الوقت، لم يكن معروفًا كيف ينتقل المرض، لكن الطبيب جون سنو اشتبه في تلوث المياه، فأمر بإزالة مقبض المضخة العامة التي اشتبه بها، ثم انحسر الوباء. تُعتبر المضخات اليدوية الحديثة التي تعمل في المجتمعات المحلية الخيار الأمثل والأكثر استدامةً والأقل تكلفةً لتوفير مياه شرب آمنة في المناطق الفقيرة بالموارد، وخاصةً في المناطق الريفية بالدول النامية. تتيح المضخة اليدوية الوصول إلى المياه الجوفية العميقة التي غالبًا ما تكون غير ملوثة، كما تُحسّن سلامة البئر بحماية مصدر المياه من التلوث الناتج عن استخدام الدلاء. صُممت مضخات مثل مضخة أفريديف لتكون رخيصة التصنيع والتركيب، وسهلة الصيانة بفضل مكوناتها البسيطة. مع ذلك، فإن ندرة قطع الغيار لهذا النوع من المضخات في بعض مناطق أفريقيا قد قللت من جدواها في تلك المناطق.

تُصنّف المضخات عادةً حسب قدرتها الحصانية ، ومعدل تدفقها الحجمي ، وضغط مخرجها بالمتر (أو القدم)، وضغط مدخلها بالقدم (أو المتر). ويمكن تبسيط مفهوم الضغط بأنه عدد الأقدام أو الأمتار التي تستطيع المضخة رفع أو خفض عمود من الماء عند الضغط الجوي .

من وجهة نظر التصميم الأولي، غالبًا ما يستخدم المهندسون كمية تسمى السرعة النوعية لتحديد نوع المضخة الأنسب لمجموعة معينة من معدل التدفق والضغط.

يُعدّ صافي ضغط السحب الموجب (NPSH) ^{[ 44 ]} عاملاً حاسماً في أداء المضخة. وله جانبان رئيسيان:

1. NPSHr (مطلوب): الارتفاع المطلوب لتشغيل المضخة دون مشاكل التكهف.
2. NPSHa (المتاح): الضغط الفعلي الذي يوفره النظام (على سبيل المثال، من خزان علوي).

لضمان التشغيل الأمثل للمضخة، يجب أن يتجاوز صافي الضغط الإيجابي عند الضغط الجوي (NPSHa) دائمًا صافي الضغط الإيجابي عند الضغط الخلفي (NPSHr). وهذا يضمن أن يكون لدى المضخة ضغط كافٍ لمنع التكهف، وهي حالة ضارة.

تزيد القدرة المُطبقة على سائل ما من طاقة هذا السائل لكل وحدة حجم. وبالتالي، فإن العلاقة بين القدرة وطاقة السائل داخل المضخة هي علاقة تحويل الطاقة الميكانيكية لآلية المضخة إلى طاقة السائل. وبشكل عام، تخضع هذه العلاقة لسلسلة من المعادلات التفاضلية الآنية، تُعرف بمعادلات نافيير-ستوكس . مع ذلك، يمكن استخدام معادلة أبسط تربط فقط بين الطاقات المختلفة في السائل، تُعرف بمعادلة برنولي . ومن ثم، فإن القدرة (P) المطلوبة لتشغيل المضخة هي:

${\displaystyle P={\frac {\Delta pQ}{\eta }}}$

حيث يُمثل Δp التغير في الضغط الكلي بين المدخل والمخرج (بالباسكال)، وQ معدل التدفق الحجمي للسائل مُقاسًا بالمتر المكعب في ^{الثانية} . قد يتضمن الضغط الكلي مكونات طاقة الوضع، والضغط الساكن ، والطاقة الحركية ؛ أي أن الطاقة موزعة بين التغير في طاقة الوضع الجاذبية للسائل (صعودًا أو هبوطًا)، والتغير في السرعة، أو التغير في الضغط الساكن. أما η فهي كفاءة المضخة، ويمكن الحصول عليها من معلومات الشركة المصنعة، مثل منحنى أداء المضخة، وعادةً ما تُستخلص إما من محاكاة ديناميكيات الموائع (أي حلول معادلات نافيير-ستوكس لهندسة المضخة المحددة)، أو عن طريق الاختبار. وتعتمد كفاءة المضخة على تصميمها وظروف تشغيلها (مثل سرعة الدوران، وكثافة السائل ولزوجته، إلخ).

${\displaystyle \Delta p=\rho {(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}) \over 2}+\rho \Delta zg+{\Delta p_{\mathrm {static} }}}$

في نظام الضخ التقليدي، يكون الشغل المؤثر على السائل موجبًا. أما في حالة السائل الذي يؤثر على المضخة (أي التوربين )، فيكون الشغل سالبًا. تُحدد القدرة اللازمة لتشغيل المضخة بقسمة القدرة الخارجة على كفاءة المضخة. علاوة على ذلك، يشمل هذا التعريف المضخات التي لا تحتوي على أجزاء متحركة، مثل السيفون .

تُعرَّف كفاءة المضخة بأنها نسبة القدرة التي تُنقلها المضخة إلى السائل مقارنةً بالقدرة المُزوَّدة لتشغيلها. ولا تُعدّ قيمتها ثابتةً لمضخة مُحدَّدة، إذ تعتمد الكفاءة على معدل التدفق، وبالتالي على ضغط التشغيل. في المضخات الطاردة المركزية، تميل الكفاءة إلى الزيادة مع زيادة معدل التدفق حتى نقطةٍ في منتصف نطاق التشغيل (ذروة الكفاءة أو نقطة الكفاءة المثلى)، ثم تنخفض مع زيادة معدلات التدفق. عادةً ما يُقدِّم المُصنِّع بيانات أداء المضخة، مثل هذه البيانات، قبل اختيار المضخة. وتميل كفاءة المضخات إلى الانخفاض بمرور الوقت نتيجةً للتآكل (مثل زيادة الخلوصات مع انخفاض حجم المراوح).

عندما يتضمن النظام مضخة طرد مركزي، فإن أحد أهم جوانب التصميم هو مطابقة خصائص فقدان الضغط والتدفق مع المضخة بحيث تعمل عند أو بالقرب من نقطة كفاءتها القصوى. تُعد كفاءة المضخة جانبًا مهمًا، ويجب اختبارها بانتظام. يُعد اختبار المضخة الديناميكي الحراري أحد أساليب الاختبار.

تتطلب معظم المضخات الكبيرة حدًا أدنى من التدفق، فإذا انخفض التدفق عن هذا الحد، قد تتعرض المضخة للتلف نتيجة ارتفاع درجة الحرارة، أو تآكل المروحة، أو الاهتزاز، أو تلف مانع التسرب، أو تلف عمود الدوران، أو ضعف الأداء. ^{[ 45 ]} يضمن نظام الحماية من التدفق الأدنى عدم تشغيل المضخة عند انخفاض معدل التدفق عن الحد الأدنى. يحمي هذا النظام المضخة حتى في حالة إغلاقها أو توقفها عن العمل، أي في حالة إغلاق خط التفريغ تمامًا. ^{[ 46 ]} أبسط نظام للتدفق الأدنى هو أنبوب يمتد من خط تفريغ المضخة إلى خط السحب. يُزود هذا الخط بصفيحة ذات فتحة مصممة للسماح بمرور الحد الأدنى من تدفق المضخة. ^{[ 47 ]} يضمن هذا الترتيب الحفاظ على الحد الأدنى من التدفق، على الرغم من أنه يُعدّ مُهدرًا لأنه يُعيد تدوير السائل حتى عندما يتجاوز التدفق عبر المضخة الحد الأدنى. أما النظام الأكثر تطورًا، ولكنه أكثر تكلفة (انظر الرسم التوضيحي)، فيتكون من جهاز قياس التدفق (FE) في مخرج المضخة، والذي يُرسل إشارة إلى وحدة تحكم التدفق (FIC) التي بدورها تُشغل صمام التحكم في التدفق (FCV) في خط إعادة التدوير. إذا تجاوز التدفق المقاس الحد الأدنى، يُغلق صمام التحكم في التدفق (FCV). أما إذا انخفض التدفق المقاس عن الحد الأدنى، فيُفتح الصمام للحفاظ على معدل التدفق الأدنى. ^{[ 48 ] [ 45 ]} مع إعادة تدوير السوائل، تزيد الطاقة الحركية للمضخة من درجة حرارة السائل. في العديد من المضخات، تُبدد هذه الطاقة الحرارية الزائدة عبر الأنابيب. مع ذلك، في المضخات الصناعية الكبيرة، مثل مضخات خطوط أنابيب النفط، يُزود خط إعادة التدوير بمبرد لتبريد السوائل إلى درجة حرارة السحب الطبيعية. ^{[ 49 ]} بدلاً من ذلك، يمكن إعادة السوائل المُعاد تدويرها إلى ما قبل مبرد التصدير في مصفاة نفط أو محطة نفط أو منشأة بحرية .

• رابطة مصنعي المضخات الأسترالية. الدليل الفني للمضخات الأسترالية ، الطبعة الثالثة. كانبرا: رابطة مصنعي المضخات الأسترالية، 1987. ISBN 0-7316-7043-4.
• هيكس، تايلر ج. وثيودور و. إدواردز. هندسة تطبيقات المضخات . شركة ماكجرو هيل للنشر. 1971. ISBN 0-07-028741-4
• كاراسيك، إيغور ، محرر. (2007). دليل المضخات (  الطبعة الرابعة). ماكجرو هيل. ISBN 9780071460446.
• روبنز، إل بي. "أنظمة ضغط المياه المنزلية" . مجلة العلوم الشعبية ، فبراير 1919، الصفحات 83-84. مقال حول كيفية قيام صاحب المنزل ببناء نظام مياه منزلي مضغوط بسهولة دون استخدام الكهرباء.