Типы объемных насосов

Объемные насосы перемещают жидкость, удерживая фиксированный объем внутри камеры и выталкивая его от входа к выходу. В отличие от центробежных насосов, которые полагаются на скорость для создания потока, каждый оборот или ход объемного насоса обеспечивает предсказуемый объем независимо от давления на выходе. Это принципиальное различие делает объемные насосы стандартным выбором для высоковязких жидкостей, точного дозирования и применений, где стабильность потока важнее, чем сам объем.

Существует два типа объемных насосов — роторные и поршневые — и в рамках этих двух категорий в отрасли разработаны различные конструкции насосов, оптимизированные для разных сред, давлений и технологических требований. Выбор неправильного типа приводит к преждевременному износу, неточному дозированию или простою системы. В этом руководстве подробно рассматривается каждый тип объемного насоса по принципу работы, конструктивным особенностям, характеристикам производительности и областям применения, что дает инженерам и группам по закупкам техническую основу для точного выбора насоса.

Что такое объемный насос?

Объемный насос работает по простому механическому принципу: движущийся элемент — будь то шестерня, лопатка, винт, поршень или диафрагма — создает расширяющиеся и сжимающиеся полости внутри корпуса насоса. При расширении полости на стороне всасывания жидкость втягивается. При сжатии на стороне нагнетания жидкость выталкивается. Объем, вытесняемый за цикл, остается постоянным, поэтому расход прямо пропорционален скорости вращения и в значительной степени не зависит от давления нагнетания.

Эта рабочая характеристика наделяет поршневые насосы рядом определяющих особенностей. Выходной поток остается стабильным даже при изменении сопротивления системы, что критически важно для дозирования и дозирования. Они перекачивают высоковязкие среды, которые центробежные насосы не могут эффективно перемещать. Большинство конструкций являются самовсасывающими, то есть они могут откачивать воздух из всасывающих линий без внешнего вмешательства. А поскольку они улавливают дискретные объемы, они создают пульсирующий поток в различной степени в зависимости от типа насоса.

В приведенной ниже таблице проводится сравнение объемных насосов с другими основными категориями насосов, чтобы уточнить место объемных насосов в более широкой системе классификации.

Типы объемных насосов

Все объемные насосы работают по одному и тому же основному принципу — захватывают и вытесняют фиксированный объем жидкости за цикл, — но достигают этого за счет принципиально разных механических движений. В отрасли их классифицируют на два типа объемных насосов в зависимости от способа движения вытесняющего элемента: роторные и поршневые.

Роторные объемные насосы используют вращающиеся элементы — шестерни, лопасти, винты или лопатки — которые непрерывно перемещают жидкость от входа к выходу. Поршневые объемные насосы используют прямолинейное движение — поршни, плунжеры или диафрагмы — которое попеременно втягивает и выталкивает жидкость через обратные клапаны. Это различие в движении определяет все: от пульсации потока и допустимого давления до требований к техническому обслуживанию и совместимости с перекачиваемыми средами.

Роторные объемные насосы

Роторные объемные насосы перемещают жидкость за счет непрерывного вращения одного или нескольких элементов внутри корпуса с жесткими допусками. Жидкость поступает в насос, задерживается в зазорах между вращающимся элементом и стенкой корпуса и переносится от всасывания к нагнетанию по мере вращения элемента. Поскольку движение является непрерывным, а не прерывистым, роторные объемные насосы обеспечивают более плавный поток с меньшей пульсацией, чем их поршневые аналоги.

К общим характеристикам роторных насосов относятся компактные размеры относительно производительности, самовсасывание, бесшумная работа и пригодность для вязких сред. Как правило, они работают при более низком давлении, чем поршневые насосы, но обеспечивают более высокую производительность при заданных габаритах. Пять основных типов роторных объемных насосов — это шестеренчатые насосы, лопастные насосы, винтовые насосы, лопастные насосы и перистальтические насосы.

Шестеренчатый насос

Шестеренчатые насосы являются наиболее широко используемыми роторными объемными насосами в промышленных целях. Они перекачивают жидкость, удерживая ее в зазорах между зацепляющимися зубьями шестерни и корпусом насоса, а затем перемещая ее по периметру шестерни от входа к выходу. Когда зубья снова зацепляются на стороне нагнетания, жидкость выдавливается в трубопровод, расположенный ниже по потоку.

Существует два конструктивных варианта. В насосах с внешним зацеплением используются две одинаковые зубчатые передачи, вращающиеся в противоположных направлениях и приводимые в движение одним валом через другой. В насосах с внутренним зацеплением используется меньшая зубчатая передача (холостая), вращающаяся внутри большей кольцевой зубчатой ​​передачи, с серповидной перегородкой, разделяющей зоны всасывания и нагнетания.

Шестеренчатые насосы отлично справляются с перекачкой высоковязких жидкостей — фактически, их объемная эффективность повышается с увеличением вязкости, поскольку более густая жидкость более эффективно герметизирует зазоры между шестернями и корпусом. Типичный диапазон вязкости составляет от 1 сП до более 1 000 000 сП в зависимости от модели и скорости.

Преимущества: точный расход, пропорциональный скорости (идеально подходит для дозирования), самовсасывание, реверсивное направление потока, компактность, относительно низкая стоимость. Недостатки: не подходит для абразивных или содержащих твердые частицы жидкостей (зубцы шестерен имеют жесткие допуски), выделяет тепло при работе с очень вязкими средами на высоких скоростях, а фиксированный рабочий объем означает невозможность регулировки расхода без изменения скорости.

Типичные области применения включают перекачку смазочных масел, дозирование смол и клеев, обращение с мазутом, дозирование химических веществ, переработку полимеров и гидравлические силовые системы.

Примечание по эксплуатации: шестеренчатые насосы требуют, чтобы перекачиваемая жидкость обеспечивала смазку между зубьями шестерни и внутренним диаметром корпуса. Работа шестеренчатого насоса всухую или с жидкостями с низкой смазывающей способностью приводит к быстрому износу. Условия всасывания следует тщательно контролировать — недостаточное давление на входе вызывает кавитацию и ускоряет повреждение поверхности шестерни.

Лопастной насос

Лопастные насосы используют набор плоских подпружиненных лопаток (лопастей), установленных в пазах на вращающемся роторе. Ротор расположен эксцентрично внутри круглого корпуса. При вращении ротора центробежная сила и давление пружины выталкивают лопатки наружу к стенке корпуса, создавая герметичные камеры между соседними лопатками. Эти камеры расширяются на стороне всасывания (втягивая жидкость) и сжимаются на стороне нагнетания (выталкивая жидкость).

Лопастные насосы обеспечивают плавный поток с низкой пульсацией и особенно подходят для применений, требующих умеренного или высокого давления при относительно низких расходах. Они широко используются в системах перекачки топлива, автомобильных гидроусилителях руля, гидравлических системах и системах охлаждения оборудования для очистки под высоким давлением.

Преимущества: плавный поток с очень низкой пульсацией, самовсасывание, хорошая всасывающая способность, компактная конструкция и низкий уровень шума. Недостатки: лопатки являются изнашивающимися элементами и требуют периодической замены, производительность снижается при работе с абразивными или содержащими частицы средами, и они менее эффективны, чем шестеренчатые насосы, при очень высокой вязкости.

Лопастные насосы можно классифицировать как насосы с фиксированным рабочим объемом (постоянный эксцентриситет) или с переменным рабочим объемом (регулируемый эксцентриситет), хотя насосы с переменным рабочим объемом чаще используются в гидравлических системах, чем для перекачки технологических жидкостей.

Примечание по эксплуатации: лопастные насосы чувствительны к чистоте рабочей жидкости. Частицы в жидкости ускоряют износ наконечников лопаток и внутренней поверхности корпуса, что приводит к снижению объемной эффективности. Необходимо контролировать температуру рабочей среды — чрезмерный нагрев размягчает материал лопаток и ухудшает герметичность. Чистые жидкости с низкой или средней вязкостью обеспечивают наилучшую производительность и самый длительный срок службы.

Винтовой насос

В винтовых насосах используется один или несколько винтовых винтов, вращающихся внутри корпуса с высокой точностью, для перемещения жидкости вдоль резьбы. Жидкость заполняет винтовые канавки на всасывающем конце и перемещается в непрерывном герметичном кармане к нагнетательному концу. Винты не сжимают жидкость — они просто транспортируют ее, поэтому винтовые насосы обеспечивают наиболее плавный поток среди всех типов роторных насосов объемного диастолического диаметра, практически без пульсаций.

На рынке доминируют три конструктивные конфигурации. Одновинтовые насосы (также называемые винтовыми насосами) используют один винтовой ротор, вращающийся внутри эластомерного статора с двойной спиралью, создавая прогрессивные герметичные полости. Двухвинтовые насосы используют два зацепляющихся винта, вращающихся в противоположных направлениях, при этом жидкость перекачивается в пространствах между винтовыми лопастями и корпусом. Трехвинтовые насосы используют один ведущий винт и два холостых винта, при этом жидкость перекачивается по каналам между тремя зацепляющимися винтами.

Преимущества: чрезвычайно плавный, практически без пульсаций поток; перекачивает жидкости с высокой вязкостью и чувствительные к сдвигу без ухудшения характеристик; способен перекачивать жидкости с взвешенными твердыми частицами (одношнековый насос); тихая работа; высокая всасывающая способность. Недостатки: более высокая стоимость по сравнению с шестеренчатыми насосами; износ статора в одношнековых конструкциях (особенно при работе с абразивными средами); и замена шнека требует больших затрат на техническое обслуживание.

Типичные области применения: перекачка сырой нефти, переработка полимеров, обработка пищевых продуктов (шоколад, томатная паста), осадок сточных вод, дозирование химических веществ, судовое топливо и системы смазки.

Примечание по эксплуатации: в одновинтовых насосах эластомерный статор является основным изнашиваемым компонентом и чувствителен к химической совместимости, температуре и содержанию абразивных частиц. Выбор скорости имеет значение — слишком высокая скорость при работе с высоковязкими средами приводит к чрезмерному нагреву статора. В двух- и трехвинтовых конструкциях поддержание правильной синхронизации вращений шнеков и состояния подшипников имеет решающее значение для предотвращения контакта металла с металлом.

Лопастной насос

В лопастных насосах используются два или более вращающихся в противоположных направлениях ротора, которые не соприкасаются друг с другом. Жидкость поступает в насос, когда лопасти разворачиваются друг от друга на входе, задерживается в углублениях между лопастями и корпусом и поступает на выход, где зацепляющиеся лопасти выталкивают жидкость наружу.

Ключевое структурное отличие лопастного насоса от шестеренчатого заключается в том, что лопасти никогда не соприкасаются друг с другом — они приводятся в движение внешними зубчатыми передачами. Такая бесконтактная конструкция делает лопастные насосы подходящими для санитарного применения, поскольку внутри контактирующей с жидкостью зоны отсутствует износ металла о металл, а насосы можно очищать на месте (CIP — clean-in-place) и стерилизовать на месте (SIP —sterilize-in-place) без разборки.

Конфигурации лопастей включают двухлопастные (две лопасти на ротор), трехлопастные (три лопасти) и многолопастные конструкции. Трехлопастные роторы обеспечивают более плавный поток с меньшей пульсацией. Двухлопастные роторы обрабатывают большие объемы за один оборот и пропускают более крупные мягкие твердые частицы.

Преимущества: отлично подходит для санитарно-гигиенических применений, совместим с системами CIP/SIP, работает с мягкими твердыми частицами и высоковязкими средами, бережно относится к чувствительным к сдвигу жидкостям, реверсивный, прост в обслуживании благодаря фронтальной загрузке. Недостатки: более высокая пульсация, чем у винтовых или шестеренчатых насосов, более низкая эффективность при работе с низковязкими жидкостями (внутреннее проскальзывание) и более высокая стоимость по сравнению с аналогичными шестеренчатыми насосами.

Типичные области применения: пищевая промышленность (молочные продукты, соусы, напитки), фармацевтическое производство, косметика, осадок сточных вод и биотехнология.

Примечание по эксплуатации: в лопастных насосах объемная эффективность зависит от вязкости жидкости. При работе с жидкими, похожими на воду жидкостями внутреннее проскальзывание между лопастями и корпусом становится значительным, что снижает производительность. Механизмы газораспределения требуют периодического осмотра и надлежащей смазки. Выбор материала ротора — с резиновым покрытием, из нержавеющей стали или с покрытием из ПТФЭ — должен соответствовать конкретной рабочей среде и температурным условиям.

Перистальтический насос

Перистальтические насосы (также называемые шланговыми насосами или трубчатыми насосами) работают за счет сжатия гибкой трубки или шланга вращающимися роликами или башмаками. Когда ролик сжимает трубку в одной точке, он создает перед собой герметичный карман с жидкостью. По мере движения ролика вдоль трубки карман продвигается к выходному отверстию. За роликом трубка восстанавливает свою круглую форму, создавая разрежение, которое втягивает новую жидкость.

Основное преимущество этой конструкции заключается в том, что перекачиваемая жидкость контактирует только с внутренней поверхностью трубки — никакие уплотнения, клапаны или вращающиеся детали не подвергаются воздействию рабочей среды. Это делает перистальтические насосы идеальными для перекачивания коррозионных, абразивных, стерильных или чувствительных к сдвигу жидкостей, где необходимо исключить загрязнение или перекрестное загрязнение.

Преимущества: полная герметичность (отсутствие уплотнений, которые могут протекать), работа с коррозионными и абразивными средами, отлично подходит для стерильных и высокочистых применений, точное дозирование при низких расходах, простая замена трубок, самовсасывание, возможность работы всухую без повреждений. Недостатки: трубка/шланг является основным изнашиваемым элементом и имеет ограниченный срок службы (особенно под высоким давлением или с агрессивными средами), расход ограничен диаметром трубки, а пульсация может быть значительной в конструкциях с одним роликом.

Типичные области применения: дозирование в лабораториях, фармацевтическое производство, дозирование химикатов для водоочистки, перекачка шлама в горнодобывающей промышленности, дозирование пищевых ингредиентов и работа с типографскими красками.

Примечание по эксплуатации: выбор материала трубки является наиболее важным фактором, определяющим производительность и срок службы перистальтического насоса. Трубка должна выдерживать как химическое воздействие рабочей среды, так и механическую усталость от многократного сжатия. Наиболее распространенные варианты – натуральный каучук, силикон, норпрен и гипалон, каждый из которых имеет различные химические и температурные характеристики. Рабочее давление напрямую влияет на срок службы трубки – более высокое давление ускоряет усталостное разрушение.

Поршневые объемные насосы

Поршневые объемные насосы используют прямолинейное движение вперед-назад для перемещения жидкости. Поршень, плунжер или диафрагма перемещаются в одном направлении, расширяя камеру (создавая разрежение для втягивания жидкости через обратный клапан на входе), а затем в обратном направлении, сжимая камеру (выталкивая жидкость через обратный клапан на выходе). Каждый ход обеспечивает подачу фиксированного объема.

По сравнению с роторными насосами, поршневые насосы создают более высокое давление — некоторые плунжерные насосы достигают более 1000 бар — но их производительность по своей природе пульсирует, поскольку жидкость вытесняется только во время такта нагнетания. Многоцилиндровые конфигурации (дуплексные, триплексные) уменьшают пульсацию за счет перекрытия тактов. Кроме того, поршневые насосы используют обратные клапаны для управления направлением потока, что делает их менее подходящими для жидкостей с очень высокой вязкостью или содержащими твердые частицы, которые могут загрязнять седла клапанов.

Существует три основных типа насосов: поршневые, плунжерные и диафрагменные.

Поршневой насос

В поршневых насосах используется цилиндрический поршень, совершающий возвратно-поступательное движение внутри цилиндра. Поршень герметизирован относительно стенки цилиндра поршневыми кольцами или уплотнениями (уплотнение перемещается вместе с поршнем). Во время такта всасывания поршень движется назад, расширяя объем цилиндра и втягивая жидкость через обратный клапан на входе. Во время такта нагнетания поршень движется вперед, сжимая жидкость и выталкивая ее через обратный клапан на выходе.

Поршневые насосы бывают одностороннего действия (жидкость вытесняется только с одной стороны) и двустороннего действия (жидкость вытесняется с обеих сторон поршня). Двусторонние конструкции обеспечивают более плавный поток, поскольку жидкость подается в обоих направлениях хода поршня.

Преимущества: способность создавать высокое давление (обычно 100–700 бар), хорошая объемная эффективность, хорошо зарекомендовавшая себя технология с широкой доступностью, а также регулируемый расход путем изменения длины хода или скорости. Недостатки: пульсирующий выходной поток требует использования демпферов для чувствительных процессов на выходе, износ уплотнений продолжается (особенно при высоком давлении), не идеально подходит для абразивных или коррозионных сред, а также занимает больше места, чем роторные насосы при эквивалентных расходах.

Типичные области применения: гидравлические силовые системы, очистка и промывка под высоким давлением, подача питательной воды в котлы, закачка на устье нефтегазовых скважин, а также испытательные стенды, требующие контролируемого высокого давления.

Примечание по эксплуатации: поршневые уплотнения являются основной изнашиваемой деталью. Срок службы уплотнений зависит от рабочего давления, смазывающей способности рабочей среды и температуры. Работа на сухих или плохо смазанных жидкостях быстро приводит к износу уплотнений. В условиях работы с агрессивными средами материал уплотнений должен быть тщательно подобран — стандартные эластомеры могут выйти из строя в течение нескольких часов в агрессивных химических средах. Условия на входе имеют большое значение: недостаточный NPSH (чистый положительный напор на всасывании) вызывает кавитацию, которая повреждает поршень, цилиндр и седла клапанов.

Плунжерный насос

Плунжерные насосы работают по тому же принципу возвратно-поступательного движения, что и поршневые насосы, но с существенным конструктивным отличием: плунжер представляет собой сплошной стержень с гладкой поверхностью, который перемещается через неподвижное уплотнение (сальник). В поршневом насосе уплотнение перемещается вместе с поршнем. В плунжерном насосе уплотнение остается неподвижным, и плунжер скользит по нему. Это различие позволяет плунжерным насосам достигать гораздо более высоких давлений, поскольку неподвижный сальник может быть сделан более толстым и прочным без увеличения массы, движущейся возвратно-поступательно.

Плунжерные насосы — это основная технология для работы в условиях сверхвысокого давления. Промышленные плунжерные насосы обычно работают при давлении 500–1500 бар, а специализированные конструкции достигают 4000 бар и выше для гидроабразивной резки.

Преимущества: самая высокая производительность по давлению среди всех типов поршневых насосов, превосходная объемная эффективность даже при экстремальных давлениях, возможность замены сальника без разборки насоса (во многих конструкциях), а также точная регулировка расхода. Недостатки: пульсирующий выходной поток (в трехпоршневых конфигурациях это значительно снижается), сальник требует регулярной регулировки и замены, не подходит для абразивных сред (частицы повреждают поверхность плунжера, разрушая уплотнение), и более высокая стоимость по сравнению с поршневыми насосами при том же расходе и умеренном давлении.

Типичные области применения: гидроабразивная резка, высокотемпературная очистка от окалины на металлургических заводах, химическая инъекция в нефтегазодобыче, перекачка сырья в установках обратного осмоса, а также испытания под высоким давлением и гидростатические испытания.

Примечание по эксплуатации: качество обработки поверхности плунжера имеет решающее значение. Любые царапины, коррозия или точечные повреждения на поверхности плунжера немедленно нарушают герметичность уплотнения, что приводит к утечке и потере давления. В сложных условиях эксплуатации используются плунжеры с керамическим покрытием или из цельной керамики, обеспечивающие превосходную износостойкость. Основной задачей технического обслуживания является продление срока службы уплотнений — затягивайте сальниковые уплотнения постепенно и заменяйте комплекты уплотнений через запланированные интервалы, а не ждите появления видимой утечки.

Диафрагменный насос

В диафрагменных насосах используется гибкая мембрана (диафрагма), которая изгибается вперед и назад, попеременно расширяя и сжимая насосную камеру. Диафрагма полностью отделяет перекачиваемую жидкость от приводного механизма, обеспечивая герметичность — отсутствует уплотнение вала, которое могло бы выйти из строя и выпустить опасные среды в окружающую среду.

Существует два основных типа привода. Пневматические двухдиафрагменные насосы (AODD) используют сжатый воздух для попеременного изгибания двух диафрагм, соединенных общим валом, создавая сбалансированную саморегулирующуюся систему. Механически приводимые в движение диафрагменные насосы используют коленчатый вал или кулачок с электроприводом для перемещения диафрагмы, обеспечивая более точное регулирование потока за счет необходимости использования электродвигателя и механической трансмиссии.

Преимущества: полностью бескамерная конструкция исключает риск утечек, подходит для работы с коррозионными, абразивными и содержащими частицы жидкостями, самовсасывание с высоким напором всасывания, может работать всухую без повреждений (тип AODD), портативный и простой в установке (AODD), искробезопасный (AODD — отсутствие электрических соединений в опасных зонах). Недостатки: пульсирующий выходной поток, диафрагма является изнашиваемым элементом с ограниченным сроком службы, расход ограничен по сравнению с роторными насосами, тип AODD потребляет большие объемы сжатого воздуха (энергоемкий), а для точного дозирования требуется гашение пульсаций.

Типичные области применения: перенос химических веществ (кислот, растворителей, щелочей), перенос красок и покрытий, очистка сточных вод, фармацевтическая обработка партий, обработка пищевых ингредиентов и горнодобывающая пульпа.

Примечание по эксплуатации: выбор материала диафрагмы напрямую определяет срок службы и надежность насоса. Диафрагмы из ПТФЭ устойчивы к большинству химических веществ, но имеют меньший ресурс по усталости, чем эластомерные варианты. Сантопрен и буна-Н обладают хорошей устойчивостью к усталости, но имеют ограниченный диапазон воздействия химических веществ. Для диафрагменных пневматических насосов качество подаваемого воздуха имеет значение — влага и масло в подаваемом воздухе ухудшают работу воздушного клапана и диафрагмы. Защита от замерзания также необходима при перекачивании жидкостей на водной основе в холодных условиях, поскольку образование льда может привести к разрыву диафрагмы.

Как выбрать подходящий объемный насос

Выбор насоса начинается с жидкости, а не с самого насоса. Все остальные параметры — давление, расход, материалы, тип уплотнения — зависят от физических и химических свойств перекачиваемой жидкости. Инженеры, которые начинают с просмотра каталогов насосов, не изучив должным образом характеристики перекачиваемой жидкости, часто в итоге приобретают насос, который хорошо работает на бумаге, но выходит из строя в эксплуатации через несколько месяцев.

Начните со свойств жидкости.

Вязкость — первый фильтр. При вязкости ниже 100 сП большинство типов поршневых насосов работают приемлемо. При вязкости от 100 до 10 000 сП предпочтительными становятся шестеренчатые и винтовые насосы, поскольку их эффективность повышается с увеличением вязкости. При вязкости выше 10 000 сП обычно единственными практически применимыми вариантами являются шестеренчатые насосы и винтовые насосы. Лопастные насосы хорошо справляются с умеренной вязкостью, но теряют эффективность при работе с очень жидкими или очень густыми жидкостями.

Второй фильтр — это содержание твердых частиц. Если жидкость содержит твердые абразивные частицы, шестеренчатые и лопастные насосы исключаются из рассмотрения — их поверхности с высокой точностью быстро изнашиваются. Мембранные насосы, перистальтические насосы и одновинтовые (с прогрессивной полостью) насосы хорошо переносят абразивные частицы. Лопастные насосы справляются с мягкими твердыми частицами (частицами пищевых отходов, осадком), но не с твердыми абразивами.

Химическая совместимость определяет выбор материалов для всех контактирующих с жидкостью деталей. Коррозионные кислоты и растворители исключают многие стандартные материалы. Мембранные насосы с футеровкой из ПТФЭ, магнитоупорные насосы с футеровкой из фторпластика и насосы с керамическими внутренними элементами предназначены для работы в агрессивных химических средах. Экстремальные температуры дополнительно ограничивают выбор материалов — эластомерные уплотнения, статоры и мембраны имеют верхние температурные пределы, которые нельзя превышать.

Определите требования к процессу.

Требуемый расход сужает диапазон размеров насоса. Требуемое давление на выходе определяет тип насоса — шестеренчатые и лопастные насосы обычно работают до 25 бар, винтовые насосы — до 80 бар, поршневые насосы — до 700 бар, а плунжерные насосы — до 1500 бар и выше.

Точность дозирования имеет важное значение в системах дозирования. Шестеренчатые насосы и диафрагменные насосы с механическим приводом обеспечивают наилучшую точность (±1% или лучше). Насосы с аутро-диафрагменным приводом имеют наихудшие показатели точности (±5–10%). Также следует учитывать устойчивость к пульсациям — если последующие процессы чувствительны к колебаниям расхода, то винтовые насосы и шестеренчатые насосы с внутренним приводом предпочтительнее из-за их плавной работы.

Учитывайте условия эксплуатации.

Классификация взрывоопасных зон может потребовать использования насосов с магнитным приводом (без уплотнений) для полного исключения утечек через сальник вала. Ограничения по площади отдают предпочтение компактным роторным конструкциям по сравнению с поршневыми насосами. Возможность технического обслуживания на месте должна влиять на выбор — дроссельные насосы с пневматическим приводом можно обслуживать в полевых условиях с помощью базового инструмента, в то время как для двухвинтовых насосов требуются квалифицированные специалисты и процедуры выравнивания.

В приведенной ниже таблице представлена ​​краткая справочная матрица для выбора основных типов перитонеальных насосов.

Тенденции в технологии объемных насосов

В отрасли объемных насосов одновременно развиваются три направления: инновации в материалах для экстремальных условий эксплуатации, повышение эффективности приводных систем и более интеллектуальная интеграция с системами управления технологическими процессами.

В области материалов конструкционные полимеры, такие как PEEK (полиэфирэфиркетон) и PPS (полифениленсульфид), заменяют традиционные металлы в компонентах насосов, подверженных воздействию коррозионных и высокотемпературных сред. Рабочие колеса и изоляционные втулки из PEEK сохраняют стабильность размеров при температурах, при которых PTFE деформируется, и обеспечивают превосходную химическую стойкость по сравнению с нержавеющей сталью. Сплавы Hastelloy используются в тех областях, где даже стандартная аустенитная нержавеющая сталь не выдерживает коррозии. Керамические подшипники и изоляционные втулки исключают износ металла о металл в насосах с магнитным приводом, продлевая срок службы в условиях непрерывной работы с химическими веществами. Эти передовые материалы уже используются в производстве — например, компания Aulank использует керамические компоненты, PEEK, PPS и Hastelloy в своих линейках шестеренчатых и лопастных насосов для работы в экстремальных температурах и при воздействии химических веществ от -196°C до +400°C.

Технология привода смещается в сторону синхронных двигателей с постоянными магнитами и магнитной муфты, которые в совокупности исключают уплотнение вала — исторически наиболее подверженный поломкам компонент в любом насосе. Бескамерные магнитные приводные конструкции обеспечивают истинную нулевую утечку, что является нормативным и эксплуатационным требованием в химических, полупроводниковых и фармацевтических процессах. Технология косозубых шестерен в поршневых насосах снижает пульсацию передачи и продлевает срок службы шестерен по сравнению с прямозубыми шестернями.

В настоящее время при интеграции технологических процессов предполагается, что насосы будут стандартно, а не в качестве опции, оснащены частотно-регулируемым приводом (ЧРП). Управление с помощью ЧРП позволяет регулировать расход в режиме реального времени без механических изменений, повышая энергоэффективность и снижая износ при частичных нагрузках. В насосные системы встраиваются системы мониторинга состояния — датчики вибрации, температурные датчики и отслеживание энергопотребления — для обеспечения прогнозируемого технического обслуживания, а не реагирования на отказы в реактивном режиме.

Выбор из реальной жизни: примеры из практики

Сценарий 1: Циркуляция высокотемпературного термомасла при температуре 350 °C.

Производителю оборудования для терморегулирования требуется насос для циркуляции синтетического термомасла при температуре 350 °C через рубашку реактора. Вязкость масла снижается примерно до 0,5 сП при рабочей температуре, и системе требуется производительность 5 л/мин при давлении 3 бар с нулевым допуском на утечку, поскольку масло является легковоспламеняющимся.

При такой температуре эластомерные уплотнения разрушаются в течение нескольких недель. Для насоса с механическим уплотнением потребовалась бы дорогостоящая система двойного уплотнения с барьерной жидкостью. Практическое решение — шестеренчатый насос с магнитным приводом, использующий высокотемпературные магнитные материалы и керамические подшипники. Бесшовная конструкция полностью исключает риск утечек, керамические подшипники справляются с низкой смазывающей способностью тонкого горячего масла, а конструкция шестеренчатого насоса обеспечивает стабильный расход, соответствующий дозированию. Это роторный объемный насос, работающий за счет требования нулевой утечки и температурных ограничений, а не за счет вязкости или давления.

Сценарий 2: Химическое дозирование концентрированной серной кислоты

На водоочистной станции необходимо дозировать концентрированную серную кислоту (98% H₂SO₄) со скоростью 500 мл/мин с точностью ±2% в нейтрализационный резервуар. Кислота воздействует на большинство металлов и эластомеров. Необходимо избегать контакта с операторами.

Шестеренчатые насосы с контактирующими с жидкостью деталями, покрытыми ПТФЭ или ПФА, могут справляться с химической совместимостью, но точность дозирования при таком низком расходе требует минимальных внутренних зазоров. Механически приводимый диафрагменный дозирующий насос с диафрагмой из ПТФЭ и керамическими обратными клапанами обеспечивает необходимую точность ±1%, исключая при этом любые пути утечки. В качестве альтернативы, шестеренчатый насос с магнитным приводом и футеровкой из фторпластика обеспечивает непрерывный поток, а не пульсирующий, что может быть предпочтительнее, если процесс чувствителен к колебаниям расхода.

Сценарий 3: Дозирование клея с давлением 50 000 сП

Производителю клеевых материалов необходимо переливать термоплавкий клей с вязкостью 50 000 сП из нагреваемого резервуара в разливочные машины. Клей должен быть чистым (без твердых частиц) и иметь постоянную скорость потока для обеспечения равномерного веса упаковки. Температура составляет 120°C.

При вязкости 50 000 сП центробежные насосы неприменимы — они не могут перекачивать такую ​​жидкость. Лопастной насос заглохнет или начнет кавитировать. Выбор стоит между шестеренчатым насосом и винтовым насосом. Оба хорошо справляются с такой вязкостью. Шестеренчатый насос выигрывает по габаритам (более компактный), стабильности потока (меньше пульсаций, чем у одновинтового насоса) и чистоте (отсутствие эластомера статора, который мог бы выделять частицы в клей). Шестеренчатый насос с подогреваемой рубашкой и магнитным приводом обеспечивает наиболее чистое решение для данного применения.

Сценарий 4: Термические испытания батареи с использованием силиконового масла при температуре от -40°C до +150°C

Производителю оборудования для тестирования аккумуляторов электромобилей необходим насос для циркуляции теплоносителя на основе силикона через камеры для тестирования аккумуляторных модулей. Вязкость жидкости резко меняется в зависимости от температуры — от более чем 20 000 сП при -40°C до менее 5 сП при +150°C. Система требует стабильного потока 2–8 л/мин независимо от изменений вязкости, отсутствия утечек (испытательная лаборатория должна быть чистой) и непрерывной работы 24/7 в течение тысяч циклов тестирования.

Данное решение сразу же исключает большинство типов диафрагменных насосов. Лопастные насосы не справляются с высоковязкими жидкостями в холодном конце. Диафрагменные насосы не обеспечивают необходимой точности дозирования для контуров терморегулирования. Винтовые насосы имеют избыточную мощность для этого диапазона расхода. Использование механического уплотнительного насоса в чистой лабораторной среде создает неприемлемый риск утечки, когда жидкость разжижается при высокой температуре.

Решением является шестеренчатый насос с магнитным приводом, использующий магнитные материалы широкого температурного диапазона, керамические подшипники и внутренние компоненты из PEEK или PPS. Конструкция шестеренчатого насоса обеспечивает сохранение объемной эффективности во всем диапазоне вязкости — эффективность фактически повышается в холодном состоянии с высокой вязкостью. Магнитный привод полностью исключает уплотнение вала, обеспечивая нулевой уровень утечек. Керамические подшипники выдерживают как работу с горячим маслом с низкой смазывающей способностью, так и работу при высоких нагрузках в холодном состоянии без износа металла о металл. В данном случае экстремальные температурные колебания и изменения вязкости в совокупности диктуют необходимость роторного поршневого насоса с бесуплотнительной конструкцией — и где материаловедение имеет такое же важное значение, как и гидравлическая конструкция.

Узнайте больше об этом приложении: Решения для термотестирования аккумуляторных батарей электромобилей.

Серия объемных насосов Aulank

Объемный насос Ауланка В ассортименте представлены шестеренчатые и лопастные насосы в конфигурациях, разработанных для работы в экстремальных температурах и при воздействии экстремальных химических веществ. Все модели шестеренчатых насосов используют магнитный привод или механическое уплотнение с применением передовых материалов, включая керамические изоляционные втулки, рабочие колеса из PEEK/PPS, косозубые шестерни из стали 42CrMo и керамические подшипники.

Для подбора модели и соответствия конкретным условиям эксплуатации обратитесь в компанию [название компании]. Инженерная команда Ауланка с учетом типа среды, температурного диапазона, расхода и требований к давлению.

Часто задаваемые вопросы

Какие основные типы объемных насосов существуют?

Объемные насосы делятся на две основные категории: роторные и поршневые. К роторным относятся шестеренчатые насосы, лопастные насосы, винтовые насосы, лопастные насосы и перистальтические насосы — они используют непрерывное вращательное движение для перемещения жидкости. К поршневым насосам относятся поршневые насосы, плунжерные насосы и диафрагменные насосы — они используют прямолинейное движение вперед-назад с обратными клапанами для регулирования направления потока. В общей сложности существует восемь широко распространенных типов объемных насосов, используемых в различных промышленных областях.

В чём разница между роторными и поршневыми объемными насосами?

Основное различие заключается в способе перемещения вытесняющего элемента. В роторных насосах шестерни, винты или лопасти вращаются непрерывно, создавая относительно плавный поток с низкой пульсацией. В поршневых насосах поршень, плунжер или диафрагма движутся вперед и назад, создавая пульсирующий поток, но обеспечивая гораздо более высокое давление. Роторные насосы обычно предпочтительны для вязких жидкостей и непрерывной перекачки. Поршневые насосы предпочтительны для применений с высоким давлением и точной подачей химических веществ. Роторные конструкции, как правило, более компактны и тише, в то время как поршневые конструкции обеспечивают более высокое давление — плунжерные насосы могут превышать 1500 бар.

Какие существуют три типа насосов?

В машиностроении выделяют три основные категории насосов: объемные насосы, центробежные насосы (ротодинамические насосы) и осевые насосы. Объемные насосы захватывают фиксированный объем и прокачивают его через систему — они обеспечивают постоянный поток независимо от давления. Центробежные насосы используют вращающееся рабочее колесо для преобразования скорости в давление — их расход изменяется в зависимости от сопротивления системы. Осевые насосы используют рабочее колесо в виде пропеллера для перемещения больших объемов при низком давлении. В промышленной практике объемные и центробежные насосы составляют подавляющее большинство установок.

Какой объемный насос используется чаще всего?

Шестеренчатый насос — наиболее распространенный тип объемного насоса в различных отраслях промышленности. Его популярность обусловлена ​​сочетанием факторов: простой конструкцией с небольшим количеством движущихся частей, надежной работой в широком диапазоне вязкостей, превосходной точностью дозирования, компактными размерами и относительно низкой стоимостью по сравнению с другими типами объемных насосов. Насосы с внешним шестеренчатым приводом преобладают в системах подачи топлива, смазки и гидравлики, в то время как насосы с внутренним шестеренчатым приводом широко используются в химической промышленности, пищевой промышленности и системах точного дозирования.

Центробежный насос — это насос объемного действия?

Нет. Центробежный насос — это кинетический (ротодинамический) насос, а не объемный. Принципы их работы принципиально различаются. Центробежный насос использует вращающееся рабочее колесо для придания жидкости скорости, а затем преобразует эту скорость в давление через спиральный корпус или диффузор. Расход жидкости зависит от давления в системе — по мере увеличения противодавления расход уменьшается. Объемный насос захватывает фиксированный объем и физически проталкивает его через систему, поэтому расход остается постоянным независимо от изменений давления. Центробежные насосы лучше всего работают с низковязкими, похожими на воду жидкостями при высоких расходах, в то время как объемные насосы предпочтительны для вязких жидкостей, применений с высоким давлением и дозирования.

Какой тип объемного насоса лучше всего подходит для работы с высоковязкими жидкостями?

Для жидкостей с высокой вязкостью выше 10 000 сП наиболее эффективными вариантами являются шестеренчатые насосы и винтовые (одновинтовые) насосы. Шестеренчатые насосы обеспечивают низкое сдвиговое напряжение, плавный поток и повышение эффективности по мере увеличения вязкости. Винтовые насосы лучше всего подходят, когда вязкая жидкость также содержит твердые частицы или чувствительна к сдвигу. Для жидкостей со средней вязкостью (100–10 000 сП) также являются перспективными шестеренчатые насосы и двухвинтовые насосы. Лопастные и лопастные насосы показывают приемлемые результаты в диапазоне низкой и средней вязкости, но теряют эффективность при очень высокой вязкости.

Может ли объемный насос работать всухую?

Большинство объемных насосов не могут безопасно работать всухую. Шестеренчатые насосы, лопастные насосы, винтовые насосы и лопастные насосы используют перекачиваемую жидкость для смазки и охлаждения внутренних поверхностей — работа всухую приводит к быстрому перегреву, образованию зазубрин и заклиниванию. Исключением являются пневматические диафрагменные насосы и перистальтические насосы, которые могут работать всухую без повреждений, поскольку их насосные элементы (диафрагма и трубка, соответственно) не зависят от смазки жидкостью. Некоторые специализированные насосы с магнитным приводом имеют функции защиты от работы всухую, которые позволяют работать в ограниченном режиме без смазки, но это конструктивная особенность, а не общая характеристика объемных насосов.

Зачем объемным насосам нужны предохранительные клапаны?

Объемные насосы обеспечивают подачу фиксированного объема за цикл независимо от условий на выходе. Если выпускной клапан закрыт или происходит засорение трубопровода, насос продолжает подавать жидкость в замкнутую систему, вызывая повышение давления до тех пор, пока не произойдет поломка — например, повреждение соединения трубы, уплотнения, корпуса насоса или даже перегрузка двигателя. Предохранительный клапан обеспечивает обходной путь, который открывается при заданном давлении, перенаправляя поток обратно на сторону всасывания или в обратный бак. Это обязательное требование безопасности для всех установок объемных насосов, а не опциональное. Центробежные насосы не требуют такой защиты, поскольку их расход естественным образом падает до нуля при закрытом клапане.