Пневматические мембранные насосы

Мембранные насосы, относящиеся к насосам объемного типа, представляют собой универсальные конструкции, способные решать самые разные задачи в таких отраслях промышленности, как: горнодобывающая и нефтеперерабатывающая, химическая и пищевая, строительная и многие другие. Производительность таких агрегатов достигает 72 м³/ч, а давление — 850 кПа. Существуют и мембранные насосы высокого давления (до 22 МПа).

В чем же особенности насосов этих типов, когда и почему целесообразно выбирать именно их, чем следует руководствоваться при выборе агрегата.

Общие сведения

В пневматических насосах движущей силой агрегата является сжатый воздух, поступающий от компрессора. Промышленностью выпускаются пневматические насосы с различным принципом действия: винтовые, поршневые, лопастные, мембранные. В каждом из указанных видов жидкость приходит в движение под действием различных, предназначенных для этого, деталей. В мембранных насосах такими элементами являются специальные диафрагмы (мембраны), которые под действием движущей силы поступающего воздуха совершают колебания, заставляя двигаться перекачиваемую жидкость. Относятся такие агрегаты к насосам объемного типа. Выпускаются диафрагменные насосы с гидравлическим, электрическим, механическим и пневматическим приводом. Наиболее распространены в промышленности мембранные пневматические насосы.

 

Немного истории

Появление первого диафрагменного насоса относится к началу 40-х гг. прошлого века. Они изготавливались из стали, а диафрагмы — из самой обычной резины. Такие насосы применялись в горнодобывающей отрасли и в строительстве. В середине 50-х гг. американским инженером Джимом Вилденом был разработан первый пневматический мембранный насос. Вызвано это было необходимостью перекачки шламов на предприятиях металлургической промышленности. Эти работы требовали самовсасывающего насоса, способного перекачивать шлам, содержащий твердые частицы, и имеющий возможность сухого пуска. В дальнейшем такие свойства агрегатов оказались очень полезными и для применения в других промышленных отраслях, что привело к дальнейшему совершенствованию этого вида оборудования.

В настоящее время на рынке широко представлены пневматические мембранные насосы таких известных в мире брендов, как Wilden и Ingersoll Rand Warren Rupp, Inc. (США); FLUIMAC (Италия); Samoa DF  (Испания); Yamada NDP (Япония); Debem (Италия); Dellmeco DM (Англия);  River Wave RV (КНР) и многих других, что позволяет выбрать насос наиболее подходящий по стоимости, техническим характеристикам и назначению.

 

Конструкция и принцип действия современного мембранного насоса
с пневматическим приводом

Принцип действия и устройство насосов рассмотрим на примере агрегата с двумя мембранами, поскольку большинство современных моделей имеют именно такую конструкцию. Одномембранные пневматические насосы встречаются значительно реже.

Конструктивно аппарат состоит из следующих основных частей: корпуса, двух гибких мембран, входного и выходного патрубков с клапанами, по которым поступает и отводится перекачиваемая жидкость, распределительного воздушного механизма, через который от компрессора воздух поступает в камеры насоса.

Внутреннее пространство корпуса разделено на две части, в каждой из которых находится диафрагма (мембрана), жестко соединенная с корпусом и разделяющая полость на две камеры: рабочую, расположенную ближе к наружной поверхности корпуса, и воздушную — ближе к внутренней перегородке. Герметичное соединение мембраны с корпусом исключает необходимость в применении каких-либо уплотнительных деталей для качественной изоляции рабочей камеры от воздушной. Между собой мембраны соединены штоком, что обеспечивает их согласованное движение в горизонтальном направлении.

Распределительный воздушный механизм направляет воздух попеременно то в одну, то в другую воздушные камеры, в результате чего он действует то на одну, то на другую мембрану, вызывая ее смещение.

Управление потоком жидкости осуществляется с помощью шариковых клапанов, которые поочередно открывают вход в одну рабочую камеру и закрывают выход из нее, одновременно закрывая вход в другую и открывая выход из нее.

Полный рабочий цикл в таком насосе состоит из двух тактов.

1-й такт: воздух направляется в одну воздушную камеру (например, правую), заставляя изгибаться правую диафрагму, которая выталкивает перекачиваемую жидкость из правой рабочей камеры через открытый клапан выпускного патрубка. Входной клапан этой камеры в это время закрыт, что исключает обратный ток жидкости. Другая (левая) диафрагма, соединенная штоком с первой, также оказывается выгнутой вправо, в результате чего в левой рабочей камере образуется разреженное пространство, и жидкость через всасывающий патрубок через открывающийся клапан попадает в нее.

2-й такт: аналогичные процессы в другой части насоса, в результате чего жидкость поступает в правую рабочую камеру и выходит в нагнетательный патрубок в левой.

 

Особенности материалов, применяемых для изготовления насосов

Как уже говорилось, корпуса первых диафрагменных насосов изготавливались из стали, а диафрагмы из обычной резины. Однако развитие органической химии привело к созданию новых материалов — полимеров, обладающих рядом свойств, позволяющих значительно улучшить качество и надежность оборудования. В настоящее время предприятия-изготовители пневматических мембранных насосов применяют широкий спектр различных конструкционных материалов при изготовлении и корпусов, и мембран, и других деталей агрегатов. Это могут быть как металлы и их сплавы, так и разные пластические массы.

Корпус мембранного насоса может быть выполнен из чугуна, нержавеющей стали, алюминия, пластика.

Чугунный корпус имеет наиболее толстые стенки, что заметно увеличивает срок службы оборудования при работе с жидкостями, содержащими абразивные включения или шламами.

Нержавеющая сталь обеспечивает большую антикоррозионную стойкость по отношению к перекачиваемой среде и дает возможность получить высокую степень гигиеничности, необходимую при транспортировке пищевых продуктов.

Алюминиевые насосы — наилучший выбор для перекачивания нейтральных вязких продуктов, поскольку такие жидкости меньше прилипают к алюминиевым стенкам проточной части. Кроме того, они применимы для работы с легковоспламеняющимися жидкостями.

Пластиковые насосы в последнее время широко распространены. Для их изготовления используются различные полимеры — полипропилен, фторопласт, ацеталь, полиэтилен высокой плотности (низкого давления). Применение полимеров в конструкции сообщает мембранным насосам ряд преимуществ — высокую химическую стойкость при меньшей цене, чем у аналогов из нержавеющей стали.

Мембраны — элементы агрегата, определяющие его принцип действия и работоспособность, изготавливаются из различных видов резины (синтетического каучука), из термопластичного сополимера или из тефлона.

Мембраны из резины обладают наилучшей гибкостью и наибольшей самовсасывающей способностью. Они недороги. Их абразивная и химическая стойкость умеренны.

Термопластичные диафрагмы отличаются средней гибкостью и самовсасывающей способностью. Химическая стойкость таких мембран низкая или средняя, но отличаются они повышенной стойкостью к абразивным включениям.

Тефлоновые мембраны характеризуются пониженной гибкостью и самовсасывающей способностью, но имеют наиболее высокую химическую стойкость, что позволяет перекачивать практически любые жидкости. Они самые дорогие.

Материал других деталей насоса обычно выбирается в соответствии с выбором материалов основных элементов агрегата: его корпуса и мембран.

Основные достоинства и недостатки насосов

Любое оборудование всегда можно охарактеризовать с точки зрения его преимуществ или недостатков относительно агрегатов подобного назначения. Только сопоставив их и определив, какие из них наиболее важны в данных конкретных условиях, можно сделать правильный выбор. Какими же свойствами обладают рассматриваемые мембранные насосы?

Достоинства

• Компактность — малый вес и небольшие габариты делают мембранные насосы мобильными, не требующими стационарной установки.
• Простота эксплуатации — единственной деталью, испытывающей высокие нагрузки и подверженной износу, является мембрана. Однако даже ее частая замена (раз в несколько месяцев) не требует особых усилий и осуществляется опытным оператором в течение четверти часа. Кроме того, они не требуют смазки, поскольку конструкция не содержит вращающихся деталей, подверженных трению.
• Высокая степень герметичности — особенности конструкции, не требующей дополнительного уплотнения, исключает потери жидкости в процессе работы. Утечка возможна только в случае разрушения мембраны.
• Самовсасывание — большинство моделей обеспечивает самовсасывание до 4 м вод. ст., а некоторые до 6 м вод. ст. без предварительной заливки, и около 10 м с предварительной заливкой.
• Возможность работы в режиме «сухого хода» — отсутствие трущихся деталей, исключает локальный нагрев, повреждение и разрушение отдельных элементов устройства.
• Универсальность — насосы могут работать с жидкостями с высоким содержанием твердых включений, с агрессивными средами, вязкими субстанциями, огнеопасными и взрывоопасными жидкостями.
• Невысокая стоимость в сравнении с другими видами насосов.

Недостатки

• Невысокий, в сравнении с другими видами насосов, КПД.
• Достаточно быстрый износ мембраны, требующий ее замены.
• Повышенные требования к входным и выходным клапанам рабочей камеры.
• Невозможность применения при высоких (выше 120 °C) температурах.

Области применения

 

Конструктивные особенности, характеристики, достоинства, а также и недостатки пневматических мембранных насосов определяют сферы их применения. Насосы применяются в таких отраслях промышленности, как:

• горнодобывающая и металлургическая;
• нефтегазовая, нефтехимическая и химическая;
• авиационная, автомобилестроительная и судостроительная;
• лакокрасочная;
• целлюлозно-бумажная и деревообрабатывающая;
• пищевая и фармацевтическая;
• стекольная и стекловолоконная отрасли производства;
• керамическая отрасль и производство стройматериалов

и это далеко не полный перечень производств, где требуются насосы с такими свойствами.