Мембранные пневматические насосы

Мембранные пневматические насосы - справочная информация

Мембранные (диафрагменные) пневматические насосы (air-operated diaphragm pumps в англоязычной литературе) позволяют перекачивать жидкости, с которыми не справляются обычные центробежные насосы (вязкие, агрессивные, с твердыми частицами). Энергию для своей работы мембранный насос получает не от электродвигателя, а от компрессора. В насос поступает сжатый воздух и его энергия преобразуется в энергию колебания мембран. Эти мембраны и заставляют жидкость двигаться. Диафрагменные насосы относятся к насосам объемного типа (volumetric pumps или positive displacement pumps).

Производительность мембранных насосов колеблется в диапазоне от 0,1 до 72 м3/час, давление до 8,5 бар (существуют модели высокого давления до 220 бар).

Принцип действия и устройство мембранных пневматических насосов

Для начала определимся, что мы будем говорить о насосах с двумя мембранами. Большинство современных насосов имеют именно такой дизайн, их называют AODD (air operated double diaphragm). Насосы с одной мембраной также встречаются, но редко и в нашем каталоге пока не представлены.

классический двухмембранный насос фирмы Wilden

Рисунок 1. Классический двухмембранный насос фирмы Wilden (США)

Теперь посмотрим на внутреннее устройство диафрагменных насосов и как он работает. Для этого обратимся к следующему изображению.

Внутреннее устройство двухмембранного насоса и его рабочие такты

Рисунок 2. Внутреннее устройство двухмембранного насоса и его рабочие такты

Для работы мембранного насоса необходим сжатый воздух из компрессора (компрессор на рисунке не показан). Воздух попадает в насос через отверстие в центральной части корпуса и далее через воздушный клапан (распределительный механизм). Этот клапан отвечает за то, чтобы воздух попеременно попадал то в левую, то в правую воздушную камеру и соответственно перемещал то левую, то правую рабочую мембрану. Таким образом у диафрагменного насоса вся работа происходит в 2 такта.

На первом такте воздух попадает в левую воздушную камеру и заставляет двигаться левую мембрану. Эта мембрана выталкивает жидкость из левой рабочей камеры через выпускной патрубок. Одновременно правая мембрана также занимает левое положение (обе мембраны соединены единым штоком), что создает разрежение в правой рабочей камере и заставляет жидкость попадать в нее через всасывающий патрубок.

На втором такте все происходит ровно наоборот. Воздух заставляет двигаться правую мембрану, которая выталкивает жидкость из правой проточной камеры наружу. Одновременно жидкость попадает через всасывающий патрубок в левую рабочую камеру.

Обратите внимание на работу шариковых клапанов. Они отвечают за управление током жидкости через проточные камеры. На такте 1 шарики закрывают вход в левую проточную камеру и выход из правой камеры. Одновременно другие шарики открывают выход из левой камеры и вход в правую. На такте 2 все происходит наоборот (см. на рисунок 2).

Чтобы посмотреть работу мембранного насоса в движении пролистайте до конца этой страницы.

Зачем они нужны? Преимущества и недостатки мембранных насосов

Любой пользователь для своей задачи рассмотрит в первую очередь центробежный насос, поскольку тот прост и понятен. Попробуем ответить на вопрос, какой смысл в выборе мембранного насоса по сравнению с центробежным. Итак, по пунктам:

1. Мембранный насос обладает высоким КПД?

Конечно, нет. Мембранный пневматический насос более энергозатратен по сравнению с электрическим. Сначала компрессор превращает электрическую энергию в энергию сжатого воздуха. Затем мембранный насос использует сжатый воздух и преобразует его в кинетическую энергию движения жидкости. Двойное преобразование энергии несомненно ведет к потерям эффективности. Диафрагменные насосы традиционного дизайна потребляют до 4-5 раз больше энергии по сравнению со своими центробежными собратьями. Технологически продвинутые диафрагменные насосы, например, Almatec (Германия) или насосы с технологией DirectFlo от Samoa (Испания) позволяют сократить потери до 2,5 раз.

2. Мембранный насос очень прост в эксплуатации?

Скорее да, чем нет. Чаще всего мембранный насос перестает работать по причине разрыва мембран. Некоторые задачи подразумевают частую замену мембран: раз в несколько месяцев. Это вроде бы не очень удобно. Однако замена мембран для опытного оператора может занять всего 15-20 минут.

Чуть сложнее ситуация для мембранного насоса с выходом из строя воздушного клапана мембранного насоса. Такой клапан может состоять из нескольких десятков деталей. Большинство производителей делают внешнюю часть воздушного клапана заменяемой снаружи - без разбора проточной части насоса. Такая замена также будет длится всего несколько минут. А вот замена внутренней части воздушного клапана может занять больше часа. Впрочем, внутренняя часть клапана ломается редко и часто служит столько же, сколько сам насос.

В любом случае ремонт мембранного пневматического насоса по сложности не идет ни в какое сравнение с ремонтом прочих объемных насосов. Если вдруг сломается шестеренный, кулачковый или винтовой насос, то разборка, ремонт и сборка такого насоса может длиться часами, а то и сутками.

Резюмируем так. Мембранные пневматические насосы требуют более частого обслуживания, прежде всего, замены мембран. Но зато само это обслуживание во много раз легче по сравнению с другими типами объемных насосов. Ложка дегтя здесь в том, что стоимость запасных частей на мембранный насос может составлять от 20 до 60% от стоимости самого насоса.

Воздушные клапаны мембранных насосов Graco, Ingersoll Rand, Wilden, Samoa

Рисунок 3. В воздушном клапане насоса американской фирмы Ingersoll Rand мы насчитали 32 детали. У Wilden 17 деталей, у Graco 9. А вот испанцы Samoa умудрились сделать воздушный клапан единой деталью.

3. Мембранные насосы могут работать при экстремальных температурах?

Нет, не могут. Мембранные насосы выдерживают максимальную температуру от до 60 до +100 °С в зависимости от материала корпуса и материала мембран. У некоторых производителей (например, Almatec, Германия) мембранные насосы могут выдерживать до +120 °С. Высокотемпературные же центробежные насосы могут работать при температурах до +300 и даже до +400 °С.

4. Мембранные насосы могут перекачивать легковоспламеняющиеся жидкости и работать во взрывоопасной среде?

Да. Отсутствие электродвигателя у мембранного насоса резко облегчает решение вопросов со взрывозащитой. Корпус взрывозащищенного диафрагменного насоса должен быть выполнен из алюминия, нержавеющей стали или кондуктивного полимера (кондуктивные полипропилен, ацеталь, фторопласт).

5. Мембранные насосы обладают хорошей химической стойкостью?

Да, но при условии использования соответствующих материалов корпуса и мембран. Например, корпус из полипропилена и мембрана из сантопрена обеспечат хорошую химическую стойкость, а корпус из фторопласта и мембрана из тефлона обладают превосходной химической стойкостью.

6. Мембранные насосы обладают хорошей самовсасывающей способностью?

Да. Самовсос до 4 метров водяного столба без предварительной заливки всасывающей линии обеспечит практически любая модель. Некоторые насосы (например, Wilden) обеспечивают самовсос до 6 метров без предварительной заливки и до 9,5 метров с предварительной заливкой всасывающей линии. Что касается центробежных насосов, то, во-первых, самовсасывающие модели стоят дороже, во-вторых, занимают больше места, а в третьих, гораздо хуже переносят наличие твердых частиц.

7. Мембранные насосы не так боятся сухого хода как центробежные?

Не боятся. Далеко не все центробежные насосы могут выдержать даже 2-3 минуты работу без жидкости. Вал крутится со скоростью 3000 оборотов в минуту, что быстро приводит к нагреву и дальнейшему повреждению втулок, уплотнений и подшипников. Конечно, существуют более технологичные (и дорогие) модели, которые могут работать по сухому. А вот любые диафрагменные насосы сухого хода боятся гораздо в меньшей степени. Конкретное время безопасной работы “по сухому” может отличаться у различных производителей.

8. Мембранные насосы не боятся твердых частиц?

Не боятся. В зависимости от типоразмера диафрагменного насоса он может перекачивать твердые частицы от 0,4 до 35 мм, при этом доля твердых частиц в жидкости может достигать 90%. Однако следует помнить, что наличие абразивных частиц может сказаться на сроке службы мембран, поэтому для твердых частиц лучше выбирать абразивостойкие мембраны (например, Hytrel).

9. Диафрагменные насосы могут перекачивать вязкие жидкости?

Да, в этом они существенно превосходят своих центробежных собратьев. Допустимая вязкость перекачиваемой жидкости в зависимости от модели от 10 000 до 30 000 сстокс, в то время как центробежные пасуют перед вязкостью более 30 сстокс (до 1000 сстокс у продвинутых моделей центробежных насосов).

10. Мембранные насосы можно перемещать на другое место?

Да, конечно. Они весят гораздо меньше своих центробежных собратьев и не требуют стационарной установки. Мобильность - очень важное преимущество диафрагменных насосов.

11. Мембранные насосы герметичны?

Да, но с оговоркой. Они не требуют уплотнений в отличии от центробежных собратьев, поэтому при нормальной работе насоса жидкость не может попасть наружу. Однако в случае разрыва мембраны жидкость может вытечь через глушитель.

12. Мембранный насос может работать в погруженном состоянии?

Может, главное, чтобы корпус и внешние детали насоса подходили под соответствующую жидкость. При этом следует обеспечить отвод отработанного воздуха наружу. С центробежным электрическим насосом такой фокус не пройдет.

Резюме. Мембранные насосы в силу своей низкой энергоэффективности и необходимости покупки компрессора используют, если невозможно применить центробежный насос. Пневматический диафрагменный насос - это палочка-выручалочка для ситуаций, когда несколько тяжелых условий присутствуют одновременно. Например, когда одновременно необходим самовсос, в жидкости присутствуют твердые частицы и жидкость при этом еще и вязкая, центробежный насос уже не поставишь. Добавьте сюда химическую активность жидкости и необходимость обеспечить взрывозащиту и у Вас останется один единственный вариант выбора насоса.

Какие материалы используются при производстве диафрагменных насосов

1. Материалы мембран.

Мембраны диафрагменных насосов могут изготавливаться из материалов 3 видов:

1а) Резиновые мембраны - наиболее гибкие недорогие мембраны с наилучшей самовсасывающей способностью. Обладают умеренной химической и абразивной стойкостью. К ним относятся NBR (Buna-N), Neoprene, EPDM, Viton.

- Neoprene (неопрен) - самый недорогой материал только для нейтральных сред и хладагентов. Температурный диапазон от -18 до +82 °C. Обычный ресурс работы - 10 миллионов циклов.

- NBR (Buna-N) - бутадиен нитрильный каучук или нитрил. Его используют практически все производители. Европейцы называют его NBR, а американцы Buna-N. По сравнению с неопреном NBR очень стоет ко всем нефтепродуктам и маслам, а также к спиртам, гликолю, антифризам, морской воде, жидким удобрениям, солевым растворам с низким содержанием кислот. Температурный диапазон от -15 до +82 °C. Обычный ресурс работы - 10 миллионов циклов.

- EPDM (Nordel) - этилен-пропиленовый каучук. Также широко используемый материал. Его главный плюс в способности работать при очень низких температурах от -51 до +138 °C. EPDM хорошо подходит к кетонам, ацетону, гудрону, щелочам и многим кислотам, в том числе к серной с концентрацией до 65% (зато совершенно не стоек к азотной). Также подходит для прочих жидкостей, с которыми может работать NBR, кроме нефтепродуктов (при контакте с нефтепродуктами EPDM быстро размягчается). Обычный ресурс работы - 10 миллионов циклов.

- Viton или фторкаучук. Имеет широкий температурный диапазон от -40 до + 135 °C (у некоторых производителей до +177 °C). Химическая стойкость высокая, подходит для нефтепродуктов, многих кислот (кроме органических, например не любит муравьиную кислоту), а также подходит для морской воды, асфальта, гудрона. К щелочам менее стоек, чем EPDM. Также меньше любит гликоль и антифризы, совершенно не стоек к полярным растворителям (ацетон) и аммиаку. Viton обычно используется как альтернатива тефлоновым мембранам, только с более высокой самовсасывающей способностью. Обычный ресурс работы - 3 миллионов циклов. Из-за небольшого срока службы мембраны из Viton используются редко.

1b) Термопластичные мембраны - имеют среднюю гибкость и соответственно самовсасывающую способность. Имеют повышенную стойкость к абразиву. Химическая стойкость низкая или средняя. К ним относятся Geoplast, Santoprene (Wil-Flex), Hytrel (Saniflex).

- Geoplast - (сополимер NBR) - материал с химической устойчивостью как у NBR, но повышенной абразивной стойкостью и долговечностью. Температурный диапазон работы от -12 до +82 °C.

- Hytrel (Saniflex) - материал с наиболее высокой прочностью и абразивной стойкостью. Может работать с нейтральными жидкостями, нефтепродуктами и с пищевыми продуктами. Температурный диапазон от -29 до +104 °C (до +66 °C у некоторых производителей). Обычный ресурс работы - 15 миллионов циклов.

- Santoprene (Wil-Flex) - сополимер полипропилена и EPDM. Этот материал имеет широкий температурный диапазон, хорошую абразивную стойкость и неплохую химическую стойкость (сравнима с EPDM). Не может работать с нефтепродуктами. Может быть рассмотрен как альтернатива тефлону при повышенной абразивности жидкости или при необходимости работы при отрицательных температурах. Температурный диапазон от -40 до +107 °C (до +82 °C у некоторых производителей). Обычный ресурс работы - 15 миллионов циклов.

1c) PTFE (Teflon) - мембраны из PTFE имеют пониженную гибкость и более низкую самовсасывающую способность (до 40% меньше по сравнению с каучуковыми мембранами. Зато обладают самой высокой химической стойкостью и могут работать с любыми жидкостями. Стойкость к абразиву умеренная. Мембраны из PTFE наиболее дорогие, но в то же время самые универсальные. Они могут работать практически с любыми жидкостями. Поскольку PTFE твердый материал, то быстро разрушается из-за деформации мембраны во время работы. Чтобы продлить срок жизни тефлоновых мембран обычно для изготовления мембраны используют комбинацию PTFE с более гибким материалом (например, EPDM, Santoprene или Hytrel). При этом к жидкости обращена тонкая тефлоновая сторона мембраны, а к воздуху гибкая подложка из дополнительного материала. Температурный диапазон для мембран из PTFE от +4 до +104 °C. Ресурс работы тефлоновых мембран различается от типоразмера насоса. 30 миллионов циклов для самых маленьких насосов (1/4"), 10 миллионов циклов для небольших насосов (от 3/8" до 1/2"), 3 миллиона циклов для средних и больших насосов (от 3/4" до 3").

2. Материалы корпуса насоса.

Корпус насоса может быть выполнен из металла или пластика.

- Алюминий. Насос в алюминиевом корпусе хорош для перекачивания нейтральных сред, в том числе легковоспламеняющихся. Алюминий хорош для вязких сред (вязкая жидкость меньше прилипает к такому корпусу).

- Нержавеющая сталь - самый дорогой материал корпуса мембранных насосов. Обладает лучшей устойчивостью к коррозии по сравнению с алюминием, также пригодна для абразивных и легковоспламеняющихся жидкостей. Чаще всего используется при перекачке химически активных сред или пищевых продуктов, когда требуется гигиеничность процесса.

- Чугун. Насос в чугунном корпусе обычно имеет самые толстые стенки. Такие насосы самые долговечные, если перекачивать ими шламы или жидкости с большим содержанием абразивных частиц.

- Полипропилен - самый недорогой и самый распространенный материал. Обладает хорошей химической стойкостью, даже лучшей, чем у нержавеющей стали. Более дорогой кондуктивный (токопроводящий) полипропилен может использоваться во взрывоопасных приложениях. Появление этого материала резко сократило потребность в использовании дорогой нержавеющей стали.

- PVDF (фторопласт поливинилденфторид) - обладает лучшей химической стойкостью по сравнению с полипропиленом, но ощутимо более высокой ценой. Насосы из фторопласта используются, когда жидкость слишком агрессивна для полипропилена.

- PTFE (Teflon, фторопласт политетрафторэтилен) - еще одна разновидность фторопласта, обладающая экстремально высокой химической стойкостью. Насосы из тефлона очень дороги и используются для самых сильных кислот. Стойкость к абразиву умеренная.

- Ацеталь. Недорогой полимер, стойкий к растворителям и абразиву. Не применяется для кислот и щелочей. Может использоваться во взрывоопасных задачах.

- Полиэтилен высокой плотности (HDPE). Этот материал соединяет в себе химическую стойкость полипропилена и невероятно высокую стойкость к абразиву, в 1,5 раза выше, чем у нержавеющей стали. Стоит дороже полипропилена, поэтому применяются для химически активных сред с твердыми частицами. Кондуктивный полиэтилен может использоваться во взрывоопасных задачах.

3. Материалы других элементов насоса.

Другие элементы мембранного насоса (шарики, седла) также могут быть изготовлены из различных материалов, но их обычно подбирают в зависимости от выбора основных компонентов насоса: корпуса и мембраны.

Для пластиковых насосов предпочтительна пара шарик/седло из PTFE/PP или PTFE/PVDF.

Для алюминиевых насосов, а также насосов из нержавеющей стали обычно используют шарики из того же материала, что и диафрагмы и твердое седло из нержавеющей стали. Еще более хороший (но и более дорогой) вариант - использовать шарики из PTFE, а седло из нержавеющей стали.

Иногда для удешевления вопроса используют полностью гибкие материалы для пары шарик/седло, например, Santoprene/Santoprene, Hytrel/Hytrel или NBR/NBR. Такие решения менее надежные, потому что засто приводят к залипаниям шарика и седла, особенно при высоком давлении воздуха или при перекачивании вязких сред. Неидеальная форма гибких седел и шариков (технологически сделать их идеальной формы весьма сложно) приводит к ухудшения самовсоса.

Альтернативная конструкция мембранного пневматического насоса

До сих пор мы говорили о классической конструкции мембранных насосов, в которой жидкость проходит в насосе через правую и левую периферийные проточные камеры. Несколько по другому устроены насосы испанской фирмы Samoa (дизайн Direct Flo) и нидерландской Tecno-Matic. В таких насосах проточные камеры находятся в центральной части насоса. Жидкость входит в насос и покидает его по кратчайшему пути, что сопровождается некоторыми преимуществами и недостатками.

Мембранный насос с центральными рабочими камерами фирмы Samoa

Рисунок 4. Мембранный насос с центральными рабочими камерами принципиально отличается от своих традиционных собратьев.

Центральная конструкция насоса позволяет добиться следующих преимуществ:

- Снижаются пульсации. Во-многих случаях этого достаточно, чтобы отказаться от демпфера пульсаций. Несколько уменьшаются вибрации и шум во время работы насоса.

- Входящий и выходящий патрубки насоса находятся на одной линии. Это облегчает монтаж насоса. Но самое главное, при замене внутренних деталей насоса не требуется отсоединять насос от линии.

- Уменьшается потребление сжатого воздуха. Насосы с прямоточным дизайном несколько экономичнее классических насосов.

Недостатки у центральной конструкции следующие:

- Снижается производительность насоса. Для примера классические мембранные насосы с патрубками 25 мм обеспечивают расход жидкости до 150-220 л/мин в зависимости от модели. Прямоточные насосы дают максимальный расход в 100 -110 л/мин.

- Ограниченный модельный ряд. Особенности конструкции, видимо, накладывают ограничения на ширину модельного ряда. Самые большие прямоточные насосы имеют патрубки 40 мм, а классические насосы имеют патрубки до 80 и даже до 100 мм.

Влияние вязкости перекачиваемой среды на производительность

Обычно, производители указывают производительность насоса при перекачке воды. На эти данные можно ориентироваться при работе с большинством жидкостей. Однако, следует иметь в виду, что с ростом вязкости жидкости производительность насоса падает. На графике ниже показано, как падает расход насоса при перекачке жидкостей с разной вязкостью. Кроме того, обратите внимание, что у насосов есть показатель предельной вязкости, с которой они могут работать.