Руководство по мембранным насосам: надёжная, безупречная герметичность и безопасная транспортировка жидкостей в условиях тяжёлых эксплуатационных условий

Введение

Вы уже познакомились с лопастными насосами, отличающимися бережной работой благодаря вращающимся рабочим камерам, пластинчатыми насосами с саморегулирующимися лопатками, винтовыми насосами, способными перекачивать густые суспензии, шестерёнными насосами, обеспечивающими высокую точность при работе под давлением, и перистальтическими насосами, в которых жидкость никогда не контактирует с механизмом. А теперь представляем диафрагменный насос — самый прочный, универсальный и неприхотливый представитель семейства насосов положительного перемещения.

Если вам нужен насос, способный работать с агрессивными химическими веществами, безвредно функционировать при сухой работе, безопасно эксплуатироваться в взрывоопасных средах и продолжать перекачивать жидкость даже тогда, когда все остальные устройства уже вышли из строя, — мембранный насос — именно то, что вам нужно.

Что такое мембранный насос?

Мембранный насос — это насос положительного перемещения, который использует гибкие мембраны (диафрагмы) для создания всасывания и давления за счёт их возвратно‑поступательного движения, напоминающего сердцебиение. В отличие от насосов с вращающимися деталями, которые подвержены износу или зацеплению друг с другом, мембранный насос работает за счёт простого возвратно‑поступательного движения: мембрана изгибается, чтобы всасывать жидкость, а затем изгибается в обратном направлении, чтобы вытеснять её наружу.

Наиболее распространённым типом является пневматический двойной мембранный насос (AODD), который приводится в действие сжатым воздухом, воздействующим на две мембраны, соединённые общим валом. Однако мембранные насосы могут также работать от электродвигателей, гидравлических систем или даже соленоидов. В данной статье мы сосредоточимся на конструкции AODD, поскольку именно этот тип является основным и наиболее часто встречается в промышленных условиях.

Как работает AODD‑насос? (Аналогия с дыхательным лёгким)

Представьте, как ваши лёгкие вдыхают и выдыхают воздух. При вдохе диафрагма опускается, создавая разрежение и притягивая воздух внутрь. При выдохе диафрагма поднимается, выталкивая воздух наружу. Пневматический насос с двумя рабочими камерами работает по точно такому же принципу — но с двумя «лёгкими», которые действуют поочерёдно.

• Настройка: Две гибкие диафрагмы установлены по разные стороны центрального блока и соединены общим валом. Каждая диафрагма разделяет воздушную камеру (расположенную сзади) и жидкостную камеру (расположенную спереди). Четыре шариковых обратных клапана — два на входе и два на выходе — обеспечивают контроль направления потока.
• Ход 1 — Левая сторона выталкивает, правая сторона втягивает: Сжатый воздух поступает в воздушную камеру за левой диафрагмой, смещая её в сторону жидкой камеры. При этом жидкость вытесняется через левый выпускной клапан. Одновременно вал втягивает правую диафрагму внутрь, расширяя правую жидкостную камеру и создавая разрежение. Атмосферное давление нагнетает жидкость в правую камеру через впускной клапан.
• Ход 2 — Правая сторона выталкивает, левая сторона втягивает: Когда левая диафрагма достигает конца своего хода, автоматический воздушный клапан — «мозг» насоса — переключает сжатый воздух в правую воздушную камеру. Теперь правая диафрагма вытесняет жидкость наружу, тогда как левая диафрагма всасывает свежую жидкость.
• Цикл повторяется: Это возвратно‑поступательное движение продолжается со скоростью до 400 циклов в минуту: при этом одна сторона всегда отдаёт жидкость, а другая — наполняется. В результате обеспечивается непрерывный, хотя и слегка пульсирующий, поток жидкости.

В чём заключается гениальность этой конструкции? Сжатый воздух никогда не контактирует с жидкостью. Диафрагма служит идеальным барьером, благодаря чему насосы AODD по своей природе безопасны при работе с опасными, коррозионно‑агрессивными или летучими жидкостями.

Почему инженеры любят мембранные насосы

Насосы AODD заслужили репутацию «швейцарского армейского ножа» в сфере перекачки жидкостей. Вот что делает их особенными:

С какими веществами может работать мембранный насос?

Дозирующие насосы AODD — это идеальное решение для «невозможных» жидкостей:

• Абразивные суспензии: Отходы горнодобывающей промышленности, бетонный шлам, керамическая суспензия, сточные воды с содержанием песка
• Коррозионные химические вещества: Серная кислота, каустическая сода, растворители, гальванические ванны
• Вязкие жидкости: Краска, чернила, клей, смолы, патока, тяжёлая нефть
• Продукты, чувствительные к сдвиговым нагрузкам: Йогурт, косметические кремы, фармацевтические суспензии, биологические культуры
• Твёрдые отходы, содержащие твёрдые частицы: Неочищенные сточные воды, отходы пищевой промышленности, промышленные шламы
• Летучие и горючие жидкости: Топливо, растворители, спирты — безопасно, без искр
• Двухфазные смеси: Жидкости с взвешенным воздухом или пузырьками газа

Краткое сравнение: мембранный насос, перистальтический насос, лопастной насос и шестерёнчатый насос

Где в реальном мире можно встретить мембранные насосы

• Химическая обработка: Перекачивание кислот, едких веществ и растворителей; погрузка/разгрузка танкеров; смешение и дозирование
• Добыча полезных ископаемых и разработка карьеров: Осадительные ямы, транспортировка абразивных суспензий, перекачка топлива для тяжёлой техники
• Нефть и газ: Перекачка топлива навалом, подача в фильтр-пресс, перекачка из отстойника, циркуляция бурового раствора
• Вода и сточные воды: Насосная подача сырого сточного водосодержащего осадка, подача на фильтр-пресс, дозирование химических реагентов
• Еда и напитки: Перекачивание вязких соусов, фруктовых пюре и молочных продуктов (санитарные конструкции)
• Краски и лакокрасочные материалы: Перенос, дозирование и подача краски и чернил к распылительным пистолетам
• Фармацевтика: Работа с чувствительными к сдвиговым нагрузкам формулами и агрессивными моющими средствами
• Морской и офшорный сектор: Откачка вод из трюмов, перекачка топлива, обращение с балластными водами

Несколько моментов, о которых стоит помнить

Ни одна помпа не идеальна. Вот какие компромиссы следует учитывать:

• Пульсация: Возвратно‑поступательное движение создаёт импульсы потока. Хотя конструкция с двумя мембранами существенно сглаживает эти колебания, чувствительное оборудование, расположенное ниже по потоку, может потребовать установки гасителей пульсаций. Гибкие нагнетательные шланги также способствуют поглощению вибраций.
• Расход воздуха: Пневматические насосы AODD менее энергоэффективны по сравнению с электрическими насосами. Они потребляют сжатый воздух пропорционально выполняемой работе, а сами компрессоры также обладают низкой эффективностью. При длительной работе на высоких расходах электрический насос может оказаться более экономичным.
• Шум: Постоянный сброс сжатого воздуха через распределительный клапан может быть довольно громким. Шумоглушители на выпускном отверстии помогают, однако насосы AODD обычно шумят сильнее, чем их электрические аналоги.
• Глазурь: В холодных или влажных условиях быстрое расширение выпускаемого сжатого воздуха может приводить к образованию льда вокруг воздушного клапана или глушителя. Применение сухого воздуха, антиобледенительные конструкции либо периодическая продувка подводящего воздухопровода позволяют уменьшить этот эффект.
• Давление потолка: Рабочее давление на выходе никогда не может превышать давление подачи воздуха. Большинство насосов AODD работают при давлении ниже 8 бар (120 PSI). Для более высоких давлений потребуется другая технология насоса.
• Износ диафрагмы: Гибкая диафрагма является расходным изнашиваемым элементом. Абразивные жидкости, высокие давления и агрессивные химические вещества сокращают срок её службы. Однако замена производится легко — как правило, это занимает всего несколько минут при наличии базового инструмента.

Основные выводы

Если запомнить всего три вещи о мембранных насосах:

• Две гибкие диафрагмы поочерёдно всасывают жидкость и выталкивают её, приводясь в движение сжатым воздухом — словно два лёгких, работающих попеременно.
• Они способны работать в условиях отсутствия жидкости, выдерживать агрессивные среды и безопасно эксплуатироваться в взрывоопасных зонах — ни одна другая серия насосов не сочетает в себе такую степень надёжности и безопасности.
• Они представляют собой надёжный и простой в эксплуатации рабочий агрегат для насосных установок, где важнее надёжность, чем энергоэффективность, а также там, где перекачиваемая жидкость могла бы повредить более чувствительный насос.

От химического завода, работающего с серной кислотой, до шахты, откачивающей воду из затопленного ствола, мембранный насос AODD доказывает: порой самые простые идеи — гибкая мембрана, изгибающаяся вперёд и назад — оказываются самыми надёжными. Он, возможно, не удостоится наград за эффективность, но когда задача сложна, условия эксплуатации опасны, а отказ недопустим, мембранный насос продолжает работать.