Насосы импеллерные пищевые

Насосы импеллерные пищевые: конструкция, материалы, применение и критерии выбора

Импеллерные (роторно-лопастные) насосы представляют собой тип объемных роторных насосов, в которых перемещение продукта осуществляется за счет изменения объема рабочих камер, образованных лопастями (импеллером), корпусом и торцевыми крышками. Их ключевая особенность в пищевом исполнении — способность бережно перекачивать чувствительные к механическим воздействиям, вязкие, содержащие частицы жидкости без их разрушения, а также самовсасывающие свойства и возможность работы на сухом ходу в течение ограниченного времени.

Принцип действия и конструктивные особенности

Рабочий орган насоса — гибкий импеллер, изготовленный из пищевой резины или эластомера. Импеллер расположен эксцентрично относительно корпуса насоса. При вращении лопасти импеллера, изгибаясь, создают разрежение на входе, захватывая продукт. Дальнейшее вращение приводит к уменьшению объема между лопастями у стенки корпуса, что обеспечивает нагнетание продукта в выходной патрубок. Полное прилегание лопастей к корпусу обеспечивает обратный клапанный эффект и способность к самовсасыванию.

Основные узлы пищевого импеллерного насоса:

• Корпус: Обычно из нержавеющей стали AISI 304 или AISI 316L. Конструкция может быть моноблочной или с разъемным корпусом (clamp-соединение) для облегчения очистки.
• Импеллер (ротор): Изготовлен из сертифицированных для контакта с пищевыми продуктами эластомеров: NBR (нитрил), EPDM, FKM (витон), Silicone. Выбор материала зависит от характеристик перекачиваемой среды (температура, наличие масел, кислот).
• Вал: Нержавеющая сталь. Герметизация вала — критически важный узел. В пищевых насосах применяются сальниковые уплотнения с промывкой или, что более гигиенично, торцевые механические уплотнения (single или double seal).
• Торцевые крышки (прижимные фланцы): Нержавеющая сталь. Обеспечивают фиксацию импеллера и формируют торцевые стенки рабочих камер.
• Привод: Электрический двигатель, часто через редуктор, так как для импеллерных насосов характерны низкие обороты (обычно 100-500 об/мин) для увеличения ресурса импеллера и бережного обращения с продуктом.

Сферы применения в пищевой и смежных отраслях

Импеллерные насосы используются там, где требуется бережное перекачивание, дозирование или розлив.

• Молочная промышленность: Перекачка йогуртов, сметаны, творога, сливок, фруктовых наполнителей, мягкого сыра.

Производство напитков: Концентраты, сиропы, сусло, вина, соки с мякотью.

Кондитерская и хлебопекарная отрасли: Тесто, кремы, глазурь, джемы, начинки.

Мясная и рыбная переработка: Фарши, паштеты, фаршевые смеси, жиры.

Производство соусов и майонезов: Кетчупы, горчица, эмульсии высокой вязкости.

Ключевые преимущества и недостатки

Преимущества:

• Бережное перекачивание: Низкие обороты и отсутствие зубчатых зацеплений не разрушают структуру продукта и не повреждают включения.
• Самовсасывание: Способность создавать вакуум на входе (до 8-9 метров водяного столба) и откачивать жидкости из емкостей, расположенных ниже насоса.
• Обратимость потока: Направление потока меняется при реверсировании вращения двигателя без изменения трубной обвязки.
• Сухой ход: Насос может работать без жидкости непродолжительное время без катастрофических последствий (в отличие от центробежных насосов).
• Хорошая всасывающая способность с вязкими продуктами.
• Простота конструкции, легкость обслуживания и замены импеллера.

Недостатки:

• Ограниченное давление нагнетания: Обычно не превышает 6-8 бар, чаще 2-4 бар.
• Износ импеллера: Эластомерный рабочий орган является расходным материалом, его ресурс зависит от абразивности среды и частоты циклов «сжатие-расширение».
• Ограничения по температуре: Определяются стойкостью материала импеллера (обычно от -10°C до +120°C).
• Непригодность для невязких абразивных суспензий: Быстрый износ импеллера.
• Пульсация потока: Хотя и меньше, чем у поршневых насосов, но присутствует. Может потребоваться демпфер.

Материалы импеллеров и их совместимость

Выбор материала импеллера — определяющий фактор для надежной работы насоса.

Таблица 1. Характеристики материалов импеллеров для пищевых насосов

Материал	Основные свойства	Температурный диапазон	Рекомендуемые среды	Не рекомендуется для
NBR (Нитрил-бутадиеновый каучук)	Хорошая стойкость к маслам, жирам, абразивному износу. Низкая стоимость.	-10°C до +100°C	Растительные и животные жиры, масла, молочные продукты, вода.	Озоносодержащие среды, сильные кислоты, щелочи, ароматические углеводороды.
EPDM (Этилен-пропиленовый каучук)	Отличная стойкость к горячей воде, пару, щелочам, кислотам (средней концентрации).	-20°C до +130°C	Горячая вода, щелочные моющие растворы, сиропы на водной основе, некоторые кислоты (уксусная, лимонная).	Минеральные масла, жиры, растворители.
FKM / FPM (Фторкаучук, Витон)	Высокая химическая стойкость, термостойкость. Высокая стоимость.	-15°C до +150°C	Агрессивные химические среды, кислоты, ароматические углеводороды, масла при высоких температурах.	Горячий водяной пар, полярные растворители (ацетон, этилацетат).
Silicone (Силикон)	Высокая гигиеничность, инертность, широкий температурный диапазон. Низкая механическая прочность.	-50°C до +180°C	Фармацевтические и высокогигиеничные пищевые продукты, очень горячие среды.	Абразивные среды, среды под высоким давлением.

Критерии выбора насоса для конкретных условий

При подборе пищевого импеллерного насоса необходимо учитывать следующие параметры:

1. Характеристики перекачиваемой среды: Вязкость (в мПа·с или сСт), температура, плотность, наличие абразивных частиц, размер включений, агрессивность (pH).
2. Производительность (Q): Требуемый объемный расход, м³/ч или л/мин. Важно помнить, что с ростом вязкости производительность импеллерного насоса падает.
3. Напор (H): Требуемое давление на выходе для преодоления гидравлического сопротивления трубопроводов, арматуры и геодезической высоты. Выражается в метрах водяного столба (м.в.ст.) или барах (1 бар ≈ 10 м.в.ст.).
4. Условия всасывания: Наличие самовсасывания, высота всасывания, наличие на линии всасывания обратного клапана и фильтра.
5. Гигиенические требования: Определяют класс поверхности (например, Ra ≤ 0.8 мкм), тип соединений (Clamp, Tri-clamp), тип уплотнения вала (механическое уплотнение предпочтительнее сальника). Соответствие директивам (EHEDG, FDA, 3-A).
6. Режим работы: Непрерывный или циклический, необходимость CIP-мойки (очистка на месте).

На основе этих данных строится рабочая точка насоса на его характеристической кривой (зависимость напора от производительности для разных вязкостей и оборотов). Насос должен быть подобран так, чтобы рабочая точка находилась в средней трети кривой, что обеспечивает максимальный КПД и ресурс.

Обслуживание и монтаж

Монтаж должен исключать нагрузки на корпус насоса от трубопроводов. На линии всасывания рекомендуется установка фильтра для защиты от крупных включений. Обязательна установка запорной арматуры на входе и выходе для обслуживания. При работе с вязкими продуктами может потребоваться подогрев рубашки корпуса.

Техническое обслуживание в основном заключается в регулярной замене импеллера и проверке состояния механического уплотнения. Периодичность замены импеллера зависит от условий эксплуатации и может составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч часов. Процедура замены, как правило, проста и не требует демонтажа насоса с линии.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем импеллерный насос отличается от центробежного?

Импеллерный насос — объемный, его производительность слабо зависит от давления на выходе. Он самовсасывающий, может работать с высоковязкими средами и чувствителен к вязкости. Центробежный насос — динамический, его производительность сильно зависит от противодавления; не обладает самовсасыванием, эффективен для низко- и средневязких жидкостей, производительность падает с ростом вязкости.

Можно ли использовать импеллерный насос для дозирования?

Да, благодаря объемному принципу действия и линейной зависимости производительности от скорости вращения вала (при постоянной вязкости) импеллерные насосы часто применяются для точного дозирования вязких компонентов в рецептурных установках. Для повышения точности используются частотные преобразователи и энкодеры на валу.

Как правильно выбрать материал импеллера для перекачки жиросодержащих продуктов и последующей CIP-мойки щелочью?

Это классическая задача с конфликтующими средами. Жиры требуют использования NBR, а горячая щелочь — EPDM. В данном случае необходимо либо использовать два разных импеллера (рабочий и для мойки), либо выбрать компромиссный материал с усредненной стойкостью (например, специальные марки NBR), либо, что чаще, применять импеллер из FKM (Витона), который демонстрирует хорошую стойкость и к жирам, и к щелочным растворам, несмотря на высокую стоимость.

Каков типичный ресурс импеллера?

Ресурс варьируется в широких пределах: от 500-1000 часов для абразивных сред (томатная паста с семенами) до 3000-5000 часов для неабразивных продуктов средней вязкости (йогурт, крем). На ресурс негативно влияют высокая температура, частота циклов (обороты), сухой ход и химическая несовместимость.

Почему насос после остановки течет обратно через выходной патрубок?

Импеллерный насос не является герметичным запорным устройством. При остановке и отсутствии обратного клапана на линии нагнетания жидкость может протекать обратно через зазоры между импеллером и корпусом под действием гравитации или противодавления. Для предотвращения этого необходимо устанавливать обратный клапан на выходной линии как можно ближе к насосу.

Какие требования к приводному двигателю?

Ввиду необходимости низких оборотов чаще всего используется мотор-редуктор. При перекачке высоковязких продуктов пусковой момент может в 1.5-2 раза превышать номинальный, что необходимо учитывать при выборе мощности двигателя. Для регулирования производительности целесообразно применение частотного преобразователя.