Насосы винтовые пищевые: конструкция, принцип действия и области применения
Винтовые пищевые насосы, также известные как эксцентриковые шнековые или насосы героторного типа, представляют собой объемные роторно-поступательные машины, предназначенные для перекачивания жидких, вязких, высокоабразивных и чувствительных к сдвигу пищевых продуктов. Их работа основана на принципе вытеснения среды вращающимся однозаходным металлическим ротором, который движется внутри двухзаходной статорной обоймы из эластомера. Эта конструкция обеспечивает плавное, пульсационное и щадящее перемещение продукта, что критически важно в пищевой и фармацевтической промышленности.
Конструктивные особенности и материалы исполнения
Ключевыми компонентами винтового пищевого насоса являются:
- Ротор: Изготавливается из нержавеющей стали (AISI 304, AISI 316, AISI 316Ti) с высокоточной обработкой поверхности. Часто хромируется или подвергается нитрированию для повышения износостойкости и снижения коэффициента трения.
- Статор: Представляет собой эластомерную втулку (обойму) с двухзаходной винтовой внутренней полостью, запрессованную в металлический корпус. Материал статора выбирается исходя из характеристик перекачиваемой среды.
- Корпус: Выполняется из нержавеющей стали, часто с полированной внутренней поверхностью (Ra ≤ 0.8 мкм) для соблюдения гигиенических требований. Конструкция корпуса обеспечивает быстрый разбор для мойки и инспекции (CIP/SIP-мойка).
- Приводной вал и торцевое уплотнение: Используются сальниковые уплотнения или торцевые механические уплотнения (single/double), выполненные из материалов, допущенных к контакту с пищевыми продуктами (графит, керамика, карбид вольфрама, EPDM, Viton).
- Универсальный шарнир (кардан): Передает вращение от вала привода к ротору, компенсируя эксцентриситет. Изготавливается из нержавеющей стали с защитой от попадания продукта в зону шарнира.
- Щадящее перекачивание: Отсутствие клапанов и низкие скорости сдвига сохраняют структуру продукта (йогурты, творог, фруктовые кусочки, соусы с наполнителями).
- Самовсасывающая способность: Способны создавать вакуум на всасывании до 8-9 м.в.ст., эффективно работают с вязкими и неоднородными средами.
- Высокая вязкость и абразивность: Эффективно перекачивают пасты, фарши, тесто, джемы с косточками, томатную пасту с семенами.
- Реверсивность потока: Возможность реверса двигателя позволяет опорожнять линии и устранять засоры.
- Высокая точность дозирования: Постоянный объем полостей обеспечивает точную подачу, что используется в дозирующих операциях.
- Производительность (Q): м³/ч или л/мин. Зависит от требований линии.
- Давление нагнетания (P): Бар. Суммирует потери на трение в трубопроводе, геодезическую высоту подъема и противодавление в приемной емкости.
- Вязкость продукта (ν): сСт или мПа·с. Влияет на гидравлические потери и требуемую мощность.
- Температура продукта и окружающей среды: °C. Определяет выбор материалов и возможность охлаждения уплотнений.
- Свойства продукта: Наличие абразивных частиц, размер твердых включений, чувствительность к сдвигу, агрессивность.
- η), где ρ – плотность продукта (кг/м³), η – полный КПД насоса (обычно 0.4-0.7 для вязких продуктов).
- Обеспечить чистоту и бесперебойность подачи продукта на всасывании.
- Запрещается работа на закрытую задвижку нагнетания – это приведет к мгновенному выходу из строя.
- Запуск насоса должен производиться на минимальных оборотах с постепенным выходом на рабочий режим.
- Регулярно проводить визуальный контроль износа роторно-статорной пары, проверять момент проворачивания вала вручную.
- Своевременно обслуживать торцевое уплотнение и подшипниковые узлы в соответствии с регламентом производителя.
- Single Seal (одинарное): Для неагрессивных, нетоксичных сред. Требует наличия смывной жидкости.
- Double Seal (двойное, тандем): Для агрессивных или абразивных сред. Между уплотнениями подается барьерная жидкость под давлением.
- Cartridge Seal (картриджное): Облегчает замену, повышает точность установки. Рекомендуется для ответственных применений.
- Работа «на сухую»: Отсутствие продукта приводит к мгновенному перегреву и выгоранию статора.
- Работа на закрытую задвижку: Резкий рост давления разрушает корпус или привод.
- Несовместимость материала статора с продуктом: Набухание, растрескивание или химическая деструкция эластомера.
- Попадание твердых предметов: Камни, металлические частицы вызывают заклинивание и срез штифтов.
- Неправильная центровка с приводом: Приводит к вибрациям, износу вала и уплотнения.
Принцип работы и гидравлические характеристики
При вращении ротора, приводимого в действие электродвигателем через редуктор, между поверхностями ротора и статора образуются замкнутые полости. Эти полости перемещаются от всасывающего патрубка к нагнетательному, обеспечивая непрерывный и равномерный поток. Производительность насоса прямо пропорциональна скорости вращения ротора, что позволяет легко регулировать подачу с помощью частотного преобразователя. Давление нагнетания создается за счет геометрии и количества ступеней (витков) статора и практически не зависит от скорости вращения, что является отличительной чертой объемных насосов.
Ключевые преимущества в пищевых применениях
Выбор материалов статора для различных пищевых сред
Материал статора является критически важным для долговечности и совместимости с продуктом. Ниже представлена таблица соответствия.
| Материал статора (эластомер) | Характеристики | Типичные области применения в пищевой промышленности | Ограничения |
|---|---|---|---|
| NBR (Нитрильный каучук) | Масло- и жиростойкий, хорошая износостойкость, невысокая стоимость. | Растительные и животные масла, жиры, молочные продукты средней жирности, вода. | Не совместим с озоном, сильными окислителями, кетонами, сложными эфирами. |
| EPDM (Этилен-пропиленовый каучук) | Высокая стойкость к горячей воде, пару, щелочам, кислотам (кроме масляных). | Горячие продукты, CIP-моющие растворы (щелочи/кислоты), сиропы, пиво, вино, соки. | Не подходит для масел, жиров, растворителей и углеводородов. |
| FKM (Фторкаучук, Viton) | Высокая химическая и температурная стойкость, стойкость к маслам, жирам, кислотам. | Агрессивные пищевые среды, эфирные масла, цитрусовые концентраты, высокотемпературные жиры. | Высокая стоимость. Ограниченная стойкость к горячему пару и некоторым полярным растворителям. |
| SI (Силикон, пищевой) | Инертность, широкий температурный диапазон, хорошие санитарные свойства. | Кондитерские массы, пробиотические продукты, детское питание, фармацевтические среды. | Низкая механическая прочность и износостойкость, особенно к абразивам. |
Расчет и подбор винтового пищевого насоса
Подбор осуществляется на основе анализа технологического процесса. Ключевые параметры:
Мощность на валу насоса (N) приближенно рассчитывается по формуле: N = (Q P ρ) / (600
Эксплуатация и техническое обслуживание
Для обеспечения длительного срока службы необходимо:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем винтовой насос принципиально отличается от центробежного в пищевых применениях?
Центробежный насос работает за счет передачи кинетической энергии лопастями рабочего колеса, что создает высокие скорости сдвига и турбулентность. Он не способен к самовсасыванию, его производительность сильно зависит от противодавления, и он неэффективен для вязких сред. Винтовой насос – объемный, он перемещает продукт в замкнутых полостях, обеспечивая постоянную подачу независимо от давления, низкий сдвиг и эффективную работу с вязкостью до сотен тысяч сПз.
Как определить износ статора и когда его необходимо менять?
Основной признак износа – падение производительности и давления при неизменной частоте вращения. На практике износ часто проверяют измерением тока двигателя (он снижается) или контролем подачи. Категорически запрещается работа с изношенным статором, так как это приводит к перегреву, повреждению ротора и потере санитарных свойств насоса. Регламентная замена производится по наработке или при визуальном обнаружении трещин, вздутий, потери эластичности.
Можно ли использовать один насос для разных продуктов (например, молоко и томатную пасту)?
Технически это возможно, но требует тщательной процедуры промежуточной мойки (CIP) для исключения перекрестной контаминации. Однако, если продукты имеют принципиально разные характеристики (вязкость, абразивность, температура) или требуют разных материалов статора (например, для масла и кислоты), целесообразно использовать специализированные насосы или иметь сменные роторно-статорные пары.
Как правильно выбрать тип торцевого уплотнения?
Выбор зависит от продукта, температуры и режима мойки.
Материалы уплотнительных поверхностей (керамика/карбид кремния/карбид вольфрама) и эластомеров (EPDM/FKM) подбираются под конкретные условия.
Каковы основные причины выхода из строя винтовых насосов?
Заключение
Винтовые пищевые насосы являются незаменимым оборудованием для транспортировки широкого спектра сложных пищевых продуктов, где на первый план выходят требования к сохранности структуры, гигиеничности и надежности. Правильный подбор насосного агрегата, учитывающий все параметры технологического процесса и свойства среды, а также грамотная эксплуатация и своевременное техническое обслуживание, обеспечивают длительный и экономически эффективный срок службы оборудования. Ключевыми факторами успешного применения остаются корректный выбор материалов пары ротор-статор и типа уплотнения, что напрямую влияет на производительность, безопасность и соответствие санитарным нормам пищевого производства.