Насосы мембранные для перекачки

Мембранные насосы для перекачки: принцип действия, конструкция, применение и критерии выбора

Мембранный насос (диафрагменный насос, пневматический мембранный насос, AODD – Air Operated Double Diaphragm) – это объемный насос прямого вытеснения, в котором перемещение рабочей среды осуществляется за счет циклического изменения объема рабочих камер, герметично отделенных от приводного механизма гибкими мембрами (диафрагмами). Ключевая особенность – полная изоляция перекачиваемой среды от узлов привода и окружающей атмосферы, что определяет основные области его применения.

Принцип действия и кинематическая схема

Работа мембранного насоса основана на попеременном движении двух мембран, соединенных общим валом. Приводом, как правило, служит сжатый воздух, распределяемый золотниковым механизмом (пневмоклапаном). Цикл состоит из двух тактов.

• Такт 1: Сжатый воздух через распределитель подается в левую воздушную камеру, отгибая левую мембрану. Она выталкивает жидкость из левой рабочей камеры в напорный патрубок. Одновременно правая мембрана, связанная валом с левой, совершает обратное движение, создавая разрежение в правой рабочей камере. Всасывающий клапан в ней открывается, и камера заполняется жидкостью.
• Такт 2: Пневмоклапан переключается. Сжатый воздух поступает в правую воздушную камеру, а левая соединяется с атмосферой. Процесс повторяется в зеркальном отображении: правая мембрана выталкивает жидкость, левая – всасывает новую порцию.

Таким образом, обеспечивается практически пульсационный, но непрерывный поток. Синхронность движения мембран гарантируется механической связью через шток.

Конструктивные элементы и материалы

Конструкция насоса определяет его химическую стойкость, износоустойчивость и применимость для конкретных сред.

1. Мембраны (Диафрагмы)

Наиболее критичный элемент. Бывают дисковыми и поршневыми (сферическими). Изготавливаются из эластомеров и термопластов:

• NBR (Нитрил-бутадиеновый каучук): Масло-, бензо-, топливостойкий. Для углеводородов, масел, воды.

EPDM (Этилен-пропиленовый каучук): Стойкий к полярным жидкостям (кислоты, щелочи, перекись водорода), пару и горячей воде. Не для масел и топлива.

• FKM/FPM (Фторкаучук, Витон): Высокая химическая и температурная стойкость. Для агрессивных сред, ароматических углеводородов, концентрированных кислот.
• PTFE (Политетрафторэтилен, Тефлон): Исключительная химическая инертность. Используется как покрытие или в виде цельнолитых мембран для сверхагрессивных химикатов.
• PU (Полиуретан): Высокая абразивная стойкость, для суспензий, шламов, красок.
• Неопрен: Универсальный, умеренно стойкий к маслам и атмосферным воздействиям.

2. Корпус и клапаны

Материалы исполнения:

• Алюминий: Легкий, для неагрессивных сред (вода, масла, эмульсии).
• Чугун: Прочный, для абразивных сред (шламы, керамические суспензии).
• Нержавеющая сталь (AISI 304, 316): Для пищевой, фармацевтической промышленности, умеренно агрессивных жидкостей.
• Полипропилен (PP), Поливинилиденфторид (PVDF): Пластиковые корпуса для высокоагрессивных химических сред (кислоты, щелочи, галогены).

Шаровые или тарельчатые клапаны (впускные и выпускные) изготавливаются из тех же материалов, что и корпус, или из специализированных эластомеров/термопластов.

3. Привод и система распределения воздуха

Пневмопривод включает в себя воздушный фильтр-регулятор-смазчик (FRL), пневмоклапан (золотникового, поплавкового или тарельчатого типа) и шумоглушитель. Регулировка производительности осуществляется дросселированием подачи сжатого воздуха. Наличие смазки в воздухе продлевает срок службы пневмоклапана.

Технические характеристики и параметры выбора

Выбор мембранного насоса требует анализа взаимосвязанных параметров.

Таблица 1. Ключевые параметры мембранных насосов и их влияние на выбор

Параметр	Диапазон / Типовые значения	Примечание и влияние на эксплуатацию
Условный проход (DN)	От 1/4″ (6 мм) до 3″ (80 мм) и более	Определяет размеры присоединительных патрубков и потенциальный поток.
Производительность (Q)	От 0.1 до 1000 л/мин и более	Зависит от давления воздуха, противодавления, вязкости среды. Указывается для воды при стандартных условиях.
Максимальное давление на выходе	До 8.6 бар (125 psi), для специализированных – до 20 бар	Ограничено прочностью конструкции и давлением воздуха. Давление насоса примерно равно 85-90% от давления подводимого воздуха.
Максимальный размер твердых частиц	От 0.1 мм до 50 мм (для шламовых моделей)	Определяется конструкцией клапанов и проходным сечением.
Рабочая температура среды	От -60°C до +180°C	Зависит от материала мембран и корпуса. Стандартные эластомеры работают в диапазоне -20°C…+90°C.
Степень сухого всасывания	До 6 метров вод. ст. (теоретически до 8.5 м)	Фактическая высота зависит от упругости паров жидкости и герметичности системы.
Расход сжатого воздуха	Пропорционален производительности, ~ 0.3 – 0.7 м³/мин на 100 л/мин	Ключевой показатель экономичности. Зависит от КПД насоса и перепада давления.

Преимущества и недостатки мембранных насосов

Преимущества:

• Полная герметичность: Отсутствие внешних уплотнений вала, нулевая утечка.
• Безопасность: Искробезопасность (пневмопривод), возможность работы во взрывоопасных зонах.
• Самовсасывание: Способность создавать вакуум и запускаться «на сухую» без повреждений.
• Регулируемость: Производительность легко изменяется дросселированием воздуха от 0 до максимума.
• Универсальность по средам: Перекачивание жидкостей от чистых до высоковязких, абразивных, химически агрессивных, с твердыми включениями.
• Простота конструкции и обслуживания: Минимум деталей, отсутствие сложной кинематики, ремонтопригодность на месте.

Недостатки:

• Пульсация потока: Требует установки гасителей пульсации (демпферов) на всасывающей и напорной линиях для стабилизации потока.
• Расход сжатого воздуха: Высокие эксплуатационные затраты на подготовку сжатого воздуха.
• Ограниченное давление: Как правило, не превышает 8-10 бар.
• Шумность: Работа пневмоклапана и выхлопа воздуха требует установки шумоглушителей.
• Циклическая нагрузка на мембраны: Мембраны являются расходным материалом, требуют периодической замены.

Области применения в энергетике и смежных отраслях

• Химическая обработка и подготовка воды: Перекачка коагулянтов, флокулянтов, растворов гипохлорита натрия, кислот для коррекции pH, известковых суспензий.
• Топливно-энергетический комплекс: Перекачка дизельного топлива, мазута, отработанных масел, конденсата, топливных добавок. Опорожнение цистерн.
• Очистка сточных вод и шламовые системы: Откачка осадков, илов, шламов с высокой абразивностью, перекачка активного ила.
• Гальваническое и окрасочное производство: Перекачка красок, лаков, растворителей, кислотных и щелочных электролитов.
• Строительство и горная промышленность: Откачка грунтовых вод, пульпы, бентонитовых растворов, химических реагентов.

Монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание

Правильный монтаж – залог долговечности. На всасывающей линии рекомендуется устанавливать фильтр для защиты клапанов, жесткие трубопроводы фиксировать для снижения вибрации. Обязателен монтаж демпферов пульсаций. Воздушная система должна включать фильтр-регулятор-смазчик.

Техническое обслуживание включает регулярный визуальный контроль, проверку состояния мембран и клапанов, очистку воздушного фильтра. Регламент замены мембран зависит от рабочего давления, агрессивности среды и температуры. При появлении снижения производительности или невозможности регулировки обычно требуется замена мембран, клапанов или очистка/замена пневмоклапана.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Как правильно подобрать материал мембраны для конкретной химической среды?

Необходимо руководствоваться химическими таблицами стойкости материалов, предоставляемыми производителями насосов. Ключевые параметры: концентрация химиката, температура и продолжительность контакта. Для сложных сред или смесей рекомендуется проводить натурные испытания на образцах материала.

2. Почему насос резко теряет производительность или перестает работать?

Основные причины по порядку проверки: засорение всасывающего фильтра или клапанов; износ или разрыв мембраны; засорение или залипание воздушного распределительного клапана; недостаточное давление или расход воздуха на входе; превышение высоты всасывания или противодавления; замерзание конденсата в воздушной линии зимой.

3. Можно ли использовать мембранный насос для пищевых продуктов?

Да, при условии выбора исполнения с корпусом из нержавеющей стали AISI 316 или полипропилена, мембранами из EPDM, NBR (пищевого допуска) или PTFE, и клапанами из соответствующих материалов. Насос должен иметь сертификаты, например, FDA, EC 1935/2004.

4. Как уменьшить пульсации на выходе насоса?

Установить гаситель пульсаций (демпфер, snubber) на напорной линии как можно ближе к выходному патрубку насоса. Эффективны также петлевые (кольцевые) трубопроводы, эластичные вставки и использование двух насосов, работающих в противофазе.

5. Что экономичнее: пневматический или электрический мембранный насос?

С точки зрения капитальных затрат – электрический. Однако пневматический насос выигрывает по совокупной стоимости владения (TCO) в условиях, где требуется частая мойка, стерилизация, работа во взрывоопасной среде или с агрессивными средами, благодаря простоте обслуживания, ремонтопригодности и безопасности. Затраты на сжатый воздух могут быть значительными, поэтому необходим расчет.

6. Какой максимальный срок службы мембраны?

Срок службы варьируется от нескольких сотен до нескольких тысяч часов. Зависит от факторов: тип материала (PTFE служит дольше эластомеров, но менее гибок), рабочее давление и температура, цикличность работы, абразивность и химическая агрессивность среды. Регулярный профилактический осмотр обязателен.

7. Почему из воздушного выпуска насоса выходит жидкость или пар?

Это явный признак разрыва мембраны. Жидкость из рабочей камеры через поврежденную мембрану попадает в воздушную камеру и выбрасывается через выпускной тракт пневмоклапана. Требуется немедленная остановка насоса и замена мембран в обеих камерах.

Заключение

Мембранные насосы представляют собой универсальное, безопасное и надежное решение для перекачки широкого спектра сложных сред в энергетике, химической промышленности, водоочистке и других отраслях. Их выбор требует тщательного анализа параметров перекачиваемой жидкости, условий эксплуатации и правильного подбора материалов проточной части. Понимание принципа работы, конструктивных особенностей и правил технического обслуживания позволяет максимально эффективно и долговременно эксплуатировать это оборудование, минимизируя простои и ремонтные затраты. Ключом к успешному применению является комплексный подход: от корректного подбора и монтажа до планово-предупредительного обслуживания.