Насосы вакуумные мембранные

Насосы вакуумные мембранные: принцип действия, конструкция, применение и технические аспекты

Вакуумные мембранные насосы представляют собой объемные насосы прямого вытеснения, в которых создание вакуума и перекачивание среды осуществляются за счет возвратно-поступательного движения гибких мембран (диафрагм). Привод мембран осуществляется механически, пневматически или электромагнитным способом. Отсутствие трущихся частей в контактной зоне и герметичность камеры делают данный тип насосов ключевым решением для задач, требующих чистоты, стойкости к агрессивным средам и надежности.

Принцип работы и базовая конструкция

Основой насоса является рабочая камера, разделенная эластичной мембраной на две полости: воздушную (приводную) и жидкостную (рабочую). Приводная полость соединена с механизмом, вызывающим прогиб мембраны. Рабочая полость снабжена двумя клапанами – впускным (всасывающим) и выпускным (нагнетательным), обычно шарикового или тарельчатого типа.

Рабочий цикл состоит из двух тактов:

• Такт всасывания: Мембрана под действием привода прогибается, увеличивая объем рабочей камеры. Давление в камере падает ниже атмосферного, впускной клапан открывается под действием перепада давления, и перекачиваемая среда поступает в камеру. Выпускной клапан при этом закрыт.
• Такт нагнетания: Мембрана совершает обратное движение, уменьшая объем рабочей камеры. Возрастающее давление закрывает впускной клапан и открывает выпускной, выталкивая среду в напорную магистраль.

Для обеспечения равномерного потока и снижения вибраций большинство промышленных мембранных насосов выполняются двух- и более камерными (чаще всего сдвоенными), где мембраны приводятся в движение общим эксцентриковым валом через шатуны. Рабочие циклы камер сдвинуты по фазе на 180°, что обеспечивает сглаживание пульсаций.

Ключевые компоненты и материалы

Надежность и химическая стойкость насоса определяются материалами исполнения контактных частей.

• Мембраны (Диафрагмы): Наиболее критичный элемент. Изготавливаются из эластомеров (PTFE (тефлон), NBR, EPDM, Viton (FKM), гипалон) или композитных материалов (многослойные, с армированием). Выбор зависит от химической агрессивности, температуры и абразивности среды.
• Клапаны (Шарики и седла): Материалы – нержавеющая сталь (AISI 316), керамика, PTFE, PP, PVDF. Конфигурация клапанов определяет способность насоса работать с вязкими средами или средами, содержащими твердые включения.
• Корпус и рабочие камеры: Алюминий с покрытием, чугун, нержавеющая сталь (AISI 304, 316), полипропилен (PP), поливинилиденфторид (PVDF).
• Приводной механизм: Эксцентриковый вал и шатуны из углеродистой или нержавеющей стали. В пневматических насосах – золотниковый распределитель, направляющий сжатый воздух попеременно в приводные полости.

Классификация и технические характеристики

Вакуумные мембранные насосы классифицируются по нескольким признакам.

По типу привода:

• Электрические (механические): Электродвигатель через редуктор вращает эксцентриковый вал. Наиболее распространены, обеспечивают стабильные параметры, требуют питания.
• Пневматические: Приводятся в действие сжатым воздухом. Взрывобезопасны, допускают работу «на сухую», регулировка производительности осуществляется изменением расхода воздуха. Имеют более низкий КПД и требуют источник сжатого воздуха.
• Электромагнитные (соленоидные): Мембрана приводится в движение электромагнитом, питаемым импульсным током. Компактны, дёшевы, применяются в малогабаритных устройствах (например, в медицинской технике, аквариумах).

По количеству мембран:

• Одномембранные (однокамерные): Простая конструкция, выраженная пульсация потока.
• Двухмембранные (двухкамерные): Стандарт для промышленности. Минимизация пульсаций, повышенная производительность и надежность.

Основные технические параметры:

При выборе насоса анализируются следующие характеристики.

Таблица 1: Ключевые технические параметры мембранных вакуумных насосов

Параметр	Описание и единицы измерения	Типичный диапазон для промышленных моделей
Предельное остаточное давление (вакуум)	Минимальное абсолютное давление, которое насос может создать на всасывании. Измеряется в мбар, торр, Па.	от 2 до 100 мбар (абс.)
Производительность (поток откачки)	Объем газа, перекачиваемый за единицу времени при определенном давлении. Измеряется в м³/ч, л/мин, куб. футах в минуту (CFM).	от 1 до 1000 м³/ч и более
Максимальное давление нагнетания	Противодавление на выходе, которое насос может преодолеть. Измеряется в бар (изб.).	до 6-8 бар (для пневмоприводных – выше)
Скорость откачки в зависимости от давления	Зависимость производительности от создаваемого вакуума. График этой зависимости – вакуумная характеристика насоса.	Определяется конструкцией и приводом
Материал контактных частей (wetted parts)	Комбинация материалов мембраны, клапанов, корпуса камеры.	PTFE, PP, PVDF, Al, SS316, Viton и др.
Диапазон рабочих температур	Температура перекачиваемой среды.	от -10°C до +100°C (зависит от мембраны)
Степень защиты (IP) и класс взрывозащиты (Ex)	Для электрических моделей – защита от окружающей среды и возможность работы во взрывоопасных зонах.	IP54, IP65; Ex d, Ex de IIB T4

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Сухой ход: Способность работать без перекачиваемой среды без повреждений.
• Полная герметичность: Отсутствие внешних утечек и сальниковых уплотнений. Идеально для токсичных, дорогостоящих или агрессивных сред.
• Химическая стойкость: Возможность подбора материалов, стойких к широкому спектру химикатов.
• Самовсасывание: Хорошие самовсасывающие способности (обычно до 4-6 м вод. ст.).
• Простота обслуживания: Конструкция, как правило, позволяет проводить быструю замену мембран и клапанов без демонтажа трубопроводов.
• Взрывобезопасность: Пневматические модели могут использоваться во взрывоопасных зонах без дополнительных мер.
• Регулируемость: Легкое регулирование производительности (дросселированием на входе/выходе или изменением частоты хода).

Недостатки:

• Пульсация потока: Несмотря на сдвоенную конструкцию, пульсации присутствуют и могут требовать установки демпферов (гасителей пульсаций).
• Ограничения по вакууму и давлению: Не могут создавать высокий вакуум (глубокий вакуум) и очень высокое давление, как поршневые или винтовые насосы.
• Износ мембран и клапанов: Мембраны являются расходным материалом, срок службы зависит от условий работы.
• Чувствительность к низким температурам: Эластичность мембран из некоторых материалов снижается при отрицательных температурах.
• Шум и вибрация: Особенно характерно для электрических моделей при высоких скоростях работы.

Области применения в промышленности и энергетике

Мембранные вакуумные насосы нашли применение в отраслях, где критичны надежность и чистота процесса.

• Химическая и нефтехимическая промышленность: Перекачка агрессивных, токсичных, взрывоопасных жидкостей и паров, рекуперация паров растворителей, вакуумная фильтрация, дегазация.
• Фармацевтика и пищевая промышленность: Работа в стерильных условиях, перекачка чувствительных продуктов (без сдвиговых усилий), создание вакуума в упаковочных машинах, вакуумное деаэрирование.
• Энергетика и экология: Откачка конденсата из систем, вакуумная дегазация трансформаторного масла, отбор проб газов и жидкостей на ТЭС и АЭС, работа с реагентами в системах водоподготовки.
• Лабораторное и аналитическое оборудование: Обеспечение работы масс-спектрометров, хроматографов, ротационных испарителей, где требуется чистый, безмасляный вакуум.
• Обработка поверхностей и вакуумное формование: Создание предварительного вакуума, удержание заготовок.

Особенности монтажа, эксплуатации и технического обслуживания

Правильная установка продлевает срок службы насоса.

• Монтаж: Насос должен устанавливаться на ровное, жесткое основание. На входе рекомендуется установка фильтра для защиты от крупных частиц. На напорной и всасывающей линиях желательно использование гибких соединений для компенсации вибраций. Для электрических насосов обязательна защита от перегрузки по току.
• Эксплуатация: Запрещается перекрывать всасывающую линию при работающем насосе (может привести к ускоренному износу мембран). При работе с кристаллизующимися или вязкими средами требуется промывка по окончании работы. Важно соблюдать температурный режим.
• Техническое обслуживание (ТО): Основная процедура – регулярная замена мембран и клапанов согласно регламенту производителя или при появлении признаков износа (падение производительности, повышенный шум, течь). Проверка и затяжка крепежных элементов. Для пневматических насосов – контроль качества и давления сжатого воздуха, обслуживание воздушного фильтра-регулятора.

Сравнение с другими типами вакуумных насосов

Таблица 2: Сравнение мембранных насосов с другими типами объемных вакуумных насосов

Тип насоса	Принцип действия	Предельный вакуум (прим.)	Ключевые преимущества	Основные недостатки
Мембранный	Вытеснение среды мембраной	~2 мбар	Чистота, герметичность, стойкость к химии, сухой ход	Пульсации, износ мембран, ограниченный вакуум
Пластинчато-роторный (масляный)	Вращение ротора с пластинами в статоре	~0.01 мбар	Высокий вакуум, высокая производительность, непрерывный поток	Загрязнение маслом, необходимость обслуживания масла, чувствительность к пыли и парам
Пластинчато-роторный (сухой)	Вращение ротора с сухими пластинами	~0.1 мбар	Чистый вакуум без масла, хорошая производительность	Нагрев, более сложная конструкция, чувствительность к перегрузке
Водокольцевой	Сжатие газа вращающимся ротором в водяном кольце	~30 мбар (зависит от t воды)	Простота, надежность, стойкость к загрязненным и влажным газам	Низкий вакуум, необходимость системы подачи и очистки рабочей жидкости, низкий КПД

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как правильно подобрать материал мембраны для конкретной химической среды?

Необходимо руководствоваться химической стойкостной таблицей (compatibility chart) производителя эластомеров. Для высокоагрессивных сред (концентрированные кислоты, сильные окислители, растворители) оптимальным выбором является PTFE (тефлон). Для углеводородов, масел, щелочей часто применяют Viton (FKM). Для воды, воздуха, пищевых продуктов подходят EPDM или NBR. При сомнениях рекомендуется проводить натурные испытания образца материала.

Что вызывает преждевременный выход из строя мембран?

• Химическая несовместимость: Набухание, растрескивание или растворение материала.
• Температурные экстремумы: Работа за пределами допустимого диапазона.
• Кавитация: Работа с высоким вакуумом на входе при перекачке жидкостей, особенно с высокой температурой кипения.
• Механические перегрузки: Превышение максимального давления нагнетания или частоты ходов.
• Абразивный износ: Перекачка сред с твердыми взвесями без предварительной фильтрации.

Можно ли использовать мембранный насос для создания высокого вакуума (глубже 1 мбар)?

Нет, стандартные мембранные насосы не предназначены для создания высокого и сверхвысокого вакуума. Их физический предел, обусловленный деформацией мембраны и наличием мертвого объема, обычно лежит в диапазоне 1-5 мбар (абс.). Для достижения более глубокого вакуума их используют в качестве форвакуумных (поддерживающих) насосов в комбинации с высоковакуумными насосами (турбомолекулярными, паромасляными диффузионными).

Как бороться с пульсациями потока на выходе из насоса?

Для сглаживания пульсаций применяют:

• Гасители пульсаций (демпферы, snubbers): Мембранные или поршневые устройства, устанавливаемые на выходной линии.
• Удлинение напорной линии (использует упругость трубопровода и сжимаемость среды).
• Установку обратного клапана с пружиной на выходе.
• Использование насосов с тремя и более камерами.
• Применение частотного регулирования привода для оптимизации режима работы.

В чем разница между вакуумным режимом и режимом компрессора в мембранном насосе?

Конструктивно это один и тот же аппарат. Разница заключается в назначении и подключении. В вакуумном режиме насос откачивает газ из замкнутого объема, подключенного к всасывающему патрубку, а нагнетательный патрубок выводит в атмосферу или на следующую ступень. В режиме компрессора насос забирает газ из атмосферы через всасывающий патрубок и нагнетает его под давлением в закрытую систему через нагнетательный патрубок. Рабочие характеристики (производительность, максимальное давление) будут различаться для этих двух режимов.

Требуется ли смазка для мембранного насоса?

Для рабочей (контактной) камеры смазка не требуется и недопустима, так как приведет к загрязнению перекачиваемой среды. Приводной механизм (эксцентриковый вал, подшипники, редуктор) в электрических насосах, как правило, имеет постоянную заводскую смазку или требует периодического обслуживания согласно мануалу. В пневматических насосах смазка может требоваться для пневмомотора, для чего в воздушную магистраль устанавливается масленка (лубрикатор).

Заключение

Вакуумные мембранные насосы являются специализированным, технологически зрелым классом оборудования, занимающим устойчивую нишу в промышленности. Их ключевые преимущества – герметичность, химическая стойкость и способность работать в сложных условиях – делают их незаменимыми там, где другие типы насосов неприменимы. Грамотный подбор по материалам исполнения, параметрам вакуума и производительности, а также соблюдение правил монтажа и эксплуатации обеспечивают длительный и безотказный срок службы. Понимание принципов работы, достоинств и ограничений мембранных насосов позволяет инженерно-техническому персоналу эффективно интегрировать их в технологические процессы, начиная от энергетических объектов и заканчивая высокоточным производством.