Дозирующие насосы

Дозирующие насосы: принцип действия, конструкция, классификация и применение

Дозирующий насос (насос-дозатор, метрологический насос) — это объемный насос, предназначенный для высокоточного ввода (дозирования) заданного количества жидких реагентов, химикатов, добавок или иных сред в технологический поток, резервуар или систему под давлением. Точность и повторяемость дозирования являются ключевыми параметрами, отличающими эти устройства от других типов насосного оборудования. Основная область применения — автоматизация технологических процессов, где требуется строго контролируемое добавление малых или средних объемов веществ.

Принцип действия и основные компоненты

Принцип действия большинства дозирующих насосов основан на вытеснении строго определенного объема жидкости за цикл работы механизма. Этот объем, умноженный на количество циклов в единицу времени, определяет производительность дозатора. Погрешность дозирования определяется точностью работы нагнетательного элемента и клапанной системы.

Конструктивно современный дозирующий насос состоит из нескольких ключевых узлов:

• Привод (силовая головка): Электромеханический или пневматический двигатель, преобразующий энергию во вращательное или возвратно-поступательное движение. Часто включает редуктор для регулировки скорости.
• Преобразователь движения: Узел, преобразующий вращение вала привода в возвратно-поступательное движение плунжера или штока. Может быть выполнен в виде эксцентрикового механизма, кулачка или червячной передачи.
• Дозирующая головка (гидравлический блок): Рабочая камера, где происходит непосредственное всасывание и нагнетание жидкости. Включает рабочий орган (плунжер, диафрагму), клапаны (всасывающий и нагнетательный) и камеру.
• Система регулировки производительности: Механизм, позволяющий изменять расход насоса, обычно от 0 до 100% от максимальной. Реализуется через изменение длины хода плунжера (механический регулятор) или частоты вращения вала привода (частотное регулирование).
• Клапанная система: Шариковые или тарельчатые клапаны, обеспечивающие однонаправленное движение жидкости. Точность их посадки и упругость пружин критически важны для работы при низких расходах и против давления.

Классификация дозирующих насосов по типу рабочего органа

Плунжерные (поршневые) дозирующие насосы

Рабочий орган — твердый плунжер (шток), совершающий возвратно-поступательное движение в уплотненной камере. Объем дозирования определяется диаметром плунжера и длиной его хода. Обеспечивают высокое давление нагнетания (до 3500 бар и более) и исключительную точность. Недостаток — потенциальная протечка через уплотнение плунжера и неприменимость для абразивных или высоковязких сред без специальных уплотнений.

Диафрагменные дозирующие насосы

Вытеснение жидкости осуществляется за счет деформации гибкой мембраны (диафрагмы), приводимой в движение плунжером или гидравлически. Ключевое преимущество — полная герметичность, отсутствие контакта перекачиваемой среды с движущимися частями привода. Это делает их идеальными для токсичных, агрессивных, стерильных или абразивных сред. По способу привода диафрагмы делятся на механические и гидравлические.

• Механические: Диафрагма жестко соединена со штоком. Конструкция проще, но ход диафрагмы и ее деформация неравномерны, что снижает ресурс. Давление ограничено (обычно до 20-30 бар).
• Гидравлические: Плунжер работает на гидравлическое масло, которое, в свою очередь, передает давление на диафрагму. Ход диафрагмы равномерный, ресурс значительно выше. Система часто включает предохранительный клапан и смотровое окно для контроля целостности диафрагмы (при ее разрыве среда попадает в масляную камеру, что визуально обнаруживается). Давление нагнетания — до 200-500 бар.

Перистальтические (шланговые) насосы

Жидкость находится внутри гибкой трубки (шланга) и перемещается за счет ее пережатия бегущими роликами. Полная герметичность, простота обслуживания (замена шланга), хорошая работа с вязкими и суспензионными средами. Основные недостатки: ограниченное давление (обычно до 15-20 бар), ограниченный ресурс шланга и, как правило, меньшая точность по сравнению с плунжерными и диафрагменными насосами.

Способы регулирования производительности

Регулировка производительности (расхода) дозирующего насоса является одной из его основных функций. Существует два принципиальных метода:

Сравнение методов регулирования производительности

Параметр	Регулирование длиной хода (механическое)	Регулирование частотой (частотный привод)
Принцип действия	Изменение амплитуды движения плунжера/диафрагмы при постоянной частоте вращения вала привода.	Изменение количества ходов в единицу времени (частоты) при постоянной или переменной длине хода.
Точность в низком диапазоне	Высокая, особенно у прецизионных механизмов с винтовой передачей.	Может снижаться на очень низких частотах из-за дискретности работы и инерции.
Стоимость	Относительно низкая, механическая система проще.	Выше, за счет стоимости частотного преобразователя и управляющей электроники.
Гибкость управления	Ограничена, обычно ручная настройка или управление сервоприводом хода.	Очень высокая. Легко интегрируется в АСУ ТП, возможна импульсная работа, пропорциональное управление по внешнему сигналу (4-20 мА, 0-10 В).
Износ	Механизм регулировки хода подвержен износу.	Отсутствует механизм изменения хода, что может увеличить ресурс гидравлической части.

Критически важные технические характеристики и параметры выбора

• Максимальная производительность (Q_max): Измеряется в литрах в час (л/ч) или миллилитрах в минуту (мл/мин). Определяет верхнюю границу возможностей насоса.
• Максимальное давление нагнетания (P_max): Способность дозатора преодолевать противодавление в нагнетательной линии. Плунжерные насосы лидируют по этому параметру.
• Точность дозирования: Отклонение фактического расхода от заданного, обычно выражается в процентах (±1%, ±2% и т.д.). Указывается для конкретных условий (давление, температура, вязкость).
• Повторяемость: Способность насоса многократно выдавать один и тот же объем в идентичных условиях. Этот параметр часто важнее абсолютной точности.
• Материалы контактных частей: Материал корпуса дозирующей головки, клапанов, уплотнений, диафрагмы или плунжера (нержавеющая сталь AISI 316, PTFE (тефлон), PVDF, керамика, Hastelloy, EPDM, Viton). Выбор определяется химической совместимостью с перекачиваемой средой.
• Класс защиты привода (IP) и Взрывозащита (Ex): Для работы во влажных, пыльных или взрывоопасных зонах.
• Тип управления: Ручное регулирование, управление по аналоговому сигналу (4-20 мА, 0-10 В), по цифровому протоколу (PROFIBUS, Modbus) или импульсное управление (каждый импульс — один ход).

Области применения в энергетике и смежных отраслях

Дозирующие насосы являются неотъемлемой частью систем водоподготовки и химводоочистки (ХВО) на ТЭС и АЭС, а также в котельных.

• Дозирование реагентов для коррекционной обработки воды: Подача гидразина, аммиака, аминов (для поддержания pH), фосфатов (связывание кислорода, предотвращение накипи).
• Дозирование ингибиторов коррозии и накипеобразования в системы охлаждения.
• Приготовление и дозирование растворов коагулянтов и флокулянтов на станциях очистки воды.
• Дозирование реагентов для сероочистки (десульфуризации) дымовых газов, например, раствора известняка или аммиака.
• Дозирование мочевины или аммиака в системы селективного каталитического восстановления (SCR) для снижения выбросов NOx.
• Дозирование химикатов в системы топливоподготовки (например, щелочи для промывки мазута).
• Точная подача реагентов в лабораторных и исследовательских установках.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается дозирующий насос от обычного центробежного?

Центробежный насос предназначен для перекачивания больших объемов жидкости с относительно низким и непостоянным напором. Его производительность сильно зависит от противодавления в системе. Дозирующий насос — это объемный насос, его производительность практически не зависит от давления нагнетания (в пределах паспортных значений) и может быть установлена с высокой точностью. Он предназначен для точной подачи малых объемов, а не для транспортировки.

Как правильно подобрать материал уплотнений и контактных частей?

Подбор осуществляется на основе таблиц химической стойкости материалов, предоставляемых производителями насосов и химикатов. Учитываются концентрация реагента, температура, давление. Для агрессивных кислот и окислителей часто применяют PTFE (тефлон), PVDF, керамику. Для щелочей — нержавеющая сталь 316, EPDM. Для углеводородов и масел — Viton. Обязательно требуется консультация со специалистом-технологом.

Что такое «двойная диафрагма» и зачем она нужна?

В гидравлических диафрагменных насосах часто используется система с двумя диафрагмами и заполненной жидкостью (маслом) камерой между ними. Рабочая диафрагма контактирует со средой, а вторая — с гидравлической жидкостью. При разрыве рабочей диафрагмы вторая предотвращает попадание среды в гидравлическую систему, а также вытекание масла в технологический процесс. Это повышает безопасность и позволяет контролировать целостность.

Почему насос не создает давление или производительность упала?

• Завоздушивание линии всасывания или камеры насоса.
• Износ или загрязнение всасывающего или нагнетательного клапана (проверка, чистка, замена).
• Разрыв диафрагмы (для диафрагменных насосов).
• Износ уплотнения плунжера (для плунжерных насосов).
• Неправильная настройка или поломка механизма регулировки хода.
• Забитый фильтр на линии всасывания.

Как осуществляется автоматическое управление дозирующим насосом?

Наиболее распространенный способ — управление по аналоговому сигналу 4-20 мА от контроллера или датчика. Например, сигнал от pH-метра (4 мА — низкий pH, 20 мА — высокий pH) поступает на частотный преобразователь насоса, дозирующего щелочь. Насос увеличивает или уменьшает производительность пропорционально отклонению pH от заданного значения. Также используется импульсное управление, где каждый внешний импульс инициирует один рабочий ход.

Нужен ли обратный клапан на линии нагнетания дозирующего насоса?

Да, установка обратного клапана (а часто и предохранительного клапана) на напорной линии после насоса является стандартной рекомендацией. Он предотвращает опорожнение линии и всасывание среды обратно в насос при его остановке, особенно если насос расположен ниже уровня дозируемой точки. Предохранительный клапан защищает насос и трубопровод от превышения давления.

Заключение

Дозирующие насосы представляют собой высокоспециализированное оборудование, точность и надежность которого напрямую влияют на эффективность, безопасность и экологичность технологических процессов в энергетике, химической промышленности, водоподготовке и других отраслях. Правильный выбор типа насоса (плунжерный, диафрагменный, перистальтический), материалов исполнения, способа регулирования и управления определяет долговечность и безотказность работы всей системы дозирования. Современные тенденции направлены на интеграцию дозаторов в комплексные системы автоматизированного управления с цифровыми интерфейсами, диагностикой состояния и предиктивным обслуживанием, что позволяет минимизировать участие оператора и оптимизировать расход реагентов.