Насосы пищевые вакуумные

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

Пищевые вакуумные насосы представляют собой специализированный класс оборудования, предназначенный для создания, поддержания и контроля вакуума в процессах, связанных с производством, упаковкой и переработкой пищевых продуктов, фармацевтических субстанций и косметических средств. Их ключевое отличие от промышленных вакуумных насосов общего назначения заключается в строгом соответствии гигиеническим нормам, использовании разрешенных контактных материалов и конструктивных решениях, минимизирующих риск микробиологического загрязнения. Основные области применения включают вакуумную упаковку (камерные и термоформовочные машины), деаэрацию продуктов, вакуумное наполнение, сублимационную сушку, транспортировку сыпучих компонентов и вакуумную дистилляцию.

Классификация и принцип действия пищевых вакуумных насосов

В пищевой промышленности применяются несколько типов вакуумных насосов, выбор которых определяется требуемым уровнем вакуума, производительностью, характером откачиваемой среды (наличие паров воды, масел, твердых частиц) и экономическими соображениями.

1. Пластинчато-роторные маслозаполненные насосы

Наиболее распространенный тип для задач вакуумной упаковки. Принцип действия основан на вращении ротора с подвижными пластинами, размещенного эксцентрично относительно корпуса статора. Пластины под действием центробежной силы и давления масла прижимаются к стенкам статора, образуя изменяющиеся полости. Газ всасывается через входной патрубок, сжимается и выталкивается через выпускной клапан в масляный сепаратор, где отделяется от увлеченных капель масла. Масло выполняет функции смазки, уплотнения и отвода тепла.

• Преимущества: Относительно низкая стоимость, способность достигать высокого вакуума (до 0.1-1 мбар остаточного давления), устойчивость к попаданию небольшого количества конденсата.
• Недостатки: Риск микроконтаминации продукта масляным аэрозолем даже при наличии фильтров, необходимость регулярной замены масла и фильтров, повышенные требования к вентиляции масляного бака.

2. Пластинчато-роторные безмасляные (сухие) насосы

Конструктивно схожи с маслозаполненными, но пластины изготавливаются из самосмазывающихся материалов (чаще всего на основе графита или композитных полимеров). Работают без какой-либо смазки в рабочей камере.

• Преимущества: Полное отсутствие риска загрязнения продукта маслом, более низкие эксплуатационные расходы (не требуется масло и масляные фильтры).
• Недостатки: Меньший ресурс пластин по сравнению с металлическими, более низкий допустимый перегрев, как правило, более высокий уровень шума, чувствительность к абразивным частицам.

3. Водокольцевые вакуумные насосы (ВВН)

Принцип действия основан на создании вакуума за счет центробежного ускорения рабочей жидкости (воды) ротором с лопатками. Вода образует движущееся кольцо по внутренней поверхности корпуса, лопасти ротора погружаются в это кольцо, создавая серповидные полости переменного объема. Газ всасывается, сжимается и выталкивается вместе с частью рабочей жидкости.

• Преимущества: Идеальны для откачки запыленных, влажных и агрессивных газовых смесей, так как рабочая жидкость постоянно промывает насос. Конструктивная простота и высокая надежность. Полностью безмасляная откачка.
• Недостатки: Более низкий предельный вакуум (определяется давлением паров рабочей жидкости, обычно 30-80 мбар при использовании воды). Необходимость организации системы рециркуляции и охлаждения воды. Более высокое энергопотребление.

4. Винтовые (спиральные) безмасляные насосы

Вакуум создается за счет встречного вращения двух винтовых роторов (шнеков), не контактирующих друг с другом и с корпусом. Синхронизация обеспечивается парой шестерен внешнего привода. Сжатие происходит в полости между роторами и корпусом.

• Преимущества: Высокая энергоэффективность, низкий уровень шума и вибраций, способность работать с парогазовыми смесями, длительный срок службы, стабильная производительность в широком диапазоне давлений.
• Недостатки: Высокая начальная стоимость, требовательность к чистоте откачиваемой среды (отсутствие влаго- и пылестойкости в базовом исполнении).

Критически важные требования к материалам и конструкции

Все компоненты насоса, контактирующие с откачиваемой средой или атмосферой производственного цеха, должны соответствовать строгим стандартам.

Материалы:

• Корпус, ротор, крышки: Нержавеющая сталь марки AISI 304 (1.4301) или, предпочтительнее, AISI 316 (1.4401/1.4404) для повышенной коррозионной стойкости к хлоридам, кислотам и щелочам.
• Уплотнения: Используются эластомеры, разрешенные для контакта с пищевыми продуктами (FDA, EC 1935/2004). Наиболее распространены EPDM (стойкость к пару, щелочам), NBR (масла, жиры), Viton/FKM (высокие температуры, агрессивные среды, масла). Силикон (VMQ) применяется реже из-за склонности к разрывам.
• Рабочие жидкости: В маслозаполненных насосах используются исключительно белые пищевые масла (вакуумные масла) с допусками NSF H1 или 3H. В водокольцевых насосах допускается использование технической воды, но для предотвращения биологического роста и коррозии часто применяются ингибированные растворы, также имеющие соответствующие допуски.

Конструктивные особенности:

• Гигиеническое исполнение: Поверхности контактных частей должны иметь шероховатость Ra ≤ 0.8 мкм для предотвращения адгезии микроорганизмов и облегчения очистки. Отсутствие застойных зон, пазов и труднодоступных полостей.
• Система уплотнений: Двойные механические торцевые уплотнения с санитарной промывкой (CIP — Cleaning In Place) являются стандартом для насосов, работающих в прямом контакте с пищевыми парами. Промывочная полость между уплотнениями подается чистая вода или стерильный пар, создавая барьер против проникновения загрязнений в рабочую камеру или окружающую среду.
• Защита от конденсата: Насосы для упаковки влажных продуктов оснащаются встроенными или внешними конденсатосборниками (сепараторами) для улавливания жидкости, предотвращая ее попадание в масло и эмульгирование.

Критерии выбора насоса для конкретного применения

Выбор осуществляется на основе технико-экономического анализа следующих параметров.

Сравнительная таблица типов пищевых вакуумных насосов

Параметр / Тип насоса	Маслозаполненный пластинчато-роторный	Безмасляный пластинчато-роторный	Водокольцевой (ВВН)	Винтовой безмасляный
Предельный вакуум (абс.), мбар	0.1 — 1	1 — 5	30 — 80 (на воде)	0.5 — 2
Стойкость к парам воды	Средняя (требуется газобалласт)	Низкая	Высокая (работает на влаге)	Средняя (требуется опция)
Стойкость к частицам	Низкая	Низкая	Высокая	Низкая
Риск контаминации продукта	Потенциальный (масляный аэрозоль)	Отсутствует	Отсутствует	Отсутствует
Эксплуатационные расходы	Высокие (масло, фильтры)	Низкие (только пластины)	Средние (вода, обработка стоков)	Низкие (подшипники, шестерни)
Уровень шума	Средний-высокий	Высокий	Средний	Низкий
Типичное применение в пищепроме	Камерная вакуумная упаковка, сублимационная сушка	Упаковка сухих продуктов, лаборатории	Вакуумное охлаждение, транспортировка сыпучих, деаэрация жидких масс	Крупные упаковочные линии, фармацевтика, процессы с высоким циклом

Ключевые параметры для расчета:

• Производительность (скорость откачки, S): Измеряется в м³/ч или л/мин. Определяется объемом камеры, требуемым временем цикла откачки, количеством и природой удаляемого газа. Для упаковочных машин производительность насоса – основной параметр, определяющий быстродействие всей линии.
• Предельное остаточное давление (P_ult): Минимальное давление, которое насос способен создать в замкнутом объеме. Для упаковки мяса достаточно 5-10 мбар, для увеличения срока годности и сублимационной сушки – 0.5-1 мбар и ниже.
• Производительность на рабочем давлении (P_work): Важнейший показатель. Характеристика S=f(P) нелинейна. Насос должен обеспечивать необходимую скорость откачки именно в диапазоне от атмосферного давления до рабочего давления процесса.

Эксплуатация и техническое обслуживание

Грамотная эксплуатация напрямую влияет на ресурс насоса и безопасность продукции.

• Пуск и останов: Запрещен частый пуск под нагрузкой (с подключенной вакуумной системой). Рекомендуется использование байпасных линий или клапанов с мягким пуском.
• Фильтрация: Обязательна установка входного (вакуумного) фильтра для защиты от твердых частиц и выбросов продукта. В масляных насосах критически важна своевременная замена масляного фильтра и сепаратора.
• Контроль состояния масла/воды: Масло должно меняться по регламенту, даже если не выработан ресурс, из-за неизбежного накопления влаги и кислот. В системах ВВН требуется контроль pH и чистоты циркулирующей воды.
• Очистка (CIP): Насосы, встроенные в замкнутые технологические линии (например, для деаэрации), должны иметь конструктивную возможность циркуляционной мойки и стерилизации паром без разборки.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1: Обязательно ли использовать пищевое масло в пластинчато-роторном насосе на упаковочной машине, если насос вынесен в отдельное техническое помещение?

Да, обязательно. Даже при внешнем размещении насоса, откачиваемый газ (воздух из упаковочной камеры) содержит микрочастицы и пары продукта. Эти контаминанты попадают в масло, а затем, циркулируя с масляным туманом внутри насоса, могут быть выброшены через выхлопную систему в атмосферу цеха, создавая риск перекрестного загрязнения. Кроме того, использование непищевого масла при проверке контролирующими органами приведет к нарушению регламентов (HACCP, ГОСТ Р ИСО 22000-2019).

Вопрос 2: Как правильно подобрать производительность насоса для новой упаковочной линии?

Расчет основывается на формуле: S = (V / t) K1 K2

• ln(P_нач / P_кон), где:
• V – объем вакуумной камеры и коммуникаций (л),
• t – требуемое время откачки до рабочего давления (мин),
• K1 – коэффициент запаса на износ (обычно 1.2-1.5),
• K2 – коэффициент на газовыделение продукта (для сухих продуктов ~1, для влажных/сочных может достигать 2-3),
• P_нач, P_кон – начальное (атмосферное) и конечное (рабочее) давление (мбар).

На практике производители упаковочного оборудования предоставляют рекомендации по насосам, которые следует учитывать как базовые.

Вопрос 3: Что такое газобалласт и когда он необходим?

Газобалласт – это устройство, позволяющее подмешивать определенное количество атмосферного воздуха в камеру сжатия масляного вакуумного насоса. Это необходимо для откачки конденсирующихся паров (прежде всего, водяных). Без газобалласта пары конденсируются внутри насоса, смешиваются с маслом, образуя эмульсию, что резко ухудшает смазку, вызывает коррозию и повышает давление. При работе с газобалластом предельный вакуум ухудшается, но насос остается работоспособным во влажной среде. Для безмасляных насосов газобалласт не применяется.

Вопрос 4: Можно ли заменить водокольцевой насос на винтовой в системе вакуумного охлаждения?

Теоретически возможно, но экономически и технически не всегда оправдано. Винтовой насос существенно дороже, а главное – он крайне чувствителен к попаданию большого количества жидкой воды и абразивных частиц (песок, окалина), которые могут присутствовать в системе. ВВН в этом отношении не имеет себе равных по надежности и «всеядности». Замена имеет смысл только при необходимости существенно повысить энергоэффективность системы при гарантированно чистой и сухой откачиваемой среде.

Вопрос 5: Какой ресурс у сухих пластин из графита и как определить их износ?

Ресурс сухих пластин сильно зависит от режима работы: чистота откачиваемого воздуха, температура, частота пусков. В среднем он составляет от 4000 до 8000 моточасов. Основной признак износа – падение производительности и неспособность насоса выйти на заявленное предельное давление. Износ также сопровождается увеличением рабочего тока электродвигателя. Регулярный контроль этих параметров позволяет запланировать замену пластин до полного отказа.

Заключение

Выбор и эксплуатация пищевого вакуумного насоса – комплексная инженерная задача, требующая учета технологических, гигиенических и экономических факторов. Современный тренд направлен на широкое внедрение безмасляных технологий (винтовых и сухих пластинчато-роторных) для исключения рисков контаминации и снижения эксплуатационных издержек. Однако традиционные маслозаполненные и водокольцевые насосы сохраняют свои позиции в специфических применениях, где важны глубина вакуума или стойкость к сложным средам. Ключом к надежной и безопасной работе является строгое соблюдение регламентов технического обслуживания, использование только разрешенных материалов и рабочих жидкостей, а также правильный расчет параметров на этапе проектирования системы.