Мембранный насос: устройство, принцип работы и выбор мембраны

Мембранный насос выбирают тогда, когда центробежный не справляется: среда вязкая, с осадком или абразивом, агрессивная, взрывоопасная, или насосу приходится работать всухую и всасывать из бочки. Цена за это одна: всё держится на резиновой или фторопластовой мембране, которая изгибается десятки раз в минуту и рано или поздно устаёт.

Мембрана отделяет среду от привода и работает как поршень

Принцип мембранного насоса одинаков во всех исполнениях. Мембрана закреплена по краю в корпусе и образует стенку рабочей камеры. Когда привод отводит её центр назад, объём камеры растёт, давление падает, всасывающий клапан открывается и впускает жидкость. Когда мембрана идёт вперёд, объём уменьшается, всасывающий клапан закрывается, напорный открывается, и жидкость уходит в линию.

Мембрана в этой схеме заменяет поршень, но не трётся о стенки и не требует уплотнения штока со стороны среды. Перекачиваемая жидкость касается только мембраны, клапанов и корпуса камеры, поэтому насос годится для химии, красок и пищевых продуктов, где утечка через уплотнение вала недопустима или где продукт нельзя загрязнять смазкой привода. Обратные клапаны бывают шаровыми, тарельчатыми и лепестковыми; в насосах для крупных частиц ставят откидные заслонки.

Четыре вида мембранных насосов различаются приводом

Пневматический двухмембранный насос встречается в промышленности чаще остальных. Две мембраны соединены валом, воздушный распределитель по очереди подаёт воздух за одну и за другую. Пока одна камера выталкивает жидкость, вторая всасывает. Электричества в насосе нет, поэтому его ставят во взрывоопасных зонах, а при закрытой напорной линии он просто останавливается без перегрева.

У дозировочных насосов задача иная: точность дозы. В насосе с гидроприводом плунжер толкает масло, а масло равномерно давит на всю мембрану, поэтому она не изгибается по центру и живёт дольше при высоком давлении. Механический привод проще, но мембрана в нём нагружена неравномерно.

Как работает пневматический мембранный насос?

Пневматический мембранный насос работает от сжатого воздуха: распределитель подаёт воздух за одну мембрану, она выталкивает жидкость из своей камеры, а связанная с ней валом вторая мембрана в это время отходит и всасывает жидкость в соседнюю камеру. В конце хода распределитель переключается, и камеры меняются ролями. Четыре обратных клапана направляют поток от входа к выходу. Давление на выходе не превышает давления подаваемого воздуха.

Подачу считают по объёму за ход и числу ходов

Мембранный насос объёмный, и его подача считается простой формулой: объём, вытесняемый за ход, умноженный на число ходов в минуту, с поправкой на заполнение камеры. В каталогах пневматических насосов объём за такт приводят прямо: для линейки санитарных двухмембранных насосов одного из изготовителей это от 0,11–0,15 л у младшей модели до 3,67 л у старшей при давлении воздуха 1,4–8 бар (каталог изготовителя, PDF).

Пример расчёта (условные цифры): насос с объёмом за ход 1,9 л работает с частотой 40 ходов в минуту. Теоретическая подача 1,9 × 40 = 76 л/мин. На вязкой жидкости и при всасывании с глубины камера заполняется не полностью; если принять заполнение 0,8, реальная подача около 61 л/мин. Чтобы перекачать ёмкость 3 м³, насосу потребуется около 50 минут и около 2 000 ходов каждой мембраны.

Насос подбирают с запасом по частоте ходов

Из той же формулы следует правило подбора размера. Насос, который на нужной подаче работает у верхнего предела частоты, изнашивает мембрану и клапаны быстрее, сильнее пульсирует и хуже заполняет камеру на вязкой среде. Поэтому типоразмер выбирают так, чтобы рабочая точка лежала примерно в нижней половине паспортной характеристики, а запас по частоте оставался на случай загустения среды или засорения сетки на всасывании.

Пример (условные цифры): для подачи 60 л/мин подходят два насоса, с объёмом за ход 0,6 л и 1,9 л. Малому придётся делать около 100 ходов в минуту, большому около 32. За 16 часов работы малый насос даст мембране почти 100 000 изгибов, большой около 30 000. Ресурс мембраны считают именно в ходах, поэтому больший насос при той же подаче меняет мембраны реже, хотя сам стоит дороже. Для химических производств, где насос работает круглосуточно, эта разница заметна уже в первый год, и подбор насосов для химической промышленности обычно ведут с таким запасом.

Насос держит сухой ход и всасывает с глубины

Пневматический мембранный насос способен работать всухую без повреждения, потому что в нём нет пары трения, смазываемой перекачиваемой жидкостью. В каталогах приводят две высоты всасывания: «сухую», при пустом насосе, и «заполненную». Для упомянутой линейки это около 4,3–4,9 м всухую и до 7,6–8,8 м с заполненными камерами, а размер проходящих твёрдых частиц от 2,4 до 6,3 мм в зависимости от размера насоса.

Ограничения тоже понятны из устройства. Насос пульсирует, поэтому на длинных линиях и перед расходомерами ставят гаситель пульсаций. Вязкие среды замедляют заполнение камеры, и частоту ходов приходится снижать. Температура среды ограничена материалом мембран, шаров и сёдел, а не корпусом: в том же каталоге предел для узлов из EPDM указан 135 °C, из полихлоропрена 93 °C, из PTFE 104 °C, из термоэластопласта 82 °C.

Какое давление развивает мембранный насос?

Пневматический мембранный насос развивает давление на выходе не выше давления подаваемого воздуха, обычно до 7–8 бар; исполнения с усилителем давления 2:1 дают на выходе примерно вдвое больше. Механический мембранный насос с электроприводом держит несколько бар. Дозировочные насосы с гидравлическим приводом мембраны работают на заметно более высоких давлениях, вплоть до десятков бар, и подают реагент точными дозами в напорные линии.

Мембрану выбирают по среде, температуре и абразиву

Дерево выбора материала мембраны начинается с химии. Если в среде сильные кислоты, окислители или растворители, нужна мембрана из PTFE: сам фторопласт не гнётся многократно без трещин, поэтому он работает в паре с резиновой подложкой со стороны воздуха. Если среда масляная или топливная, берут NBR, а при нагреве выше его предела FKM. Если в среде абразив, песок, шлам, лучше переносит износ натуральный каучук или термоэластопласт. Для воды, щелочей и пищевых моек остаётся EPDM.

Эти ориентиры относятся к маркам общего назначения. Формы мембран под разные типы насосов и их ресурс в средах сведены в справочник по мембранам для насосов, а для выбора самого насоса достаточно одного вывода: если среда меняется от партии к партии, например насос качает то кислоту, то масло, материал мембраны выбирают под самую тяжёлую среду или держат два комплекта.

Разрыв мембраны виден по воздуху и по жидкости в выхлопе

Мембрана выходит из строя постепенно: сначала трещины по линии изгиба у зажима или у центральной шайбы, затем сквозной разрыв. У пневматического насоса первым признаком становится жидкость в выхлопе воздуха или пена в линии, у механического масло или среда там, где их быть не должно. Подача падает, насос начинает ходить неровно, частота ходов растёт при той же подаче воздуха.

Когда мембрана рвётся раньше ожидаемого, причину ищут по месту разрыва: у зажима это перетяг или неверная толщина, у шайбы перегрузка давлением, по всей площади набухание от несовместимой среды. Если мембрана рвётся повторно в одном месте, меняют условия работы, а не только деталь. Изношенные шары и сёдла клапанов дают похожую картину падения подачи, поэтому при ремонте осматривают и клапаны.

Мембраны и уплотнения для ремонта насоса делают по образцу

Ремонт мембранного насоса выполняет служба заказчика или сервисная организация, а мембраны, кольца коллекторов, прокладки камер и резиновые сёдла можно заказать отдельно, если комплект по модели недоступен или нужен другой материал. Наша компания производит мембраны плоские из листа и формованные с тканевым армированием, а также уплотнения к насосному оборудованию для ремонта, который ведёт ваша служба. Плоскую мембрану режут из листа без оснастки, а формованную с гофром делают в пресс-форме, и выбор между ними при изготовлении мембран зависит от хода и профиля.

Для расчёта мембраны к насосу собирают такой набор сведений:

• модель насоса или снятая мембрана, для PTFE обе детали: мембрана и подложка;
• перекачиваемая среда с концентрацией и примесями;
• температура среды и давление воздуха или напор;
• частота ходов и часы работы в сутки;
• сколько насосов одной модели стоит на предприятии.

Ресурс новой мембраны в вашей среде без испытаний никто не назовёт: материал подбирают по таблицам стойкости, а первую партию проверяют в работе и фиксируют число ходов до замены.