Краткий обзор конструкций приводов дозировочных насосов малой производительности

Краткий обзор конструкций приводов дозировочных насосов малой производительности

1Н.В. Кузенков

ООО «Грундфос»

Дозировочные насосы нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Требования, предъявляемые к данному оборудованию, варьируются в зависимости от области его применения, что, в свою очередь, привело к появлению различных конструктивных решений дозировочного оборудования. В данной статье мы ограничимся рассмотрением одного из наиболее распространенных типов дозировочных насосов — мембранных дозировочных насосов. Данные типы насосов используют для дозирования жидкостей с вязкостью не выше 3000 мПа-с. Производительность таких насосов от 0,002 л/ч до 1000-2000л/ч на одну дозирующую головку (существуют многоголовочные насосные агрегаты, позволяющие получить большую производительность). Для того чтобы сузить область рассмотрения, возьмем диапазон производительности насосов от 2 мл/ч

(0,002 л/ч) до 1000 л/ч и давление до 10 бар.

Проточная часть мембранных дозировочных насосов у большинства производителей мало отличается по конструкции. Она представляет собой замкнутый объем (камеру), отделенный от привода герметичной мембраной (как правило, покрытой тефлоном и армированной), и систему клапанов на входе и выходе из камеры (рис. 1). На входе и выходе могут устанавливаться один или два шариковых или тарельчатых клапана. В зависимости от задач, стоящих перед насосом, они могут быть подпружиненными или опускаться под собственной массой (кроме силы тяжести на шарики клапана также действует перепад давления, который создается при работе насоса) (рис. 2).

Также в проточной части насоса может быть предусмотрен воздушный клапан для выпуска воздуха в момент запуска насоса (для облегчения заливки) и при завоздуши-вании дозирующей головки.

У насосов, работающих в ответственных областях, могут устанавливаться дополнительные мембраны, вступающие в работу при разрыве основной мембраны, и датчики разрыва мембраны, оповещающие обслуживающий персонал о разрыве.

В целом данная конструкция проточной части обеспечивает герметичность дозирующей головки и препятствует попаданию перекачиваемой жидкости в окружающую среду или подсасыванию воздуха в дозировочную систему.

Управление насосами, как правило, также отвечает общепринятым стандартам. Существуют ручное управление с помощью ручки (либо кнопок на панели управления), импульсное управление (например, от расходомера) и управление по токово-

му сигналу 4-20 мА в различных комбинациях (0-20, 20-0, 4-20, 20-4 мА). У наиболее передовых производителей существует возможность установки в насос шины связи для обмена данными по протоколам РгоНЬш либо Geпibus. Сам процесс дозирования обеспечивается либо чисто механически (в случае асинхронного двигателя с червячным приводом), либо с помощью электронных контроллеров различной степени сложности (электромагнитные насосы и насосы с шаговым двигателем). Следует отметить, что в случае применения контроллера управление насосом существенно облегчается. Так, на данный момент уже существуют дозировочные насосы, у которых текущая производительность отображается непосредственно на дисплее в л/ч либо в мл/ч.

Наиболее существенные отличия мембранных дозировочных насосов различных производителей отмечаются в области привода.

Здесь необходимо сказать несколько слов о теории дозирования.

Технологические процессы в большинстве случаев требуют стабильного снабжения такими химикатами, как кислоты, щелочи, красители, ароматизаторы, коагулянты и т.п. Термин «стабильное» относится, строго говоря, к непрерывной, равномерной подаче вышеназванных веществ (наиболее близкая аналогия, которая здесь напрашивается, это «равномерно вытекающая вода из водопроводного крана»). Для тех процессов, время реакции или производственного цикла которых составляет от нескольких минут до нескольких часов, секундные колебания в целом не создают существенной проблемы. Таким образом, вопрос о том, следует ли рассматривать процесс дозирования как стабильный или нестабильный, является в сущности вопросом длительности цикла дозирования. Если в общем цикл дозирования занимает всего лишь несколько секунд, то отклонения процесса дозирования в течение секунды были бы недопустимы. Однако, если эти колебания оказываются очень кратковременными по сравнению со временем всего процесса дозирования и результаты соответствуют стабильному процессу дозирования, можно говорить о квазистабильном дозировании. Последнее можно рассматривать как стабильное в том случае, когда обеспечены условия, при которых в момент конт-

Рис. 2. Подпружиненный и неподпружиненный шариковые клапаны

НАЛИТКИ^ 2.

2005

Стабильное дозирование, л/ч Нестабильное дозирование с одинаковой производительностью прямоугольные импульсы синусоидальные импульсы

Рис. 3. Схема различных вариантов дозирования

Диафрагма

Дозирующая головка с приемным и нагнетательным клапанами

Шток Возвратная

толкателя пружина Соленоид Сердечник Регулятор хода

Сливная труба

Соединительный кабель

Рис. 5. Дозировочный насос с электромагнитным приводом в разрезе

рольного испытания поданное дозирующим устройством количество вещества соответствует требуемому объему дозирования.

График работы насосов мембранного типа с асинхронным двигателем характеризуется синусоидой (крайний правый график на рис. 3), а насосов с импульсным двигателем — прямоугольными импульсами (средний график на рис. 3). Подробнее эти графики будут рассмотрены далее.

В данном диапазоне производительности и давления для мембранных дозировочных насосов широко применяются следующие типы приводов: электромагнитный, шаговый, асинхронный (или синхронный) и гидравлический или пневматический привод.

Рассмотрим принцип действия каждого типа приводов.

Электромагнитный привод (рис. 4).

Мембрана дозировочного насоса (рис. 5) приводится в движение электромагнитом, который при подаче напряжения на обмотки «выстреливает» шток, который упирается в мембрану. Возврат штока с мембраной осуществляется с помощью пружины.

Данный тип приводов получил широкое распространение благодаря своей дешевизне и надежности. Некоторое время назад насосы с электромагнитным приводом были наиболее удобным вариантом при дозировании до 100 л/ч и получили широкое распространение по всему миру, и в частности в России.

Регулирование производительности насосов с данным приводом осуществляется, как правило, двумя способами — изменением частоты ходов и изменением длины хода. Благодаря использованию этих меха-

низмов можно достичь требуемой производительности при приемлемом уровне пульсаций, в случае, если требуемая производительность близка к максимальной производительности насоса. Некоторые сложности начинаются при уменьшении производительности. При этом вы вынуждены либо увеличивать задержку между импульсами, что соответственно приводит к увеличению «мертвых зон» в потоке (в которые не попал реагент), либо уменьшать длину хода штока, что приводит к уменьшению точности дозирования и увеличивает возможность загазовывания дозирующей головки насоса. Одна из особенностей данного типа привода — необходимость перекалибровки насоса при изменении производительности, противодавления или любого другого параметра системы. Такой тип привода также достаточно «жестко» относится к мембране насоса и гидросистеме, так как в момент цикла нагнетания возникают ударные нагрузки на мембрану и трубопровод, что может приводить к повреждению нагнетающей линии и вызывает ускоренный выход мембраны из строя.

Ведущий производитель насосов с данным типом привода — компания Prom-

Более подробную информацию по данным насосам можно получить на сайте производителя www.prominent.de.

Шаговый привод (рис. 6).

Данный тип привода является одной из последних разработок в дозировочной технике (рис. 7). В данном приводе мембрана и шток жестко связаны с двигателем и ход мембраны контролируется двигателем в любой момент времени. Несмотря на то, что стоимость насосов с таким приводом несколько выше стоимости насосов с электромагнитным приводом, это полностью оправдывается дополнительными возможностями, которые позволяют реализовать шаговый двигатель.

У шагового двигателя существует возможность изменять скорость вращения в любой момент времени. Изменение производительности насоса осуществляется за счет изменения скорости вращения двигателя в цикле нагнетания. При этом длина хода мембраны и скорость всасывания остаются постоянными. Это дает возможность при уменьшении производительности насоса существенно сужать зоны, в которые не попал реагент, гарантируя при этом высокую точность дозирования, и снижать вероятность завоздушивания дозировочной головки.

Благодаря возможности изменения скорости вращения двигателя в широком диапазоне данный тип привода позволяет изменять подачу от 100 до 0,1 % (диапазон регулирования 1:1000) при сохранении постоянной высокой точности дозирования. При изменении значения подачи (например, при управлении от расходомера) или при изменении противодавления насос не требует перекалибровки и сохраняет точность на уровне 1 %, авто-

2•2005

ПИВО " "ЛПИТКИ

матически компенсируя появившиеся отклонения.

К сожалению, насосы с таким типом привода недостаточно широко распространены на российском рынке, но тем не менее их все чаще начинают применять в различных областях промышленности. Впервые шаговый привод для дозировочных насосов применен компанией Gruпdfos. На сайте компании www.grundfos.com/dosing_ru можно получить более подробную информацию по насосам с данным типом привода.

Асинхронный привод (рис. 8).

Данный привод получил широкое распространение как в России, так и за рубежом благодаря простоте конструкции и отсутствию жестких требований к технологии изготовления насосов с данным типом привода. Например, таким приводом оснащены широко известные насосы марки НД. Зарубежные аналоги имеют более сложную конструкцию и в том числе могут быть мембранными. Основной принцип работы насоса, на котором построено движение плунжера или диафрагмы, остается постоянным. Редукторы обычных насосов-дозаторов чаще всего сконструированы таким образом, что частота вращения электродвигателя привода через одноступенчатую червячную передачу снижается до величины, обеспечивающей требуемую частоту ходов, преобразуясь в осциллирующее движение. Осциллирую-

Рис. 9. Характеристика подачи привода с толкателем: 1 — холостой ход; 2 — ход всасывания; 3 — ход дозирования; 4 — холостой ход

Нет дозирования

эооос Толкатель

эооосх

Возвратная пружина

Упор ограничения хода

^ / Диапазон регулирования длины хода * >

I I I I I I I I I I I 1111(111111

0 100% 0 100%

Рис. 10. Привод с толкателем, отрегулированный на 43 % производительности дозирования

щее, т.е. возвратно-поступательное, движение формируется с помощью эксцентрика. У таких насосов и у насосов с более низкой подачей в диапазоне до 1000 л/ч с эксцентриком контактирует подпружиненный толкатель, который, в свою очередь, приводит в движение плунжер или диафрагму. Для регулирования производительности насосы-дозаторы оснащаются подвижным упором, устанавливаемым в требуемое положение для ограничения величины обратного хода толкателя. Это позволяет плавно регулировать длину хода в диапазоне от 0 до 100 %. Правда, на практике количественное регулирование следует применять только при длине

хода свыше 10 %, так как при установке меньших значений подача начинает сильно зависеть от противодавления. Привод с подпружиненным толкателем работает по синусоидальной характеристике (рис. 9) лишь при 100%-ной длине хода, а при пониженной производительности его замедление или ускорение происходит почти мгновенно. В результате получаем почти импульсный характер дозирования. Преимущество перед другими типами приводов состоит в невысокой стоимости конструкции и большей передаваемой мощности.

При изменении производительности (рис. 10) для таких насосов также необходима калибровка. Для того чтобы получить

возможность дистанционного управления данным типом насосов, необходимо применять дополнительное оборудование, например частотные преобразователи или сервопривод.

Более подробную информацию по насосам с данным типом привода можно получить у российских производителей www.talnah.ru.

Существует также более сложная модификация данного типа привода, а именно привод с изменяемой амплитудой.

Гидравлический и пневматический типы приводов дозировочных насосов не получили широкого распространения из-за функциональных ограничений. ^¡^

ЛИВО " НАЛИТКИ

2•2005