Перистальтические шланговые насосы: применение и устройство

Перистальтический насос — это разновидность насосов для перекачивания и дозирования жидкостей. Он работает на основе перистальтического сжатия эластичной трубки, создавая самовсасывающий поток. Особенность насоса заключается в том, что среда по шлангу или эластичной трубке проходит «транзитом» через насос, не контактируя с другими частями насоса, что особенно важно при перекачке агрессивных, опасных и газонасыщенных жидкостей, с твердыми и волокнистыми включениями, высокой вязкостью, склонных к кристаллизации и чувствительных к сдвигу. Их также используют для подачи газов, вакуумной откачки, удаления конденсата.

Правильнее называть эти насосы шланговыми, в старом ГОСТе особо оговаривалась недопустимость употребления слова перистальтический, однако этот термин устоялся и на практике используется гораздо чаще.

Перистальтические насосы относятся к устройствам объемного типа, процесс перекачивания различных жидкостей у них сопряжен с попеременным заполнением и освобождением рабочей камеры. В основе функционирования оборудования лежит перистальтика – волнообразная деформация стенок упругого трубочного элемента, напоминающая сокращения пищевода при движении переваренной пищи.

Принцип работы перистальтического насоса.

Схематично рабочий цикл выглядит так:

1. Вдоль магистрали с жидкой средой движется механический прижим и давит на нее сверху, тем самым внутренний канал в точке соприкосновения полностью перекрывается. Жидкость вытесняется вперед, в сторону нагнетания.
2. Сразу после смещения прижима магистраль восстанавливает первоначальную форму. В результате возникает всасывающий эффект, и следом в насос втягивается очередная порция перекачиваемой среды.
3. Прижим доходит до крайней точки, выталкивает содержимое магистрали в линию нагнетания и возвращается в исходную позицию.

Перекачиваемая среда при работе насоса соприкасается только с внутренней поверхностью шланга, контакт с другими деталями оборудования отсутствует. Магистраль всегда пережата в какой-либо точке, что позволяет устранить противоток.

Подавляющее большинство конструкций состоит из U-образно изогнутого шланга, ротора с прижимами и корпуса с опорной поверхностью (треком). Встречаются модели с кольцеобразным элементом, а также без трека, в последних магистраль передавливается за счет натяжения.

Прижимов обычно два, реже больше, а у перистальтических насосов с кольцеобразной магистралью вообще один. С увеличением числа прижимов возрастает точность подачи, поток становится менее пульсирующим. В то же время уменьшается производительность и возрастает износ, поскольку магистраль чаще сдавливается за один оборот ротора.

Ротор может располагаться в сменной голове. Это удобно, достаточно переустановить голову, чтобы у насоса поменялось число прижимов, параметры совместимых трубочных элементов и диапазон скоростей потока.

В перистальтических насосах часто используется многоканальная система подачи. При ее наличии можно разлить продукт из одного резервуара в отдельные емкости либо, наоборот, смешать разные компоненты в одном резервуаре, а также снизить амплитуду пульсаций.

Варианты устройства многоканальных систем:

• Несколько параллельных каналов подачи в одном корпусе или голове
• Несколько голов на одном приводе
• Несколько перистальтических насосов с общей системой управления, смонтированных в одном корпусе

У многих моделей можно регулировать степень пережатия (окклюзию). Это делается тремя способами – перемещением прижимов к треку, перемещением трека к прижимам либо изменением натяжения трубочного элемента. Первый способ является самым простым и точным, поэтому такие конструкции используются чаще других.

Большинство перистальтических насосов достаточно компактны по размеру, для их размещения хватит совсем небольшого пространства. Оборудование может быть закреплено прямо на стене, смонтировано на настенной консоли или установлено на переносной опоре.

Это ключевой рабочий орган насоса, представленный трубками и шлангами-рукавами, относятся к расходникам. На материал, из которого они сделаны, указывает цвет изделия либо нанесенная на нем цветная полоса.

Полимерные гибкие трубки целиком состоят из одного материала, имеют однослойную структуру и отличаются превосходной химической стойкостью. Эластичные многослойные шланги рассчитаны на более высокое давление. Каучуковые слои у них перемежаются армирующим плетеным кордом, внутренний слой бывает разным и подбирается под рабочую среду.

Характеристики трубочных элементов критически важны, поскольку они подвергаются интенсивному износу.

В перистальтических насосах используется два типа прижимов – ролики и башмаки, они же каблуки или колодки. Ролики при движении вращаются, а потому не нуждаются в постоянной смазке магистрали. Есть модели с подпружиненными роликами, сила сдавливания у них всегда одинакова. За счет этого амортизируются колебания в толщине стенок шлангового элемента и выравнивается износ на всех участках.

Башмаки, в отличие от роликов, закреплены неподвижно и при вращении вала ротора просто скользят по магистрали, в результате трубочный элемент изнашивается быстрее. Для снижения трения и минимизации износа корпус насосов с башмаками заполняют смазочно-охлаждающей жидкостью (СОЖ).

При замене расходников СОЖ приходится сливать и заливать заново. В некоторых моделях в процессе износа нужно устанавливать вкладыши под башмаки, что также требует слива жидкости.

Обслуживание перистальтических насосов с башмаками обходится в несколько раз дороже. Их используют главным образом при высоком давлении жидкой среды (4 бара и выше), в этом случае они эффективнее роликовых.

Оборудование комплектуется электродвигателем в обычном исполнении, а рассчитанное на работу в шахтах, на предприятиях химической промышленности и других опасных производствах – во взрывозащищенном. Перистальтический насос также может оснащаться взрывозащищенным пневмо- или гидроприводом.

Для стабилизации питания, а также более плавного вращения вала и точной настройки скорости дополнительно ставится частотный преобразователь и/или инвертор. При эксплуатации насосов с автоматикой доступны такие возможности, как программирование режима работы, контроль износа и интеграция в технологические линии.

В полевых условиях используются модели с ручным приводом. Их применяют для отбора проб из водоемов и резервуаров, экстренного перекачивания и при отсутствии доступа к энергосети.

Эта категория насосного оборудования подходит как для простого перекачивания, так и для эксплуатации в системах дозирования. Насосы-дозаторы в зависимости от модели могут работать в режимах дозирования по объему, по времени и циклами, а также в режиме обычной подачи. Точность дозирования у них достигает 99,8% и даже больше.

Через оборудование можно прогонять различные жидкости в микродозах, что делает возможным его использование для исследований в лабораториях. Минимальная производительность лабораторных насосов исчисляется десятитысячными долями миллилитра в минуту.

В то же время перистальтические насосы не так маломощны, как могло бы показаться, и успешно эксплуатируются во многих отраслях промышленности. У самых производительных промышленных насосов подача доходит до 150 м3/ч.

• Универсальность и адаптивность. Путем замены сменной головы и шлангового элемента/трубки насос легко перенастроить на совершенно другую среду и производительность. Оборудование функционирует без сбоев при резких колебаниях плотности и вязкости перекачиваемых продуктов.
• Работа с проблемной жидкой средой. Насос пропускает продукты, в которых содержится до 80% твердых включений, а их размеры достигают трети от диаметра внутреннего канала. Мягкие частицы, например мясо или кусочки фруктов, могут иметь идентичный размер. Низкая скорость вращения вала вкупе с упругостью трубочного элемента снижают абразивный износ и риск повреждения твердыми включениями. Магистраль не забивается длинноволокнистыми и кристаллизующимися продуктами. Процесс перекачивания исключительно бережный, отсутствует дробление, взбалтывание и вспенивание.
• Герметичность и стерильность. Конструкция насоса не предусматривает уплотнительных узлов и контакта жидкой среды с чем-либо, кроме внутренней поверхности магистрали. Напорная линия постоянно отделена от всасывающей. Это позволяет избежать утечек, загрязнений и коррозии.
• Высокая точность дозировки. Производительность насоса прямо пропорциональна скорости вращения вала и не зависит от давления рабочей среды на впуске. Точности дозирования способствует и отсутствие противотока, а также 100%-е заполнение магистрали под действием сил всасывания.
• Режим самовсасывания. Мощное всасывающее действие позволяет перемещать продукты с высоты до 9.8 м.
• Сухой ход. Оборудование может неограниченное время работать при частичной заполненности или полностью пустой. Кавитация, перегрев и риск повреждения механических частей насоса при этом отсутствуют.
• Обратный ход. Прокачивание возможно в обоих направлениях, причем с одинаковой эффективностью. Режим реверса включают для промывки и стерилизации, устранения засоров, а также отбора паров и проб.
• Простое и быстрое обслуживание. Регулярный уход за перистальтическим насосом сводится к быстрой замене трубки или шланга, в головах прямого типа FlipTop на эту операцию хватит 1 минуты. Процедура не требует высокой квалификации от исполнителя.
• Финансовая выгода. Сумма совокупных затрат на приобретение и эксплуатацию оборудования ниже по сравнению с насосами других типов.

• Частая замена рабочего органа. При работе на воде с температурой +20 °C трубочный элемент прослужит 1000–2000 часов. Абразивная среда и высокая температура уменьшают этот срок в несколько раз. С износом снижается эластичность, в результате трубка не успевает полностью восстановить форму после сдавливания, что отрицательно влияет на производительность насоса.
• Пульсирующая подача. Толчки при движении потока порождают вибрации, шум и гидроудары, теряется напор, возникают проблемы с измерительными приборами. Для ослабления отрицательных эффектов ставят демпфер пульсаций.
• Ограничения по давлению жидкой среды. Из-за особенностей конструкции и принципа работы эксплуатация перистальтических насосов возможна при давлении до 16 бар.
• Зависимость производительности от вязкости. При сильной вязкости среды и высокой скорости вращения вала ротора пространство позади прижима не успевает полностью заполняться, приходится снижать обороты.

Этот тип насосов развивается наиболее быстрыми темпами, сфера их применения постоянно расширяется. Приведенные примеры отражают лишь небольшую часть имеющихся возможностей.

Перистальтические насосы-дозаторы применяются для ввода реагентов с целью нормализации химического и бактериологического состава воды. С их помощью регулируют чистоту и кислотно-щелочной баланс pH питьевой воды, очищают канализационные стоки, вводят препараты для борьбы с водорослями в бассейнах.

Предприятиям этих отраслей приходится иметь дело с деликатными и чувствительными к сдвигу продуктами, перистальтические насосы перемещают их чрезвычайно аккуратно. Это может быть мясной и рыбный фарш, кусочки фруктов и орехи, волокна сырной массы. Яйца и молочные продукты предохраняются от взбивания, а шампунь, жидкое мыло и моющие средства – от вспенивания. Перистальтические дозирующие насосы используют для ввода ароматизаторов и добавок.

Стерильность потока и высокая степень точности дозировки жизненно важны в этих областях. Перистальтические насосы применяются для промышленного разлива лекарственных средств, дозирования диагностических реагентов и контролируемого ввода препаратов и питательных растворов пациентам. С их помощью прокачивают кровь без разрушения клеток. Пульсационный режим подачи крови, аналогичный ритму сердца, благоприятно сказывается на состоянии пациентов и оказывается тут преимуществом.

На предприятиях нефтедобычи и нефтепереработки использование перистальтических насосов позволяет быстро переключаться с одной производственной задачи на другую. Среди них подача бурового раствора, перекачивание высоковязких нефтепродуктов, сбор разлившейся нефти с поверхности земли. С учетом постоянно ужесточающихся экологических стандартов на руку играет и герметичность оборудования.

Сырьем для керамических изделий служит чрезвычайно абразивная масса, перекачивание которой грозит интенсивным износом. Из-за вовлечения воздуха в ней образуются мельчайшие пузырьки, что крайне нежелательно, особенно для фарфора. Установка на производстве перистальтических насосов устраняет эти проблемы.

При флексографической печати в машины требуется постоянно подавать быстровысыхающие жидкие краски. Возможность перекачивания красящих составов с твердыми пигментами и низкая скорость подачи – убедительные аргументы в пользу перистальтических насосов.

Давление прижимов должно быть достаточным для полного перекрытия канала, но не чрезмерным. При слишком сильной окклюзии сокращается ресурс расходников, а при чересчур слабой возникает обратный поток, что влечет уменьшение производительности. Износ в последнем случае тоже возрастает, особенно при перекачивании абразивных жидких сред.

На время длительного простоя перистальтического насоса следует убрать давление прижимов. Если оставить магистраль под нагрузкой надолго, она сплющится в точках давления и потеряет способность к восстановлению формы.

Расходники рекомендуется держать про запас и менять их заранее, когда изделие выработает 70–80% от ожидаемого срока эксплуатации. В процессе замены заодно стоит проверить, насколько сильно изношены ролики и башмаки. В первые часы после монтажа не исключена небольшая усадка, поэтому полезно остановить насос и, если есть утечки, подтянуть ослабленные крепления.

При перекачивании высоковязких сред или сильном обратном давлении на впуске магистраль не всегда вовремя распрямляется и заполняется до конца. Выходов из этой ситуации несколько – работа на более низкой скорости, укорачивание и увеличение диаметра впускной линии, создание разрежения в корпусе внешним вакуумным насосом.

На впуске может устанавливаться сетка, чтобы отсекать включения с размером больше допустимого. Жидкие среды с острыми твердыми включениями перекачивать нельзя из-за угрозы прокола магистрали.

В роликовых моделях наружную поверхность магистрали периодически смазывают силиконовой смазкой. Корпус насоса с башмаками должен быть заполнен смазочно-охлаждающей жидкостью в требуемом объеме. Старую СОЖ меняют на новую после каждых двух замен трубочного элемента либо через 5000 часов работы насоса (смотря какое событие наступит раньше), а также при разрыве магистрали.

Магистраль промывают или стерилизуют разрешенным способом. Промывка от агрессивных и склонных к затвердеванию продуктов выполняется при каждом перерыве в работе. Моющий раствор должен быть химически совместим с жидкой средой.

Если промывка не дает удовлетворительных результатов, канал чистят пыжом из поролона или других эластичных материалов. Пыж по размеру немного превышает внутренний диаметр канала и при прохождении по нему снимает все отложения. В каталоге компании VM-Solutions такое средство тоже есть, наши фирменные шарики JXHIN эффективно очищают стенки от налета.

Оборудование выбирают, исходя из требуемой производительности перистальтического насоса и количества каналов, а также точности подачи. Учитывается концентрация, плотность и вязкость рабочей среды, ее температура и предельное давление на линии нагнетания.

Дополнительные параметры выбора:

• Режим эксплуатации – непрерывный, периодический, дозирующий
• Скорость потока – фиксированная или переменная
• Оперативность и легкость установки расходников
• Материал штуцеров и корпуса насоса (на случай разрыва расходника)
• Система управления привода, его защита, периодичность включений-выключений
• Климатические условия эксплуатации

Чем больше диаметр головы или корпуса насоса, тем меньшим числом оборотов достигается определенная производительность и тем дольше служат расходники. При эксплуатации моделей большего диаметра также упрощается перекачивание слишком вязких сред.

Расположение патрубков впуска и выпуска бывает на выбор левым и правым по отношению к крышке насоса либо верхним. Последний вариант нежелателен, на нем останавливаются только при крайней стесненности пространства для установки оборудования.

При подборе трубочого элемента первостепенную роль играет его химическая совместимость с рабочей средой. Соответствующие данные можно узнать из таблиц на онлайн-сервисах и от поставщиков.

Расходники имеют фиксированный диапазон производительности, прямо пропорциональный внутреннему диаметру. Толщина стенки влияет на упругость и срок службы.

Какие еще факторы учитываются:

• Предполагаемый срок службы расходника
• Концентрация и вязкость среды, наличие в ней твердых включений
• Сила противодействия потоку (обратное давление)
• Способы очистки и стерилизации магистрали
• Разрешение контролирующего органа

Если планируется отслеживание процесса, пользуются расходниками с прозрачными стенками, а для защиты потока от УФ-излучения – с непрозрачными. При перекачивании чувствительных к атмосферному воздуху продуктов, например окисляемых жидких сред или анаэробных клеточных культур, обращают внимание на низкую газопроницаемость стенок.