Общие принципы работы насосов-дозаторов жидкостей

Общие принципы работы насосов-дозаторов жидкостей Что касается экономической эффективности при сравнении технических затрат и результата, для дозирования жидкостей преобладают объемные дозирующие устройства по методу положительного вытеснения. Для процесса важна дозируемая масса, но при предполагаемой постоянной плотности она пропорциональна объему. Поэтому оборудование для дозирования жидкостей должно быть пригодно для измерения постоянных единиц объема. Определенное количество можно рассматривать как один большой объем или много малых равных объемов. Один большой объем, например, будет заполнением и опорожнением резервуара через постоянные интервалы. Однако этот метод не подходит для многих процессов, особенно потому, что с помощью этой системы невозможно дозировать химикат при более высоких давлениях. Поэтому были разработаны дозирующие устройства, которые делят большой объем на множество малых равных объемов и которые благодаря энергоснабжению способны дозировать химикат даже при самых высоких давлениях. Объем «квантуется» путем впрыскивания химиката один или два раза в секунду в процесс. Таким образом, дозирование является «квазинепрерывным». Если процесс требует ежедневно 60 литров серной кислоты в час, то самопроизвольное добавление 60 литров через час уже можно назвать дозированием. Вопрос в том, допускает ли процесс такую ​​процедуру. Непрерывные процессы в основном требуют равномерного добавления и, следовательно, дозирующих устройств, которые в этом случае подают 60 литров в час, так что равная единица объема дозируется, например, каждую секунду. Примечание: Если очень маленькие объемы в секунду все еще мешают, можно создать равномерный поток, используя специальные фитинги (например, гасители пульсаций). Для квантования подходят различные механические методы.

Одним из них является использование шестеренчатых насосов. Каждое пространство зуба вмещает определенное количество жидкости, которая также дозируется против высокого давления. Скорость дозирования в основном уменьшается за счет утечки через зазор, возникающей между зубчатым колесом и корпусом. Потери уменьшаются с более высокой вязкостью. По этой причине шестеренчатые насосы больше подходят для более вязких сред. Для дозирования суспензий (абразивные частицы, износ!) шестеренчатые насосы не следует использовать. При постоянной скорости зубчатых колес дозирование является постоянным по времени.

Совершенно другой метод — перистальтический насос, который дозирует химикат, который должен быть дозирован, разделяя определенное количество в трубке между двумя прижимными роликами, а затем перемещая его вращающимися роликами со стороны всасывания на сторону нагнетания. Естественно, эти насосы подходят только для низких давлений (приблизительно 5 бар), так как трубка значительно расширится при высоком давлении (снижение расхода) или ее будет сложнее сжимать при использовании более твердых трубок. Преимуществом является то, что этот тип насоса не требует никаких клапанов и может использоваться для шипучих сред без дополнительного оборудования.

Эксцентриковые спиральные насосы и винтовые насосы также перемещают определенные объемы дозирования за единицу времени, но они более чувствительны к абразивным средам (суспензиям) и показывают повышенную утечку через зазор при более высоких давлениях. Они очень подходят для более вязких, жирных сред. Дозирование жидкости также может быть реализовано с помощью расходомеров для непрерывного измерения среды под давлением или вытесняемой с помощью вспомогательного насоса, а также с помощью контроллеров и регулирующих клапанов для установки требуемого расхода (скорости дозирования). Для расхода в несколько м³/ч такой метод может быть более разумным, чем дозирующие насосы.

Саморегулирующаяся диафрагма

Разумным методом достижения постоянного дозирования является использование «саморегулирующейся диафрагмы». Расход остается постоянным, поскольку отверстие изменяется в зависимости от разницы давления, заставляющей пластину изгибаться. Согласно предыдущему опыту, некоторые из известных насосных систем непригодны или недостаточно пригодны в качестве дозировочных насосов. Например, все центробежные насосы непригодны, поскольку они являются динамическими системами вытеснения и, таким образом, чрезвычайно зависят от условий давления на стороне всасывания и нагнетания. Это показывает кривая Q (расход) – H (напор). Наиболее часто используемые во всем мире дозировочные насосы – это мембранные дозировочные насосы, поршневые дозировочные насосы и их комбинации, называемые поршневыми мембранными насосами. Эти насосы, их применение и принадлежности будут подробно описаны в следующих главах.

Дозирующие насосы состоят из следующих модулей:

1. Привод 2. Редуктор с механической регулировкой расхода на ход 3. Дозирующая головка с всасывающим и нагнетательным клапаном 4. При необходимости с дистанционной регулировкой хода для использования насоса в системах автоматического управления 5. Электронное управление непосредственно на насосе (выбирается).

Привод

Привод подает энергию, необходимую для перемещения дозируемой среды через систему трубопроводов против трения и рабочего давления. В качестве привода в основном используются трехфазные двигатели, поскольку они обычно вращаются с достаточно постоянной скоростью, даже при переменной нагрузке. Если процесс дозирования требует большей точности, можно использовать фитинги, чтобы убедиться, что нагрузка двигателя остается неизменной в любой момент времени, и, таким образом, средняя скорость не изменяется.

Для регулировки расхода с помощью частоты хода насоса, т. е. скорости двигателя, используются преобразователи частоты. В настоящее время двигатели постоянного тока с тиристорными регуляторами применяются лишь изредка для регулирования скорости, хотя они предлагают гораздо более широкий диапазон регулирования, чем трехфазные двигатели, особенно в связи с обратной связью тахогенератора скорости двигателя.

В отличие от центробежных насосов, дозирующим насосам требуется практически одинаковый крутящий момент на любой скорости. Максимальный крутящий момент требуется уже при запуске из состояния покоя. Кроме того, в случае трехфазных и постоянного тока двигатели, охлаждающий эффект крыльчатки вентилятора отсутствует на низких скоростях ниже 50 % из-за условий эксплуатации. Поэтому необходимо установить дополнительный вентилятор двигателя (отдельный вентилятор) для обеспечения достаточного охлаждения. Это становится необходимым, когда дозирующий насос применяется в качестве корректирующего элемента в сочетании с контроллером. Можно проверить в каждом конкретном случае, можно ли обойтись без отдельного вентилятора, используя двигатель увеличенного размера, большая поверхность которого позволяет рассеивать достаточно тепла. В случае трехфазного двигателя с регулируемой скоростью следует установить резистор PTC, контролирующий катушку, из соображений безопасности. По экономическим причинам часто трехфазные двигатели работают с пусковым конденсатором, спроектированным как соединение Штейнмеца в случае однофазного сетевого питания. Здесь следует учитывать, что крутящий момент при этом снижается до менее 25 % и что дозирующий насос может вообще не запуститься или перезапуститься после сбоя питания. Для расхода до 100 л/ч так называемые дозирующие насосы с соленоидным приводом, которым не нужны никакие шестерни или вращающиеся части, успешно применяются во всем мире в дополнение к дозирующим насосам с моторным приводом. Для подачи энергии и перемещения дозирующей диафрагмы используется соленоид постоянного тока, позволяющий управлять каждым отдельным ходом дозирования. Таким образом, возможно очень точное пропорциональное дозирование, которым можно управлять с помощью контактов (например, счетчика воды) или других сигналов.

Шестерня

Шестерни большинства коммерческих дозирующих насосов спроектированы так, чтобы уменьшать вращательное движение приводного двигателя с помощью одноступенчатого червячного колеса до скорости требуемой частоты хода и преобразовывать его в колебательное движение. Колебательное или возвратно-поступательное движение создается эксцентриком. В случае простых насосов и насосов с более низким расходом до 1000 л/ч эксцентрик сканируется подпружиненным толкателем, перемещающим поршень или диафрагму. Для настройки производительности дозирующего насоса используется регулируемый упор, который ограничивает обратное действие толкателя. Таким образом, возможна непрерывная регулировка длины хода от 0 до 100%. На практике для регулировки производительности следует использовать только длину хода более 10%, поскольку расход чрезвычайно зависит от противодавления в случае более низких настроек. Подпружиненные толкатели показывают, что синусоидальная кривая образуется только при 100% производительности. При пониженной мощности они останавливаются или ускоряются резко, что приводит к довольно импульсивному поведению дозирования. По сравнению с другими методами, относительно разумная конструкция является преимуществом. Что касается гидравлических аспектов, преимуществом также является то, что диафрагма или поршень всегда достигают передней мертвой точки, даже при уменьшенных настройках хода, и, таким образом, минимизируют объем зазора.

Редуктор с регулировкой амплитуды

Более сложные механизмы позволяют осуществлять непрерывную регулировку эксцентриситета и, следовательно, длины хода во время работы. Вытесняющее движение остается синусоидальным без разрывов. Регулировка возможна в диапазоне от 0 до 100%. Дозирующие насосы Lutz-Jesco KARDOS используют следующий принцип непрерывной регулировки амплитуды. Привод состоит из маслонаполненной червячной передачи с одноступенчатым редуктором. Основным компонентом передачи KARDOS является радиально подвижный эксцентрик. Его можно отрегулировать в соответствии с требуемым расходом с помощью винтовой рейки. Преимуществом является то, что после завершения регулировки хода между деталями не наблюдается явного скользящего движения. Эксцентрик действует как фиксированный палец кривошипа. Длина хода толкателя или шатуна может регулироваться вручную или дистанционно с помощью серводвигателя. Большинство серводвигателей работают от электричества, но их также можно активировать пневматически (регулировочный цилиндр). Для управления партиями шестерни насоса могут быть оснащены механизмом подсчета ходов. Таким образом, насос можно выключить после заданного количества ходов.

Дозирующая головка

Во многих отношениях дозирующая головка является самой важной частью дозировочного насоса. Она не только должна точно измерять объем, но и быть устойчивой к чрезвычайно агрессивным средам. В некоторых случаях дозирующая головка должна быть приспособлена для выдерживания очень высоких рабочих давлений и температур, превышающих 100 °C. Если необходимо дозировать токсичные, летучие или абразивные среды, дозирующая головка должна быть герметичной. Высоковязкие среды влияют на работу клапана, так что клапаны закрываются с задержкой. Специальные меры, такие как установка подпружиненных шариков или клапанных дисков, помогают клапанам закрываться быстрее и, таким образом, обеспечивают идеальное дозирование. Вещества, которые больше не являются текучими при комнатной температуре (например, застывший жир, сало, патока или бункерное топливо), необходимо подогреть до текучести путем нагрева дозирующей головки и клапанов перед запуском. Конечно, тепло также должно подаваться на линии всасывания и нагнетания, чтобы гарантировать, что среда остается текучей.

Всасывающие и нагнетательные клапаны

Всасывающие и нагнетательные клапаны выполняют очень важную функцию, поскольку они должны обеспечивать, чтобы дозируемый химикат текал только в одном направлении и чтобы не было обратного потока. В качестве невозвратных элементов используются шарики или клапанные диски. Для больших сечений клапанные диски подходят больше, чем шарики, поскольку их масса меньше, и, следовательно, снижается рабочий шум. Чтобы клапаны могли быстро и надежно закрываться даже в случае более вязких сред, рекомендуется использовать пружинное усилие. По опыту насосы до 100 л/ч должны быть оснащены пружинами при вязкости 200 мПа*с и более, а более крупные насосы — при вязкости 400 мПа*с и более. Небольшие насосы до 100 л/ч оснащены двумя шариками на клапан для повышения надежности невозврата.

Элементы вытеснения

Стандартными элементами вытеснения являются дозирующая мембрана и поршень. В зависимости от задачи, то есть: типа дозируемой среды и условий эксплуатации, оба варианта имеют свои преимущества и недостатки, которые будут объяснены ниже.

Диафрагма

Главное преимущество диафрагмы заключается в том, что она абсолютно герметична, так что никакие токсичные, агрессивные или экологически вредные среды не могут попасть в окружающую среду. Кроме того, диафрагма в основном нечувствительна к абразивным средам. Также безопасно работать всухую, хотя это преимущество становится эффективным только в том случае, если остатки химиката не имеют тенденции к кристаллизации из-за попадания воздуха в клапаны (последнего, однако, можно избежать с помощью регулятора уровня, установленного в баке подачи химиката). Недостатки в основном в том, что расход зависит более или менее от давления и что нет линейной зависимости между длиной хода и расходом (половина хода не обязательно означает половину производительности). Обычно дозирующие диафрагмы можно использовать только до 10 бар. Специальные конструкции или режимы работы с приемлемым сокращением срока службы допускают давление до 20 бар. Диафрагмы изготавливаются из армированной тканью резины, такой как EPDM, Hypalon или Viton. Для повышения сопротивления диафрагмы доступны с тефлоновым покрытием. Толщина покрытия представляет собой компромисс между непористым тефлоном и жесткостью, ограничивающей подвижность диафрагмы. Для улучшения кривой производительности (линеаризация в зависимости от длины хода) и увеличения расхода диафрагмы также могут быть усилены так называемыми «опорными пластинами». Круглая металлическая часть вулканизирована с резьбовым штоком для крепления диафрагмы к толкателю шестерни.

Поршневой насос

Поршневые насосы могут работать при давлении в несколько сотен бар, а расход практически не зависит от противодавления. Кроме того, существует очень линейная зависимость между длиной хода и расходом. Однако недостатком является утечка, которая фактически необходима для смазки набивки. Работа всухую не допускается. Сухое трение между поршнем и набивкой приведет к локальному перегреву и образованию задиров с увеличением утечки. Использование токсичных и чрезвычайно агрессивных сред невозможно из-за утечки. Однако существует возможность дозирования вышеупомянутого типа химиката путем интенсивной промывки фонарного кольца набивки водой, чтобы утечка, выходящая в окружающую среду, содержала не более чем низкую концентрацию проблемного химиката. Однако промывка в значительной степени зависит от местных условий и типа среды. Для абразивной среды может быть полезно создать давление выше рабочего давления на промывочном фонарном кольце, чтобы возможные попадающие частицы выталкивались в направлении среды.

Конфликтная ситуация между агрессивностью, требующей герметичной работы, и высокими рабочими давлениями, делающими невозможным использование простых мембранных насосов, решается с помощью поршневых мембранных дозирующих насосов. Этот тип насоса сочетает точность и высокие давления нагнетания поршневых насосов с герметичной работой мембранного насоса.

Поршне-мембранная система KMS

Система «поршень-мембрана» сочетает преимущества мембранных и поршневых насосов, не включая их недостатки. Функцию поршне-мембранной системы легче всего понять, если представить, что цилиндр поршневого насоса герметично изолирован от фактической дозирующей головки мембраной. Для передачи объемного смещения поршня в сторону среды зазор между поршнем и мембраной заполняется глицерином или силиконовым маслом (без воздуха). Таким образом, мембрана вынуждена вытеснять тот же объем, что и поршень, и среда по другую сторону мембраны будет перемещаться таким же образом. Чтобы компенсировать потерю жидкости на поршне из-за утечки, продувочный клапан обеспечивает возможность повторного заполнения недостающего количества. В то же время предохранительный клапан заставляет избыток глицерина или силиконового масла течь обратно в расходный бак в случае избыточного давления.

Сильфонный насос

Что касается эффекта, сильфонный насос находится между поршневым мембранным насосом и обычным мембранным насосом. Вместо диафрагмы он оснащен сильфонами, похожими на гармошку, длина которых изменяется эксцентриком. Сильфоны герметичны и имеют довольно линейную кривую производительности (подобно поршню). К сожалению, этот принцип подходит только до 5 бар из-за механической прочности ПТФЭ, который используется в большинстве случаев.

Материалы

Пластиковые дозирующие головки предпочтительны из-за высокой химической стойкости. Среди других материалов используются ПВХ, ПП, ПЭ, ПВДФ; ПТФЭ и ПММА (акриловое стекло). Однако пластиковые материалы подходят только для давлений до 10 бар, если они не армированы металлическими камерами. Для уплотнений и подвижных резиновых деталей используются гипалон, EPDM, витон и т. д. При необходимости все эластомеры доступны с защитным покрытием ПТФЭ. Поршни изготавливаются из различных типов нержавеющей стали, также поверхностно закаленной для защиты от износа, или из керамики на основе оксида алюминия. Пластиковые поршни не доказали своей надежности. Шарики клапанов в основном изготавливаются из стекла, керамики или пластика (например, ПВДФ или ПТФЭ), а также из нержавеющей стали. Диски клапанов вместо шариков доступны из пластика (ПВХ, ПВДФ и тефлон) и нержавеющей стали. В зависимости от вязкости шарики клапанов могут быть загружены стопорными пружинами. Клапанные диски в большинстве случаев подпружинены. Для уплотнения поршней в основном используются набивки из ПТФЭ с шелковой нитью, учитывая их почти универсальную стойкость. В случае абразивных сред и давлений, превышающих 100 бар, больше подходят набивки из арамида (на основе углеродных волокон) или манжетные уплотнения (рифленые муфельные кольца) из эластомеров, поскольку такой тип уплотнения позволяет более эффективно удалять частицы из поршня (пригоден для суспензий). Уплотнительный эффект рифленых муфельных колец прогрессивно возрастает с ростом давления.

Различные задачи дозирования

В промышленных и технологических приложениях существует большое разнообразие задач, требующих дозирования среды определенным образом. Такими задачами могут быть, например: 1. Непрерывное и равномерное дозирование в течение всего времени работы процесса. 2. Дозирование в течение ограниченного периода времени для добавления определенного количества на партию. 3. Одновременное дозирование нескольких компонентов, которые находятся в фиксированном соотношении друг к другу. Важно, чтобы соотношение не менялось внешними воздействиями на дозирующее оборудование, чтобы общая формула оставалась постоянной. 4. Пропорциональное дозирование, гарантирующее, что регулировка скорости дозирования мгновенно следует за сигналом. В случае сигнала, поступающего от расходомера, это означает: если расход равен 0, скорость дозирования также равна 0, а при 100% расходе скорость дозирования также увеличивается до 100%. 5. Регулировка скорости дозирования таким образом, чтобы достигалось заданное значение, определенное для процесса. Для этого контролируемое значение должно влиять на скорость дозирования. В случае контроля значения pH дозирующий насос, таким образом, регулируется контроллером pH в зависимости от того, насколько фактическое значение pH отклоняется от заданного значения.

Дозирующий насос также может использоваться для 1. заполнения среды из расходного бака в контейнер для партии, 2. для транспортировки высококонцентрированных химикатов в смесительное устройство для разбавления, 3. для циркуляции среды в том же баке, 4. для дозирования определенного количества, определяемого одним ходом, в отдельный сосуд, например, ароматических эссенций в различные банки разливочной машины. 5. для питания циркуляционной линии для снабжения различных потребителей из этой линии, 5. для передачи точно измеренной с помощью весов среды в бак или процесс. В случае гравиметрического дозирования часто взвешивается вся расходная емкость, и взятое количество измеряется точно за единицу времени.