Мембранные насосы: конструкция, принцип работы и применение

Примерное время чтения 7 минут

Разделы статьи

Конструкция и основные элементы
Принцип работы
Основные типы мембранных насосов
Виды приводов
Материалы и виды мембран
Сферы применения насосов
Рекомендации по выбору модели

Когда стоит задача перекачать агрессивную кислоту, вязкий шлам с абразивными частицами или дорогостоящую фармацевтическую суспензию, мы рекомендуем мембранные насосы. Эти устройства стали незаменимыми в самых требовательных отраслях — от нефтехимии до производства микроэлектроники. Разберемся с их конструктивными особенностями и спецификой применения.

Коротко: мембранный насос — это объемный насос, в котором место поршня занимает гибкая мембрана (диафрагма), разделяющая приводную и рабочую камеры. Именно это и определяет принцип действия мембранного насоса — среда перекачивается за счет циклической деформации мембраны, без прямого контакта с приводом.

Конструкция и основные элементы

Диафрагменный насос — тип объемного устройства, где в качестве основного рабочего элемента используется гибкая эластичная мембрана (диафрагма), которая разделяет рабочую и приводную камеры. Принципиальное отличие от центробежных и поршневых аналогов заключается в полной изоляции перекачиваемой среды от механизма привода. Благодаря этому мембранные насосы способны работать даже с теми жидкостями, которые быстро разрушают обычные уплотнения или приводят к сильному износу трущихся поверхностей.

Помимо мембраны, к основным элементам относятся:

корпус — состоит из двух частей для размещения перекачиваемой среды и привода;
клапанная система — всасывающий и нагнетательный клапаны для обеспечения однонаправленного движения жидкости;
привод — двигатель и приводной механизм;
шток — соединяет мембрану с приводом, передавая усилие.

По способу крепления мембраны к штоку различают плоские мембраны (соединяются через отверстие в центре, проще в производстве, но контактный узел ограничивает ресурс герметичности), формованные (соединение винтом снаружи рабочей камеры, риск контакта крепежа со средой исключен) и структурированные — с наибольшим рабочим ресурсом и минимальным контактом крепежа со средой.

Конструкция может варьироваться в зависимости от типа насоса и области применения.

Принцип работы

Принцип работы мембранного насоса основан на цикличном изменении объема рабочей камеры за счет деформации мембраны. Каждый цикл состоит из двух основных тактов.

Такт всасывания:

Мембрана под действием привода движется назад, выгибаясь от камеры.
Объем рабочей камеры увеличивается, создавая в ней область разрежения (низкого давления).
Под действием разницы давлений всасывающий клапан открывается.
Нагнетательный клапан в этот момент плотно закрыт, предотвращая обратный поток.
Перекачиваемая среда поступает через всасывающий патрубок в рабочую камеру.

Такт нагнетания:

Мембрана движется вперед, выгибаясь к камере.
Объем рабочей камеры уменьшается, создавая внутри повышенное давление.
Под действием давления всасывающий клапан закрывается, предотвращая обратный поток.
Нагнетательный клапан открывается.
Перекачиваемая среда выталкивается из рабочей камеры в нагнетательный патрубок.

После завершения такта нагнетания цикл повторяется. Частота циклов определяется скоростью работы привода. Такую последовательность тактов иногда называют также принципом действия диафрагменного насоса — оба термина обозначают один и тот же процесс.

В двухмембранных насосах обе мембраны соединены общим штоком, что обеспечивает их синхронную работу. Когда в одной камере происходит такт всасывания, во второй — такт нагнетания, и наоборот. Это позволяет создать более ровный поток и снизить пульсации — по той же схеме, что и в описанном выше цикле, только для двух камер одновременно.

Основные типы мембранных насосов

В зависимости от конструкции и принципа действия диафрагменные насосы делятся на несколько основных типов: пневматические, электрические, гидравлические и дозировочные. Первые работают от сжатого воздуха, просты в обслуживании, могут функционировать всухую. В электрических моделях привод реализован от электродвигателя через кривошипно-шатунный механизм, что обеспечивает точное дозирование. Гидравлические насосы используют специальную гидравлическую жидкость для передачи усилия, способны создавать высокое давление. Дозировочные насосы — это, как правило, не отдельный конструктивный тип, а электромеханические или электромагнитные (соленоидные) насосы, оптимизированные под точную регулируемую подачу малых объемов; подробнее о разнице между этими приводами — в следующем разделе.

Виды приводов

Выбор привода определяется условиями эксплуатации и требованиями к устройству. Пневматический привод наиболее распространен для промышленных насосов благодаря простоте конструкции, возможности работы во взрывоопасных зонах и плавной регулировке производительности. Электрический мотор используется в дозирующих и бытовых моделях, обеспечивает высокую точность дозирования, компактность и возможность автоматизации. Гидравлический привод применяется в высоконапорных системах, где требуется создать высокое давление при равномерной нагрузке на мембрану.

Отдельно стоит электромагнитный (соленоидный) привод — мембрана приводится в движение соленоидом с возвратной пружиной, без электродвигателя и редуктора. Такая схема характерна для малых доз и небольших давлений при высокой частоте циклов и применяется в дозировании реагентов при водоподготовке, а также в лабораторном оборудовании.

Поскольку пневматический привод не содержит источников искрообразования в проточной части, в специальном исполнении — с заземлением, проводящими материалами корпуса и сертификацией по ТР ТС 012/2011 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах» — такие насосы применяются во взрывоопасных зонах: при перекачке растворителей, нефтепродуктов и других горючих сред. Это одна из причин, по которой пневматическая схема остается основной для промышленных мембранных насосов.

Материалы и виды мембран

Материал мембраны подбирается в зависимости от типа перекачиваемой среды. Вариантов много:

PTFE (тефлон) — устойчив к большинству химических веществ и высоким температурам; ориентировочный рабочий диапазон, по данным производителей, около −10…+105 °C;
NBR (бутадиен-нитрильный каучук) — обладает хорошей маслостойкостью при доступной цене; типовой диапазон около −30…+100 °C, хорошо работает с нефтепродуктами, но ограниченно стоек к ароматическим углеводородам и сильным кислотам;
EPDM (этилен-пропилен-диеновый каучук) — устойчив к разбавленным кислотам и щелочам, диапазон стойкости шире остальных эластомеров (ориентировочно −50…+150 °C), но несовместим с минеральными маслами и нефтепродуктами;
FKM (Viton) — отличается высокой химической и термостойкостью, ориентировочно до +200 °C, но ограниченно стоек к сильным щелочам и горячему пару;
силикон — биологически инертен и применяется в пищевой и фармацевтической промышленности.

Точные температурные и химические пределы для конкретной среды уточняются по паспорту и таблице химической стойкости производителя выбранной модели.

По конструкции мембраны делятся на плоские, сферические и комбинированные с армирующими элементами.

Сферы применения насосов

В химической промышленности мембранные насосы незаменимы при работе с агрессивными кислотами, щелочами и растворителями. Они не только противостоят коррозионному воздействию, но и гарантируют безопасность производства благодаря высокой герметичности. Особенно ценится универсальность этих агрегатов: они могут работать с веществами различной вязкости — от жидких растворителей до густых полимерных составов.

Нефтегазовая отрасль активно использует диафрагменные насосы для перекачивания сырой нефти, буровых растворов и различных нефтепродуктов. Здесь критически важна способность оборудования работать в тяжелых условиях: при высоких температурах, с абразивными включениями и углеводородными соединениями. Насосы данного типа также применяются для дозирования ингибиторов коррозии и деэмульгаторов при подготовке нефти.

В горнодобывающей промышленности мембранные насосы перекачивают абразивные рудные суспензии и шламы и дозируют флокулянты при обогащении руды — здесь их главное преимущество перед другими типами насосов в стойкости к износу твердыми частицами. В сельском хозяйстве их используют для дозирования удобрений и средств защиты растений в системах орошения и фертигации, где важна точность подачи малых объемов реагента.

В фармацевтической промышленности и биотехнологиях ключевыми требованиями являются стерильность и точность дозирования. Мембранные насосы обеспечивают отсутствие контаминации продукта, точное дозирование малых объемов и возможность работы с чувствительными биологическими средами без их повреждения. Они используются при производстве лекарственных препаратов, в ферментационных процессах и при работе с культурами клеток.

Пищевая промышленность отдает предпочтение диафрагменным насосам из-за соответствия строгим санитарно-гигиеническим стандартам и бережное обращение с продуктом. С их помощью перекачивают соки, пасты, молочные продукты, соусы, джемы и другие пищевые массы, часто содержащие твердые включения, такие как кусочки фруктов или овощей.

В водоснабжении и водоподготовке мембранные насосы дозируют реагенты для очистки воды, подают химикаты в системы обратного осмоса и применяются для перекачивания технической и питьевой воды там, где важны герметичность и отсутствие контакта среды с приводом. Отдельная область — вакуумные системы. Диафрагменные насосы используются как компактные безмасляные вакуумные агрегаты в лабораторном, фильтрационном и упаковочном оборудовании, где важна чистота откачиваемой среды и недопустимо загрязнение маслом от привода.

Чем мембранный насос отличается от поршневого и центробежного

Мембранный и поршневой насосы — оба объемного типа, но у них разная логика герметизации: в поршневом среда контактирует с движущимся штоком через уплотнение, которое со временем изнашивается и может течь; в мембранном среда полностью изолирована мембраной от привода, поэтому утечек по штоку конструктивно нет. Обратная сторона — поршневой насос обычно даёт более высокое давление нагнетания и производительность на чистых жидкостях, а мембранный работает мягче и с более низкими и средними давлениями.

От центробежных насосов мембранные отличает работа по принципу вытеснения, а не за счёт вращения рабочего колеса. Это даёт три практических преимущества:

нечувствительность к вязким и абразивным средам — центробежный насос на них резко теряет КПД, мембранный сохраняет производительность;
безопасная работа на закрытую задвижку — при перекрытии линии мембранный насос просто останавливается, не создавая избыточного давления в системе, тогда как центробежный в этом режиме перегревается и повреждает уплотнения;
бережная перекачка сред, чувствительных к сдвиговым нагрузкам — эмульсий, латекса, продуктов с кусочками — где быстро вращающееся колесо центробежного насоса может разрушить структуру среды.

Выбор между тремя типами насосов определяется в первую очередь свойствами перекачиваемой среды и требуемым давлением, а не универсальным превосходством одного типа над другими.