Мембранные (диафрагменные) насосы: принцип работы, разновидности, применение

Благодаря развитию технологий на современном рынке регулярно появляются новые виды оборудования и технических средств, отвечающих более высоким требованиям потребителей. Именно к такому оборудованию можно отнести и мембранный насос, который также называют диафрагменным. Основным рабочим органом данного насоса является мембрана (диафрагма), на возвратно-поступательном движении которой и основан принцип работы данного механического объемного устройства. Принудительно и с определенной цикличностью изменяя размеры рабочей камеры такого насоса, с его помощью можно выполнять перекачку как жидких, так и газовых сред.

Мембранный вакуумный насос во взрывозащитном исполнении

Принцип действия и конструктивные особенности

Основными элементами конструкции мембранного насоса, которые располагаются в его неподвижном корпусе, являются:

• подвижная диафрагма или мембрана;
• рабочая камера устройства;
• шток (поршень), который соединяет мембрану с приводным валом;
• кривошипно-шатунный механизм;
• клапаны, которые предотвращают обратное всасывание перекачиваемой среды;
• входной и выходной патрубки.

Мембранный насос с механическим приводом

В том случае, если диафрагменный насос используется в лабораторных целях, его оснащают вакуумметрами, защитными фильтрами, а также дополнительными элементами автоматики, которые предохраняют такое устройство от возможных перегрузок и связанного с ними перегрева.

В зависимости от модели у мембранных насосов может быть одна или две рабочие камеры. Модели с одной камерой являются типовым вариантом такого оборудования и используются наиболее часто. Двухкамерные диафрагменные насосы, камеры которых могут соединяться между собой по последовательной или параллельной схеме, применяются в тех случаях, когда требуется использование более мощного насосного оборудования.

Внутреннее устройство мембранного насоса

Принцип работы мембранного или диафрагменного насоса заключается в следующем.

• В момент запуска насоса шток, связанный с эластичной мембраной, начинает выгибать ее в сторону, обратную от рабочей камеры, в результате чего объем данной камеры увеличивается.
• За счет резкого увеличения объема в рабочей камере создается эффект вакуума, и в нее через входной патрубок начинает поступать перекачиваемая среда.
• Посредством кривошипно-шатунного механизма мембране сообщается обратное перемещение, и объем рабочей камеры резко уменьшается, что приводит к выталкиванию из нее перекачиваемой среды через выходной патрубок. В тот момент, когда мембрана начинает совершать обратное движение, входной патрубок автоматически блокируется при помощи специального клапана.

Мембранные насосы отдельных моделей оснащаются сразу двумя диафрагмами, которые располагаются друг напротив друга и соединяются между собой при помощи эксцентрикового механизма. За счет того, что перекачивание среды осуществляется попеременно каждой из мембран, применение таких устройств является более эффективным.

Рабочие такты двухмембранного насоса

Отдельные производители используют для насосов структурированные мембраны. Наряду с другими преимуществами, мембраны данного типа отличаются увеличенным эксплуатационным сроком, соответственно, реже нуждаются в замене, что делает их использование экономически более выгодным.

Конструктивные элементы мембранных насосов в процессе эксплуатации могут контактировать с различными типами рабочих сред и подвергаться их активному воздействию. Именно поэтому в зависимости от назначения вакуумно-мембранного или диафрагменного насоса следует выбирать модели, которые предназначены для тех типов сред, с которыми будет работать такое устройство. Если пренебречь этим требованием и выбрать оборудование с несоответствующими техническими характеристиками, можно столкнуться с тем, что оно очень быстро выйдет из строя.

Виды мембран для оснащения диафрагменных насосов

Вполне естественно, что от того, какого типа мембраны используются для оснащения диафрагмовых насосов, зависит не только долговечность такого оборудования, но и эффективность его использования. По конструктивному исполнению среди мембран для насосов выделяют три основных типа.

• Наиболее простые по конструкции диафрагмы плоского типа позволяют достигать высокой степени сжатия. Соединение такой диафрагмы со штоком осуществляется за счет отверстия, специально выполненного в ее центральной части. Наличие такого отверстия часто становится причиной ухудшения герметичности мембраны, которая может начать пропускать во вторую камеру насоса перекачиваемую им среду. Кроме того, элементы резьбового соединения, при помощи которых мембрана соединяется со штоком, находятся в постоянном контакте с прокачиваемой средой, что часто нежелательно.
• Формованные мембраны соединяются со штоком насоса при помощи винта, запрессованного в диск выпуклой формы, устанавливаемый с обратной стороны от рабочей камеры. Таким образом, при использовании подобных мембран для насосов исключается контакт перекачиваемой среды с металлическими крепежными элементами. Между тем мембранные насосы, на которых устанавливаются диафрагмы данного типа, характеризуются меньшей производительностью. Объясняется это тем, что, по сравнению с плоскими моделями, выпуклые мембраны отличаются меньшей упругостью.
• Наибольшей производительностью, максимальным сроком службы и минимальными затратами на обслуживание характеризуются насосы мембранные, на которых установлены структурированные диафрагмы. Такие мембраны, кроме специально разработанной формы, отличаются улучшенными механическими характеристиками. При использовании данных мембран практически исключены утечки перекачиваемой среды, кроме того, последняя не контактирует с металлическими крепежными элементами.

Мембраны для насосов. Верхний ряд – мягкие сантопреновые (похожие на резиновые), нижний ряд – тефлоновые (более жесткие)

Сферы использования

Мембранные насосы за счет особенностей своей конструкции являются абсолютно герметичными устройствами, поэтому среда, которая подвергается перекачке с их помощью, не контактирует с окружающим воздухом. Именно благодаря такому качеству, а также принципу, по которому работают мембранные насосы, их применение особенно актуально в тех случаях, когда важны стерильность и отсутствие утечек перекачиваемых сред. Использование абсолютно герметичных мембранных насосов, что также важно, позволяет защитить людей, которые находятся рядом с ними, а также окружающую среду от вредного воздействия перекачиваемой среды, если она характеризуется высокой токсичностью. Вакуумные устройства в отличие от механических насосов относятся к оборудованию безмасляного типа.

Мембранные вакуумные насосы благодаря перечисленным выше качествам наиболее активно используются в следующих сферах:

• медицинской и фармацевтической промышленности;
• производстве пищевой продукции и напитков;
• атомной промышленности;
• полиграфии;
• лабораториях различной направленности;
• обслуживании химических процессов на различных предприятиях, при котором необходим мембранный дозирующий насос;
• производстве лакокрасочной продукции, где не обойтись без мембранных насосов-дозаторов;
• оснащении различных вакуумных систем – фильтров, присосок, массажеров, манипуляторов и др.

Мембранные пневматические насосы для отраслей химической промышленности выпускаются в полипропиленовых или алюминиевых корпусах

Насосы мембранного типа, как уже было сказано выше, нужны не только для перекачки газа, для воды и других жидких сред. Часто встречается использование мембранных насосов в качестве дозаторов. В частности, мембранные дозировочные насосы успешно применяются на химических предприятиях, где с их помощью выполняют дозировку и смешивание реагентов, в нефтеперерабатывающей отрасли, на опреснительных станциях и т.д.

Мембранный насос высокого давления позволяет создавать чистый вакуум в различных емкостях или других закрытых системах. Кроме того, такое оборудование может быть использовано как пневматический компрессор.

Мембранный насос высокого давления Triplex применяется в системах распыления, фильтрации, охлаждения или дозирования

Вакуумные насосы мембранного типа часто применяют для оснащения молочных ферм, где посредством таких устройств приводятся в действие индивидуальные доильные аппараты. Насос диафрагменный отличается компактными размерами, что позволяет легко размещать его на тележках, которые операторы доильных аппаратов транспортируют вместе с бидонами по территории фермы. Немаловажно, что при работе вакуумных мембранных насосов создается минимум шума и вибраций. Это объясняется отсутствием в их конструкции вращающихся деталей. Другими преимуществами использования мембранных насосов для оснащения молочных ферм являются:

• устойчивость к повышенной влажности;
• обеспечение высокой чистоты перекачиваемой среды;
• экономичность устройства с точки зрения энергопотребления;
• доступная стоимость.

Преимущества применения

В чем заключаются преимущества насосов мембранного типа? Такие устройства:

• отличаются долговечностью (которая выше, чем у подобного оборудования других типов из-за отсутствия в конструкции трущихся деталей);
• обладают высокой надежностью;
• не нуждаются в частом техническом обслуживании за счет простоты конструкции;
• не требуют помощи квалифицированных специалистов для замены износившихся деталей;
• характеризуются высокой универсальностью;
• отличаются минимальным уровнем шума и вибрации при работе;
• не нуждаются в смазочных веществах;
• просты и удобны в использовании.

Промышленный мембранный насос, предназначенный для гидравлической транспортировки твердых материалов (рудничных вод, породных шламов и т. п.)

Выбирая мембранные насосы, которые на современном рынке представлены большим разнообразием моделей, следует обращать внимание на следующие параметры таких устройств:

• производительность;
• рабочее давление;
• мощность;
• размеры модели.

Мембранный насос принцип работы

Принцип работы мембранного насоса

Мембранный насос — это насос объемного типа, в котором изменение рабочего объема осуществляется за счет деформации упругой диафрагмы, мембранные насосы также называют диафрагменными или диафрагмовыми.

Мембрана или диафрагма изготавливается и резины, тефлона или другого упругого, износоустойчивого материала. Разделение лини всасывания и нагнетания в мембранных насосах осуществляется с помощью обратных клапанов.

Цикл работы диафрагменного насоса

Всасывание

При увеличении объема рабочей камеры происходит всасывание жидкости. Клапан в линии нагнетания за счет разряжения в рабочей камере прижимается к седлу и перекрывает проходное сечение канала, клапан в линии всасывания наоборот открывает проходной канал.

Нагнетание

При уменьшении объема рабочей камеры мембранного происходит нагнетание жидкости. По действием давления жидкости клапан в линии нагнетания открывается, а клапан в линии всасывания прижимается к седлу и перекрывает проходное сечение канала. Жидкость под давлением поступает к потребителю.

Особенности мембранных насосов

Мембранные насосы обладают всеми достоинствами объемных гидромашин:

• герметичностью рабочей камеры,
• способностью к самовсасыванию,
• независимостью давления от подачи,
• высоким КПД,
• жесткостью характеристик.

При этом в мембранных машинах отсутствуют прецизионные пары, элементы, установленные с малыми зазорами (поршни плунжеры), это позволяет использовать насосы этого типа для перекачивания агрессивных, загрязненных жидкостей.

Для мембранных носов, характерны и некоторые недостатки объемных гидромашин:

• пульсации подачи
• износ подвижного элемента — мембраны (диафрагмы)

Как работает насос

Данное устройство состоит из двух полостей, размещенных одна напротив другой.

Разделены они мембраной — очень гибкой, но в то же время прочной пластиной.

Одна полость наполняется воздухом, другая — жидкостью.

Между ними, в свою очередь, располагается распределитель, который воздействует на мембрану так, чтобы она двигалась взад и вперед с небольшой амплитудой.

В результате из одной полости вытесняется некий объем жидкости, а в другую — всасывается. Когда мембрана занимает противоположное положение — вещество продвигается в горизонтальной плоскости — благодаря наличию в конструкции агрегата особых клапанов. Мембранный насос, таким образом, функционирует по принципу вытеснения вещества — как, впрочем, и приборы поршневого типа. Но в последнем, как правило, нет гибких деталей наподобие мембраны. Схема изготовления агрегата гарантирует высокую стабильность работы устройства.

В силу особенностей конструкции, камера мембранного насоса практически не загрязняется. В связи с этим данного рода приборы в ходе практической эксплуатации ведут себя надежнее, чем традиционные поршневые. Наилучшим образом мембранные насосы справляются с перекачиванием воды, жидкостей с повышенной плотностью и вязкостью, а также суспензий.

Материалы конструкции

Мембрана насоса, как правило, изготавливается из резины или гибких и особо прочных сортов стали. В свою очередь, корпус устройства обычно выполняется из материалов, устойчивых к коррозии и воздействию химических веществ (если предполагается соответствующая специфика их задействования). Подаваемые жидкости или суспензии направляются в напорный трубопровод, который чаще всего также изготавливается из резины или ПВХ.

Преимущества мембранных насосов

Мембранный насос имеет ряд преимуществ.

Во-первых, это исключительная простота исполнения (в большинстве технологических реализаций). Как правило, в агрегатах данного типа не предусмотрено вращающихся деталей и двигателей. Те механизмы, что приводят насосы в движение, не представляют собой технологически сложных приборов. Как правило, современные мембранные насосы — с электроприводом достаточно простой конструкции, с пневмосистемой, а то и вовсе ручного хода.

Во-вторых, данные агрегаты работают с минимальной вероятностью выхода из строя — собственно, это их свойство обусловлено как раз таки простотой конструкции. Мембранный насос — прибор, который прослужит долго.

В-третьих, данные устройства очень просты в установке и монтаже, не требовательны к условиям хранения и транспортировки. Температура, влажность воздуха и иные факторы окружающей среды практически не влияют на функциональность насосов.

Технологические исполнения

Агрегаты, о которых идет речь, бывают разными. В числе самых распространенных — насос пневматический.

Мембранный агрегат такого типа работает без участия электропривода, иного рода сложных передающих устройств и элементов оснастки.

Такое устройство особенно удобно с точки зрения транспортировки. В числе других примечательных свойств — отсутствие заметного нагрева, а также герметичность, что в некоторых случаях позволяет использовать прибор под водой.

Как мы уже отметили выше, есть мембранные насосы с электроприводом. Они также достаточно распространены в силу универсальности (они адаптированы к большинству элетросистем, применяемых в России), высокой производительности, умеренной цены.

Есть также насосы, приводимые в движение гидравлическим приводом.

Основной критерий классификации приборов — тип моторчика.

В целом, принцип работы устройства каждого вида одинаковый: мембрана (или, как ее еще называют, диафрагма) изгибается под воздействием механического двигателя, воздуха (если речь идет о пневматическом приводе) или воды (при использовании гидравлической системы), вследствие чего обеспечивается движение подаваемого вещества.

В некоторых конструкциях насосов предусмотрено две мембраны. На одну воздействует сжатый воздух, вследствие чего она изгибается, продвигая подаваемое вещество к выходному клапану. Одновременно,на участке, где расположена вторая мембрана, образуется вакуум, в который в силу естественных физических закономерностей вещество всасывается. И так с каждым движением привода. Две мембраны в этом случае соединяет механический вал.

Также в перекачке вещества участвуют воздушные клапаны, действующие автоматически. Таким образом, в насосе происходят два процесса — всасывание (когда первая мембрана разрежает воздух при движении от стенок) и нагнетание (когда вторая диафрагма передает давление пневмопотока на жидкость, что успела попасть в корпус, тем самым обеспечивая движение вещества к выходному отверстию). Показатели давления в области задней стенки той мембраны, которая выпускает жидкость, и той, что расположена на участке входа, таким образом, равны.

Часто агрегат, о котором идет речь, носит иное наименование — «вакуумный насос».

Мембранный механизм при этом есть во всех технологических реализациях прибора. Причина тому — его простота и, в то же время, высокая эффективность.

Что касается двухмембранных насосов — они, как правило, пневматические.

Критерии эффективности насосов

Во-первых, насос пневматический мембранный (или же тот, что оснащен электроприводом) должен бесперебойно работать без необходимости ремонта, дополнительной настройки, смазывания и иных процедур, которые требуют затрат производственных ресурсов.

Во-вторых, агрегаты данного типа должны быть экологичными. В принципе, этот критерий соблюдается в отношении большинства современных моделей мембранных насосов. Не так много устройств функционирует, к примеру, на бензине или газе.

В-третьих, желательно, чтобы имела место работоспособная и простая в пользовании система регулирования скорости и объемов подаваемых веществ. То есть насос не должен работать только в режиме «включено» и «выключено». Необходимо иметь возможность подстраивать интенсивность всасывания под тип вещества и задачу, решаемую на производстве.

В-четвертых, конструкция насосов должна быть такой, что в случае попадания внутрь полостей твердых предметов это не привело к механическим повреждениям устройства и его поломке.

Сфера применения

Как правило, это промышленность — нефтегазовая, пищевая, лакокрасочная. химическая, а также строительство.

Постепенно приборы осваиваются и частными лицами — в фермерских хозяйствах, например.

Достаточно популярными становятся миниатюрные устройства.

В частности, некоторые из них могут потреблять совсем немного электричества (несмотря на это, в руках пользователя будет полноценный мембранный насос) — 12 Вольт. Подобного рода приборы часто используются дачниками для конструирования систем полива или же небольшого водопровода.

Дозирующие насосы

Существует подтип рассматриваемых нами агрегатов — дозирующие насосы.

Мембранные механизмы в них те же, что и в обычных устройствах даного типа, однако спектр их назначения, как правило, более узок. Многие модели устройств адаптированы к работе как раз таки с химически активными веществами — когда есть необходимость в их периодической дозировке.

Мембранные насосы-дозаторы, как правило, прецизионные, обладающие исключительной герметичностью корпуса. Их производительность (интенсивность перекачки веществ) очень гибко регулируется. При этом в современных моделях предусмотрены варианты с заданием нужных параметров — как в режиме текущей работы агрегата, так и в процессе предварительной настройки.

В зависимости от конструкции и технологического типа прибора, это может осуществляться вручную или с помощью элементов привода.

В числе примечательных особенностей насосов-дозаторов — особая легкость обслуживания. В частности, сконструированы они, как правило, в виде блоков — это обуславливает простоту и минимальную потребность в трудозатратах при сборке или монтаже устройств. Такие насосы обычно снабжены клапанами, адаптированными к воздействию вредных сред.