Типы насосов и их применение в композитной промышленности
ПРОЛОГ
Все производители композитов сталкиваются с задачей перекачивания или подачи смол из бочек и контейнеров, необходимости подачи смол к оборудованию для обеспечения постоянства потока, используют оборудование для напыления стеклопластика и гелькоутов, работают по технологии RTM с применением инжекционного оборудования и вакуумных насосов, используют вакуумные миксеры и вакуумные камеры для изготовления искусственного камня, литьевые машины непрерывного действия, автоклавное формование. Во всех этих приложениях находят применение насосы, тип и конструкция которых зависят от назначения и решаемой задачи.
Сейчас на рынке представлено много различных типов насосов, предназначенных для перекачки различных жидкостей, паст, сыпучих материалов, создания разрежения и вакуума. Мы поговорим о нескольких типах, которые наиболее часто применяются в композитной промышленности.
ПЕРЕКАЧИВАНИЕ И ПОДАЧА СМОЛ, НАПЫЛЕНИЕ И ИНЖЕКЦИЯ
ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ ДВУХСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ
Поршневые насосы обычно используются для перекачивания и подачи различных жидкостей из бочек (бочковые насосы) и при производстве оборудования для напыления лаков, красок, гелькоутов и стеклопластика, напыления и заливки двухкомпонентных полимеров, шпатлевок, в инжекционных установках для технологии RTM.
Конструкция
Насос поршневого типа состоит из жидкостной секции и пневматического привода. Его принцип работы основан на вытеснении жидкости твердым телом. Жидкостная секция насоса представляет собой цилиндр с зеркальными внутренними стенками, в котором совершает возвратно-поступательные движения шток с поршнем, приводимый в действие приводом. Поршень разделяет жидкостную секцию на две камеры с изменяющимся объемом – нижнюю впускную, и верхнюю выпускную.
| Нижний конец цилиндра является впускным коллектором и снабжен впускным клапаном, который обычно представляет собой шарик, сидящий на специальном седле с отверстием. Шток поршня насоса представляет собой цельнометаллический цилиндр меньшего диаметра, с полым поршнем в нижней части, в котором установлен выпускной клапан, представляющий собой шарик небольшого размера, сидящий в седле с отверстием, сообщающемся с нижней камерой. На поршне установлено уплотнение с цилиндром, препятствующее протеканию жидкости из нижней камеры в верхнюю. В верхней части цилиндра жидкостной секции расположен выпускной коллектор. Такие поршневые насосы называются насосами двухстороннего действия, так как они обеспечивают перекачивание жидкости при каждом возвратно-поступательном движении поршня.Привод насоса представляет собой пневматический цилиндр двухстороннего действия. Шток цилиндра соединен со штоком поршня насоса. Подаваемый в цилиндр воздух создает давление на поршень цилиндра, который передает его на поршень насоса.Для поршневых насосов существует такая характеристика как передаточное соотношение. Например, указанное на насосе передаточное соотношение 11:1 означает, что на каждый 1 бар давления воздуха, поданного в привод насоса, будет сгенерировано давление в 11 бар в жидкостной секции насоса. Физически, передаточное соотношение – это отношение площади сечения пневматического цилиндра и площади сечения жидкостной насосной секции. |  |  |
| Принцип работыПри такте всасывания, когда поршень насоса движется вверх, в нижней камере создается разрежение, а в верхней избыточное давление. Шарик выпускного клапана поршня опускается в седло (клапан закрывается), и жидкость из верхней камеры течет в выпускной коллектор, вытесняемая штоком поршня за счет уменьшения объема верхней камеры. Одновременно шарик впускного клапана нижней камеры приподнимается над седлом (клапан открывается), пропуская в нижнюю камеру жидкость из впускного коллектора, при этом объем нижней камеры увеличивается.При такте перекачивания, когда поршень насоса идет вниз, в нижней камере создается избыточное давление за счет уменьшения ее объема, впускной клапан закрывается (шарик садится обратно в седло), а выпускной клапан поршня открывается (шарик приподнимается над седлом), давая жидкости возможность перетекать их нижней камеры в верхнюю. Так как объем нижней камеры существенно больше, чем объем верхней камеры, при движении поршня вниз в верхней камере создается избыток жидкости, из-за чего она начинает вытекать в выпускной коллектор. Таким образом обеспечивается постоянство перекачивания жидкости как при движении поршня насоса вверх, так и при движении вниз. Преимущества и недостатки Преимущество поршневых насосов – простота конструкции и возможность генерировать большие давления. Это достигается установкой воздушного цилиндра большего диаметра, или насосной секции меньшего диаметра, что позволяет менять соотношение их сечений, и как следствие, давление в насосной секции. Другое немаловажное преимущество поршневых насосов – благодаря своей конструкции они автоматически останавливаются при достижении рабочего давления. Т.е. не нужны спускные клапаны, улучшается безопасность работы. |  |
Некоторым недостатком работы поршневого насоса является падение давление при изменении движения поршня в крайних точках. Из-за этого в потоке возникают пульсации. Для того, чтобы их не было, поршневые насосы могут снабжаться специальными компенсирующими емкостями, куда вначале происходит закачивание жидкости под давлением, а при смене направления движения поршня жидкость вытекает из компенсирующей емкости, уравнивая давление и снимая пульсации.Основным недостатком поршневых насосов является необходимость периодической замены уплотнительных элементов, невозможность перекачивать высоконаполненные жидкости или вещества с твердыми включениями, большая длина, необходимость вертикального расположения. Это связано с конструкцией впускного и выпускного клапанов насоса, их различными размерами (выпускной клапан существенно меньше впускного клапана) и наличия уплотнения между поршнем и цилиндром.Например, при существенном отклонении положения насоса от вертикали, шарики клапанов выпадают из своих седел, и клапаны переходят в положение постоянно открытых. При перекачивании жидкостей, содержащих наполнители или твердые включения, допустимый размер включений определяется диаметром отверстия выпускного клапана, которое невелико. Кроме того, при перекачивании наполненных субстанций происходит абразивный износ шариков и седел клапанов, налипание на них наполнителя, износ и повреждение стенок цилиндра насоса и уплотнения поршня. В результате ухудшается прилегание шариков к седлам, цилиндр покрывается микроскопическими канавками и царапинами, изнашивается уплотнение. Как следствие, насос начинает «протекать»: на такте всасывания выпускной клапан поршня находится в полуоткрытом положении вместо закрытого, поршневое уплотнение неплотно прилегает к стенке цилиндра, и жидкость из верхней камеры перетекает в нижнюю через выпускной клапан и зазоры между уплотнением поршня и цилиндра; на такте выпуска впускной клапан находится в полуоткрытом положении и жидкость течет обратно во впускной коллектор из нижней камеры, и из верхней камеры в нижнюю через зазоры между уплотнением поршня и цилиндра. Это приводит к ухудшению скорости перекачивания насоса, падению давления. В этом случае необходимо разбирать насос, чистить клапаны, менять износившиеся детали, шлифовать внутреннюю поверхность цилиндра насоса с целью удаления микроскопических царапин, оставленных частицами наполнителя.
МЕМБРАННЫЕ НАСОСЫ
Насосы этого типа в основном используются для перекачки жидкостей из бочек, контейнеров и емкостей, подачи жидкостей на расстояния.
Мембранные насосы, их еще называют диафрагменными насосами, находят широкое применение благодаря простоте конструкции, возможности перекачивать высоковязкие и наполненные жидкости, жидкости с содержанием частиц больших фракций, химически агрессивные и коррозийные жидкости и среды.
Конструкция
Мембранный насос состоит из двух расположенных рядом жидкостных камер 1 и 2, разделенных толстой перегородкой, в которой расположен привод насоса и шток, соединяющий мембраны. Каждая камера снабжена впускным и выпускным клапаном седельного типа (шарик и седло). Впускные клапаны камер соединены с общим впускным коллектором, выпускные клапаны соединены с общим выпускным коллектором.
В каждой камере установлена гибкая мембрана, обычно круглого сечения. Центры мембран соединены между собой посредством штока, проходящего через перегородку камер. Края мембран жестко закреплены на стенках перегородки. Благодаря этому, при возвратно-поступательном движении штока, центр одной мембраны выдвигается в жидкостную камеру, уменьшая ее объем, а центр другой мембраны одновременно прижимается к стенке перегородки, увеличивая объем второй жидкостной камеры. В мембранных насосах используется принцип вытеснения жидкости или создания разрежения путем увеличения и уменьшения объема камер за счет возвратно-поступательного движения гибких мембран.
В качестве привода в мембранных насосах используются пневматические клапаны, которые попеременно подают воздух в воздушные камеры А и В. Это обеспечивает безопасность работы и предельную простоту конструкции за счет отсутствия движущихся частей.
Принцип работы
На первом такте работы насоса привод подает воздух в воздушную камеру А между первой мембраной и перегородкой. За счет этого первая мембрана выталкивается в камеру 1, что приводит к уменьшению объема камеры и создает избыточное давление в ней. При этом впускной клапан в первой камере закрывается (шарик опускается в седло), а выпускной открывается (шарик приподнимается над седлом), позволяя жидкости перетечь из камеры в выпускной коллектор. Одновременно вторая мембрана прижимается к перегородке, увеличивая объем камеры 2 и создавая в камере разрежение. Впускной клапан второй камеры открывается, позволяя жидкости из впускного коллектора заполнить вторую камеру.
На втором такте работы насоса привод подает воздух в воздушную камеру В между второй мембраной и перегородкой. При этом первая мембрана втягивается прижимается к перегородке, увеличивая объем камеры 1, впускной клапан камеры открывается, выпускной клапан закрывается, позволяя жидкости перетекать из впускного коллектора в первую камеру. Одновременно вторая мембрана выталкивается поданным через привод воздухом в камеру 2, уменьшая ее объем, в камере создается избыточное давление, впускной клапан закрывается, а выпускной клапан второй камеры открывается, позволяя жидкости течь в выпускной коллектор.
Таким образом на каждом такте работы насоса обеспечивается перекачивание жидкости и ее постоянный поток.
Преимущества и недостатки
Преимущество мембранных насосов – небольшие габариты, обеспечение постоянства потока жидкости, отсутствие негативных последствий при запирании выпускного коллектора или клапанов (насос автоматически останавливается), отсутствие необходимости использования перепускных клапанов, возможность перекачивания широкого спектра жидкостей и сред, возможность перекачивания высоконаполненных жидкостей, или жидкостей, содержащих твердые включения больших фракций. Такие возможности возникли благодаря использованию впускных и выпускных клапанов одинакового размера, в отличие от поршневых насосов, где выпускной клапан существенно меньше впускного клапана.
К недостаткам мембранных насосов можно отнести невозможность получения высоких давлений, что не позволяет использовать их при изготовлении распылительного оборудования. Мембранные насосы работают с передаточным соотношением 1:1, т.е. давление перекачиваемой жидкости равно давлению воздуха, поданного в насос и поступающего в полости между мембранами и перегородкой. Кроме того, мембранным насосам присущи, хотя и в меньшей степени, недостатки поршневых насосов, связанные с абразивным износом и необходимостью чистки впускных и выпускных клапанов при перекачивании наполненных или абразивосодержащих жидкостей, а также необходимость работы в вертикальном положении.
ВИНТОВЫЕ БОЧКОВЫЕ НАСОСЫ
Применение насосов этого типа ограничено перекачкой и наливом жидкостей из бочек, емкостей и контейнеров.
Конструкция
Винтовой насос имеет, пожалуй, самую простую конструкцию из всех бочковых насосов. Он состоит из жидкостной секции и вращательного привода. Жидкостная секция представляет собой цилиндр из стали или жесткого пластика, внутри которого расположен длинный вал, на конце которого закреплен винт. Нижний конец цилиндра, где расположен винт, является впускным коллектором, а в верхнем конце цилиндра расположен выпускной коллектор. Привод насоса отделен от жидкостной секции через уплотнительный элемент вала. В качестве приводов используются электрические и пневматические двигатели.
Пневматический бочковой винтовой насос |  Конструкция винтового насоса |
Принцип работы
В винтовом насосе используется тот же принцип действия, на котором основано движение современных речных и морских судов. При вращении вала винт постоянно нагнетает жидкость внутрь цилиндра, за счет чего она движется по цилиндру и подается к выпускному коллектору. Возможно использование двух и более винтов на валу, что обеспечивает более высокую производительность насоса и большую равномерность потока. При использовании насоса в качестве бочкового или контейнерного, наличие отверстий в цилиндре позволяет осуществлять одновременное перемешивание жидкости снизу вверх.
Преимущества и недостатки
Несомненным преимуществом винтовых насосов является предельная простота конструкции, возможность перекачивать высоковязкие и агрессивные жидкости, отсутствие необходимости замены уплотнительных элементов и других гибких деталей, большая производительность и нагнетаемое давление, возможность использования длинного цилиндра жидкостной секции, или цилиндра, изготовленного из гибкого материала для доступа к изогнутым каналам.
К недостаткам можно отнести необходимость установки перепускных клапанов для работы в автоматическом режиме, контроля подачи жидкостей и отсутствия пробок в выпускном коллекторе, небезопасность при закупоривании выпускного коллектора. Это связано с тем, что в винтовых насосах используется вращательное движение вала и винта, поэтому даже при достижении нужного давления они продолжают работать и нагнетать давление. По этой причине основное применение винтовые насосы нашли в качестве бочковых насосов, к примеру, для налива жидкостей из бочек в ведра.
ПОДАЧА НАПОЛНИТЕЛЕЙ И СУХИХ СЫПУЧИХ КОМПОНЕНТОВ
ШНЕКОВЫЙ ПОДАЮЩИЙ НАСОС, ШНЕКОВЫЙ ТРАНСПОРТЕР
Насосы этого типа обычно применяются для подачи очень вязких, пастообразных, сыпучих материалов, материалов большой фракции. Поэтому их также называют шнековыми транспортерами. В композитной промышленности шнековые транспортеры используются обычно для подачи наполнителей, а также в литьевых машинах непрерывного действия для изготовления искусственного камня. Кроме того, шнековый принцип подачи материала используется в экструдерных машинах, термопластавтоматах, бетонораздатчиках.
Конструкция
Шнековый насос обычно представляет собой металлический цилиндр с размещенным внутри шнеком, который получает вращательное движение от двигателя. Чтобы понять его конструкцию, достаточно посмотреть на бытовую мясорубку для приготовления фарша, и воспользоваться ею, но без установки ножей и сетчатого колпачка.
Принцип работы
Для примера снова обратимся к мясорубке. На одном конце шнекового насоса обычно находится воронка, представляющая собой впускной коллектор, другой конец насоса представляет собой выпускной коллектор. Перекачиваемая субстанция загружается в воронку, откуда шнеком переносится к выпускному коллектору насоса. Изменение производительности насоса достигается путем изменения частоты вращения вала двигателя.
Преимущества и недостатки
Главным преимуществом шнековых насосов является возможность подачи сухих сыпучих материалов, что недоступно насосам другого типа. Кроме того, насосы этого типа способны развить высокое давление, что позволяет использовать их в экструдерах.
Другим преимуществом шнековых насосов и транспортеров является способность перекачивать субстанции на большие расстояния с постоянной скоростью, т.к. на всем протяжении субстанция испытывает постоянное толкающее воздействие шнека.
В своем сегменте использования недостатков у шнековых насосов нет. Однако, их не имеет смысла применять для подачи материалов и сред с низкой вязкостью.
ОТКАЧИВАНИЕ ВОЗДУХА И СОЗДАНИЕ ВАКУУМА
ЭЖЕКТОРНЫЙ НАСОС, ВАКУУМНЫЙ ЭЖЕКТОР
Насосы этого типа обычно применяются для откачивания воздуха или различных газовых сред, создания разрежения и низкого вакуума. В композитной отрасли эжекторные насосы применяются для создания вакуума при производстве изделий по методу RTM, вакуумной инфузии. Такие насосы называют пневматическими эжекторами.
Конструкция
Пневматический эжекторный насос обычно представляет собой Т-образную трубку, к одному концу которой (вход эжектора) подключается источник сжатого воздуха (компрессор), другой конец трубки является выпускным коллектором, а впускной коллектор обычно расположен по середине трубки и подключается к откачиваемому объему.
Принцип работы
В эжекторных насосах используется принцип откачивания газов из объема за счет протекания над этим объемом газовой струи высокого давления и скорости. Эта струя «захватывает» молекулы газа из объема и уносит их к выпускному коллектору. Скорость откачивания и предельное разрежение, создаваемое эжектором, пропорциональны поданному на вход эжектора давлению и потоку.
Преимущества и недостатки
Особыми преимуществами вакуумных эжекторов являются небольшой размер и вес (экземпляры с невысокой производительностью по размерам сравнимы с указательным пальцем руки), очень низкая цена, пожарная безопасность, отсутствие износа. Для предприятий, где в работе используется компрессор, вакуумный эжектор является малобюджетным выбором для создания вакуума или разрежения. Целесообразность использования эжекторов при производстве композитов в первую очередь связана с их пожарной безопасностью.
Другим преимуществом эжектора является простота регулирования разрежения и скорости откачивания. Достаточно просто изменить давление или поток на его входе.
Недостатком эжекторов является требование к чистоте как откачиваемого воздуха, так и поданного на его вход. При наличии в воздухе частиц или капель достаточно крупного размера они могут забить сопло эжектора и вывести его из строя. По этой причине целесообразно на входе эжектора, и на впускном коллекторе устанавливать фильтрующие элементы, осушители, маслоотделители.
ПЛАСТИНЧАТО-РОТОРНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Насосы этого типа применяются для создания вакуума при решении различных задач, например, использования автоматических вакуумных захватов. В композитной отрасли насосы этого типа могут применяться для создания вакуума при производстве изделий по методу вакуумной инфузии, в технологии RTM. Насосы этого типа также применяются в вакуумных миксерах и автоматических литьевых машинах для изготовления искусственного камня.
Конструкция
Пластинчато-роторный насос состоит из цилиндрической рабочей камеры 1 круглого сечения, расположенного в ней цилиндрического ротора 2 и двигателя. Ротор расположен со смещением по отношению к центральной оси камеры, и смещен к самому ее краю (поверхность ротора имеет очень малый зазор с поверхностью вакуумной камеры), и напрямую связан с двигателем. В теле роторе по направлению от его поверхности к центру сделаны пазы, обычно в количестве 2-3 штук. В этих пазах расположены пластины 3 из графита или другого низкофрикционного материала. Впускной и выпускной коллекторы пластинчато-роторного насоса расположены непосредственно у ротора по направлению его вращения. В выпускном коллекторе установлен обратный клапан, который препятствует течению воздуха снаружи в рабочую камеру насоса.
Принцип работы
При вращении ротора 2 за счет действия центробежной силы и пружины 4 пластины 3 выдвигаются из тела ротора и упираются в стенку рабочей камеры 1, разделяя ее на несколько полостей. При вращении ротора полость А, связанная с впускным коллектором, увеличивается, в ней создается разрежение, и в нее засасывается воздух из впускного коллектора. Полость С уменьшается в объеме, воздух в ней находится по давлением и выталкивается наружу через выпускной коллектор. Это свойство пластинчато-роторного насоса также позволяет использовать его в качестве компрессора. Полость В является вспомогательной.
Повторяющиеся циклы изменения объемов полостей рабочей камеры приводят к постоянному откачиванию воздуха со стороны впускного коллектора насоса.
Преимущества и недостатки
Преимуществом пластинчато-роторных насосов является простота конструкции, небольшие габариты и вес, невысокая цена, возможность откачивания газов с содержанием масел, влаги и пыли.
К недостаткам насосов этого типа можно отнести невысокие характеристики по создаваемому вакууму, низкую пожарную безопасность из-за использования электродвигателя для вращения ротора.
ЭПИЛОГ
Мы рассмотрели основные типы насосов, которые применяются в промышленности композитов. Все эти типы насосов используются и в других отраслях, таких лакокрасочная промышленность, пищевая, химическая, нефтяная. Они не являются уникальными и специфичными агрегатами для производства композитов. По этой причине любые из указанных насосов вы можете найти в свободной продаже на рынке.
Доступны насосы как общего назначения, так и со специальной конструкцией и материалом жидкостных секций, материалом уплотнений и рабочих элементов, что позволяет подобрать насос для решения практически любых задач. Для работы со смолами рекомендуем обратить внимание на насосы с пневматическими приводами, как наиболее безопасные в работе и пожаробезопасные. Также рекомендуем аккуратно обращаться с насосами, не допускать полимеризации смол и гелькоутов в них, вовремя делать профилактику, чистку и ремонт, проводить консервацию перед остановкой насосов на длительный период. Это позволит избежать проблем с вынужденными простоями оборудования и связанных с этим убытков.
Все указанные насосы являются истинно механическими, и их можно легко обслуживать самостоятельно. Производители и поставщики насосов всегда прикладывают схемы насосов, согласно которыми их можно разобрать, провести визуальный осмотр и заказать износившиеся детали. Перед покупкой насосов и оборудования на их основе рекомендуем уточнить у поставщика передаточное соотношение, тип среды, с которой насос может работать, другие рабочие характеристики; узнать, какие детали подвержены износу, какова периодичность их замены, каковы сроки поставки и цены, входит ли в поставку насоса или оборудования ремкомплект или его надо докупать самостоятельно. Эта информация позволит вам спланировать периодичность обслуживания и вовремя проводить профилактические работы.
При использовании насосов с электрическими приводами необходимо обеспечить соответствующие меры безопасности при работе с ними, обеспечить заземление, не перегружать насосы, не допускать блокировки двигателя, использовать провода с исправной изоляцией.