Насосы для перекачки вязких жидкостей: как выбрать тип и параметры

Для перекачки вязких жидкостей чаще применяют объемные насосы: шестеренные, винтовые, кулачковые, мембранные, перистальтические и поршневые. Но выбирать насос только по фразе «подходит для густых сред» нельзя. Критичны фактическая вязкость продукта при рабочей и пусковой температуре, требуемый расход, давление, способность жидкости самостоятельно поступать во всасывающий патрубок, наличие твердых частиц и чувствительность продукта к механическому воздействию.

Особенно внимательно нужно проектировать всасывающую сторону системы. Насос может иметь достаточный крутящий момент и допустимый диапазон вязкости, но не получить нужного количества продукта из емкости из-за длинной или узкой всасывающей линии. Для очень густых и плохо текучих материалов поэтому приходится подбирать не только насос, но и способ их подачи к его входу.

Почему вязкость меняет требования к насосу

Вязкость характеризует сопротивление жидкости течению и сдвигу. Чем продукт гуще, тем больше сопротивление внутри трубопровода и тем труднее заполнить рабочую камеру насоса. Одновременно возрастают механические потери и требования к крутящему моменту привода.

При выборе оборудования важно не путать динамическую и кинематическую вязкость. Динамическую вязкость обычно выражают в единицах типа мПа·с или сП, а кинематическую — в мм²/с или сСт. Эти величины связаны через плотность продукта, поэтому нельзя просто считать численно одинаковые значения сП и сСт взаимозаменяемыми. Производителю насоса следует передавать именно ту характеристику, которая получена из технической документации продукта или измерений.

Еще одна причина ошибок — зависимость вязкости от температуры. Масло, смола, сироп, битумоподобный материал или другой продукт в нагретом состоянии может сравнительно легко течь, а после охлаждения становиться значительно гуще. Следовательно, насос, нормально работающий во время установившегося процесса, может оказаться перегруженным при холодном пуске.

Для подбора полезно знать как минимум:

• тип и состав перекачиваемого продукта;
• динамическую или кинематическую вязкость с указанием единицы измерения;
• температуру, при которой определена эта вязкость;
• минимальную и максимальную температуру продукта в процессе;
• плотность;
• наличие твердых или волокнистых включений;
• размер, концентрацию и абразивность частиц;
• требуемый расход;
• давление на нагнетании и сопротивление трубопровода;
• условия поступления жидкости на вход насоса;
• необходимость дозирования, реверса, бережного перекачивания или санитарной обработки.

Почему объемные насосы обычно удобнее центробежных

Центробежный насос передает жидкости энергию вращающимся рабочим колесом. При увеличении вязкости возрастают гидравлические потери, а его фактические расход, напор, КПД и потребляемая мощность начинают отличаться от характеристик, полученных на воде. Поэтому производительность такого насоса на вязком продукте нельзя оценивать непосредственно по стандартной водяной характеристике.

Это не означает, что центробежный насос принципиально нельзя применять для любой жидкости гуще воды. При умеренной вязкости он может оказаться подходящим, если производитель выполнил необходимые поправки и рабочая точка остается приемлемой. Однако с дальнейшим ростом вязкости объемный принцип перекачивания обычно становится практичнее.

Объемный насос захватывает определенное количество продукта и механически перемещает его от всасывания к нагнетанию. Такой принцип хорошо сочетается с густыми средами. Но и здесь увеличение вязкости не проходит бесследно: возрастает сопротивление заполнению насоса, потребный крутящий момент и нагрузка на всасывающую линию.

Основные типы насосов для вязких сред

Тип насоса	Когда особенно уместен	Что необходимо учитывать
Шестеренный	Однородные масла, смолы, полимеры и другие смазывающие вязкие жидкости без крупных твердых частиц	Износ от абразива, чувствительность зазоров, необходимость защиты от избыточного давления
Одновинтовой	Густые, неоднородные продукты, жидкости с мягкими включениями, суспензии и плохо текучие массы	Совместимость статора с продуктом, защита от сухого хода, условия подачи продукта на вход
Кулачковый	Продукты, для которых важны бережная перекачка и санитарное исполнение	Размер включений, давление, скорость вращения, санитарная обработка и уплотнения
Двухвинтовой	Вязкие технологические и пищевые продукты, когда нужен ровный поток и специальное санитарное исполнение	Конкретная конструкция, допустимые частицы, режимы очистки и требования к приводу
Мембранный	Загрязненные, химически активные и содержащие частицы жидкости	Пульсации, расход воздуха у пневматических моделей, вязкость и способность среды заполнять камеры
Перистальтический	Абразивные, загрязненные и чувствительные среды, когда желательно минимизировать контакт продукта с насосом	Износ шланга или трубки, пульсации, ограничение расхода и давления конкретной модели
Поршневой или плунжерный	Небольшой расход, высокое давление, дозирование или подача отдельных вязких продуктов	Пульсации, клапаны, уплотнения и способность жидкости быстро заполнять рабочую камеру

Шестеренные насосы

Шестеренный насос переносит продукт в полостях между вращающимися элементами и корпусом. Конструкция хорошо подходит для однородных вязких жидкостей, особенно если они обладают смазывающими свойствами. Типичные области применения включают различные масла, смолы и другие технологические жидкости.

Шестеренная схема становится менее привлекательной, если в продукте присутствуют крупные или абразивные твердые частицы. Попадая в небольшие рабочие зазоры, они способны ускорять износ или вызвать заклинивание. Для продукта с включениями необходимо проверять допустимый размер частиц именно для выбранной конструкции.

Еще один существенный момент — работа на закрытую нагнетательную линию. Объемный насос продолжает вытеснять жидкость, поэтому давление может быстро возрастать. Система должна иметь предусмотренную изготовителем защиту от недопустимого давления, например соответствующим образом установленный предохранительный или перепускной элемент.

Одновинтовые насосы

Одновинтовой, или прогрессивно-полостной, насос перемещает продукт последовательно формирующимися герметичными полостями между ротором и статором. Такая конструкция востребована там, где нужно работать с густыми, неоднородными и содержащими включения средами.

Важное преимущество этого типа — возможность создавать относительно ровную подачу при невысокой скорости движения продукта внутри рабочей части. В зависимости от исполнения насос может использоваться для паст, шламов, пищевых масс, осадков и других сложных продуктов.

При выборе нужно учитывать материал статора. Эластомер должен быть химически и температурно совместим со средой. Кроме того, многие конструкции чувствительны к продолжительному сухому ходу: отсутствие продукта ухудшает охлаждение и смазку пары ротор–статор.

Если материал почти не течет самостоятельно, стандартного круглого всасывающего патрубка может быть недостаточно. Для таких случаев применяются исполнения с приемным бункером и подающим шнеком, который принудительно направляет массу к рабочей части.

Кулачковые и двухвинтовые насосы

Кулачковые насосы часто рассматривают, когда важны бережное обращение с продуктом, ровная подача и возможность санитарного исполнения. Они используются с пищевыми, косметическими и другими технологическими средами, если конкретная конструкция соответствует вязкости, включениям и требуемому давлению.

Двухвинтовые насосы также способны работать с широким диапазоном продуктов. Их возможности сильно зависят от геометрии винтов, зазоров, скорости и исполнения, поэтому выбирать такой насос только по названию технологии нельзя.

Для санитарного процесса следует отдельно оценивать не только гидравлические характеристики, но и возможность очистки: наличие застойных зон, исполнение уплотнений, соединения, допустимый способ мойки и требования самого технологического процесса.

Мембранные насосы

В мембранном насосе жидкость перемещается за счет периодического изменения объема рабочей камеры. Особенно распространены пневматические двухмембранные конструкции. Они удобны для загрязненных, химически активных и содержащих твердые частицы жидкостей, если материалы мембран, клапанов и корпуса совместимы со средой.

Но способность мембранной конструкции работать с загрязнением еще не означает, что она подойдет для любой густой пасты. С ростом вязкости рабочая камера заполняется медленнее, поэтому фактический расход может существенно ограничиваться. Для плохо текучего продукта необходимо проверить характеристики именно на требуемой вязкости, а не ориентироваться на максимальную подачу, указанную для воды.

У пневматического исполнения дополнительно оценивают наличие подготовленного сжатого воздуха и его расход. Если требуется практически непрерывный поток без заметных пульсаций, может понадобиться дополнительное оборудование или другой тип насоса.

Перистальтические насосы

В перистальтическом насосе ролики или башмаки последовательно сжимают эластичный шланг, проталкивая находящийся внутри продукт. Рабочая среда контактирует главным образом с внутренней поверхностью шланга, что полезно для агрессивных или абразивных продуктов.

Ключевой расходный элемент здесь — сам шланг или трубка. Его ресурс зависит от материала, химической совместимости, давления, частоты деформации и режима работы. Поэтому при сравнении оборудования нужно учитывать не только первоначальный подбор, но и доступность расходных элементов и удобство их замены.

Как подобрать насос: последовательность действий

1. Определите свойства продукта. Запишите вязкость вместе с температурой и единицей измерения, плотность, химический состав, склонность к кристаллизации, застыванию или вспениванию.
2. Опишите включения. Укажите максимальный размер частиц, их твердость, форму, концентрацию и абразивность. Для пищевого продукта отдельно учитывают необходимость сохранить кусочки или структуру.
3. Задайте требуемый расход. Ориентируйтесь на реальную потребность процесса, а не на максимально возможную производительность насоса.
4. Определите сопротивление системы. Нужно учитывать высоту, длину и диаметр труб, арматуру, фильтры, теплообменники и другие элементы между емкостями.
5. Проверьте условия всасывания. Выясните расположение насоса относительно уровня жидкости, длину всасывающей линии и способность продукта самостоятельно поступать к входному патрубку.
6. Выберите принцип действия. Сопоставьте вязкость, включения, давление, санитарные требования, чувствительность к сдвигу и нужную равномерность подачи.
7. Проверьте материалы. Корпус, рабочие элементы, мембраны, эластомеры и уплотнения должны выдерживать продукт и весь температурный диапазон.
8. Рассчитайте привод. Проверяется не только мощность в установившемся режиме, но и необходимый пусковой момент при наиболее тяжелых условиях.
9. Согласуйте рабочую точку с изготовителем. Итоговый выбор типоразмера следует делать по характеристикам конкретной модели на заданной жидкости и при фактических условиях эксплуатации.

Всасывающая линия часто важнее паспортной производительности

Для воды сравнительно длинная всасывающая магистраль может не создавать серьезной проблемы. С густым продуктом сопротивление той же трубы возрастает настолько, что насос перестает нормально заполняться. Увеличение частоты вращения в таком случае способно не повысить, а фактически ограничить подачу: рабочие камеры просто не успевают наполниться.

Поэтому для высоковязких сред обычно стремятся расположить насос как можно ближе к резервуару и обеспечить благоприятный подпор на входе. Всасывающую линию делают максимально прямой, избегая необоснованных местных сопротивлений. Диаметр трубопровода выбирают расчетом, а не автоматически по диаметру патрубка насоса.

Особого внимания требуют:

• узкие трубы и переходы;
• длинные гибкие рукава;
• большое количество колен и арматуры;
• загрязненные фильтры;
• забор продукта с большой высоты;
• падение температуры в трубопроводе;
• застывание продукта во время остановки.

Для очень густой среды может потребоваться расположение насоса под емкостью, увеличенный вход, загрузочный бункер, шнековая подача или иной способ принудительного заполнения. Если технология допускает подогрев, снижение вязкости температурой иногда значительно облегчает перекачку, но нагрев должен быть допустим для самого продукта, уплотнений и технологического процесса.

Вязкость нужно проверять в худшем рабочем режиме

Одна из наиболее частых ошибок при составлении задания — указывать вязкость продукта в удобном установившемся режиме. Например, жидкость поступает на насос нагретой, но после длительной остановки оборудование, трубы и остаток продукта охлаждаются. Именно этот холодный пуск может определить необходимый крутящий момент и условия всасывания.

Поэтому полезно рассматривать как минимум три состояния: нормальную рабочую температуру, наиболее холодный допустимый пуск и максимальную температуру процесса. Для каждого состояния меняются не только свойства жидкости, но иногда и допустимые режимы уплотнений и эластомеров.

Если продукт является неньютоновским, одной величины вязкости может быть недостаточно. Такие среды меняют кажущуюся вязкость в зависимости от скорости сдвига или времени воздействия. К ним могут относиться некоторые пасты, краски, гели и суспензии. В подобных случаях поставщику оборудования желательно передать реологические данные продукта, а не только одно значение из справочника.

Как наличие частиц меняет выбор

Фраза «жидкость с включениями» слишком общая для подбора насоса. Мягкий кусочек продукта, песок и металлическая стружка одинакового размера воздействуют на механизм совершенно по-разному.

Нужно отдельно оценить три фактора. Первый — сможет ли частица физически пройти через рабочую камеру. Второй — не вызовет ли она заклинивание. Третий — насколько быстро она будет изнашивать рабочие поверхности.

Если частицы абразивны, увеличение зазоров вследствие износа способно постепенно менять производительность оборудования. В таких условиях имеет смысл сравнивать конструкции также по ремонтопригодности: какие детали являются изнашиваемыми, насколько сложно их заменить и как контролируется ухудшение характеристик.

Бережное перекачивание тоже может быть критерием

Не каждый вязкий продукт должен просто попасть из точки А в точку Б. Иногда требуется сохранить его структуру. Это актуально для продуктов с кусочками, эмульсий, отдельных полимерных материалов и сред, чувствительных к интенсивному сдвигу.

В таком случае оценивают скорость вращения, характер потока внутри насоса, величину рабочих зазоров и степень механического воздействия на продукт. Возможность насоса создать нужное давление сама по себе еще не означает, что он подходит технологически.

Регулирование подачи объемного насоса

Подачу роторного объемного насоса часто регулируют изменением частоты вращения. Частотный преобразователь позволяет менять скорость электродвигателя в допустимом для конкретного агрегата диапазоне. Но уменьшать или увеличивать обороты произвольно нельзя: производитель может устанавливать пределы, связанные со смазкой, охлаждением, заполнением рабочих камер и характеристиками привода.

Обычное дросселирование нагнетательной линии, привычное для некоторых центробежных систем, нельзя автоматически переносить на объемный насос. Ограничение выхода увеличивает давление, а не просто переводит агрегат в другую рабочую точку. Поэтому способ регулирования и защита системы должны быть предусмотрены проектом.

Типичные ошибки при выборе

Подбирать только по максимальной вязкости из каталога

Предельное значение вязкости не говорит, какой расход насос обеспечит в конкретном трубопроводе и сможет ли продукт вообще поступить на его вход. Каталожный предел следует рассматривать только вместе с характеристиками модели и условиями применения.

Сравнивать насосы по мощности двигателя

Большая мощность не исправляет неподходящий принцип действия или плохо спроектированное всасывание. Насос с мощным приводом все равно не сможет нормально работать, если густая среда не заполняет его рабочие камеры.

Не учитывать холодный запуск

Если при остановке продукт густеет, пусковой режим может оказаться наиболее тяжелым. Решением может быть иной тип или размер насоса, другой привод, подогрев системы либо технологическая процедура подготовки к запуску.

Игнорировать химическую совместимость

Название материала корпуса не дает полной картины. С продуктом контактируют также уплотнения, мембраны, шланги, статоры и другие элементы. Несовместимый эластомер может разбухать, размягчаться, терять механические свойства или разрушаться.

Забывать о защите от избыточного давления

Объемный насос способен продолжать создавать поток при росте сопротивления нагнетательной линии. Закрытая арматура, закупорка трубопровода или застывший продукт могут привести к резкому повышению давления. Способ безопасного ограничения давления должен быть предусмотрен при проектировании системы.

Какие данные передать поставщику для точного подбора

Фраза «нужен насос для густой жидкости» почти неизбежно приводит к дополнительным вопросам. Гораздо надежнее сразу подготовить небольшое техническое задание.

• название и состав продукта;
• вязкость и единица ее измерения;
• температура, при которой измерена вязкость;
• минимальная, нормальная и максимальная рабочая температура;
• плотность;
• нужная производительность;
• требуемое давление или схема трубопровода для его расчета;
• длина, диаметр и конфигурация всасывающей и нагнетательной линий;
• положение насоса относительно резервуаров;
• характер твердых включений;
• требования к сохранению структуры продукта;
• режим работы: постоянный, периодический или дозирующий;
• требования к мойке и санитарному исполнению;
• условия окружающей среды и допустимый тип привода.

Если точная вязкость неизвестна, лучше получить ее из документации на продукт или измерить в условиях, близких к реальным. Сравнение с медом, маслом или пастой полезно только как бытовое описание и недостаточно для инженерного подбора.

Как понять, что выбранная система работает правильно

После запуска оценивают не только наличие подачи. Насос должен стабильно заполняться продуктом, обеспечивать необходимый расход и давление без недопустимой перегрузки привода, чрезмерных вибраций, перегрева и необычного шума.

Полезно сопоставить фактический режим с расчетным: расход, давление на всасывании и нагнетании, скорость вращения, электрическую нагрузку двигателя и температуру продукта. Если производительность заметно отличается от ожидаемой, причина может находиться не в самом насосе, а во всасывающей линии, изменившейся вязкости, загрязненном фильтре или другой части системы.

Для продукта, который застывает или густеет при остановке, заранее определяют процедуру останова и следующего запуска. В зависимости от технологии это может означать опорожнение, промывку, поддержание температуры или другой предусмотренный способ подготовки системы.

Какой насос выбрать в разных ситуациях

Для однородной вязкой смазывающей жидкости без абразива одним из первых кандидатов обычно становится шестеренная конструкция. Если продукт очень густой, неоднородный или содержит мягкие включения, имеет смысл рассматривать одновинтовой насос, а при плохой текучести — исполнение с принудительной подачей в рабочую часть.

Когда критична бережная обработка пищевой или другой чувствительной среды, рассматривают кулачковые и некоторые винтовые конструкции. Для загрязненных и химически активных жидкостей полезно сравнить мембранную и перистальтическую технологии. При необходимости высокого давления, точного дозирования или небольшой подачи могут применяться поршневые, плунжерные и специализированные дозировочные насосы.

Главный принцип выбора — начинать не с модели насоса, а со свойств продукта и всей гидравлической системы. Сначала определяют вязкость во всем температурном диапазоне, расход, давление, включения и условия всасывания. Затем выбирают подходящий принцип действия, проверяют материалы, привод и защиту от нештатных режимов. Для высоковязкой среды особенно полезно отдельно проверить, сможет ли продукт достаточно быстро попасть в насос: именно эта часть системы часто определяет реальную производительность всего оборудования.