Что такое мембранный насос? Принцип работы, типы, преимущества, ограничения и выбор
Мембранный насос — это объёмный насос. Гибкая мембрана совершает возвратно-поступательное движение и вместе с двумя обратными клапанами на входе и выходе всасывает жидкость или газ через вход и вытесняет их через выход.
Перекачиваемая среда контактирует только с рабочей камерой, мембраной и клапанами и не касается двигателя, подшипников и других деталей привода. Динамических уплотнений нет, поэтому мембранный насос мало склонен к утечкам и подходит для агрессивных сред, сред, чувствительных к загрязнению, и сред, требующих чистоты.
Принцип работы одинаков и у крупного пневматического мембранного насоса, перекачивающего шлам на химическом заводе, и у миниатюрного мембранного насоса, подающего от нескольких до сотен миллилитров в минуту внутри прибора.
01Как работает мембранный насос?
Каждый рабочий цикл мембранного насоса состоит из такта всасывания и такта нагнетания. Среда перемещается за счёт изменения объёма камеры и согласованной работы двух обратных клапанов.
- Такт всасывания: мембрана опускается, объём камеры увеличивается, давление падает. Под действием перепада давления впускной обратный клапан открывается, выпускной остаётся закрытым, и среда поступает в камеру.
- Такт нагнетания: мембрана поднимается, объём камеры уменьшается, давление растёт. Выпускной обратный клапан открывается, впускной закрывается, и среда вытесняется из камеры.
Такты непрерывно чередуются и создают непрерывный, но пульсирующий поток. Однокамерный насос подаёт среду только в такте нагнетания, поэтому пульсации заметны; двухмембранные и многокамерные конструкции нагнетают поочерёдно и дают гораздо более равномерный поток.
Основные детали
- Мембрана: отделяет среду от привода и, многократно деформируясь, изменяет объём камеры. Чаще всего применяются EPDM, FKM и PTFE; материал выбирают по агрессивности и температуре среды.
- Обратные клапаны: пропускают среду только в одном направлении. Герметичность клапанов напрямую влияет на самовсасывание и фактический расход.
- Головка насоса: корпус, образующий камеру и контактирующий со средой. Обычно её изготавливают из инженерных пластиков — PP, PPS или PVDF; в промышленных насосах применяют также алюминиевый сплав и нержавеющую сталь.
- Приводной механизм: источник движения мембраны — двигатель с эксцентриком или шатуном, сжатый воздух или электромагнит. Тип привода определяет тип мембранного насоса.
От чего зависит расход?
Теоретический расход мембранного насоса равен рабочему объёму за один ход, умноженному на частоту ходов. После установки фактический расход зависит также от высоты всасывания, противодавления на выходе, диаметра трубок и вязкости среды и обычно ниже свободного расхода, указанного в каталоге.
Поэтому при выборе нужно смотреть на кривую расхода и давления насоса и проверять, какой расход сохраняется при реальном давлении в тракте, а не ориентироваться только на максимальный расход.
Ниже — расходно-напорная характеристика миниатюрного мембранного насоса для жидкостей FOREACH DPL30. При нулевом давлении расход немного превышает 300 мл/мин; при росте противодавления на выходе до 100 кПа он падает примерно до 160 мл/мин — почти вдвое. Расход снижается и при росте разрежения на входе (большая высота всасывания или большее сопротивление на входе).
Потери давления в трубках можно оценить с помощью калькулятора гидравлического сопротивления по диаметру, длине и расходу, а затем найти на кривой расход при этом давлении.
02Какие бывают мембранные насосы?
| Тип | Привод | Диапазон расхода | Типичное применение |
|---|---|---|---|
| Пневматический двухмембранный насос (AODD) | Сжатый воздух попеременно приводит две мембраны | Большой: от десятков до сотен литров в минуту | Химикаты, лакокрасочные материалы, сточные воды, шламы |
| Электрический мембранный насос | Двигатель приводит мембрану через эксцентрик или шатун | Очень широкий: от нескольких миллилитров до десятков литров в минуту | Перекачка внутри оборудования, распыление, водоочистка |
| Электромагнитный мембранный насос / мембранный дозирующий насос | Электромагнит или двигатель; регулируемые длина и частота хода | Малый и средний, приоритет — точность дозирования | Дозирование реагентов в водоподготовке, подача химикатов |
| Мембранный вакуумный насос / газовый насос | Привод от двигателя; перекачивает газ | Указывается быстрота откачки | Вакуумная фильтрация в лаборатории, отбор проб газа, вакуумное отсасывание жидкости |
| Миниатюрный мембранный насос | Уменьшенная версия электрического насоса со щёточным или бесщёточным двигателем постоянного тока | От нескольких до сотен миллилитров в минуту (жидкость) | Аналитические приборы, лабораторная автоматизация, экологический мониторинг, чернильные системы |
Пневматические двухмембранные насосы (AODD)
Насос AODD попеременно приводит две мембраны сжатым воздухом: пока одна всасывает, другая нагнетает. Электричество ему не нужно, поэтому он подходит для взрывоопасных зон и способен перекачивать шламы с частицами и высоковязкие жидкости. Недостатки — обязательный источник сжатого воздуха, большой расход воздуха и шумный выхлоп.
Электрические мембранные насосы
В электрическом мембранном насосе двигатель через эксцентрик или шатун сообщает мембране возвратно-поступательное движение. Расход определяется скоростью двигателя и регулируется напряжением питания или драйвером. Крупные электрические мембранные насосы применяются для промышленной перекачки, малые встраиваются в самое разное оборудование.
Электромагнитные и дозирующие мембранные насосы
Электромагнитный мембранный насос толкает мембрану электромагнитом и совершает один ход на каждый электрический импульс. Дозу регулируют частотой импульсов и длиной хода. Мембранные дозирующие насосы ориентированы на точность дозирования и широко применяются для дозирования реагентов в водоподготовке и подачи химикатов.
Мембранные вакуумные и газовые насосы
Такие мембранные насосы перекачивают газ. В камере нет масла, поэтому откачиваемый газ не загрязняется маслом. Их используют для вакуумной фильтрации в лаборатории, отбора проб газа и вакуумного отсасывания жидкости в оборудовании.
Миниатюрные мембранные насосы
Миниатюрные мембранные насосы компактны, потребляют мало энергии и питаются постоянным током, поэтому легко встраиваются в приборы и оборудование. При выборе важны три различия:
- Жидкостные и газожидкостные насосы: жидкостные перекачивают жидкость для промывки, подпитки и циркуляции. Газожидкостные способны откачивать газ и жидкость одновременно и подходят для отсасывания отходов и вакуумного отсасывания жидкости.
- Щёточный или бесщёточный двигатель: бесщёточный служит дольше и работает тише, поэтому подходит для длительной непрерывной работы; щёточный проще и дешевле и подходит для периодического режима.
- Стандартное или высокое давление: для трактов с большим противодавлением на выходе — тонкие трубки, длинные линии, форсунки — нужна модель высокого давления.
Миниатюрные мембранные насосы FOREACH делятся по тем же трём признакам: DPL30 (300 мл/мин) и DPL60 (600 мл/мин) — жидкостные насосы стандартного давления с номинальным давлением 100 кПа; DPL30H — жидкостный насос высокого давления с номинальным давлением 600 кПа. Все три серии выпускаются со щёточным или бесщёточным двигателем. DPGL800 — бесщёточный газожидкостный мембранный насос на 24 В с расходом газа без нагрузки 6 л/мин на головку для откачки отходов и вакуумной аспирации; для перекачки чистой жидкости он не предназначен.
03Преимущества и ограничения мембранных насосов
Главные преимущества мембранного насоса — надёжная герметичность и самовсасывание, главные ограничения — пульсирующий расход и его зависимость от противодавления. Перед выбором стоит взвесить и то, и другое.
Преимущества
- Нет динамических уплотнений, низкий риск утечек: мембрана отделяет среду от привода, поэтому нет уплотнений вала и подобных мест протечек.
- Самовсасывание: при пуске насос сначала откачивает воздух из всасывающей линии, а затем поднимает жидкость; предварительная заливка не нужна. Однако высота всасывания ограничена: у миниатюрных насосов обычно всего несколько метров водяного столба.
- Большинство моделей допускает кратковременную работу всухую: временное отсутствие жидкости в линии обычно не повреждает насос; допустимые пределы указаны в руководстве по эксплуатации.
- Перекачка газа и газожидкостной смеси: газожидкостные модели можно сразу применять для отсасывания отходов и вакуумного отсасывания жидкости.
- Выбор материалов, контактирующих со средой: мембрану, клапаны и головку подбирают под среду — кислоты, щёлочи, растворители и различные реагенты.
- Низкий сдвиг: насос меньше перемешивает среду и создаёт меньшие сдвиговые нагрузки, чем шестерённый или центробежный, что важно для сред, чувствительных к сдвигу.
Ограничения
- Пульсирующий расход: для трактов, требующих равномерного потока, нужен демпфер пульсаций или многокамерный насос.
- Расход зависит от противодавления: чем тоньше и длиннее трубки, тем ниже фактический расход. Для точного дозирования лучше подходят поршневые или шприцевые насосы.
- Шум и вибрация: способ монтажа и виброизоляция заметно влияют на шум всего оборудования.
- Износ мембраны и клапанов: это быстроизнашивающиеся детали, и их ресурс зависит от условий работы и типа двигателя.
- Миниатюрные насосы чувствительны к частицам и высокой вязкости: зазоры в клапанах малы, поэтому для сред с частицами, высоковязких или легко испаряющихся сред пригодность нужно проверить заранее.
04Где применяются мембранные насосы?
| Область | Задача мембранного насоса |
|---|---|
| Аналитические приборы | Подача промывочного раствора, подпитка, циркуляция, отсасывание отходов; промывка иглы в жидкостной хроматографии |
| Экологический мониторинг | Отбор проб воды, подача реагентов, слив; отвод конденсата при подготовке газовых проб |
| Лабораторная автоматизация | Промывка планшетов в промывателях микропланшетов; очистка оборудования для пробоподготовки |
| Науки о жизни | Смена среды в клеточных культурах, автоматическая промывка, обработка отходов |
| Синтетическая биология | Подача сред и отвод отходов в микробиореакторах |
| Диагностика in vitro (IVD) | Промывка и отходы в биохимических, гематологических, иммунологических и коагулометрических анализаторах |
| Печать и чернильные системы | Циркуляция подачи и возврата чернил, предотвращающая оседание белых и других чернил |
В одном и том же приборе промывка, подпитка и отсасывание отходов часто предъявляют к насосу разные требования: для промывки важны расход и давление, для отсасывания отходов — способность работать с газожидкостной смесью. Насос лучше подбирать для каждой задачи отдельно.
05Как выбрать мембранный насос?
Не выбирайте мембранный насос только по максимальному расходу из каталога. Исходите из среды и реального тракта и последовательно проверьте следующие пункты:
- Какая среда: жидкость, газ или газожидкостная смесь; агрессивна ли она и есть ли в ней частицы; какова вязкость и температура. От этого зависят тип насоса и материалы, контактирующие со средой.
- Какой нужен расход: считайте по реальной рабочей точке после установки и закладывайте запас, а не сравнивайте напрямую свободный расход из каталогов.
- Какова высота всасывания и противодавление: высота подъёма на входе и сопротивление на выходе определяют выбор между стандартной моделью и моделью высокого давления.
- Совместимы ли материалы, контактирующие со средой: проверяйте мембрану, клапаны и головку по отдельности, а не что-то одно.
- Двигатель и управление: щёточный или бесщёточный, напряжение питания, нужны ли регулировка скорости и сигнал состояния.
- Режим работы и ресурс: непрерывный или периодический режим, сколько часов в сутки; оценивайте ресурс по реальным условиям работы.
- Монтаж и трубки: шум, вибрация, пульсации, диаметр трубок и наличие вентиляции у ёмкости.
Материалы, контактирующие со средой
| Материал | Где применяется | Сильные стороны | На что обратить внимание |
|---|---|---|---|
| EPDM (этилен-пропилен-диеновый каучук) | Мембрана, клапаны | Стоек к воде, разбавленным кислотам и щелочам, спиртам; подходит для водных сред | Нестоек к минеральным маслам, топливу и углеводородным растворителям |
| FKM (фторкаучук) | Мембрана, клапаны | Стоек к маслам, топливу и большинству кислот | Нестоек к кетонам (например, ацетону), аминам и сильным щелочам |
| FFKM (перфторэластомер) | Клапаны, уплотнения | Химическая стойкость близка к PTFE при сохранении эластичности резины | Высокая стоимость |
| PTFE (политетрафторэтилен) | Мембрана | Высокая инертность; стоек к большинству сильных кислот, щелочей и органических растворителей | Менее эластичен, чем резина |
| PPS (полифениленсульфид) | Головка насоса | Термо- и химически стоек, стабилен по размерам | К концентрированной соляной кислоте, пероксиду водорода и подобным средам стоек лишь ограниченно |
| PP (полипропилен) | Головка насоса | Стоек к кислотам, щелочам и обычным органическим растворителям; недорог | Ниже допустимая температура; нестоек к ксилолу, дихлорметану и подобным растворителям |
| PVDF (поливинилиденфторид) | Головка насоса | Химически стоек, хорошие механические свойства | К кетонам (например, ацетону) стоек лишь ограниченно |
Миниатюрные мембранные насосы FOREACH для жидкостей (DPL30, DPL60 и DPL30H) имеют головку из PPS и два варианта материалов, контактирующих со средой: мембрана из EPDM с клапанами из EPDM или мембрана из PTFE с клапанами из FFKM. Для очищенной воды начните с варианта EPDM; для реагентов и моющих растворов проверьте оба варианта по фактическому составу, концентрации и температуре — с учётом жидкостей, применяемых при промывке.
Конкретную среду можно проверить в таблице совместимости материалов для PPS, PTFE и других материалов; как выбрать между двумя вариантами — в статье «Материалы миниатюрных мембранных насосов: что учитывать при выборе?».
На этапе прототипа лучше измерить расход и давление в реальном тракте и утверждать конструкцию только после проверки результатов.
06Итоги
Мембранный насос перекачивает среду за счёт возвратно-поступательного движения мембраны и двух обратных клапанов. Он надёжно герметичен, способен к самовсасыванию и широко применяется — от промышленной перекачки до жидкостных систем приборов. При выборе сначала определите среду и реальную рабочую точку, затем проверьте материалы, двигатель и условия монтажа.
Если вы подбираете миниатюрный мембранный насос для своего оборудования, FOREACH предлагает миниатюрные мембранные насосы для жидкостей и газожидкостных сред. Сообщите нам среду, целевой расход и параметры тракта, и наши инженеры помогут определить рабочую точку и подходящую модель.
Читайте также
- Как читать расходно-напорную характеристику мембранного насоса
- Материалы миниатюрных мембранных насосов: что учитывать при выборе?
- Миниатюрный мембранный или перистальтический насос: плюсы, минусы и выбор для приборов
- Как уменьшить пульсации расхода миниатюрного мембранного насоса: измерение и практические меры
- Как выбрать самовсасывающий миниатюрный мембранный насос для жидкости: высота всасывания и время запуска
- Почему ресурс щёточного мембранного насоса составляет около 3000 часов, а бесщёточного — около 10 000 часов?
07Частые вопросы
Может ли мембранный насос работать всухую?
Большинство мембранных насосов не повреждаются при кратковременной работе всухую, поскольку у них нет динамических уплотнений, смазываемых жидкостью. Однако длительная работа всухую ускоряет износ мембраны и клапанов; допустимые пределы указаны в руководстве по эксплуатации.
Является ли мембранный насос самовсасывающим?
Да. Он способен поднять жидкость, даже если во всасывающей линии есть воздух, но высота всасывания ограничена. У миниатюрных мембранных насосов FOREACH для жидкостей она составляет 6 м вод. ст. для DPL30 и 3 м вод. ст. для DPL60 и DPL30H. Если самовсасывание ухудшилось, частые причины — подсос воздуха на входе или износ клапанов.
Почему после установки расход ниже номинального?
Номинальный расход обычно указывается как свободный, без противодавления. После установки диаметр и длина трубок, высота всасывания и противодавление снижают расход; уменьшают его также невентилируемая ёмкость и подсос воздуха на входе.
Что выбрать: мембранный или перистальтический насос?
Перистальтический насос перекачивает среду, пережимая гибкую трубку; расход напрямую связан со скоростью вращения, но трубку нужно регулярно менять. Мембранному насосу замена трубки не нужна, он хорошо самовсасывает, но его расход пульсирует. Для дозирования чаще применяют перистальтические насосы, а для длительной перекачки, промывки и отсасывания отходов с минимальным обслуживанием — мембранные.
Чем пневматический мембранный насос отличается от электрического?
Пневматический мембранный насос приводится сжатым воздухом, обеспечивает большой расход и применяется в основном для промышленной перекачки. Электрический приводится двигателем, может быть очень компактным и легко управляется, поэтому подходит для встраивания в приборы и оборудование.
Подходит ли мембранный насос для точного дозирования?
Расход обычного мембранного насоса зависит от противодавления, поэтому он не подходит для высокоточного дозирования. Для точного дозирования выбирайте мембранный дозирующий, поршневой или шприцевой насос.
Каков ресурс мембранного насоса?
Он зависит в основном от типа двигателя и условий работы. У миниатюрных мембранных насосов FOREACH номинальный ресурс щёточных версий — около 3000 часов, бесщёточных — около 10 000 часов; непрерывная работа, высокое противодавление и высокая температура сокращают фактический ресурс.