Дозирующие насосы для систем водоподготовки

Насосы-дозаторы широко используются в установках водоподготовки питьевой и технической воды для систем водоснабжения, отопления и энергетики. Дозирующие насосы осуществляют дозирование реагентов, предназначенных для решения целого ряда технологических задач, таких как:

• коррекция солевого состава воды, контроль и поддержание в заданном диапазоне ее физико-химических параметров (рН, окислительный потенциал);
• дозирование ингибиторов для подавления коррозионной активности воды и для предотвращения образования отложений на теплопередающих поверхностях;
• дезинфекция воды.

Такие дозировочные насосы должны обеспечивать высокую точность дозирования, быть надежны и удобны в управлении, стойкими к агрессивным химическим веществам.

К сожалению, отечественные насосы-дозаторы никогда не отличались высокими надежностью и другими эксплуатационными параметрами.

Появление в 90-х годах принципиально нового поколения импортных насосов-дозаторов, имеющих высокую точность дозирования, возможность легкой и оперативной перестройки режима работы, дистанци онного управления импульсными и стандартными сигналами систем КИПиА и при этом изготовленных из пластмасс, стойких к самым агрессивным химическим реагентам, дало возможность существенно расширить область их применения, вплоть до малогабаритных бытовых устройств, домашних бассейнов и т.п. Многочисленными фирмами выпускается широчайшая номенклатура насосов-дозаторов по типажу и производительности, с возможностью программируемого ввода реагентов для автоматического поддержания заданных величин рН, концентрации активного хлора, окислительно-восстановительного потенциала и т.п.

Исходя из особенностей конструкции, можно выделить несколько основных типов дозирующих насосов:

• поршневые дозирующие насосы;
• мембранные дозирующие насосы;
• перистальтические дозирующие насосы.

Наиболее известными производителями дозировочных насосов являются « Prominent » и « Grundfos ». На рынке широко представлены более дешевые дозирующие насосы производства « EMEC », « Pulsatron », « Etatron », « Astral », « Seco », « Stenner », « Meterpump », « Grunbeck » и др. Большинство из этих насосов-дозаторов являются мембранными насосами с электромагнитным приводом. Значительно реже предлагаются и применяются перистальтические дозирующие насосы.

Поршневые дозировочные насосы

Поршневые дозирующие насосы являются самой старой традиционной конструкцией, наиболее распространенной в России. Рабочим органом поршневого дозировочного насоса является поршень из нержавеющей стали, который приводится в движение электродвигателем через редуктор с кулачковым механизмом. При возвратно-поступательном движении поршня в цилиндре, снабженном клапанами на линиях засоса и нагнетания, происходит попеременное засасывание раствора в цилиндр и его последующее вытеснение в напорный трубопровод. Производительность таких насосов-дозаторов регулируется ходом поршня в относительно небольших пределах. Давление и производительность насоса-дозатора определяются мощностью электропривода и размерами поршневой группы. Производительность может составлять сотни литров в час, а давление сотни атмосфер.

Дозирующие насосы такого типа незаменимы, когда необходимы высокие давления, для дозировки эмульсий и суспензий с высокой кинематической вязкостью (порядка 10^-4 – 10^-5 м²/с), с плотностью до 2000 кг/м³ и более.

Органическими недостатками такой конструкции являются пульсирующая подача, возможность протечек агрессивных реагентов , невозможность организации дистанционного управления расходом раствора и непосредственный контакт движущихся металлических частей с рабочими растворами.

Последний частично устраняют, используя промежуточную разделительную мембрану или сильфон. Пространство между поршнем и мембраной заполняется машинным маслом, через которое мембране сообщается колебательное движение. С транспортируемым раствором контактирует только мембрана, которая может быть изготовлена из материала, стойкого к данной среде, например, из фторопласта .

На российском рынке этот тип дозировочных насосов представлен моделями ведущих производителей: Makro /5 НМН ( Prominent ); НД, НДР, НДЭ, НДГ, НДГЗ, НДГЭ, НДС, НДСР, НДСЭ (все – ЗАО «ДНС») и др.

Мембранные дозирующие насосы

В мембранных дозирующих насосах всасывание и вытеснение раствора из рабочей камеры дозирующей головки происходит за счет вынужденного колебания мембраны, являющейся одной из стенок камеры. Как и в поршневых насосах-дозаторах, камера снабжена клапанами на линиях засоса и нагнетания.

Колебания мембраны могут быть созданы электромагнитным, электромеханическим и пневматическим приводами.

Наиболее распространены электромагнитные (соленоидные) дозирующие насосы, в которых колебательное движение передается на мембрану посредством соединенного с ней штока, движущегося в электромагнитном поле соленоида.

Регулировка дозирования осуществляется посредством изменения амплитуды и частоты хода штока. Особенности такой конструкции обусловливают примерно равную продолжительность относительно коротких периодов всасывания и нагнетания за время одного рабочего цикла.

Поскольку мощность такого привода невелика, мембранные соленоидные насосы-дозаторы применяются, как правило, при невысоких значениях противодавления – там, где не требуется большой напор и высокая производительность. В своем большинстве – это компактные аппараты, имеющие максимальную производительность до 50 л/ч, а давление до 20 бар (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Мембранный соленоидный дозирующий насос

Дозирующая головка изготавливается из пластических масс, клапана – из керамики или спецстали. Материал подбирается применительно к используемой среде. Практически во всех конструкциях дозирующих насосов используется мембрана из фторопласта, наиболее химически стойкого материала, обладающего и хорошей устойчивостью к изгибающим усилиям. Это обеспечивает длительную эксплуатацию главного рабочего органа насоса-дозатора. Считается нормальной бездефектная постоянная работа мембраны при частоте колебаний до нескольких сотен в минуту в течение года и более. При этом раствор подается практически непрерывно. В дорогих моделях дозировочных насосов немецкого производства используются композиционные мембраны, состоящие из нескольких слоев и имеющие еще большую надежность и ресурс.

Корпуса дозирующих головок изготавливают из полипропилена, ПВХ, метилметакрилата (оргстекло), ПВДФ. Для дозировки сильных окислителей, например, хлорсодержащих реагентов в высоких концентрациях, применяют головки из ПВХ, оргстекла, ПВДФ. Для менее агрессивных растворов используют более дешевые из полипропилена.

Практически все дозирующие насосы оснащаются электронными блоками управления, которые задают частоту, а иногда и амплитуду, импульсов. Они позволяют регулировать производительность насоса-дозатора в пределах 10–100% от максимальной.

Наибольший интерес представляет возможность дистанционного управления такими дозировочными насосами. Причем управляющим сигналом может быть импульсный сигнал, поступающий, например, от водяного расходомера, либо стандартный токовый сигнал 0,4–20 мА.

В моделях с импульсной системой управления дозирующий насос осуществляет подачу в соответствии с внешним сигналом от замыкающегося контакта. При работе в режиме пропорционального дозирования на каждый импульс от водосчетчика, соответствующий определенному объему воды, насос-дозатор выполняет заданное число дозирующих импульсов, подавая в трубопровод определенный объем реагента.

При необходимости поддержания заданного значения какой-либо величины, например, рН, концентрации активного хлора или редокс-потенциала, устанавливается специальный контроллер, который управляет работой дозирующего насоса в импульсном или токовом режиме.

Приборы контроля параметров среды используются стандартные или специальные малогабаритные, которые выпускаются для комплектации именно насосов-дозаторов. Причем иногда они производятся в виде моноблока, удобного в обслуживании (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Комбинированный блок для регулирования значения рН и содержания активного хлора в воде

Сравнительно недавно на отечественном рынке появилась новая разработка компании Grundfos – мембранные дозировочные насосы с шаговым электродвигателем (серия ОМЕ). В конструкции этого типа дозирующих насосов шток, движущий мембрану, другим концом крепится на эксцентрике с кулачковой передачей.

При постоянной работе шагового двигателя появляется возможность увеличить продолжительность цикла дозированной подачи настолько, что она будет значительно превышать продолжительность цикла всасывания, так что подача дозируемого вещества может осуществляться почти непрерывно. При сочетании этого механизма с цифровым управлением удается добиться большой глубины регулировки и высокой точности дозирования. Насосы-дозаторы серии ОМЕ позволяют обеспечить дозирование в диапазоне производительности от 0,002 л/ч (ОМЕ 2-18) до 48 л/ч (ОМЕ 48-3) при максимальном давлении 18 и 3 бар соответственно. При этом диапазон регулирования для всех моделей дозировочных насосов серии 1–1000.

Значительно большей производительности позволяют достичь механические мембранные дозирующие насосы, оснащенные асинхронным двигателем: до нескольких кубометров в час, а давления до 100 бар. Возможность регулировки производительности данных насосов-дозаторов значительно меньше, чем у электромагнитных дозирующих насосов.

В зависимости от дозируемой среды (ее агрессивности, вязкости и пр.) выбирается материал дозировочной головки, мембраны (ПП, ПВХ, тефлон, нержавеющая сталь и др.), обратных клапанов всасывания и нагнетания. Благодаря этому возможно дозирование водных растворов таких веществ, как кислоты (соляная до 30%, серная до 40%), перекись водорода (до 30%), едкий натр (до 40%) и др.

Мембранные дозирующие насосы с пневматическим приводом

Рис. 6.3. Схема пневматического пульсационного дозирующего насоса: 1 – рабочая камера, 2 – воздушная камера; а – всасывание, б – нагнетание

Насосы-дозаторы с пневматическим приводом – пульсационные насосы – разработаны в 60–80 гг. в России во ФГУП ВНИИНМ. Они используются в целом ряде производств для дозированной перекачки особо агрессивных, токсичных и радиоактивных растворов. Рабочим (движущимся) телом является сжатый воздух, непосредственно контактирующий с рабочим раствором. По конструкции такие дозировочные насосы похожи на клапанные поршневые, в которых роль поршня выполняет сжатый воздух. Изменяя частоту подачи и выпуска воздуха, а также амплитуду колебаний, можно регулировать производительность в широких пределах.

Разработка износоустойчивых мембран позволила создать насосы-дозаторы следующего поколения, в которых воздух приводит в движение жидкость через эластичную мембрану. Для создания практически непрерывного потока жидкости дозировочный насос имеет две рабочие камеры, мембраны которых соединены друг с другом (рис. 6.3). Каждая рабочая камера снабжена клапанами на всасывающей и напорной линиях. С другой стороны мембраны расположена воздушная камера, причем воздушные камеры мембран герметично разделены. При подаче сжатого воздуха в левую воздушную камеру, жидкость из левой рабочей камеры вытесняется в напорный трубопровод. Давление жидкости равно давлению сжатого воздуха. Одновременно левая мембрана тянет правую влево, из правой воздушной полости воздух вытесняется в атмосферу, а в рабочую зону засасывается новая порция раствора. Затем воздух подается в правую камеру и цикл повторяется. Изменяя частоту импульсов, достаточно четко регулируют производительность дозировочного насоса. Аналогичные насосы-дозаторы разработаны и за рубежом.

К сожалению, ВНИИНМ выпускает такие дозировочные насосы малыми партиями по заказу, а западные фирмы производят их серийно, причем из самых разных материалов и с широким диапазоном по производительности. Например, фирма Tapflo выпускает дозировочные насосы с производительностью до 400 л в минуту из алюминия, нержавеющей стали, различных пластиков. Последние могут работать с глубоко обессоленной водой и с любыми кислотами и щелочами.

Перистальтические дозирующие насосы

Принцип действия перистальтического насоса-дозатора понятен из рисунка 6.4. В корпусе укреплена U -образная трубка или шланг из материала с высокой износоустойчивостью. На вращающемся валу расположена планшайба с 2 или 3 обжимными роликами (башмаками). Их расстояние до стенки камеры насоса равно толщине трубки в сплющенном состоянии. При вращении вала обжимные ролики полностью пережимают трубку и перемещают содержащуюся в ней жидкость от всасывающего патрубка к нагнетательному. Регулируя скорость вращения, можно плавно изменять производительность дозировочного насоса. Ступенчатое изменение производится при замене трубки на другой диаметр.

Рис. 6.4. Фазы работы перистальтического насоса

Поскольку трубка всегда пережата как минимум в 1 сечении, обратный поток жидкости невозможен и отпадает необходимость в обратных клапанах. Такие насосы-дозаторы сами засасывают жидкость из расходных емкостей. При установке на одной оси дозировочного насоса нескольких дозирующих головок обеспечивается подача всех необходимых реагентов.

Перистальтические насосы-дозаторы обеспечивают наиболее равномерную подачу жидкости. Отсутствие непосредственного контакта жидкости с движущимися частями обеспечивает ее стерильность. Химическая стойкость определяется только стойкостью материала трубки.

К недостаткам перистальтических дозировочных насосов относится относительно низкое давление – до 1,75 атм для стандартных насосов – и недостаточная надежность трубок.

Существуют перистальтические дозировочные насосы и с большим рабочим давлением, но их стоимость выше.