Рассмотрим один из наиболее распространенных типов дозировочных насосов - мембранные дозировочные насосы. Насосы этого типа используются для дозирования жидкостей с вязкостью не выше 3000 мПа•с. Производительность таких насосов - от 0,002 до 1000-2000 л/ч на одну дозирующую головку (существуют многоголовочные насосные агрегаты, позволяющие получить большую производительность). Для того чтобы сузить область рассмотрения, возьмем диапазон производительности насосов от 2 мл/ч (0,002 л/ч) до 1000 л/ч и давление до 10 бар. Проточная часть мембранных дозировочных насосов у большинства производителей мало отличается по конструкции. Она представляет собой замкнутый объем (камеру), отделенный от привода герметичной мембраной (как правило, покрытой тефлоном и армированной), и систему клапанов на входе и выходе из камеры (рис. 1). На входе и выходе могут устанавливаться один или два шариковых или тарельчатых клапана. В зависимости от задач, стоящих перед насосом, они могут быть подпружиненными или опускаться под собственным весом. (Кроме силы тяжести на шарики клапана также действует перепад давления, который создается при работе насоса, см. рис. 2.) Также в проточной части насоса может быть предусмотрен воздушный клапан для выпуска воздуха в момент запуска насоса (для облегчения заливки) и при завоздушивании дозирующей головки. У насосов, работающих в ответственных областях, могут устанавливаться дополнительные мембраны, которые вступают в работу при разрыве основной мембраны, и датчики разрыва мембраны, которые оповещают обслуживающий персонал о разрыве. В целом данная конструкция проточной части обеспечивает герметичность дозирующей головки и препятствуют попаданию перекачиваемой жидкости в окружающую среду или подсасыванию воздуха в дозировочную систему. Управление насосами как правило также отвечает общепринятым стандартам. Существует возможность ручного управления с помощью ручки (либо кнопок на панели управления), импульсное управление (например, от расходомера) и управление по токовому сигналу 4-20 мА в различных комбинациях (0-20,20-0,4-20,20-4 мА). У наиболее передовых производителей существуетвозможность установки в насос шины связи для обмена данными по протоколам PROFIBUS либо GENIBUS. Сам процесс дозирования обеспечивается либо чисто механически (в случае асинхронного двигателя с червячным приводом), либо с помощью электронных контроллеров различной степени сложности (электромагнитные насосы и насосы с шаговым двигателем). Следует отметить, что в случае применения контроллера управление насосом существенно облегчается. Так, на данный момент уже существуют дозировочные насосы, у которых текущая производительность отображается непосредственно на дисплее в л/ч либо в мл/ч. Наиболее существенные отличия мембранных дозировочных насосов различных производителей лежат в области привода. Здесь необходимо сказать несколько слов о теории дозирования. Технологические процессы в большинстве случаев требуют стабильного снабжения такими химикатами, как кислоты, щелочи, красители, ароматизаторы, коагулянты и т.п. Термин "стабильное" относится, строго говоря, к непрерывной, равномерной подаче вышеназванных веществ (наиболее близкая аналогия, которая здесь напрашивается, это "равномерно вытекающая вода из водопроводного крана"). Для техпроцессов, время реакции или производственного цикла которых составляет от нескольких минут до нескольких часов, секундные колебания в целом не создают существенной проблемы. Таким образом, вопрос о том, следует ли рассматривать процесс дозирования как стабильный или нестабильный, является, в сущности, вопросом длительности цикла дозирования. Если в общем цикл дозирования занимает всего лишь несколько секунд, то отклонения процесса дозирования в течение секунды были бы недопустимы. Однако если эти колебания оказываются очень кратковременными по сравнению со временем всего процесса дозирования и результаты соответствуют стабильному процессу дозирования, можно говорить о "квазистабильном" дозировании. Квазистабильное дозирование можно рассматривать как стабильное в том случае, когда обеспечены условия, при которых в момент контрольного испытания поданное дозирующим устройством количество вещества соответствует требуемому объему дозирования. График работы насосов мембранного типа с асинхронным двигателем характеризуется синусоидой (крайний правый график на рис. 2), а насосов с импульсным двигателем - прямоугольными импульсами (средний график на рис. 2). Подробнее эти графики будут рассмотрены далее. В данном диапазоне производительности и давления для мембранных дозировочных насосов широко применяются следующие типы приводов: электромагнитный, шаговый, асинхронный (или синхронный) и гидравлический или пневматический привод. Рассмотрим принцип действия каждого типа приводов. Электромагнитный привод Мембрана дозировочного насоса приводится в движение электромагнитом, который при подаче напряжения на обмотки "выстреливает" шток, который упирается в мембрану. Возврат штока с мембраной осуществляется с помощью пружины. Данный тип приводов получил широкое распространение благодаря своей дешевизне и надежности. Некоторое время назад насосы с электромагнитным приводом были наиболее удобным вариантом при дозировании до 100 л/ч и получили широкое распространение по всему миру и, в частности, в России. Регулирование производительности насосов с приводом этого типа осуществляется, как правило, двумя способами - изменением частоты ходов и изменением длинны хода. Благодаря использованию этих механизмов можно достичь требуемой производительности при приемлемом уровне пульсаций, в случае, если требуемая производительность близка к максимальной производительности насоса. Некоторые сложности начинаются при уменьшении производительности. При этом вы вынуждены либо увеличивать задержку между импульсами, что соответственно приводит к увеличению "мертвых зон" в потоке (в которые не попал реагент), либо уменьшать длину хода штока, что приводит к уменьшению точности дозирования и увеличивает возможность загазовывания дозирующей головки насоса. Одной из особенностей данного типа привода является необходимость перекалибровки насоса при изменении производительности, противодавления или любого другого параметра системы. Такой тип привода также достаточно "жестко" относится к мембране насоса и гидросистеме, т.к. в момент цикла нагнетания возникают ударные нагрузки на мембрану и трубопровод, что может приводить к повреждению нагнетающей линии и вызывает ускоренный выход мембраны из строя. Шаговый привод Данный тип привода является одной из последних разработок в дозировочной технике. В данном приводе мембрана и шток жестко связанны с двигателем и ход мембраны контролируется двигателем в любой момент времени. Впервые шаговый привод для серийно выпускаемых дозировочных насосов применен компанией GRUNDFOS. Несмотря на то, что стоимость насосов с таким приводом несколько выше стоимости насосов с электромагнитным приводом, это полностью оправдывается дополнительными возможностями, которые позволяет реализовать шаговый двигатель. У шагового двигателя существует возможность изменять скорость вращения в любой момент времени. Изменение производительности насоса осуществляется за счет изменения скорости вращения двигателя в цикле нагнетания. При этом длина хода мембраны и скорость всасывания остается постоянной. Это дает возможность при уменьшении производительности насоса существенно сужать зоны, в которые не попал реагент, гарантируя при этом высокую точность дозирования, и снижать вероятность завоздушивания дозировочной головки. Благодаря возможности изменения скорости вращения двигателя в широком диапазоне, данный тип привода позволяет изменять подачу от 100 до 0,1 % (диапазон регулирования 1:1000) при сохранении постоянной высокой точности дозирования. При изменении значения подачи (например, при управлении от расходомера) или при изменении противодавления насос не требует перекалибровки и сохраняет точность на уровне 1 %, автоматически компенсируя появившиеся отклонения. К сожалению, насосы с таким типом привода недостаточно широко распространены на российском рынке, но, тем не менее, они начинают применяться все чаще в различных областях промышленности. В частности, успешный опыт применения цифровых дозировочных насосов GRUNDFOS типа DME с шаговым приводом был получен при организации систем водоподготовки на отечественных предприятиях. Асинхронный привод Данный привод получил широкое распространение как в России, так и за рубежом благодаря простоте конструкции и отсутствию жестких требований к технологии изготовления насосов с таким типом привода. Например, таким приводом оснащены широко известные насосы марки НД. Зарубежные аналоги имеют более сложную конструкцию и могут, в том числе, быть мембранными. Основной принцип работы насоса, на котором построено движение плунжера или диафрагмы, остается постоянным. Редукторы обычных насосов-дозаторов чаще всего сконструированы таким образом, что частота вращения электродвигателя привода через одноступенчатую червячную передачу снижается до оборотов, обеспечивающих требуемую частоту ходов, преобразуясь в осциллирующее движение. Осциллирующее, т.е. возвратно-поступательное движение формируется с помощью эксцентрика. У таких насосов и у насосов с более низкой подачей в диапазоне до 1000 л/ч с эксцентриком контактирует подпружиненный толкатель, который в свою очередь приводит в движение плунжер или диафрагму. Для регулирования производительности насосы-дозаторы оснащаются подвижным упором, устанавливаемым в требуемое положение для ограничения величины обратного хода толкателя. Это позволяет плавно регулировать длину хода в диапазоне от 0 до 100 %. Правда, на практике количественное регулирование следует применять только при длине хода свыше 10 %, т.к. при установке меньших значений подача начинает сильно зависеть от противодавления. Привод с подпружиненным толкателем работает по синусоидальной характеристике лишь при 100 %-й длине хода, а при пониженной производительности его замедление или ускорение происходит почти мгновенно. В результате получаем почти импульсный характер дозирования. Преимущество перед другими типами приводов состоит в невысокой стоимости конструкции и большей передаваемой мощности. При изменении производительности для таких насосов также необходима калибровка. Кроме того, для того, чтобы получить возможность дистанционного управления данным типом насосов, необходимо применять дополнительное оборудование, например частотные преобразователи или сервопривод. Существует также более сложная модификация данного типа привода, а именно привод с изменяемой амплитудой. Гидравлический и пневматический типы приводов дозировочных насосов не получили широкого распространения из-за функциональных ограничений. Влияние типа привода дозировочного насоса на технологический процесс Если нам необходимо дозировать в емкость, в которой впоследствии происходит реакция, тип привода не очень важен (хотя тип привода может оказаться решающим аргументом при работе с загазованными или высоковязкими жидкостями, либо при необходимости существенного изменения производительности насоса в зависимости от внешних факторов). Основные же отличия привода проявляются при дозировании реагента в поток. Возьмем случай работы насоса на 30 % максимальной производительности (при таком режиме, наиболее просто оценить принципиальные отличия). Рассмотрим графики характеризующие работу насоса - см. рис. 10. Общее время цикла складывается из времени всасывания (Твсас. = const), времени нагнетания (Тнагн. = const) и времени задержки между циклами (Тзадержк. = var). Основной поток в трубопроводе идет непрерывно, в то время как реагент попадает в поток с пульсациями. Строго говоря, реагент отсутствует в потоке во время цикла всасывания и задержки между циклами (Твсас. + + Тзадержк.) и присутствует в потоке во время цикла нагнетания (Тнагн.). Несмотря на то, что течение в потоке как правило турбулентное и можно дополнительно использовать смесители потока, распределение реагента в потоке остается неравномерным. Для данного случая (Тнагн. ???Твсас. + + Тзадержк.), т.е. большую часть времени реагент в поток не подается. В качестве частичного решения используется уменьшение длины хода штока, для того, чтобы увеличить частоту ходов и соответственно уменьшить неравномерность распределения реагента (см. рис. 11). В данном случае время нагнетания постоянно (Тнагн. = const), время цикла всасывания (Твсас. = const) + время задержки между циклами (Тзадержк. = var) сравнимы. Тем не менее, время нагнетания все равно остается меньше суммы времен всасывания и задержки (Тнагн. ??Твсас. + Тзадержк.). По логике, при регулировании производительности только изменением длинны хода штока, с сохранением максимальной частоты ходов, мы можем получить практически непрерывный процесс, в котором время задержки стремится к нулю (Тзадержк. ??0), но, к сожалению, возможности данного типа регулирования ограничены принципом работы мембранного насоса и уменьшение длины хода штока более 50 % приводит к резкому падению точности дозирования и увеличению вероятности загазовывания дозирующей головки. Для асинхронного двигателя ситуация с работой при полной длине рабочего хода несколько иная (рис. 12). В случае использования частотного регулирования, двигатель уменьшает скорость вращения. Таким образом, время всасывания (Твсас. = var) и время нагнетания увеличиваются (Тнагн. = var), т.е. при максимальной длине хода штока время задержки равно нулю (Тзадержк. = 0). В связи с замедлением двигателя увеличивается время нагнетания (Тнагн. ???) но более равномерного распределения реагента в потоке не происходит, т.к. время всасывания (Твсас. ???) также увеличивается. При изменении длины хода штока мы получаем такую же ситуацию, как и с описанным выше электромагнитным приводом (см. рис. 11). В общем случае, при использовании традиционных типов привода, задача технолога следящего за процессом или подбирающего насос выбрать "из двух зол". При использовании шагового привода мы получаем принципиальное отличие вида графика (рис. 13). Шаговый привод всегда использует максимальную длину хода штока. Таким образом, для насоса с шаговым приводом время задержки всегда равно нулю (Тзадержк. = 0). Так как насос меняет скорость вращения электродвигателя только во время цикла нагнетания, время всасывания остается постоянным* (Твсас. = const), а время нагнетания существенно увеличивается (Тнагн. ???). Таким образом, с уменьшением производительности насоса происходит все более равномерное распределение реагента в потоке (Тнагн. ?? Твсас. + Тзадержк.). Таким образом, при дозировании в поток, шаговый привод обеспечивает гораздо более равномерное распределение реагента в потоке. Несомненно, существуют различные способы снижения пульсаций потока для насосов с традиционными типами приводов (такие как демпферы пульсаций или гидроаккумуляторы), но данные решения существенно удорожают дозировочную систему в целом и не всегда позволяют полностью снять проблему пульсаций. Кроме того, цифровые дозировочные насосы с шаговым приводом обладают еще целым рядом преимуществ, многие из которых доступны только благодаря использованию шагового двигателя. ??Функция "антикавитация" - для работы с высоковязкими и загазованными жидкостями при использовании которой,скорость движения мембраны в цикле всасывания можно уменьшать для предотвращения разрыва сплошности жидкости; ??Отсутствие "ударной" нагрузки на линию нагнетания и мембрану в момент начала цикла нагнетания; ??Глубина регулирования 1:1000, т.е. изменение производительности насоса в процессе работы без перекалибровки от 100 % до 0,1 % максимальной производительности насоса. * Скорость всасывания может быть уменьшена при использовании функции "антикавитация" для перекачивания высоковязких и загазованных жидкостей. РИСУНКИ: 1~1~; 2 ~2~; 3~3~;4~4~; 5~5~; 6~6~;7~7~; 8~8~; 9~9~;10~10~; 11 ~11~;12~12~;13~13~; Мембранная дозирующая головка~15~ ТАБЛИЦА: 1~14~;