1930-1950 гг.: поршневые насосы с механическим приводом
Первый промышленный насос-дозатор изобрели американцы Милтон Шин и Роберт Бец. Оборудование получило название «поршневое», так как рабочим элементом был поршень, приводимый в движение при помощи механического привода. Крутящий момент электродвигателя передавался через кривошипно-шатунный механизм на возвратно-поступательное движение поршня. Последний в свою очередь перемещался в цилиндре, снабжённом клапанами всасывания и нагнетания. Так происходило попеременное всасывание раствора в рабочую камеру насоса и его последующее вытеснение в напорный трубопровод. Производительность оборудования регулировалась ходом поршня.
Несмотря на такие преимущества, как относительно высокая точность дозирования и возможность увеличения/уменьшения рабочего пространства камеры, поршневые насосы были далеки от совершенства. Главными недостатками конструкции стали протечки агрессивных реагентов и непосредственный контакт поршня с рабочим раствором. Проблемы удалось решить внедрением разделительной мембраны, и в итоге появилось новое поколение насосов – диафрагменные.
1950-1960 гг.: мембранные технологии
Инженеры предложили отделить рабочую жидкость от поршня специальной мембраной, которая фактически заменила одну из стенок рабочей камеры. Всасывание и выталкивание вещества происходило за счёт вынужденного колебания диафрагмы, которое создавалось гидравлическим или механическим приводом.
В первом случае поршень по-прежнему перемещался в цилиндре, но заполненном машинным маслом. Таким образом, диафрагме передавалось поступательное движение. Примером подобных насосов являются гидропоршневые мембранные дозирующие агрегаты серии DMH от компании GRUNDFOS, ведущего мирового производителя насосного оборудования. Они и по сей день применяются в системах, где требуется надёжность дозировки и возможность работы под высоким давлением.
Технология работы механического привода несколько отличалась от гидравлического: мембрана дозировочного насоса приводилась в движение эксцентриком, с которым контактировал подпружиненный толкатель. Эксцентрик же вращался посредством стандартного асинхронного двигателя. Благодаря простоте конструкции и отсутствию жёстких требований к технологии изготовления, насосы-дозаторы с механическими приводами стали широко использоваться как за рубежом, так и в России. Они и по сей день являются одним из оптимальных решений для дозирования в процессах дезинфекции, коагуляции, флокуляции, осадкообразования при обработке питьевой воды, очистке стоков, подготовке моющей воды и технической жидкости в градирнях и пр.
Мембранные насосы и с гидравлическим, и с асинхронным приводами по сравнению с поршневыми агрегатами, обладали следующими преимуществами:
- возможность полного изготовления рабочей камеры из коррозионностойких материалов, способных выдерживать контакт с агрессивной средой;
- отсутствие движущихся частей в рабочей камере, т.е. исключено попадание в перекачиваемую среду механических примесей;
- отсутствие «застойных» зон в рабочей камере насоса, что позволило перекачивать жидкости, содержащие абразивы.
Для повышения надёжности насосов, в оборудование устанавливались резервные мембраны и датчики разрыва, которые оповещали обслуживающий персонал о повреждении основной диафрагмы.
Достоинства диафрагменных насосов позволили значительно расширить сферу применения дозировочного оборудования. Оно стало использоваться для подачи сверхчистых реагентов или ультрачистой воды в электронной и фармацевтической областях, а также дозирования растворов в химической промышленности. Быстрое распространение мембранных насосов-дозаторов поставило перед инженерами ещё одну задачу, а именно – совершенствование привода оборудования таким образом, чтобы можно было обеспечивать максимально непрерывную и равномерную подачу реагентов, без пульсаций, а также глубокий диапазон регулирования дозирующих насосов.
1970-1980 гг.: оборудование с электромагнитным приводом
Первой попыткой решить вопрос стабильной подачи реагентов дозировочным оборудованием стал соленоид. Мембрана приводилась в движение электромагнитом, который при подаче напряжения на обмотки высвобождал подпружиненный шток толкателя. Возврат поршня осуществлялся также при помощи пружины. Таким образом, выполнялось точное количество необходимых тактов.
У изобретателей получилось снизить пульсации до приемлемого уровня, однако только в случае если требуемая производительность была близка к максимальному значению. При необходимости она сокращалась увеличением задержки между импульсами, что приводило к появлению «мёртвых зон» в потоке, либо уменьшением длины хода плунжера, что негативно сказывалось на точности дозирования. Кроме того, электромагнитный привод требовал перекалибровки при изменении любого параметра системы.
Ещё один недостаток соленоида крылся в возникновении ударных нагрузок на мембрану и трубопровод в момент цикла нагнетания. «Жёсткие» воздействия приводили к повреждению нагнетающей линии и вызывали ускоренный выход диафрагм из строя.
1980-1990 гг.: применение синхронных и сервоприводов, частотных преобразователей
В конце XX столетия инженеры находят альтернативу соленоиду – начинается внедрение синхронных двигателей и встроенного электронного управления. Последнее позволяет принимать импульсный сигнал или сигнал от 4мА до 20 мА для включения или выключения насоса.
Передовое на тот момент оборудование сочетало в себе прочность и точность: она удерживала пульсации на низком уровне, обеспечивая высокие рабочие характеристики. Синхронный привод с электронным управлением обеспечивал простоту регулировки и точное дозирование практически в автоматическом режиме. Так, в насосах серии DMS было достаточно просто ввести требуемый расход реагента с помощью панели управления, и оборудование обеспечивало заданные параметры. Двигатель насоса работал с постоянно скоростью, останавливаясь между циклами, позволяя автоматически регулировать дозируемый объём увеличением или уменьшением частоты ходов. Диапазон регулирования производительности составлял 1:100. [Digital Dosing Pump]
Немного позже специалисты попробовали контролировать колебания мембраны за счёт изменения скорости вращения двигателя – дозировочные агрегаты стали оснащаться преобразователями частоты и сервоприводами.
2000-е гг. – наше время: цифровые технологии
Настоящий прорыв в управлении скоростью вращения двигателя совершили эксперты концерна GRUNDFOS – они наладили серийный выпуск дозировочного оборудования с шаговым двигателем. В новом поколении дозаторов мембрана и шток жёстко связаны между собой двигателем и ход диафрагмы контролируется мотором в любой момент времени. Регулирование производительности насоса осуществляется путём изменения скорости вращения двигателя в цикле нагнетания. Длина хода мембраны и скорость всасывания остаётся постоянной.
При уменьшении производительности оборудования удаётся существенно сужать зоны, в которые не попал реагент, гарантируя высокую точность дозирования. Шаговый привод позволяет изменять подачу в диапазоне от 100 до 0,1% (диапазон регулирования 1:1000). При изменении значения подачи (например, при управлении от расходомера) или противодавления насос не требует перекалибровки и сохраняет точность на уровне 1%, автоматически компенсируя появившиеся отклонения.
Конечно же, изобретатели никогда не останавливаются на достигнутом, поэтому в дополнение к шаговым приводам специалисты внедрили самые передовые интеллектуальные технологии, а именно – микропроцессорное управление насосами-дозаторами. Благодаря этому удалось увеличить диапазон регулирования до 1:3000, что примерно в 30 раз выше, чем у обычного насоса. Таким образом, одна и та же модель способна работать в диапазоне расхода от 2,5 мл/ч до 7,5 л/ч. Как следствие, снижается потребность в складских площадях, сокращается номенклатура запасных частей и вообще расширяется сфера применения дозировочных насосов в целом.
Примером современного дозировочного оборудования является линейка SMART Digital от GRUNDFOS. «В наших насосах используется интеллектуальная система Flow Control Management (или Регулирование расхода): во время дозирования датчик замеряет фактическое значение давления и отправляет данные в микропроцессор, на их основе формируется диаграмма внутреннего состояния, использующаяся для контроля процесса. Любые отклонения кривой говорят о неисправности оборудования. Кроме того, рассматриваемые насосы способны точно измерять и отображать фактический расход на ЖК-дисплее, а встроенная функция AutoFlowAdapt компенсирует изменения параметров дозируемой среды. Например, при обнаружении пузырьков воздуха автоматически изменится частота вращения двигателя и тем самым будет поддерживаться постоянный расход реагента, – говорит Николай Щербаков, инженер Департамента промышленного оборудования компании ГРУНДФОС. – Благодаря интеллектуальным функциям, насосы линейки SMART Digital гораздо эффективнее своих предшественников. Экономия реагентов может составлять до 25%, а межсервисный интервал увеличивается более чем на 50%».
Насосы линейки SMART Digital уже успешно зарекомендовали себя на множестве отечественных предприятий. Например, они используются в процессах дозирования гипохлорита натрия для дезинфекции воды на ОАО «Кингисеппский водоканал» (Ленинградская обл.). Такое решение позволило значительно улучшить качество питьевой воды в городе. По словам представителя водоканала, предпочтение цифровым насосам отдали во много и потому, что искали качественное оборудование, которое не потребует финансовых вложений в дополнительное обслуживание или ремонт. Существенную роль при подборе сыграла и модульность линейки SMART Digital – наличие в насосах взаимозаменяемых узлов и деталей позволила значительно повысить надёжность технологического процесса.
Кроме дозирования в процессах дезинфекции, сегодня цифровые насосы-дозаторы широко применяются для pH-коррекции, коагуляции, осаждения/флокуляции, фильтрации, обратного осмоса, на CIP-мойках и пр.
В 2010-х годах начался новый виток развития дозировочного оборудования – теперь главная задача производителей обеспечить наиболее простую работу со своим оборудованием начиная с процесса монтажа. Именно поэтому на рынке появились комплектные дозировочные установки, полностью готовые к подключению. А как будут развиваться технологии дальше, покажет время.
