Двогвинтові насоси

Двогвинтовий насос для перекачування середовищ зі змінною в’язкістю

Середовища зі змінною в’язкістю і вимоги до насоса

Йогурт після ферментатора, мазут у котельні, глазур на кондитерській лінії — в’язкість цих продуктів змінюється в кілька разів упродовж процесу. У мазуту залежність від температури настільки крута, що охолодження лінії на 30 °C загущує його в 10–50 разів. Відцентровий насос у таких умовах сходить із робочої точки і втрачає подачу. Об’ємні насоси інших типів подачу тримають, але кожен замкнений у своєму діапазоні в’язкості. Двогвинтовий насос створювався під задачі, де середовище на початку зміни тече як вода, а під кінець — як паста: він перекриває діапазон від часток сантипуаза до сотень тисяч. Щоб зрозуміти, звідки береться така широта діапазону, достатньо поглянути на геометрію проточної частини.

Принцип роботи і незалежність подачі від в’язкості

Робочі органи — два гвинти, профілі яких входять у зачеплення без дотику. Вали обертають синхронізувальні шестерні, винесені в окрему масляну камеру; вони ж утримують зазори між гвинтами і корпусом у межах 0,1–0,2 мм. Витки утворюють замкнені камери. Під час обертання камери переміщуються вздовж осі від всмоктувального патрубка до нагнітального, і за кожен оберт витісняється фіксований об’єм. Подача визначається обертами, а не опором мережі — у цьому принципова відмінність від відцентрової схеми.

Об’ємний ККД справної гвинтової пари — 85–95 %. Решта — проковзування: зворотне перетікання рідини через зазори під дією перепаду тиску. На в’язких середовищах зазори ущільнюються самим продуктом, і перетікання майже зникає. На малов’язких воно росте, тому воду і розчинники перекачують на підвищених обертах — зворотному перетіканню залишається менше часу. Потік на виході не пульсує. Продукт рухається вздовж осі без стискання і різких змін напрямку, тому зсувні навантаження мінімальні. Насос самовсмоктувальний і переносить газовміст до 60 % об’єму без зриву подачі. Найповніше ці властивості розкриваються там, де одна машина має перекачувати і продукт, і мийний розчин.

Один насос для продукту і для CIP-мийки

У гігієнічному виконанні двогвинтова схема розв’язує задачу, недоступну більшості об’ємних машин: перекачування продукту і прокачування мийних розчинів одним обладнанням. Продукт подається на низьких обертах, з мінімальним зсувом — сирний згусток і фруктові наповнювачі доходять до фасування без руйнування структури. CIP-мийці потрібна турбулентність. Той самий насос розганяється частотним перетворювачем до 2500–3000 об/хв і працює зворотним насосом CIP-контуру; окрема відцентрова машина для мийки та її обв’язка зі схеми виключаються.

За суміщення доводиться платити приводом. Двигун і перетворювач підбирають із запасом потужності: на низьких частотах падає обдув самовентильованого двигуна, на високих обертах по воді росте споживання на створення напору. Двогвинтові насоси гігієнічних серій випускають на подачі до 300 м³/год і тиски 16–25 бар; великі типорозміри пропускають включення до 40 мм. Виконання сертифікується за EHEDG і 3-A, матеріали контактних частин відповідають вимогам FDA. Зовсім інші вимоги висуває нафтова сторона застосування.

Нафтопродукти і мультифазні потоки

В енергетиці й нафтопереробці за двогвинтовою схемою закріплені темні нафтопродукти: мазут, бітум, гудрон. Складність цих середовищ — не агресивність, а реологія. Насос, підібраний на мазут при +100 °C, після простою лінії зустрічає середовище в десятки разів густіше — об’ємний принцип дає змогу продовжити перекачування, зміниться лише споживана потужність. Для бітуму корпуси виконують із сорочками парового або масляного обігріву; робочі температури сягають 200 °C.

Промислові двогвинтові насоси будують на подачі понад 1000 м³/год і тиски до 40 бар. Окремий напрямок — мультифазне перекачування на промислах: суміш нафти, попутного газу і пластової води йде одним потоком, без сепаратора на гирлі свердловини. Та сама здатність прокачувати газорідинну суміш використовується і скромніше — під час зачищення резервуарів, коли всмоктувальна лінія захоплює повітря. Можливості обох виконань спираються на ті самі конструктивні рішення.

Конструкція і матеріали

Корпус для нафтопродуктів відливають із чавуну або вуглецевої сталі, для харчових і хімічних середовищ — із нержавіючої сталі AISI 316L з полірованою проточною частиною. Гвинти виконують із нержавіючих сталей, для абразивних середовищ — зі зміцнювальними наплавленнями. Шестерні синхронізації і підшипники працюють у масляній камері, відокремленій від проточної частини ущільненнями валів: мастило не контактує з продуктом.

Герметичність валів тримають торцеві ущільнення — одинарні на нейтральних середовищах, подвійні із затворною рідиною на середовищах токсичних, схильних до кристалізації або полімеризації. Еластомери підбирають під середовище: EPDM — водні розчини і CIP-хімія, FKM (фторкаучук) — жири та вуглеводні, HNBR — нафтопродукти. На нагнітанні обов’язковий запобіжний клапан або байпас. Об’ємний насос при закритій засувці нарощує тиск, доки не зруйнується найслабкіший елемент лінії, — клапан закриває цей сценарій. Решта ризиків пов’язана не з тиском, а зі зносом.

Що обмежує ресурс двогвинтового насоса

Сухий хід. Гвинти не торкаються ні один одного, ні корпусу, тому коротка робота без продукту проточну частину не пошкоджує. Руйнується інше — пара тертя торцевого ущільнення: без плівки рідини їй вистачає лічених хвилин. На лініях з ризиком спорожнення всмоктування ставлять реле протоку або датчик сухого ходу.

Термічний шок ущільнень. Типовий сценарій відмови на харчових лініях: після лужного миття при 80–85 °C у насос подають холодне ополіскування. Кільця пари тертя тріскаються від перепаду температури. Проблему знімає CIP-програма з плавним зниженням температури між стадіями.

Абразив. Тверді частинки, що проходять через зазори з перетіканням, поступово їх розкривають. Кожна сота частка міліметра понад номінал збільшує проковзування, і подача при тих самих обертах падає — на малов’язких середовищах особливо швидко. Для абразивних середовищ обирають знижені оберти і наплавлені гвинти, а знос відстежують за падінням подачі при фіксованій частоті обертання.

Шестерні синхронізації. Їхній знос зміщує гвинти один відносно одного аж до дотику профілів. Регламентна заміна мастила видаляє продукти зносу із зачеплення і обходиться дешевше за заміну гвинтової пари.

Останнє обмеження — ціна. Двогвинтова конструкція дорожча за кулачкову і тим більше відцентрову, тому вона виправдана там, де один насос замінює два, де в’язкість змінюється в широких межах або продукт не переносить пульсацій і зсуву.

Купити двогвинтовий насос в Україні

ТОВ «ІНЖИНІРИНГОВІ СИСТЕМИ» постачає двогвинтові насоси для харчових, хімічних і нафтових застосувань. Підбір ведеться за фактичними даними процесу: в’язкість у робочому і крайніх режимах, температура, NPSH всмоктувальної лінії, програма миття. Замовник отримує розрахунок робочої точки, документацію на матеріали контактних частин і протоколи випробувань.

Перш ніж купити двогвинтовий насос, варто зафіксувати крайні режими процесу — саме вони, а не номінальна точка, визначають типорозмір, потужність привода і виконання ущільнень. Інженери компанії супроводжують монтаж і пусконалагодження, зі складу постачаються гвинтові пари, торцеві ущільнення і комплекти еластомерів.

FAQ

Чому торцеве ущільнення підтікає на зупиненому насосі, а під час роботи залишається сухим?

Під час обертання пара тертя утворює гідродинамічну плівку і самоцентрується, мікронерівності компенсуються. У спокої кільця притиснуті статично, і зношена або деформована пара починає пропускати. Така картина — ознака наближення відмови: перевіряють площинність кілець, стан вторинних еластомерів і, для подвійних ущільнень, тиск затворної рідини.

Який підпір потрібен двогвинтовому насосу на всмоктуванні?

Потрібний кавітаційний запас у двогвинтової схеми нижчий, ніж у відцентрових машин порівнянної подачі: насос працює при розрідженні на вході й піднімає рідину з кількох метрів при заповненому корпусі. Обмеження — тиск насиченої пари. Для гарячих середовищ і середовищ, що газують, NPSH розраховують обов’язково, інакше в зоні всмоктування починається закипання і подача просідає.

Чи можна запускати насос насухо?

Гвинтова пара сухий хід переносить — контакту метал-метал немає. Не переносить його одинарне торцеве ущільнення: йому вистачає кількох хвилин. Якщо технологія передбачає осушення всмоктування — зачищення танків, спорожнення ліній — ставлять подвійне ущільнення із затворною рідиною, воно допускає тривалу роботу без продукту.

Навіщо двигуну запас потужності, якщо насос працює і на продукті, і на CIP?

Два режими лежать на краях діапазону. На продукті насос обертається на низькій частоті, де самовентильований двигун гірше охолоджується під моментом. На мийці — 2500–3000 об/хв на малов’язкому розчині, де потужність іде на напір CIP-контуру. Двигун і частотний перетворювач підбирають за найгіршою комбінацією режимів, а не за номінальною точкою.

Що відбувається при перекачуванні абразивних середовищ?

Частинки, що проходять через радіальні зазори, зношують гвинти і корпус. Зазор росте, зворотне перетікання збільшується, подача при фіксованих обертах знижується — і процес пришвидшується в міру зносу. Ресурс подовжують зниженням обертів, наплавленнями гвинтів і контролем подачі як діагностичного параметра.

Яка мінімальна частка рідини допустима в мультифазному потоці?

Орієнтир — 3–5 % рідини на вході. Рідина ущільнює зазори і відводить тепло стискання газу; на чисто газовому потоці насос перегрівається. Якщо газові пробки довші, ніж допустимо, схему доповнюють рециркуляцією рідини з нагнітання або буферною ємністю на вході.

Насос після довгої стоянки не всмоктує — що перевіряти?

Послідовність із сервісної практики: рівень рідини в корпусі — якщо продукт стік через негерметичний зворотний клапан, самовсмоктування з сухими гвинтами обмежене; підсмоктування повітря по фланцях всмоктувальної лінії; застиглий продукт у трубопроводі — мазутну і бітумну лінію прогрівають до пуску; напрямок обертання після будь-яких робіт на електриці.