Что такое кулачковые насосы и как они работают

Кулачковый насос — это объемный роторный насос, в котором продукт перемещают два ротора с кулачками, вращающиеся навстречу друг другу. Он не разгоняет жидкость, как центробежный, а переносит ее порциями: за каждый оборот — примерно один и тот же объем. Поэтому кулачковые насосы ставят там, где продукт густой, нежный или с кусочками: молочные продукты, соусы, кондитерские массы, фарш, кремы. Ниже — как он устроен, где работает лучше всего, а где его лучше не применять.

Что такое кулачковый насос

Кулачковый (роторно-кулачковый) насос относится к объемным насосам, как шестеренный или винтовой. В корпусе на двух параллельных валах стоят два ротора. У каждого ротора два, три или больше кулачков (лопастей): двухкулачковые роторы лучше пропускают крупные включения, трех- и многокулачковые дают более ровную подачу. Корпус и роторы для пищевой и косметической продукции делают из нержавеющей стали, для технических жидкостей возможны другие материалы, в том числе роторы с эластомерным покрытием.

Насос ставят горизонтально на раму с мотор-редуктором или частотным преобразователем. Переднюю крышку можно снять, не демонтируя насос с линии, и сразу получить доступ к роторам — это важно для осмотра и мойки. Типовые исполнения собраны в разделе кулачковые насосы. Там же есть родственная серия — аксиально-плунжерные насосы; подойдет ли она вместо кулачкового, решаем по параметрам продукта.

Как работает кулачковый насос

Роторы вращаются синхронно и навстречу друг другу. Синхронность задают не сами роторы, а пара синхронизирующих шестерен в отдельном корпусе за рабочей камерой, в масляной ванне. Благодаря этому кулачки не касаются ни друг друга, ни стенок корпуса: между ними остаются небольшие зазоры, а продукт не служит смазкой для зацепления.

• Всасывание. Со стороны всасывающего патрубка кулачки расходятся, полость увеличивается, и продукт заполняет ее.
• Перенос. Порция продукта движется между кулачком и стенкой корпуса к нагнетательной стороне. Через центр между роторами продукт не проходит.
• Нагнетание. Кулачки снова сходятся, полость уменьшается, и продукт вытесняется в нагнетательную линию.

Это объемный принцип. Подача почти пропорциональна оборотам и на вязких продуктах мало зависит от давления, поэтому расход регулируют частотным преобразователем, а не задвижкой. Скорость продукта в камере невысокая, роторы не перетирают и не взбивают его, поэтому сгусток творога, кусочки фруктов или фарша сохраняют структуру. Твердые частицы проходят через камеру, если они меньше проходного сечения между кулачками; размер допустимых частиц зависит от типоразмера насоса и формы роторов. Небольшая пульсация потока есть, ее уменьшают многокулачковые или винтовые роторы.

Где применяют кулачковые насосы

Основная область — пищевая промышленность. В молочной отрасли кулачковые насосы перекачивают творог, сметану, сливки, йогурты с наполнителем, подробнее — в статье насосы для молочных производств. В кондитерской — шоколад, начинки, глазури с орехами и включениями, см. насосы для кондитерской промышленности и кулачковый насос для шоколада. Дальше идут мясопереработка, соусы и майонезы, фруктовые заготовки, детское питание.

Вне пищевой отрасли кулачковый насос работает в косметике (кремы, лосьоны, гели, шампуни), фармацевтике (мази и гели в гигиеническом исполнении), на клеях и красках. На очистных сооружениях и в целлюлозно-бумажном производстве его применяют для осадков и жидкостей с волокнами, но это скорее вторичная область: там многое решает абразивность среды.

Преимущества кулачковых насосов

• Бережная перекачка. Низкая скорость в камере и отсутствие контакта роторов сохраняют структуру продукта.
• Широкий диапазон вязкости. От жидких продуктов до очень густых масс; чем гуще продукт, тем ниже рабочие обороты.
• Включения и волокна. Кусочки и мягкие частицы проходят, если они меньше проходного сечения роторов.
• Предсказуемая подача. Расход зависит от оборотов и удобно регулируется частотным преобразователем.
• Реверс. Большинство исполнений работает в обе стороны: сменили направление вращения — поменялись всасывание и нагнетание. Удобно для опорожнения линий.
• Гигиена. Гладкая камера, минимум застойных зон, быстрый доступ к роторам через переднюю крышку, мойка CIP.

Ограничения: о чем стоит знать заранее

• Жидкие продукты и давление. На воде, молоке, моющих растворах часть жидкости перетекает обратно через зазоры, и чем выше давление, тем больше. Подача падает, КПД снижается. Для жидких продуктов без особых требований центробежный насос проще и дешевле.
• Это не дозировочный насос. Подача стабильна, но зависит от вязкости, давления и износа. Для дозирования с жестким допуском нужен дозировочный насос или расходомер с регулированием.
• Абразив. Песок, костная крошка, пигменты и наполнители постепенно изнашивают кулачки и корпус: зазоры растут, перетечки увеличиваются. На таких продуктах снижают обороты и подбирают износостойкие материалы; для сильно абразивных сред смотрят в сторону винтового или мембранного насоса.
• Нужна защита от перегрузки по давлению. Объемный насос против закрытой задвижки будет поднимать давление, пока не сломается насос или трубопровод. Поэтому обязателен предохранительный клапан (встроенный в крышку или на линии) или байпас с клапаном.
• Сухой ход — только кратковременно. Роторы друг друга не касаются, но торцевое уплотнение без жидкости перегревается. Допустимое время зависит от типа уплотнения; если сухой ход возможен регулярно, ставят двойное уплотнение с промывкой и контроль уровня в емкости.
• Самовсасывание ограничено. Насос всасывает, когда роторы смочены продуктом и высота всасывания небольшая. Насухо поднять жидкость он не сможет, поэтому емкость лучше ставить выше насоса (под залив).
• Агрессивная химия — не профиль. Стойкость определяют материалы корпуса и уплотнений, а не тип насоса. Для кислот и щелочей обычно выбирают химические или мембранные насосы.

Для чистых вязких жидкостей без частиц — масел, смол, сиропов, патоки — часто выгоднее шестеренный насос: он компактнее и лучше держит давление. Чем отличается его принцип, мы разобрали в статье как работает шестеренный насос.

Как подобрать кулачковый насос: короткий чек-лист

• продукт и его состав: есть ли кусочки или волокна, их размер и доля, есть ли абразив;
• вязкость при рабочей и минимальной температуре, плотность;
• температура продукта, нужен ли обогрев и каким теплоносителем;
• расход, м³/ч, и давление нагнетания или схема трассы (длина, диаметр, перепад высот);
• условия всасывания: емкость выше или ниже насоса, длина всасывающей линии;
• мойка: CIP, SIP или ручная разборка, какие моющие средства и температура;
• требования к гигиене и материалам: пищевое исполнение, тип торцевого уплотнения, эластомеры;
• режим работы: непрерывный или периодический, возможен ли сухой ход;
• привод: постоянные обороты или регулирование частотным преобразователем.

Если продукт непростой — густой, с кусочками, горячий или с жесткими требованиями к мойке, — отправьте его параметры через форму запроса. По ним подберем размер насоса, форму роторов, уплотнение и привод, а если кулачковый насос не лучший вариант, скажем об этом сразу.