Що таке кулачкові насоси і як вони працюють

Кулачковий насос — це об’ємний роторний насос, у якому продукт переміщують два ротори з кулачками, що обертаються назустріч один одному. Він не розганяє рідину, як відцентровий, а переносить її порціями: за кожен оберт — приблизно той самий об’єм. Тому кулачкові насоси ставлять там, де продукт густий, ніжний або зі шматочками: молочні продукти, соуси, кондитерські маси, фарш, креми. Нижче — як він влаштований, де працює найкраще, а де його краще не застосовувати.

Що таке кулачковий насос

Кулачковий (роторно-кулачковий) насос належить до об’ємних насосів, як шестеренний чи гвинтовий. У корпусі на двох паралельних валах стоять два ротори. Кожен ротор має два, три або більше кулачків (лопатей): двокулачкові ротори краще пропускають великі включення, три- й багатокулачкові дають рівнішу подачу. Корпус і ротори для харчової та косметичної продукції виготовляють із нержавіючої сталі, для технічних рідин можливі інші матеріали, зокрема ротори з еластомерним покриттям.

Насос ставлять горизонтально на раму з мотор-редуктором або перетворювачем частоти. Передню кришку можна зняти, не демонтуючи насос із лінії, і одразу дістатися до роторів — це важливо для огляду й миття. Типові виконання зібрані в розділі кулачкові насоси. Там само є споріднена серія — аксіально-плунжерні насоси; чи підійде вона замість кулачкового, вирішуємо за параметрами продукту.

Як працює кулачковий насос

Ротори обертаються синхронно й назустріч один одному. Синхронність задають не самі ротори, а пара синхронізувальних шестерень в окремому корпусі за робочою камерою, у масляній ванні. Завдяки цьому кулачки не торкаються ні один одного, ні стінок корпусу: між ними залишаються невеликі зазори, а продукт не працює як мастило для зачеплення.

• Всмоктування. З боку всмоктувального патрубка кулачки розходяться, порожнина збільшується, і продукт її заповнює.
• Перенесення. Порція продукту рухається між кулачком і стінкою корпусу до нагнітального боку. Через центр між роторами продукт не проходить.
• Нагнітання. Кулачки знову сходяться, порожнина зменшується, і продукт витісняється в нагнітальну лінію.

Це об’ємний принцип. Подача майже пропорційна обертам і на в’язких продуктах мало залежить від тиску, тому витрату регулюють перетворювачем частоти, а не засувкою. Швидкість продукту в камері невисока, ротори не перетирають і не збивають його, тож згусток сиру, шматочки фруктів чи фаршу зберігають структуру. Тверді частинки проходять через камеру, якщо вони менші за прохідний переріз між кулачками; допустимий розмір залежить від типорозміру насоса та форми роторів. Невелика пульсація потоку є, її зменшують багатокулачкові або гвинтові ротори.

Де застосовують кулачкові насоси

Основна сфера — харчова промисловість. У молочній галузі кулачкові насоси перекачують кисломолочний сир, сметану, вершки, йогурти з наповнювачем, докладніше — у статті насоси для молочних виробництв. У кондитерській — шоколад, начинки, глазурі з горіхами та включеннями, див. насоси для кондитерської промисловості і кулачковий насос для шоколаду. Далі йдуть м’ясопереробка, соуси й майонези, фруктові заготовки, дитяче харчування.

Поза харчовою галуззю кулачковий насос працює в косметиці (креми, лосьйони, гелі, шампуні), фармацевтиці (мазі й гелі в гігієнічному виконанні), на клеях і фарбах. На очисних спорудах і в целюлозно-паперовому виробництві його застосовують для осадів і рідин із волокнами, але це радше другорядна сфера: там багато вирішує абразивність середовища.

Переваги кулачкових насосів

• Дбайливе перекачування. Низька швидкість у камері й відсутність контакту роторів зберігають структуру продукту.
• Широкий діапазон в’язкості. Від рідких продуктів до дуже густих мас; що густіший продукт, то нижчі робочі оберти.
• Включення й волокна. Шматочки та м’які частинки проходять, якщо вони менші за прохідний переріз роторів.
• Передбачувана подача. Витрата залежить від обертів і зручно регулюється перетворювачем частоти.
• Реверс. Більшість виконань працює в обидва боки: змінили напрям обертання — всмоктування й нагнітання помінялися місцями. Зручно для спорожнення ліній.
• Гігієна. Гладка камера, мінімум застійних зон, швидкий доступ до роторів через передню кришку, миття CIP.

Обмеження: що варто знати заздалегідь

• Рідкі продукти й тиск. На воді, молоці, миючих розчинах частина рідини перетікає назад через зазори, і що вищий тиск, то більше. Подача падає, ККД знижується. Для рідких продуктів без особливих вимог відцентровий насос простіший і дешевший.
• Це не дозувальний насос. Подача стабільна, але залежить від в’язкості, тиску й зносу. Для дозування з жорстким допуском потрібен дозувальний насос або витратомір із регулюванням.
• Абразив. Пісок, кісткова крихта, пігменти й наповнювачі поступово зношують кулачки та корпус: зазори ростуть, перетікання збільшується. На таких продуктах знижують оберти й підбирають зносостійкі матеріали; для дуже абразивних середовищ дивляться в бік гвинтового або мембранного насоса.
• Потрібен захист від перевищення тиску. Об’ємний насос проти закритої засувки підніматиме тиск, доки не зламається насос або трубопровід. Тому обов’язковий запобіжний клапан (вбудований у кришку або на лінії) чи байпас із клапаном.
• Сухий хід — лише короткочасно. Ротори один одного не торкаються, але торцеве ущільнення без рідини перегрівається. Допустимий час залежить від типу ущільнення; якщо сухий хід можливий регулярно, ставлять подвійне ущільнення з промиванням і контроль рівня в ємності.
• Самовсмоктування обмежене. Насос всмоктує, коли ротори змочені продуктом, а висота всмоктування невелика. Насухо підняти рідину він не зможе, тому ємність краще ставити вище насоса (під залив).
• Агресивна хімія — не його профіль. Стійкість визначають матеріали корпусу й ущільнень, а не тип насоса. Для кислот і лугів зазвичай обирають хімічні або мембранні насоси.

Для чистих в’язких рідин без частинок — олив, смол, сиропів, патоки — часто вигідніший шестеренний насос: він компактніший і краще тримає тиск. Чим відрізняється його принцип, ми розібрали в статті як працює шестеренний насос.

Як підібрати кулачковий насос: короткий чек-лист

• продукт і його склад: чи є шматочки або волокна, їхній розмір і частка, чи є абразив;
• в’язкість за робочої та мінімальної температури, густина;
• температура продукту, чи потрібен обігрів і яким теплоносієм;
• витрата, м³/год, і тиск нагнітання або схема траси (довжина, діаметр, перепад висот);
• умови всмоктування: ємність вище чи нижче насоса, довжина всмоктувальної лінії;
• миття: CIP, SIP чи ручне розбирання, які миючі засоби й температура;
• вимоги до гігієни й матеріалів: харчове виконання, тип торцевого ущільнення, еластомери;
• режим роботи: безперервний чи періодичний, чи можливий сухий хід;
• привод: постійні оберти чи регулювання перетворювачем частоти.

Якщо продукт непростий — густий, зі шматочками, гарячий або з жорсткими вимогами до миття, — надішліть його параметри через форму запиту. За ними підберемо розмір насоса, форму роторів, ущільнення й привод, а якщо кулачковий насос не найкращий варіант, скажемо про це одразу.