демпфер пульсаций что это
Демпферы пульсаций
Гидравлические демпферы были разработаны и сконструированы для решения различных задач по устранению скачкообразных нагрузок на элементы привода в гидравлических производственных системах. Одним из видов промышленных демпферов являются демпферы пульсаций, о которых пойдет речь в этой статье.
Из-за неравномерной подачи масла в гидросистему могут создаваться пиковые нагрузки или краткосрочные падения давления. Эти негативные процессы зачастую вызваны тем, что 
поршневой насос подает давление на систему порционно, что является результатом движения поршней. Демпфер пульсаций представляет собой устройство, которое методом скопления энергии способно сглаживать неравномерное поступление рабочей жидкости. Его традиционная конструкция представляет собой две полости, разделенные эластичным материалом, который способен к деформации. Принцип работы и устройство демпфера пульсации схоже с работой гидравлического аккумулятора, но есть отличия. Гидравлические демпферы пульсаций маленьких размеров применяются в тех случаях, где есть необходимость в очень четких и строгих дозировках жидкостей.
Гидравлические демпферы пульсаций обладают следующими особенностями:
Существуют несколько видов демпферов пульсаций – сильфонный, мембранный и баллонный. В конструкции сильфонного демпфера используется в качестве разделителя жидкостной среды система на базе железной гофры. Данные гидравлические демпферы зачастую применяются в сложных и агрессивных средах при самых высоких температурах.
Две полости мембранного демпфера пульсаций разделены с помощью мембраны из каучука. Для жестких сред может использоваться тефлоновая мембрана. За счет небольшой пластичности фторопласта колебания мембраны обеспечены большим диаметром, что сообщает демпферу приплюснутую форму.
Промышленный демпфер пульсации баллонного типа используется в напорных и поглощающих гидравлических линиях. Во втором варианте применения необходимость установки демпфера обоснована длинным трубопроводом между баком и насосом. Этот демпфер представляет собой конструкцию большого размера с небольшим баллоном внутри.
В настоящее время все больше гидравлических систем разрабатывается с учетом возможности установки демпферов, что позволяет уменьшить размеры самой системы и увеличить ее надежность, а также повысить ее эффективность и улучшить технические характеристики.
Наша компания предлагает широкий ассортимент промышленных гидравлических демпферов различных видов для разнообразных сфер применения. Демпферы Weforma включают ряд амортизирующей продукции специального назначения, например, демпферы для выдувных и стекольно-формовочных машин. Вся продукция отличается высоким европейским качеством, надежностью эксплуатации и долгим сроком службы.
ABC и с чем ее едят Демпфер пульсаций / Обратный клапан / Датчик давления
Эти три компонента сгруппированы вместе, так как вместе работают и находятся сразу после насоса.
Сам демпфер пульсаций (52а), номер 2203270215 похож на черный шар и схож по конструкции трем другим гидроаккумуляторам в системе, но намного меньше. Так как насос качает жидкость «рывками», то необходимо сгладить эти колебания в жидкости. Эта работа и выполняется демпфером. Воздух позади резиновой мембраны внутри демпфера действует как подушка и выравнивает давление, как и газонаполненный амортизатор нивелирует дорожную вибрацию.
Существует также обратный клапан (52b), встроенный в сборку. Это пассивное устройство, активно не управляемое модулем управления. Он открывается, когда давление в системе превышает проектный предел
190 бар, что позволяет сбросить избыточное давление. Его предназначение — регулирование давления в системе.
Наконец, есть датчик давления (В4/5), подключенный к модулю управления. Резистор внутри датчика изменяет напряжение, проходящее через датчик на основе величины давления, приложенного к нему. При нулевом давлении напряжение — около 0,6 вольт. При полном давлении поднимается до 5 вольт. Модуль управления контролирует это напряжение, и регулирует давление в системе на основаниях этих данных.
Существует обратная зависимость между напряжением от датчика давления и напряжения, подаваемого на всасывающем клапане насоса. Когда напряжение от датчика давления выходит низкое (системе требуется больше давления), напряжение на всасывающем клапане будет высоким (идет команда открыть клапан и получить больше жидкости), и наоборот.
Так что может пойти не так с этими компонентами?
Санитарно-гигиенические демпферы пульсаций
Санитарно-гигиенические демпферы пульсаций и гасители гидроударов предназначены для применения в фармацевтической, пищевой, кондитерской и пивоваренной промышленности, а также в производстве средств личной гигиены. Подходят для использования в CIP-очистки.
Проблемы, вызываемые пульсацией давления.
Причиной возникновения пульсации давления являются объемные насосы, конструкция которых предусматривает возвратно-поступательное движение. К таким насосам относятся плунжерные и мембранные дозирующие насосы, в том числе с пневматическим приводом, многоплунжерные насосы и гомогенизаторы. Роторные объемные насосы, такие как перистальтические и кулачковые, также создают пульсирующий поток, как и дозаторы вязких и жидких сред, которые в некоторых случаях можно рассматривать как поршневые насосы.
Наиболее распространенным признаком пульсации давления является вибрация и шум в трубопроводе, называемые гидравлическим ударом. Если оставить это явление без внимания, оно может привести к повреждению трубопровода, к нарушению герметичности соединений, к потере несущей способности опор трубопровода, а также к износу насосов и крепежных элементов. Пульсация давления также может стать причиной повреждения измерительных приборов и других компонентов системы, таких как теплообменники.
Кроме прочего, неравномерный поток может привести к порче/потере дорогостоящего сырья или продуктов вследствие повреждения системы, а также к нарушению технологического процесса в связи с нестабильными показаниями датчиков.
Если технологический процесс включает в себя распыление, пульсация давления в форсунке становится причиной неравномерного нанесения покрытий, что особенно актуально для некоторых кондитерских и фармацевтических процессов, таких как нанесение покрытий на таблетки в галтовочных машинах.
При дозировании или добавлении одной жидкости в другую может произойти закупоривание нагнетательной линии поршневого насоса, поскольку напор формируется только во время цикла нагнетания; во время цикла всасывания дозирование не происходит. В результате формируется неравномерный комбинированный поток, который зачастую не выравнивается даже после прохождения через смеситель.
Если всасывающая линия имеет большую длину или сложную форму, на входе объемного насоса возможно возникновение кавитации либо избыточного расхода. Кавитацию можно распознать по сниженной скорости потока (зачастую дополняемой увеличенным шумом насоса), в то время как при избыточном расходе наблюдается обратная картина.
Оптимальным решением проблем, вызываемых пульсацией давления, является установка в систему демпферов пульсаций.
Санитарно-гигиенические демпферы пульсаций
Демпферы пульсаций состоят из сосуда определенного объема, содержащего инертный газ, обычно воздух или азот, при заданном давлении (давление предварительной зарядки). Газ удерживается внутри сосуда гибкой мембраной, контактирующей с передаточной жидкостью, размещенной во второй мембране, которая, в свою очередь, контактирует с технологической жидкостью. Во время цикла нагнетания насоса часть расхода уходит в демпфер, вызывая в нем прогнозируемое повышение давления до уровня, обусловленного выбранным типоразмером и давлением зарядки демпфера. Во время цикла всасывания эта жидкость возвращается в линию, при этом давление газа снижается. Следовательно, небольшое количество жидкости подается в демпфер на пике каждого импульса и возвращается в линию в промежутке между импульсами, в результате чего пульсации давления поглощаются. При этом наблюдается небольшое остаточное колебание давления, называемое уровнем демпфирования, допустимая величина которого определяется областью применения и конструктивными особенностями системы.
Иногда для достижения аналогичного эффекта можно использовать емкость простой конструкции или успокоительную трубу. Однако, помимо сложности безразборной очистки таких сосудов, преимущество использования демпфера с гибкой мембраной заключается в том, что газ предварительной зарядки не поглощается технологической жидкостью, а давление газа может быть установлено выше атмосферного, позволяя минимизировать размеры демпфера. Две осциллограммы, показанные на рисунке ниже, иллюстрируют пульсацию давления, вызванную одноцилиндровым дозировочным насосом производительностью 420 л/ч (с демпфером и без него), и наглядно показывают, насколько эффективными могут быть демпферы пульсаций.
График изменения давления насоса без демпфера пульсаций
Колебание давления: 0…2 бар,
Колебание расхода: 0…15 л/мин.
График изменения давления насоса с демпфером пульсаций
Колебание давления: 0,07 бар,
Колебание расхода: отсутствует, постоянный расход 7 л/мин.
Преимущества применения демпферов пульсаций
К основным преимуществам использования в системе демпферов пульсаций относятся:
Рекомендации по монтажу
Демпфер пульсаций следует устанавливать строго вертикально (допускается ориентировать как клапаном вверх, так и вниз), чтобы не допустить возникновения воздушных мешков, которые могут снизить эффективность работы и очистки. Для применения в качестве демпфера пульсаций изделие рекомендуется располагать как можно ближе к насосу. Для применения в качестве гасителя гидроудара изделие следует устанавливать непосредственно перед узлом, являющимся причиной скачков давления.
Основные элементы и принцип работы демпферов пульсаций санитарно-гигиенической конструкции
Схема демпфера пульсации
Проблемы, вызываемые скачками давления
Скачки давления могут возникать практически в любой системе трубопроводов, начиная с одной трубы диаметром 1/2″ и заканчивая сложной технологической схемой. Резкое повышение давления обуславливается быстрым изменением скорости потока жидкости, которое может быть вызвано закрытием отсечного клапана или работой регулирующего клапана. Возникающая в результате вибрация трубопровода, называемая гидравлическим ударом, может привести к целому ряду неожиданных и нежелательных последствий.
Гидроудар может проявляться как мягкий стук с небольшим или нулевым смещением трубопровода, однако вызываемые им впоследствии повреждения могут быть весьма серьезными. Гидроудар может быть, как одиночным, так и повторяться с достаточно высокой частотой.
Результаты воздействия гидроудара могут быть различными. Не замеченные вовремя трещины в корпусах насосов и клапанов, штоках, седлах и пластинах теплообменника могут привести к полному выходу из строя системы. Особенно уязвимы теплообменники, поскольку при скачках давления они подвергаются перекрестному загрязнению, а уплотнения пластин изнашиваются значительно быстрее, что приводит к дорогостоящему ремонту. Кроме того, гидроудар способен повредить измерительные приборы, нарушить герметичность соединений, а также вызвать срабатывание предохранительных клапанов и разрывных мембран. Помимо прямого финансового ущерба, утечка некоторых жидкостей может оказать негативное воздействие на окружающую среду.
Типовые причины гидроудара
В тонких трубопроводах гидроудар может быть вызван быстродействующим клапаном (зачастую с электромагнитным или пневматическим управлением), в то время как в линиях большого диаметра клапан может закрываться относительно медленно, но все же вызывать скачок давления. Проблемы такого типа возникают в различных системах, начиная с простых угловых кранов, используемых в водопроводных линиях, или клапанов дозаторов жидких сред и заканчивая двухступенчатыми регулирующими клапанами, участвующими в управлении технологическими процессами.
Заполнение жидкостью пустых линий или рукавов
Гидроудар может возникать в системах, где поток, создаваемый насосом либо резервуаром, заполняет пустую или частично пустую линию, встречая на своем пути ограничение или изменение направления движения. В некоторых системах такие проблемы возникают при каждом пуске.
Способы предотвращения и устранения гидроудара
Многих проблем, связанных со скачками давления, можно избежать путем правильного конструирования трубопровода, а также тщательного подбора и правильной установки технологических клапанов. Снижение скорости срабатывания клапана может оказать существенное влияние на работу системы.
В случаях, когда избежать скачков давления невозможно, трубопровод можно защитить, установив устройство для сглаживания скачков давления или гаситель гидравлических ударов.
Санитарно-гигиенические гасители гидравлических ударов
Типовой гаситель гидроударов состоит из сосуда под давлением, в который вмонтирована гибкая мембрана. Одна сторона сосуда заполнена инертным газом, таким как воздух или азот, до заданного давления (давление предварительной зарядки), а другая сторона мембраны контактирует с рабочей жидкостью. По мере того, как скачок давления достигает гасителя, более высокое давление жидкости приводит к ее вытеснению в область инертного газа, сжимая его. Как правило, давление зарядки гасителя гидроударов чуть ниже рабочего давления системы.
Типоразмер и давление зарядки гасителя гидроударов должны подбираться таким образом, чтобы обеспечивать беспрепятственное возрастание давления при заполнении системы до заданного значения, соответствующего проектным условиям. Местоположение гасителя также имеет важное значение: обычно он устанавливается непосредственно перед узлом, вызывающим скачки давления, чтобы предотвратить движение волны давления вверх по линии и повреждение оборудования, находящегося выше по потоку.
Гасители гидроударов с одной мембраной подходят для большинства систем, к которым не предъявляются гигиенические требования, однако при необходимости CIP-очистки рекомендуется использовать модели с двумя мембранами. Принцип работы гасителя гидроударов любой конструкции остается неизменным.
Гигиенические аспекты конструкции демпферов пульсации
Конструкция гасителей гидроударов должны быть разработана с учетом требований, действующих в пищевой, пивоваренной и фармацевтической промышленности. Изделие должно содержать две мембраны и иметь возможность для безразборной очистки. В соответствии с протоколом Европейской группы гигиенического проектирования и инжиниринга (EHEDG) на демпферы пульсации накладываются требования по очистке в сравнении с эталонной трубой.
Использование двух мембран, гидравлически соединенных с рабочей жидкостью, позволяет исключить проблемы, связанные с застоем продукта, присущие большинству демпферов пульсаций других конструкций. С целью обеспечения эффективной CIP-очистки контактирующая с технологической средой часть корпуса изделия не имеет щелей, углов и застойных зон. Как правило, корпус изделия изготавливается из нержавеющей стали 316, а материал жидкостной мембраны, подходящий для использования в пищевом производстве, выбирается под конкретное применение из различных вариантов. Боковой входной патрубок располагается по касательной к окружности корпуса, что повышает эффективность очистки. При этом изделие может быть частично разобрано для осмотра корпуса и мембраны — деталей, контактирующих с технологической средой, — без сброса давления газа и утечки передаточной жидкости.
Варианты исполнений демпферов пульсаций
Передаточная жидкость подбирается с учетом особенностей системы. Она должна быть совместима с технологической жидкостью (на случай нарушения герметичности мембраны), а также с материалами газовой и жидкостной мембран. Кроме того, должна быть существенная разница между температурой кипения передаточной жидкости и максимальной рабочей температурой или температурой очистки, предполагаемых в системе. Как правило, используются такие жидкости как стерилизованная вода, растительные масла, спирт и глицерин. Для систем, где требуется установка датчика разрушения мембраны, имеется дополнительное требование, заключающееся в обеспечении значительной разницы в электрической проводимости между технологической и передаточной жидкостями.
Существует множество различных каучуковых соединений, подбираемых под рабочую жидкость и режим очистки. Газовая мембрана, как правило, изготавливается из резины стандартного сорта, поскольку она контактирует только с инертным газом и передаточной жидкостью. Жидкостная мембрана, контактирующая с рабочей средой, может изготавливаться в черном или белом цвете из стандартного либо пищевого материала. Сертификаты на материалы корпуса и мембраны предоставляются по запросу.
Рекомендуется, чтобы номинальный размер соединений совпадал с диаметром линии. Это необходимо, чтобы избежать формирования гидравлического сопротивления, поддерживая скорость и другие параметры потока постоянными. Тип соединения подбирается в соответствии с требованиями заказчика. Некоторые из возможных вариантов соединений: RJT, IDF, ILC, SMS, DIN 11851, Tri-clamp и т. д.
Водяная рубашка нагрева/охлаждения
В большинстве случаев водяная рубашка устанавливается поверх части корпуса, контактирующей с рабочей средой. Соединения рубашки могут быть резьбовыми или фланцевыми.
По запросу шероховатость внутренней поверхности корпуса, контактирующей с рабочей средой, может отличаться от стандартной. В стандартном исполнении чистовая обработка выполняется методом механической полировки, что позволяет удовлетворить большинству требований. Как правило, требуемая шероховатость входит в один из следующих трех диапазонов: 0,4…0,2 Ra, 0,1…0,05 Ra и 0,025…0,0125 Ra, которые визуально приблизительно соответствуют глянцевой, тусклой зеркальной и зеркальной поверхностям. Также используется электрополировка и дробеструйная обработка.
Датчик повреждения мембраны
Для обнаружения разрыва жидкостной мембраны возможна установка датчика электрической проводимости и контроллера. Датчик контактирует с передаточной жидкостью, которая выбирается так, чтобы ее проводимость отличалась от проводимости технологической жидкости. В случае нарушения герметичности мембраны передаточная и технологическая жидкости будут смешиваться. В результате происходит изменение проводимости жидкости, регистрируемое датчиком, который настраивается на подачу сигнала на активацию световой или звуковой сигнализации, либо на подачу сигнала об аварии на блок управления.
Типовые отраслевые решения на основе демпферов пульсации
Новое решение старой проблемы демпфирования пульсаций
Когда пульсации жидкости на выходе из насоса начинают превышать определенные значения, возникает необходимость применять демпферы пульсации. Наибольшей пульсацией отличаются перистальтические, мембранные и поршневые насосы.
Несмотря на то, что существуют демпферы самой разной конструкции, основной принцип их работы всегда один: в момент, когда в напорной линии давление поднимается, демпфер пульсаций забирает часть жидкости из напорной линии, а когда давление в напорной линии падает, демпфер отдает эту жидкость обратно в линию.
Демпферы пульсации делятся на два типа — активный и пассивный. В обоих используется гибкая мембрана. При повышении давления в напорной линии, часть жидкости поступает в демпфер и заполняет его, из-за чего мембрана выгибается наружу и увеличивает объем рабочей камеры демпфера.
При падении давления в напорной линии, мембрана восстанавливает своё положение и выдавливает жидкость обратно в систему. Этим и поддерживается относительно стабильное давление в системе. В активном типе мембрана возвращается, в основном, под действием сил подводимого извне сжатого воздуха или газа. Подключение к той же воздушной линии, в случае пневматических насосов, или отдельная зарядка газом для гидравлических насосов является затратной во всех ресурсных аспектах проблемой.
В пассивном типе мембрана восстанавливает исходное положение за счёт собственной упругости и запаса избыточного давления от предшествующего такта. Его можно применять с любыми типами насосов.
Есть и другие проблемы традиционных демпферов пульсаций: даже при соблюдении рекомендаций по диаметру мембраны демпфера больше или равного диаметру мембраны насоса (в случае мембранных насосов), чтобы обе мембраны двигались аналогично друг другу и работали с одинаковым количеством жидкости, это происходит лишь при работе насоса около максимальной производительности и давлении на напорной линии близком к давлению сжатого воздуха.
Снижение производительности насоса в два раза, увеличивает размер необходимого демпфера пульсаций, что требует дополнительных расходов. К тому же, при достаточно малом давлении в напорной линии, жидкость полностью утекает к потребителю, не затекая в демпфер. В итоге в гасителе пульсаций запасается меньше жидкости, чем требуется для гашения колебаний. Эта проблема особенно актуальна, если после насоса стоит лишь короткий шланг, при помощи которого вы заполняете какие-либо ёмкости. Практикуемые иногда заужения напорной линии после демпфера, для создания дополнительное давление для более эффективной работы демпфера приводят к падению производительности насоса.
Не будем здесь подробно упоминать и проблемы при увеличении вязкости жидкости для экономии вашего времени.
Проблемы пульсаций особенно критичны в областях применения насосов и другого оборудования, где нестабильная работа или малейшие неисправности могут вызвать катастрофические последствия, техногенные катастрофы и даже гибель людей. Это такие отрасли, как авиастроение, нефтяная промышленность, перекачка легковоспламеняющихся жидкостей и многие другие. Например, корпорации Eaton пришлось разработать специальный гидравлический насос с одиннадцатью поршнями и дополнительно встроить аттенюатор в систему самолёта А380 для уменьшения пульсаций до ± 1% рабочего давления. Конечно, это узкоспециализированный и дорогостоящий подход, но для широкого круга потребителей появилось новое решение от компании из США «Performance Pulsation Control», специализирующейся на производстве демпферов пульсаций.
Оригинальность заключается в идее переместить газ извне внутрь демпфирующего материала.
На рисунке вверху показана трубка, состоящая из миллионов замкнутых микроскопических ячеек, заполненных азотом. Каждая из таких ячеек сжимаема и вместе они формируют прочную мембрану, быстро реагирующую на давление, действующее на её стенки. Толстая внешняя стенка трубки успешно противостоит абразивному износу, химическим воздействиям и вздутиям. Как видно из рисунка внизу и поясняющего текста к нему, трубка из такой плотной матричной структуры самоцентрируется в корпусе имеющегося типового картриджного демпфера для обеспечения максимальной площади взаимодействия с жидкостью под давлением.
В типовых мембранных демпферах круглой формы мембрана заменяется описанным ячеистым материалом, а освободившаяся газовая камера заполняется дополнительным объёмом жидкости, что увеличивает эффективность демпфера. Этот подход не требует демонтажа старого оборудования и увеличивает его жизненный цикл, устраняя обычные дефекты эксплуатации и поломки.
Данная технология устраняет необходимость зарядки демпферов газом и, таким образом, экономит и время, и деньги при одновременном уменьшении рисков от пульсаций. Снижаются эксплуатационные расходы, увеличивается срок эксплуатации оборудования и безопасность его эксплуатации. Комплекты для модернизации поступают уже предварительно собранными, что обеспечивает быструю и лёгкую установку, без демонтажа и специальных инструментов, а также, без модификаций или замены имеющихся трубопроводов и оборудования. Новое решение демпфирования пульсаций готово к работе сразу после установки комплектов. Предлагаемая технология не влияет на падение давления и работает даже при отсутствии давлениях всасывания.
Как видите, даже в такой устоявшейся и, казалось бы, не предполагающей каких-либо значительных инноваций технологической области, как демпфирование пульсаций возможны революционные прорывы, решающие застарелые проблемы.