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 №1
График изменения давления насоса с демпфером пульсаций
Колебание давления: 0,07 бар,
Колебание расхода: отсутствует, постоянный расход 7 л/мин.
График №2
Преимущества применения демпферов пульсаций
К основным преимуществам использования в системе демпферов пульсаций относятся:
- Предотвращение колебания давления и расхода;
- Устранение шума и вибрации трубопроводов;
- Обеспечение равномерного расхода, требуемого для проведения ряда технологических процессов;
- Стабильные показания измерительных приборов;
- Предотвращение кавитации, обусловленной сложными условиями всасывания;
- Повышение точности дозирования.
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
Работа клапанов
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
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.
Материал мембран
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.
Соединения
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.
Шероховатость поверхности
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
- Загрязнение продукта (фармацевтическое производство)
Загрязнение продукта охлаждающей жидкостью на фармпредприятии стало результатом пульсации давления потока, проходящего через пластинчатые теплообменники, установленные на стороне всасывания трехпоршневых насосов. Стабильность расхода, подаваемого и проходящего через теплообменник, достигнута благодаря установке санитарно-гигиенического демпфера пульсаций перед насосом (после теплообменника), на каждой из двенадцати задействованных линий. - Снижение производительности производственной линии б/а напитков
Пониженная производительность линии была связана с поршневым дозирующим насосом, который не обеспечивал проектный расход. Причиной тому стала кавитация в насосе, обусловленная слишком длинным всасывающим трубопроводом. Данная проблема была экономично и эффективно решена путем установки демпфера пульсаций на входе насоса. - Нарушение точности смешивания при производстве маргарина
В новой линии по производству маргарина для подачи сырья перед смешиванием использовался насос с несколькими дозирующими головками. Точное и равномерное смешивание являлось обязательным требованием к системе, поэтому для предотвращения засорения линии и достижения равномерной подачи сырья в смеситель были установлены демпферы пульсаций, которые также помогли повысить стабильность показаний расходомеров. - Повреждение теплообменника на производстве пива
Гидроудар, вызываемый расположенным после охладителя регулирующим клапаном, вызвал протечку уплотнений и повреждение пластин теплообменника, используемого для охлаждения сусла. Наиболее оптимальным с экономической точки зрения решением проблемы стала установка перед клапаном санитарно-гигиенического гасителя гидравлических ударов, удерживающего скачки давления на приемлемом уровне. - Повреждение УФ-стерилизатора при производстве мороженого
Повреждение стеклянных трубок и их креплений ультрафиолетового стерилизатора сахарного сиропа, обнаруженное на одном из заводов известного производителя мороженого, было обусловлено скачками давления, вызванными закрытием клапанов с пневматическим управлением. Затраты, связанные с простоями и очисткой, значительно превышали стоимость гасителей гидроударов, установка которых позволила полностью устранить проблему. - Неравномерное распыление продукта (кондитерское производство)
На известном кондитерском предприятии была выявлена проблема неравномерного распыления продукта, состоящего из крахмала и сахара и предназначенного для покрытия кондитерского изделия. Проблема вызвана пульсацией давления насоса, влияющими на форму струи в дражираторе. Санитарно-гигиенический демпфер пульсаций помог устранить эту проблему, полностью исключив потери продукта, обусловленные ненадлежащей толщиной покрытия. - Проблемы с гомогенизатором при наполнении пакетов (молочное производство)
На крупном молокоперерабатывающем предприятии были выявлены проблемы с гомогенизатором, обусловленные гидроударом вследствие быстрого закрытия клапанов на линии розлива продукта в пакеты. Применение санитарно-гигиенического гасителя гидроударов позволило не только решить эту проблему, но и повысить точность дозирования. - Повышенный расход шоколада (кондитерское производство)
Неравномерная ширина слоя шоколада на кондитерских изделиях была вызвана пульсацией давления насоса. Демпфер пульсаций с возможностью безразборной очистки, установленный на выходе насоса, снизил пульсацию до едва различимого уровня, устранив причину перерасхода продукта и улучшив его консистенцию. - Недостаточное наполнение формы (кондитерское производство)
При работе производственной линии известной фабрики на максимальной производительности имелась проблема неполного заполнения форм для изготовления шоколада; дозатор просто не успевал всасывать жидкость. Применение демпфера пульсаций, установленного непосредственно перед дозатором с целью вмещения некоторого количества шоколада, позволило дозирующей головке наполняться с максимальной скоростью, соответствуя требуемой производительности. - Пульсация давления в гомогенизаторе (производство мороженого)
У производителя мороженого возникают проблемы с вибрацией и шумом трубопроводов как с верхней, так и с нижней стороны гомогенизатора. Их причиной являлось возвратно-поступательное движение механизма, устранить которое возможно путем установки демпферов пульсаций на входе и на выходе.