Винтовые пищевые насосы: описание, назначение, применение

Винтовой (шнековый, червячный, героторный) пищевой насос – это самовсасывающий агрегат объемного типа для перекачивания жидкостей, в том числе, эмульсионных, с повышенной вязкостью и/или взвешенными твердыми фракциями. Его главной конструктивной особенностью является наличие героторной пары - ротора и статора.
В общем случае, есть несколько типов насосов с аналогичным названием: одно-, двух- и трехвинтовые. Но для транспортировки продуктов и пищевого сырья применяется только первый вид. Второй и третий имеют роторы несколько иной формы, работают в нефтяной и химической промышленности, энергетике, судостроении, системах смазки, гидроподъемниках. Поэтому в данной статье они не рассматриваются.

Основное назначение винтового насоса – перекачивание жидкой или вязкой массы. В пищевой промышленности он нужен, чтобы транспортировать сметану, творог, кефир, сливки, майонез и другие продукты. Температура рабочей смеси – до 90 град С.
Принцип действия насоса, согласно которому жидкая масса вытесняется  винтовой парой, изобрел Рене Муано (Rene Moineau, Франция). В 1930 г. он защитил диссертацию по теме «Новый капсулизм» в Парижском университете. А в 1932 г., с помощью партнера, основал фирму РСМ по изготовлению агрегатов данного типа.

Устройство пищевых насосов

Устройство пищевого винтового насоса особой сложностью не отличается (рис. 1).


Рабочим органом является героторная пара, расположенная у выпускного патрубка. Она представляет собой стальной червячный ротор (винт), расположенный внутри пластичного статора (обоймы). Внутренняя полость последнего также имеет винтовую форму, но с числом заходов на 1 больше, чем у ротора. Самый популярный на сегодня вариант – однозаходный ротор и двухзаходный статор.

Преимущества агрегатов с однозаходным ротором круглого сечения:

• Технология производства – относительно простая.
• Вибрация понижена из-за того, что переносная (то есть, относительно обоймы) угловая скорость винта минимальна.
• Скорость движения перекачиваемой жидкости в каналах (полостях) рабочей пары небольшая. Это значительно уменьшает гидроабразивный износ и увеличивает срок службы устройства.
• Кривизна винтовых поверхностей ротора и статора – оптимальная. Это сводит к минимуму контактные напряжения.
• Допустимая частота вращения увеличена. Она несколько ограничена силой инерции, но это не существенно. Данный факт упрощает компоновку привода.

Главным минусом агрегатов с однозаходным ротором является тот факт, что, при необходимости обеспечить большой напор при малой частоте вращения (500 об/мин и менее), надо значительно удлинять рабочую пару.
Преимущества установок с многозаходными рабочими органами обусловлены увеличенным числом контактных линий и кратностью действия:

• При одинаковых наружном диаметре и частоте вращения – увеличенная подача.
• При равных давлениях – меньше осевой габарит.
• При одинаковых натягах в паре и осевых габаритах – больше давление.
• При низкой частоте вращения (до 100 об/мин) можно поддерживать большое давление, не увеличивая осевые размеры.

Ротор приводится в движение электромотором, размещенным на другом конце агрегата. В зависимости от назначения устройства, крутящий момент от двигателя на ось вращения может передаваться напрямую, через мотор-редуктор, мотор-вариатор или с помощью преобразователя частоты. Для фиксации оси относительно корпуса и передачи вращения от привода на шарнирный узел тяги, предусмотрена подшипниковая стойка. 

Поскольку ротор установлен относительно продольной оси насоса с некоторым эксцентриситетом, то от подшипниковой стойки к героторной паре крутящий момент передается через износоустойчивую тягу с шарнирными узлами на концах (это своеобразный карданный вал). Данный элемент иногда называют торсионом. Это не совсем правильно, так как торсион – пружина, сделанная в виде вала, работающего на скручивание. Здесь же тяга в качестве пружины не используется, эксцентриситет отрабатывается только за счет шарниров. Каждый из них сделан герметичным и заполнен пищевой смазкой. Над тягой, ближе к подшипникам, располагается впускной патрубок. Он может быть с фланцевым либо быстросъемным резьбовым соединением.

Вся конструкция собрана на станине. Тем самым обеспечивается точность взаимного расположения узлов. Проточная часть агрегата сделана из пищевой нержавейки 12Х18Н10Т или ее аналогов. Для монтажной плиты и других элементов может применяться сталь 30 с порошковым покрытием.

Модификации пищевых насосов

Кроме описанного базового варианта (рис. 2), есть модели, предназначенные для работы в нестандартных ситуациях: компактные дозаторы, устройства с загрузочной воронкой, грязевые с муфтой, для очень вязких масс или сложных условий эксплуатации и другие. 

Относительно компоновки, кроме приведенной выше горизонтальной классической схемы с подшипниковой стойкой, более всего популярны следующие:

• То же, без подшипниковой стойки (рис. 3).

• С дополнительным подпорным шнеком на тяге (рис. 4).

• С загрузочным бункером вместо входного патрубка и шнековым питателем под ним (рис. 5).

• С дополнительным измельчителем над бункером (рис. 6).

Следует также сказать о вертикальных (бочковых) винтовых насосах. Считается, что это отдельный тип агрегатов, хотя они имеют аналогичное устройство, только предназначены для выкачивания жидкостей из баков, бидонов и прочих емкостей.

Принцип действия винтовых насосов

Работа пищевого винтового насоса осуществляется по следующему принципу. Поскольку число заходов ротора и статора не совпадает, то между ними образуются замкнутые свободные пространства. При вращении винта, они «перемещаются» по направлению к выпускному патрубку. Образование каждой полости происходит со стороны тяги, камера вокруг которой заполнена рабочей средой. Чем больше поворачивается ротор, тем сильнее увеличивается объем пространства, засасывая в него жидкость. Затем ротор поворачивается дальше, полость закрывается и сразу же образовывается следующая – процесс повторяется. По мере вращения ротора, рабочая среда продавливается к выходу и, в итоге, выбрасывается под большим давлением в выпускной патрубок.

Чтобы узнать величину эксцентриситета однозаходного ротора, надо найти разницу между большим и малым его диаметрами, а потом полученное значение разделить на 2. Объем каждой полости равен шагу статора, умноженному на ее площадь поперечного сечения. От этой величины зависит производительность агрегата. Давление насоса определяется количеством полостей на единицу длины винта.

Преимущества винтовых насосов

• Это самовсасывающие агрегаты, предварительная заливка не требуется. Могут поднимать жидкость с глубины 7 – 9 метров.
• Есть возможность перекачивания жидкостей с довольно высокой вязкостью, а также неоднородных и с твердыми включениями, без их повреждений. Размер последних зависит от величины замкнутых полостей между винтом и обоймой. Даже при подаче рабочих сред с абразивными частицами, детали изнашиваются незначительно.
• Это объемные устройства. После каждого оборота ротора подается определенное количество рабочей среды. Поэтому производительность можно регулировать с большой точностью.
• Аппараты могут развивать очень высокое давление. Теоретически – до бесконечности. Практически – достигнуты значения до 72 бар. В промышленности используются модели до 24 бар.
• При любой производительности, давление будет стабильным. Пульсация или разрывы потока не наблюдаются.
• Напор на выходе не зависит от частоты вращения ротора. Этот параметр может быть достаточно высоким, даже при небольшой скорости выкачивания и, соответственно, производительности агрегата.
• Винтовой насос может работать в качестве дозатора.
• Малый уровень шума.
• Простая конструкция, легкое обслуживание, небольшие размеры. Благодаря отсутствию клапанов – надежная работа.

Характеристики винтовых насосов

Основными техническими параметрами винтового насоса являются напор (давление на выходе или высота подъема жидкости) и подача (производительность). Они зависят от конструкции аппарата и мощности привода, а также от типа героторной пары, о чем будет сказано ниже. Кроме того, есть ряд условий, отрицательно влияющих на давление. 

Факторы, снижающие напор:

• Шланг (трубопровод) небольшого диаметра или со значительным коэффициентом гидравлического сопротивления.
• Использование в магистрали У- или Г-образных фитингов, изгибы шланга под углами 45 или 90 градусов.
• Наличие фурнитуры на трубопроводах, обратных клапанов, задвижек и других устройств.
• Низкие смазывающие характеристики жидкости.
• Большая вязкость или плотность рабочей смеси.
• Некачественная регулярная промывка шлангов или трубопроводов.

Модельный ряд винтовых насосов

В нашей стране самыми популярными являются пищевые винтовые насосы марки ОНВ. Ниже приведены основные технические характеристики наиболее распространенных моделей.

Чтобы ознакомиться с параметрами любого агрегата более подробно, можно скачать технический паспорт. Кроме ОНВ, есть и другие распространенные марки, например, Бурун СХ или BF.

Выбирая конкретную модель, при прочих равных характеристиках, надо учитывать такие нюансы, как вязкость и удельный вес перекачиваемой жидкости. Чем выше эти значения, тем обороты двигателя должны быть ниже, хотя потребляемая им мощность в этом случае растет.

Героторная пара

При подборе винтового насоса, определяющими параметрами являются подача и напор. Кроме того, надо обращать внимание на число оборотов привода и характеристики героторной пары: диаметр и шаг винта, первоначальный натяг узла «ротор-статор».

Основные типы

Героторная пара состоит из ротора (винта) и статора (обоймы). Первый обычно делается из стали. Может быть с защитным покрытием. Он представляет собой n-заходную внешнюю спираль. Второй выполняется из эластомера с повышенной химической и механической устойчивостью. Расположен в металлической гильзе, соединяется с ней раздельно или слитно. Это внутренняя n+1-заходная спираль. Жидкость перекачивается за счет того, что, между винтом и обоймой образуются пустоты, которые, при вращении ротора, «двигаются» в направлении выпускного патрубка. Получается своеобразный спиральный канал, по которому рабочая среда продавливается к выходу.

Изготовление героторной пары – это процесс, требующий высокой точности. Для его осуществления применяется специальное программное обеспечение. 

Использование в качестве материала внутренней поверхности статора эластомера дает возможность компенсировать неточность изготовления обоих элементов рабочей пары.  За счет него (эластомера) можно создать первоначальный натяг требуемой величины – уплотнение, которое образуется вследствие того, что диаметральные размеры винта несколько больше соответствующих габаритов обоймы. Сочетание металлического ротора и эластичного статора позволяет обеспечить большую устойчивость рабочей пары против износа даже в тех случаях, когда перекачивается жидкость с абразивными взвешенными частицами.

Чтобы повысить степень уплотнения и уменьшить вероятность протекания жидкости, данный узел может быть помещен в цилиндрический или конический эластичный корпус. В этом случае надо помнить, что, по сравнению с моделями в металлическом кожухе, такие изделия выдерживают меньшее давление.
На эксплуатационные параметры насоса влияют такие характеристики, как диаметр ротора, первоначальный натяг рабочей пары, количество оборотов привода и шаг винта.
Существуют разные виды винтовых насосов. Между собой они различаются по типу геометрии героторной пары. Они обозначаются буквами S, L, D, P.

• Тип S (рис. 7 - желтый). Витков – ½, дифференциальное давление – 12 бар, производительность - 100%. Обойма – запирающая, при не работающем насосе жидкость через пару не протекает. Преимущества: можно перекачивать, как спрессованные, так и очень большие частицы, подача очень плавная, скорость потока низкая, а всасывающая способность высокая, площадь сечения на входе большая, не смотря на значительное число ступеней, конструкция довольно компактная.

• Тип L (рис. 8 - красный). Витков – ½, давление – 6 бар, производительность – 200%. Обойма – не запирающая. Преимущества: меньше трение, высокая производительность, при сохранении небольших размеров; из-за длинной контактной линии между винтом и обоймой – хорошие объемные характеристики, реже требуется ремонт.

• Тип D (рис. 9 - синий). Витков – 2/3, давление – 12 бар, производительность – 150%. Преимущества: импульсы во время перекачки практически отсутствуют, при работе в режиме дозатора обеспечивается высокая точность, производительность и давление – достаточно высокие, при очень малых габаритах.

• Тип Р (рис. 10 - зеленый). Витков – 2/3, давление – 6 бар, производительность – 300%. Преимущества: аналогичные типу D, но производительность намного выше, плюс большой межремонтный период и превосходные объемные характеристики – сходные с типом L.

Если сравнивать пары одинаковой длины, то число витков у S окажется в 2 раза больше, чем у L, что непосредственно влияет на величину максимального давления. Поэтому, при необходимости увеличить или уменьшить значение данного показателя, можно, соответственно, во столько же раз увеличить или уменьшить длину героторной пары.
При малой длине винта и большом объеме замкнутой полости, производительность насоса будет максимальной. Если же ротор окажется длинным, а объем пустой камеры – небольшим, то у такого аппарата будет максимальный напор. Чем быстрее вращается винт в обойме, тем выше производительность, но ресурс - меньше.

В России и государствах - бывших республиках Советского Союза налажено производство героторных пар типов S и L. Рабочие органы D и P в изготовлении сложнее. Их делают, в основном, в странах дальнего зарубежья, например, в Германии. Цена двух последних моделей заметно выше, чем первых.

Применяемые материалы

Для изготовления ротора применяются различные виды сталей: термообработанная 1.2436 (40Х), коррозионностойкая 1.4571 (10Х17Н13М2Е), коррозионностойкая хромированная 1.4571HV, та же, с повышенной устойчивостью против износа 1.4571HV(250µmHVC) и другие.
Для производства статора используются EPDM (химически- и абразивостойкий), BR/NR (абразивостойкий), CSM (химически стойкий), NBR (для жидкостей без абразивных частиц), HYPALON (химически- и износоустойчивый) и прочие.

Применение винтовых насосов

Винтовые насосы широко используются в различных отраслях пищевой промышленности. С их помощью перекачивают:

• В молочной отрасли  – йогурт, сливки, сметану, ряженку, кефир, молоко, закваски, ферменты, фруктовые наполнители, мороженое, десерты, сырную массу, творог, масло и другое.
• Переработка рыбы и мяса – фарш, в том числе мясокостный, наполнители, колбасную смесь, сурими, яичные продукты, масло, животные жиры и прочее.
• Выпечка хлеба и хлебобулочных изделий – тропическое и подсолнечное масло, столовый или мягкий маргарин, кондитерские жиры, бисквитные смеси, заменители молочного жира, сиропы, крем, шоколад, топинги, наполнители, тесто.
• Изготовление вина, пива и напитков – мезгу, сусло, послеспиртовую барду, соковые концентраты и тому подобное.
• Производство сахара – зеленую и кормовую патоку, влажный жом на сушку, мелассу, известковое молоко на сатурацию.
• Переработка фруктов и овощей – горячая кабачковая икра и другие вязкие массы.
• Масложировое производство – масло подсолнечное, меланж, жидкие яичные белки и желтки, томатная паста, кетчуп, горчица, майонез.

Это далеко не полный список. Притом, кроме подачи, можно купить пищевой винтовой насос и для того, чтобы он работал в качестве дозатора – красителей, энзимов, протеинов, ароматизаторов (переработка мяса), томатной пасты и масла для консервации баклажанов и кабачков, тиражного ликера в потоке. Этот агрегат применяется в тех случаях, когда надо бережно подавать вино на розлив. В Европе его приспособили к вакуум-выпарным установкам и центрифугам, для обеспечения подачи полуфабриката без пульсаций, ровным потоком. В результате на выходе улучшаются органолептические характеристики конечного продукта.

Винтовые насосы для пищевой промышленности – это очень популярные агрегаты. С их помощью решаются такие задачи, которые не под силу устройствам других типов. Например, по сравнению с импеллерными, у них больше давление на выходе и они лучше перекачивают рабочую среду повышенной вязкости. Хотя у импеллерных более высокая степень всасывания. Винтовые насосы всегда будут широко востребованными, не только в производстве продуктов питания, но и в других отраслях.