Перистальтический насос
, Перистальтический насос также широко известный как роликовый насос , представляет собой тип объемного насоса, используемого для перекачивания различных жидкостей . Жидкость содержится в гибкой трубке, установленной внутри круглого корпуса насоса. Большинство перистальтических насосов работают за счет вращательного движения, хотя выпускаются и линейные перистальтические насосы. Ротор имеет несколько «скребков» или «роликов», прикрепленных к его внешней окружности, которые сжимают гибкую трубку при вращении. Часть трубки, находящаяся под сжатием, закрывается, заставляя жидкость двигаться по трубке. Кроме того, поскольку после прохождения роликов трубка открывается в свое естественное состояние, в трубку втягивается больше жидкости. Этот процесс называется перистальтикой и используется во многих биологических системах, таких как желудочно-кишечный тракт . Обычно трубку сжимают два или более роликов, удерживая между собой массу жидкости. Жидкость транспортируется по трубке к выходному отверстию насоса. Перистальтические насосы могут работать непрерывно или могут работать с индексацией частичных оборотов для подачи меньших объемов жидкости.
История [ править ]
Форма перистальтического насоса была описана в журнале «Механика» в 1845 году. В насосе использовался кожаный шланг, который не должен был самостоятельно открываться при отпускании роликами, вместо этого он полагался на то, что поступающая вода имеет достаточное давление для заполнения открытого впускного конца каждый цикл. [1] Перистальтический насос был впервые запатентован в США Руфусом Портером и Дж. Д. Брэдли в 1855 году (патент США № 12753). [2] в качестве скважинного насоса, а позже Юджина Аллена в 1881 году (патент США № 249285) [3] для переливания крови . Его разработал кардиохирург доктор Майкл Дебейки. [4] для переливания крови [5] когда он был студентом-медиком в 1932 году и позже использовался им для искусственного кровообращения. [6] системы. Специализированный неокклюзионный роликовый насос (патент США 5222880). [7] Использование мягких плоских трубок было разработано в 1992 году для систем искусственного кровообращения.
Приложения [ править ]
Перистальтические насосы обычно используются для перекачивания чистых/стерильных или высокореактивных жидкостей, не подвергая эти жидкости загрязнению из открытых компонентов насоса. Некоторые распространенные применения включают в себя перекачку внутривенных жидкостей через инфузионное устройство, аферез , высокореактивные химикаты, суспензии с высоким содержанием твердых частиц и другие материалы, где изоляция продукта от окружающей среды имеет решающее значение. Они также используются в аппаратах искусственного кровообращения для циркуляции крови во время шунтирования и в системах гемодиализа , поскольку насос не вызывает значительного гемолиза или разрыва клеток крови. [ нужна ссылка ]
Ключевые параметры конструкции [ править ]
Идеальный перистальтический насос должен иметь бесконечный диаметр головки насоса и максимально возможный диаметр роликов. Такой идеальный перистальтический насос обеспечит максимально длительный срок службы трубок и постоянную скорость потока без пульсаций.
Такой идеальный перистальтический насос невозможно построить в реальности. Однако перистальтические насосы можно спроектировать так, чтобы они приближались к этим идеальным параметрам перистальтического насоса.
Тщательная конструкция может обеспечить постоянную точную скорость потока в течение нескольких недель вместе с длительным сроком службы трубок без риска разрыва трубок. [ нужна ссылка ]
Химическая совместимость [ править ]
Перекачиваемая жидкость контактирует только с внутренней поверхностью трубки. Это устраняет проблемы совместимости жидкости с другими компонентами насоса, такими как клапаны, уплотнительные кольца и уплотнения, которые необходимо учитывать при использовании других конструкций насосов. Таким образом, на химическую совместимость учитывается только состав трубок, по которым проходит перекачиваемая среда. [ нужна ссылка ]
Трубка должна быть эластомерной, чтобы сохранять круглое поперечное сечение после миллионов циклов сжатия в насосе. Это требование исключает различные неэластомерные полимеры, совместимые с широким спектром химических веществ, таких как ПТФЭ , полиолефины , ПВДФ и т. д., из рассмотрения в качестве материала для трубок насосов. Популярными эластомерами для трубок насосов являются нитрил (NBR) , гипалон , витон , силикон , ПВХ , EPDM EPDM+ , полипропилен (как в сантопрене ), полиуретан и натуральный каучук . Из этих материалов лучшим сопротивлением усталости обладает натуральный каучук, а лучшей химической совместимостью обладают EPDM и Hypalon. Силикон популярен в жидкостях на водной основе, например, в биофармацевтической промышленности, но имеет ограниченный диапазон химической совместимости в других отраслях. [ нужна ссылка ]
Трубы из экструдированного фторполимера , такие как FKM (Viton, Fluorel и т. д.), имеют хорошую совместимость с кислотами, углеводородами и нефтяным топливом , но обладают недостаточной усталостной стойкостью для достижения эффективного срока службы труб.
Существует несколько новых разработок трубок, которые обеспечивают широкую химическую совместимость с использованием трубок с футеровкой и фторэластомеров . [ нужна ссылка ]
В трубах с футеровкой тонкая внутренняя оболочка изготовлена из химически стойкого материала, такого как полиолефин и ПТФЭ, которые образуют барьер для остальной части стенки трубки от контакта с перекачиваемой жидкостью. Эти вкладыши представляют собой материалы, которые часто не являются эластомерными, поэтому вся стенка трубки не может быть изготовлена из этого материала для перистальтических насосов. Эти трубки обеспечивают достаточную химическую совместимость и срок службы для использования в химически сложных условиях. При использовании этих трубок следует помнить о нескольких вещах: любые отверстия во вкладыше во время производства могут сделать трубку уязвимой для химического воздействия. В случае жестких пластиковых вкладышей, таких как полиолефины, при многократном изгибании в перистальтическом насосе на них могут образовываться трещины, что снова делает сыпучий материал уязвимым для химического воздействия. Общей проблемой всех трубок с футеровкой является расслоение лейнера при неоднократном изгибании, что сигнализирует об окончании срока службы трубки. Для тех, кому необходимы химически совместимые трубки, эти трубки с внутренним покрытием являются хорошим решением. [ нужна ссылка ]
В трубках из фторэластомера сам эластомер обладает химической стойкостью. В случае, например, Chem-Sure, он изготовлен из перфторэластомера, который обладает самой широкой химической совместимостью среди всех эластомеров. Две трубки из фторэластомера, перечисленные выше, сочетают в себе химическую совместимость с очень длительным сроком службы, обусловленным технологией армирования, но имеют довольно высокую первоначальную стоимость. Необходимо обосновать стоимость общей стоимостью, полученной за длительный срок службы трубки, и сравнить ее с другими вариантами, такими как другие трубки или даже другие технологии насосов.
В Интернете существует множество сайтов для проверки химической совместимости материала трубок с перекачиваемой жидкостью. Производители трубок также могут иметь таблицы совместимости, специфичные для их метода производства трубок, покрытия, материала и перекачиваемой жидкости.
Хотя эти таблицы охватывают список часто встречающихся жидкостей, в них могут быть указаны не все жидкости. Если существует жидкость, совместимость которой нигде не указана, то обычным испытанием на совместимость является испытание погружением. Образец трубки диаметром от 1 до 2 дюймов погружается в перекачиваемую жидкость на срок от 24 до 48 часов, и измеряется изменение веса до и после погружения. Если изменение веса превышает 10% от первоначального веса, то эта трубка несовместима с жидкостью и ее не следует использовать в этом случае. Это испытание по-прежнему является односторонним испытанием в том смысле, что все еще существует небольшая вероятность того, что трубка, прошедшая это испытание, все еще может быть несовместима для применения, поскольку сочетание предельной совместимости и механического изгиба может вытолкнуть трубку за край. , что приводит к преждевременному выходу трубки из строя.
В целом, недавние разработки трубок обеспечили широкую химическую совместимость с вариантами перистальтических насосов, что позволяет многим приложениям дозирования химических веществ иметь преимущества по сравнению с другими современными технологиями насосов.
Окклюзия [ править ]
 |
Минимальный зазор между роликом и корпусом определяет максимальное сжатие трубки. Степень сжатия, приложенного к трубке, влияет на производительность откачки и срок службы трубки: более сильное сжатие резко сокращает срок службы трубок, тогда как меньшее сжатие может привести к выскальзыванию перекачиваемой среды назад, особенно при перекачивании под высоким давлением, и снижает эффективность насоса. резко, а высокая скорость обратного скольжения обычно приводит к преждевременному выходу из строя шланга. Следовательно, эта величина сжатия становится важным параметром конструкции.
Термин «окклюзия» используется для измерения степени сжатия. Оно выражается либо в процентах от удвоенной толщины стенки, либо в абсолютном объеме сжимаемой стены.
Позволять
- g = минимальный зазор между роликом и корпусом,
- t = толщина стенки трубки.
Затем
- y = 2 t − g , если выразить это как абсолютную величину сжатия,
- y = 100% × (2 t − g ) / (2 t ), если выражать его в процентах от двойной толщины стенки.
Окклюзия обычно составляет от 10% до 20%, причем более высокая окклюзия соответствует более мягкому материалу трубки, а более низкая окклюзия — более твердому материалу трубки.
Таким образом, для данного насоса наиболее важным размером трубки является толщина стенки. Интересным моментом здесь является то, что внутренний диаметр (ВД) трубки не является важным параметром конструкции, определяющим пригодность трубки для насоса. Поэтому в насосе обычно используется более одного внутреннего диаметра, при условии, что толщина стенки остается неизменной.
Внутренний диаметр [ править ]
При заданной скорости вращения насоса трубка с большим внутренним диаметром (ВД) обеспечит более высокую скорость потока, чем трубка с меньшим внутренним диаметром. Скорость потока является функцией площади поперечного сечения канала трубы.
Расход [ править ]
Скорость потока является важным параметром для насоса. Скорость потока в перистальтическом насосе определяется многими факторами, такими как:
- Внутренний диаметр трубки – более высокая скорость потока при большем внутреннем диаметре.
- Внешний диаметр головки насоса – более высокая скорость потока при большем внешнем диаметре.
- Скорость вращения головки насоса – более высокая скорость потока с более высокой скоростью.
- Пульсация на входе – импульс уменьшает объем наполнения шланга.
Увеличение количества роликов не увеличивает скорость потока, а несколько снижает скорость потока за счет уменьшения эффективной (т.е. перекачивающей жидкость) окружности головки. Добавление роликов имеет тенденцию уменьшать амплитуду пульсации жидкости на выходе за счет увеличения частоты пульсирующего потока.
Длина трубки (измеренная от начальной точки защемления возле входа до конечной точки выпуска возле выхода) не влияет на скорость потока. Однако чем длиннее трубка, тем больше точек защемления между входом и выходом, что увеличивает давление, которое может создать насос.
Скорость потока перистальтического насоса в большинстве случаев нелинейна. Эффект пульсации на входе в насос изменяет степень наполнения перистальтического шланга. При высокой пульсации на входе перистальтический шланг может принять овальную форму, что приведет к уменьшению потока.Таким образом, точное дозирование с помощью перистальтического насоса возможно только в том случае, если насос имеет постоянный расход или когда пульсация на входе устранена с помощью правильно спроектированных демпферов пульсаций.
Пульсация [ править ]
Пульсация является важным побочным эффектом перистальтического насоса. Пульсация в перистальтическом насосе определяется многими факторами, такими как:
- Скорость потока – более высокая скорость потока дает большую пульсацию.
- Длина линии. Длинные трубопроводы создают большую пульсацию.
- Более высокая скорость насоса – более высокая частота вращения дает большую пульсацию.
- Удельный вес жидкости – более высокая плотность жидкости дает большую пульсацию.
Вариации [ править ]
Шланговые насосы [ править ]
Перистальтические шланговые насосы высокого давления, которые обычно могут работать при давлении до 16 бар (230 фунтов на квадратный дюйм) в непрерывном режиме, используют башмаки (ролики используются только в типах низкого давления) и имеют корпуса, заполненные смазкой для предотвращения истирания внешней части трубки насоса. и для облегчения отвода тепла используйте армированные трубки, часто называемые «шлангами». Этот класс насосов часто называют «шланговым насосом».
Самым большим преимуществом шланговых насосов перед роликовыми насосами является высокое рабочее давление до 16 бар. При использовании роликов максимальное давление может без проблем достигать 12 бар (170 фунтов на квадратный дюйм). Если высокое рабочее давление не требуется, трубчатый насос является лучшим вариантом, чем шланговый насос, если перекачиваемая среда не является абразивной. Благодаря недавним достижениям в области трубных технологий в отношении давления, срока службы и химической совместимости, а также более высоких диапазонов скорости потока, преимущества шланговых насосов перед роликовыми насосами продолжают стираться.
Трубочные насосы [ править ]
Перистальтические насосы низкого давления обычно имеют сухие корпуса и используют ролики вместе с неармированными экструдированными трубками. Этот класс насосов иногда называют «трубочным насосом» или «трубным насосом». В этих насосах используются ролики, сжимающие трубку. За исключением конструкции эксцентрикового насоса на 360°, эти насосы имеют минимум 2 ролика, расположенных на расстоянии 180° друг от друга, и могут иметь до 8 или даже 12 роликов. Увеличение количества роликов увеличивает частоту пульсаций давления перекачиваемой жидкости на выходе, тем самым уменьшая амплитуду пульсаций. Обратной стороной увеличения количества роликов является то, что пропорционально увеличивается количество сдавливаний или закупорок трубки при заданном совокупном потоке через эту трубку, тем самым сокращая срок службы трубки.
Перистальтические насосы имеют два типа конструкции роликов:
- Фиксированная окклюзия. В этом типе помпы ролики имеют фиксированное положение при повороте, сохраняя постоянную окклюзию при сдавливании трубки. Это простая, но эффективная конструкция. Единственным недостатком этой конструкции является то, что процент окклюзии трубки меняется в зависимости от толщины стенки трубки. Обычно толщина стенок экструдированных трубок варьируется настолько, что процент окклюзии может меняться в зависимости от толщины стенки (см. выше). Следовательно, участок трубки с большей толщиной стенки, но в пределах принятого допуска, будет иметь более высокий процент окклюзии, что увеличивает износ трубки, тем самым уменьшая срок ее службы. Допуски по толщине стенок труб сегодня, как правило, достаточно жесткие, поэтому этот вопрос не имеет большого практического значения. Для тех, кто склонен к механике, это может быть операция с постоянной нагрузкой.
- Подпружиненные ролики. Как следует из названия, ролики в этом насосе установлены на пружине. Эта конструкция более сложна, чем фиксированная окклюзия, но помогает преодолеть изменения толщины стенки трубки в более широком диапазоне. Независимо от изменений, ролик оказывает на трубку одинаковое напряжение, пропорциональное жесткости пружины, что делает эту операцию постоянным напряжением. Пружина подбирается так, чтобы преодолевать не только кольцевую прочность трубки, но и давление перекачиваемой жидкости.
Рабочее давление этих насосов определяется трубкой и способностью двигателя преодолевать кольцевую прочность трубки и давление жидкости.
Микрофлюидные насосы [ править ]
В микрофлюидике часто желательно минимизировать циркулирующий объем жидкости. Традиционным насосам требуется большой объем жидкости, внешний по отношению к микрофлюидному контуру. Это может привести к проблемам из-за разбавления аналитов и уже разбавленных биологических сигнальных молекул. [9] По этой причине, среди прочего, желательно интегрировать микронасосную структуру в микрофлюидный контур. Ву и др. представила в 2008 году перистальтический микронасос с пневматическим приводом, который устраняет необходимость во внешних циркулирующих объемах жидкости. [8]
Преимущества [ править ]
- Никакого загрязнения. легко стерилизовать и чистить. Поскольку единственной частью насоса, контактирующей с перекачиваемой жидкостью, является внутренняя часть трубки, внутренние поверхности насоса
- Низкие потребности в обслуживании и простота очистки; отсутствие клапанов, уплотнений и сальников делает их обслуживание сравнительно недорогим.
- Они способны перекачивать суспензии, вязкие, чувствительные к сдвигу и агрессивные жидкости.
- Конструкция насоса предотвращает обратный поток и сифонирование без клапанов.
- За один оборот перекачивается фиксированное количество жидкости, поэтому его можно использовать для приблизительного измерения количества перекачиваемой жидкости.
Недостатки [ править ]
- Гибкая трубка со временем изнашивается и требует периодической замены.
- Поток пульсирующий, особенно при низких скоростях вращения. Следовательно, эти насосы менее подходят там, где требуется плавный и постоянный поток. альтернативный тип объемного насоса . В приложениях, требующих плавного потока, следует рассмотреть
- Эффективность ограничена вязкостью жидкости.
- Снижение потенциального расхода при увеличении общей подъемной силы на стороне впуска с максимальной теоретической подъемной силой 33 фута.
Трубка [ править ]
При выборе трубок перистальтического насоса учитываются соответствующая химическая стойкость к перекачиваемой жидкости, будет ли насос использоваться постоянно или с перерывами, а также стоимость. Типы трубок, обычно используемые в перистальтических насосах, включают:
При постоянном использовании большинство материалов действуют одинаково в течение коротких периодов времени. [10] Это говорит о том, что упускаемые из виду недорогие материалы, такие как ПВХ, могут удовлетворить потребности краткосрочного одноразового использования в медицинских целях. При периодическом использовании важна остаточная компрессия, и силикон является оптимальным выбором материала.
Типичные приложения [ править ]
- Лекарство
- для диализа Аппараты
- байпасным насосом с открытым сердцем Машины с
- Медицинские инфузионные насосы
- Тестирование и исследования
- Автоанализатор
- Аналитические химические эксперименты
- угарного газа Мониторы
- Диспенсеры носителей
- Сельское хозяйство
- Насосы «Sapsucker» для извлечения сока клена
- Дозаторы для гидропонных систем
- Производство и продажа продуктов питания
- Жидкие пищевые фонтаны (например, сырный соус для начос )
- Выдача напитков
- Жидкостной насос для стиральной машины для предприятий общественного питания
- Химическая обработка
- Печать, краски и пигменты
- Фармацевтическое производство
- Системы дозирования химикатов для посудомоечных и стиральных машин.
- Проектирование и производство
- Бетононасос
- Целлюлозно-бумажные комбинаты
- Минимальное количество смазки
- Струйные принтеры
- Вода и отходы
- Химическая обработка на водоочистной станции
- сточных вод Осадок
- Аквариумы , особенно кальциевые реакторы
- Автоматический отбор проб сточных вод для определения показателей качества сточных вод
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Журнал «Механика», музей, регистр, журнал и газета . Найт и Лейси. 1845. стр. 52–53.
- ^ «Эластичная трубка ptjmp» . 17 апреля 1855 г.
- ^ «Прибор для переливания крови» .
- ^ Доктор Майкл Э. Дебейки . «Методист Центра сердца и сосудов Дебейки» . Архивировано из оригинала 27 июля 2011 г. Проверено 27 июня 2010 г.
- ^ «Майкл Э. Дебейки» . Национальная медицинская библиотека, научные профили .
- ^ Пассарони, AC; Сильва, Массачусетс; Ёсида, ВБ (2015). «Сердечно-лёгочное шунтирование: развитие аппарата искусственного кровообращения Джона Гиббона» . Revista Brasileira de Cirurgia сердечно-сосудистая хирургия . 30 (2): 235–245. дои : 10.5935/1678-9741.20150021 . ПМК 4462970 . ПМИД 26107456 .
- ^ «Саморегулирующийся насос крови» .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Ву, Мин Сянь; Хуан, Сун Бин; Цуй, Чжаньфэн; Цуй, Чжэн; Ли, Гво Бин (2008). «Разработка платформы для микротрехмерных культур клеток на основе перфузии и ее применение для высокопроизводительного тестирования лекарств». Датчики и исполнительные механизмы, B: Химия . 129 (1): 231–240. дои : 10.1016/j.snb.2007.07.145 .
- ^ Вагнер, И.; Матерне, Э.-М.; Бринкер, С.; Сюсбир, У.; Фредрих, К.; Бусек, М.; Маркс, У. (2013). «Динамический мультиорганный чип для долгосрочного культивирования и тестирования веществ, подтвержденный трехмерным совместным культивированием печени и кожных тканей человека» . Лаборатория на чипе . 13 (18): 3538–47. дои : 10.1039/c3lc50234a . ПМИД 23648632 .
- ^ «Выбор материала для трубок перистальтического насоса | Технический документ | Grayline LLC» .
- ^ Трейтель, Чак (7 мая 2009 г.). «Перистальтический ответ на каустические проблемы» . Мировые насосы . Проверено 10 июля 2014 г.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
