Как выбрать демпфер пульсаций: разбираем рекомендации и советы

Для чего может понадобиться демпфер?

По большому счету, гаситель пульсаций нужен лишь в одном случае: если жидкость на выходе из вашего насоса пульсирует больше, чем хотелось бы. Наибольшей пульсацией отличаются перистальтические, мембранные  и поршневые насосы. На примере двух последних групп мы и рассмотрим процесс выбора демпфера. 

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. 

Виды демпферов

На нашем сайте представлены два варианта демпферов — активный и пассивный. И оба этих варианта используют гибкую мембрану в качестве рабочего элемента. Гибкая мембрана заменяет собой одну из стенок рабочей камеры демпфера. В результате, когда в напорной линии поднимается давление, часть жидкости заходит в демпфер и заполняет его. Под давлением жидкости мембрана выгибается наружу, увеличивая объем рабочей камеры демпфера. Таким образом, часть перекачиваемой жидкости запасается в демпфере. 

В тот момент, когда давление в напорной линии падает, мембрана возвращается в исходное положение, выталкивая в рабочую линию жидкость, которая была запасена в демпфере на предыдущем этапе. Таким образом в любой момент времени в напорной линии поддерживается относительно стабильное давление. В активном демпфере мембрана возвращается, в основном, под действием сил подводимого извне сжатого воздуха. Поэтому активные демпферы нужно подключать к той же воздушной линии, от которой питаются сами пневматические насосы. Если же ваш насос — электрический, то это может стать проблемой: нужно устанавливать компрессор. Хорошим выходом из этой ситуации станет пассивный демпфер, в котором мембрана возвращается в исходное положение под действием сил собственной упругости и запасенного на предыдущем такте избыточного давления. Пассивный демпфер не нужно подключать к воздушной линии, поэтому его можно применять с любыми типами насосов. Хоть с электрическими, хоть с пневматическими. Пассивный демпфер особенно удобен в сочетании с дозировочными насосами, которые практически всегда работают без сжатого воздуха.

Как правильно выбрать демпфер

Так как чаще всего демпферы используются именно с мембранными насосами, то на их примере мы и будем рассматривать дальнейший подбор гасителя пульсаций. Хотя всё сказанное ниже справедливо и для других типов насосов, с поправкой лишь на размеры рабочих элементов, объем единичного впрыска и длительность пауз между впрысками. 

Подбирая гаситель пульсаций, важно понимать, что степень гашения пульсаций зависит в первую очередь от того количества жидкости, которое демпфер может запасти, а потом вернуть. Объем этот должен быть как минимум равен объему жидкости, который насос подает в напорную линию за один такт. 

Если демпфер будет слишком маленьким, то он, во-первых, не сможет забрать из напорной линии достаточно жидкости, чтобы компенсировать скачки давления, а, во-вторых, не сможет поддержать давление между толчками насоса. 

Было бы полезно, если бы в документации к демпферам указывали именно его рабочий объем — то есть объем запасаемой жидкости. Но, этого никто не делает. Как правило, в документации к демпферу указываются лишь размер рабочих мембран или то, на какой расход жидкости он рассчитан. И даже с этими цифрами все не так просто.

Часто производители демпферов дают такие рекомендации: диаметр мембраны демпфера должен быть больше или равен диаметру мембраны насоса. Предполагается, что одна и та же мембрана что в насосе, что в демпфере способна растягиваться и сжиматься на одну и ту же величину, то есть запасать одно и то же количество жидкости. И это действительно происходит, но лишь при соблюдении двух условий: насос работает вблизи своей максимальной производительности и давление на напорной линии близко к давлению сжатого воздуха. 

Еще чаще производители указывают, что их демпфер рассчитан на определенный расход жидкости. Но на самом деле, это еще более бесполезная информация. К примеру, насосы Seko Duotek подают в линию нескольких порций жидкости в секунду. Насосы Yamada с точно такой же производительностью могут подавать в напорную линию несколько десятков порций жидкости в секунду. Еще больше порций жидкости за секунду могут подавать дозировочные насосы. При этом каждый из трех видов насосов может иметь одну и ту же производительность с точностью до литра: просто у дозировочного насоса объем одной порции жидкости будет во много раз меньше, чем у насосов Seko.   

Понятно, что и объем жидкости, которую должен запасти демпфер, при работе с дозировочным насосом может быть во столько же раз меньше, чем при работе с универсальным насосом. И это при одной и той же производительности. Впрочем, хорошая новость в том, что производители демпферов в своих рекомендациях ориентируются, в основном, на наиболее универсальные мембранные насосы с частотой работы в районе нескольких тактов в секунду. 

Когда насос работает вблизи своей максимальной производительности, паузы между циклами подачи жидкости минимальны, и объема демпфера с мембранами того же размера, что и у насоса, обычно хватает для того, чтобы заполнить паузы между толчками жидкости из насоса. Но по мере того как мы снижаем производительность насоса (ограничивая подачу воздуха в пневматический насос, или снижая частоту следования импульсов на дозирующем насосе), растет и время между циклами подачи: все больше времени проходит между моментами повышения давления в напорной линии. А запас жидкости в демпфере ограничен. Как следствие, по мере снижения расхода жидкости, снижается и эффективность демпфера пульсаций. Он по прежнему немного сглаживает пики давления, но уже не может компенсировать отсутствие давления между пиками. 

Эксперименты показывают, что при снижении производительности насоса в два раза, нужно в те же два раза увеличивать размер установленного демпфера пульсаций. Имейте это в виду, если планируете использовать свой насос менее, чем на 70% от максимальной производительности. 

При достаточно малом давлении в напорной линии, жидкость предпочитает полностью утекать к потребителю, практически 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 открытые емкости (например, разливаете масло по канистрам). В этом случае, какой бы большой демпфер у вас ни стоял, полностью сгладить толчки будет невозможно. Ведь для того, чтобы запасти достаточно жидкости, мембрана демпфера должна растянуться под напором этой самой жидкости. А если в напорной линии нет никакого напора? Другими словами, давление со стороны жидкости на мембрану демпфера должно стать больше, чем давление воздуха плюс сила упругости мембраны вместе взятые. Где взять такое давление на короткой, широкой, открытой с одного конца линии? 

Эффективность работы демпфера на короткой линии можно существенно увеличить, если после него сделать заужение, как показано на рисунке ниже. Вместо заужения можно установить кран и держать его в полуоткрытом состоянии. В этом случае в момент повышения давления часть жидкости сразу пройдет через заужение, а часть сначала уйдет в демпфер. Для пассивных демпферов достаточно создать в напорной линии избыточное давление 0,5 бара. Для активных демпферов это значение сильно  зависит от конкретной модели, но не превышает давления подаваемого сжатого воздуха.

Подобные заужения немного снижают производительность насоса, но зато существенно увеличивают эффективность работы демпфера. 

Изображение 1: заужение на короткой линии, позволяющее увеличить эффективность работы демпфера пульсаций

Если напорная линия короткая и в ней нет давления, то демпфер пульсаций не будет работать корректно. Небольшое заужение напорной линии после демпфера позволит создать дополнительное давление для более эффективной работы демпфера. Правда производительность насоса при этом несколько упадет.

Проведенные нами эксперименты показывают, что по мере увеличения вязкости жидкости эффективность демпфера сначала медленно растет (вплоть до 4 тысяч сСт), а потом начинает постепенно снижаться. При вязкости в 10 тысяч сантистокс эффективность гасителя пульсаций становится такой же как при перекачивании воды. Но зависит это не совсем от вязкости. 

По нашему мнению, все дело в сопротивлении шлангов. Вязкая жидкость хуже течет по относительно узким шлангам, поэтому в месте прикрепления демпфера (почти у самого насоса) давление жидкости получается значительно выше, чем на конце шланга. Именно это давление заставляет жидкость затекать в демпфер и растягивать мембрану. В результате демпфер запасает больше жидкости, чем при перекачивании чистой воды. В случае же с жидкостью низкой вязкости (вода) — разница давлений у демпфера и на конце шланга не такая большая. Соответственно, мембрана демпфера меньше растягивается и запасает меньше воды. Поэтому пульсации воды хуже демпфируются, чем пульсации клея или краски. 

А для жидкостей с очень большой вязкостью в игру вступает уже скорость течения жидкости: достаточно вязкая жидкость уже не успевает затекать через узкое входное отверстие демпфера. 

Но не стоит думать, что для большой вязкости можно брать точно такой же демпфер, что и для воды. По мере роста вязкости жидкости неизбежно снижается производительность насоса. Он начинает работать медленнее, паузы между тактами подачи жидкости увеличиваются, и демпфер постепенно перестает справляться со своей задачей. Так что, подбирая демпфер, ориентируйтесь на алгоритм, который мы разместили ниже. 

Все вышесказанное относилось к жидкостям с плотностью, близкой к плотности воды. Однако, практика показывает, что при увеличении плотности жидкости до 1,5 и более, эффективность демпфера снова снижается. Вероятно, это связано с тем, что на перемещение более плотной жидкости в демпфер и обратно, нужно потратить существенно больше энергии. К счастью, пропорциональное увеличение размера мембран решает и эту проблему.

Расчет демпфера

Мы сделали теоретические выкладки и теперь должны показать как можно подобрать демпфер пульсаций на практике. Сделать это можно двумя путями: через формулу или через блок-схему. Мы покажем оба способа, но рекомендовать будем второй. 

Способ 1: подбор демпфера пульсаций по формуле. 

Изображение 2. Формула подбора демпфера пульсаций: VD — минимально необходимый рабочий объем демпфера пульсаций (в миллилитрах); VP — объем жидкости, который насос подает за один такт работы (в миллилитрах); FP — количество тактов насоса в секунду (если насос уже используется и эту величину можно измерить непосредственно) либо отношение желаемой производительности насоса к объему единичного впрыска; η — кинематическая вязкость перекачиваемой жидкости (в сантистоксах); ρ — плотность перекачиваемой жидкости (в граммах на кубический сантиметр).

Подбор демпфера по формуле крайне затруднен тем, что пользователю сложно добыть исходные данные по рабочему объему демпфера и насоса. Производители далеко не всегда указывают нужные цифры в спецификациях. Поэтому мы предлагаем воспользоваться способом №2.

Способ №2: подбор демпфера по блок-схеме (подходит только для мембранных насосов):

Изображение 2: Алгоритм выбора демпфера пульсаций для мембранного насоса

Глядя на рекомендации выше, порой можно прийти в уныние: если жидкость одновременно и вязкая и плотная, да еще и в линии давление совсем небольшое — демпфер может получиться весьма не маленьким. И это не только вопрос денег: большой демпфер не всегда удобно размещать на линии.

К счастью, есть два решения этой проблемы: во-первых, несколько маленьких демпферов работают даже более эффективно, чем один большой; а во-вторых, возможно вам и не нужна идеальная гладкость потока жидкости. Поэтому, вы всегда можете сначала заказать один гаситель пульсаций средних размеров, посмотреть, как он справляется со своей задачей и, при необходимости, докупить еще один. 

Напомним, что всё вышесказанное — это не официальные рекомендации производителей, а всего лишь обобщенный опыт наших клиентов и результаты проведенных нами экспериментов. 

Если у вас возникнут вопросы или дополнения к этой статье — пишите на нашу электронную почту. Мы с удовольствием будем проверять и дополнять информацию о демпферах пульсаций по мере ее появления. 

А если вы хотите посмотреть, как проходил один из наших экспериментов — посмотрите вот это видео: