Перистальтический насос , также широко известный как роликовый насос, представляет собой тип объемного насоса используется для перекачки различных жидкостей . Жидкость содержится в гибкой трубке, установленной внутри круглого корпуса насоса. Большинство перистальтических насосов работают за счет вращательного движения, хотя существуют и линейные перистальтические насосы. Ротор имеет ряд «дворники» или «ролики» , прикрепленные к его внешней окружности, которые сжимают гибкую трубку , как они вращаются с. Часть трубки, находящаяся под давлением, закрывается, заставляя жидкость перемещаться по трубке. Кроме того, когда трубка открывается до своего естественного состояния после прохождения роликов, в трубку втягивается больше жидкости. Этот процесс называется перистальтикой.и используется во многих биологических системах, таких как желудочно-кишечный тракт . Обычно имеется два или более ролика, сжимающих трубку, удерживающих между собой объем жидкости. Объем жидкости транспортируется по трубке к выпускному отверстию насоса. Перистальтические насосы могут работать непрерывно, или они могут индексироваться посредством частичных оборотов для подачи меньшего количества жидкости.
История [ править ]
Форма перистальтического насоса была описана в журнале The Mechanics Magazine в 1845 году. В насосе использовался кожаный шланг, который не нуждался в самооткрывании при отпускании роликами, вместо этого полагаясь на поступающую воду, имеющую достаточное давление, чтобы заполнить открытый входной конец на каждый цикл. [1] Перистальтический насос был впервые запатентован в США Руфусом Портером и Дж. Д. Брэдли в 1855 году (патент США № 12753) [2] как скважинный насос, а затем Юджином Алленом в 1881 году (патент США № 249285) [3] ] для переливания крови . Он был разработан кардиохирургом доктором Майклом Дебейки [4] для переливания крови [5]в то время как он был студентом-медиком в 1932 году и позже использовался им для искусственного кровообращения [6] . В 1992 году для систем искусственного кровообращения был разработан специализированный роликовый насос неокклюзионного действия (патент США 5222880) [7], в котором используются плоские мягкие трубки. Первый технически и коммерчески жизнеспособный перистальтический насос для использования вне лаборатории был разработан Бернардом Рефсоном. [8]
Приложения [ править ]
Перистальтические насосы обычно используются для перекачивания чистых / стерильных или высокореактивных жидкостей, не подвергая эти жидкости загрязнению открытыми компонентами насоса. Некоторые распространенные применения включают перекачивание жидкостей для внутривенного вливания через инфузионное устройство, аферез , химические вещества с высокой реакционной способностью, суспензии с высоким содержанием твердых частиц и другие материалы, в которых изоляция продукта от окружающей среды имеет решающее значение. Они также используются в аппаратах искусственного кровообращения для циркуляции крови во время операции шунтирования и в системах гемодиализа , поскольку помпа не вызывает значительного гемолиза или разрыва клеток крови.
Основные параметры дизайна [ править ]
Идеальный перистальтический насос должен иметь бесконечный диаметр головки насоса и максимально возможный диаметр роликов. Такой идеальный перистальтический насос обеспечит максимально возможный срок службы трубки и постоянную скорость потока без пульсаций.
Такой идеальный перистальтический насос невозможно построить в реальности. Однако перистальтические насосы могут быть спроектированы так, чтобы приблизиться к этим идеальным параметрам перистальтического насоса.
Тщательная конструкция может обеспечить постоянные точные скорости потока в течение нескольких недель вместе с длительным сроком службы трубок без риска разрыва трубки. [ необходима цитата ]
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 для других конструкций насосов. Следовательно, для химической совместимости учитывается только состав трубки, через которую проходит перекачиваемая среда.
Трубка должна быть эластомерной, чтобы сохранять круглое поперечное сечение после миллионов циклов сжатия в насосе. Это требование исключает рассмотрение множества неэластомерных полимеров, совместимых с широким спектром химикатов, таких как ПТФЭ , полиолефины , ПВДФ и т. Д., В качестве материала для трубок насоса. Популярными эластомерами для трубок насоса являются нитрил (NBR), Hypalon , Viton , силикон , ПВХ , EPDM , EPDM + полипропилен (как в Santoprene ), полиуретан и натуральныйрезина . Из этих материалов натуральный каучук обладает лучшей устойчивостью к усталости, а EPDM и Hypalon обладают лучшей химической совместимостью. Силикон популярен в жидкостях на водной основе, например, в биофармацевтической промышленности, но имеет ограниченный диапазон химической совместимости в других отраслях.
Экструдированные фторполимерные трубки, такие как FKM (Viton, Fluorel и т. Д.), Обладают хорошей совместимостью с кислотами, углеводородами и нефтяным топливом , но обладают недостаточной усталостной прочностью для обеспечения эффективного срока службы трубки.
Существует несколько новых разработок трубок, которые обеспечивают широкую химическую совместимость с использованием труб с футеровкой и фторэластомеров .
Тонкая внутренняя облицовка труб с футеровкой сделана из химически стойкого материала, такого как полиолефин и ПТФЭ, которые образуют барьер для остальной части стенки трубы от контакта с перекачиваемой жидкостью. Эти футеровки представляют собой материалы, которые часто не являются эластомерами, поэтому всю стенку трубки нельзя изготовить из этого материала для использования в перистальтических насосах. Эта трубка обеспечивает адекватную химическую совместимость и срок службы для использования в химически сложных условиях. При использовании этих трубок следует помнить о нескольких вещах - любые проколы в гильзе во время производства могут сделать трубку уязвимой для химического воздействия. В случае жестких пластиковых футеровок, таких как полиолефины, при многократном изгибе в перистальтическом насосе могут образоваться трещины, в результате чего объемный материал снова становится уязвимым для химического воздействия.Общей проблемой всех труб с футеровкой является расслоение футеровки с повторяющимся изгибом, которое сигнализирует об окончании срока службы трубы. Для тех, кому нужны химически совместимые трубки, эти трубки с футеровкой являются хорошим решением.
С трубкой из фторэластомера сам эластомер обладает химической стойкостью. В случае, например, Chem-Sure, он сделан из перфторэластомера, который имеет самую широкую химическую совместимость из всех эластомеров. Две перечисленные выше трубки из фторэластомера сочетают в себе химическую совместимость с очень длительным сроком службы трубки, обусловленным их технологией армирования, но имеют довольно высокую начальную 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 насосные технологии.
Существует множество онлайн-сайтов для проверки химической совместимости материала трубок с перекачиваемой жидкостью. Производители трубок также могут иметь диаграммы совместимости, относящиеся к их способу производства труб, покрытию, материалу и перекачиваемой жидкости.
Хотя эти диаграммы охватывают список часто встречающихся жидкостей, они могут не включать все жидкости. Если существует жидкость, совместимость которой нигде не указана, то обычным тестом на совместимость является испытание иммерсией. Образец трубки диаметром 1-2 дюйма погружается в перекачиваемую жидкость на период от 24 до 48 часов, и измеряется величина изменения веса до и после погружения. Если изменение веса превышает 10% от первоначального веса, то эта трубка несовместима с жидкостью и не должна использоваться в этом приложении. Этот тест по-прежнему является односторонним, в том смысле, что все еще существует небольшая вероятность того, что трубка, прошедшая этот тест, может быть несовместима с приложением, поскольку сочетание пограничной совместимости и механического изгиба может подтолкнуть трубку к краю. ,что приводит к преждевременному отказу трубки.
В целом, последние разработки трубок обеспечили широкую химическую совместимость с опцией перистальтического насоса, что позволяет использовать многие приложения для дозирования химикатов по сравнению с другими современными технологиями насосов.
Окклюзия [ править ]
Минимальный зазор между роликом и корпусом определяет максимальное сжатие, прилагаемое к трубке. Величина сжатия, прикладываемого к трубке, влияет на производительность насоса и срок службы трубки - большее сжатие резко снижает срок службы трубки, в то время как меньшее сжатие может вызвать проскальзывание перекачиваемой среды, особенно при перекачивании под высоким давлением, и снижает эффективность насоса. резко, и высокая скорость обратного скольжения обычно вызывает преждевременный выход из строя шланга. Следовательно, эта степень сжатия становится важным параметром конструкции.
Термин «окклюзия» используется для измерения степени сжатия. Он выражается либо в процентах от удвоенной толщины стенки, либо в абсолютной величине сдавленной стенки.
Позволять
- y = окклюзия
- g = минимальный зазор между роликом и корпусом
- t = толщина стенки трубы
потом
- y = 2t - g (когда выражается как абсолютная величина сжатия)
- y = (2t - g) / (2t) × 100 (когда выражается в процентах от удвоенной толщины стенки)
Окклюзия обычно составляет от 10 до 20%, с более высокой окклюзией для более мягкого материала трубки и более низкой окклюзией для более твердого материала трубки.
Таким образом, для данного насоса наиболее важным размером трубы становится толщина стенки. Интересным моментом здесь является то, что внутренний диаметр трубки не является важным параметром конструкции для пригодности трубки для насоса. Поэтому с насосом обычно используется более одного внутреннего диаметра, если толщина стенки остается неизменной.
Внутренний диаметр [ править ]
При заданной скорости вращения насоса трубка с большим внутренним диаметром (ID) даст более высокий расход, чем трубка с меньшим внутренним диаметром. Скорость потока зависит от площади поперечного сечения отверстия трубки.
Скорость потока [ править ]
Скорость потока - важный параметр для насоса. Скорость потока в перистальтическом насосе определяется многими факторами, такими как:
- Внутренний диаметр трубки - больший расход при большем внутреннем диаметре
- Наружный диаметр головки насоса - больший расход при большем наружном диаметре
- Скорость вращения головки насоса - более высокая скорость потока при более высокой скорости
- Пульсация на входе - импульс уменьшает заполняющий объем шланга
Увеличение количества роликов не увеличивает скорость потока, вместо этого оно несколько снижает скорость потока за счет уменьшения эффективной (т.е. перекачиваемой жидкости) окружности головки. Увеличивающие ролики имеют 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 выхода рядом с выходом) не влияет на скорость потока. Однако более длинная трубка подразумевает большее количество точек защемления между входом и выходом, увеличивая давление, которое может создать насос.
Расход перистальтического насоса в большинстве случаев нелинейный. Эффект пульсации на входе в насос изменяет степень заполнения 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 полностью устранена за счет использования демпферов пульсаций правильной конструкции.
Пульсация [ править ]
Пульсация - важный побочный эффект перистальтического насоса. Пульсация перистальтического насоса определяется многими факторами, такими как:
- Скорость потока - более высокая скорость потока дает большую пульсацию
- Длина линии - длинные трубопроводы дают большую пульсацию
- Более высокая скорость насоса - более высокая частота вращения дает большую пульсацию
- Удельный вес жидкости - более высокая плотность жидкости дает большую пульсацию
Варианты [ править ]
Шланговые насосы [ править ]
Перистальтические шланговые насосы высокого давления, которые обычно могут работать при постоянном давлении до 16 бар (230 фунтов на кв. Дюйм), используют башмаки (ролики используются только в моделях с низким давлением) и имеют корпуса, заполненные смазкой для предотвращения истирания наружной поверхности трубки насоса. а также для отвода тепла и использования усиленных труб, часто называемых «шлангами». Насосы этого класса часто называют «шланговыми насосами».
Самым большим преимуществом шланговых насосов перед роликовыми насосами является высокое рабочее давление до 16 бар. С роликами максимальное давление может достигать 12 бар (170 фунтов на квадратный дюйм) без каких-либо проблем. Если высокое рабочее давление не требуется, шланговый насос является лучшим вариантом, чем шланговый, если перекачиваемая среда не является абразивной. В связи с последними достижениями в технологии трубок в отношении давления, срока службы и химической совместимости, а также с увеличением диапазонов расхода, преимущества шланговых насосов перед роликовыми насосами продолжают исчезать.
Трубные насосы [ править ]
Перистальтические насосы более низкого давления обычно имеют сухой кожух и используют ролики вместе с неармированными экструдированными трубками. Этот класс насосов иногда называют «трубчатым насосом» или «трубным насосом». В этих насосах используются ролики для сжатия трубки. За исключением конструкции насоса с эксцентриком на 360 °, как описано ниже, эти насосы имеют как минимум 2 ролика, разнесенные на 180 °, и могут иметь до 8 или даже 12 роликов. Увеличение количества роликов увеличивает частоту импульсов давления перекачиваемой жидкости на выходе, тем самым уменьшая амплитуду пульсации. Обратной стороной увеличения количества роликов является то, что это пропорционально увеличивает количество сдавливаний или закупорок на трубке для данного совокупного потока через эту трубку, тем самым сокращая срок службы трубки.
Роликовые перистальтические насосы бывают двух видов:
- Фиксированная окклюзия - в этом типе помпы ролики имеют фиксированное положение при вращении, сохраняя постоянную окклюзию при сжатии трубки. Это простой, но эффективный дизайн. Единственным недостатком этой конструкции является то, что степень окклюзии на трубке изменяется в зависимости от толщины стенки трубки. Обычно толщина стенок экструдированных трубок варьируется настолько, что% окклюзии может меняться в зависимости от толщины стенки (см. Выше). Следовательно, участок трубы с большей толщиной стенки, но в пределах допустимого допуска, будет иметь более высокий процент окклюзии, что увеличивает износ трубы, тем самым сокращая срок службы трубы. Сегодня допуски на толщину стенки трубы обычно достаточно жесткие, поэтому этот вопрос не имеет большого практического значения. Для тех, кто склонен к механическим воздействиям, 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 различия в толщине стенки трубки в более широком диапазоне. Независимо от изменений, ролик прикладывает к трубке одинаковую нагрузку, пропорциональную жесткости пружины, что делает эту операцию с постоянным напряжением. Пружина выбрана так, чтобы преодолевать не только кольцевую прочность трубы, но и давление перекачиваемой жидкости.
Рабочее давление этих насосов определяется трубкой и способностью двигателя преодолевать кольцевую прочность трубки и давление жидкости.
Микрожидкостные насосы [ править ]
В микрофлюидике часто желательно минимизировать циркулирующий объем жидкости. Традиционные насосы требуют большого объема жидкости вне микрофлюидного контура. Это может привести к проблемам из-за разбавления аналитов и уже разбавленных биологических сигнальных молекул. [10] По этой причине, среди прочего, желательно интегрировать микронасосную структуру в микрофлюидный контур. Wu et al. представила в 2008 году перистальтический микронасос с пневматическим приводом, который устраняет необходимость в больших объемах внешней циркуляции жидкости. [9]
Преимущества [ править ]
- Без загрязнения. Поскольку единственная часть насоса, контактирующая с перекачиваемой жидкостью, - это внутренняя часть трубки, внутренние поверхности насоса легко стерилизовать и очищать.
- Низкие потребности в обслуживании и простота очистки; отсутствие клапанов, уплотнений и сальников делает их относительно недорогими в обслуживании.
- Они могут работать со шламами, вязкими, чувствительными к сдвигу и агрессивными жидкостями.
- 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 пригодны там, где требуется плавный постоянный поток. Затем следует рассмотреть альтернативный тип поршневого насоса прямого вытеснения .
- Эффективность ограничена вязкостью жидкости.
НКТ [ править ]
При выборе трубок перистальтического насоса необходимо учитывать соответствующую химическую стойкость к перекачиваемой жидкости, будет ли насос использоваться постоянно или периодически, а также стоимость. Типы трубок, обычно используемых в перистальтических насосах, включают:
- Поливинилхлорид (ПВХ)
- Резинка
- Фторполимер
- Фармед
- Термопластик
- Фторэластомер
При непрерывном использовании большинство материалов работают одинаково в короткие сроки. [11] Это говорит о том, что недооцененные недорогие материалы, такие как ПВХ, могут удовлетворить потребности краткосрочного одноразового использования в медицине. Для периодического использования важна остаточная деформация при сжатии, и силикон - оптимальный выбор материала.
Типовые приложения [ править ]
- Лекарство
- Аппараты для диализа
- Байпасные насосные машины с открытым сердцем
- Медицинские инфузионные насосы
- Тестирование и исследования
- Автоанализатор
- Аналитическая химия экспериментов
- Мониторы угарного газа
- Диспенсеры медиа
- сельское хозяйство
- Насосы Sapsucker для извлечения сока кленовых деревьев
- Дозаторы для гидропонных систем
- Производство и продажа продуктов питания
- Фонтаны для жидких пищевых продуктов (например, сырный соус для начо )
- Раздача напитков
- Насос для стиральной машины общественного питания
- Химическая обработка
- Печать, краски и пигменты
- Фармацевтическое производство
- Системы дозирования химикатов для посудомоечных и стиральных машин
- Инжиниринг и производство
- Бетононасос
- Целлюлозно-бумажные заводы
- Минимальное количество смазки
- Струйные принтеры
- Вода и отходы
- Химическая обработка на водоочистных сооружениях
- Осадок сточных вод
- Аквариумы , особенно кальциевые реакторы
- Автоматический отбор проб сточных вод на показатели качества сточных вод
См. Также [ править ]
- Стриппер (инструмент)
Ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме перистальтических насосов . |
- ^ Журнал Механика, Музей, Регистр, Журнал и Газета . Рыцарь и Лейси. 1845. С. 52–53.
- ^ "Трубка эластичная ПТЖМП" .
- ^ «Инструмент для переливания крови» .
- ^ Д-р Майкл Э. Дебейки . "Методистский центр сердца и сосудов Дебейки" . Архивировано из оригинала на 2011-07-27 . Проверено 27 июня 2010 .
- ^ "- Майкл Э. Дебейки - Профили в результатах научного поиска" . profile.nlm.nih.gov .
- ^ Пассарони, A. C; Сильва, М. А; Йошида, В. Б. (2015). «Сердечно-легочное шунтирование: разработка аппарата искусственного кровообращения Джона Гиббона» . Revista Brasileira de Cirurgia Cardiovascular . 30 (2): 235–245. DOI : 10.5935 / 1678-9741.20150021 . PMC 4462970 . PMID 26107456 .
- ^ "Саморегулирующийся насос крови" .
- ↑ Уотсон, Найджел (5 июля 2019 г.). « « История Уотсона-Марлоу »Знания, услуги, продукты: история Spirax-Sarco Engineering plc. Стр. 99» (PDF) . www.spiraxsarcoengineering.com/ .
- ^ а б Ву, Минь Сянь; Хуанг, Сун Бинь; Цуй, Чжаньфэн; Цуй, Чжэн; Ли, Гво Бин (2008). «Разработка платформы для культивирования микро-трехмерных клеток на основе перфузии и ее применение для высокопроизводительного тестирования лекарств». Датчики и исполнительные механизмы, B: химические . 129 (1): 231–240. DOI : 10.1016 / j.snb.2007.07.145 .
- ^ Вагнер, I .; Materne, E.-M .; Brincker, S .; Süssbier, U .; Frädrich, C .; Бусек, М .; Маркс, У. (2013). «Динамический мультиорганный чип для длительного культивирования и тестирования веществ, подтвержденный совместным культивированием человеческой печени и ткани кожи в 3D» . Лаборатория на чипе . 13 (18): 3538–47. DOI : 10.1039 / c3lc50234a . PMID 23648632 .
- ^ «Выбор материала для трубок перистальтического насоса | Технический документ | Grayline LLC» .
- ^ Treutel, Чак (7 мая 2009). «Перистальтический ответ на каустические проблемы» . Мировые насосы . Проверено 10 июля 2014 .
