概況
食品加工主要分為三大主要過程,即來料、半成品加工、成品。其中各個環節都或多或少的有泵的參與。其中對泵類型的要求也不盡相同。例如巧克力加工需要能夠輸送高粘度介質的泵,廢水處理需要耐磨、耐腐的泵,藥品制劑加工需要耐腐蝕性能良好的泵等等。對于不同產品制造商,不同階段所需要的泵材質也不同。
衛生泵主要用于填充、排空、配料和混合。另外,還用于從裝置設備如膜式過濾器中傳輸工藝流體。
衛生泵主要有兩種形式:離心式和容積式。
衛生泵在國外已經比較成熟,生產這類泵的有alfalaval、Bominox、CSF、SPX、Grundfos等等, 我國生產衛生泵的廠家也很多,如啤酒生產設備的廠家都生產衛生泵。
一些相關的標準
用于食品、飲料和藥品工業的泵必須滿足不同的衛生標準,這些標準規定了泵的結構材料和清潔度標準。和其他工業應用不同,用于食品和飲料工業的泵必須滿足嚴格的衛生法規。
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3-A標準在美國已被廣泛執行,而且國際上也得到了認可。
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在歐洲,“機械供應(安全)規范”規定了用在農業食品設備上的安全和衛生要求。
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我國離心式衛生泵標準《QBT 1826-2010離心式衛生泵》。
衛生泵材料的選用
常用是奧氏體不銹鋼(316L/304)、氟塑料、超高分子量聚乙烯,陶瓷、搪玻璃等等。對于高潔凈物料(如蒸餾水)的泵,其過流部件采用超低碳奧氏體不銹鋼。
衛生泵用材料與普通材料不同。因為泵用材料不僅能耐腐蝕,還需要不能滲出有害元素/物質,也不能吸收可能變質的介質。
我國對橡膠制品制訂了專門的規范。如《食品用橡膠制品衛生標準》,鋼制管材也指定了QB2003等等標準。其安全評價方法采用GB17219-1998或類似的方法。
GB17219主要是采用浸泡的方法來測定滲出物的含量。對材料的標準并不全面。比如316L通常是可以用在衛生泵中的,但是如果316L鋼板的制作沒有按照衛生級的要求來生產,完全可能滲出微量的有害元素。所以在GB16798《食品機械安全衛生》、GB12073《乳品設備安全衛生》規定不得常用焊后可能生銹的材料,不銹鋼應無毒性、無吸收性。也有的廠家采用了FDA、3A認證。
衛生泵的設計、生產
衛生泵的種類很多,這是由于其輸送的介質的多樣性決定的。從清潔的直飲水到牛奶、果醬。這些物料有酸性的、堿性的。有流動性好的也有很難流動的。
衛生泵主要的型式是:離心泵、凸輪泵、單螺桿泵和蠕動泵。他們的設計方法很大程度上與普通泵相同。但是又不完全相同,這里主要以離心泵為例簡單說明需要注意的幾點。
1、流動中無死角。在食品制作流程中,介質與泵接觸的地方。這些介質需要是流動的。在普通泵中機械密封腔往往是死角,這時候需要開敞式或錐形的密封腔。
2、焊縫表面粗糙度需要達到3.2,一般表面要達到0.8。也就是說泵體流道和葉輪流道需要進行拋光處理。普通的鑄造零件很難達到這一要求。所以離心式衛生泵一般采用沖壓焊接結構。有時候,葉輪是開式或者半開式的。
3、 符合CIP要求。大部分生產灌裝線需要在每天進行一次沖洗。將可能變質、產生細菌的殘留物沖洗掉。很多是采用清潔水進行一定時間的抽送或反沖洗。這就與前面說到的無死角相關了。在一個沖洗時間段內,介質流動較慢的部位(如密封腔的物料)應全部流出。
4、 符合COP要求。這個要求簡單的對泵解體(如后開門泵 軸承箱和轉子部件從泵體抽出)。高壓沖洗水可以直接達到需要沖洗的表面。
5、 符合SIP要求。在線消毒除采用一個滅菌的射線外,高溫水/蒸汽也是常用的。滅菌的溫度一般在121度以上。采用蒸汽滅菌的衛生泵需要能承受這一高溫(包括密封)。采用高溫水(121以上的水,那肯定需要一定壓力才能保持液態)泵需要承受高溫和一定壓力。
衛生泵的生產除了 需要 普通沖壓泵的設備外,還應該有先進的焊接和拋光設備。
離心式衛生泵
從安裝形式上有立式和臥式兩大類,根據葉輪數量可以分單級和多級兩大類。由于離心泵結構簡單、造價低廉、運轉連續且易于清洗,因此離心式衛生泵在無菌流程中應用非常廣泛。
由于葉輪浸泡在介質中,而且葉輪高速旋轉會產生較高的剪切力,會影響剪切敏感性的輸送介質。
優點:
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結構簡單、耐用且容易進行現場清洗;
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不會因排出閥關閉而過壓;
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可以串聯以增加壓頭;
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可以并聯以增加流量。
缺點:
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通常不具備自吸(自吸式除外)能力;
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不宜應用在粘度大于500cP的場合;
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不宜處理剪切敏感性產品;
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不宜處理含氣量高的流體;
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揚程隨流量變化不是恒定的。
容積式衛生泵
容積式泵用于粘度過高、離心泵不能使用的場合,以及需要調節流量的場合。容積式泵具有自吸功能,并其可以處理含氣介質。但所有的容積式泵都需要壓力安全裝置,以避免在出口關閉或堵塞的情況下,對泵和系統產生損害。
優點:
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結構簡單緊湊,使用可靠,壽命長,容易制造,維修方便,能自吸;
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內嚙合齒輪泵排出量恒定且振動很小;
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可以雙向輸送;
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流量隨粘度和壓力變化不大;
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可輸送高粘度介質。
缺點 :
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只能輸送干凈的流體;
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齒輪一旦磨損,很難修復;
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不能空轉;
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加工精度要求高;
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齒輪承受不平衡的徑向液壓力,軸承磨損嚴重,工作壓力的提高受到限制;
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外嚙合齒輪泵流量脈動大,導致系統壓力脈動大,噪聲高;
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會出現困液現象。
羅茨式衛生泵 , 凸輪轉子泵
羅茨泵具有兩個轉子,轉子形狀呈雙葉或三葉,轉子轉向相反,轉子間、轉子與泵殼內壁間有細小間隙而互不接觸。
凸輪泵的轉子帶有從輪轂上凸出的輪葉。根據每個轉子上的輪葉個數,凸輪泵又有單葉凸輪泵和雙葉凸輪泵之分。
優點:
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可以短期內空轉,允許時間由密封的好壞決定;
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可以自吸;
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可以處理固體懸濁液;
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具有較良好的凈正吸入壓頭(NPSH);
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可以處理粘度較高的流體(與離心泵相比);
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可以雙向輸送。
缺點:
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由于間隙固定,所以磨損會使泵的性能下降很快;
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有兩個軸及兩套相應的軸封;
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吸程較低,只能在低速和低粘度的工況下運轉。
撓性葉輪衛生泵
撓性泵是屬于容積泵中轉子泵的一種,因彈性體轉子的葉片以屈撓方式運轉而得名,又稱為撓性轉子泵、撓性葉輪泵。最早的設計可追溯到半個多世紀前,當時主要用于清理駁船的艙內油污和積水及沖洗甲板。但因其卓越的性能及彈性體技術的發展,撓性泵越來越多地應用于各種工業領域中。 撓性泵既具有容積泵的主要特征,同時又是一種特殊的容積泵。無脈動的液流、隨出口壓力、介質粘度提高流量下降的特性和離心泵相似。在很多工業領域的應用場合中多是作為離心泵的替代品,解決的是離心泵無法解決的問題(無法輸送的介質或無法適應的工況場合)。撓性轉子由撓性材料制成,泵殼采用非對稱形式,當轉子轉動時,轉子產生變形,使得葉片與泵殼形成的腔體容積改變,而輸送介質。
優點:
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可以自吸;
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抽送液體時壓力振動較小;
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可雙向輸送;
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可輸送含氣介質和懸濁液;
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易于清洗。
缺點:
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只適用于低壓工況;
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不適合處理具有磨粒磨損特性的流體。
螺桿衛生泵
螺桿泵依靠螺桿與螺桿(或螺桿與襯套)嚙合形成的工作空間(工作腔)容積變化輸送液體。
優點:
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能自吸;
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排出量穩定且振動較小;
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可雙向輸送;
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可處理含氣液體;
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可處理懸濁液;
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輸送介質粘度范圍廣;
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抗磨粒磨損能力強;
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可較好地處理剪切敏感性流體。
缺點:
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不能空轉;
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泵性能對粘度變化敏感;
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加工、裝配要求高。
蠕動衛生泵
優點:
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介質只與軟管接觸,無污染;
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可處理含氣流體;
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可輸送剪切敏感、氧化腐蝕敏感介質;
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抗磨粒磨損能力強;
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允許流體內所含固體直徑達到管狀元件內徑40%;
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無需密封和閥門管件;
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精度高;
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能自吸;
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可空轉;
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具有雙向同等流量輸送能力;
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無液體空運轉情況下不會對泵的任何部件造成損害;
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能產生達98%的真空度;
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僅軟管為需要替換的部件,更換操作極為簡單。
缺點:
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由于采用柔性管,承受壓力受到限制;
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輸送管失效會造成產品損失;
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泵速較低;
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工作時會產生脈沖流,振動較大;
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流量范圍比較窄。