Dozowanie cieczy — wybór pompy do odpowiedniej aplikacji

Powszechnie stosowane pompy dozujące są w rzeczywistości pompami o regulowanej wydajności. Dozowanie polega na zmniejszeniu lub zwiększeniu natężenia przepływu ręcznie lub sygnałem zewnętrznym (np. 4..20 mA). Najczęściej stosowane są pompy tłokowe lub membranowe, w których wydajność reguluje się długością suwu lub prędkością pracy.

Takie pompy służą np. do utrzymywania stałego pH przepływającego w rurociągu roztworu – sygnał z pHmetru odpowiednio każe im podawać więcej lub mniej substancji chemicznej.

Dla niektórych osób dozowanie wiąże się z „dozą”, a co za tym idzie, wymagają one, aby pompa po przetransportowaniu określonej porcji cieczy zatrzymała się. Ja takie pompy nazywam dawkującymi. Przykładem takiej pompy będzie układ napełniający pojemniki z szamponem – po każdej dawce pompa musi się zatrzymać na czas potrzebny na zmianę pojemnika na nowy. 

Problemy z aplikacjami dawkowania

Problemy związane z aplikacjami dawkowania są  w zasadzie rozwiązywane w urządzeniach produkowanych seryjnie, jednak inne – każdorazowo przy konkretnych aplikacjach. Poniżej wymieniono niektóre zagadnienia związane z dawkowaniem. 

• Jak uniknąć efektu skapywania ostatniej kropli po podaniu całej dawki?
• Jak dozować ciecze kleiste (ciągnące się)?
• Jak dawkować ciecze niezwykle lepkie, których czas opadania na dno pojemnika docelowego jest nieporównanie większy od czasu przeznaczonego na jedną dawkę?
• Jak zapewnić, aby pompowane medium nie spieniło się, co mogłoby spowodować wylanie się cieczy z pojemnika docelowego jeszcze na etapie pompowania?
• Jak poradzić sobie w sytuacji, gdy początkowy strumień cieczy odbija się od pojemnika i wylewa poza pojemnik?
• Jak ustawiać wielkość dawki (programując jej masę, objętość czy tylko czas potrzebny na jej przetłoczenie)? 

^{Fot.1. Pompa jednośrubowa firmy Resch Pumpen}Przykładowe rozwiązania powyższych problemów

Skapywanie ostatniej kropli. Aby uniknąć skapywania kropli, można zastosować dodatkowy zawór odcinający, jednak w wielu przypadkach (zwłaszcza w cieczach kleistych) już po pewnym czasie przestanie on spełniać swoją rolę. Jest to także dodatkowy element do mycia po zakończeniu procesu produkcji i do tego element niewygodny do mycia. Inne rozwiązanie (tzw. dawka wsteczna) to niewielkie cofnięcie elementu tłocznego (tłok w pompie tłokowej, śruba w pompie śrubowej, itd.), co powoduje zassanie do pompy tej „niechcianej” kropli. Zassanie kropli powoduje także wciągnięcie do pompy pewnej porcji powietrza, co nie jest bez znaczenia dla wielkości kolejnej dawki.

Dozowanie cieczy kleistych. Niektóre kleje, lakiery oraz substancje spożywcze (np. miód) nawet po podaniu jednej dawki cały czas ciągną się pomiędzy pojemnikiem  a dyszą dozującą. Zmiana pojemnika spowoduje zabrudzenie cieczą jego części zewnętrznej, co byłoby niedopuszczalne. Tu także można stosować zawory odcinające. Może pomóc także odpowiednio szybka dawka wsteczna oraz właściwy kształt dyszy dozującej.

Dawkowanie cieczy lepkich. Cieczami samoistnie wolnopłynącymi są np. ciasta, silikony, kleje. Podanie dawki do zbiornika może spowodować jego przelanie, gdyż w czasie podawania porcji ciecz nie zdąży spłynąć na dno pojemnika. Oczywistym rozwiązaniem jest spowolnienie procesu nalewania, ale co zrobić z cieczami, które potrzebowały godziny na wypełnienie pojemnika? Najczęściej stosuje się napełnianie podpowierzchniowe (ang. Undersurface Filling). Przed rozpoczęciem pompowania dysza nalewcza umiejscawiana jest na dnie zbiornika i w trakcie nalewania stopniowo podnosi się.

Zapobieganie pienieniu. Pienienie się cieczy jest z reguły oznaką zastosowania niewłaściwej pompy, która nie jest wystarczająco delikatna dla cieczy. Ale nawet przy pompach z założenia delikatnych (np. jednośrubowe, krzywkowe, perystaltyczne) taki efekt może wystąpić. Należy wówczas przeanalizować prędkość pompy i ewentualne źródła, z których do pompy może docierać powietrze (np. uszczelnienie).

Wylewanie się początkowego strumienia cieczy. Firma ViscoTec rozwiązała ten problem w swoim układzie sterowania do pomp dawkujących poprzez odpowiednią pracę prędkością obrotową. Pompa, otrzymując sygnał podania dawki, powoli zwiększa swoje obroty od 0 do prędkości nominalnej, po czym dozuje ze stałą wydajnością, a pod koniec dawki stopniowo zmniejsza obroty aż do całkowitego zatrzymania. Oczywiście przyspieszenie i opóźnienie są odpowiednio programowane w zależności od cieczy, pojemnika, rozmiaru pompy, itp.

Ustawianie wielkości dawki. W wielu aplikacjach, w których nie jest wymagana duża dokładność dozowania, wystarczy pompę włączyć na określony czas. Są to z reguły instalacje proste i długotrwałe (np. napełnianie basenu kąpielowego) lub takie, których subiektywizm ludzki odgrywa podstawową rolę (np. malowanie powierzchni). 

Dozowanie objętościowe czy wagowe?

Fot. 2. Zestaw pomp dozujących jednośrubowych ViscoTec (na zdjęciu dozowanie sosu pomidorowego)

Większość pomp wyporowych może pracować jako dozujące lub dawkujące (w tym przypadku wymagany jest odpowiedni układ automatyki). Wielkość dawki określa się liczbą obrotów pompy wymaganych dla zadozowania odpowiedniej objętości. Typowe pompy dozująco-dawkujące gwarantują dokładność rzędu +-1%. Jest to oczywiście dokładność objętościowa, a więc mówimy o litrach, metrach sześciennych itp., a nie np. o gramach.

Aby dozować wagowo, niezbędna jest odpowiednia waga, która będzie przekazywać sygnały do pompy. Sygnały te to najczęściej „start”, „szybciej”, „tak trzymaj”, „wolniej”, „stop”. Pragnę podkreślić, iż żadna pompa bez wagi nie jest w stanie dozować wagowo.

Wiele osób uważa, że dozowania objętościowe i wagowe są równie dobre. Teoretycznie, przy stałej gęstości cieczy tak, ale ile jest instalacji przemysłowych, w których gęstość medium jest stała? Na parametr ten mają wpływ takie czynniki, jak ciśnienie atmosferyczne, temperatura, sposób przechowywania, czas przechowywania, itd.

Fot 3. Idea dozowania cieczy lepkich z wykorzystaniem pomp jednośrubowych i układu sterowania ViscoDos

Pompa bez wagi, dozując porcję „nie wie”, czy podała dawkę 1 kg cieczy, czy też tylko pół kilograma i dużo bąbelków powietrza. Problemy te są jeszcze większe przy cieczach zawierających ciała stałe (np. sos z kawałkami warzyw). Różni producenci mają różne normy zakładowe dla swoich produktów – dla jednego z nich słoik ma mieć np. 1 kg, dla innego – każda zawartość słoika ma mieć 0,9 kg, dla kolejnego – w każdym słoiku ma być  1 litr cieczy, a jeszcze inny uważa, że najważniejszy jest równy poziom cieczy w każdym słoiku na półce sklepowej.

Dokładne dozowanie substancji lepkich

Przy układach dozowania typowymi wymaganiami użytkownika są:

• niezawodność,

• duża dokładność dozowania,

• delikatne tłoczenie (bez mieszania i wstrząsania),
• możliwość pompowania cieczy zawierających ciała stałe (np. mydło w płynie z dodatkami ściernymi),
• brak pulsacji, 
• urządzenia muszą być łatwe do mycia,
• w wielu przypadkach atesty odpowiednich instytutów (np. PZH dla cieczy spożywczych, kosmetycznych i farmaceutycznych).

Różne pompy (np. krzywkowe, zębate, jednośrubowe itp.) spełniają te wymagania, jednak ja skłaniam się ku pompom jednośrubowym, gdyż w większości przypadków są one rozwiązaniem optymalnym.

Pompy jednośrubowe, w zależności od lepkości medium, pracują przy odpowiednich obrotach (z reguły 50 – 150 obr./min). Zasada pracy pompy („przenoszenie” kolejnych porcji medium) umożliwia pracę z cieczami wymagającymi delikatnego traktowania (np. zsiadłe mleko). Dzięki temu, że wspomniane porcje nie są podawane jedna po drugiej, lecz każda kolejna zaczyna się w trakcie pompowania pierwszej, tłoczenie jest całkowicie bezpulsacyjne. Przy pompach krzywkowych pulsacja może być jednak zauważalna.

Uzyskiwane dokładności dozowania to z reguły ±1% (dawki objętościowej). Pompy jednośrubowe są pompami objętościowymi, czyli objętość dozowanej substancji jest stała nawet przy zmianach lub wahaniach gęstości.

Stosunkowo duże rozmiary komór w pompie umożliwiają skuteczne przetłaczanie ciał stałych. Dla przykładu w pompie o wydajności 1000 l/godz. teoretyczna wielkość największego ciała stałego to 10 mm.

Sama pompa z napędem o regulowanych obrotach umożliwia dozowanie ciągłe. Zastosowanie falownika pozwala na płynną regulację wydajności pompy w zależności od czynników zewnętrznych (np. utrzymanie stałego pH – w zbiorniku docelowym).  

^{Fot 4. Pompa jednośrubowa w wykonaniu higienicznym firmy ViscoTec}Opcje odmierzania

Jeśli system ma stanowić układ konfekcjonowania (np. napełnianie pojemniczków z mydłem w płynie), należy wyposażyć go w system odmierzania. System taki zawiera w sobie zarówno przemiennik częstotliwości, jak i komputer sterujący procesem dozowania.

Wśród wielu opcji odmierzania mogą znajdować się takie, jak:

• wielkość pojedynczej dawki,
• wartość współczynnika skalowania,
• czas podawania pojedynczej dawki,
• szybkość osiągania maksymalnej wydajności pompy,
• szybkość powrotu z wydajności maksymalnej do zera,
• wielkość dawki wstecznej (ang. draft-back) – opis poniżej.

Ponieważ wielkość dawki podaje się w jednostkach umownych, właściwe określenie współczynnika skalowania umożliwia określenie dawek w typowych jednostkach, np. mililitry. Ważnym elementem, aczkolwiek często pomijanym w innych systemach dozowania, jest czas dozowania. Prawidłowo dobrana pompa umożliwia dozowanie w czasie nawet 0,8 sekundy. W niektórych przypadkach (np. wąski wlot do pojemnika odbiorczego) występuje konieczność wydłużenia tego czasu. 

Proces dozowania

• Taśmociąg podaje sygnał, że pojemnik znajduje się pod lejkiem dozującym (sygnał ten może być także podany ręcznie lub z pedału nożnego przy ręcznym podkładaniu pojemników).
• Pompa rozpoczyna dozowanie zwiększając swoje obroty z 0 do wartości zadanej jako maksymalna; wielkość przyspieszenia określona jest jednym z parametrów.
• Przy pełnej wydajności dozowana jest konkretna porcja.
• Pompa rozpoczyna zwalnianie aż do zatrzymania (opróżnienie jest także definiowane przez użytkownika).
• Pompa zaczyna pracować w kierunku odwrotnym, aby zassać pozostałości znajdujące się  w lejku; dzięki temu unika się niechcianego efektu skapywania ostatniej kropli.
• Układ sterowania pompy podaje sygnał do taśmociągu, że pojemnik jest napełniony i można dozować do następnego.

Dozowanie pompami odśrodkowymi

  Pompy odśrodkowe są najpopularniejszymi ze wszystkich pomp na świecie – począwszy od zastosowania w ogródkach działkowych, poprzez centralne ogrzewanie, transport ścieków, aż po systemy przemysłowe. Zasada pracy jest prosta – ciecz dociera do środka wirującego wirnika i przedostaje się po jego łopatkach na krawędź. Ze względu na ruch obrotowy ciecz uzyskuje dużą prędkość. 

Z uwagi na konstrukcję nie należy stosować pomp odśrodkowych w następujących przypadkach:

• do tłoczenia cieczy o dużej lepkości (z reguły powyżej 1000 cP),
• do tłoczenia cieczy delikatnych (podatnych na uszkodzenia struktury),
• gdy wymagane jest wysokie ciśnienie przy małej wydajności,
• gdy ważne jest utrzymanie stałej wydajności przy zmiennym ciśnieniu.

Pompę odśrodkową można i należy używać do dozowania przede wszystkim dużych porcji (np. napełnianie cysterny) – dużych w porównaniu z nominalną wydajnością pompy. Typowe pompy beczkowe używane w instalacjach dozujących (tzn. z przepływomierzem i zaworem odcinającym) o wydajności 30 litrów na minutę dobiera się, zakładając, że minimalna dawka wyniesie 3 litry.

Dużym atutem, którym nie może się pochwalić wiele pomp wyporowych, jest przepływ bezpulsacyjny, który zapewniają pompy odśrodkowe. Ułatwia to pomiar przepływu miernikami, a co za tym idzie – dokładne dozowanie.

Dla zapewnienia stałego ciśnienia w pompach odśrodkowych stosuje się falowniki i kaskadową pracę pomp. Jest to coraz popularniejsze rozwiązanie w hydroforniach. W zależności od rozbioru wody, obroty pompy są regulowane poprzez przekaźnik częstotliwości. Gdy odbiór wody przekracza możliwości danej pompy (przy założonym ciśnieniu tłoczenia wydajność jest maksymalna) zostaje uruchomiona druga pompa i przy pełnej pracy pierwszej regulacja odbywa się tylko na drugim urządzeniu. Tak równolegle pracujących pomp może być wiele – w zależności od maksymalnego oczekiwanego zapotrzebowania na wodę. Rozwiązanie takie jest energooszczędne oraz umożliwia równomierne zużycie pomp (przy zastosowaniu automatu zmieniającego, która z pomp w grupie jest wiodącą).

Podobne instalacje można stosować w przemyśle, na przykład w układach chłodzenia wtryskarek. Użytkownik musi mieć zapewnione stałe ciśnienie wody, niezależnie od tego, czy woda jest dostarczona do jednej, dwóch, czy kilku wtryskarek jednocześnie. Nietrudno sobie wyobrazić wiele innych podobnych instalacji. 

Konkretny przypadek — ketchup

W niektórych małych zakładach stosuje się pompy odśrodkowe do cieczy takich jak np. ketchup. Moim zdaniem pompa odśrodkowa jest złym urządzeniem do tłoczenia tego produktu, ale czasami działa. Ketchup, jako ciecz nienewtonowska, ma dosyć dużą lepkość, gdy znajduje się w spoczynku (w butelce, beczce lub na talerzu). Kiedy natomiast zaczyna płynąć (np. wypływając z butelki lub w środku pompy) lepkość gwałtownie spada do bardzo niskich wartości (to tłumaczy, dlaczego z butelki z ketchupem na początku nic nie chce wypłynąć, a jak już płynie, to od razu dużym strumieniem).

Ta wspominana niska lepkość mieści się w zakresie parametrów pracy pompy odśrodkowej, co powoduje, że niedoświadczeni handlowcy i równie niedoświadczeni użytkownicy decydują się na takie rozwiązanie. Nikt nie zwraca uwagi jednak na podstawowy problem, jakim jest pierwsze uruchomienie urządzenia codziennie rano. Pompa nie jest w stanie zassać produktu, trzeba ją ręcznie nabijać ketchupem, a sam sos – mieszać, naruszając higieniczność procesu.

Drugim jednak ważnym problemem jest fakt, że pompa odśrodkowa, pracując przy stosunkowo dużych prędkościach obrotowych (z reguły 2850 lub 1450 obr./min.), w porównaniu z typowymi pompami krzywkowymi stosowanymi do ketchupu (z reguły 200 – 300 obr./min.), niszczy drobinki pomidorów znajdujących się w sosie. Po przetłoczeniu ketchupu przez pompę odśrodkową zmieniają się parametry fizykochemiczne produktu, a nawet jego smak.

Autor: mgr inż. Andrzej G. Baciński