Pompy membranowe (są to również membranowe) należą do kategorii urządzeń pompujących tak zwanego typu wolumetrycznego - pompowanie cieczy w takich jednostkach odbywa się w wyniku cyklicznej zmiany objętości komory roboczej. Jeżeli w przypadku pomp tłokowych i nurnikowych zmiany te zachodzą podczas ruchów posuwisto-zwrotnych odpowiednio tłoka lub nurnika, to w przypadku pomp membranowych odpowiada za to elastyczna membrana (membrana) zamocowana na jednej ze ścian komory.
Podstawowa zasada
Podstawowa zasada działania pompy membranowej dowolnej konstrukcji jest następująca: membrana odginając się od komory zwiększa swoją objętość i tym samym tworzy w komorze obszar niskiego ciśnienia, w wyniku którego porcja cieczy jest zasysana do pompy. Gdy membrana jest wygięta w przeciwnym kierunku, objętość komory maleje, ciśnienie wzrasta - i ciecz zostaje wypchnięta.
Zawory
Jednak taki efekt nie byłby możliwy bez dwóch kolejnych niezbędnych elementów – zaworów dolotowych i wydechowych. Pracują w parach, jednocześnie, ale odzwierciedlają:
- podczas ruchu ssącego membrany otwiera się zawór wlotowy, umożliwiając przejście cieczy z oryginalnego pojemnika do komory roboczej - podczas gdy zawór wylotowy jest zamknięty, aby utrzymać niskie ciśnienie w komorze;
- Gdy membrana jest wypchnięta, zawór wylotowy otwiera się, umożliwiając płynowi wyjście z komory – podczas gdy zawór wlotowy zamyka się, aby zapobiec ucieczce płynu z powrotem do pojemnika.
Do uruchomienia zaworów nie jest wymagane żadne zewnętrzne działanie sterujące, zamykają się one i otwierają niezależnie pod wpływem przepływu płynu.
Zawory mogą różnić się konstrukcją (najczęściej stosuje się proste i niezawodne zawory kulowe), jednak konstrukcja zaworów nie jest krytyczna dla prawidłowego funkcjonowania pompy membranowej - najważniejsze jest to, aby działały czysto i terminowo. O wiele ważniejszy jest rodzaj napędu, który bezpośrednio zapewnia pulsacyjny ruch membrany.
Rodzaje napędów
Istnieje kilka typów pomp membranowych przeznaczonych do stosowania w różnych warunkach procesowych. Przy tej samej podstawowej wolumetrycznej zasadzie działania pompy membranowe różnią się konstrukcją - w szczególności typami napędów oraz sposobem przeniesienia siły z napędu na membranę.
1. Napęd elektromagnetyczny. Najczęściej stosuje się go w konstrukcji membranowych pomp dozujących, które nie są przeznaczone do pompowania dużych ilości substancji ciekłych, ale są w stanie kontrolować objętość tego pompowania z niezwykle wysokim stopniem dokładności - od kilku mililitrów na godzinę. Taką dokładność uzyskuje się poprzez zastosowanie jako napędu elektromagnesu - cewki elektromagnetycznej ze swobodnie poruszającym się rdzeniem w jej wnętrzu.
Gdy do uzwojenia cewki zostanie przyłożony impuls elektryczny, rdzeń jest z niego wypychany przez pole magnetyczne powstające w uzwojeniu. Z kolei rdzeń naciska na środkową część membrany powodując jej ruch w kierunku komory roboczej pompy. Po wyłączeniu zasilania cewki pole magnetyczne znika; rdzeń i membrana wraz z nim powracają do swojego pierwotnego położenia pod działaniem sprężyny powrotnej.
Objętość płynu przepływającego przez pompę w jednostce czasu zależy od liczby i częstotliwości impulsów. W niektórych modelach membranowych pomp dozujących istnieje możliwość dodatkowej regulacji skoku rdzenia: im krótszy skok, tym mniejszy i dokładniejszy posuw.
2. Napęd elektromechaniczny o bardziej złożonej konstrukcji. Pompy membranowe z takim napędem są w stanie pompować znacznie większe objętości, mierzone już w setkach litrów na godzinę. W ich konstrukcji znajduje się również popychacz połączony ze środkiem membrany - ale to nie pole elektromagnetyczne wywiera na niego nacisk, a mimośród mechanicznej skrzyni biegów. Silnik elektryczny działa jak jednostka napędowa, która obraca mechanizmem skrzyni biegów.
Ruch powrotny popychacza jest tutaj również zapewniany przez sprężynę; podobnie skok popychacza można regulować. W związku z tym dopływ cieczy jest również regulowany - ale z nieco mniejszą dokładnością, ponieważ całkowite objętości są dość duże. Maksymalna wydajność pomp tego typu zależy od objętości komory roboczej, częstotliwości pracy skrzyni biegów i oczywiście od mocy napędu elektrycznego.
3. Napęd pneumatyczny. Stosowany w przemysłowych pompach membranowych przeznaczonych do pompowania tysięcy, a nawet kilkudziesięciu tysięcy litrów na godzinę. Charakteryzują się one najbardziej oryginalną pod względem mechanicznym konstrukcją: posiadają nie jedną komorę roboczą, ale dwie, lustrzane komory, pomiędzy którymi znajduje się główny element konstrukcyjny i funkcjonalny – pneumatyczny wymiennik koncentryczny.
Dwa końce popychacza wymiennika są zamocowane na dwóch przeciwległych membranach w taki sposób, że przy wykonywaniu cyklu „zasysania” pracy membrany w jednej komorze roboczej, cykl „wypychania” zachodzi jednocześnie w drugiej.
Po osiągnięciu przez popychacz skrajnego położenia w wymienniku, regulator przełącza się automatycznie, a popychacz zaczyna poruszać się w przeciwnym kierunku; tryb aparatu jest odwrócony.
Pomimo dużych objętości pompowania i braku możliwości regulacji skoku popychacza, pneumatyczne pompy membranowe nadal zapewniają kontrolę przepływu. Odbywa się to inną metodą - poprzez regulację ilości i ciśnienia powietrza w kanale powietrznym łączącym wymiennik pneumatyczny pompy i kompresor, który pełni rolę zdalnego napędu.