高效節(jié)能的雙面葉翼設(shè)計(jì)離心泵

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作者：張功臣來(lái)源：CPhI制藥在線

2018-02-12

摘要：本文全面介紹了衛(wèi)生型離心泵的工作原理，系統(tǒng)分析了影響衛(wèi)生型離心泵工作效率的各種因素，推出了一款全新的雙面葉翼設(shè)計(jì)衛(wèi)生型離心泵，為衛(wèi)生型離心泵在制藥流體工藝系統(tǒng)中的高效應(yīng)用提供了很好的選擇。

質(zhì)量源于設(shè)計(jì) 風(fēng)險(xiǎn)源于認(rèn)知

離心泵（圖1）應(yīng)用廣泛，在乳品、啤酒、飲料、醫(yī)藥、生物、化妝品和精細(xì)化工等行業(yè)均會(huì)涉及到離心泵的使用。1000多年前，中國(guó)發(fā)明并使用的"水車(chē)"是最早出現(xiàn)的離心泵原型；17世紀(jì)，人類(lèi)利用"水車(chē)原理"制作的第一臺(tái)離心泵問(wèn)世。離心泵的工作原理：當(dāng)泵腔內(nèi)充滿液體時(shí)，在電機(jī)運(yùn)行帶動(dòng)軸和葉輪旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生離心力，液體在做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)自葉輪中心向外周拋出，同時(shí)，在葉輪的中心部分形成低壓區(qū)并與吸入液面的壓力形成壓力差，于是液體會(huì)不斷的被"吸入"并以一定的壓力排出，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸送的功能。

圖1 離心泵

根據(jù)使用工況的不同，制藥行業(yè)用的離心泵大致分為普通型離心泵和自吸型離心泵；根據(jù)所能達(dá)到的流量與揚(yáng)程范圍不同，普通型離心泵可分為單級(jí)離心泵和多級(jí)離心泵；根據(jù)葉輪的設(shè)計(jì)不同，離心泵又可分為工業(yè)級(jí)、食品級(jí)和無(wú)菌級(jí)。

效率是離心泵的重要生產(chǎn)指標(biāo)之一，離心泵葉輪的設(shè)計(jì)可分為封閉式、半開(kāi)放式和全開(kāi)放式三類(lèi)（圖2）。封閉式葉輪屬于典型的工業(yè)級(jí)的葉輪設(shè)計(jì)，半開(kāi)放式葉輪屬于食品與制藥級(jí)的葉輪設(shè)計(jì)，全開(kāi)放式葉輪屬于無(wú)菌級(jí)的葉輪設(shè)計(jì)。封閉式葉輪的優(yōu)點(diǎn)是流速快、效率高，滿足對(duì)大流量、高揚(yáng)程的工況要求，因此，工業(yè)級(jí)離心泵的工作效率可以達(dá)到88%；半封閉式葉輪的特點(diǎn)是兼顧了流速、效率與衛(wèi)生型設(shè)計(jì)的要求，其工作效率不超過(guò)60%，常用于食品、飲料與制藥行業(yè)；在生物制藥等無(wú)菌要求極高的行業(yè)，為保證離心泵的無(wú)菌級(jí)要求，葉輪常采用全開(kāi)放式設(shè)計(jì)，其工作效率也會(huì)大幅度的降低，通常情況下，無(wú)菌型離心泵的效率只有30%左右。

圖2 葉輪的分類(lèi)

單級(jí)離心泵的泵腔內(nèi)只有一個(gè)葉輪，在制藥行業(yè)的流體工藝系統(tǒng)輸送操作中，衛(wèi)生型單級(jí)離心泵廣泛應(yīng)用于制藥用水系統(tǒng)、無(wú)菌配液系統(tǒng)和在線清洗系統(tǒng)（CIP），"開(kāi)放式、無(wú)死角"已成為無(wú)菌級(jí)衛(wèi)生型離心泵的設(shè)計(jì)方向，該設(shè)計(jì)需保證在泵腔內(nèi)的任何一個(gè)部位都不存在死角，任何一個(gè)部位都可以被物料完全、足夠的浸潤(rùn)，以達(dá)到任何一個(gè)部位都可以在CIP過(guò)程中完成自身的清洗，同時(shí)，該設(shè)計(jì)還能對(duì)機(jī)械密封實(shí)現(xiàn)化的自冷卻（圖3）。衛(wèi)生型離心泵在使用時(shí)流速相對(duì)柔緩，適合輸送無(wú)菌藥液、生物制品等敏感性物料，可有效減少對(duì)物料成分的破壞；同時(shí)，該泵需滿足原位在線清洗與在線滅菌的要求，并能耐受高溫、酸液、堿液等工況。

圖3 開(kāi)放式、無(wú)死角設(shè)計(jì)

當(dāng)前，高效、環(huán)保與節(jié)能的要求對(duì)離心泵的重新設(shè)計(jì)提出了新的要求。近兩年，高效電機(jī)IE2和IE3已經(jīng)在歐洲被要求強(qiáng)制使用，高效電機(jī)的合理使用與衛(wèi)生型離心泵設(shè)計(jì)效率的提高相結(jié)合，將為高效、環(huán)保與節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到實(shí)質(zhì)性作用。因此，如何提高衛(wèi)生型離心泵的效率已成為泵體供應(yīng)商的主要研究課題之一。

2013年，德國(guó)某知名離心泵供應(yīng)商迎接了該挑戰(zhàn)，該公司在原有的"KN系列"離心泵的基礎(chǔ)上完成了全新的"KyNX系列"離心泵的研發(fā)，該泵除保留了原有的AISI 316L/1.4404鍛造設(shè)計(jì)、渦輪設(shè)計(jì)泵殼與內(nèi)置型機(jī)械密封等特點(diǎn)外，在泵體工作效率方便有了大幅度地提高，其創(chuàng)新的核心是葉輪部分采用了半開(kāi)放式的"雙面葉翼"設(shè)計(jì)（圖4）。

圖4 "KyNX系列"離心泵

"雙面葉翼"設(shè)計(jì)使衛(wèi)生型離心泵的效率較常規(guī)設(shè)計(jì)提高了10%，極限設(shè)計(jì)可超過(guò)70%。"KyNX"系列離心泵可以達(dá)到常規(guī)離心泵在衛(wèi)生工況下無(wú)法達(dá)到的參數(shù)，并在機(jī)械密封周?chē)梢垣@得持續(xù)的固定壓力，即便接近該區(qū)域的液體汽化壓力也不會(huì)引起機(jī)械密封的干轉(zhuǎn)，從而可延長(zhǎng)機(jī)械密封的使用壽命，同時(shí)，新葉輪設(shè)計(jì)下離心泵的整體汽蝕余量值（NPSHr）也發(fā)生了顯著下降，更有效地避免了汽蝕現(xiàn)象對(duì)離心泵產(chǎn)生的傷害。

綜上所述，新款"KyNX系列"離心泵是IE2/IE3高效電機(jī)與高效優(yōu)良的"雙面葉翼"設(shè)計(jì)完美融合的新產(chǎn)品，有效解決了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)離心泵在高效、環(huán)保節(jié)能與衛(wèi)生等多方面的綜合要求，它必將成為離心泵行業(yè)的又一個(gè)劃時(shí)代產(chǎn)品。

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11. 張功臣，化學(xué)工業(yè)出版社，制藥用水系統(tǒng)，2016

【專(zhuān)家簡(jiǎn)介】張功臣，制藥行業(yè)專(zhuān)家，主要從事制藥流體與生物工藝系統(tǒng)的研究與實(shí)踐，全國(guó)制藥工程設(shè)計(jì)競(jìng)賽委員會(huì)專(zhuān)家，ISPE培訓(xùn)專(zhuān)家，國(guó)家藥監(jiān)局檢查員培訓(xùn)專(zhuān)家，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB50913-2013 醫(yī)藥工藝用水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》編委。

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