泵

泵送需求

近年来，对于产品质量与生产效益的要求不断在提升。过去，液体往往可借助重力在生产线中流动；如今则需通过包含众多阀门、热交换器、过滤器等高压降设备的长管道系统加压输送，且流量要求普遍较高。因此，泵设备在生产线众多环节中不可或缺，正确选型与合理布局变得尤为关键。这一过程中可能会出现许多问题，常见问题可归纳如下：

• 泵的安装
• 吸入和排出管路
• 应根据以下参数确定泵的类型与规格：
  • 流量
  • 待泵送产品
  • 黏度
  • 密度
  • 温度
  • 系统内压力
  • 泵中原料

乳品行业典型泵型包括离心泵、液环泵与容积式泵，三者各有其应用场景。离心泵在乳品厂应用最广。

图7.8.1 乳品厂中最常见的卫生泵类型为离心泵

如图7.8.1与图7.8.2所示，主要适用于低黏度产品，但无法处理含气量高的液体。液环泵专为高含气工况设计。容积式泵则适用于需轻柔处理的产品和高黏度产品。

图7.8.2 离心泵主要部件

1. 排出管路
2. 轴封
3. 吸入管路
4. 叶轮
5. 泵壳
6. 背板
7. 电机轴
8. 电机
9. 不锈钢隔音护罩

吸入管路

在讨论泵本身之前，了解与泵相关的事实和问题也非常重要。

泵的安装位置应尽可能靠近供储罐或其他液源，且吸入管路应尽量减少弯头与阀门数量。管路应采用较大口径，以降低产生汽蚀现象的风险。

排出管路

所有节流阀都必须安装在排出管路上，可与止回阀配合使用。节流阀用于调节泵的流量，止回阀则能防止水锤效应保护泵体，并在泵停止运行时避免液体倒流。止回阀通常安装在泵体与节流阀之间。

汽蚀现象

汽蚀现象可通过泵中的爆裂声来检测。汽蚀产生往往是由于局部压力降至蒸发压力以下，且液体中形成小气泡时，随着液体被叶轮带着流动，压力回升，气泡被急速压缩，造成气泡急速破裂，其局部压力可高达100000巴。这种高频重复的气泡破裂过程会对周围材料（尤其是脆性材料）造成点蚀损伤。

当吸入管路的压力低于所泵送液体的蒸发压力时，就会引发汽蚀现象。泵送高黏度或易挥发液体时，更容易引发汽蚀现象。

泵内汽蚀现象将导致扬程与效率下降。随着汽蚀现象加剧，泵将逐渐停止泵送。

应避免汽蚀现象。不过，如果泵送条件苛刻，且泵仅出现轻微汽蚀现象但运行稳定，则仍可继续使用泵——因为乳品泵的叶轮采用耐酸钢制造，对汽蚀现象引起的磨损有极强的耐受力。长期运行后叶轮可能出现损伤。

通过计算可预测泵中发生汽蚀现象的概率，请参阅下一页的NPSH（净正吸入压头）。

泵的性能曲线图

泵的性能曲线图是特定应用场景泵选型的重要工具，需通过三条关键曲线确定合适泵型：

• 流量与扬程（QH曲线）
• 所需电机功率（kW）
• NPSH（净正吸入压头）

这些曲线图基于清水测试绘制，泵送其他物性液体时需进行数据换算。选泵时通常已知所需流量Q，在图7.8.3的示例中，流量Q为15m³/h。

所需扬程通常必须通过计算得出。本例设为30m。

在Q轴上找到流量值。从该点开始，沿一根垂直线向上移动，直至与H轴上标示所需扬程（30m）的水平线相交。该交点未匹配任何代表叶轮直径的QH曲线，故应选择最接近的较大叶轮，本例中为160mm，对应的扬程为31米液柱。下一步是沿15m3/h垂直线向下与160mm叶轮功率曲线相交，在相交点所在水平线向左读取功率值2.3kW。该数值还必须加上约15%的安全余量，总功率约为2.6kW。因此，可使用3kW电机。

若泵配备有特定规格的电机，需持续监测电机是否过载，并始终为过载预留安全余量。

最后，沿15m³/h垂直线到达上图右侧的NPSH曲线。水平向右读取数值，所需NPSH值为1米。

图7.8.3 离心泵性能曲线图

图7.8.3-2 离心泵性能曲线图

扬程（压力）

选择泵时应注意，流量曲线图中的扬程H是当液体流入泵内时没有物料吸升或者正压。

要获取泵后的实际压力，必须考虑泵吸入侧的条件。若吸入管路中存在真空，泵需在液体进入前就消耗部分能量，此时出口压力将低于曲线图中的标注值。

反之，若吸入管路呈满管状态，使泵入口形成正压，则出口压力将高于曲线图中的标注值。

NPSH（净正吸入压头）

如前所述，在设计泵装置时，吸入管路的布置须避免泵发生汽蚀现象。性能曲线图中均包含NPSH曲线（图7.8.3）。泵的NPSH是指为避免汽蚀现象所需的泵入口物料最小绝对压力。该值记作NPSHreq。

在应用此参数前，须先计算当前运行工况下吸入管路的可用NPSH（NPSH_av）。该数值应大于或等于性能曲线图中的必需NPSH值。

系统NPSH_av值的计算公式如下所示：

p_a = 液面绝对压力（巴）

p_v = 蒸发压力（绝对压力）（巴）

d_r = 相对密度

h_s = 静止吸入高度（米液柱）

h_fs = 吸入管路压降（米液柱）

公式 7.8.1

请注意，吸入高度h_s为负值，入口压力为正值。

轴封

轴封通常是泵中最精密的组件之一，需在旋转部件（叶轮或轴）与静止部件（泵壳）之间实现有效密封。通常采用机械密封。

动环有一个密封面，该密封面对接静环密封面。两个密封面之间会形成一层液膜，既能润滑密封件，又能避免两个密封环直接接触，从而最大限度减少磨损、延长密封寿命。若泵运行中出现干转现象，密封面之间的润滑液膜会被破坏，导致密封环磨损加剧。

机械密封通常采用平衡设计，因此不易受泵内压力变化的影响。而卫生级机械密封无需调整，且不会磨损泵轴，有单端面和冲洗式两种类型可供选择。

图7.8.4 单端面机械轴封

图7.8.5 冲洗式机械轴封

图7.8.6 带冲洗介质的双端面 机械轴封

单端面机械轴封

单端面机械密封（图7.8.4）是乳品行业大多数卫生泵的标准配置。

其静环固定于泵壳背板，动环安装在泵内或泵外，动静环都配有O型圈密封。动环可沿轴移动，由弹簧加压压紧静环。

冲洗式轴封

冲洗式密封（图7.8.5）采用双密封结构。通过水或蒸汽在双密封间的循环流动，实现对密封件的冷却与清洁，或在产品与大气环境间形成隔离屏障。

推荐在以下应用中使用冲洗式轴封：

• 泵送须避免二次污染的灭菌产品时，可采用蒸汽障。
• 泵送黏性溶液或易结晶产品（如糖溶液）时，可用水冲洗。
• 当密封面温度较高，可能导致物料在轴封处焦化沉积时，可用水冷却密封件，例如巴氏杀菌机中的增压泵。
• 当泵在极低入口压力下运行（如从真空容器中泵送物料），可采用水障隔绝空气与产品的接触。

蒸汽障压力不得超过100℃时的大气压，否则蒸汽可能会变干。这将导致密封干运转和密封面损坏。蒸汽与水的供给均需在密封入口处调节，且出口管路必须保持畅通。所有屏障介质始终通过下进上出。

双端面机械轴封

双端面机械密封（图7.8.6）与冲洗式密封类似，但其唇封被一组静止/旋转结构所替代，该结构与单端面密封以及冲洗式和双端面机械密封的主密封部件类似，因此得名“双端面机械密封”。

双端面机械密封可替代冲洗式密封，推荐用于以下工况：

• 作为泵送灭菌产品的蒸汽障，以避免可能的污染。
• 用于清洗可能会损坏唇封结构的磨损性产品。
• 用于处理腐蚀性冲洗液，如制药或化工流程中可能损伤唇封结构的腐蚀性冲洗液。
• 在唇封结构不适用时用作高压冲洗屏障（高达5巴）。

内置式轴封

大多数泵采用外置式轴封，因其设计简单，且从卫生角度来看是最佳解决方案，适用于绝大多数工况。

使用外置密封时，加工产品位于密封内侧，而产品压力会推动产品从密封面间渗出，因此其耐压能力存在上限，通常为10巴。

因此，针对高入口压力与多级离心泵工况，需采用内置式轴封。使用内置密封时，加工产品在外侧，将密封件整体包裹。该原理配合密封部件的重载设计，使内置密封可承受最高40巴的入口压力，见图7.8.7。

内置密封有单端面与冲洗式两种类型可供选择。冲洗式密封的操作和适用性与外置冲洗式密封完全相同。

图7.8.7 内置式轴封

1. 轴
2. 静止环
3. 旋转环
4. 背板
5. 叶轮

轴封材料

常用材料组合：动环采用碳材质，静环采用不锈钢。更优方案是碳化硅与碳的组合。对于磨蚀性液体，推荐采用高硬度密封面。碳化硅与碳化硅的组合是此类工况的常用解决方案。

离心泵

泵送原理

进入泵的液体流向叶轮中心（叶眼），并在叶轮叶片的作用下做圆周运动，如图7.8.8所示。在离心力与叶轮运动的共同作用下，液体流出叶轮时的压力和速度均高于叶轮眼处。该流速在泵壳内部分转化为压力，最终液体经出口连接管排出泵体。

叶轮叶片在泵内形成流道，其叶片通常采用后弯式设计，但小型泵可能采用直叶片设计。

图7.8.8 离心泵的流动原理

离心泵类型

根据应用需求，可以使用不同类型的离心泵。

这些类型包括：

• 标准离心泵
• 高入口压力离心泵
• 多级离心泵
• 自吸式离心泵

标准离心泵

作为成本最低且应用最广泛的泵型，标准离心泵适用于大多数低黏度工况。

该泵型在高入口压力、高系统压力及含气工况下存在局限，此类工况需选用其他离心泵类型。

高入口压力离心泵

该泵专为过滤系统等入口压力要求较高的应用而设计。

该泵的专用部件包括专用电机、厚壁泵壳、厚背板以及卫生级内置机械轴封，以承受高入口压力（图7.8.9）。

图7.8.9 高入口压力适用的离心泵

多级离心泵

该泵专门设计用于在小流量工况下满足高出口压力要求，通常用作增压泵。

该泵由多级组成，工作原理类似于多台泵串联运行。

特殊设计包含多组叶轮与中间壳体、加厚背板及卫生级内置机械轴封（图7.8.10）。

可根据入口压力等级配置标准或特殊用途电机。

图7.8.10 高出口压力适用的多级离心泵

自吸式离心泵

该自吸泵专为CIP清洗系统等含气工况设计。

该泵是标准离心泵，配有一个带导轮的筒体。

仅泵送液体时，其工作模式与普通离心泵无异。然而，若空气/气体进入泵体，筒体相对于导轮的偏心布置将在液环与导轮间形成气腔，气体被分离至导轮叶片间的气穴中。

图7.8.11 配备筒体和阀门的自吸泵

离心泵的应用

作为乳品行业最常用的泵型，离心泵在适用工况下应作为首选方案，其优势在于购置、运行与维护成本更低，且对不同工况的适应性最强。该泵型可用于泵送所有黏度相对较低且无需特别轻柔处理的液体，也可输送含较大颗粒的液体，当然，粒径须小于叶轮流道尺寸。

离心泵的一个劣势是无法泵送含气液体，一旦气体进入会立即失吸停泵，需停机注液重启才能恢复运行。因此该泵不具备自吸能力，启动前必须确保吸入管路与泵壳充满液体。因此，安装时应仔细规划。

流量控制

通常很难选到一台流量完全契合需求的标准泵，因此需通过以下方式进行调整：

• 节流调节：灵活性高但经济性差
• 减小叶轮直径：灵活性低但经济性好
• 速度控制：兼具灵活性与经济性

三种调节方式如图7.8.12所示。

图7.8.12 离心泵的流量控制方法

节流调节

最简单的流量控制方式是在泵出口管路中安装节流阀，这样可精确将泵调节至所需压力与流量。该方法适用于压力流量频繁变化的工况。但其缺点在于压力和流量恒定情况下经济性较差。

节流可通过管道孔板、手动/自动控制阀或通常安装在牛奶处理管道中的机械流量控制器实现。

减小叶轮直径

将原叶轮直径从D减小至D₁，可获得一条低于最大性能曲线的泵曲线（图7.8.13）。新直径D₁可通过绘图初步确定：在曲线图上从原点O出发，绘制一条经过目标工况点A到叶轮直径D对应的标准曲线B的直线。读取压力H和所需的新压力H₁。可通过下式确定新叶轮直径D₁。

将叶轮直径减小至D₁可实现最经济的泵系统配置。大多数泵的性能曲线图均提供不同叶轮直径对应的曲线。

Formula 7.8.2

图7.8.13 叶轮直径从D减小至D1时的流量变化

速度控制

改变转速将改变叶轮产生的离心力，进而引起压力与容量的变化——转速升高时，压力和容量同 步上升；转速降低时，二者则同步下降。

速度控制是最高效的泵调节方式，因为叶轮转速始终与泵的性能精确匹配，从而实现功耗与液体处理量的精确匹配。

变频器可与标准三相电机配合使用，实现流量与压力的手动或自动调节。

60赫兹泵

大多数离心泵按50Hz设计，对应的两极电机转速为3000rpm（每分钟转数）。部分国家采用60Hz电网，此时转速将提升20%，达到
3600rpm。泵制造商可提供60Hz的泵曲线。

扬程与压力

密度

以米液柱表示的扬程与泵送液体的密度无关，但密度对排出压力及功耗至关重要。

如果在不同情况下，泵型与液体黏度均保持不变，则无论密度如何，液柱将被提升至同一高度（示例中为10米），即以米液柱表示的泵的扬程保持恒定。然而，随着密度（液体质量）变化，压力表读数将相应改变（图7.8.14）。

因此，如果以米液柱标示的压力乘以相对密度，就可以得到以米水柱标示的泵压。

泵输送较重液体需消耗更多功，功率需求与密度呈正比。示例A若需1kW功率，则示例B需1.2kW，示例C仅需0.8kW。

黏度

高黏度液体相较于低黏度液体会产生更大的流动阻力。泵送高黏度介质时，因叶轮与泵壳内流动阻力增大，流量与扬程将下降，同时功率需求上升。

离心泵虽能处理较高黏度液体，但不建议泵送黏度远高于500cP的液体，因为超过这一水平，功率需求会急剧上升。

图7.8.14 不同密度产品的液柱和水柱比较

液环泵

当泵壳内至少装满一半液体时，液环泵（见图7.8.15）即具备自吸能力，可处理高含气率介质。该泵由装有径向直叶片的叶轮（4）（在泵壳内旋转）、入口、出口及驱动电机组成。液体从入口（1）被引导到叶片之间并加速流向泵壳，形成与叶轮同步旋转的液环。泵壳内壁设计有流道：（2）处流道较浅，向（3）方向逐渐加深拓宽，至（6）处再度逐渐变浅。当叶片带动液体移动时，流道内也会充满液体，从而增加叶片之间液体的可用体积。这会导致中心形成真空，持续从吸入管路抽吸更多液体。

通过深通道（3）后，叶片之间的体积随着流道变浅而减小。液体受挤压逐渐向中心汇聚并增压，最终通过端口（7）排出至泵出口（5）。

吸入管路中气体的泵送方式与液体相同。

图7.8.15 自吸式液环泵的工作原理

1. 吸入管路
2. 浅流道段
3. 深流道段
4. 径向叶片
5. 泵出口
6. 浅流道段
7. 排出口

应用场景

液环泵在乳品行业中用于输送含气量高的产品，这类工况会致使离心泵无法使用。由于叶轮与泵壳间的间隙较小，该泵型不适用于处理磨蚀性产品。

其常见应用是作为原位清洗罐后清洁溶液的回流泵，因原位清洗溶液通常含有大量空气。

容积式泵

泵送原理

此类泵基于容积变化原理工作，主要分为两大类：转子泵与往复泵，每种类别均包括几种类型。

容积式泵的原理是：无论液压计示压头H如何变化，每完成一次旋转或往复运动，都会泵送固定净量的液体。

但在低黏度工况下，随着压力升高可能产生滑移（内漏），导致单转或单冲程流量下降。滑移量随黏度增加而减小。

若对容积式泵的出口进行节流，将导致压力急剧攀升。因此必须确保：

1. 泵后所有阀门均不可关闭。
2. 泵配备有泄压阀（安装在泵内或作为旁路阀使用）。

流量控制

容积式泵的流量通常通过调节速度来控制。对于往复泵还可采用调节冲程的方式。

管路尺寸和长度

泵送高黏度产品时需特别注重管路的尺寸设计。泵体必须紧邻进料产品罐布置，且管路必须采用大管径设计。否则过高的管路压降将引发汽蚀现象。

此原则同样适用于出口侧。细长管路将导致压力异常升高。

图7.8.16 凸轮转子泵的工作原理

凸轮转子泵

凸轮转子泵配备两个转子，通常每个转子各具2-4个叶片。转子旋转时，泵的入口处会形成真空，将液体吸入泵腔。液体随后沿泵壳内壁被推向出口，体积被压缩后从出口排出。流程如图7.8.16所示。

转子由泵后的正时齿轮独立驱动，相互之间不接触，也不接触泵壳，但泵内所有部件之间的间隙都很窄。

应用场景

黏度超过300cP时，此类泵的容积效率可达100%（无滑移）。凭借其卫生型设计和对产品的轻柔处理，此类泵被广泛用于泵送高脂奶油、发酵乳制品、凝乳/乳清混合物等产品。

圆周柱塞泵

该设计适用于低黏度、中高排出压力工况，且要求设备可原位清洗。其标准配置采用特殊非磨损合金制成的双翼活塞转子。与钢构件接触的所有其他介质（如转子外壳、前盖与转子螺母）均采用W.1.4404（AISI 316L）材质。转子柱塞沿泵壳内流道圆周旋转。当转子脱离啮合时，吸入端口持续形成局部真空，使流体进入泵腔。转子柱塞推动流体环绕流道运动，当转子柱塞重新啮合时，流体被挤压推送，在排出端口形成压力。流动方向是可逆的。

图7.8.17 圆周柱塞泵

双螺杆泵

双螺杆泵兼具容积式泵的典型工艺处理能力与离心泵的典型原位清洗功能，构成能提供更高工艺灵活性的坚固可靠平台。该泵既可输送产品又能执行原位清洗，其低脉冲特性与卓越的固体处理能力可降低产品损伤风险，从而提升产品品质。专为处理敏感、磨蚀性及高/低黏度流体设计的双螺杆泵，是乳品、食品和饮料行业卫生级应用的理想选择。双螺杆泵是一种容积式泵。当泵旋转时，两根反向旋转的螺杆相互啮合，与泵壳共同形成容积室。容积室灌满泵送液体后，推动液体从泵的吸入侧轴向移动至高压排出侧。

偏心螺杆泵

对于低黏度产品，该泵的密封性优于凸轮转子泵。其卫生等级虽略低于凸轮转子泵，但对泵送产品的处理更为轻柔，应用范围与凸轮转子泵基本一致。

偏心螺杆泵（图7.8.18）严禁干转，即使短至几秒的干转也会造成泵体损坏。

图7.8.18 偏心螺杆泵

柱塞泵

柱塞泵通常配置1、2、3或5个柱塞（图7.8.19）。旋转的曲轴通过柱塞杆驱动柱塞往复运动。吸入和压力侧的止回阀共同调控流体按正确方向流动。

五柱塞泵的脉冲流低于三柱塞泵。

柱塞泵适用于高压力、低能耗需求的工况。高压均质机是柱塞泵+均质装置的典型应用。

其在低黏度及不同背压下，容积效率仍接近100%，故可作为精密计量泵使用。泵容量与曲轴转速成正比。

对于计量应用，可采用一种特殊类型的柱塞泵。各柱塞容量通过其行程长度进行调整。此类泵用于将几种不同的组分按特定比例混合使用，每个柱塞处理一种组分。

图7.8.19 柱塞泵

计量泵

隔膜泵

气动隔膜泵（其中之一如图7.8.20所示）能实现对产品的轻柔处理。由于气压恒定，出口压力存在脉冲，且其容量会随产品压力变化而变化。因此，此类泵主要用于输送产品，较少直接应用于工艺加工环节。机械驱动式隔膜泵则常作为计量泵使用。

图7.8.20 隔膜泵

1. 吸料期间开启球阀
2. 吸料隔膜
3. 泵送隔膜
4. 关闭的球阀

工作原理

隔膜泵属于双作用容积式泵，设有两个交替工作的泵腔。驱动装置所需的压缩空气通过控制阀依次进入每个隔膜的后部，使两个泵腔轮换排出物料。

隔膜本身还承担着隔离被泵送产品与压缩空气的功能。由于每个冲程期间压缩空气腔与泵送腔压力始终保持平衡，隔膜本身不会受到压差的影响。这是隔膜使用寿命较长的原因之一。

隔膜回缩形成真空，被泵送产品流入腔室。对侧腔室容量同步减小，产品通过出口止回阀排出。

两片隔膜通过共用柱塞杆连接，因此，一个腔室吸料的同时，产品从另一个腔室排出。压缩空气在各阶段均承担双重功能：既执行实际排料过程，又吸入待输送的其他介质。

蠕动泵（软管泵）

该泵型（图7.8.21）兼具产品输送与相对精确的产品计量功能。

转子在充满润滑剂的泵壳内旋转，通过滚轮压缩软管实现吸入与排出侧的完全隔离。

旋转时，软管内介质（液体或气体）被推向下部出口连接处。这会导致吸入侧形成真空，将产品吸入泵中。该泵具备自吸能力，因此适用于排空浓缩果汁及无水乳脂（AMF）储桶。

两滚轮间容积相当于单转输送量的一半，旋转时，等量产品会持续泵送至出口连接处，同时吸入侧会同步吸入等量产品。

图7.8.21蠕动泵的泵送顺序