Pompa perystaltyczna: zasady i elementy

Czym jest pompa perystaltyczna?

Z profesjonalnego punktu widzenia pompa perystaltyczna to rodzaj pompy objętościowej wyporowej. Jej zasada działania opiera się na „okresowym ściskaniu i odbiciu elastycznej rurki”:

Napęd zapewnia moc do napędzania obrotu wirnika (wyposażonego w wiele rolek) wewnątrz głowicy pompy. Podczas obrotu wirnika rolki stale ściskają elastyczną rurkę w głowicy pompy, tworząc wewnątrz rurki „tymczasowo uszczelnione komory”. Gdy rolki toczą się do przodu, te uszczelnione komory poruszają się wzdłuż kierunku przepływu cieczy, wypychając ciecz w rurce w kierunku wylotu. Gdy rolka oddala się od fragmentu rurki, rurka powraca dzięki własnej elastyczności, przywracając objętość komory wewnętrznej i zasysając nową ciecz z wlotu. Ten cykl powtarza się, aby zapewnić ciągłe, jednokierunkowe dostarczanie cieczy.

Wciąż nie rozumiesz? Pomyślmy o typowej czynności życiowej: chwyć słomkę palcem i pchnij ją do przodu — ciecz w słomce popłynie w kierunku, w którym porusza się palec. Pompa perystaltyczna to w zasadzie „mechaniczna wersja «palec + słomka»”: wykorzystuje napędzany silnikiem „rolkę” zamiast palca i „elastyczną rurkę” zamiast słomki. Ciągłe ściskanie rury za pomocą rolki powoduje jednokierunkowy przepływ cieczy wewnątrz rury.

Jej główną zaletą, która również odróżnia ją od pomp odśrodkowych i zębatych, jest to, że ciecz styka się tylko z rurą, a nie z wewnętrznymi częściami korpusu pompy. Oznacza to:

• Nie ma potrzeby martwić się o zanieczyszczenie korpusu pompy płynem;
• Nie ma potrzeby martwić się o zanieczyszczenie korpusu pompy płynem.

Trzy podstawowe elementy

1. Sterownik

Rdzeń sterownika składa się z silnika  i modułu sterującego. Jego główną funkcją jest zapewnienie stabilnego zasilania głowicy pompy i kontrola prędkości obrotowej rolek (prędkość obrotowa bezpośrednio determinuje natężenie przepływu).

Typy silników

• Silnik szczotkowy prądu stałego: Niski koszt i wysoki moment rozruchowy, odpowiedni do prostego przesyłu płynów w zastosowaniach cywilnych (np. uzupełnianie wody w małych akwariach) oraz do taniego dozowania chemikaliów w przemyśle — w sytuacjach, w których wymagania dotyczące precyzji i żywotności nie są wysokie.
• Silnik bezszczotkowy prądu stałego (BLDC): Długa żywotność, niski poziom hałasu i dobra stabilność, odpowiedni do precyzyjnego przesyłu płynów w laboratoriach (np. zasilanie płynów w chromatografy) oraz w małych medycznych urządzeniach infuzyjnych — w sytuacjach wymagających niskiego poziomu hałasu i długiej żywotności życie.
• Silnik krokowy: Niezwykle wysoka dokładność sterowania prędkością i brak błędu kumulacyjnego, odpowiedni do ilościowego pipetowania próbek laboratoryjnych i napełniania żywności o małej objętości (np. napełnianie esencją 5 ml) — w sytuacjach o rygorystycznych wymaganiach dotyczących dokładności przepływu.
• Silnik prądu przemiennego: Wysoka moc wyjściowa i kompatybilność z dużymi natężeniami przepływu, odpowiedni do dozowania chemikaliów o dużej średnicy w oczyszczalniach ścieków oraz do dostarczania roztworów odżywczych o dużym przepływie w rolnictwie — w sytuacjach przemysłowych wymagających dużych natężenia przepływu i wysokiego ciśnienia.

Tryby sterowania

• Sterowanie ręczne: Regulacja prędkości obrotowej za pomocą pokręteł lub przycisków albo sterowanie Włączanie/wyłączanie za pomocą opcjonalnego pedału nożnego. Prosta obsługa, odpowiednia do niezależnego sterowania jedną pompą.
• Sterowanie analogowe: Odbiera sygnały takie jak 0-5 V/4-20 mA i może być połączone z PLC (Programmable Logic Controller) lub DCS (Distributed Control System).
• Sterowanie cyfrowe: Obsługuje protokoły takie jak RS232/RS485/Modbus, umożliwiając zdalne ustawianie natężenia przepływu i odczyt danych operacyjnych.

2. Głowica pompy

Głowica pompy to element, który ma bezpośredni kontakt z przewodem i tłoczy ciecz; Ma również kluczowe znaczenie dla „stabilności przepływu” i „żywotności rurek”. Początkujący powinni skupić się na trzech aspektach projektowych podczas oceny głowic pomp:

Liczba rolek

Określa stopień fluktuacji przepływu. Więcej rolek oznacza większą częstotliwość kompresji rurek i bardziej stabilny przepływ (np. głowica pompy z 10 rolkami zmniejsza fluktuację przepływu o 30% w porównaniu z głowicą z 6 rolkami). Jednak większa liczba rolek przyspiesza również zużycie rurki, skracając jej żywotność o 10–20%.

Mechanizm kompresji

Stopień kompresji rurki musi być precyzyjnie kontrolowany: niewystarczające sprężanie powoduje „niedostateczną siłę ssania i nieszczelność”, podczas gdy nadmierne sprężanie przyspiesza starzenie się rurki. Główne metody kompresji stosowane w branży dzielą się na dwa typy:

•  Sprężanie ręczne: Regulacja położenia bloku ciśnieniowego za pomocą pokrętła w celu ustawienia stopnia kompresji. Nadaje się do scenariuszy ze stałymi parametrami przewodów i niską częstotliwością użytkowania (np. tymczasowe eksperymenty laboratoryjne).
• Mechanizm automatycznej kompensacji ciśnienia: Zapewnia dynamiczną kompensację ciśnienia za pomocą sprężyn lub cylindrów pneumatycznych. Gdy przewody stają się cieńsze z powodu zużycia, blok ciśnieniowy automatycznie dostosowuje się, aby utrzymać stałą wartość sprężania. Nadaje się do pracy ciągłej 24/7 (np. linie napełniania żywności, przemysłowe systemy dozowania chemikaliów) i może wydłużyć żywotność przewodów.

Materiał

Materiał głowicy pompy należy dobrać na podstawie właściwości przetłaczanego płynu (korozja, temperatura) i wymagań środowiskowych:

• Głowica pompy z tworzywa sztucznego konstrukcyjnego (PP/ABS): Lekka (o 40% lżejsza niż stop aluminium), odporna na korozję (nadaje się do przetłaczania słabych kwasów i zasad) i tania. Idealna do urządzeń przenośnych (np. zewnętrznych pomp do pobierania próbek), ale ma słabą odporność na wysokie temperatury.
• Głowica pompy ze stopu aluminium: Wysoka wytrzymałość i dobre odprowadzanie ciepła, odpowiednia do przesyłu płynów o wysokiej lepkości (np. syropów, olejów smarowych). Jest jednak ciężka i droższa.
• Głowica pompy ze stali nierdzewnej: Doskonała odporność na korozję, odpowiednia do zastosowań farmaceutycznych i półprzewodnikowych, ale droższa (niż stop aluminium).

3. Przewody

• Rury silikonowe: Ekonomiczne, o dobrej elastyczności i łatwe w montażu, odpowiednie do przesyłu „wody, odczynników neutralnych i płynów spożywczych” (np. napojów, czystej wody). Mają jednak oczywiste wady: nie są odporne na olej, silne kwasy/zasady (np. kwas siarkowy, alkohol) i twardnieją z upływem czasu po długotrwałym użytkowaniu.
• Rury z kauczuku fluorowego (FKM): „Król odporności na korozję”, zdolne do przesyłu kwasu siarkowego, kwasu solnego i rozpuszczalników organicznych (np. metanolu, acetonu). Nadaje się do zastosowań w środowiskach wymagających ochrony chemicznej i środowiskowej, ale charakteryzuje się niską elastycznością i wysokim kosztem (3-5 razy wyższym niż wężyki silikonowe).
• Wężyki silikonowe do kontaktu z żywnością: Posiadają certyfikat FDA (w porównaniu ze zwykłymi wężykami silikonowymi) i nie zawierają plastyfikatorów. Nadają się do przesyłu płynów mających bezpośredni kontakt z żywnością (np. sosów, jogurtu, oleju kuchennego). Uwaga: Wybierz „modele odporne na wysokie temperatury” (np. odporne na 120°C) dla łatwego czyszczenia i dezynfekcji.
• Wężyki teflonowe (PTFE): Doskonała odporność na wysokie i niskie temperatury (od -200°C do 260°C) oraz korozję (odporne na działanie wody królewskiej). Są jednak twarde i mają niską elastyczność, co wymaga dopasowania do „głowicy pompy wysokociśnieniowej”. Zazwyczaj stosuje się go tylko w szczególnych sytuacjach (np. w przypadku zasilania płynem kotłów reakcyjnych o wysokiej temperaturze).

Wskazówka

• Przy tej samej prędkości obrotowej natężenie przepływu jest proporcjonalne do kwadratu średnicy wewnętrznej rurki (np. natężenie przepływu rurki o średnicy wewnętrznej 8 mm jest 4 razy większe niż rurki o średnicy wewnętrznej 4 mm).
• Grubość ścianki wpływa na wytrzymałość na ściskanie: grubsze ścianki (np. 3 mm w porównaniu z 2 mm) zapewniają lepsze działanie przeciwstarzeniowe, ale muszą być dopasowane do konstrukcji głowicy pompy (aby uniknąć niewystarczającego docisku).