Phớt cơ khí bơm ly tâm thực phẩm là gì?

Phớt cơ khí (mechanical seal) là bộ phận làm kín tại vị trí trục bơm đi xuyên qua thân bơm. Nhiệm vụ  là không cho sản phẩm rò rỉ ra ngoài dọc theo trục, đồng thời không cho không khí và tạp chất lọt vào bơm.

Khác với dây chèn (packing) là loại làm kín bằng cách ép sợi chèn vào trục, phớt cơ khí làm kín bằng hai mặt phẳng được mài rất nhẵn, một mặt quay cùng trục và một mặt đứng yên, ép sát vào nhau. Vì chỉ có hai mặt phớt tiếp xúc, phớt cơ khí rò rỉ rất ít và không làm mòn trục.

Với bơm thực phẩm, phớt còn phải đáp ứng thêm yêu cầu vệ sinh vật liệu phù hợp tiếp xúc thực phẩm, không có khe hở giữ cặn bẩn và chịu được quy trình rửa CIP. Các yêu cầu này nằm trong nhóm tiêu chuẩn thiết kế vệ sinh như ASME BPE. Vì vậy phớt trong bơm thực phẩm thường chọn mặt phớt bằng silicon carbide (SiC) hoặc carbon, vòng đệm bằng EPDM hoặc Viton, lò xo bằng inox 304 hoặc 316.

Cấu tạo của phớt cơ khí

Một phớt cơ khí gồm các bộ phận chính sau:

• Mặt quay (vòng quay): gắn trên trục và quay cùng trục.
• Mặt tĩnh (vòng tĩnh): gắn cố định trong thân hoặc nắp bơm, đứng yên khi bơm chạy.
• Lò xo hoặc ống xếp (bellows): tạo lực ép để hai mặt phớt luôn sát nhau, kể cả khi mặt phớt bị mòn dần.
• Vòng đệm phụ (O-ring, gioăng): làm kín giữa mặt tĩnh với thân bơm và giữa mặt quay với trục. Vật liệu cần tương thích với sản phẩm, hóa chất rửa và nhiệt độ làm việc.

Vật liệu mặt phớt

• Carbon đối với thép không gỉ: tổ hợp thông dụng, dùng cho chất lỏng sạch.
• Silicon carbide (SiC) đối với carbon: bền hơn, chịu mài mòn tốt hơn tổ hợp trên.
• SiC đối với SiC: dùng khi sản phẩm có hạt mài mòn.
• Tungsten carbide: chịu áp suất và va đập tốt, cũng là vật liệu mặt cứng phổ biến.

Vật liệu vòng đệm

• EPDM: phổ biến trong bơm thực phẩm vì chịu nước nóng, hơi và hóa chất rửa thông thường.
• Viton (FPM): dùng khi sản phẩm có dầu, chất béo hoặc hóa chất mà EPDM không chịu được.

Ở dòng bơm ly tâm thực phẩm Carten HLS, phớt cơ khí có mặt phớt bằng SiC và carbon, chịu được nhiệt độ làm việc từ -10°C đến 120°C và dung môi tẩy rửa mạnh. Phớt của dòng HLS còn xả rửa được bằng nước, giúp mặt phớt luôn sạch và mát khi bơm làm việc.

Nguyên lý hoạt động của phớt cơ khí

Hai mặt phớt không áp sát hoàn toàn như hai miếng kim loại ép vào nhau. Giữa chúng luôn có một màng chất lỏng mỏng, thường chỉ vài micromet, lấy từ chính sản phẩm đang bơm. Màng chất lỏng này làm ba việc cùng lúc:

• Bôi trơn: giúp hai mặt trượt lên nhau mà không mòn nhanh.
• Làm mát: mang nhiệt ma sát ra khỏi mặt phớt.
• Làm kín: màng đủ mỏng để sản phẩm không rò ra ngoài đáng kể.

Lò xo giữ cho hai mặt phớt luôn sát nhau; áp suất của sản phẩm trong buồng bơm cũng tham gia ép mặt phớt lại.

Vì sao phớt không được chạy khô?

Khi bơm chạy mà không có sản phẩm, màng chất lỏng giữa hai mặt phớt mất đi. Hai mặt phớt cọ trực tiếp vào nhau, nhiệt tăng nhanh, mặt phớt nứt hoặc mòn nhẵn bóng và rò rỉ. Chạy khô là một trong những nguyên nhân hỏng phớt phổ biến nhất, nên bơm cần được mồi đầy sản phẩm trước khi khởi động.

Phân loại phớt: phớt đơn, phớt xả rửa và phớt đôi

Với bơm ly tâm thực phẩm, cách phân loại hữu ích nhất là theo số lượng phớt và cách làm mát, bôi trơn mặt phớt:

• Phớt đơn: một phớt cơ khí tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm.
• Phớt xả rửa (flushed seal): có thêm buồng phía ngoài phớt chính để nước hoặc hơi nước chảy qua, làm mát và làm sạch mặt phớt.
• Phớt đôi (double seal): gồm hai phớt cơ khí lắp liền nhau, giữa hai phớt là chất lỏng hoặc hơi rào cản.

Tên gọi giữa các hãng có thể khác nhau. Doanh nghiệp nên hỏi nhà cung cấp rõ cấu tạo thực tế của phớt đang dùng chứ không chỉ dựa vào tên gọi.

Ngoài ra, phớt còn được phân loại theo cấu tạo cơ cấu đàn hồi (loại đẩy dùng lò xo và loại ống xếp bellows), theo vị trí lắp (phớt trong và phớt ngoài) và theo dạng lắp ráp (phớt rời và phớt cartridge lắp sẵn trên ống lót, giảm lỗi khi lắp).

Khi nào dùng phớt đơn?

Phớt đơn là loại tiêu chuẩn trên hầu hết các bơm vệ sinh. Cấu tạo đơn giản, ít chi tiết, dễ vệ sinh và dễ thay thế, chi phí thấp nhất.

Phù hợp khi

• Sản phẩm loãng, sạch, không kết tinh: sữa, nước giải khát, nước ép lọc, bia, nước tinh khiết.
• Bơm hoạt động ở điều kiện bình thường, áp suất đầu vào ổn định.
• Quy trình không yêu cầu rào chắn tiệt trùng ở khu vực trục.

Hạn chế

• Mặt phớt chỉ được làm mát và bôi trơn bởi chính sản phẩm, nên không có biện pháp bảo vệ khi sản phẩm bám dính hoặc kết tinh tại mặt phớt.
• Nếu phớt hỏng, sản phẩm rò ra ngoài và không khí có thể lọt vào bơm.

Với bơm ly tâm cánh hở thường dùng trong thực phẩm và đồ uống, phớt đơn là cấu hình phổ biến nhất; phớt đôi dùng ít hơn và thường chỉ khi quy trình yêu cầu.

Khi nào dùng phớt xả rửa và phớt đôi?

Phớt xả rửa và phớt đôi dùng khi phớt đơn không còn đảm bảo được độ bền hoặc độ vệ sinh. Các tình huống thường gặp trong ngành thực phẩm:

Sản phẩm dính hoặc dễ kết tinh

Dung dịch đường, siro, mật là những ví dụ điển hình. Khi sản phẩm khô lại ở mặt phớt, nó kết tinh và làm mặt phớt dính, mòn hoặc rò rỉ. 

Nước xả rửa chảy qua phía ngoài phớt liên tục rửa trôi phần sản phẩm rò ra, giữ mặt phớt sạch và mát.

Sản phẩm dễ cháy, bám trên trục

Với sản phẩm nhạy nhiệt, như sữa ở khu vực thanh trùng, nhiệt ma sát ở mặt phớt có thể làm sản phẩm cháy bám trên trục. Làm mát phớt bằng nước giúp tránh hiện tượng này.

Dây chuyền tiệt trùng

Khi bơm sản phẩm đã tiệt trùng, cần ngăn mọi khả năng nhiễm bẩn từ môi trường qua khu vực trục. Phớt xả rửa hoặc phớt đôi với hơi rào cản đảm bảo khu vực này luôn được bảo vệ. 

Lưu ý quan trọng: áp suất hơi rào không được vượt quá áp suất khí quyển ở 100°C, nếu vượt quá, hơi có thể khô đi và phớt chạy khô.

Áp suất đầu vào rất thấp

Khi bơm hút từ bồn có mực thấp hoặc ở điều kiện chân không, không khí có thể lọt vào qua phớt. Một lớp nước rào ở khu vực trục chặn không khí đi vào.

Sản phẩm mài mòn hoặc hóa chất rửa ăn mòn

Sản phẩm chứa hạt rắn làm mòn nhanh mặt phớt; hóa chất rửa mạnh làm hỏng vòng đệm. Phớt đôi giúp bảo vệ phớt khỏi các tác nhân này.

Phớt xả rửa khác phớt đôi ở điểm nào?

• Phớt xả rửa: phía sau phớt chính là buồng nước và một vòng làm kín phụ dạng môi, cấu tạo gọn, chủ yếu để làm mát, làm sạch và tạo rào chắn.
• Phớt đôi: phía sau phớt chính là một phớt cơ khí thứ hai đầy đủ (mặt quay, mặt tĩnh), chịu được áp suất rào cao hơn, có thể đến mức vài bar, phù hợp với điều kiện khắc nghiệt hơn.

Khi dùng loại có rào chắn, đường cấp và đường xả của chất lỏng rào phải thông suốt. Nếu đường xả bị tắc, chất lỏng rào không tuần hoàn, mặt phớt nóng lên và hỏng nhanh.

Bảng so sánh phớt đơn, phớt xả rửa và phớt đôi

Phớt trong và phớt ngoài

Ngoài số lượng phớt, vị trí lắp phớt cũng ảnh hưởng đến vệ sinh và khả năng chịu áp.

• Phớt ngoài (lắp bên ngoài buồng bơm): thiết kế đơn giản, tối ưu về vệ sinh, dễ tiếp cận để thay thế. Tuy nhiên, áp suất sản phẩm thường bị giới hạn ở khoảng 10 bar.
• Phớt trong (lắp bên trong buồng bơm): chịu được áp suất đầu vào cao hơn, tới khoảng 40 bar, nên dùng cho bơm áp suất vào cao hoặc bơm nhiều tầng.

Với bơm ly tâm thực phẩm thông thường áp suất vừa phải, phớt ngoài là lựa chọn phổ biến.

Cách chọn phớt cho bơm ly tâm thực phẩm

Để chọn đúng loại phớt, doanh nghiệp nên xét lần lượt các yếu tố sau:

1. Tính chất sản phẩm: loãng hay sệt, có đường hay dễ kết tinh không, có hạt rắn không, có nhạy nhiệt không.
2. Nhiệt độ làm việc và nhiệt độ rửa: gồm cả nhiệt độ sản phẩm lẫn nhiệt độ của quy trình CIP và SIP. Vòng đệm EPDM, Viton và mặt phớt đều có giới hạn nhiệt riêng.
3. Áp suất đầu vào: quyết định phớt trong hay phớt ngoài, phớt đơn hay có rào chắn.
4. Yêu cầu vệ sinh của dây chuyền: có tiệt trùng, có cần rào chắn ở khu vực trục hay không.
5. Hóa chất rửa: nồng độ kiềm, axit trong quy trình CIP để chọn vòng đệm và mặt phớt phù hợp.
6. Vật liệu mặt phớt: carbon với inox cho sản phẩm sạch; SiC với carbon cho yêu cầu bền hơn; SiC với SiC cho sản phẩm mài mòn.
7. Vật liệu vòng đệm: EPDM cho sản phẩm nước, sữa, đồ uống; Viton khi có dầu hoặc chất béo.
8. Điều kiện vận hành thực tế: bơm có thể chạy khô khi mất mồi không, có đóng van đầu vào thường xuyên không.

Xem thêm: 

• Nên chọn bơm ly tâm inox 304 hay 316L
• Máy bơm nước ép công nghiệp

Nguyên nhân phớt cơ khí hỏng và cách phòng tránh

Phần lớn các hỏng hóc phớt xuất phát từ vận hành và lắp đặt chứ không phải từ chất lượng phớt. Những nguyên nhân thường gặp:

• Chạy khô hoặc mất màng chất lỏng: do bơm mất mồi, đóng van đầu vào, bồn cạn, xâm thực. Cách phòng: mồi đầy bơm trước khi chạy, không đóng van đầu vào khi bơm đang chạy, kiểm tra mực bồn.
• Lệch trục hoặc rung quá mức: do ổ trục hỏng, trục không đồng tâm, mất cân bằng, xâm thực. Mặt phớt mòn lệch một bên và rò rỉ. Cách phòng: căn chỉnh trục, kiểm tra ổ trục định kỳ.
• Sai vật liệu so với sản phẩm hoặc hóa chất rửa: vòng đệm bị phồng, nứt, mặt phớt bị ăn mòn. Cách phòng: chọn vật liệu theo cả sản phẩm lẫn dung dịch CIP.
• Sản phẩm kết tinh, bám tại mặt phớt: gặp ở dung dịch đường, siro. Cách phòng: dùng phớt xả rửa, duy trì dòng xả rửa đều.
• Đường xả rửa bị tắc hoặc không có nước: phớt nóng lên và hỏng. Cách phòng: kiểm tra lưu lượng nước xả rửa định kỳ.
• Sốc nhiệt, sốc áp suất: do đổi nhiệt đột ngột khi chuyển từ sản phẩm sang nước nóng rửa. Cách phòng: tăng nhiệt từ từ.
• Lắp sai: lực nén lò xo không đúng, O-ring hỏng, bụi hoặc dấu tay trên mặt phớt. Cách phòng: vệ sinh mặt phớt kỹ khi lắp, không chạm tay vào mặt phớt, dùng phớt cartridge nếu có.

Bảo dưỡng phớt cơ khí

• Kiểm tra rò rỉ ở khu vực trục mỗi ca hoặc mỗi ngày. Nhỏ giọt liên tục là dấu hiệu phớt đã mòn.
• Đảm bảo dòng nước xả rửa (nếu có) thông suốt trong suốt thời gian bơm chạy.
• Thay phớt theo kế hoạch bảo trì thay vì chờ đến khi hỏng nặng.
• Khi thay phớt, đồng thời kiểm tra trục, ổ trục và vòng đệm; thay đồng bộ các chi tiết đã mòn.
• Dự trữ sẵn bộ phớt phù hợp với model bơm đang dùng để giảm thời gian dừng máy.

Phớt cơ khí của bơm ly tâm thực phẩm Carten HLS

Dòng bơm ly tâm thực phẩm Carten HLS dùng phớt cơ khí có khả năng xả rửa. Nước xả rửa có lưu lượng 0,25–0,5 L/phút và áp suất xả rửa tối đa 0,1 MPa. Phớt có mặt phớt bằng SiC và carbon, chịu nhiệt độ từ -10°C đến 120°C và dung môi tẩy rửa mạnh. Bơm chịu áp suất đầu vào tối đa 0,5 MPa, thân bằng inox 304 hoặc 316L, thiết kế theo tiêu chuẩn vệ sinh 3-A.

Nhờ phớt xả rửa được, bơm HLS phù hợp với cả sản phẩm sạch lẫn sản phẩm dễ bám dính như dung dịch đường, siro. Với yêu cầu cao hơn như rào chắn tiệt trùng hoặc sản phẩm mài mòn mạnh, kỹ sư của Carten Pump Vietnam sẽ tư vấn cấu hình phớt phù hợp cho từng nhà máy.

Các model HLS đều dùng phớt cơ khí xả rửa được như trên:

Phớt chọn đúng hay sai phụ thuộc nhiều vào sản phẩm cụ thể. Nhà máy đang bơm siro, dung dịch đường hoặc sản phẩm cần tiệt trùng nên gửi cho kỹ sư Carten Pump Vietnam tên sản phẩm, nhiệt độ sản phẩm và nhiệt độ rửa CIP, áp suất đầu vào, cùng hóa chất rửa đang dùng, để được tư vấn cấu hình phớt ngay từ khi chọn bơm. Bơm giao đúng model có CO/CQ, bảo hành 12 tháng; phớt cơ khí thay thế cũng được cung cấp khi cần.