پمپ‌ها از مهم‌ترین تجهیزات صنعتی به شمار می‌آیند که برای استفاده مؤثر از آن‌ها، باید با پارامترهای اصلی‌شان، مانند هد و دبی، آشنا باشید. ناآگاهی از این ویژگی‌ها ممکن است منجر به انتخاب پمپی نامناسب برای نیازهای صنعتی یا خانگی شود که در نهایت به هزینه‌های اضافی و یا خرابی سیستم منجر خواهد شد. اگر شما نیز می‌خواهید با مفاهیم و روش‌های محاسبه هد و دبی پمپ به خوبی آشنا شوید، با ما همراه باشید.
دبی چیست؟
دبی پمپ (Pump Flow) یکی از پارامترهای مهم در عملکرد پمپ‌ها است و مفهومی بسیار ساده و قابل فهم دارد. دبی پمپ به نرخ جریان سیالی اشاره دارد که پمپ می‌تواند در یک واحد زمان از خود عبور دهد.
دبی جرمی به مقدار جرمی از سیال گفته می‌شود که در واحد زمان از یک سطح مقطع مشخص عبور می‌کند، در حالی که دبی حجمی، حجم سیالی را اندازه‌گیری می‌کند که در همان واحد زمان از یک سطح مقطع معین عبور می‌کند. (منظور از دبی در این مقاله دبی حجمی می باشد. )
این ویژگی فیزیکی در پمپ‌ها معمولاً با واحدهای متر مکعب بر ساعت (m³/hr)، لیتر بر ثانیه (L/sec)، لیتر بر دقیقه (L/min) و در کشورهای آمریکایی با واحد گالن بر دقیقه (gpm) اندازه‌گیری می‌شود. هرچه دبی محاسبه شده برای یک پمپ در این واحدها بیشتر باشد، نشان‌دهنده توان بالاتر پمپ در انتقال سیال در واحد زمان است.
هد چیست؟
یکی از پارامترهای مهم و مفهوم فیزیکی ساده‌ای است که از واژه انگلیسی “Pump Head” گرفته شده است. این مفهوم در برخی مواقع و در فضای عملی ممکن است کمی پیچیده به نظر برسد، اما در دنیای تئوری و مهندسی مکانیک تعریف مشخص و روشنی دارد.
به‌عنوان مثال، اگر یک پمپ با ورودی و خروجی مشخص داشته باشیم، هد پمپ به ارتفاعی گفته می‌شود که پمپ می‌تواند سیال ورودی را از طریق لوله خروجی به سمت بالا پرتاب کند.به‌عبارت‌دیگر، اگر پمپی قادر باشد سیال را با فشار بیشتری خارج کند و به ارتفاع بالاتری برساند، هد آن بیشتر است. همچنین، عواملی مانند ارتفاع سطح آب درون مخزن ورودی پمپ نیز می‌توانند بر میزان هد تأثیر بگذارند.هرچه ارتفاع سطح آب درون مخزن بیشتر باشد، به دلیل مکش بین پمپ و مخزن، سیال به ارتفاع بالاتری درون یک لوله عمودی صعود خواهد کرد که این امر مستقیماً به هد بیشتر پمپ اشاره دارد.
محاسبه هد پمپ بدون اطلاع از سطح آب مخزن
حال این پرسش پیش می‌آید که تولیدکنندگان پمپ‌ها، با توجه به عدم اطلاع از سطح آب درون مخازن مختلفی که مشتریان استفاده می‌کنند، چگونه عددی برای هد پمپ تعیین می‌کنند؟این سؤال نشان می‌دهد که چرا معمولاً هد یک پمپ به‌صورت دقیق در مشخصات فنی آن ذکر نمی‌شود.
تولیدکنندگان نمی‌توانند دقیقاً پیش‌بینی کنند که سطح آب در مخزن مشتری چقدر است. بنابراین، به‌جای درج هد دقیق پمپ، آن‌ها مشخصاتی مانند هد کل (Total Head) را ارائه می‌دهند. به معنای حداکثر اختلاف ارتفاع بین سطح مخزن و ارتفاعی است که پمپ توانسته ایجاد کند.
این ویژگی، یعنی هد کل، مستقل از سطح مایع درون مخزن‌های مختلف است، و به همین دلیل تولیدکنندگان می‌توانند آن را به‌عنوان یک مشخصه ثابت در کنار سایر اطلاعات فنی پمپ درج کنند.
به‌عنوان یک رابطه ریاضی، هد کل به صورت زیر تعریف می‌شود:
Hs – Hd = H t
در این رابطه:
-Ht نشان‌دهنده هد کل است.
-Hd هد تخلیه یا هد در لوله عمودی است.
-Hs هد مخزن یا هد مکش است.
این رابطه در هر شرایطی، چه زمانی که سطح آب در مخزن بالاتر از پمپ باشد (هد مخزن مثبت) و چه زمانی که سطح آب پایین‌تر از پمپ باشد (هد مخزن منفی)، معتبر است.
نمودار و ارتباط هد، دبی، و توان پمپ
گاهی برخی از مشتریان به دلیل ناآشنایی با مفاهیم مکانیکی پمپ، هد را با فشار پمپ اشتباه می‌گیرند. در واقع، بین این دو مشخصه فیزیکی رابطه‌ای ریاضی وجود دارد که وزن مخصوص سیال نیز در آن دخیل است. بنابراین، این رابطه به طور کامل به نوع سیال و ویژگی‌های آن بستگی دارد.
اما تفاوت اصلی بین فشار و هد پمپ چیست؟
هد پمپ به ارتفاعی اشاره دارد که پمپ می‌تواند سیال را به آن برساند تا بر جاذبه غلبه کند. این پارامتر معمولاً بر حسب متر ستون مایع (m.l.c.) یا به سادگی بر حسب متر بیان می‌شود. هد به نوع سیال وابسته نیست، به این معنی که پمپ می‌تواند انواع سیالات مختلف را تا یک ارتفاع معین بالا ببرد، بدون توجه به وزن یا ویژگی‌های دیگر سیال.در مقابل، فشار کاملاً به نوع و مشخصات سیال بستگی دارد. چگالی سیال نقش بسیار مهمی در تعیین فشار دارد، و این بزرگ‌ترین تفاوت بین هد و فشار در پمپ‌ها است.
در نمودار زیر مشاهده می‌کنید که سه نوع سیال متفاوت، با وجود داشتن هد مساوی ۳۵ متر، فشارهای متفاوتی دارند (برحسب بار). همچنین، مقدار S.G. نشان‌دهنده گرانش مایع مورد استفاده در هر پمپ است که برای آب برابر با ۱ در نظر گرفته می‌شود
تفاوت فشار و هد پمپ
همان‌طور که در بخش قبلی توضیح دادیم، هد پمپ به ارتفاعی اشاره دارد که پمپ می‌تواند سیال را به آن ارتفاع برساند تا بر جاذبه غلبه کند. این پارامتر معمولاً بر حسب متر ستون مایع (m.l.c.) یا به‌طور ساده بر حسب متر بیان می‌شود. هد پمپ مستقل از نوع سیال است، به این معنا که پمپ می‌تواند انواع سیالات مختلف را بدون توجه به وزن یا ویژگی‌های دیگر آن‌ها تا یک ارتفاع معین بالا ببرد.
در مقابل، فشار پمپ کاملاً به نوع و مشخصات سیال وابسته است. چگالی سیال نقش بسیار مهمی در تعیین فشار دارد، و این تفاوت اصلی بین هد و فشار در پمپ‌ها است.به‌عنوان مثال، در شکل زیر می‌بینیم که سه نوع سیال مختلف با هد ۳۵ متری برابر، فشارهای متفاوتی (بر حسب بار) دارند. مقدار S.G. نیز نشان‌دهنده گرانش مایع استفاده شده در هر پمپ است که برای آب برابر با ۱ در نظر گرفته می‌شود.
نکته دیگری که باید به آن توجه کرد این است که هد در پمپ‌ها به‌صورت مستقیم اندازه‌گیری نمی‌شود؛ در حالی که فشار به‌راحتی توسط مانومترهای مختلف نصب‌شده بر روی پمپ مکش و خط تغذیه خروجی قابل اندازه‌گیری است.
رابطه هد و دبی پمپ
در حداکثر مقدار هد یک پمپ، دبی به صفر می‌رسد. در این حالت، پمپ تمام انرژی خود را برای رساندن سیال به بالاترین ارتفاع ممکن صرف می‌کند، و چون ارتفاع دیگر تغییر نمی‌کند، جریان سیال متوقف می‌شود. در این شرایط، اختلاف فشاری که باعث حرکت جریان شود، وجود نخواهد داشت.
از سوی دیگر، وقتی هد پمپ صفر باشد، سیال با بیشترین سرعت از پمپ عبور می‌کند و دبی به حداکثر مقدار خود نزدیک می‌شود. این امر به این دلیل است که پمپ نیازی به صرف انرژی برای بلند کردن سیال و غلبه بر جاذبه ندارد، و تمام توان خود را به افزایش اختلاف فشار و سرعت سیال اختصاص می‌دهد. بنابراین، رابطه میان دبی و هد پمپ یک رابطه کاملاً معکوس است؛ با افزایش یکی، دیگری کاهش می‌یابد.
رابطه توان با دبی و هد پمپ
اختلاف فشار بین نقاط ورودی و خروجی یک سیستم، یکی از عوامل اصلی در تعیین توان پمپ است، زیرا هدف اصلی از استفاده از پمپ، افزایش جریان سیال و کنترل سرعت آن است.
توان پمپ با استفاده از رابطه زیر محاسبه می‌شود:
Q × (P۱ ×P۲)=PW
در این رابطه:
-P۱ فشار در قسمت مکش (مخزن)
-P۲ فشار در خط تخلیه و تغذیه
– واحد فشار بر حسب نیوتون بر متر مربع (N/m²) یا psi است.
-Q دبی پمپ است که بر حسب متر مکعب بر ثانیه (m³/s) بیان می‌شود.
نمودار توان بر حسب دبی، به وضوح نشان‌دهنده رابطه میان این دو است.
همچنین، رابطه دیگری وجود دارد که ارتباط بین هد، دبی و توان را با بازدهی پمپ‌ها نشان می‌دهد:
( PW/3690 ) = Q x H
در این رابطه:
– H هد پمپ
– Q دبی پمپ
بازدهی پمپ نیز به صورت زیر محاسبه می‌شود:
۱۰۰% x (pw/ps) = η
به‌طور کلی و از نظر تئوریک، هد و دبی پمپ هر دو رابطه مستقیمی با بازدهی پمپ دارند. این موضوع از نظر تجربی نیز صحیح است؛ زیرا پمپی با توان بالاتر می‌تواند سیال را به ارتفاعات بالاتر برساند و یا آن را با سرعت و فشار بیشتری منتقل کند. نمودار ارتباط دبی با بازدهی نیز نشان می‌دهد که هرچه دبی افزایش یابد، بازدهی و توان پمپ نیز افزایش می‌یابد. این رابطه برای هد نیز به صورت مشابهی برقرار است.
فرمول‌های محاسبه هد پمپ
راندمان پمپ، هد و دبی آن اهمیت زیادی در مصرف انرژی و انتخاب پمپ مناسب دارند. در این بخش، اصول اولیه و معادلات اصلی مربوط به محاسبه هد و دبی پمپ‌ها را بررسی می‌کنیم.
برای محاسبه هد کل یک پمپ، از معادله زیر استفاده می‌شود:
(V ۱H- V۲ H) + (H۱ -H ۲) + ( Z۱-Z ۲) – H
در این معادله:
– H هد کل در دبی مشخص
– Z ارتفاع در ورودی و خروجی
– h هد فشار در نقاط ورود و خروج
– HVهد سرعت در نقاط ورود و خروج
هد سرعت را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:
( v۲ /g۲) = hv
در این فرمول:
– Vسرعت نقطه‌ای در ورود یا خروج
– G شتاب گرانش زمین که معمولاً برابر با ۹.۸ یا ۱۰ متر بر مجذور ثانیه است
برای محاسبه هد و جایگزینی در فرمول کلی، از معادلات زیر می‌توان استفاده کرد:
H = (p/ρg)
(Px2 . 31/S ) = H
در این معادلات:
– P چگالی مایع
– P فشار نقطه‌ای
– s وزن ویژه سیال
با استفاده از این معادلات، می‌توان به‌راحتی محاسبات استاندارد هد پمپ را به‌صورت تئوریک و روی کاغذ انجام داد
