راهنمای کامل معرفی و انتخاب پمپ آب خانگی

پمپ آب خانگی یکی از مهمترین و پرکاربردترین تجهیزاتی است که امروزه در سیستم های آبرسانی منازل مورد استفاده قرار می گیرد. در این مقاله بنا داریم تا مروری کامل بر انواع مختلف و محاسبات انتخاب یک پمپ آب خانگی داشته باشیم.

این مقاله شامل دو سرفصل اصلی زیر می باشد:

- انواع اصلی پمپ آب خانگی

- نحوه انتخاب پمپ آب خانگی

انواع پمپ آب خانگی

پمپ های آب خانگی انواع مختلفی دارند که پرکاربردترین آنها در قالب سه دسته اصلی قرار می گیرند:

- پمپ های سانتریفیوژ

- پمپ های جتی

- پمپ های محیطی

پمپ سانتریفیوژ (Centrifugal Pump)

پمپ های سانتریفیوژ یا اصطلاحاً "پمپ های بشقابی" به پمپ هایی اطلاق می شوند که با استفاده از نیروی گریز از مرکز باعث افزایش فشار آب یا سیال ورودی به آنها می شوند.  

پمپ های سانتریفیوژ یا گریز از مرکز، متداولترین نوع پمپ مورد استفاده در بیش از 95% مصارف خانگی و صنعتی می باشند. این پمپ ها از سادگی و هزینه پایینی در نگهداری، بهره برداری و تعمیرات برخوردار بوده و به همین دلیل بسیار مورد استقبال قرار گرفته اند.

در بخش داخلی پمپ های سانتریفیوژ، یک (یا چند) پروانه (Impeller) قرار دارد که تعدادی پره (Vane) منحنی شکل روی آنها قرار گرفته است. چرخش سریع پروانه و پره ها باعث اعمال نیروی گریز از مرکز به آب داخل پمپ و افزایش فشار آن در زمان خروج از پمپ می شود. مسیر جریان و نحوه عملکرد کلی پمپ های سانتریفیوژ را می توانید در شکل زیر ملاحظه کنید:

شکل شماره 1 – ساختار داخلی پمپ سانتریفیوژ

پروانه های پمپ های سانتریفیوژ بر اساس نوع استفاده و ساختار فیزیکی، به سه نوع اصلی تقسیم می شوند:

- پروانه بسته (Closed)

- پروانه نیمه باز (Semi Open)

- پروانه باز (Open)

پروانه های نوع بسته، از دو طرف توسط دو صفحه بسته شده و از راندمان بالاتری نسبت به سایر انواع پروانه ها برخوردار هستند. پروانه های نیمه باز و پروانه های باز بیشتر در پمپ های انتقال مایعات با ویسکوزیته بالا و یا دارای ذرات جامد معلق مورد استفاده قرار می گیرند.

شکل شماره 2 – انواع محتلف پروانه پمپ سانتریفیوژ

یکی از مهمترین موارد لازم برای عملکرد مناسب پمپ های سانتریفیوژ ، پر بودن داخل پمپ از آب است. وجود هوا در آب باعث افت عملکرد پمپ سانتریفیوژ شده و ممکن است مشکلات جدی برای آن بوجود بیاورد.

پمپ جتی (Jet Pump)

اساس کار پمپ جتی مانند پمپ سانتریفیوژ است با این تفاوت که این پمپ ها خاصیت خودمکشی (Self-priming) داشته و به دلیل داشتن این خاصیت، وجود مقداری هوا به همراه آب را تحمل کرده و باعث ایجاد مشکل در داخل آنها نمی شود.

وجود خاصیت خودمکشی در پمپ های جتی باعث می شود که این پمپ ها قادر باشند تا آب با ارتفاع کمی پایینتر از سطح پمپ را نیز مکش کنند.

از نظر عملکردی، دبی پمپ های جتی نسبت به پمپ های بشقابی کمتر، اما هد آنها در دبی های پایین، بیشتر است.

پمپ محیطی (Peripheral Pump)

پمپ محیطی (Peripheral Pump) از نظر ظاهر شبیه پمپ های سانتریفیوژ است با این تفاوت که این پمپ ها از نوع پمپ های توربینی بوده و ساختار داخلی آنها بگونه ای است که امکان افزایش فشار بالای آب در دبی های پایین را فراهم می نماید.

تفاوت اصلی پمپ های محیطی و پمپ های سانتریفیوژ به نوع پروانه های این پمپ ها برمی گردد. در دو طرف محیط پروانه پمپ های محیطی، تعداد زیادی پره (Vane) قرار گرفته است که در داخل یک کانال (Channel) در حال چرخش هستند (شکل شماره 3 و 4).

شکل شماره 3 – مقطع پمپ توربینی

شکل شماره 4 – ساختار پروانه پمپ توربینی

سیال ورودی به پمپ از دهانه مکش (Suction) وارد بخش پره های پروانه شده و همزمان با چرخش پره ها در کانال محیطی پمپ، سرعت سیال افزایش پیدا کرده و از دهانه دهش (Discharge) پمپ خارج می شود (شکل شماره 5).

شکل شماره 5 – افزایش فشار تدریجی سیال از دهانه مکش تا دهش پمپ

در پمپ های سانتریفیوژ، سیال بعد از وارد شدن به پمپ، تنها با یک بار عبور از شیارهای موجود روی پروانه از پمپ خارج می شود. اما در پمپ های محیطی، سیال بارها و به دفعات زیاد پیش از خروج از دهانه دهش بین پره های اطراف پروانه و کانال پمپ تحت فشار و چرخش مارپیچی سریع قرار گرفته و به تدریج ضمن حرکت رو به جلو، فشار آن نیز افزایش پیدا می کند (شکل شماره 4).

شکل شماره 6 – چرخش مارپیچی سیال حین عبور از کانال پمپ های محیطی

با توجه به ساختار و نحوه کار پمپ های محیطی، مهمترین ویژگی های این پمپ ها را می توان در موارد زیر خلاصه نمود:

- پمپ های محیطی برای فشارهای بالا و دبی کم مناسب هستند.

- منحنی عملکرد پمپ های محیطی بر خلاف پمپ های سانتریفیوژ، با کاهش دبی بصورت تخت در نیامده و شیب خطی خود را حفظ می کنند. لذا به فشار این پمپ ها در دبی صفر باید توجه داشت.

- پمپ های محیطی امکان انتقال گاز و یا هوا به همراه آب را تا حدی دارند. اما در پمپ های سانتریفیوژ این امکان وجود ندارد.

- مقدار ارتفاع مکش مثبت خالص (NPSH) مورد نیاز پمپ های محیطی کمتر از پمپ های سانتریفیوژ می باشد.

لذا با توجه به موارد ارائه شده، استفاده از پمپ های محیطی در دبی های کم و هد بالا نسبت به پمپ های سانتریفیوژ ارجحیت بیشتری دارد.

برای مقایسه سه نوع پمپ آب خانگی از نوع سانتریفیوژ، جتی و محیطی، می توانید منحنی عملکرد پمپ سانتریفیوژ Pentax سری CM، پمپ جتی Pentax سری CAM و پمپ محیطی Pentax سری PM در سایزهای نسبتاً مشابه را مشاهده کنید:

شکل شماره 7 – منحنی عملکرد پمپ سانتریفیوژ Pentax سری CM

شکل شماره 8 – منحنی عملکرد پمپ جتی Pentax سری CAM

شکل شماره 9 – منحنی عملکرد پمپ محیطی Pentax سری PM

برای مرور نحوه کار پمپ های سانتریفیوژ و پمپ های محیطی و تفاوتهای آنها با یکدیگر، می توانید کلیپ زیر را مشاهده کنید:

نحوه انتخاب پمپ آب خانگی

برای تعیین و انتخاب مناسب پمپ آب خانگی، مانند هر پمپ دیگر به دو شاخص هد (Head) و دبی (Flow) نیاز داریم.  بنابراین پیش از انتخاب نهایی پمپ، می بایست با استفاده از داده های مناسب، ابتدا مقدار "هد" و "دبی" حدودی پمپ را مشخص کنیم. در ادامه، به نحوه تعیین این دو پارامتر مهم خواهیم پرداخت.

محاسبه دبی پمپ آب خانگی

برای محاسبه تقریبی مقدار مصرف آب مورد نیاز یک واحد مسکونی، روش های مختلفی وجود دارد که یکی از دقیق ترین و کاملترین روش های آن، روش "واحد مصرف" (Fixture Unit) است. در این روش، مقدار مصرف آب در لوازم بهداشتی مختلف بر حسب واحدی به نام S.F.U با هم جمع شده و سپس به واحد گالن بر دقیقه (GPM) تبدیل می شود.

مرحله اول: محاسبه S.F.U کل لوازم بهداشتی منزل

در این مرحله، با دانستن تعداد نقاط مصرف و نوع آنها و استفاده از جدول شماره (1) می توان مجموع S.F.U مصرفی را محاسبه کرد.

جدول شماره 1 – مقدار S.F.U برای لوازم بهداشتی مختلف

البته به این نکته مهم می بایست توجه داشت که این مقدار S.F.U محاسبه شده، در واقع حداکثر مقدار آب مصرفی این لوازم را مشخص کرده و مجموع آنها نشاندهنده حداکثر مصرف بصورت همزمان است که با وقعیت فاصله دارد.   

مرحله دوم: تعیین دبی آب مورد نیاز

همانگونه که اشاره شد، مجموع S.F.U های لوازم بهداشتی، نشاندهنده حداکثر مقدار مصرف آب بصورت همزمان در کل لوازم بهداشتی است. برای آنکه شرایط واقعی تر برای محاسبه دبی مورد نیاز داشته باشیم، با داشتن S.F.U کل و مراجعه به جدول شماره (2)، دبی مصرفی کل واحد مسکونی بر حسب گالن بر دقیقه (GPM) و یا لیتر بر ثانیه (LPS) قابل تعیین خواهد بود.

جدول شماره 2 – تعیین مقدار جریان آب با استفاده از واحد S.F.U

برای تفهیم بهتر موضوع، یک مثال می زنیم. فرض کنید یک منزل ویلایی دو طبقه، دارای لوازم بهداشتی زیر است:

- توالت با فلاش تانک: دو عدد

- دستشویی: دو عدد

- دوش: دو عدد

- سینک آشپزخانه: یک عدد

- ماشین لباسشویی: یک عدد

مجموع S.F.U لوازم بهداشتی فوق با توجه به جدول شماره (1)، به روش زیر محاسبه می شود:

(2*2.2)+(2*0.7)+(2*1.4)+(1*1.4)+(1*1.4)=11.4

با استفاده از SFU بدست آمده و جدول شماره (2)، مقدار دبی کل واحد مسکونی حدود 15.5 گالن بر دقیقه (معادل حدود 3.5 متر مکعب بر ساعت) تخمین زده می شود که نشاندهنده دبی عملکرد پمپ آبرسانی خواهد بود.

محاسبه هد پمپ آب خانگی

برای محاسبه هد پمپ آب خانگی می بایست از فرمول زیر استفاده کرد:

H = H1 + H2 + H3

H: هد مورد نیاز پمپ

H1: افت اصطکاکی طول مسیر لوله کشی

H2: هد استاتیکی

H3: حداقل فشار پشت لوازم بهداشتی موجود در بالاترین طبقه

در خصوص روش محاسبه این پارامترها، نکات زیر می بایست مد نظر قرار گیرند:

- برای محاسبه افت اصطکاکی طول مسیر لوله کشی (H1) منحنی های دقیقی وجود دارند که می توان به آنها مراجعه نمود. اما برای سادگی و افزایش سرعت محاسبه، می توان از فرمول زیر برای تعیین H1 استفاده کرد:

H1=1.5 * L * 2.5/100

L: طول مسیر لوله کشی از پمپ تا دورترین نقطه مصرف (مجموع طول افقی و عمودی)

ضریب 1.5 در فرمول بالا بدلیل معادل سازی حدودی افت اصطکاکی اتصالات مسیر لوله کشی با 50% افت فشار کل لوله ها در مسیر است.

- هد استاتیکی (H2) برابر فاصله عمودی بین پمپ تا بالاترین نقطه مصرف آب است.

- حداقل فشار لازم برای لوازم بهداشتی در بالاترین طبقه (H3) را می توان از جدول شماره (3) استخراج کرد. اما بصورت تجربی و برای افزایش سرعت محاسبه می توان هد معادل 10 متر برای H3 در محاسبات در نظر گرفت.

جدول شماره 3 – حداقل مقدار فشار جریان آب در پشت شیرهای لوازم بهداشتی

برای درک بهتر موضوعات مطرح شده، مثالی را که برای به دست آوردن دبی پمپ مطرح کردیم، برای تعیین هد مورد نیاز پمپ ادامه می دهیم.

مفروضات:

- محل قرار گیری پمپ: زیرزمین

- ارتفاع سقف: 4 متر

- فاصله افقی پمپ تا آخرین لوازم بهداشتی: 40 متر

محاسبات:

- افت اصطکاکی طول مسیر لوله کشی (H1):

H1=1.5*40*2.5/100=1.5 m

- هد استاتیکی (H2)

H2=(2*4)+2=10 m

- حداقل فشار پشت لوازم بهداشتی موجود در بالاترین طبقه (H3)

H3= 10 m

- کل هد مورد نیاز پمپ (H)

H=H1+H2+H3=1.5+10+10=21.5 m

با توجه به محاسبات انجام شده، نیاز به پمپی با دبی 3.5 متر مکعب بر ساعت و هد حدود 21.5 متر مورد نیاز است. حالا این اعداد با منحنی های شماره (7)، (8) و (9) مقایسه می کنیم.

با دقت در این منحنی ها متوجه می شویم که:

- استفاده از پمپ محیطی با توجه به دبی تعیین شده، گزینه مناسبی نمی باشد.

- پمپ جتی با توان 1 اسب بخار (مدل Pentax – CAM100) یا پمپ بشقابی با توان 1 اسب بخار (مدل Pentax – CM100) می توانند گزینه مناسبی برای استفاده در سیستم آبرسانی این ویلا در نظر گرفته شوند.  

علیرغم اینکه مثال ارائه شده برای یک ویلای تک واحدی کوچک بررسی شده، اما با افزایش طبقات، واحدها، تعداد نفرات و حتی لوازم بهداشتی، روش ارائه شده برای محاسبه انتخاب پمپ آب تغییر نکرده و همین مراحل برای آنها نیز انجام می شود.

مراجع:

- مبحث شانزدهم مقررات ملی ساختمان – ویرایش سال 1396

- درسنامه طراحی و اجرای سیستم های آب و فاضلاب ساختمان – تألیف: مهندس رامین تابان

- پمپ و پمپاژ کاربردی – مؤلفین: مهندس علی فاضل، مهندس پیمان ابراهیمی ناغانی

- Pentax Water Pumps General Catalogue – Edition 2019

- www.pypto.com

- www.fueldump.co.uk

- www.pumpfundamentals.com

- www.pumpsonline.com

- ROTH Pump Company