مروری ساده بر مفهوم هد و فشار در پمپ ها

این مقاله، خاطرات یک مهندس متخصص در حوزه پمپ است که به اواسط دهه 1960 برمیگردد. این مهندس که در شروع دوران فعالیت حرفه ای خود در انگلستان فعالیت داشت، در خاطرات خود، چنین می نویسد:

در اواسط دهه 1960 میلادی بعنوان یک مهندس تازه کار در کارخانه ای در بیرمنگام مشغول به کار شده بودم. در یکی از روزهای کاری، یکی از پمپ های آب کارخانه دچار مشکل شد و مدیر از من خواست تا به شهر رفته و با مشخصات داده شده در برگه سفارش کالا، پمپ جایگرین را تهیه کنم تا بجای پمپ معیوب نصب و مشکلات برطرف شود. او به من گفت که یک پمپ 30 psi در 400 gpm خریداری کن. این مشخصات دقیقاً در برگه سفارش نیز آمده بود.

وقتی به مرکز فروش این پمپ ها در شهر رسیدم، وارد مغازه ای شدم و درخواست خود را برای خرید پمپ، نشان دادم. بعد از مدتی، فروشنده با یک پمپ سمت من آمد و گفت: "بفرمائید. این پمپ مد نظر شما که دارای هد 70 فوت در 400 gpm است. آیا کوپلینگ و موتور آن را هم میخواهید یا خیر؟". پاسخ من به فروشنده این بود که: "خیر. من یک پمپ 30 psi میخواهم و نه 70 فوت!". این چیزی بود که بطور واضح در سفارش خرید آمده بود و من نمیخواستم خریدمن کوچکترین مغایرتی با آن داشته باشد. در نهایت با آن فروشنده به توافق نرسیدم و سراغ سایر مغازه ها رفتم. در سایر فروشگاه ها هم به همین مشکل مشابه برخورد کردم!

واقعیت این است که تنها من نبودم که دچار این اشتباه ساده میشدم. برای سایر همکارانم هم امکان این اتفاق وجود داشت. ما استفاده کنندگان پمپ، "فشار" برایمان مهم بود، در صورتیکه سازندگان پمپ، "هد" پمپ بر حسب متر یا فوت را مطرح می کردند. اما در واقع، این دو واحد، یکسان بوده و تنها یک مفهوم را از دو نقطه نظر مختلف بیان می کنند.

تاریخچه پیدایش مفهوم "هد" و "فشار"

در یونان باستان در حدود 2600 سال پیش، آب شهر توسط قناتهایی که از آب های جاری کوهستان ها تغذیه میشدند، تأمین میشد. لوله های سفالی زیرزمینی با استفاده از نیروی جاذبه و به روش ثقلی، آب را به نقاط مختلف مصرف در خانه ها هدایت می کردند. به همین دلیل بود که مفهوم فشار در آن موقع، نیرویی (بر واحد سطح) تلقی میشد که بتواند حجم و یا وزن مشخصی از آب را از ارتفاع پایینتر به ارتفاع بالاتر منتقل کند.

در یونان و حدود 2200 سال پیش، ارشمیدس اولین پمپ جریان ثابت را اختراع نمود. این پمپ، قادر بود تا آب را از یک رودخانه به ارتفاع بالاتر برای آبیاری مزارع کشاورزی منتقل کند همچنین از این پمپ برای بالا آوردن آب چاه برای استفاده مردم نیز استفاده شد.

با توجه به این سابقه است که پمپ های اولیه با میزان نیرو بر سطح مورد نیاز برای غلبه بر جاذبه زمین، شکل گرفته و مورد استفاده قرار گرفتند. به همین دلیل، مفهوم "هد" (Head) بجای مفهوم "فشار" (Pressure) جا افتاد.

در سال 1643 میلادی، دانشمند فرانسوی، پاسکال، دریافت که هوا نیز مانند آب وزن دارد و در تمام جهات (نه تنها به سمت پایین) به اطراف خود نیرو وارد می کند. با این فهم جدید، وی مفهوم "فشار" را در علم فیزیک تعریف و توسعه داد. او فشار را میزان نیروی وارد شده بر سطح تعریف نمود.

یک فرمول ساده و کاربردی

حتی امروزه نیز کماکان بسیاری از سازندگان پمپ، از فشاری که پمپ به مایع برای غلبه بر جاذبه وارد می کند، برای معرفی پمپ خود استفاده می کنند. در صورتیکه وقتی سایر استفاده ها را از پمپ می کنیم، به عنوان مثال غلبه بر فشار داخلی یک مخزن تحت فشار، اینجا مفهوم "فشار"، بیشتر خودش را نشان می دهد.

به عبارتی ساده تر، یک ضریب ثابت ریاضی 2/31 ، واحد انرژی مورد نیاز برای غلبه بر جاذبه را به واحد نیرو بر واحد سطح در جهات دیگر تبدیل می کند. این ضریب ثابت، هر فوت به عنوان هد پمپ آب را به فشار بر حسب psi تبدیل می کند. یعنی، هد پمپ بر حسب فوت تقسیم بر 2/31 برابر فشار پمپ آب بر حسب psi می شود. یا به عبارتی دیگر، فشار پمپ بر حسب psi ضربدر 2/31 برابر می شود با هد پمپ بر حسب فوت. البته باید توجه داشت که ضریب اشاره شده تنها برای "آب" درست است. اگر مایع مورد استفاده، مایعی غیر از آب باشد، وزن مخصوص مایع هم باید اثر خود را در این ضریب وارد کند.

این روش بالا بسادگی نشان می دهد که فروشنده، پمپ درستی را به من معرفی کرده بود. من یک پمپ با فشار 30 psi می خواستم. اگر ضریب 2/31 را در این عدد ضرب کنیم، به هد 70 فوت میرسیم که همان هد معرفی شده توسط فروشنده بوده است.

اختلاف فشار

در اینجا لازمست تا به نکته ای توجه شود. پمپ ها باعث ایجاد "اختلاف فشار" یا "اختلاف هد" می شوند. این بدان معناست که پمپ، فشار ورودی (Suction Pressure) را دریافت کرده و با افزایش فشار آن (Design Pressure)، فشار خروجی (Discharge Pressure) را تحویل می دهد. به عبارتی دیگر، فشار خروجی برابر فشار ورودی به علاوه فشار طراحی پمپ خواهد بود. فشار خروجی پمپ می بایست معادل کل هد دینامیکی سیستم (شامل ارتفاع مخزن و افت در مسیر لوله کشی، اتصالات، فلنجها، شیرآلات و غیره) باشد.

با توجه به موضوع گفته شده، شما برای کنترل عملکرد پمپ نیاز دارید تا یک فشار سنج در ورودی پمپ و یک فشار سنج دیگر در خروجی پمپ قرار داده باشید. چون این "اختلاف فشار" است که برای شما مهم بوده و سلامتی عملکرد پمپ را نشان می دهد.

از من به عنوان یک متخصص پمپ، بارها خواسته شده تا به بررسی مشکل یک پمپ بپردازم. در زمان مراجعه، مشاهده کردم که پمپ مد نظر، تنها دارای یک گیج فشار و آن هم در خروجی پمپ است. این وسیله به تنهایی نمی تواند به شما مشکل پمپ را نشان دهد. کنترل عملکرد یک پمپ بدون دو گیج فشار قبل و بعد از پمپ، مانند رانندگی ماشین بدون نشانگر های جلوی راننده است. گیج فشار تنها روی خروجی پمپ، به درد ما نمیخورد. زیرا همانطور که بارها گفته شد، این "اختلاف فشار" است که برای مهم است و نه تنها فشار خروجی.

 نکته ای که در انتها لازمست به آن اشاره شود، این است که وقتی شما به عنوان مثال می خواهید یک پمپ با هد 50 فوت و دبی 600 gpm  خریداری کنید، باید بتوانید بالاترین راندمان پمپ را با این مشخصات انتخاب کنید. این کار با مطالعه منحنی مشخصه عملکرد پمپ امکانپذیر است. در این منحنی ها، مناطقی مشخص شده که در آنها، پمپ دارای بهترین راندمان عملکردی خود است. در نقاط با راندمان بالا، شما بهترین ترکیب فشار و دبی جریان را برای عملکرد پمپ خود خواهید داشت. و از نظر مصرف انرژی هم در بهینه ترین نقطه خواهید بود.