رابطه دبی و افت فشار
در تمام سیستمهای آبی و هیدرولیک – از برج خنککننده و چیلر تا شبکه لولهکشی ساختمان – «افت فشار» یکی از مهمترین پارامترهایی است که طراح و مجری باید آن را بشناسد. اگر افت فشار کنترل نشود، پمپها مجبور میشوند با فشار بالاتر کار کنند، مصرف انرژی بالا میرود، صدا و لرزش ایجاد میشود و در نهایت عمر تجهیزات کم میشود.
در این مقاله به زبان ساده توضیح میدهیم که افت فشار چیست، چه عواملی روی آن اثر میگذارند و هنگام طراحی لولهکشی برج خنککننده و مدارهای آبی باید به چه نکاتی توجه کنیم.
افت فشار چیست؟
وقتی آب در یک لوله حرکت میکند، بخشی از انرژی فشاری خود را بهدلیل اصطکاک با دیوارهها و عبور از اتصالات مختلف از دست میدهد. این کاهش انرژی بهصورت افت ارتفاع ستون آب یا کاهش فشار روی فشارسنج دیده میشود؛ به این پدیده «افت فشار» میگوییم.
بهمحض اینکه شیر باز میشود و سیال به حرکت درمیآید، افت فشار شروع میشود و هرچه طول مسیر بیشتر و سرعت جریان بالاتر باشد، این افت فشار هم بیشتر خواهد شد.
نقش ارتفاع در افت فشار
فرض کنید یک مخزن آب در ارتفاع مشخصی قرار دارد و از کف آن لولهای به سمت پایین کشیده شده است. اگر شیر انتهای لوله بسته باشد، فشار در پایین لوله فقط بهخاطر ارتفاع آب است؛ مثلاً ارتفاع ۵ متر آب تقریباً معادل ۰٫۵ بار فشار است.
وقتی شیر باز میشود و آب شروع به حرکت میکند، بخشی از این فشار صرف غلبه بر اصطکاک لوله و اتصالات میشود و فشار در پایین لوله کمی کاهش پیدا میکند. بنابراین:
- اختلاف ارتفاع مخزن و مصرفکننده، «فشار استاتیک» را تعیین میکند؛
- حرکت آب در لوله، علاوه بر فشار استاتیک، یک «افت فشار اصطکاکی» هم به سیستم اضافه میکند.
در طراحی باید هر دو را در نظر گرفت؛ هم ارتفاع آب و هم افت فشار مسیر.
رابطه بین دبی، سرعت و افت فشار
دبی (حجم جریان بر حسب لیتر بر دقیقه یا مترمکعب بر ساعت) با سرعت جریان در داخل لوله ارتباط مستقیم دارد. هرچه دبی بیشتر شود، سرعت آب در لوله هم بالاتر میرود.
نکته مهم این است که افت فشار تقریباً با مربع سرعت جریان تغییر میکند. یعنی اگر سرعت دو برابر شود، افت فشار حدود چهار برابر میشود.
یک مثال ساده:
- در یک لوله، سرعت آب ۱ متر بر ثانیه است و افت فشار در طول مشخصی از لوله، معادل ۲ متر ستون آب (حدود ۰٫۲ بار) است.
- اگر دبی را طوری زیاد کنیم که سرعت به ۲ متر بر ثانیه برسد، افت فشار در همان طول لوله به حدود ۸ متر ستون آب (حدود ۰٫۸ بار) میرسد؛ یعنی چهار برابر.
نتیجه عملی: برای بالا بردن دبی، فقط نمیتوان به افزایش فشار پمپ تکیه کرد؛ چون خیلی سریع افت فشار آنقدر زیاد میشود که سیستم از نظر انرژی و صدا غیرقابل قبول خواهد شد.
تأثیر قطر و طول لوله بر افت فشار
سه عامل اصلی در افت فشار نقش دارند:
- طول لوله – هرچه طول بیشتر باشد، مساحت تماس آب با دیواره لوله بیشتر است و اصطکاک و افت فشار بالا میرود.
- قطر لوله – لوله باریکتر یعنی سطح مقطع کمتر؛ برای عبور همان دبی، سرعت بیشتر میشود و افت فشار بهطور شدیدی افزایش پیدا میکند.
- سرعت سیال – همانطور که گفتیم، افت فشار تقریباً با مربع سرعت تغییر میکند.
برای درک بهتر اثر قطر، فرض کنید دو لوله با قطر متفاوت داریم:
- لوله اول با قطر داخلی حدود ۱۵ میلیمتر
- لوله دوم با قطر داخلی حدود ۸۰ میلیمتر
سطح مقطع لوله دومی چندین برابر لوله اول است. بنابراین برای عبور یک دبی مساوی، سرعت آب در لوله ۸۰ میلیمتری بسیار کمتر از لوله ۱۵ میلیمتری خواهد بود و در نتیجه افت فشار هم بهمراتب کمتر است.
به همین دلیل در استانداردها برای قطرهای مختلف، سرعت مجاز توصیه شده وجود دارد؛ بهطور نمونه:
- برای لولههای با قطر حدود ۱۵ میلیمتر، سرعت حداکثر در حدود ۰٫۵ متر بر ثانیه در نظر گرفته میشود.
- برای لولههای با قطر حدود ۸۰ میلیمتر، میتوان سرعت را تا حدود ۱٫۲ متر بر ثانیه هم مجاز دانست.
با انتخاب صحیح قطر لوله میتوان دبی بیشتری را با افت فشار معقول و بدون ایجاد صدا و لرزش از لوله عبور داد.
رابطه دبی و فشار در برج خنککننده
در مدار برج خنککننده معمولاً باید حجم مشخصی از آب در هر دقیقه داخل تشتک برج جابهجا شود. فرض کنید:
- با یک لوله و یک شیر، دبی ۱۰ لیتر بر دقیقه با فشار ۲ بار تأمین میشود.
- حالا میخواهیم همان سیستم را مجبور کنیم ۲۰ لیتر بر دقیقه آب عبور دهد، بدون تغییر قطر لوله.
به دلیل رابطه مربعی بین سرعت و افت فشار، برای دو برابر شدن دبی لازم است فشار را تقریباً چهار برابر کنیم؛ یعنی فشار از ۲ بار به حدود ۸ بار میرسد. این فشار بالا چند مشکل ایجاد میکند:
- افزایش شدید افت فشار در مسیر
- صدای زیاد در داخل لولهکشی و شیرها
- استهلاک سریعتر پمپ و تجهیزات
راهحل منطقی بهجای بالا بردن افراطی فشار، تغییر شرایط هیدرولیکی سیستم است؛ مثلاً:
- افزایش قطر لوله تا بتوان همان ۲۰ لیتر بر دقیقه را با فشار حدود ۳ بار عبور داد؛
- یا اضافه کردن یک مسیر موازی (بایپس) تا بخشی از دبی از مسیر دوم عبور کند و سرعت در هر لوله کاهش یابد.
به این ترتیب، هم دبی موردنیاز تأمین میشود، هم افت فشار و صدا در یک محدوده قابل قبول باقی میماند.
پیامدهای افت فشار بالا
اگر در طراحی و اجرای لولهکشی به افت فشار توجه نشود، نتایج زیر را خواهیم داشت:
- تلفات انرژی زیاد و افزایش هزینه برق پمپها
- بالا رفتن نویز، سوت کشیدن و لرزش در لولهها و شیرها
- بالا رفتن دمای سیال در مسیر بهعلت اصطکاک و اتلاف انرژی
- کاهش عمر مفید پمپ، شیرآلات و اتصالات
- عملکرد نامطمئن برج خنککننده، چیلر و دیگر تجهیزات HVAC
به همین دلیل، انتخاب قطر مناسب لولهها، محدود کردن سرعت آب و محاسبه درست افت فشار، بخش جداییناپذیر از طراحی حرفهای سیستمهای هیدرولیک و تهویه مطبوع است.
جمعبندی
- افت فشار، نتیجه طبیعی حرکت آب در لوله و اصطکاک با دیوارههاست و با شروع جریان ایجاد میشود.
- این افت فشار به طول لوله، قطر لوله و سرعت جریان بستگی دارد و تقریباً با مربع سرعت تغییر میکند؛ دو برابر شدن سرعت میتواند چهار برابر شدن افت فشار را به دنبال داشته باشد.
- قطر بزرگتر لولهها اجازه میدهد با سرعت کمتر، دبی بیشتری جابهجا شود و در نتیجه افت فشار، صدا و استهلاک تجهیزات کاهش پیدا کند.
- در مدار برج خنککننده و سایر سیستمهای HVAC، برای افزایش دبی نباید فقط به بالا بردن فشار پمپ فکر کرد؛ بلکه معمولاً لازم است قطر لولهها یا تعداد مسیرها افزایش یابد.
