۱. فشار و هد پمپ یعنی چه؟
فشار در سیستم هیدرولیک همان نیرویی است که آب را مجبور میکند در لولهها حرکت کند و از مبدلها، کندانسور و برج خنککننده عبور کند. واحد رایج فشار در تأسیسات bar است. برای اینکه فشار را به «ارتفاع ستون آب» تبدیل کنیم، از تقریب معروف استفاده میشود:
یک bar تقریباً معادل ده متر ستون آب (۱۰ mH₂O) است.
هد پمپ در واقع همین ارتفاع معادل است؛ یعنی اگر پمپی هد ۲۰ متر داشته باشد، انگار میتواند آب را در یک لوله فرضی صاف و بدون اصطکاک تا ارتفاع ۲۰ متر بالا ببرد. در عمل، این هد صرف دو کار میشود:
بخشی از هد صرف غلبه بر اختلاف ارتفاع واقعی بین نقاط مختلف سیستم میشود، و بخش دیگر صرف غلبه بر افت فشار اصطکاکی در لولهها، اتصالات، فیلترها، شیرآلات و تجهیزات میگردد. مجموع این دو برابر هد کل مورد نیاز پمپ است.
۲. وقتی پمپ خاموش است؛ تعادل هیدرواستاتیک
اول وضعیت سادهتر را در نظر بگیریم؛ زمانی که پمپ خاموش است و سیستم پر از آب راکد است.
در یک مدار متداول برج خنککننده و چیلر:
- حوضچهی برج در بالاترین سطح قرار دارد.
- لولهی مکش از زیر حوضچه تا پمپ پایین میآید.
- لولهی دهش پمپ، آب را از کندانسور عبور داده و دوباره به حوضچه برمیگرداند.
در این حالت، چون جریان وجود ندارد، افت فشار اصطکاکی تقریباً صفر است. فشار در هر نقطهای از سیستم فقط به ارتفاع آن نقطه نسبت به سطح آب و فشار جو بستگی دارد. اگر دو فشارسنج را دقیقاً در یک ارتفاع نصب کنیم، هر دو عدد یکسانی نشان میدهند، چون ستون آب در همه جا در تعادل است.
به همین دلیل است که وقتی پمپ خاموش است و سطح آب در برج و لولهها ثابت شده، خواندن فشارسنجها برای محاسبه هد پمپ معنی ندارد؛ چون هنوز پمپ فشاری ایجاد نکرده و فقط فشار هیدرواستاتیک و فشار جو را میبینیم.
۳. وقتی پمپ روشن میشود؛ ایجاد اختلاف فشار و جریان
به محض اینکه پمپ روشن میشود، تعادل قبلی به هم میخورد. پروانه پمپ، آب را از سمت مکش میگیرد و با انرژی بیشتری از سمت دهش بیرون میفرستد. نتیجهی این کار، ایجاد دو ناحیه با فشار متفاوت است:
در سمت مکش، فشار از حالت استاتیک کمی پایینتر میآید، زیرا پمپ در حال مکیدن آب است.
در سمت دهش، فشار بالاتر میرود، چون پمپ به آب انرژی داده و آن را به جلو هل میدهد.
اگر روی لولهی مکش یک فشارسنج و روی لولهی دهش نیز فشارسنج دیگری نصب شده باشد، اختلاف خوانده شدهی آنها (بعد از اصلاح اختلاف ارتفاع) نشان میدهد که پمپ چه مقدار اختلاف فشار ایجاد کرده است. وقتی این اختلاف فشار را به متر ستون آب تبدیل کنیم، به هد کل پمپ میرسیم.
۴. نقش اختلاف ارتفاع در خواندن فشارسنجها
یکی از رایجترین اشتباهات در پروژهها این است که اختلاف قرائت دو فشارسنج، بدون توجه به اختلاف ارتفاع نصب آنها، مستقیماً به عنوان «هد پمپ» در نظر گرفته میشود. این کار میتواند باعث انتخاب اشتباه پمپ و تفسیر غلط از رفتار سیستم شود.
فرض کنید فشارسنج B روی لولهی مکش نزدیک پمپ و فشارسنج C روی لولهی دهش در ارتفاعی حدود یک متر بالاتر نصب شده باشد. اگر B عدد ۰٫۳ bar و C عدد ۱٫۴ bar را نشان دهد، اختلاف خام آنها ۱٫۱ bar است. اما چون C یک متر بالاتر نصب شده، بخشی از این اختلاف بهخاطر اختلاف ارتفاع است، نه عملکرد پمپ.
هر یک متر اختلاف ارتفاع تقریباً معادل ۰٫۱ bar اختلاف فشار است. پس در محاسبهی دقیق باید ابتدا سهم اختلاف ارتفاع را کم کنیم و آنچه باقی میماند، هد واقعی تولید شده توسط پمپ است. در طراحی سیستمهای هیدرولیک، مخصوصاً مدار چیلر و برج خنککننده، دقت به همین جزئیات است که بین یک طراحی استاندارد و یک سیستم پر مشکل تفاوت ایجاد میکند.
۵. افت فشار در لولهکشی، کندانسور و برج خنککننده
حال فرض کنیم پمپ با دبی طراحی مثلاً ۳۰ مترمکعب در ساعت کار میکند. آب از برج خنککننده وارد خط مکش میشود، سپس پمپ آن را به کندانسور میفرستد و دوباره به برج برمیگرداند. در این مسیر، آب با مقاومتهای مختلفی روبهرو میشود:
اصطکاک در جدارهی داخلی لولهها، عبور از زانوها، سهراهیها و شیرآلات، عبور از فیلترها یا strainers، مقاومت حرارتی و هیدرولیکی کندانسور، و در نهایت عبور از نازلهای برج خنککننده.
برای سادهسازی، بسیاری از طراحان افت فشار لولهکشی را بر حسب میلیمتر ستون آب در هر متر طول لوله بیان میکنند؛ مثلاً ۱۵ mmH₂O به ازای هر متر. اگر طول مؤثر لولهها و اتصالات حدود ۶۰ متر باشد، افت فشار اصطکاکی مجموع، چیزی در حدود ۰٫۹ متر ستون آب خواهد شد. به همین روش، افت فشار کندانسور، برج و سایر تجهیزات نیز از کاتالوگ سازنده یا تجربههای مشابه گرفته میشود و مجموع همهی آنها به عنوان «افت فشار کل سیستم» وارد محاسبه هد پمپ میشود.
تفاوت مدار باز برج خنککننده و مدار بسته (درایکولر)
نقطهی مهم بعدی در مباحث طراحی هد پمپ، تفاوت مدار باز و مدار بسته است. در مدار باز برج خنککننده، سطح آب در حوضچه با فشار جو در ارتباط است و آب پس از عبور از کندانسور دوباره روی پکینگها پاشیده میشود. در چنین سیستمی، معمولاً سطح برج نسبت به پمپ بالاتر است، اما چون مدار رفت و برگشت تشکیل یک حلقهی بسته میدهد، وزن ستون آب رفت و وزن ستون آب برگشتی یکدیگر را تا حد زیادی خنثی میکنند.
در نتیجه، هد پمپ عمدتاً صرف غلبه بر افت فشار لولهکشی و تجهیزات میشود و اختلاف ارتفاع برج به شکلی که در پمپهای انتقال آب چاه به پشتبام میبینیم، مستقیماً به هد اضافه نمیشود. به همین دلیل است که در مثالهای حرفهای طراحی تاسیسات، هد پمپ در مدار چیلر و برج خنککننده معمولاً در حدود چند متر تا ده–پانزده متر است، نه چند ده متر.
در مقابل، در سیستمهای مدار بسته مانند درایکولر یا برج خنککننده مدار بسته، آب داخل کویل یا مدار بسته گردش میکند و با هوا از طریق سطح کویل تبادل حرارت دارد. در این حالت نیز اختلاف ارتفاع کل بین پایینترین و بالاترین نقطهی مدار، به خودی خود عامل تعیینکنندهای برای هد پمپ نیست؛ باز هم افت فشار در مسیر، کویل، لولهها و اتصالات است که هد مورد نیاز را مشخص میکند. مگر اینکه نقطهی تحویل نهایی آب در ارتفاع دیگری باشد و آب در آنجا تخلیه شود، که در آن صورت آن اختلاف ارتفاع به هد اضافه میشود.
۷. جمعبندی محاسبه هد کل پمپ در یک مثال ساده
برای روشن شدن موضوع، یک مثال عددی ساده (مستقل از کتاب) در نظر بگیریم. فرض کنید در مدار برج خنککننده و کندانسور چیلر، این مقادیر به دست آمده است:
افت فشار در لولهکشی و اتصالات: معادل ۲ متر ستون آب
افت فشار در کندانسور: معادل ۳ متر ستون آب
افت فشار در نازلها و مسیر داخلی برج: معادل ۱ متر ستون آب
در این صورت افت فشار کل سیستم برابر با ۶ متر ستون آب است. حالا اگر اختلاف ارتفاع مؤثر بین سطح آب در حوضچه برج و محور پمپ حدود ۲ متر باشد (در مداری که تاثیرش حذف نشده است)، هد کل مورد نیاز پمپ حدود ۸ متر ستون آب خواهد بود. پمپ منتخب باید در دبی طراحی بتواند حداقل این مقدار هد را تامین کند؛ ترجیحاً با کمی حاشیهی اطمینان.
۸. نکات کاربردی برای طراحی و عیبیابی
برای اینکه این مفاهیم در عمل قابل استفاده باشند، چند توصیهی اجرایی را هم مرور کنیم.
در مرحلهی طراحی، بهتر است محل نصب فشارسنجها از ابتدا روی نقشه مشخص شود؛ بهطوری که دو فشارسنجی که قرار است اختلاف آنها به عنوان هد پمپ خوانده شود، در یک ارتفاع یا با اختلاف ارتفاع شناختهشده نصب شوند. این کار هم خواندن روی سایت را ساده میکند و هم در زمان راهاندازی، امکان تطبیق نتایج محاسبات و عملکرد واقعی پمپ را فراهم میکند.
در زمان بهرهبرداری، اگر اپراتور متوجه کاهش دبی یا افت عملکرد چیلر شود، اولین سرنخها از فشارسنجهای مدار به دست میآید. افزایش بیش از حد اختلاف فشار بین مکش و دهش میتواند نشانهی گرفتگی فیلتر، اضافه شدن رسوب در کندانسور یا بسته بودن بخشی از مسیر باشد. برعکس، افت ناگهانی فشار دهش پمپ میتواند نشانهی هواگرفتگی مدار، خرابی پروانه یا چرخش معکوس پمپ باشد. در تمام این تحلیلها، درک تفاوت بین فشار استاتیک، افت فشار و هد پمپ، اهمیت حیاتی دارد.
