هد و دبی

این مطلب از خاطرات یک مهندس متخصص حوزه پمپ است که به اواسط دهه ۱۹۶۰ برمیگردد. این مهندس که در شروع دوران فعالیت حرفه ای خود در انگلستان فعالیت داشت، در خاطرات خود، چنین مینویسد: در اواسط دهه ۱۹۶۰ میلادی بعنوان یک مهندس تازه کار در کارخانه ای در بیرمنگام مشغول بکار 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 ۳۰ psi در ۴۰۰ gpm خریداری کن. این مشخصات دقیقا در برگه سفارش نیز آمده بود. هنگامیکه 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 ۷۰ فوت در ۴۰۰ gpm است. آیا کوپلینگ و موتور آنرا هم میخواهید یا خیر؟ پاسخ من به فروشنده این بود که: خیر. من یک پمپ ۳۰ psi میخواهم و نه ۷۰ فوت! این چیزی بود که بطور واضح در سفارش خرید آمده بود و من نمیخواستم خرید من 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 میکردند. اما در واقع، این دو واحد، یکسان بوده و تنها یک مفهوم را از دو نقطه نظر مختلف بیان میکنند.

پیدایش مفهوم هد و دبی

در یونان باستان در حدود ۲۶۰۰ 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 میکردند. 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 ۲۲۰۰ 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 ۱۶۴۳ 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 میکند. 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.

فرمول ساده و کاربردی

حتی امروزه نیز کماکان بسیاری از سازندگان پمپ، از فشاری که پمپ به مایع برای غلبه بر جاذبه وارد میکند، برای معرفی پمپ خود استفاده میکنند. درصورتیکه وقتی سایر استفاده ها را از پمپ میکنیم، بعنوان مثال غلبه بر فشار داخلی یک مخزن تحت فشار، اینجا مفهوم “فشار”، بیشتر خودش را نشان میدهد. بعبارتی ساده تر، یک ضریب ثابت ریاضی ۲/۳۱، واحد انرژی مورد نیاز برای غلبه بر جاذبه را به واحد نیرو بر واحد سطح در جهات دیگر تبدیل میکند. این ضریب ثابت، هر فوت بعنوان هد پمپ آب را به فشار بر حسب psi تبدیل میکند. یعنی، هد پمپ بر حسب فوت تقسیم بر ۲/۳۱ برابر فشار پمپ آب بر حسب psi میشود. یا بعبارتی دیگر، فشار پمپ بر حسب psi ضربدر ۲/۳۱ برابر میشود 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 بسادگی نشان میدهد که فروشنده، پمپ درستی را به من معرفی کرده بود. من یک پمپ با فشار ۳۰ psi میخواستم. اگر ضریب ۲/۳۱ را در این عدد ضرب کنیم، به هد ۷۰ فوت میرسیم که همان هد معرفی شده توسط فروشنده بوده است.

اختلاف فشار

دراینجا لازم است تا به نکته ای توجه شود. پمپ ها باعث ایجاد “اختلاف فشار” یا “اختلاف هد” میشوند. 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 میدهد. بعبارتی دیگر، فشار خروجی برابر فشار ورودی به علاوه فشار طراحی پمپ خواهد بود. فشار خروجی پمپ میبایست 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 میدهد. از من بعنوان 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 نمیتواند 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 ما مهم است و نه تنها فشار خروجی. نکته ای که در انتها لازمست به آن اشاره شود، این است که وقتی شما بعنوان مثال میخواهید یک پمپ با هد ۵۰ فوت و دبی ۶۰۰ 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.