【配管抵抗曲線】渦巻ポンプ等の性能曲線の解釈

ポンプ化学工学

NEONEEETです。

ポンプの性能曲線って何となくわかります。

物理的なイメージができていますか?

この記事は、化学工場の機電系設計者・プラントエンジニアを対象にしています。

この記事を読むと、渦巻ポンプ等の性能曲線について知ることができます。

圧損計算式は流量と圧力の関係式

唐突ですが、圧力損失は流量と圧力の関係で決まります。

詳細は以下の記事どおり。

圧力損失の計算式をもう一度記載しましょう。

$$ΔP=4f\frac{1}{2}ρv^2\frac{L}{D}$$

ここでポンプの圧力損失を議論するとき、以下の値が固定化されます。

$$f,ρ,L,D$$

fは配管の摩擦抵抗であり、配管材質や施工法が決まると自動的に決まります。

ポンプの設計をするときには、配管の仕様は決まっているので、fを変えるという思想は普通はありません。

Lは配管長さ、Dは配管口径であり、ポンプ設計段階で決まるものです。

LもDも設計要素の自由度は低いです。

送り先が決まるとLはほぼ決まります。

送液量が決まるとQもほぼ決まります。

内容物は自由度はありません。

これらの値が決まってしまうと

$$ΔP∝Q^2$$

という圧力損失が流量に比例(流量の2乗に比例)という関係が得られます。

圧損曲線と性能曲線の関係

圧力損失曲線と性能曲線の関係を見ていきましょう。

圧力損失曲線と性能曲線の交点が運転点

配管の仕様が確定してプロセスの仕様が決まると、ある1つの圧力損し曲線が得られます。

これに対して、ある1つのポンプの性能曲線を並べてみましょう。

性能曲線

これは既定の配管に対して、新たなポンプを設計するときに、流量がどれくらい確保できるか。

というようなケースとしてよくある例です。

この2つの曲線の交点が運転点です。

配管の形が決まっているところに、流量を上げようとするほど必要なエネrぐぎーが高くなるのを示すのが配管圧損曲線。

1つのポンプで流量を上げるほど、揚液できる高さが変わる子を示すのが、ポンプ性能曲線。

配管とポンプの条件がマッチするところ

それが運転点です。めぐり逢いです。

nあお、H1は配管形状の最も高い位置にある点です。

配管圧損=配管高さ+配管摩擦損失

でほぼ決まります。

バルブを絞ると運転点が分かる

配管形状とポンプの能力から、ポンプの運転点が分かります。

でも、現場では「バルブを絞ると流量が落ちる」という現象を見かけます。

というより、家庭の水道でも同じですよね^^

これも性能曲線で議論可能です。

結論として、バルブを絞ると以下の図のようになります。

運転店の変化

配管圧損曲線の角度が急になり、ポンプ性能曲線との交点が左にズレます。

左にズレるということは、流量が下がり揚程が上がるということ。

ホースの水を遠くに飛ばそうとするときに、先端を指で細くすると良いですよね。

あれも、バルブを絞るのと同じことが起こっています。

抵抗が増えて流量が少なくなっているけど、ポンプの能力は同じなので揚程が上がる。

こういう関係性があります。

バルブを絞るのは、毎管摩擦損失計算上は配管長さLを変える操作になります。

バルブ抵抗を直管相当長ととらえて議論しているためですね。

質量流量一定に騙されない

大学で流体力学を学んだ人の中には、質量流量一定の法則の罠にはまる人もいます。

$$ρAv=一定$$

Aが小さくなるとvが上がる。

絞りを入れても、質量流量は変わらないはずだ。

こう考えてしまいがち。

これはQが固定されているという前提があって初めて成立します。

送液能力が変わることを前提としていない学問的な話。

現実には供給能力や圧力損失の問題があります。注意ですよ!

最後に

圧力損失曲線とポンプ性能曲線の関係を見ました。

圧力損失計算とポンプ性能曲線を合わせることで、ポンプ運転点が分かります。

バルブを絞ると流量が下がることも、曲線上で理解できます。

この記事が記事が皆さんのお役に立てれば嬉しいです。

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