【動力・効率】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。

モーター動力・軸動力・水動力

ポンプの動力周りのパラメータとしてモーター動力・軸動力・水動力の関係があります。

これらのパラメータは少し混乱するファクター。

整理しましょう。

モーター動力 → 軸動力 → 水動力

という流れがあります。

下の図を見てみましょう。

モーター動力はモーターに実際に入力される電力です。

軸動力はモーターの電力をモーターに変換して、機械的な力としてポンプ内の流体に加える力です。

水動力はこのうち、流体のエネルギーとして純粋に加わった力そのもの。

軸動力/モーター動力の値が高いほど、モーターでのエネルギー効率が良いという意味です。

水動力/軸動力の値が高いほど、ポンプの効率が高いtという意味です。

モーター動力・軸動力・水動力の大小関係を示すと、以下のとおりです。

水動力は物理的にきちんと定義されています。

水動力をPとおくと以下の関係があります。

$$ P=0.163ρQH $$

動力曲線と性能曲線の関係

動力曲線と性能曲線の関係を見てみましょう。

動力曲線図

ポンプの動力曲線として、軸動力と効率の曲線を性能曲線に重ねるケースが多いです。

下の図のとおりです。

水動力はQの3乗

軸動力と効率の前に、水動力を見てみましょう。

水動力はQの3乗に比例する、Qに反比例するという関係があります。

$$ H∝Q^2$$

$$ P∝QH=Q^3$$

水動力が流量の3乗に比例するという関係は、モーターのインバータに関する話題としてよく出てくるお話ですね。

軸動力はQの1乗?

軸動力はQの1乗に比例しているように見えます。

実際には2乗や3乗に近いのですが、性能曲線と重ねると1乗に見えてしまいます。

ここでは簡易的に1乗とみなします。

ポンプ性能曲線においてQが変わってもHの変化量が極めて小さいからです

$$H∝Q^2 → const.$$

という関係とみなすと

$$P∝Q$$

という関係になります。

軸動力はQ=0、つまり締切運転でも一定の値を取ります。

これはポンプ内の流体を締切圧力まで上昇させるために、一定のエネルギーが必要だからです、

効率はQの2乗?

ポンプ効率は2字曲線で一定の流量でピークを持っているように目います。

効率はQの2乗くらいで効いているように見えます。

効率 = 水動力/軸動力

という関係でありつつ、

水動力:Qの3乗、軸動力:Qの1乗であれば、

効率はQの2乗になるという計算です。

これが効率があるピークを持つという物理的な解釈です。

軸動力の欄でも記載しましたが、軸動力が完全にQの1乗でもなければ、3乗でもないので、正確な議論はできません。

ですが、傾向としては言えると思います。

効率についてはピークを持つ理由も解釈しましょう。

Q=0

Q=0、締切運転では、水動力=0で軸動力が一定の値です。

これは効率=水動力/軸動力=0という関係になります。

0<Q<max

Q=0から流量を上げていくと、ポンプ効率は徐々に上がっていきます。

低流量では、「水動力の増加量>軸動力の増加量」の関係が出るので、

ポンプ効率は0からどんどん増加していきます。

高流量になると、「水動力の増加量<軸動力の増加量」の関係が出てくるので、

ポンプ効率は徐々に下がっていきます。

この「水動力の増加量<軸動力の増加量」の関係が変わる部分が効率ピークとなります。

Q=max

Qが最大の値になると、ポンプ効率は一定の値になります。

これは水動力も軸動力も一定の値を持つからです。

最後に

ポンプの動力について、性能曲線と重ねて比較をしてみました。

効率が流量に対して一定のピークを持つことに対する、物理的な解釈を試みています。

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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