سیستم های پمپاژی 

نقش پمپ‌های گریز از مرکز در سیستم های لوله‌کشی هیدرونیکی (آبی)، تولید نیروی لازم برای گردش و توزیع آب در سیستم است. این نیرو صرف غلبه بر افت فشار و جبران قدرت از دست رفته آب می شود.
معمولاً به همراه پمپ‌ های توزیع، شیر متعادل کننده و شیر کنترل نیز در سیستم نصب می شوند، محل استقرار این شیر ها در مجاورت کویل های سرمایش و گرمایش و مبدل‌ های حرارتی است. شیر متعادل کننده شیر کنترل با ایجاد افت فشار و افت قدرت لازم جریان آب را تحت کنترل قرار داده و آن را تنظیم می کنند.

در سیستمی که تعداد زیادی شیر متعادل کننده و شیر کنترل به کار رفته، مقدار افت قدرت و انرژی آب قابل توجهی خواهد بود، لذا اگر بتوان با ترفندی مناسب شیر های کنترل و متعادل کننده را از سیستم حذف نمود، از هدر رفتن مقدار زیادی انرژی جلوگیری می شود.

این مقاله سیستم پمپاژی را معرفی می کند که در آن پمپ‌ ها در محل استقرار کویل ها نصب می شود. این پمپ‌ها که پمپ های منطقه‌ای خوانده می شوند عامل گردش آب در کویل های سرمایش، گرمایش و مبدل‌های حرارتی می باشند، البته این بار بدون کمک شیرهای متعادل کننده و کنترل.

سیستم پمپاژ

سیستم پمپاژ مرکزی

در سیستم پمپاژ مرکزی پمپ‌های سرعت متغیر و پمپ‌های سرعت ثابت وجود دارند. روی پمپ‌ های سرعت ثابت معمولاً شیرهای کنترل ۳ راهه نصب می شود تا دبی جریان عبوری از کویل های سرمایش و گرمایش یکنواخت و ثابت باشد. هد پمپ بر اساس طولانی‌ترین مسیری که دارای بیشترین افت فشار است محاسبه می شود.
پمپ‌ های سرعت ثابت در سیستم‌ هایی که تحت بار سنگین نباشند موجب افت قدرت و مصرف انرژی نمی شوند.

اما همراه پمپ‌ های سرعت متغیر، شیر کنترل دو راهه نصب می شود. همانند پمپ‌ های سرعت ثابت در این جا هم هد پمپ برابر افت فشار طولانی‌ترین مسیر است. سرعت نیز به وسیله اندازه گیری اختلاف فشار در انتهای مسیر رفت یا در مقاطع بحرانی و حساس توسط کنترل کننده‌ها معلوم می شود.

نقش این کنترل کننده‌ها را معمولاً محرک‌های فرکانسی متغیر ایفا می کنند، در بارهای سبک، دبی جریان مانند سرعت پمپ، هد پمپ و قدرت پمپ کاهش می یابد.
وظیفه شیر کنترل در سیستم پمپاژ مرکزی، ناظم جریان آب موجود در کویل های سرمایش و گرمایش می باشد. کنترل کننده های دما به عنوان اجزاء شیر کنترلی عمل کرده و باعث می شوند تا دمای دلخواه در سیستم برقرار شود. افت فشار شیرهای کنترل دو راهه و سه راهه معمولاً در حدود 5psi (۳۴kpa) می باشد (در حالت کاملاً باز و در شرایط طرح).
اگر چه در حالت واقعی افت فشار معمولاً بیش از 5psi (۳۴kpa) خواهد بود، ولی به طول کلی افت فشار واقعی بستگی به چگونگی استقرار شیر کنترل نسبت به پمپ دارد؛ به این معنی که هر چه شیر کنترل به پمپ مرکزی نزدیک‌تر باشد افت فشار حاصله بیشتر خواهد بود.

سیستم پمپاژ منطقه‌ ای

در سیستم پمپاژ منطقه‌ ای، برای هر کویل سرمایش با گرمایش یک پمپ منطقه‌ای نصب می شود به این ترتیب دیگر پمپ مرکزی در سیستم وجود نخواهد داشت.
کنترل و تنظیم سرعت و دبی جریان در پمپ‌های منطقه‌ای بر عهده همان کنترل کننده‌هایی است که شیر کنترل را کنترل می کردند، در نتیجه پمپ‌های منطقه‌ای وظیفه گردش و کنترل جریان آب در کویل ها و سیستم لوله کشی را بر عهده می گیرند.
بدین ترتیب نیازی به شیرهای کنترلی نخواهد بود که این به معنای حذف افت فشار و تضعیف قدرت حاصله از عبور جریان از شیر است. در این حالت هد و انرژی پمپ تنها صرف غلبه بر افت فشار در لوله‌ها و تجهیزات اصلی خواهد شد. هد هر پمپ متغیر بوده و بستگی به موقعیت پمپ دارد و برابر مجموع تمام افت فشارهای موجود در مسیر میباشد.

مقایسه سیستم پمپاژ منطقه‌ ای و مرکزی

در این قسمت با استفاده از یک سیستم سرمایش آبی فرضی که دارای یک چیلر و سه هواساز است به مقایسه whp، bhp، kw(قدرت الکتریکی) هر دو سیستم پمپاژ مرکزی و منطقه‌ای تحت بارهای کامل و جزئی می پردازیم.
هر دو سیستم جریان متغیری از آب سرد را برای گردش در اواپراتورها فراهم می کنند دبی جریان آب سرد در اواپراتورها ممکن است تغییر کند، اما فرض بر این است که تغییر دبی نه از حد مجاز تعیین شده فراتر می رود و نه از میزان مجاز پایین‌تر می‌آید.
در این مقاله بررسی جریان در سیستم از حالت کاملاً پر تا حداقل مجاز میزان جریان که تقریباً برابر ۴۰ درصد حالت کاملاً پر می باشد صورت می گیرد. اگر جریان آب در سیستم پایین‌تر از حد مجاز باشد، در سیستم پمپاژ منطقه‌ ای با اضافه کردن پمپ سیرکولاسیون در مجاورت چیلر و در سیستم پمپاژ مرکزی با افزودن شیر بای پس سه راهه که سر راه خط رفت و برگشت قرار می گیرد می توان سیستم را مورد بهره برداری قرار داد.

سیستم پمپاژ مرکزی

سیستم پمپاژ مرکزی چگونه کار می کند؟

در تصویر مشاهده شده سیستم آب سرد متشکل از یک چیلر، یک پمپ سرعت متغیر و سه کویل سرمایش به همراه شیرهای دو راهه تعدیلی نشان داده شده است. تمام افت فشارها بر حسب فوت نشان داده شده‌اند. سایر مقادیر به شرح زیر می باشند:
دبی جریان طبق طراحی در نظر گرفته شده در هر کویل برابر ۵۰۰ گالن در دقیقه (32 L/S) و افت فشار طراحی نیز 10 فوت (30kpa) می باشد.
سایز شیرهای کنترل کننده بر مبنای افت فشار ۱۵ فوت (45kpa) در نظر گرفته شده است) در حالت کاملاً باز).
افت فشار در هر شاخه از لوله کشی ۵ فوت (15kpa) در نظر گرفته شده است (2/5فوت برای خط رفت و
2/5 فوت برای خط برگشت).
کنترل کننده‌های فشار تفاضلی با تغییر دادن سرقت پمپ در شاخه A هد ۳۰ فوتی (kpa ۹۰) را ایجاد می کنند.
خطوط اصلی رفت و برگشت که بین شاخه‌ها قرار گرفته‌اند، افت فشاری برابر ۱۰ فوت ( ۳۰kpa) دارند.
هد طراحی شده برای پمپ (بیشترین افت فشار) برابر ۱۱۰ فوت (kPa ۳۳۰) می باشد و دبی برابر ۱۵۰۰ گالن در دقیقه است.

افت فشار در شاخه A ۳۰ فوت (90 kpa) و در شیر کنترلی ۱۵ فوت (45kpa) می باشد. شیر در هنگام عبور جریان کاملاً باز بوده و افت فشار در شاخه‌های B و C ۵۰ فوت(150kpa) و ۷۰ فوت (kpa209) است. اگر شیرهای کنترلی در شاخه‌های b و C به طور کامل باز باشند دبی جریان عبوری از این شاخه‌ها بیشتر از مقدار طراحی شده خواهد بود.
لذا افت فشار در شیرهای کنترلی در شاخه‌های b و c باید به ترتیب ۳۵ فوت (105kpa) و ۵۵ فوت (kpa۱۶۴) باشد تا بتوان جریان را مطابق با شرایط طراحی کنترل نمود. مشخصات پمپ مورد نظر برای این شرایط به این شرح محاسبه می شود:
Whp: Q(gpm) *H(ft) /3960
Whp=1500*110/3960=41/6hp پمپ
مجموع افت whp در شیرهای کنترلی در کویل های a، b، c برابر است با:
3/13hp=55/3960*500 +15/3960*500=افت whp شیرها

سیستم پمپاژ منطقه ای

سیستم پمپاژ منطقه‌ای چگونه کار می‌کند؟

با حذف پمپ مرکزی و جایگزین ساختن 3 عدد پمپ سرعت متغیر به جای شیرهای کنترلی در سیستم پمپاژ مرکزی، سیستم پمپاژ منطقه‌ ای به وجود می آید. تمام هدهای نشان داده شده در شکل همان افت فشارهای طراحی‌اند.
بسیاری از مشخصه‌ها نظیر سیستم پمپاژ مرکزی می باشند به جز موارد زیر:
از کنترل کننده‌های تفاضلی فشار استفاده نشده است.
در شرایط طراحی هر کدام از پمپ‌ها ۵۰۰ گالن در دقیقه ظرفیت دارند (32L/S).
هد هر یک از پمپ‌ها بر مبنای مجمع افت فشارهای موجود در مسیر مربوطه محاسبه شده است.
همانگونه که در شکل نشان داده شده است هد پمپ‌های A,B,C برابر است با افت فشار در مسیرهای ijklmnabcdefgh، tklmnabcders، qlmnabcdop که به ترتیب 95، 75، 55 فوت می باشند (۲۸۴، ۲۲۴ و ۱۶۲ کیلو پاسکال).

در نتیجه whp پمپ‌های aوbو C به شرح زیر خواهد بود:
PumpA whp= 500* 95/3960=12hp
PumpA whp= 500*75/3960 =9/5hp
PumpA whp= 500*15/3960 =6/9hp
Whp=12+9/5+6/9= 28/4hp کلی(پمپ‌های A و B و C)
در مقایسه با whp مربوط به سیستم پمپاژ مرکزی، سیستم پمپاژ منطقه‌ ای 13/3 اسب بخار (41/7-28/4) whp کمتری را طلب می کند. این اختلاف ناشی از مجموع افت مربوط به شیرهای کنترلی موجود در سیستم پمپاژ مرکزی است.

عملکرد تحت بار جزئی

تحت بار جزئی، افت فشار در کویل ها و لوله‌ها متناسب با توان دوم جریان و whp متناسب با توان سوم جریان کاهش می یابد. مثلاً در شرایطی که ۱۰۰٪ جریان از لوله CD عبور می کند و دبی جریان ۱۵۰۰ گالن در دقیقه (95L/S) است و افت فشار ۱۰ فوت(30kpa) و whp3/79 باشد، اگر میزان جریان به ۸۰ درصد کاهش یابد مقادیر افت فشار، whp به ترتیب زیر محاسبه می گردد:
فوت=6/4فوت*10) 2 80/100 (= افت فشار
Whp = (80/100) 3 * 3/79hp = 1/94hp

سرعت، هد و whp تحت بار جزئی در سیستم پمپاژ منطقه‌ ای تابع قانون پیوستگی پمپ‌ها می باشند، اگر چه این قانون در سیستم پمپاژ مرکزی مصداق ندارد. دلیل تبعیت سیستم پمپاژ منطقه‌ ای از قانون پیوستگی پمپ‌ها این است که سیستم فاقد شیرهای کنترلی‌اند. می‌دانیم که وجود شیرهای کنترلی در سیستم موجب تغییر مقاومت سیستم و همچنین تغییر منحنی رفتار سیستم می شود.

از طرف دیگر وجود شیرهای کنترل کننده و کنترل کننده‌های تفاضلی فشار در سیستم پمپاژ مرکزی سبب تغییر مقاومت سیستم و در نتیجه تغییر منحنی رفتار سیستم می‌گردد. همین استدلال در مورد بازدهی سیستم های پمپاژ مرکزی و منطقه‌ای هنگامی که تحت بار جزئی قرار دارند صدق می‌کند.

بنابراین در سیستم های پمپاژ منطقه‌ ای بازدهی سیستم تحت بار کامل همانند بازدهی سیستم تحت بار جزئی بوده و تفاوتی ندارد حال آنکه در سیستم های پمپاژ مرکزی بازدهی سیستم تحت بار کامل با بازدهی سیستم تحت بار جزئی متفاوت است.

با استفاده از نمودار منحنی‌های پمپ و خطوط ثابت بازدهی در سرعت‌های متفاوت، می توان بازدهی و سرعت سیستم پمپاژ مرکزی تحت بار کامل را معین نمود. بازدهی مجموعه موتور و محرک‌های فرکانس متغیر را نیز می توان از طریق سازندگان محرک‌های فرکانس متغیر به دست آورد.

bhp و قدرت ورودی (kw) نیز به شرح زیر محاسبه می گردد:
Bhp=whp/بازده پمپ
(kw) =bhp(kw) قدرت ورودی
بازده مجموعه موتور و محرک فرکانس متغیر نشان می دهد که پمپ‌های منطقه‌ای 28/8 درصد تا 56/5 درصد توان الکتریکی کمتری نسبت به پمپ‌های مرکزی مصرف می کنند. (تحت بارهای 40 تا 100 درصد).

سیستم های پمپاژ

نتیجه گیری

سیستم پمپاژ منطقه‌ ای نسبت به سیستم پمپاژ مرکزی به قدرت (اسب بخار) کمتری نیاز دارد. به همین دلیل به مبلغ کمتری جهت خرید تجهیزات سیستم پمپاژ منطقه‌ ای (شامل پمپ‌ها، موتورها و محرک‌های فرکانس متغیر) نیاز می باشد. پایین بودن هزینه خرید به همراه ارزان‌تر بودن هزینه عملکرد، از سیستم های پمپاژ منطقه‌ای انتخابی دلخواه می سازد.

این نتیجه گیری در سیستم‌ هایی که از پمپ‌های بزرگ بهره می برند نیز صادق است. اگر چه در سیستمی که پمپ‌ها کوچک‌ترند قیمت به ازای هر اسب بخار معمولاً بیشتر و بازدهی تجهیزات کوچک‌تر معمولاً کمتر است. به همین خاطر به‌کارگیری پمپ‌های منطقه‌ای با محرک‌های سرعت متغیر در سیستم باعث می شود دوره استهلاک هزینه به تأخیر افتد.

در سیستمی که دارای کویل های کوچک و بزرگ می باشد ترکیبی از پمپ‌های سرعت متغیر برای کویل های بزرگ و پمپ‌های سرعت متغیر به همراه یک شیر کنترل کننده سه راهه برای کویل های کوچک می تواند انتخاب ایده آلی باشد.

در سیستم های پمپاژ اولیه و ثانویه آب سرد که در آن پمپ‌های اولیه از نوع سرعت ثابت می باشند و در ساختمان خود چیلر به کار می روند و پمپ‌های ثانویه سرعت متغیر برای پمپاژ بار سیستم به کار گرفته می‌شوند، پمپ‌های منطقه‌ای می توانند به جای پمپ‌های ثانویه و شیرآلات کنترلی مربوطه به کار روند و بدین ترتیب موجب صرفه جویی در مصرف انرژی شوند. عملکرد پمپ‌های اولیه نیز همانند سیستم اصلی بوده و تغییری نخواهد داشت.

برخلاف سیستم پمپاژ مرکزی که برای تعیین هد پمپ تنها باید بزرگ‌ترین افت فشار موجود در مسیر محاسبه می شد در سیستم پمپاژ منطقه‌ ای تعیین هد نیاز به محاسبه افت فشار در هر جزء سیستم دارد که در ساختمان های بزرگ و یا سیستم های پیچیده هیدرونیکی محاسبات ممکن است بسیار پیچیده باشد.