ポンプヘッドと圧力: 違い、公式および計算

産業用遠心ポンプを選択する場合、最も重要なパラメータの 2 つは流量と揚程です。しかし、ポンプの購入者や技術者は、指定された吐出圧力が必要なポンプ揚程を直接表していると考えて、ポンプ揚程と圧力を混同することがあります。

これら 2 つのパラメータは密接に関連していますが、異なる物理量を表します。それらの関係を理解することは、適切なポンプの選択、性能曲線の解釈、システム要件の計算、および動作上の問題のトラブルシューティングに不可欠です。

このガイドでは、ポンプ揚程と圧力の違い、全動的揚程 (TDH) の計算方法、およびこれらの概念が工業用ポンプの選択にどのように影響するかについて説明します。

 

 

• ポンプヘッドとは何ですか?

ポンプヘッドは、ポンプによって液体に加えられる機械的エネルギーであり、単位重量当たりのエネルギーとして表され、液柱の等価高さによって表されます。通常、メートル (m) またはフィート (ft) で測定されます。

遠心ポンプの場合、揚程は、特定の流量と回転速度でポンプが液体に伝達するエネルギーの量を示します。

たとえば、揚程 100 m のポンプは、指定された動作点で液体の単位重量あたりほぼ同じ量の水圧エネルギーを追加するように設計されています。これは、ポンプがあらゆる設置条件で液体を垂直に 100 m 揚水できることを必ずしも意味するものではありません。実際の供給量は、システムの高度、圧力要件、および油圧損失によって異なります。

ポンプヘッドは通常、次の 3 つのコンポーネントに分かれています。

静的ヘッド:標高差、および該当する場合は、ソースと目的地の間の気圧差。

フリクションヘッド:パイプ、エルボ、バルブ、フィルター、その他の流量制限によって失われるエネルギー。

ベロシティヘッド:液体の速度に関連する運動エネルギー。

実際のポンプを選択するために、エンジニアはシステムに必要な全揚程を計算し、それをポンプの性能曲線と比較します。

 

• ポンプ圧力とは何ですか?

ポンプ圧力とは、単位面積あたりの流体によって及ぼされる力を指します。通常、次の単位で測定されます。

バー

キロパスカル (kPa)

メガパスカル (MPa)

ポンド/平方インチ (psi)

圧力計は通常、動作状態を監視するためにポンプの吸入接続部と吐出接続部に取り付けられます。

ポンプ全体の圧力上昇は、吐出圧力と吸入圧力の差です。

圧力上昇=吐出圧力 - 吸入圧力

たとえば、吐出圧力が 8 bar、吸入圧力が 1 bar の場合、次のようになります。

圧力上昇=8 - 1=7 bar

これは、ポンプ全体で測定された圧力増加です。速度と高度の差も考慮する必要がある場合があるため、システムの動的ヘッド全体として自動的に処理されるべきではありません。

 

• ポンプヘッドと圧力: 主な違い

ポンプヘッドと圧力は関連していますが、あらゆる状況で互換性があるわけではありません。

パラメータ	ポンプヘッド	ポンプ圧力
意味	液体の単位重量に追加されるエネルギー。液柱の高さとして表されます。	単位面積あたりに流体が及ぼす力
共通ユニット	メートル、フィート	bar、kPa、MPa、psi
主な要因	ポンプの動作点と流体の挙動	ヘッドの開発と流体密度
典型的な測定	ポンプ性能データから取得、またはシステム条件から計算	圧力計または発信器を使用して測定
主な用途	ポンプの選択と性能曲線の評価	システムの監視と圧力制御

主な違いは、同じポンプヘッドが、異なる密度の液体をポンピングする際の異なる圧力上昇に対応できることです。

 

• ポンプヘッドを圧力に変換する方法

おおよその換算として、特定のヘッドによって生じる圧力上昇は流体密度を使用して計算できます。

式 1: ヘッドからの圧力を計算する

圧力上昇 (bar)=揚程 (m) x 比重 / 10.2

ここで、比重（SG）とは、計算に使用した基準条件における水の密度に対する流体の密度の比です。

水の場合、SG は約 1.0 です。

例: 100 m の水頭ではどのくらいの圧力が発生しますか?

ポンプの揚程が 100 m であると仮定すると、おおよその圧力上昇は汲み上げられる液体の密度によって異なります。

流体密度	比重（SG）	頭	おおよその圧力上昇
1,000kg/m3	1.00	100 m	9.81 bar
1,100kg/m3	1.10	100 m	10.79 bar
700kg/m3	0.70	100 m	6.87 bar

これらの図は、ポンプ揚程と圧力を同じ値として扱ってはいけない理由を示しています。同等のポンプ動作条件を仮定すると、液体の密度が高くなると、同じ揚程でより大きな圧力上昇が生じます。

上記の値は概算であり、予備計算を目的としています。実際の結果は流体の特性と動作条件によって異なります。

式 2: 圧力を揚程に変換する

圧力差が既知の場合、次の式を使用して対応する圧力ヘッドを推定できます。

圧力水頭 (m)=圧力差 (bar) x 10.2 / 比重

インペリアル単位の場合:

圧力水頭 (ft)=圧力差 (psi) x 2.31 / 比重

これらの式は圧力水頭成分を推定します。完全なシステム計算には、速度ヘッドと標高の差が自動的に含まれません。

例: 7 bar の圧力上昇を揚程に変換

ポンプが比重 1.05 の液体を処理し、測定された圧力上昇が 7 bar になったと仮定します。

圧力ヘッド=7 x 10.2 / 1.05

圧力水頭=約 68.0 m

したがって、圧力上昇は約 68 m の圧力水頭に相当します。

これは簡略化した計算です。吸込高さと吐出高さが大きく異なる場合、または流体速度が大きく異なる場合、総動的揚程が異なる場合があります。

 

• トータルダイナミックヘッド(TDH)とは何ですか?

総動的揚程 (TDH) は、指定された動作条件下でシステム内に液体を移動させるためにポンプが供給する必要がある単位重量あたりの総エネルギーを表します。

これには、定義された吸引測定セクションと吐出測定セクション間の圧力、速度、高度の差が含まれます。

一般的な方程式は次のとおりです。

TDH=圧力水頭差 + 速度水頭差 + 標高差

方程式形式では次のようになります。

TDH=(Pd - Ps) / (rho xg) + (Vd² - Vs²) / (2 xg) + (Zd - Zs)

どこ：

PD= 吐出圧力

追伸= 吸引圧力

ロー= 流体密度

g= 重力加速度

ヴド= 吐出部の平均流速

対= 吸引部の平均流速

Zd= 流量測定セクションの標高

Zs= 吸引測定セクションの標高

この方程式では、圧力は一貫した単位、密度は kg/m3、速度は m/s、標高はメートルで表す必要があります。結果として生じる水頭はメートルで表されます。

吸引速度と吐出速度が類似しており、高低差が無視できる場合、圧力差は圧力ヘッド コンポーネントの有用な近似値を提供します。他のシステムでは、追加の条件を無視してはなりません。

ポンプを選択するとき、エンジニアは吐出圧力だけに依存するのではなく、完全なシステム要件を評価する必要があります。

 

• 遠心ポンプの曲線が圧力ではなく揚程を使用する理由

遠心ポンプの性能曲線は一般に、流量に対する揚程を示します。これにより、さまざまな動作点にわたるポンプの油圧性能を評価することが容易になります。

主な理由は次のとおりです。

1. 油圧性能の比較にさらに便利

ヘッドは流体の単位重量あたりに追加されるエネルギーを表します。これにより、報告される揚程を 1 つの特定の液体の密度に直接結び付けることなく、ポンプ曲線でポンプの水力性能を記述することができます。

2. システム分析のサポートの向上

システム抵抗は通常、水頭で表されます。エンジニアはポンプ曲線とシステム曲線を比較して、ポンプとシステムの特性が交差する動作点を特定できます。

3. より確実な予備選定

ヘッドを使用すると、エンジニアはシステムのエネルギー要件を特定の液体の圧力に変換する前に評価できます。

ただし、ヘッドだけではポンプを選択するのに十分ではありません。流量、液体特性、効率、モーター出力、NPSH 要件、材料、および予想される動作範囲も考慮する必要があります。

 

• ポンプを選択する際のよくある間違い

いくつかの間違いにより、ポンプの選択が間違ったり、現場で予期せぬ性能が発揮されたりする可能性があります。

吐出圧力だけでポンプを選定する

吐出圧力は、吸入圧力、液体密度、高度、システム条件の影響を受けます。エンジニアはモデルを選択する前に、必要な流量と総動的揚程を決定する必要があります。

流体密度を無視する

比重の高い液体を扱うポンプでは、同じ揚程でより大きな圧力上昇が発生する可能性があります。これにより、必要なシャフト出力も増加する可能性があります。

静的ヘッドとトータルダイナミックヘッドを混同する

静的標高差は、システム要件の 1 つのコンポーネントにすぎません。パイプの摩擦、継手、バルブ、圧力差、速度の変化も総揚程要件に影響を与える可能性があります。

実際の動作点を無視する

ポンプの定格または最大揚程は、必ずしも必要な流量で生成される揚程を表すものではありません。選択したポンプは、その性能曲線およびシステム曲線と照らし合わせてチェックする必要があります。

最終的な設計値として近似換算を使用する

揚程から圧力への変換は予備評価には役立ちますが、最終的なポンプの選択には一貫したシステム計算とメーカーの性能データを使用する必要があります。

 

• 適切な工業用遠心ポンプの選び方

信頼性の高いポンプの選択プロセスは、正確な動作要件から始まります。

メーカーに問い合わせる前に、次の情報を準備してください。

必要流量

必要なダイナミックヘッドの合計

液体の種類、温度、密度、粘度

吸引条件と入手可能なNPSH情報

パイプのサイズ、パイプラインの長さ、高低差、およびシステム圧力要件

動作時間、制御方式、想定動作範囲

必要な材料、シーリング構造、および適用される業界標準

高揚程の用途には、複数のインペラが必要な揚程を段階的に生成するため、横型多段遠心ポンプが適している場合があります。軸方向推力の低減が重要な設計目標である場合、自己平衡多段設計が検討される場合があります。

流量が大きく、揚程が比較的低から中程度の場合、システム要件に応じて、二重吸引スプリットケースポンプが適切なオプションとなる場合があります。

 

• 結論

ポンプヘッドと圧力は、ポンプ性能の関連する、しかし異なる側面を表します。揚程は液体の単位重量あたりに加えられるエネルギーを表し、圧力は単位面積あたりの力を表します。流体密度は、特定のヘッドが圧力にどのように変換されるかを決定します。