ポンプを締め切り運転すると、水の温度が上がってきたという経験はありませんか？
電動ポンプは電気によって液体に圧力を加えて輸送する機械ですが、与えた電力すべてが運動エネルギーに変換されるわけではなく、一部が水の温度エネルギーに変換されます。
今回は、ポンプと熱エネルギーの関係について書いてみたいと思います。
1. ポンプと熱の関係
では、ポンプを稼働させたときにどの程度の割合で運動エネルギー、熱エネルギーに変換されるのでしょうか？
これはポンプの条件によって変わりますがポンプ効率という指標で見ることができます。ポンプ効率は与えた電力がどの程度、運動エネルギーに変換されるかを表したもので、性能曲線を見ることで確認することができます。
性能曲線についてはこちらのサイトが詳しく書かれています。性能曲線では吐出量、揚程によってポンプの効率が決まります。
例えばポンプの効率が50%だとすると、50%が運動エネルギー、残り50%が別のエネルギーに変換されます。
別のエネルギーを細かく分類すると次のようになります。
- 配管内の液体の温度上昇
- ポンプの騒音、振動
- ポンプケーシングの温度上昇
- 軸受けの摩擦熱（冷却水の温度上昇）
- etc
実際には配管内の液体の温度上昇の割合が高いため、安全を考慮してすべて液体の温度上昇に利用されると考える場合が多いです。
2. ポンプと熱の計算
では実際に計算してみましょう。
2-1. 通常の運転時
ポンプの動力を5.5kW、吐出し量0.6m3/min、ポンプ効率50%の条件でポンプを運転したとします。
この時、運動エネルギーに変換されなかったエネルギーがすべて熱エネルギーに変換されると仮定すると、熱エネルギーとして利用されるものは
$$5.5×0.5=2.75[kW]$$
kWはkJ/sなので、１分間当たりに変換すると
$$2.75×60=165[kJ/min]$$
0.6m3の水が1℃上昇するのに必要なエネルギーは
$$0.6×1000×4.19=2514[kJ]$$
よって上昇する温度は
$$165÷2514=0.06[℃]$$
つまり、通常の運転では温度上昇は0.06℃だということが分かります。普段ほとんど気にならないのはこのためです。
2-2. 締め切り運転時
では締め切り運転を行うとどうなるでしょうか？
同じくポンプ効率を50%としてポンプの出口を締め切った状態で運転したとします。この時、仮にポンプの中の液量が10Lだと仮定します。
１分間当たりの熱量は先ほどと同じ165kJになります。10Lの水が１℃上昇するのに必要なエネルギーは
$$10×4.16=41.6[kJ]$$
よって締め切り運転の場合の温度上昇は
$$165÷41.6=3.97[℃/min]$$
１分間あたり約４℃上昇するということが分かります。締め切り運転を長時間行うと内部の液温が上昇していき、やがて沸点に達してキャビテーションが発生します。
これがポンプを締め切り運転すると故障するというメカニズムですね。
3. まとめ
- ポンプの電力は運動エネルギーと熱エネルギーに変換される
- 熱エネルギーの割合はポンプ効率で分かる
- 長時間締め切り運転をするとキャビテーションが発生する
ポンプを運転すると液体の温度が上昇するというのは不思議な感覚ですが、エネルギー保存則を考えるとわかりやすいですね。
2020/7/27
【ポンプ】真空ポンプの原理とは？タイプ別に紹介！
以前の記事で、真空ポンプの種類について解説しましたが、「どうやったら真空が生み出されるのか」という原理的な面での解説が足りていなかったように思います。 今回は、真空ポンプの種類別に、真空状態を作り出す原理を詳しく解説していきたいと思います。 以前の記事はこちらです。 目次真空のはじまり真空ポンプの原理機械式運動量移送式溜込式まとめ 真空のはじまり 真空ポンプ、ではありませんが、真空の作り方として最も初期の活用例をご紹介します。 産業分野で最も初期の蒸気機関として知られる、ニューコメン機関をご存知でしょうか ...
ReadMore
2020/8/2
【ポンプ】粘度とポンプの関係、使い分けは？
数多くあるポンプの型式ですが、液体の粘度によって向き不向きがあることはご存知ですか？ 今回は、高粘度の液体を輸送するためのポンプについて解説します。 目次粘度とは粘度が高い液体の場合ダイヤフラムポンプチューブポンプギアポンプねじポンプまとめ 粘度とは 粘度とは、流体のねばりの度合いを数値化したもので、µ（ミュー）が記号として用いられます。 単位はPa・s（パスカル秒）が一般的に用いられます。µは、液体の中で板が動くときに、板の移動方向とは逆方向に働く力である剪断応力（物体の断面に発生する力）を測定したとき ...
ReadMore
2020/6/21
【ポンプ】リアクトル始動法の特徴とは？
止まっているモーターを動かすときに流れる始動電流は、通常運転時よりも負荷が大きいことが知られています。 そのため大型の電動機では、配線設備や遮断器などを過大にしないため、始動電流を小さくするための工夫がされています。今回はそのうちの、リアクトル始動法について解説したいと思います。 目次リアクトル始動法とはリアクトル始動法の特徴まとめ リアクトル始動法とは リアクトル始動法は、比較的大型の電動機に採用される始動方式です。 リアクトルとは、コイルを利用した受動素子の名称で、リアクタンス（reactance、交 ...
ReadMore
2020/7/6
【ポンプ】今更聞けない、ポンプの極数って何？
ポンプを選定する際に、「極数」という言葉が出てきます。正確には電動機の極数なのですが、これは何を意味しているのでしょうか。 今回は、ポンプの極数とは何かについて解説していきたいと思います。 こちらの記事は動画でも解説しているので、動画の方がいいという方はこちらもどうぞ。 チャンネル登録はこちら 目次極数とは極数を変えるとどうなる？（交流）極数を変えるとどうなる？（直流）まとめ 極数とは ポンプにつながっているモーターの断面図をイメージしてください。内部には回転子と呼ばれる軸とつながった構造の部品があり、そ ...
ReadMore
2020/8/2
【ポンプ】性能曲線、HQ曲線って何？どうやって見るの？
ポンプのカタログを見ると必ず性能曲線が掲載されています。 実際に現場に適したポンプを選びたい時、この曲線をどのように活用すればいいのでしょうか？今回は性能曲線やH-Q曲線とは何かについて解説したいと思います。 こちらの記事は動画でも解説しているので、動画の方がいいという方はこちらもどうぞ。 チャンネル登録はこちら 目次性能曲線とは性能曲線の見方まとめ 性能曲線とは ポンプは羽が回ることにより流体にエネルギーを与える機器ですが、その作用は１点で固定されるわけではなく、ある程度の幅を持っています。 全揚程、軸 ...
ReadMore
エネ管.com
