泵浦人生

簡介正排量泵浦及使用時機

在進入本文主題之前，請了解”泵浦”與”幫浦”是一樣的意思，都是英文”Pump”的中文翻譯名詞另外，我常聽到有人說"泵浦(或幫浦)喔? 我知道，就是馬達嘛~~~" 

不是，馬達是馬達，泵浦是泵浦，馬達驅動泵浦作動，屬於動力來源，而且動力來源除了馬達之外還有其他方式，如人力、高壓氣體(氣動)、液壓油(油壓)等等，再談去下沒完沒了了，還是進入本文主題 – 正排量泵浦(Positive Displacement Pump)。

何謂正排量泵浦

正排量泵浦(Positive Displacement Pump)依照維基百科的解釋如下：「A positive displacement pump makes a fluid move by trapping a fixed amount and forcing (displacing) that trapped volume into the discharge pipe」，意思就是正排量泵浦每次作動都抽送固定容積的流量，所以也稱為”容積式泵浦”。

國家教育研究院針對Positive Displacement Pump亦說明：「泵依其作動原理可分為兩大類，像往復式活塞泵(reciprocating piston pump)或旋轉式齒輪泵(rotary gear pump)等，均係靠著真空吸力(vacuum suction)將流體由低壓處吸入氣缸(cylinder)或壓力室(casing)，再利用活塞或齒輪施加壓力於流體，使其流向高壓處，此類泵稱排量式泵(displacement pump)」

很多人的認知是泵浦就是抽水馬達、消防泵浦等等。沒錯，但這類的離心泵浦(Centrifugal Pump)只是眾多泵浦種類的其中一個類型，本文的主題”正排量泵浦”也是眾多種類的一個類型，而且在作動原理及性能表現與離心泵浦完全不同。

正排量泵浦與離心泵浦的比較

我們用一張性能曲線圖就可以清楚的了解正排量泵浦與離心泵浦的行為差異。離心泵浦的流量會隨著吐出壓力(或揚程)而改變並呈現反向關係，形成一條拋物線；相對的，正排量泵浦的流量與吐出壓力(或揚程)的關係不明顯，流量線趨於水平。也就是說離心泵浦在出口壓力(或揚程)越大，吐出流量就越小；而正排量泵浦的吐出流量與出口壓力(或揚程)沒有太大關係，維持穩定的流量表現。

另一個主要的差異在於液體黏度對泵浦性能的影響關係。在流量vs黏度關係圖中，你會注意到隨著液體黏度上升，離心泵浦流量減少，但奇妙的是，正排量泵浦的吐出流量反而增加。這是因為黏度高的液體進入正排量泵浦的腔室(cavity或clearances)會使泵浦的容積效率(volumetric efficiency)增加。

請注意，在這邊要說明的只是液體黏度與泵浦流量的關係，不要忘了當液體黏度增加，系統內管損(friction loss)會更大，總揚程就會變大，流量自然會減少，所以系統實際吐出流量必須要回歸到流量vs壓力曲線圖來計算。

在機械效率上(mechanical efficiency)，正排量泵浦與離心泵浦對於壓力變化的影響也非常不同，壓力變化對正排量泵浦的機械效率基本上沒多大影響，但對離心泵浦卻是影響很大。

還有在淨揚程水頭(NPSHr)這一點，兩者也有不同的影響因素。離心泵浦的NPSHr與揚程有關，而正排量泵浦的NPSHr則是與速度(speed)有關，這裡講的速度是指正排量泵浦的作動速度。

值得注意的是，離心泵浦的最佳效率是在曲線的中央，當操作點沿著曲線向左或向右移動時，效率大大降低且壽命縮短，有可能會造成空蝕現象(cavitation)也有可能是應力過大。而使用正排量泵浦時，你可以在任何一個操作點下運作，也不會影響效率，事實上，高轉速反而會提高容積效率(volumetric effiency)，因為正排量泵浦的容積效率減損來自滑差率(slip rate)，正排量泵浦高轉速時比在低轉速時的滑差率低。

很明顯的，選用正排量泵浦的原因之一是當遇到高黏度液體的場合。即便是遇到稍微有點黏度的液體，離心泵浦的效率會變得非常差。然而，選擇正排量泵浦除了是液體黏度因素外，還有很多其他原因，事實上正排量泵浦也常用來輸送氨水或溶劑。

正排量泵浦的選用時機

一個簡單的選用原則: 當你的操作點有可能會在離心泵浦的最佳效率點(BEP)之外時，選用正排量泵浦吧! 一般而言，通常是小流量、高揚程、高黏度液體的情形。由效率曲線可以看出，偏離BEP時，離心泵浦所耗費的馬力越大，也就越燒錢，不光只是初期購買較大功率的馬達電機，電力能源的消耗，以及後續的維護保養費用也是一大筆支出。在現今電費高漲的時代，選用正確的泵浦形式可是一大課題，其實很多業主並不曉得，前置購買成本僅占泵浦年限內總成本不到十分之一，其餘90%都是能源費用及維修保養支出。

另一個選用正排量泵浦的理由會是壓力變化，當操作壓力會變化時，離心泵浦的吐出流量、效率、能耗都會有巨大改變，這對於需要穩定輸出流量的業者來說是很頭痛的。而正排量泵浦卻能在壓力改變時仍能提供穩定的流量輸出，所以正排量泵浦也被稱作定量泵浦(metering pump)。

與離心泵浦相比，正排量泵浦能提供更高的壓力(或揚程)，有些正排量泵浦甚至能輸出150bar的壓力。在高壓的情形下，系統甚至需要安裝過壓保護裝置，例如脈動緩衝器、壓力釋放閥等等。

一般而言，正排量泵浦適合用在對剪力敏感(shear sensitive)的液體，離心泵浦的高轉速導致高剪力，高剪力敏感的液體結構會被破壞，這時選用正排量泵浦是明智的選擇。舉例而言，啤酒釀造的酵母菌是活性的，若使用離心泵浦酵母菌的存活率會下降。有關各種泵浦的剪力率(shear rate)，請洽詢專業的泵浦廠商並諮詢適合的泵浦形式。

由於結構不同，正排量泵浦通常具有吸入揚程能力，也就是可以自吸，自吸能力請洽詢專業廠商。而標準的ANSI離心泵浦就無法自吸，當然也有所謂的自吸式離心泵浦(俗稱大肚仔)，能提供4M高的吸入揚程，但效率極差，電費相當驚人。相對的，有些形式的正排量泵浦可以提供高達接近10M的吸入揚程，且可以短時間空抽/空轉(dry running)，比如說要卸料或從藥桶完全將液體抽出的情形時，正排量泵浦就相當適合。

先前提過，正排量泵浦與離心泵浦相比，運轉速度慢，所以密封件(如軸封)的壽命相對也比較長。此外，當液體含有顆粒物時，離心泵浦此大多需要額外的軸封沖洗冷卻配置，無形中又增加了操作成本。總而言之，正排量泵浦與離心泵浦相比，轉動件的損耗是比較少的，因此使用壽命比較長。

我並非認為正排量泵浦在各方面都比離心泵浦好，正確的選用泵浦形式才能有最佳的使用效果及壽命。在某些操作條件下，尤其是小流量(如每分鐘200公升)及高吐出壓揚程(如20~30M)，在這種條件，離心泵浦的效率極差，正排量泵浦就很適合。相反地，大流量低揚程壓力時，離心泵浦就是首選。當然，要考量的因素還有很多，例如液體特性、操作條件、空間配管位置等等，泵浦選型說是一門學問也不為過。

以上，僅為個人這些年所累積的經驗，如有錯誤歡迎指正。

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