ปั๊ม (pump หรือบางรายแปลเป็นไทยว่าเครื่องสูบ) เป็นอุปกรณ์หลักที่ใช้ในการเพิ่มความดันให้กับของเหลว เพื่อให้สามารถ่ายเทของเหลวจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งทางระบบท่อได้ ที่บอกว่าเป็นอุปกรณ์หลักเพราะว่าเรายังสามารถผลักดันให้ของเหลวไหลไปตามระบบท่อด้วยวิธีการอื่นได้ เช่นการใช้แรงดันแก๊ส
รูปแบบหลักของการทำงานของปั๊มที่ใช้กันอยู่ทั่วไปนั้นมี ๒ แบบ คือ (ก) ปั๊มแบบให้การขจัดเป็นบวกไปข้างหน้า (ผมแปลเองนะจากคำว่า positive displacement pum) เช่นปั๊มลูกสูบ (reciprocating pump) ปั๊มแบบไดอะแฟรม (diaphragm) และปั๊มโรตารี (rotary pump) และ (ข) ปั๊มแบบใช้แรงเหวี่ยงหรือที่เรียกกันว่าปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) เพราะรูปร่างภายนอกมันดูเหมือนหอยโข่ง (ว่าแต่พวกคุณเคยเห็นหอยโข่งหรือรู้จักมันไหม)
ปั๊มแบบลูกสูบมีการทำงานแบบเข็มฉีดยา คือตัวลูกสูบที่อยู่ในกระบอกสูบจะทำหน้าที่ดันให้ของเหลวที่อยู่ในกระบอกสูบนั้นเคลื่อนที่ออกไป ข้อดีของปั๊มลูกสูบคือสามารถเพิ่มความดันได้สูงในขั้นตอนการอัดเพียงขั้นตอนเดียว และสามารถปรับปริมาตรการไหลได้ง่ายโดยการปรับระยะช่วงชักของลูกสูบ แต่ก็มีข้อเสียคือมีรูปแบบการไหลที่ไม่ราบเรียบ กล่าวคือไหลออกเป็นจังหวะตามจังหวะการเคลื่อนที่ของลูกสูบ และมีแรงเสียดทานสูงระหว่างผนังกระบอกสูบกับตัวลูกสูบเอง เพราะต้องมีแหวนป้องกันไม่ให้ของเหลวรั่วไหลย้อนออกมาทางช่องว่างระหว่างผนังกระบอกสูบกับตัวลูกสูบ ปัจจุบันในโรงงานไม่ค่อยใช้ปั๊มแบบลูกสูบกันแล้ว แต่ก็ยังเห็นอยู่ทั่วไปที่ใช้เป็นปั๊มน้ำขนาดเล็กตามบ้าน
ปั๊มแบบไดอะแฟรมนั้นเหมาะกับของเหลวที่มีตะกอนหรือของเหลวที่ไม่ต้องการให้เกิดการรั่วซึม ส่วนปั๊มแบบโรตารีนั้นจะคล้ายกับเฟืองสองตัวขบกัน เหมาะกับของเหลวที่มีความหนืดสูง โครงสร้างของปั๊มแบบทั้งสองแบบนี้เป็นอย่างไรจะขอละไม่กล่าวในที่นี้
ปั๊มหอยโข่งเป็นปั๊มที่ใช้กันมากที่สุดในปัจจุบัน ปั๊มนี้ทำหน้าโดยการใช้แรงเหวี่ยงเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับของเหลวที่ไหลเข้ามาในปั๊ม เมื่อของเหลวถูกเหวี่ยงออกไปเจอกับแรงต้าน (ของระบบท่อ) พลังงานจลน์ส่วนหนึ่งก็จะถูกเปลี่ยนไปเป็นความดันเพื่อดันให้ของเหลวเคลื่อนไปตามระบบได้ ลักษณะเด่นของปั๊มหอยโข่งคือมีโครงสร้างที่เรียบง่าย (มีแค่ใบพัดหมุนอยู่ในตัวเรือน) ให้การไหลที่ราบเรียบ แต่ก็ไม่สามารถให้แรงดันขาออกได้สูง ถ้าต้องการทำให้ของเหลวมีความดันสูงก็ต้องใช้ปั๊มหอยโข่งที่มีหลาย stage คือมีการเหวี่ยงจากใบพัดตัวที่หนึ่ง เข้าสู่ใบพัดตัวที่สอง และเข้าสู่ใบพัดตัวที่สาม ... ไปเรื่อย ๆ วิธีนี้จะได้ปั๊มตัวใหญ่ (เพราะมีใบพัดหลายตัวต่อกัน) แต่ก็ดีตรงที่ไม่จำเป็นต้องเพิ่มความเร็วรอบมอเตอร์ แค่เพิ่มแรงม้าให้ก็พอ
อีกเทคนิคหนึ่งก็คือใช้วิธีเพิ่มความเร็วการหมุนของใบพัด กล่าวคือแทนที่จะให้ใบพัดหมุนด้วยอัตราเร็วเดียวกันกับมอเตอร์ขับเคลื่อน (มักจะต่ำกว่า 1500 รอบต่อนาทีเล็กน้อย ตามความเร็วรอบของ induction motor) ก็ใช้เฟืองทดเพื่อให้หมุนในระดับ 10,000 รอบต่อนาที (เคยเห็นอยู่ตัวหนึ่งที่ให้ความดันขาออกเมื่อปิดวาล์วด้านขาออกได้สูงถึง 70 bar ในขั้นตอนเดียว) แต่ปั๊มแบบนี้ก็ต้องระมัดระวังเรื่องการหล่อลื่นเพลาที่หมุนด้วยความเร็วรอบสูง เพราะถ้าขาดการหล่อลื่นเมื่อใดแบริ่งที่รองรับเพลาหรือตัวเพลาเองก็จะเกิดการเสียหายรุนแรงได้ทันที
ตรงนี้ขอนอกเรื่องนิดนึง เพราะปั๊มเกือบทั้งหมดในปัจจุบันนั้นจะขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับนั้นมีอยู่สองแบบ (จำกันได้ไหมจากวิชาไฟฟ้า) คือมอเตอร์แบบซิงโครนัส (synchronous motor) ที่จะหมุนด้วยความเร็วซิงโครนัส (120f/p เมื่อ f คือความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับ สำหรับในบ้านเราคือ 50 Hz และ p คือจำนวนขั้ว (เป็นเลขคู่เสมอ)) และอีกแบบที่เราพบเห็นกันมากกว่าคือมอเตอร์เหนี่ยวนำ (induction motor) ความเร็วในการหมุนของมอเตอร์เหนี่ยวนำนั้นจะต่ำกว่าความเร็วซิงโครนัสเล็กน้อยเนื่องจากมี slip มอเตอร์เหนี่ยวนำนั้นเป็นที่นิยมมากกว่าเพราะมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและทนทานกว่า
สำหรับผู้ที่ต้องไปทำงานเกี่ยวกับระบบท่อหรือปั๊มนั้น มักจะโดนถามอยู่ประจำว่าอ่าน "pump curve" เป็นไหม
pump curve เป็นกราฟแสดงสมรรถนะด้านต่าง ๆ ของปั๊มที่อัตราการไหลต่างกัน รูปที่ 1 ข้างล่างแสดงตัวอย่างหนึ่งของ pump curve ของปั๊มหอยโข่งที่จะกล่าวใน memoir ฉบับนี้ (ปั๊มแบบอื่นไม่เกี่ยว)
รูปที่ 1 ตัวอย่าง pump curve ของปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) (รูปจาก http://www.fao.org/docrep) ปั๊มในรูปนี้บอกความเร็วรอบไว้ที่ 1725 รอบต่อนาที แสดงว่าใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำขับเคลื่อนโดยใช้ระบบไฟฟ้าความถี่ 60 Hz และมีจำนวนขั้ว 4 ขั้ว (ตามเงื่อนไขนี้ ความเร็วซิงโครนัสคือ 1800 รอบต่อนาที แต่พอมอเตอร์มี slip ก็เลยทำให้ความเร็วรอบเหลือเพียง 1725 รอบต่อนาที)
แกนนอนของ pump curve นั้นจะเป็นอัตราการไหล (หน่วยจะเป็นอะไรก็ตามแต่) ส่วนแกนตั้งนั้นมีทั้งความดันด้านขาออก ประสิทธิภาพ พลังงานที่ใช้ และแรงต้านของระบบ
ความดันด้านขาออก (เส้น head capacity ในกราฟ) จะมีค่ามากที่สุดเมื่ออัตราการไหลเป็นศูนย์ กรณีนี้เกิดขึ้นตอนที่เราปิดวาล์วด้านขาออกเอาไว้ ของเหลวที่ถูกเหวี่ยงออกมาด้วยแรงใบพัดจะไม่สามารถเคลื่อนไปข้างหน้าได้ พลังงานจลน์ที่ได้รับจึงถูกเปลี่ยนไปเป็นความดัน (และความร้อนด้วย) แต่เมื่อของเหลวไหลได้ดีขึ้น ความดันด้านขาออกก็จะลดลง (ต้องไม่ลืมว่าของเหลวได้รับพลังงานจลน์โดยการถูกเหวี่ยงออกจากปั๊ม และถ้ามีแรงต้านก็ต้องเปลี่ยนพลังงานจลน์ส่วนหนึ่งไปเป็นความดันเพื่อเอาชนะแรงต้านดังกล่าว ถ้าแรงต้านน้อยก็ใช้ความดันน้อย (ไหลได้มากที่ความดันต่ำ) แต่ถ้าแรงต้านสูงก็ต้องเปลี่ยนพลังงานจลน์ไปเป็นความดันมาก (อัตราการไหลก็จะลดลง)
พลังงานที่มอเตอร์ต้องใช้ในการขับเคลื่อน (เส้นกราฟ motor input) หรือที่จริงก็คือกระแสไฟฟ้าที่มอเตอร์ดึงเข้าจะเพิ่มตามอัตราการไหล โดยพลังงานขับเคลื่อนนี้จะมีค่าต่ำสุดที่อัตราการไหลเป็นศูนย์ ตรงนี้ขอย้ำไว้ก่อนเพราะพฤติกรรมของมอเตอร์ตรงนี้จะเกี่ยวข้องกับการเริ่มเดินปั๊มและการเดินระบบท่อรอบปั๊ม ซึงหัวข้อนี้จะขอยกไปเป็นหัวข้อหนึ่งต่างหาก
กราฟ system head capacity เป็นแรงต้านของระบบ แรงต้านนี้ขึ้นอยู่กับระบบท่อแต่ละระบบและเพิ่มขึ้นตามอัตราการไหล (ยิ่งไหลเร็ว การสูญเสียเนื่องจากแรงเสียดทานก็มากขึ้น) ดังนั้นเส้นจุดตัดระหว่าง system head capacity และ head capacity จะเป็นตัวบอกว่าในระบบของเรานั้นปั๊มตัวนี้จะส่งผ่านของเหลวได้ด้วยอัตราการไหลสูงสุดเท่าใด และที่ความดันเท่าใด อย่างเช่นในรูปที่ 1 นั้นจะอยู่ประมาณ 1200 แกลลอนต่อนาที (1)
แรงต้านของระบบนี้อาจเปลี่ยนไปตามเวลาก็ได้ เช่นระบบท่ออุดตัน หรือในบางครั้งก็มีการซ่อมแซมเปลี่ยนแนวทางการเดินท่อและ/หรือขนาดท่อ ซึ่งทำให้แรงต้านของระบบเมื่อครั้งออกแบบติดตั้งครั้งแรกกับสภาพที่เป็นอยู่ในปัจจุบันนั้นแตกต่างกันออกไป สิ่งที่พวกคุณที่กำลังจะไปฝึกงานต้องเผชิญก็คือเรื่องแรงต้านของระบบนี้แหละ ตลอดช่วงเวลาที่ผ่านมานั้นทางโรงงานมีการดัดแปลงหลายส่วน แต่ตัวปั๊มเองนั้นไม่ได้ถูกเปลี่ยน คำถามที่เขาถามก็คือตัวปั๊มเองหรือตัวระบบเองนั้นจะยังคงใช้ได้กับกำลังการผลิตใหม่หรือไม่
กราฟเส้นสุดท้ายที่เหลืออยู่ในรูปที่ 1 คือประสิทธิภาพของปั๊ม (pump efficiency) จะเห็นว่าประสิทธิภาพการทำงานนั้นจะมีค่าสูงสุดที่ค่าอัตราการไหลค่าหนึ่ง ในการเลือกขนาดปั๊มเมื่อออกแบบครั้งแรกนั้น ทางผู้ออกแบบอาจเลือกปั๊มให้มีขนาดที่ให้ค่าประสิทธิภาพการทำงานสูงสุด แต่เมื่อการทำงานเปลี่ยนไป ประสิทธิภาพการทำงานของปั๊มก็อาจไม่ได้อยู่ที่ตำแหน่งสูงสุดอีกต่อไป การเผื่อขนาดของปั๊มก็เช่นเดียวกัน ถ้าเผื่อขนาดไว้สำหรับการขยายกำลังการผลิตในอนาคต ปั๊มนั้นก็อาจทำงานที่ตำแหน่งที่ประสิทธิภาพต่ำ ทำให้สิ้นเปลืองพลังงานมากกว่าที่ควรเป็น แต่เมื่อถึงเวลาขยายกำลังการผลิตก็ไม่ต้องเปลี่ยนปั๊มตัวใหม่
pump curve นั้นยังขึ้นอยู่กับรูปแบบของ impeller (ใบพัด) และขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ impeller ด้วย การเปลี่ยนรูปแบบของ impeller และ/หรือขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ impeller (impeller ต้องมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าของตัวเรือน (housing) ของปั๊ม) ก็ทำให้ pump curve เปลี่ยนแปลงไปด้วย ดังเช่นรูปที่ 1 บอกไว้ว่า impeller เป็นชนิด semi open ขนาด 6.5" ส่วนมันจะมีรูปแบบอย่างไรบ้างนั้นก็ลองไปค้นดูกันเองก็แล้วกัน
ในกรณีที่ปั๊มที่ใช้นั้นมีความสามารถในการปั๊มของเหลวสูงกว่าอัตราการไหลที่ต้องการมาก (เช่นออกแบบเผื่อไว้สำหรับการเพิ่มกำลังการผลิตในอนาคต) ถ้าใช้วิธีการเปิดวาล์วด้านขาออกของปั๊มไว้เล็กน้อยเพื่อให้ได้อัตราการไหลที่ต้องการก็จะทำให้สิ้นเปลืองพลังงานมาก ในกรณีเช่นนี้สามารถแก้ปัญหาได้ด้วยการเปลี่ยนไปใช้ impeller ที่มีขนาดเล็กลง ซึ่งจะประหยัดพลังงานมากกว่าการใช้วิธีเปิดวาล์วด้านขาออกไว้เพียงเล็กน้อย และพอต้องการเพิ่มกำลังการผลิตเมื่อใดก็ค่อยเปลี่ยนมาใช้ impeller ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ทำให้ไม่ต้องเปลี่ยนปั๊มทั้งชุด
(1) แกลลอนนั้นมี 2 หน่วยคือ Imperial gallon ซึ่งเป็นของอังกฤษ มีค่ามากกว่า 4 ลิตรอยู่เล็กน้อย และอีกหน่วยคือ U.S. gallon ซึ่งเป็นของอเมริกา มีค่าประมาณ 3 ลิตรกว่า (เกือบ 4 ลิตร) ดังนั้นเวลาคุยกับต่างชาติและมีการใช้หน่วยแกลลอน ก็ต้องถามให้แน่ใจด้วยว่าเป็นแกลลอนแบบไหน
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น