วันพฤหัสบดีที่ 4 มีนาคม พ.ศ. 2553

ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๘ Net Positive Suction Head (NPSH) MO Memoir : Thursday 4 March 2553

มาถึงวันนี้ พวกปี ๔ ก็คงจะส่งรายงาน senior project (ปริญญานิพนธ์) กันเรียบร้อยหมดแล้ว และคงต้องคอยทำใจว่า เช้าวันพฤหัสบดีที่ ๑๑ มีนาคม ๒๕๕๓ ตื่นขึ้นมาแล้วจะทำอะไร ก็ไม่มีการบ้านต้องส่ง ไม่มีรายงานต้องทำ ยังไม่ต้องไปทำงาน (ซึ่งอาจเป็นเพราะยังหางานไม่ได้) และไม่ต้องไปเรียนหนังสือ ส่วนพวกปี ๓ ก็คงตื่นเต้นกับการที่จะได้ไปฝึกงานในโรงงานหลังจากที่เรียนภาคทฤษฎีมา ๓ ปีแล้ว บางคนอาจตื่นเต้นมากที่จะได้ทำอาหารเช้ากินเอง พวกพอมีฝีมือหน่อยก็อาจลวกบะหมี่กึ่งสำเร็จรูปหรือโจ๊กกึ่งสำเร็จรูปกิน ส่วนพวกไม่มีฝีมือเลยก็คงกิน corn flake เป็นหลักมั้ง (ผมเห็นว่ามันเป็นอาหารที่คนกินไม่ต้องมีฝีมือทำอะไรเลย เพียงแค่เทจากกล่องและเติมนมลงไปเท่านั้นเอง ไม่ต้องต้มน้ำร้อน และไม่ต้องรอ ๓ นาทีด้วย)

Memoir ฉบับนี้เป็นเรื่องที่ติดค้างมาจาก Memoir ฉบับวันพฤหัสบดีที่ ๑๘ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ ที่เป็นเรื่องเกี่ยวกับระบบ piping ของปั๊มหอยโข่ง ซึ่งหวังว่าคงจะมีประโยชน์สำหรับผู้ที่กำลังจะไปทำงานในโรงงาน (ไม่ว่าจะไปฝึกงานหรือไปทำงานจริง) ไม่มากก็น้อย


เวลาที่คุณดูดน้ำโดยใช้หลอดกาแฟ เคยตั้งคำถามไหมว่าคุณจะดูดน้ำขึ้นมาได้สูงเท่าไร

เวลาที่คุณดูดน้ำอัดลมเย็น ๆ จากขวดโดยใช้หลอดกาแฟ เคยสังเกตไหมว่าจะมีฟองแก๊สเกิดขึ้นในหลอด

หรือเคยตั้งคำถามไหมว่าเวลาที่คุณดูดน้ำโดยใช้หลอดกาแฟ น้ำไหลขึ้นมาตามหลอดได้อย่างไร

แล้วเรื่องเหล่านี้มันเกี่ยวอะไรกับ Net Positive Suction Head (NPSH) ของปั๊ม


รูปที่ 1 กลไกการดูดน้ำโดยใช้หลอดดูดกาแฟ


กลไกการดูดน้ำโดยใช้หลอดดูดกาแฟนั้นมีหลักการเดียวกันกับการที่ปั๊มดูดของเหลวเข้ามาสู่ตัวปั๊ม

รูปที่ 1 ข้างบนแสดงกลที่เกิดขึ้นระหว่างที่เราดูดของเหลวโดยใช้หลอดดูดกาแฟ สิ่งที่เกิดขึ้นคือเราดูดเอาอากาศที่อยู่เหนือผิวของเหลวที่อยู่ในหลอดออกจากหลอด ทำให้ความดันเหนือผิวของเหลวส่วนที่อยู่ในหลอดนั้นลดลง ความดันบรรยากาศเหนือผิวของเหลวที่อยู่ข้างนอกหลอดก็จะดันให้ของเหลวในหลอดนั้นเคลื่อนตัวสูงขึ้น ถ้าเราทำให้ความดันเหนือผิวของเหลวส่วนที่อยู่ในหลอดนั้นต่ำมากพอ และระยะจากผิวของเหลวถึงปากของเรานั้นไม่สูงมากเกินไป ของเหลวในหลอดก็จะไหลเข้าสู่ปากเราได้

ถ้าเขียนในรูปของสมการโดยคิดที่ระดับผิวของเหลวที่อยู่นอกหลอดก็จะได้สมการดังต่อไปนี้


P(atm) = P(tube) + ρgh (1)


เมื่อ P(atm) คือ ความดันของอากาศที่อยู่เหนือของเหลวนอกหลอด

P(tube) คือ ความดันเหนือผิวของเหลวที่อยู่ในหลอด

ρgh คือ ความดันเนื่องจากความสูงของของเหลวโดยที่

ρ คือ ความหนาแน่นของของเหลว

g คือ ความเร่งเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก (9.81 m/s2)

h คือ ความสูงของลำของเหลวในหลอด


ความดันเหนือผิวของเหลวในหลอด (P(tube)) ที่ต่ำที่สุดที่จะทำได้คือสุญญากาศ (คือดูดอากาศออกจากในหลอดจนหมดและสมมุติว่าของเหลวไม่มีการระเหย) ดังนั้นในกรณีที่ของเหลวเป็นน้ำ ความสูงที่สูงที่สุดตามทฤษฎีที่สามารถดูดของเหลวขึ้นไปได้คือ 9.81 เมตร

แต่ในความเป็นจริงนั้น แม้ว่าของเหลวจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือดของของเหลวนั้น แต่ของเหลวนั้นก็ยังสามารถระเหยกลายเป็นไอได้เล็กน้อยที่เราเรียกว่า "ความดันไอ" ดังนั้นความดันเหนือผิวของเหลวส่วนที่อยู่ในหลอดจึงเป็นผลรวมของความดันอากาศที่อยู่ในหลอดและความดันไอของของเหลว

ในทางปฏิบัตินั้น เมื่อความดันเหนือผิวของเหลวลดลง จนกระทั่งเท่ากับความดันไอของของเหลวที่อุณหภูมิของของเหลวนั้น ของเหลวนั้นจะเดือดกลายเป็นไอ ดังนั้นเทอม P(tube) ในสมการที่ (1) จะต้องมีการแก้ไขเล็กน้อยโดยการเติมความดันไอของของเหลวเข้าไป


P(tube) = P(air) + P(liq vapour pressure) (2)

และ P(atm) = P(air) + P(liq vapour pressure) + ρgh (3)


เมื่อ P(air) คือ ความดันย่อยของอากาศที่อยู่ในหลอด

P(liq vapour pressure) คือ ความดันไอของของเหลวในหลอด ณ อุณหภูมิของของเหลว


ดังนั้นจะว่าไปแล้วเราจะดูดน้ำให้สูงขึ้นมาตามหลอดกาแฟได้ไม่ถึง 9.81 เมตร แต่จะต่ำกว่าระยะนี้เท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับว่าน้ำนั้นมีอุณหภูมิเท่าใด ยิ่งน้ำมีอุณหภูมิสูงขึ้น ความดันไอของน้ำก็จะสูงขึ้น และที่อุณหภูมิจุดเดือดนั้น ความดันไอของน้ำจะเท่ากับความดันบรรยากาศ ดังนั้นเราจะไม่สามารถดูดน้ำที่อุณหภูมิจุดเดือดขึ้นมาตามหลอดได้

สิ่งที่เกิดขึ้นเวลาที่เราใช้ปั๊มดูดน้ำจากระดับที่อยู่ต่ำกว่าตัวปั๊มก็เหมือนกันกับเวลาที่เราดูดน้ำจากแก้วโดยใช้หลอดกาแฟ ตัวปั๊มลูกสูบ (reciprocating pump) นั้นสามารถทำสุญญากาศได้สูง ทำให้น้ำที่อยู่ในระดับที่ต่ำกว่าตัวปั๊มสามารถเคลื่อนมาถึงตัวปั๊มได้ แต่ปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) นั้นไม่สามารถทำสุญญากาศได้สูงเหมือนปั๊มลูกสูบ จึงจำเป็นต้องทำการ "ล่อน้ำ" ก่อนที่จะเริ่มเดินเครื่องปั๊ม (ดู memoir ฉบับวันพฤหัสบดีที่ ๑๘ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่องฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๖ ระบบ piping ของปั๊มหอยโข่ง)

แต่ในขณะที่ของเหลวไหลไปตามท่อนั้น จะเกิดความดันลด (pressure drop) เกิดขึ้นด้วย ดังนั้นสมการที่ (3) จะกลายเป็น


P(atm) = P(air) + P(liq vapour pressure) + ρgh + P(drop) (4)


เมื่อ P(drop) คือความดันลดที่เกิดจากการไหลของไหล


ในกรณีของปั๊มนั้นเมื่อน้ำไหลเข้าถึงทางเข้าของปั๊มแล้ว P(air) ก็จะมีค่าเป็นศูนย์ (เพราะไม่มีอากาศอยู่ในท่อแล้ว สมการที่ (4) ก็จะกลายเป็น


P(atm) = P(liq vapour pressure) + ρgh + P(drop) (5)


ความดันลดนั้นจะเพิ่มตามอัตราการไหลของของเหลว ยิ่งของเหลวไหลเร็วขึ้นก็จะทำให้ค่าความดันลดมากตามไปด้วย แต่เนื่องจากความดันบรรยากาศเหนือผิวของเหลวนั้นเท่าเดิม ดังนั้นยิ่งเราสูบของเหลวเร็วขึ้น ความสูง (h) ที่มากที่สุดที่สามารถสูบของเหลวขึ้นไปได้ก็จะลดลง เพื่อที่จะทำให้ผลรวมของความดันทางด้านขวานั้นเท่ากับความดันบรรยากาศ

ดังนั้นปั๊มจะยังคงสูบของเหลวมายังปั๊มได้ก็ต่อเมื่อผลรวมของเทอมทางด้านขวานั้นน้อยกว่า P(air) ผลต่างระหว่าง P(air) กับผลรวมของเทอมทางด้านขวาก็คือ Net positive suction head (NPSH) นั่นเอง หรือ


NPSH = P(air) - (P(liq vapour pressure) + ρgh + P(drop)) (6)


ทีนี้ลองมาพิจารณาการสูบน้ำจากแหล่งน้ำ(อยู่ที่ระดับ H0) ที่อยู่ต่ำกว่าตัวปั๊ม ขึ้นไปเก็บในถังเก็บที่มีระดับน้ำในถังสูงกว่าตัวปั๊ม (ที่ระดับ H1) ดังแสดงในรูปที่ 2


รูปที่ 2 การสูบน้ำจากแหล่งน้ำที่อยู่ต่ำกว่าระดับปั๊มขึ้นไปเก็บไว้ในถังที่มีระดับน้ำสูงกว่าตัวปั๊ม รูปซ้ายเป็นการตั้งปั๊มให้อยู่ใกล้แหล่งน้ำ รูปขวาเป็นการตั้งปั๊มให้อยู่ใกล้ถังเก็บน้ำ


ถ้าเรานำสมการของแบร์นูลลีมาใช้คำนวณ จะพบว่าคำตอบที่ได้นั้นไม่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ตั้งปั๊มว่าจะอยู่ใกล้กับแหล่งน้ำ (ภาพซ้าย) หรือจะอยู่ใกล้กับถังเก็บน้ำ (ภาพขวา) แต่จะขึ้นอยู่กับผลต่างของระหว่างระยะความสูง H1-H0 เท่านั้น

แต่ถ้าเรานำความเข้าใจในเรื่อง NPSH มาพิจารณา (สมการที่ 6) เราจะพบว่าทั้งสองกรณีนั้นแตกต่างกัน ที่อุณหภูมิคงที่ ณ อุณหภูมิหนึ่งนั้น P(liq vapour pressure) จะคงที่ P(drop) จะเพิ่มขึ้นตามอัตราการไหลของน้ำ ตราบเท่าที่ระยะจากผิวน้ำถึงทางเข้าปั๊ม (ระยะ H3 หรือ H4 ซึ่งคือค่า h ในสมการที่ (6)) นั้นเมื่อแทนเข้าไปในสมการที่ (6) แล้วยังทำให้ได้ค่า NPSH เป็นบวกอยู่ ปั๊มก็จะยังสามารถทำงานได้ แต่ถ้าเราต้องการสูบน้ำให้เร็วมากขึ้น ค่า P(drop) ก็จะเพิ่มขึ้น ดังนั้นค่า h ที่มากที่สุดที่ยังทำให้ค่า NPSH ยังมีค่าไม่เป็นศูนย์ก็จะลดลง ดังนั้นจะเห็นว่าการตั้งปั๊มแบบที่ให้ตัวปั๊มอยู่ใกล้แหล่งน้ำนั้น (รูปด้านซ้ายในรูปที่ 2) จะทำให้สามารถสูบน้ำได้เร็วกว่าการตั้งปั๊มแบบให้ตัวปั๊มอยู่สูงจากแหล่งน้ำมาก (รูปด้านขวาในรูปที่ 2) และถ้าตัวปั๊มอยู่สูงกว่าผิวน้ำ (ระยะ H3 หรือ H4) จนถึงระดับประมาณ 9.81 เมตรเมื่อใด ปั๊มนั้นก็จะไม่สามารถสูบน้ำได้ เพราะความดันอากาศไม่สามารถดันน้ำให้ขึ้นสูงไปได้มากกว่านี้

ในกรณีของปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) นั้น ของเหลวจะไหลเข้าสู่ปั๊มตรงศูนย์กลางใบพัด (eye) และถูกเหวี่ยงออกไปทางด้านนอกของใบพัด ในขณะที่ของเหลวเริ่มถูกเร่งความเร็วให้สูงขึ้นนั้น ดวามดันของระบบจะลดลง (ดูรูปที่ 3 ประกอบ) และเมื่อของเหลวถูกเหวี่ยงออกไปทางด้านขาออก (discharge) พลังงานจลน์ (ที่เกิดจากการเหวี่ยงของใบพัด) จะเปลี่ยนรูปไปเป็นความดัน ทำให้ความดันด้านขาออกสูงขึ้นกว่าด้านขาเข้า

รูปที่ 3 การเปลี่ยนแปลงความดันในขณะที่ของเหลวไหลผ่านปั๊มหอยโข่ง

(รูปจาก http://www.engineeringtoolbox.com/npsh-net-positive-suction-head-d_634.html)


รูปบนของรูปที่ 3 แสดงให้เห็นว่าถ้าความดันด้านขาเข้า (suction) สูงเพียงพอ แม้ว่าความดันของของเหลวจะลดลงไปบ้างเมื่อไหลเข้าสู่ศูนย์กลางของใบพัด (eye) แต่ความดันที่ลดลงต่ำสุดนั้นยังสูงกว่าความดันไอของของเหลว ณ อุณหภูมิของเหลวที่ไหลเข้าปั๊ม ของเหลวก็จะไม่เดือดกลายเป็นฟอง แต่ถ้าความดันด้านขาเข้าสูงไม่พอ เมื่อของเหลวไหลเข้าสู่ศูนย์กลางใบพัดก็อาจมีความดันลดต่ำลงกว่าความดันไอของของเหลว ณ อุณหภูมิของเหลวที่ไหลเข้าปั๊ม ทำให้ของเหลวบางส่วนเดือดกลายเป็นฟอง (bubble) และเมื่อฟองนั้นเคลื่อนออกไปทางด้านขาออก ความดันของของเหลวจะเพิ่มขึ้นอีกทำให้ฟองแก๊สที่เกิดขึ้นเกิดการยุบตัวลงเป็นของเหลวใหม่ ตำแหน่งที่ฟองแก๊สที่เป็นไอยุบตัวลงเป็นของเหลวนั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงความดันกระทันหัน และแรงที่เกิดขึ้นดังกล่าวสามารถทำให้โลหะที่ใช้ทำใบพัดสึกกร่อนได้ ปรากฏการณ์ดังกล่าวเรียกว่า "cavitation" ส่วนความเสียหายจะรุนแรงแค่ไหนดูตัวอย่างได้ในรูปที่ 4


รูปที่ 4 ความเสียหายของใบพัด (impeller) ของปั๊มหอยโข่งที่เกิดจาก cavitation

(รูปจาก http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Usure_par_cavitation_d%27un_impulseur_de_pompe_ centrifuge_01.jpg)


ในโรงงานนั้นมักจะเก็บของเหลวในถัง (vessel หรือ tank) ที่ตั้งอยู่บนพื้น ส่วนตัวปั๊มที่สูบของเหลวนั้นจะอยู่ต่ำกว่าระดับผิวบนสุดของของเหลว (ดูรูปที่ 5 ประกอบ) การวางตำแหน่งปั๊มรูปแบบดังกล่าวทำให้เมื่อเปิดวาล์วด้านขาเข้าก็จะมีของเหลวไหลเข้าสู่ตัวปั๊มเลย (ไม่ต้องทำการล่อน้ำ) และสามารถเดินเครื่องปั๊มได้ทันที ส่วนปั๊มน้ำหล่อเย็นที่สูบน้ำออกจากหอทำน้ำเย็น (cooling tower) นั้นอาจตั้งปั๊มไว้สูงกว่าระดับน้ำ (ซึ่งเป็นเรื่องปรกติถ้าอ่างน้ำใต้ฐานหอทำน้ำหล่อเย็นนั้นสร้างโดยการขุดพื้นดินลงไป) หรืออาจปั๊มตั้งไว้ต่ำกว่าระดับน้ำก็ได้ (ถ้าอ่างน้ำใต้ฐานหอทำน้ำหล่อเย็นนั้นสร้างโดยการก่อขอบขึ้นมาเป็นกำแพง) แต่ถ้าเป็นปั๊มน้ำดับเพลิงก็ควรที่จะให้ตัวปั๊มนั้นอยู่ต่ำกว่าระดับผิวบนสุดของน้ำ เพราะเมื่อเปิดวาล์วด้านขาเข้าแล้วก็จะสามารถเดินเครื่องปั๊มได้ทันที ไม่ต้องเสียเวลาล่อน้ำ


รูปที่ 5 การตั้งปั๊มให้อยู่ต่ำกว่าระดับของเหลว ทำให้ไม่ต้องเสียเวลาล่อน้ำเมื่อต้องการเริ่มเดินเครื่องปั๊ม

ของเหลวประเภทหนึ่งที่ก่อปัญหาการเกิด cavitation ได้ง่ายคือของเหลวที่ออกมาทางด้านล่างของหอกลั่น ทั้งนี้เป็นเพราะของเหลวดังกล่าวมีอุณหภูมิที่จุดเดือด (หรือใกล้กับจุดเดือด) ดังนั้นเพื่อให้ปั๊มสามารถสูบของเหลวดังกล่าวได้จึงจำเป็นต้องให้ระยะ H5 (ดูรูปที่ 5 ด้านซ้าย) สูงมากพอ (ถ้าวางบนพื้นแล้วยังไม่พอก็ต้องขุดหลุมลงไป เพราะของเหลวที่ไหลเข้าปั๊มนั้นจะมีความดันเนื่องจากความสูงของลำของเหลวช่วยกดเอาไว้ ทำให้ของเหลวไม่เดือดกลายเป็นไอเมื่อไหลเข้าปั๊ม หรือไม่ก็ต้องทำการลดอุณหภูมิของของเหลวลงก่อนที่จะไหลเข้าปั๊ม

NPSH นั้นยังแยกออกเป็น NPSHA (Net positive suction head available) คือ NPSH ของระบบที่มีอยู่จริง และ NPSHR (Net positive suction head required) คือ NPSH ที่ต้องการเพื่อให้ปั๊มทำงานได้ วิธีการหนึ่งที่สามารถใช้เพิ่มค่า NPSHA คือการวางท่อด้านขาเข้าของปั๊มให้มีขนาดใหญ่ เพราะท่อที่มีขนาดใหญ่ขึ้นจะมีความเสียดทานในการไหล (หรือความดันลด) น้อยกว่าท่อที่มีขนาดเล็กกว่า ดังนั้นอย่าแปลกใจถ้าพบว่าท่อด้านขาเข้าของปั๊มมีขนาดใหญ่กว่าท่อด้านขาออกของปั๊ม

ไม่มีความคิดเห็น: