ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับปั๊ม ตอนที่ ๑ MO Memoir 2556 Mar 15 Fri

เอกสารฉบับนี้เตรียมขึ้นเพื่อปูพื้นฐานให้กับผู้ที่มีพื้นความรู้ทางวิทยาศาสตร์ทั่วไป ที่ไม่ได้เรียนและทำงานสายวิศวกรรม เนื้อหาใน Memoir นี้แก้ไขเพิ่มเติมจากเอกสารที่ใช้ในโครงการอบรม Cosmetic Engineering and Production Planning (CEPP) สำหรับสมาคมผู้ผลิตเครื่องสำอางไทย ในวันเสาร์ที่ ๑๖ มีนาคม ๒๕๕๖ แต่เนื่องจากเห็นว่าน่าจะพอให้ประโยชน์แก่บุคคลทั่วไปได้บ้าง จึงนำมาเผยแพร่ใน blog นี้

๑. ของไหล (fluid) ของเหลว (liquid) และแก๊ส (gas)

ของไหล (fluid) เป็นคำกลาง ๆ ที่ใช้เรียกสสารในสถานะของเหลวหรือแก๊ส หรือในสถานะที่บอกไม่ได้ว่าเป็นของเหลวหรือแก๊ส (พวกที่อยู่ที่อุณหภูมิและความดันเหนือจุดวิกฤต (critical temperature))
  

ในการใช้งานตามปรกตินั้น เราถือว่าของเหลวเป็นสสารที่ไม่สามารถอัดตัวได้ (incompressible fluid) ในขณะที่แก๊สเป็นสสารที่สามารถอัดตัวได้ (compressible fluid)
  

การอัดตัวได้ในที่นี้หมายถึงการที่เราสามารถลด "ปริมาตร" สารนั้นที่มี "น้ำหนัก" ค่า ๆ หนึ่ง ได้โดยใช้ความดัน
  

ความความแตกต่างตรงที่ของเหลวไม่สามารถอัดตัวได้ ในขณะที่แก๊สสามารถอัดตัวได้ ทำให้พฤติกรรมการทำงานของระบบเพิ่มความดันให้กับของเหลวและแก๊สนั้นมีความแตกต่างกัน ทั้ง ๆ ที่ตัวอุปกรณ์นั้นต่างก็ใช้หลักการแบบเดียวกัน (ในเรื่องคอมเพรสเซอร์มีปัญหาเรื่อง surging ในขณะที่ปั๊มไม่มีปัญหาเรื่องนี้ ดู Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๗๘ วันเสาร์ที่ ๑๖ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๖ เรื่อง "Centrifugal compressor กับการเกิด Surge และการป้องกัน")

อุปกรณ์เพิ่มความดันให้กับของเหลวเราเรียกว่า "ปั๊ม (pump)" หรือ "เครื่องสูบ" ส่วนอุปกรณ์เพิ่มความดันให้กับแก๊สนั้นเราเรียกว่า "คอมเพรสเซอร์ (compressor)" หรือ "เครื่องอัด" และบ่อยครั้งที่เราเรียกอุปกรณ์เพิ่มความดันให้กับแก๊สที่มีขนาดเล็กว่า "ปั๊ม" เหมือนกัน เช่นปั๊มลม ปั๊มอากาศ

เนื้อหาในที่นี้จะกล่าวถึง "ปั๊ม" ที่ใช้ในการเพิ่มความดันให้กับของเหลวเป็นหลัก

๒. วัตถุประสงค์ของการเพิ่มความดันให้กับของเหลว

วัตถุประสงค์ของการเพิ่มความดันให้กับของเหลวเราอาจทำเพื่อ
  

๒.๑ เพิ่มอัตราการถ่ายเทของเหลวจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง (หรือเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับของเหลว) เช่นในงานส่งถ่ายของเหลวตามระบบท่อ จากแทงค์ลูกหนึ่งไปยังแทงค์อีกลูกหนึ่ง หรือในงานที่ต้องการการฉีดพ่นของเหลว
  

๒.๒ ส่งผ่านของเหลวจากระบบความดันต่ำให้เข้าสู่ระบบความดันสูง เช่นงานในกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรมเคมี ปิโตรเคมี และกลั่นน้ำมัน ทั่วไป
  

๒.๓ ส่งผ่านของเหลวจากระดับต่ำ ไปยังระดับที่สูงกว่า เช่นงานสูบน้ำจากแหล่งน้ำ งานประปา
  

ซึ่งอาจเป็นการทำไปเพื่อความต้องการเพียงข้อใดข้อหนึ่งข้างต้นหรือทั้งสามข้อเลยก็ได้

รูปที่ ๑  ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร (V) และความดัน (P) ของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่อุณหภูมิต่าง ๆ

๓. วิธีการเพิ่มความดันให้กับของเหลว

การเพิ่มความดันให้กับของเหลวอาจกระทำโดย
  

๓.๑ การใช้แรงดันแก๊สกระทำต่อของเหลว โดยอาจเป็นแก๊สที่ได้จากเครื่องอัดแก๊ส (เช่นอากาศอัดความดัน) หรือแก๊สจากถังแก๊ส 
   

วิธีการนี้มีข้อดีตรงที่สามารถป้องกันการรั่วไหลในระหว่างการส่งของเหลวจากถังเก็บไปยังถังรับเพราะไม่มีการใช้ปั๊ม เพราะปั๊มมักเป็นจุดที่มีการเกิดการรั่วไหลของของเหลว ตรงตำแหน่งที่เป็นรอยต่อระหว่างโครงสร้างที่หยุดนิ่ง (เช่นตัวเรือนปั๊มและกระบอกสูบ) และโครงสร้างที่เคลื่อนที่ (เช่นเพลาและลูกสูบ) และปั๊มบางแบบก็ต้องยอมให้มีการรั่วไหลด้วยเพราะใช้ของเหลวนั้นในการหล่อลื่นและ/หรือระบายความร้อน 
   

๓.๒ การเพิ่มความดันให้กับของเหลวโดยตรง โดยการให้แรงอัดผ่านทางอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น ใช้ระบบกระบอกสูบและลูกสูบ (ปั๊มลูกสูบ หรือ reciprocating pump) แผ่นไดอะแฟรม (diaphragm pump) เฟือง (gear pump และ rotary pump) และสกรู (screw pump) การรีดผ่านสายยาง (peristatic pump) วิธีการนี้คือหลักการทำงานของปั๊มพวก positive displacement pump
  

๓.๓ การเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับของเหลว จากนั้นจึงให้ของเหลวเปลี่ยนพลังงานจลน์นั้นเป็นความดัน พลังงานจลน์ที่ให้จะอยู่ในรูปของแรงเหวี่ยง วิธีการนี้เป็นหลักการทำงานของปั๊มหอยโข่งหรือ centrifugal pump

รูปที่ ๒ (บน) การทำให้ของเหลวไหลจากภาชนะใบหนึ่งไปยังภาชนะอีกใบหนึ่งด้วยการใช้แรงดันแก๊ส ในระบบนี้ของเหลวด้านส่งต้องอยู่ในภาชนะปิด (ล่างซ้าย) การส่งของเหลวจากระดับต่ำไปยังระดับสูง (หรือเข้าสู่ระบบที่มีพลังานศักย์ที่สูงกว่า) โดยปั๊มที่ใช้สูบของเหลว ติดตั้งอยู่ที่ระดับที่ต่ำกว่าระดับผิวของเหลว ในกรณีนี้การเริ่มเดิมเครื่องปั๊มมักจะไม่มีปัญหาเพราะของเหลวสามารถเติมเต็มท่อด้านขาเข้าปั๊มได้เอง (ล่างขวา) การส่งของเหลวจากระดับต่ำไปยังระดับสูง โดยปั๊มที่ใช้สูบของเหลวอยู่ที่ระดับที่สูงว่าระดับผิวของเหลว ในกรณีนี้สำหรบปั๊มบางประเภทจะเดินเครื่องไม่ได้ถ้าไม่มีการเติมของเหลวให้เต็มท่อด้านเข้าก่อน (พวกปั๊มหอยโข่งมีปัญหาเช่นนี้)
  

๔. ความดัน (pressure) กับเฮด (head)

ความดันเป็นการวัดแรงที่กระทำต่อหน่วยพื้นที่ หน่วยที่นิยมใช้กันเพราะมองเห็นภาพชัดเจนได้แก่ บรรยากาศ (atm หรือ bar) กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร (kg/cm²) หรือปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi - pound per square inch ในบ้านเราหน่วยนี้ใช้กับการเติมลมยางรถยนต์อยู่) 
   

ความกดอากาศที่ระดับน้ำทะเลนั้นมีค่าประมาณ 1 bar หรือ 1 atm หรือ 1 kg/cm² หรือ 15 psi หรือประมาณเทียบเท่าความสูงของน้ำ 10 เมตร หน่วยปาสคาล (Pa - Pascal) เป็นหน่วยที่ใช้กันในทางวิทยาศาสตร์ เพราะสะดวกต่อการคำนวณ แต่เป็นหน่วยที่มองไม่เห็นภาพและมีขนาดเล็กเกินไป (เหมือนกับที่เราไม่บอกราคาสินค้าด้วยหน่วยสตางค์)
  

อันที่จริงความดัน 1 bar หรือ 1 atm หรือ 1 kg/cm² หรือ 15 psi หรือความสูงของน้ำ 10 เมตรมันไม่ได้เท่ากันพอดี แต่เพื่อความสะดวกในการมองภาพหรือการประมาณค่าหรือการคิดเลขในใจ เรามักจะประมาณว่ามันเท่ากัน (ตัวเลขที่ละเอียดคือ 1 atm = 1.01325 bar = 760 mmHg = 14.69595 psi = 101325 Pa = 1.03 kg/cm² หรือเทียบเท่าแรงกดของน้ำ (ความหนาแน่น 1000 kg/m³) สูงประมาณ 9.81 เมตร)
  

ในกรณีที่เป็นการวัดความดันต่ำ ๆ (อาจจะสูงหรือต่ำกว่าความดันบรรยากาศเล็กน้อย) จะใช้หน่วยเป็นเทียบเท่าความสูงของน้ำ เช่น นิ้วน้ำ (in H₂O) หรือเซนติเมตรน้ำ (cm H₂O) ตัวอย่างของงานที่ใช้หน่วยประเภทนี้ได้แก่ห้องทำงานที่ต้องรักษาความดันบรรยากาศในห้องให้สูงกว่าหรือต่ำกว่าความดันบรรยากาศข้างนอกห้อง ทั้งนี้เพื่อป้องกันไม่ให้อากาศสกปรกนอกห้องเข้ามาปนเปื้อนของอากาศในห้อง (รักษาความดันข้างในให้สูงกว่าข้างนอก) หรือป้องกันไม่ให้สารอันตรายในห้องรั่วไหลออกไปนอกห้อง (รักษาความดันข้างในห้องให้ต่ำกว่าความดันข้างนอกห้อง)

การบอกความดันนั้นมีการบอกเป็นความดันเกจ (gauge pressure) และความดันสัมบูรณ์ (absolute pressure)
  

ความดันเกจจะใช้ความดันบรรยากาศเป็นฐานในการเปรียบเทียบ โดยทั่วไปถ้าไม่มีการระบุใด ๆ ความดันที่กล่าวถึงมักจะหมายถึงความดันเกจ แต่ในบางกรณีเพื่อป้องกันไม่ให้สับสน จะมีการเติมตัว g (ย่อมาจาก gauge) ข้างหลังหน่วยบอกความดัน ที่ความดันบรรยากาศปรกติจะมีค่าเท่ากับ 0 bar.g (ศูนย์บาร์เกจ) ความดัน 0.5 barg คือความดันที่สูงกว่าความดันบรรยากาศปรกติอีก 0.5 bar
  

ความดันสัมบูรณ์จะใช้สุญญากาศเป็นฐานในการเปรียบเทียบ การระบุว่าค่าความดันนั้นเป็นความดันสัมบูรณ์นั้นจะเติมตัวอักษร a (ย่อมาจาก absolute) เข้าที่ท้ายหน่วยบอกความดัน ที่ความดันบรรยากาศปรกติจะมีค่าเท่ากับ 1 bar.a (หนึ่งบาร์สัมบูรณ์) ความดัน 1.5 bar.a คือความดันที่สูงกว่าความดันบรรยากาศ 0.5 bar 
   

กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ 0 bar.g = 1 bar.a และ 0.5 bar.g = 1.5 bar.a 
   

การทำงานเกี่ยวกับของเหลวนั้นเรามักจะใช้ความดันเกจเป็นหลัก เว้นแต่ในกรณีที่มีการทำงานในภาวะความดันต่ำกว่าความดันบรรยากาศปรกติ จึงมีการใช้หน่วยเป็นความดันสัมบูรณ์
  

มีพิเศษหน่อยก็ตรงงานอุตุนิยมวิทยาที่ใช้หน่วย hPa (เฮกโตปาสคาลหรือเท่ากับ 100 Pa) ในการรายงานความกดอากาศ ดังนั้นที่ความดัน 1000 kPa (หรือเทียบเท่า 100000 Pa หรือ 0.1 MPa) คือกดอากาศปรกติ ถ้าความกดอากาศต่ำกว่า 1000 kPa ก็จะเป็นความกดอากาศต่ำ ถ้าสูงกว่า 1000 kPa ก็จะเป็นความกดอากาศสูง และค่าความดันที่บอกคือค่าความดันสัมบูรณ์

สำหรับปั๊มสูบของเหลวนั้นหน่วยวัดความดันที่ใช้กันมากนั้นคือ "เฮด (head)" ซึ่งหมายถึงความสามารถของปั๊มนั้นในการดันน้ำให้ขึ้นที่สูงได้กี่เมตร เช่นถ้าปั๊มตัวหนึ่งบอกว่ามีเฮด 15 เมตร นั่นหมายความว่าปั๊มตัวนั้นสามารถส่งน้ำขึ้นได้สูงสุด 15 เมตร (หรือให้ความดันด้านขาออกประมาณ 1 barg)

รูปที่ ๓ แผนที่อากาศจากกรมอุตุนิยมวิทยาวันที่ ๑๓ มีนาคม ๒๕๕๖ เวลา ๑๘.๐๐ น (เวลา UTC ซึ่งจะตรงกับเวลาประเทศไทยวันที่ ๑๔ มีนาคม ๒๕๕๖ เวลา ๐๑.๐๐ น) ตัวเลขสีน้ำเงินที่แสดงคือความกดอากาศ หน่วยเป็น hPa  อักษร "H" คือหย่อมความกดอากาศสูง  อักษร "L" คือหย่อมความกดอากาศต่ำ

สำหรับของเหลวชนิดเดียวกันความดันใต้ผิวของเหลวจะขึ้นอยู่กับความดันของแก๊สที่อยู่เหนือผิวของเหลวบวกกับความดันที่เกิดจากความสูงของของเหลวจากจุดที่วัดไปจนถึงพื้นผิวบนของของเหลวเท่านั้น โดยไม่ขึ้นกับรูปร่างหรือขนาดภาชนะที่บรรจุของเหลวนั้น

รูปที่ ๔ ความดัน P ที่ด้านล่างของ (ซ้าย) ท่อน้ำ (กลาง) ถังเก็บน้ำขนาดใหญ่ หรือ (ขวา) ถังเก็บน้ำขนาดเล็ก จะเท่ากันหมดถ้าระดับความสูงของน้ำเท่ากัน โดยไม่ขึ้นกับขนาดพื้นที่หน้าตัดว่าจะเล็กหรือใหญ่ หรือคงที่หรือไม่