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
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
