วันเสาร์ที่ 23 มีนาคม พ.ศ. 2556

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับปั๊ม ตอนที่ ๒ MO Memoir : Saturday 23 March 2556

Memoir ฉบับนี้เป็นตอนที่ ๒ ของเอกสารที่เตรียมขึ้นเพื่อปูพื้นฐานให้กับผู้ที่มีพื้นความรู้ทางวิทยาศาสตร์ทั่วไป ที่ไม่ได้เรียนและทำงานสายวิศวกรรม เนื้อหาใน Memoir นี้แก้ไขเพิ่มเติมจากเอกสารที่ใช้ในโครงการอบรม Cosmetic Engineering and Production Planning (CEPP) สำหรับสมาคมผู้ผลิตเครื่องสำอางไทย เมื่อวันเสาร์ที่ ๑๖ มีนาคม ๒๕๕๖ ที่ผ่านมา แต่เนื่องจากเห็นว่าน่าจะพอให้ประโยชน์แก่บุคคลทั่วไปได้บ้าง จึงนำมาเผยแพร่ใน blog นี้
  
ฉบับนี้เป็นตอนต่อจากฉบับ ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๘๙ วันศุกร์ที่ ๑๕ มีนาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับปั๊ม ตอนที่ ๑"

. ประเภทของปั๊ม

ในทางวิศวกรรมเราแบ่งปั๊มออกเป็น ๒ ประเภทใหญ่ คือ positive displacement pump กับ centrifugal pump

อันที่จริงยังมีอุปกรณ์อีกประเภทหนึ่งที่สามารถทำงานได้เหมือนปั๊ม แต่มักจะใช้กับแก๊สมากกว่าคือ ejector ที่ใช้เป็นอุปกรณ์ทำสุญญากาศ (ในระดับที่ไม่ต่ำมาก) เรื่องหลักการทำงานของ ejector นี้เคยเล่าไว้แล้วใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๑๐ วันอังคารที่ ๒ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๓ อธิบายศัพท์"

พวกปั๊มในตระกูล positive displacement pump เป็นพวกที่เพิ่มความดันให้กับของเหลวโดยตรง ปั๊มในตระกูลนี้ได้แก่
  
- ปั๊มลูกสูบ (reciprocating pump)
- ไดอะแฟรมปั๊ม (diaphragm pump)
- เกียร์ปั๊ม (gear pump)
- โรตารีปั๊ม (rotary pump)
- สกรูปั๊ม (screw pump)
- ปั๊มรีดท่อ/ปั๊มรีดสายยาง (peristaltic pump)

ปั๊มในตระกูล centrifugal pump เป็นพวกที่เพิ่มพลังงานจลน์ให้กับของเหลว โดยทั่วไปจะใช้แรงเหวี่ยง ซึ่งพลังงานจลน์นั้นจะเปลี่ยนไปเป็นพลังงานศักย์อีกทีหนึ่ง ปั๊มในตระกูลนี้ได้แก่ปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) เป็นปั๊มที่มีการใช้งานกันมากที่สุดในงานทั่วไปและในโรงงาน และอาจจัดเป็นปั๊มที่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่ (moving part) น้อยที่สุด และมีชิ้นส่วนที่ขัดสีกันน้อยที่สุดด้วย คือมีแต่ใบพัดที่หมุนเท่านั้น และก็ไม่จำเป็นต้องมีระยะช่องว่าง (clearance) ที่แคบระหว่างใบพัด (impeller) กับตัวเรือนปั๊ม (housing) เหมือนพวกเกียร์ปั๊มหรือโรตารีปั๊มด้วย


. Positive displacement pump

.๑ ปั๊มลูกสูบ (Piston pump)

ปั๊มลูกสูบเป็นปั๊มที่สามารถสร้างความดันได้สูงด้วยการอัดเพียงขั้นตอนเดียว ให้อัตราการไหล "เฉลี่ย" ถือได้ว่าคงที่โดยไม่ขึ้นกับความต้านทานด้านขาออก แต่การไหลจะไม่ราบเรียบ คือจะไหลเป็นจังหวะตามการอัดของลูกสูบ แต่ก็พอจะทำให้การไหลราบเรียบขึ้นมาบ้างได้โดยการใช้ระบบปั๊มที่มีหลายลูกสูบหรือการติดตั้ง gas chamber ทางด้านขาออก
  
รูปแบบการทำงานของปั๊มลูกสูบแสดงไว้ในรูปที่ ๑ ข้างล่าง


รูปที่ ๑ การทำงานของปั๊มลูกสูบ (reciprocating pump) รูปซ้ายเป็นจังหวะดูด ลูกสูบเคลื่อนที่ไปทางซ้าย วาล์วกันการไหลย้อนกลับด้านขาเข้าจะเปิดให้ของเหลวไหลเข้ากระบอกสูบ วาล์วกันการไหลย้อนกลับด้านขาออกจะปิด รูปขวาเป็นจังหวะอัด วาล์วกันการไหลย้อนกลับด้านขาเข้าจะปิด ส่วนวาล์วกันการไหลย้อนกลับด้านขาออกจะเปิดให้ของเหลวไหลออกไปจากกระบอกสูบ

การปรับอัตราการไหลของระบบที่ใช้ปั๊มลูกสูบมักจะกระทำโดยการปรับช่วงชักของลูกสูบ การติดตั้งปั๊มชนิดนี้ต้องระวังไม่ให้มีโอกาสที่ท่อด้านขาออกปิดตาย (ของเหลวไหลผ่านไม่ได้) เพราะถ้ามอเตอร์ขับเคลื่อนปั๊มไม่สามารถผลักดันลูกสูบให้ไปข้างหน้าได้ มอเตอร์ก็จะหยุดหมุนและไหม้ได้ หรือไม่ก็ท่อด้านขาออกจะเกิดความเสียหายจากความดันที่สูงขึ้น การป้องกันจึงกระทำโดยการติดตั้งวาล์วระบายความดัน (relief valve) ไว้ทางด้านขาออกของปั๊ม
  
ปั๊มลูกสูบจะมีการขัดสีกันระหว่างลูกสูบกับกระบอกสูบ บริเวณนี้อาจต้องมีการหล่อลื่น สำหรับปั๊ม "บางแบบ" นั้น (เช่นปั๊มน้ำ) อาจจะให้ของเหลวที่ทำการปั๊มนั้นทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่น ดังนั้นจะต้องมีของเหลวรั่วไหลออกมาในปริมาณเล็กน้อยเพื่อหล่อลื่นและระบายความร้อนออกจากบริเวณที่มีการเสียดสี
  
จุดเด่นอีกข้อหนึ่งของปั๊มชนิดนี้คือความสามารถในการ "ล่อน้ำ" ด้วยตนเอง (self priming)

.๒ ไดอะแฟรมปั๊ม (Diaphragm pump)

การทำงานของไดอะแฟรมปั๊มเหมือนกับปั๊มลูกสูบ เพียงแต่ลูกสูบไม่มีการสัมผัสกับของเหลวโดยตรง แต่มีการติดตั้งแผ่นวัสดุที่มีความยืดหยุ่นคั่นเอาไว้ระหว่างลูกสูบกับของเหลว ดังนั้นสามารถป้องกันการรั่วไหลของสารที่ทำการปั๊มและป้องกันไม่ให้สารที่ใช้หล่อลื่นระหว่างลูกสูบกับกระบอกสูบเข้าไปปนเปื้อนสารที่ทำการปั๊มด้วย ปั๊มพวกนี้บางชนิดสามารถทำงานกับของเหลวที่สามารถกัดกร่อนโลหะได้เพราะตัวลูกสูบและกระบอกสูบที่ทำจากโลหะนั้นไม่ได้มีการสัมผัสกับของเหลวโดยตรง ในกรณีที่ของเหลวที่ทำการปั๊มนั้นมีของแข็งแขวนลอยอยู่ โอกาสที่ของแข็งที่แขวนลอยจะเข้าไปแทรกอยู่ในช่องว่างระหว่างกระบอกสูบและลูกสูบจะไม่มี ปั๊มพวกนี้ก็ให้พฤติกรรมการไหลเป็นจังหวะเช่นเดียวกับปั๊มลูกสูบ ตัวอย่างของปั๊มชนิดนี้แสดงไว้ในรูปที่ ๒
  
ข้อจำกัดของปั๊มพวกนี้อยู่ตรงที่วัสดุที่ใช้ทำแผ่นไดอะแฟรม ทำให้ไม่สามารถผลิตความดันได้สูงมาก และต้องคำนึงถึงของเหลวที่ใช้ในการปั๊มด้วยว่าจะเข้าไปทำลายวัสดุที่ใช้ทำแผ่นไดอะแฟรมหรือไม่ด้วย


รูปที่ ๒ ตัวอย่างไดอะแฟรมปั๊ม 2-stroke (2-stroke diaphragm pump) และโครงสร้าง (ขับเคลื่อนด้วยอากาศความดัน) ในภาพนี้ของเหลวถูกดูดเข้าทางช่องซ้ายและถูกอัดจ่ายออกไปทางช่องขวา
รูปจาก http://www.eninepump.com/diaphragmpump_2.html

.๓ เกียร์ปั๊ม (Gear pump)

เกียร์ปั๊มทำงานโดยอาศัยการขบกันของเฟืองสองตัว (ดูรูปที่ ๓) ของเหลวถูกกวาดไปตามช่องว่างระหว่างฟันเฟืองกับผนังปั๊ม ดังนั้นระยะห่างระหว่างผนังปั๊มกับขอบปลายสุดของฟันเฟืองนั้นส่งผลถึงความสามารถในการทำงานของปั๊ม เพราะถ้าช่องว่างนี้มากเกินไป ของเหลวจะรั่วไหลย้อนกลับแทนที่จะถูกกวาดไปข้างหน้า
  
เกียร์ปั๊มจะให้การไหลที่ราบเรียบกว่าปั๊มลูกสูบ และทำงานได้ดีกับของเหลวที่มีความหนืดสูง (พวกปั๊มหอยโข่งทำงานไม่ได้กับของเหลวความหนืดสูง) อัตราเร็วในการไหลของเกียร์ปั๊มขึ้นอยู่กับความเร็วรอบในการหมุนของเฟือง


รูปที่ ๓ การทำงานของเกียร์ปั๊ม (gear pump) รูปจาก http://bin95.com/ebooks/pump_types_ebook.htm

.๔ โรตารีปั๊ม (Rotary pump)

โรตารีปั๊มมีหลายรูปแบบ การทำงานนั้นคล้ายคลึงกับเกียร์ปั๊ม หรือเปรียบได้กับเกียร์ปั๊มที่ใช้ฟันเฟืองที่มีจำนวนฟันน้อยกว่า เช่นโรตารีปั๊มชนิด lobe ที่แสดงในรูปที่ ๔ จะคล้ายคลึงกับการทำงานของเกียร์ปั๊มที่แต่ละเฟืองมีฟันเฟืองแค่ ๓ ซี่
  
การทำงานของ Root blower ที่เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๕๓ วันพุธที่ ๒๖ ธันวาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "Root blower" เหมือนกับการทำงานของโรตารีปั๊มชนิด lobe เพียงแต่ root blower นั้นใช้เพิ่มความดันให้กับแก๊ส

รูปที่ ๔ โรตารีปั๊มชนิด lobe (rotary lobe pump) รูปจาก http://www.megator.com/RotaryLobePump.xml
รูปที่ ๕ โรตารีปั๊มชนิด vane (rotary vane pump) รูปจาก http://en.wikipedia.org/wiki/Rotary_vane_pump ในขณะที่โรเตอร์ (2) หมุนไปนั้น ของเหลวจะไหลเข้ามาทางช่องทางด้านซ้าย (ลูกศรสีฟ้า) ตัว vane (3) จะถูกสปริง (4) ดันออกมาให้สัมผัสกับตัวเรือน (1) ตลอดเวลา ของเหลวที่ทำการปั๊มจะอยู่ในช่องว่างระหว่างโรเตอร์ (2) vane (3) และตัวเรือน (1) จนกระทั่งถูกกวาดออกไปทางช่องทางออกทางด้านขวา (ลูกศรสีแดง)

.๕ สกรูปั๊ม (Screw pump)

สกรูปั๊มอาศัยการหมุนของแท่งสกรูในท่อทรงกระบอก (cylinder) ซึ่งอาจมีสกรูเพียงตัวเดียวหมุนอยู่ในกระบอก หรือมีสกรูสองตัวขบกับและหมุนอยู่ในกระบอกเดียวกัน การปั๊มด้วยสกรูนี้ใช้ได้ตั้งแต่ของเหลวที่มีความหนืดสูง (เช่นพลาสติกหลอมเหลวในเครื่อง extruder หรือเครื่องฉีดพลาสติก) วัตถุของแข็งที่เป็นผงละเอียดหรือชิ้นอ่อนนุ่ม (เช่นวัสดุผง หรือเนื้อบด) ไปจนถึงการอัดแก๊ส (มักเป็นแบบสกรูคู่ - twin screw compressor)
  
สกรูปั๊มใช้งานได้ดีกับของเหลวที่มีความหนืดสูงและต้องการปั๊มให้มีความดันสูง และยังให้การไหลที่ราบเรียบกว่าปั๊มลูกสูบ


รูปที่ ๖ สกรูปั๊ม (screw pump) รูปจาก http://tpypump.en.made-in-china.com

เกียร์ปั๊ม โรตารีปั๊มชนิด lobe และสกรูปั๊ม ให้การไหลที่ราบเรียบมากกว่าปั๊มลูกสูบ แต่จะให้ความดันในการอัดตัวที่ต่ำกว่า ปั๊มพวกนี้ทำงานกับของเหลวที่หนืดได้ดี และยังสามารถใช้กับพวกของเหลวกึ่งของแข็ง (เช่นครีม เจล) ของแข็งที่ผลักดันให้ไหลได้ (เช่นพวกผงอนุภาค เนื้อบด ฯลฯ ได้ดี)
  
.๖ ปั๊มรีดท่อ/ปั๊มรีดสายยาง (Peristaltic pump)

ปั๊มรีดท่อหรือปั๊มรีดสายยางนั้นเป็นปั๊มขนาดเล็ก การทำงานใช้ลูกกลิ้งกดรีดท่อที่ทำจากวัสดุพอลิเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นในการผลักดันให้ของเหลวไหลไปข้างหน้า ดังนั้นความสามารถในการผลิตแรงดันของปั๊มจึงขึ้นอยู่กับวัสดุพอลิเมอร์ที่ใช้ทำท่อ การปรับอัตราเร็วในการปั๊มจะใช้การปรับความเร็วรอบการหมุนของลูกกลิ้งกดรีดท่อเป็นหลัก 
   
ปั๊มพวกนี้มักใช้ในงานขนาดเล็ก เช่นในห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ หรือใช้กับระบบที่ต้องการเติมสารในปริมาณน้อย ๆ แต่ต้องการความแม่นยำสูง เช่นระบบเติมสารเคมีเพื่อปรับสภาพน้ำ


รูปที่ ๗ ปั๊มรีดท่อ/ปั๊มรีดสายยาง (peristaltic pump)
รูปจาก http://www.bluwhite.com/images/per_pumphead.jpg

. ปั๊มหอยโข่ง (Centrifugal pump)

ปั๊มหอยโข่งเป็นปั๊มที่ใช้งานกันมากที่สุดในการใช้งานทั่วไปและในอุตสาหกรรม ปั๊มประเภทนี้ทำงานโดยใช้ใบพัดดูดของเหลวเข้ามาตรงบริเวณแกนกลางใบพัด และเหวี่ยงออกไปทางขอบใบพัด ดังนั้นความดันที่ผลิตได้จะขึ้นอยู่กับรอบการหมุนและขนาดของใบพัด กล่าวคือรอบการหมุนที่สูงและขนาดใบพัดที่ใหญ่ก็จะทำให้ได้ความดันด้านขาออกมากขึ้น แต่ถ้าเทียบกับการอัดเพิ่มความดันในจังหวะเดียวแล้ว พวกปั๊มหอยโข่งจะสร้างความดันได้น้อยกว่าพวก positive displacemnet pump ดังนั้นถ้าต้องการผลิตความดันสูงโดยใช้ปั๊มหอยโข่ง จะต้องเลือกใช้ปั๊มชนิดที่มีขั้นตอนการอัดหลายขั้นตอน (multi stage) หรือใช้ปั๊มที่หมุนด้วยอัตราเร็วรอบที่สูง ข้อดีของปั๊มหอยโข่งคือจะให้รูปแบบการไหลที่ราบเรียบ
  
ปั๊มหอยโข่งไม่เหมาะกับของเหลวที่มีความหนืดสูง การใช้ปั๊มหอยโข่งในการสูบของเหลวที่มีอุณหภูมิใกล้จุดเดือดก็ต้องระวัง (เช่นใช้ในการสูบน้ำที่ได้จากการควบแน่นของไอน้ำเพื่อส่งกลับไปยังหม้อน้ำใหม่ หรือสูบของเหลวที่เดือดจากการต้ม) เพราะของเหลวนั้นอาจเกิดการเดือดเป็นไอขึ้นในตัวปั๊มในจังหวะที่ถูกดูดเข้า และไอนั้นเกิดการควบแน่นเป็นของเหลวได้ใหม่อีกครั้งในตัวปั๊มในจังหวะที่ถูกอัดตัว ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า cavitation แรงกระแทกที่เกิดจากการที่ไอควบแน่นเป็นของเหลวสามารถทำให้โลหะที่ใช้ทำตัวปั๊มสึกหรอได้ (ดู Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๘ วันพฤหัสบดีที่ ๔ มีนาคม ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๗ Net Positive Suction Head (NPSH)")

ในจังหวะที่ของเหลวไหลผ่านใบพัดนั้นของเหลวจะถูกปั่นกวนอย่างรุนแรง ในกรณีที่ใช้ปั๊มชนิดนี้สูบของเหลวที่ไม่ละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกันผสมกันอยู่เช่นใช้สูบน้ำทิ้งที่มีน้ำมันปนอยู่จากบ่อหนึ่งไปยังอีกบ่อหนึ่ง แรงตีจากใบพัดอาจทำให้น้ำที่ไหลผ่านปั๊มนั้น มีหยดน้ำมันเล็ก ๆ ที่เกิดจากการตีกวนของใบพัด กระจายตัวแขวนลอยอยู่ในน้ำได้เป็นเวลานาน โดยไม่มีการลอยแยกตัวขึ้นมาได้
  
ถ้าพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลด้านขาออกกับความต้านทานการไหลด้านขาออก จะพบว่าปั๊มตระกูล positive displacement จะให้การเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลที่ไม่มากเมื่อความต้านทานการไหลด้านขาออกเปลี่ยนไป แต่สำหรับปั๊มหอยโข่งแล้วอัตราการไหลจะตกลงได้มากถ้าแรงต้านด้านขาออกเพิ่มสูงขึ้น (ดูตัวอย่างความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลและความดันด้านขาออกของปั๊มหอยโข่งได้ใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๑ วันจันทร์ที่ ๑๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๕ Pump curve")


รูปที่ ๘ ภาพตัดขวางของปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) รูปจาก http://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_pump ของเหลวจะถูกดูดเข้าตรงกลางใบพัด และถูกเหวี่ยงออกไปในแนวรัศมีโดยทำมุมฉากกับทิศทางการไหลเข้ามา มุมระหว่างการไหลเข้าและการไหลออกส่งผลต่อความดันที่ได้ ใบพัดที่เป็นพวก axial flow (เช่นใบพัดเรือ หรือพัดลมที่ใช้ตามบ้าน) จะให้อัตราการไหลในแนวแกนสูงสุด แต่จะให้ความดันต่ำสุด ในขณะที่พวกที่เป็น radial flow (ไหลออกในแนวรัศมีเช่นในรูป) จะให้ความดันสูงสุด แต่ให้อัตราการไหลต่ำสุด


รูปที่ ๙ ปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าต่อตรงเข้ากับใบพัดปั๊ม (รูปแบบปรกติของการขับเคลื่อน) ของเหลวเข้ามาทางท่อแนวนอนขวาและออกทางท่อแนวดิ่งด้านบน

รูปที่ ๑๐ ปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ดีเซล สำหรับปั๊มน้ำดับเพลิงในอาคาร น้ำไหลเข้าทางท่อแนวราบด้านซ้าย ออกทางท่อแนวราบด้านขวา

รูปที่ ๑๑ self priming centrifugal pumpสำหรับจ่ายน้ำประปาให้อาคาร น้ำไหลเข้าทางท่อสีเหลืองแนวราบทางด้ายซ้าย ไหลออกในท่อแนวดิ่งทางด้านบน ปั๊มตัวนี้ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าผ่านสายพาน แต่พอไปดูข้างหลังปรากฏว่าไม่มีสายพานเชื่อมต่อระหว่างเพลามอเตอร์กับเพลาขับปั๊ม

ยังมีตอนที่ ๓ ต่ออีก ซึ่งเกี่ยวกับระบบขับเคลื่อนปั๊ม

ไม่มีความคิดเห็น: