ทำไมความแรงของปั๊มหอยโข่งจึงใช้หน่วยเป็นเฮด ไม่ใช้เป็นความดัน MO Memoir : Saturday 17 February 2567

ปั๊มมันมีด้านให้ของเหลวไหลเข้าและด้านให้ของเหลวไหลออก

ด้านให้ของเหลวไหลเข้าคือด้านดูด (suction) ด้านให้ของเหลวไหลออกคือด้านส่ง (discharge)

ความแรงของปั๊มที่พูดกันคือด้านส่ง

ถ้าเป็นปั๊มชนิด positive displacement ที่ความเร็วรอบการทำงานคงที่ อัตราการไหลก็จะคงที่ ไม่ว่าความดันด้านขาออกจะเป็นเท่าใด (ตราบเท่าที่มันยังทนความดันได้โดยไม่พัง)

ถ้าเป็นปั๊มชนิด centrifugal ความแรงด้านขาออกจะบอกเป็น ความสูงของลำของเหลวที่ปั๊มสามารถส่งขึ้นไปได้ (หน่วยเป็นระยะทาง) ที่เรียกว่า "head" (เฮด) กับอัตราการไหล โดยที่แม้ว่าความเร็วรอบการทำงานคงที่ อัตราการไหลจะเพิ่มขึ้นถ้าความต้านทานการไหลด้านขาออกลดลง

ปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) ทำงานด้วยการเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ของของเหลวที่ถูกเหวี่ยงออกไปจากใบพัด (velocity head) ให้กลายเป็นความดัน (pressure head) ที่ความเร็วรอบการหมุนคงที่ มวลของเหลวที่ถูกใบพัดเหวี่ยงออกไปก็จะคงที่ ไม่ขึ้นกับความหนาแน่นของของเหลว พลังงานจลน์ของของเหลวที่ใบพัดเหวี่ยงออกไปคือ (1/2)mv²

ส่วนของเหลวที่ถูกเหวี่ยงออกไปจากใบพัดนั้นจะออกไปพันต้วปั๊มได้มากน้อยเท่าใดก็ขึ้นอยู่กับความต้านทานด้านขาออก ถ้าความต้านทานด้านขาออกต่ำ มันก็ออกไปได้มาก ถ้าความต้านทานด้านขาออกสูง มันก็ออกไปได้น้อย ถ้าความต้านทานด้านขาออกสูงเกินกว่าพลังงานจลน์ที่ใบพัดผลิตให้ (เช่นระดับความดันด้านขาออกสูงเกินไป หรือวาล์วด้านขาออกปิดอยู่) ของเหลวที่ถูกใบพัดเหวี่ยงก็ออกไปไม่ได้ มันก็ไหลวนอยู่ในตัวปั๊ม พลังงานจลน์ที่ของเหลวรับเข้าไปก็กลายเป็นพลังงานความร้อนแทน ซึ่งถ้าสะสมมากเกินไปก็จะทำให้ของเหลวในปั๊มเดือดได้ (ถ้าเป็นปั๊มน้ำตามบ้านก็จะทำให้มอเตอร์ร้อนจัดจนหยุดทำงานได้)

เมื่อสัปดาห์ที่ผ่านมา เห็นการส่งต่อข้อความหนึ่งดังที่นำมาแสดงข้างล่าง

"ทำไมความแรงปั๊มถึงใช้หน่วยเป็น เมตร แทนที่จะใช้หน่วยความดัน ???

หน่วยความยาวเมตร (meters) ถูกใช้ในการบอกถึงความสามารถในการดูดน้ำขึ้นมาได้ที่สูงขนาดเท่าไหร่

คิดเหมือนว่าถ้าปั๊มสามารถสร้างแรงดันให้น้ำไหลสูงขึ้นจากพื้นที่ต่ำ ๆ ให้สูงขึ้น

เราก็จะบอกว่าปั๊มนั้นมีความสามารถในการดูดน้ำได้หน่วยเมตร (meters) ตามความสูงที่น้ำต้องการขึ้นไปได้นั่นเอง

ที่สำคัญมันทำให้คนทั่วไปนึกภาพออกได้ง่ายด้วย

ถ้าพูดว่าปั๊มนี้มีแรง 0.5 barg คนทั่วไปก็คงนึกภาพไม่ออกว่าแรงประมาณไหน

แต่ถ้าเราบอกปั๊มแรง 5 เมตร ทุกคนก็จะเห็นภาพเดียวกันคือปั๊มสามารถดันน้ำได้สูง 5 เมตร"

ความสามารถของปั๊มเราบอกกันด้วยความสามารถด้าน "ส่ง" ของปั๊ม ความหมายของการ "ส่งขึ้นที่สูง" กับ "ดูดขึ้นที่สูง" นั้นไม่เหมือนกัน

"การส่งขึ้นที่สูง" คือปั๊มอยู่ที่ระดับต่ำกว่า และส่งของเหลวไปยังระดับที่สูงกว่า

"การดูดขึ้นที่สูง" คือการที่ปั๊มอยู่ที่ระดับที่สูงกว่าระดับของเหลว และดูดของเหลวขึ้นมาจากระดับที่ต่ำกว่า

 

จริงอยู่ที่ว่าในทางวิศวกรรม เรามีการใช้ความสูงของลำของเหลว เช่น in. H₂O (นิ้วน้ำ), cm H₂O เซนติเมตรน้ำ), mm Hg (มิลลิเมตรปรอท) เป็นตัวบ่งบอกขนาดความดัน แต่ก็มักใช้กับระดับความดันที่สูงกว่าหรือต่ำกว่าบรรยากาศไม่มาก (เช่นความสามารถในการรับความดันที่สูงกว่าหรือต่ำกว่าบรรยากาศของ Tank, การควบคุมความดันในห้องปฏิบัติการให้สูงกว่าหรือต่ำกว่าความดันบรรยากาศเล็กน้อย) เพื่อให้ตัวเลขมันกลม ๆ (คือไม่มีจุดทศนิยม) ที่มีขนาดไม่ใหญ่และไม่เล็กเกินไป

แต่ในกรณีของปั๊มหอยโข่งที่บอกความสามารถในการส่งของเหลวด้านขาออกด้วยความสูงของลำของเหลว (ที่เรียกว่า Head หรือ เฮด) นั้น มันมีเหตุผลที่แตกต่างออกไป

สำหรับปั๊มหอยโข่งตัวหนึ่งนั้น ความสูงที่ปั๊มสามารถส่งของเหลวขึ้นไปได้จะไม่ขึ้นกับความหนาแน่นของของเหลวนั้น คือไม่ว่าของเหลวจะมีความหนาแน่นมากน้อยเท่าใด มันก็ส่งขึ้นไปได้สูงเท่ากัน (ดูคำอธิบายในรูปข้างบนประกอบ) เช่นปั๊มตัวหนึ่งมีเฮดสูงสุด 50 เมตร เมื่อนำมาใช้ส่งของเหลวมีค่า specific gravity (sp. gr.) 0.7, 1.0 หรือ 1.2 มันก็ส่งของเหลวเหล่านี้ขึ้นไปได้สูงแค่ 50 เมตรเท่ากันหมด แต่ความดันด้านขาออกของปั๊มจะเป็น 3.5, 5 และ 6 kg/cm² ตามความหนาแน่นของของเหลวที่เพิ่มขึ้น

ดังนั้นการบอกความแรงด้วยความดันด้านขาออกจึงอาจทำให้เข้าใจความแรงของปั๊มคลาดเคลื่อน ถ้าของเหลวที่ใช้ในการแปลงหน่วยเฮดเป็นความดันนั้นมีความหนาแน่นแตกต่างจากของเหลวที่ใช้งานจริง เขาจึงบอกความสามารถของปั๊มในรูป Head (เฮด) คือบอกให้รู้ว่าปั๊มตัวนั้นสามารถส่งของเหลวขึ้นไปได้สูงเท่าใด (หน่วยเป็นระยะทาง) แทน

การส่งของเหลวจากระบบความดันต่ำไปยังระบบความดันสูง (แม้ว่าระบบทั้งสองจะอยู่ที่ระดับความสูงเดียวกันจากพื้น) จึงต้องแปลงค่าเฮดของปั๊มให้กลายเป็นความดันด้วยความหนาแน่นของของเหลวที่ต้องการส่ง จึงจะรู้ว่าปั๊มตัวนั้นสามารถที่จะทำการส่งของเหลวนั้นได้หรือไม่ อย่างเช่นจากตัวอย่างข้างบน ที่เป็นกรณีของปั๊มที่มีเฮดสูงสุด 50 เมตร ถ้าต้องการส่งของเหลวจากความดันบรรยากาศเข้าไปในถังที่มีความดันภายใน 4 kg/cm² จะเห็นว่าถ้าของเหลวมีความหนาแน่นต่ำถึงระดับหนึ่ง ความดันด้านขาออกที่ปั๊มสร้างได้จะไม่เพียงพอที่จะดันของเหลวเข้าไปในถัง