ปั๊ม (Pump)

บทนำ

บทความนี้จะอธิบายถึงหลักการทำงาน หลักการควบคุมและการปรับปรุงประสิทธิภาพของปั้ม รวมถึงแนวทางในการอนุรักษ์พลังงานในระบบดังกล่าว เพื่อเป็นการลดต้นทุนในการผลิต ในที่นี้จะศึกษาถึง ประเภท หลักการทำงาน คุณลักษณะ และสมรรถภาพของปั้ม รวมทั้งวิธีการควบคุมที่ถูกต้อง และแนวทางการอนุรักษ์ในระบบต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง

1. ประเภทและหลักการทำงานของ ปั๊ม
(TYPE AND PRINCIPLE OF OPERATION OF PUMP)

ปั๊ม (Pump)มีการประยุกต์ใช้กันอย่างกว้างขวาง ซึ่งถูกนำมาใช้งานในหลายๆ ด้าน ส่วนขนาดก็มีตั้งแต่ร้อยกว่าวัตต์จนถึง 6,000 kW ประเภทของปั๊มที่มีการนำมาใช้งานจริงนั้น สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ลักษณะดังนี้

1.1 ปั๊มแบบแรงเหวี่ยง (Centrifugal Pump)

เป็นปั๊มประเภทที่สามารถผลิตเฮดน้ำ โดยการเพิ่มความเร็วของของน้ำซึ่งได้จากการหมุนของใบพัดไปตามตัวเรือนของปั๊ม อัตราการไหลของน้ำจะแปรผันตามความดันด้านขาออก (Discharge) เช่น End suction pump, In-line pump, Double suction pump, Vertical multistage pump, Horizontal multistage pump, Submersible pumps, Self-priming pumps, Axial-flow pumps, และ Regenerative pumps

1.2 ปั๊มแบบปริมาตรแทนที่เชิงบวก (Positive Displacement Pump)

เป็นปั๊มประเภทที่ให้น้ำเข้าไปแทนที่อยู่ในปริมาตรในเรือนปั๊มอย่างต่อเนื่อง ซึ่งจะสามารถให้อัตราการไหลของน้ำที่คงที่ ถึงแม้ว่าความดันด้านขาออก (Discharge) จะมีการแปรผัน เช่น Reciprocating pumps, Power pumps, Steam pumps, และ Rotary pumps

ตารางที่ 1 ประเภทและหลักการทำงานของปั๊ม

ปั๊มทำหน้าที่ในการสูบของเหลว จากจุดที่มีเฮดกดดันต่ำ (Low pressure head) โดยส่งของเหลวดังกล่าวออกไปตามระบบท่อ ด้วยเฮดความกดดันที่สูงกว่าเดิม (High pressure head) การที่จะให้ของไหลไหลจากจุดที่มีเฮดกดดันต่ำกว่าไปยังจุดที่มีเฮดความกดดันสูงนั้น จะต้องใช้ใบพัดปั๊มทำหน้าที่ในการถ่ายทอดพลังงานกลให้แก่ของไหลนั้นๆ เพื่อที่จะทำให้ของไหลมีพลังงานที่จะใช้ขับเคลื่อนตัวเอง โดยสามารถเอาชนะความต้านทานต่อการไหลภายในระบบนั้น ปั๊มจะสูบของไหลจากทางด้านดูด (suction) และออกทางด้านส่ง (delivery) โดยรับพลังงานจากเครื่องต้นกำลัง อาทิ เครื่องยนต์ มอเตอร์ไฟฟ้า เป็นต้น

สามารถจำแนกประเภทของปั้มตามลักษณะการทำงาน ได้เป็น 4 ลักษณะ คือ

(1) แบบแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (Centrifugal pump)
(2) แบบโรตารี่ (Rotary pumps)
(3) แบบเลื่อนชัก หรือแบบลูกสูบ (Reciprocating pump)
(4) แบบพิเศษ (Specialized pumps)

(1) แบบแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (Centrifugal pump)

ปั๊มประเภทนี้นิยมใช้อย่างแพร่หลายในการสูบน้ำ นม สารหล่อลื่น สารละลายเคมี วัสดุทางการเกษตรที่ใช้ในการแปรรูป เป็นต้น มีประสิทธิภาพในการสูบสูงถึง 90 % และยังให้ทำงานที่ระดับความดันสูงได้ ชิ้นส่วนที่หมุนอยู่ภายในเรือนปั๊มเรียกว่าโรเตอร์ (rotor) หรือใบพัด (Impeller) จะเป็นตัวทำให้เกิดการขับดันของไหล ตัวแพ่รกระจายน้ำ (Diffuser) เป็นส่วนที่อยู่กับที่ ทำหน้าที่ในการเปลี่ยนเฮดความเร็ว (Velocity head) เป็นความดันสถิตย์ (Static pressure) ของไหลที่ถูกสูบจะไหลผ่านเข้าสู่ช่องทางเข้าซึ่งขนานกับแกนเพลาแล้วถูกเหวี่ยงออกไปตามแนวรัศมีของใบพัดหรือโรเตอร์

กลไกการส่งผ่านพลังงานในโรเตอร์หรือใบพัด เป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของของไหล ก่อให้เกิดความแตกต่างความดันภายในระบบทำให้เกิดการไหลในแนวเส้นรอบวง (Tangentail flow) เป็นผลให้เกิดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (Centrifugul force) ทำให้เกิดการไหลจากจุดศูนย์กลางของใบพัดของใบพัดออกไปสู่แนวเส้นรอบวงทุกทิศทางออกไปทางท่อส่ง ดังนั้น ของไหลที่ถูกขับดันออกมาก็จะมีทิศทางการไหลที่เกิดจากผลรวมของแรงทั้งสอง ดังรูป

รูปที่ 1 แสดงทิศทางการไหลของของไหลขณะผ่านออกจากใบพัดของ Centrifugal pump

รูปที่ 2 แสดงลักษณะทั่วๆไปของ Centrifugal pump

(1.1) ปั๊มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบ Volute

เป็นปั๊มประเภทแรงดันต่ำ ให้ความดันด้านปล่อยน้อยกว่า 30 เมตรของน้ำ ครีบใบพัดจะหมุนและเหวี่ยงของไหลออกไปสู่ Volute ดังรูป

รูปที่ 3 แสดงเครื่องสูบแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบ Volute

ในกรณีที่ใบพัดหมุนจะเกิดแรงในแนวรัศมีขึ้น ซึ่งจะมีผลกระทำต่อเพลาของใบพัด อาจทำให้เพลาได้รับความเสียหายได้ จึงออกแบบให้เครื่องสูบมีช่องเพิ่มขึ้นเป็นสองช่อง (Double volute) ดังรูป

รูปที่ 4 แสดงปั๊มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบ Double volute

(1.2) ปั๊มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบ Diffuser

เป็นปั๊มประเภทแรงดันปานกลาง (สูงกว่าแบบ Volute) มีลักษณะเหมือนกับปั๊มแบบ Volute แต่จะมีแผ่นกระจายของไหล (Guide vane) ติดอยู่รอบๆเรือนของปั๊มและยังทำหน้าที่ควบคุมทิศทางการไหลของของไหล เพื่อที่จะทำให้เกิดความดันที่สูงขึ้น

รูปที่ 5 แสดงปั๊มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบ Diffuser

(1.3) ปั๊มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบ Regenerative Turbine

เป็นปั๊มประเภทแรงดันสูง ภายในมีชุดใบพัดหลายใบติดอยู่บนเพลาเดียวกัน ใบพัด 1 ชุด เรียกว่า 1 สเตจ ของไหลที่ถูกสูบเมื่อไหลออกมาจากสเตจที่หนึ่งก็จะถูกส่งไปยังสเตจต่อๆไป ทำให้ของไหลมีความดันสูงขึ้น

รูปที่ 6 แสดงปั๊มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบ Regenerative Turbine

(1.4) ปั๊มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบ Axial flow

ปั๊มแบบนี้ของไหลจะไหลในแนวแกนเพลา สามารถใช้ได้กับของไหลที่มีสารแขวนลอยปะปนมาด้วย นิยมใช้มากในโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆ ซึ่งต้องการเฮดความดันต่ำๆ แต่มีอัตราการไหลสูง

รูปที่ 7 แสดงปั๊มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบ Axial flow

(1.5) ปั๊มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบ Mixed flow

ปั๊มแบบนี้จะทำให้การไหล ทั้งในแนวแกนและในแนวรัศมีของใบพัด ซึ่งจะทำให้เกิดแรงในแนวรัศมีและแรงในแนวแกนขึ้น ซึ่งจะช่วยในการขับดันของไหล นิยมใช้กับงานที่ต้องการเฮดความดันต่ำๆ แต่มีอัตราการไหลสูง

  รูปที่ 8 แสดงปั๊มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบ Mixed flow

(2) แบบโรตารี่ (ROTARY PUMPS)

ทำงานโดยอาศัยหลักการแทนที่ของเหลว ภายในห้องของตัวปั๊มด้วยการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วน ซึ่งหมุนเพื่อทำให้เกิดความแตกต่างของความดันภายในระบบ ของเหลวจะถูกดูดเข้าและอัดทำให้เกิดแรงดันสูงขึ้นแล้วปล่อยออกมาทางด้านปล่อย ชิ้นส่วนที่หมุนดังกล่าวเรียกว่า โรเตอร์ การหมุนของโรเตอร์ จะก่อให้เกิดการแทนที่ของของเหลวขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้ของไหลที่ไหลผ่านปั๊มมีอัตราการไหลอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา

ปั๊มแบบนี้จะมีอัตราการสูบต่ำกว่าปั๊มประเภทอื่นๆ เนื่องจากอัตราการแทนที่ของเหลวมีค่าต่ำโดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพประมาณ 80 – 85 % ขึ้นอยู่กับการสูญเสียเนื่องจากความเสียดทาน และคุณลักษณะของของไหลที่ใช้สูบ

(3.1) ปั๊มเลื่อนชักแบบขับดันโดยตรง (Direct Acting)

ปั๊มแบบนี้จะใช้น้ำมันไฮดรอลิกส์หรือไอน้ำ เป็นตัวเพิ่มพลังงานให้แก่ลูกสูบเคลื่อนที่อัดของไหลให้มีความดันสูงขึ้น ลักษณะการสร้างจะมี 2 แบบ คือ แบบลูกสูบเดียว (Simplex) และแบบสองสูบ (Duplex) รูปที่ 13 แสดงภาพปั๊มเลื่อนชักแบบ Duplex ด้านซ้ายของภาพเป็นส่วนที่ไอน้ำเข้า และด้านขวาเป็นส่วนที่ของไหลออก

รูปที่ 14 ปั๊มเลื่อนชักแบบขับดันโดยตรง

(3.2) ปั๊มเลื่อนชักแบบกำลัง (power)

ปั๊มแบบนี้จะใช้พลังงานจากภายนอก มาใช้ในการขับสูบ พลังงานดังกล่าวได้จากเครื่องยนต์หรือมอเตอร์เป็นเครื่องต้นกำลัง ถ่ายทอดกำลังโดยสายพานหรือเพลา ที่ความเร็วคงที่ปั๊มแบบนี้จะสูบของไหลได้ในอัตราที่เกือบคงที่ ปั๊มแบบนี้จะให้แรงดันขับที่สูง ดังนั้นในการติดตั้งสูบประเภทนี้จะต้องติดตั้งลิ้นระบายความดัน เพื่อช่วยป้องกันระบบท่อส่งและตัวปั๊มไม่ให้ได้รับความเสียหาย เนื่องจากแรงดันที่สูงเกินไป

รูปที่ 15 แสดงปั๊มเลื่อนชักแบบกำลัง

(3.3) ปั๊มเลื่อนชักแบบไดอะแฟรม

ปั๊มแบบนี้จะมีแผ่นไดอะแฟรมทำด้วยอโลหะ ซึ่งมีความหยุ่นตัวและแข็งแรงจะทำหน้าที่ในการดูดและอัดของไหลให้มีความดันสูงขึ้น แผ่นไดอะแฟรมจะถูกยึดติดอยู่กับที่ นิยมใช้กับงานที่อัตราการสูบไม่มากนัก และของไหลมีสารแขวนลอยปะปนมาด้วย

รูปที่ 16 แสดงปั๊มเลื่อนชักแบบไดอะแฟรม

(4) แบบพิเศษ (SPECIALIZED PUMPS)

ปั๊มแบบพิเศษ เป็นปั๊มที่มีลักษณะพิเศษนอกเหนือไปจากปั๊มแบบต่างๆ ที่กล่าวมาข้างต้น ปัจจุบันปั๊มแบบพิเศษที่ใช้อย่างแพร่หลายมีดังนี้

(4.1) ปั๊มพิเศษแบบ Canned

ปั๊มแบบนี้มีคุณสมบัติพิเศษกว่าแบบต่างๆ คือ สามารถป้องกันการรั่วไหลของของไหลได้อย่างสมบูรณ์ ภายในเรือนปั๊มจะมี Impeller rotor หมุนขับดันของไหล โดยได้รับกำลังงานจากมอเตอร์

รูปที่ 17 แสดงปั๊มพิเศษแบบ Canned

(4.2) ปั๊มพิเศษแบบ Intermediate Temperature

ปั๊มแบบนี้ใช้ในการขับดันของไหลซึ่งมีอุณหภูมิสูงประมาณ 300 °C ชิ้นส่วนภายในปั๊มถูกออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อสามารถทำให้ทนทานต่อความร้อนจากของไหลที่จะใช้สูบได้

รูปที่ 18 แสดงปั๊มพิเศษแบบ Intermediate Temperature

(4.3) ปั๊มพิเศษแบบ Turbo

ปั๊มแบบนี้เป็นการนำเอากังหันไอน้ำ (Steam turbine) มาใช้ในการขับเคลื่อนปั๊มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง ปั๊มแบบนี้นิยมใช้กับงานที่ต้องการความดันด้านปล่อยสูง มีทั้งแบบหนึ่งสเตจหรือสองสเตจ

รูปที่ 19 แสดงปั๊มพิเศษแบบ Turbo

(4.4) ปั๊มพิเศษแบบ Cantilever

ปั๊มแบบนี้จะติดตั้งในแนวดิ่งใช้กับงานที่ไม่ต้องการให้ชุดแบริ่งหรือชิ้นส่วนภายในสัมผัสกับของไหลที่ใช้ในการสูบ เนื่องจากปั๊มแบบนี้ได้ออกแบบให้ชุดใบพัดยึดติดกับเพลาขับโดยไม่มีแบริ่งในตัวปั๊ม

รูปที่ 22 คุณลักษณะของปั๊ม

รูปที่ 23 ลักษณะของใบพัดกับความเร็วจำเพาะ

ในการเลือกปั๊ม เมื่อพิจารณาความเร็วจำเพาะจากเงื่อนไขของ Q และ H จะสามารถระบุแนวทางได้ว่าจะเลือกประเภทใด

ปั๊มนั้นไม่จำกัดว่าจะถูกเดินเครื่องด้วยเงื่อนไขคงที่ตลอดเวลาหรือ จะพิจารณาสภาพการเดินเครื่องที่สภาวะไหนก็ตาม การเดินเครื่องจะมีเสถียรภาพเสมอ ซึ่งสามารถแสดงสภาพทั้งหมดของระบบปั๊มที่รวมถึงวาล์วน้ำเข้าและวาล์วน้ำออก และการเดินท่อก่อนและหลังปั๊มอยู่ในสภาพที่สมดุล ในสภาพสมดุลนี้ เฮดรวมของปั๊ม จะเท่ากับผลบวกระหว่างเฮดจริง ซึ่งเท่ากับผลต่างของระดับน้ำขาเข้าและด้านขาออก กับเฮดสูญเสีย เช่น ความสูญเสียของแรงเสียดทานในท่อ ดังนั้น ดังที่แสดงไว้ในรูปที่ 24 จุดเดินเครื่องของปั๊มนั้น จะระบุได้ด้วยจุดตัดของเส้นกราฟเฮดรวมของปั๊มกับเส้นกราฟความต้านทานของท่อ (เฮดจริง + เฮดสูญเสีย)

รูปที่ 24 จุดการเดินเครื่องของปั๊ม

กฎการแปรผันและกฎความคล้ายของพัดลมและปั๊ม

อัตราไหลของของไหลจะแปรผันตามความเร็วรอบของปั๊ม ความดันสูญเสียในท่อน้ำที่ต่ออยู่กับปั๊ม จะแปรผันตามกำลังสองของความเร็วของกระแส (ความเร็ว) นั่นคือแปรผันตามอัตราไหลกำลังสองนั่นเอง ดังนั้นหากความเร็วรอบเปลี่ยนแปลง ความดันจะแปรผันตามกำลังสองของความเร็วรอบ และกำลังขับเพลาจะแปรผันตามกำลังสามของความเร็วรอบ ความสัมพันธ์นี้เรียกว่ากฎการแปรผัน ซึ่งแสดงได้ด้วยสูตรต่อไปนี้

รูปที่ 26 การเดินเครื่องขนานและอนุกรมปั๊ม

3. การควบคุมการทำงานของ ปั๊ม
(OPERATION CONTROL OF PUMP)

ในการใช้งาน กรณีที่เดินเครื่องปั๊มที่อัตราไหลใกล้เคียงกับขนาดพิกัด โดยที่ไม่จำเป็นต้องปรับอัตราไหล ปรับแรงดัน และเดินเครื่องด้วยความเร็วคงที่ก็เพียงพอแล้ว ทั้งยังมีปัญหาน้อยในการเดินเครื่องที่มีภาระต่ำ จึงใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟสแบบกรงกระรอก โมเมนต์ความเฉื่อยของปั๊มเองก็มีไม่มาก ซึ่งหากสตาร์ทเครื่องในสภาพที่ปิดวาล์วขาออก ในกรณีของ centrifugal pump จะไม่มีปัญหาใดๆ เป็นพิเศษ แต่สำหรับปั๊มที่มีความเร็วจำเพาะสูง เมื่อเดินเครื่องในสภาพที่ปิดวาล์วขาออก ก็จะมีบางตัวที่ใช้กำลังขับเพลามากเกินกว่า 200% ดังในรูปที่ 1.55 ปั๊มลักษณะนี้จะต้องสตาร์ทโดยปิดวาล์วขาออก แล้วเปิดวาล์วไปพร้อมๆ กับเร่งความเร็ว หากเดินเครื่องปั๊มด้วยความเร็วแปรผันโดยใช้อินเวอร์เตอร์ จะทำให้ปัญหาในตอนสตาร์ทหมดไป ทั้งยังมีประสิทธิภาพในการอนุรักษ์พลังงานดังที่จะอธิบายในหัวข้อต่อไป ในกรณีที่ต้องหยุดและสตาร์ทเครื่องบ่อยๆ หรือในกรณีที่จำเป็นที่จะต้องสตาร์ทเครื่องด้วยแรงดันต่ำ จำเป็นที่จะต้องพิจารณาให้ดี ซึ่งรวมถึงการนำการขับเคลื่อนด้วยความเร็วแปรผันด้วยอินเวอร์เตอร์มาใช้ด้วย

รูปที่ 27 ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วจำเพาะ Ns กับ กำลังขับเพลา

ในกรณีที่จำเป็นต้องปรับอัตราไหลและแรงดัน หรือใช้งานที่อัตราไหลที่มีการเปลี่ยนแปลงมาก หากเดินเครื่องปั๊มโดยใช้ความเร็วที่ปรับเปลี่ยนได้ จะทำให้มีประสิทธิภาพอย่างมากในการอนุรักษ์พลังงาน ดังนั้น การขับเคลื่อนด้วยที่ปรับค่าได้โดยอาศัยอินเวอร์เตอร์จึงเป็นที่แพร่หลายอย่างรวดเร็ว ข้อดีของการขับปั๊มแบบอินเวอร์เตอร์มีดังต่อไปนี้

- ลดกำลังการเดินเครื่องเมื่อมีภาระไม่เต็มพิกัด
- ลดความสูญเสียจากการหรี่วาวล์ เพื่อปรับอัตราไหล
- การควบคุมความดันและอัตราไหลต่างๆ ทำได้สะดวก
- สามารถทำการสตาร์ทและหยุดบ่อยๆ ได้

(1) การควบคุมความดันและอัตราไหล และการอนุรักษ์พลังงานจากการเดินเครื่องด้วยความเร็วแปรผัน

สำหรับวิธีดำเนินการเพื่อควบคุมความดันและอัตราไหลนั้น วิธีที่เป็นไปได้ประกอบด้วย

(a) การปรับวาล์วขาออกและวาล์วปรับ

(b) การควบคุมความเร็ว หรือการปรับความเร็วรอบมอเตอร์

(c) การควบคุมจำนวนเครื่อง การควบคุมจำนวนเครื่องนั้น เป็นวิธีการที่เป็นขั้นตอน ซึ่งในการที่จะทำการควบคุมอย่างต่อเนื่องนั้น จำเป็นที่จะต้องใช้ควบคู่ไปกับวิธีการที่เหลืออย่างใดอย่างหนึ่ง

Bibliography
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. (2004). ตอนที่ 4 บทที่ 1 ระบบอัดอากาศ ปั๊มน้ำ และพัดลม. In ตำราฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส (ผอส.) ด้านความร้อน (pp. 1-1 - 1-72).