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
(2.1) ปั๊มโรตารี่แบบเกียร์ (Gear type)
นิยมใช้กันแพร่หลาย ของเหลวจะถูกสูบด้วยอัตราคงที่ ทำให้การไหลเป็นไปอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา เหมาะกับงานที่ต้องการสูบของเหลวที่มีความหนืดสูง เช่น ในระบบไฮดรอลิกส์ ในระบบหล่อลื่นของเครื่องยนต์ทั่วๆไป เป็นต้น ภายในตัวเรือนประกอบด้วยเฟืองเกียร์ 2 ตัว หมุนขบกันอยู่ ซึ่งง่ายต่อการซ่อมแซม ทำความสะอาด และสามารถถอดประกอบได้ง่าย ประสิทธิภาพการทำงานของปั๊มประเภทนี้ค่อนข้างสูง เมื่อทำงานกับของไหลที่มีคุณสมบัติเป็นสารหล่อลื่น
ปั๊มประเภทนี้แบ่งย่อยตามลักษณะการจัดเก็บเฟืองเกียร์เป็น 2 ลักษณะ ดังรูป
รูปที่ 9 External Gear Pump
รูปที่ 10 แสดง Internal Gear Pump
จากรูปที่ 10 แสดงปั๊มโรตารีแบบเกียร์ จะเห็นได้ว่าจำนวนและขนาดฟันเกียร์จะมีผลต่ออัตราการไหลของของไหลโดยที่ปั๊มประเภทนี้ใช้กับงานที่อัตราการไหลของของไหลไม่มากนัก
(2.2) ปั๊มโรตารีแบบลอน
ปั๊มแบบนี้จะมีลักษณะคล้ายคลึงกับปั๊มแบบ External Gear Pump นอกจากว่าจำนวนลอน (Lobe) จะมีจำนวนน้อยกว่าและมีขนาดใหญ่กว่า ซึ่งจะมีผลทำให้สามารถสูบของไหลได้ในปริมาณที่มากกว่า แต่อัตราการไหลจะไม่ค่อยคงที่
ก. แสดง Single – lobe rotary
ข. แสดง Three – lobe rotary
ค. แสดง Four –lobe rotary
รูปที่ 11 แสดงปั๊มโรตารีแบบลอน
(2.3) ปั๊มโรตารีแบบเกลียว
ภายในปั๊มโรตารีแบบเกลียว (Screw) นี้ ภายในจะมีลักษณะเป็นเกลียวหมุนขบกัน การหมุนขบกันของเกลียวจะทำให้เกิดความแตกต่างของแรงดันขึ้นภายในระบบ ทำให้สามารถขับดันให้ของไหลเกิดการเคลื่อนที่ได้
ก. แสดง Single – screw rotary
ข. แสดง Two – screw rotary
ค. แสดง Three – screw rotary
รูปที่ 12 แสดงปั๊มโรตารีแบบเกลียว
(2.4) ปั๊มโรตารีแบบแผ่นกวาด
ปั๊มโรตารีแบบแผ่นกวาด (Vane) ภายในปั๊มจะมีครีบหรือแผ่นกวาด ซึ่งสามารถเลื่อนเข้า-ออก ได้ภายในเรือนปั๊ม แรงจากการหมุนของแผ่นกวาดจะทำให้ของไหลถูกขับดันและเกิดการเคลื่อนที่ ส่วนปลายของแผ่นกวาดจะสัมผัสกับผนังของเรือนปั๊มอยู่ตลอดเวลา ในขณะที่หมุนกวาดอยู่ภายในเรือนปั๊มจะทำให้ส่วนปลายของแผ่นกวาดเกิดการสึกหรอเร็ว แต่ไม่มีผลกระทบต่อการลดลงของความดันภายระบบเพราะว่า แผ่นกวาดสามารถที่จะเลื่อนออกมาจนสัมผัสกับผนังของเรือนปั๊มได้เหมือนเดิม
ก. แสดง Sliding vane rotary
ข. แสดง External vane rotary
รูปที่ 13 แสดงปั๊มโรตารีแบบแผ่นกวาด
(3) ปั๊มแบบเลื่อนชักหรือแบบลูกสูบ (RECIPROCATING PUMPS)
ปั๊มแบบเลื่อนชักจะมีลักษณะการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาโดยมีลูกสูบทำหน้าที่ในการอัดของไหลภายในกระบอกสูบให้มีความดันสูงขึ้น ด้วยการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาเหมาะสำหรับสูบของไหลในปริมาณที่ไม่มากนัก แต่ต้องการเฮดในระบบที่สูง ของเหลวที่ใช้ปั๊มประเภทนี้จะต้องมีความสะอาดเพียงพอที่ไม่ทำให้ชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ภายในกระบอกสูบเกิดการสึกหรอที่เร็วขึ้น การอัดตัวของของไหลแต่ละครั้งจะเป็นจังหวะตามการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาของสูบไม่มีการต่อเนื่องกันจึงทำให้ การไหลของของไหลมีลักษณะเป็นห้วงๆ (pulsation)
(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
(4.5) ปั๊มพิเศษแบบ Vertical turbine
ปั๊มแบบนี้จะใช้กับงานสูบน้ำบาดาลที่มีความลึกมากๆ ดังนั้นจึงมีหลายสเตจในเพลาขับเดียวกัน เพื่อที่จะเพิ่มความดันของของไหลให้มีค่าสูงขึ้นในแต่ละสเตจ ทำให้สามารถสูบน้ำจากก้นบ่อที่มีความลึกมาสู่ปากบ่อบนพื้นดินได้
รูปที่ 20 แสดงปั๊มพิเศษแบบ Cantilever
รูปที่ 21 แสดงปั๊มพิเศษแบบ Vertical turbine
2. คุณลักษณะและสมรรถนะการทำงานของปั๊ม
(CHARACTERISTICS AND PERFORMANCE OF PUMP)
คุณลักษณะเมื่อเดินเครื่องปั๊มด้วยความเร็วรอบคงที่แสดงไว้ในรูป 22 โดยถือว่า อัตราไหล เฮด ประสิทธิภาพกำลังขับเพลาที่จุดประสิทธิภาพสูงสุด (จุดอ้างอิง) เท่ากับค่าอ้างอิง (100%) ณ จุดอ้างอิงในรูปข้างต้น เมื่อกำหนดให้
Q : ปริมาณน้ำออก ณ จุดอ้างอิง [CMM] แต่ในปั๊มแบบดูดเข้าสองข้างนั้น ให้เท่ากับ (1/2) Q
H : เฮดจริง ณ จุดอ้างอิง [m] แต่ในกรณีของปั๊มหลายชั้น จะให้เป็นค่าของแต่ละชั้น
N : ความเร็วรอบ [rpm]
ในกรณีนี้ จะเรียกค่าความเร็วจำเพาะ Ns ตามสูตรต่อไปนี้
ความเร็วจำเพาะเป็นสิ่งที่ขึ้นกับลักษณะของใบพัด ดังจะเห็นได้จากสูตรว่า ยิ่งปั๊มที่มีอัตราไหลสูงและมีเฮดต่ำ (เช่น axial flow pump) Ns จะมีค่ามากขึ้น และยิ่งปั๊มที่มีอัตราไหลต่ำและมีเฮดสูง (เช่น turbine pump) Ns จะมีค่าน้อยลง รูป 23 แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ของความเร็วจำเพาะกับลักษณะของใบพัด
เมื่อเปลี่ยนความเร็วรอบของปั๊ม ทั้งอัตราไหลและเฮดจะเปลี่ยนไปด้วย แต่จากการที่ Ns มีค่าคงที่ ความสัมพันธ์พื้นฐาน ของปั๊มจึงมีดังต่อไปนี้ โดย P เท่ากับกำลังขับเพลา
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
ในสูตรข้างต้น V1, V2 แทนอัตราไหล n1, n2 แทนความเร็วรอบ P1, P2 แทนความดัน W1, W2 แทนกำลังขับเพลา
นอกจากนี้ เมื่อเดินเครื่องปั๊มที่มีลักษณะคล้ายกันภายใต้สภาวะที่คล้ายกัน (เช่น จุดที่มีประสิทธิภาพสูงสุด) และสมมติว่าประสิทธิภาพของปั๊มเท่าเดิมแล้ว การไหลภายในปั๊มทั้งหมดจะมีลักษณะคล้ายกัน โดยความสัมพันธ์ระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลาง D ความเร็วรอบ n กับอัตราไหล ความดัน และกำลังขับเพลาจะคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้ซึ่ง เรียกว่า กฎความคล้ายของปั๊ม
กฎการแปรผันและกฎความคล้ายบอกเราว่าหากเรามีปั๊มหรือพัดลมที่มีกำลังมากเกินไป (มีขนาดใหญ่เกินไป) ไม่เพียงแต่การลดขนาดท่อลมหรือท่อน้ำเพื่อให้เกิดแรงต้านมากขึ้นเท่านั้น แต่หากเราเปลี่ยนขนาดของพัดลมหรือปั๊ม (ใบพัด) หรือความเร็วรอบ ก็สามารถลดการใช้พลังงานลงอย่างมีประสิทธิผลอีกด้วย วิธีการนี้เป็นกลวิธีอนุรักษ์พลังงานที่สำคัญอย่างหนึ่งในการเลือกใช้หรือดัดแปลงอุปกรณ์ที่ทำงานด้วยของไหล
รูปที่ 25 เฮดของปั๊ม
การเดินเครื่องขนานและการเดินเครื่องอนุกรม
ในอุปกรณ์จริงๆ บ่อยครั้งที่เราต้องเดินเครื่องปั๊มและพัดลมแบบขนานหรืออนุกรมเพื่อรองรับคุณลักษณะของภาระการใช้งาน ในที่นี้จะอธิบายจุดเดินเครื่องเมื่อเดินเครื่องขนานและเดินเครื่องอนุกรมโดยใช้เส้นกราฟคุณลักษณะ
กรณีที่เดินเครื่องขนานและเดินเครื่องอนุกรม เราต้องนำคุณลักษณะของปั๊มมาคำนวณประกอบกันเป็นคุณลักษณะลัพธ์ โดยใช้หลักการว่าในการเดินเครื่องขนาน ปั๊มแต่ละตัวจะมีความดันเท่ากัน และในการเดินเครื่องอนุกรม ปั๊มแต่ละตัวจะมีอัตราไหลเท่ากัน ในกรณีที่ต่อขนานปั๊มที่มีความจุ (capacity) เท่ากัน 2 ตัว ความจุรวมจะเท่ากับอัตราไหลของปั๊ม 2 ตัวบวกกันตามรูปที่ 26 (a) และในกรณีที่ต่ออนุกรมปั๊ม 2 ตัว จะเท่ากับแรงต้านแนวแกนเฮดของปั๊ม 2 ตัวบวกกัน ตามรูปที่ 26 (b) ดังนั้น จุดเดินเครื่องจึงอยู่ที่จุดตัดระหว่างเส้นกราฟเฮดและแรงต้านที่คำนวณได้ตามข้างต้น กรณีที่ต่อปั๊มตั้งแต่ 2 ตัวขึ้นไปหรือกรณีที่ขนาด (ความจุ) ของปั๊มไม่เท่ากัน ก็สามารถใช้วิธีคิดเช่นเดียวกันได้
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
4. แนวทางการอนุรักษ์พลังงานในปั๊ม
(GUIDELINE FOR ENERGY CONSERVATION IN PUMP)
จากการตรวจสอบระบบสูบน้ำและวิเคราะห์จุดที่มีปัญหาประสบการณ์และข้อมูลที่ได้ สามารถนำมาจัดกลุ่มได้ดังนี้
- การบำรุงรักษา
- การดัดแปลงแก้ไขอุปกรณ์หรือการเดินเครื่อง
- การจัดการตรวจสอบ
(1) การบำรุงรักษา
การที่จะทำให้ปั๊มที่สึกหรอกลับมาดีสมบูรณ์และมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกับตอนเริ่มต้น อย่างน้อยที่สุดต้องซ่อมใหญ่ ซึ่งอาจจะรวมถึงการเปลี่ยนชิ้นส่วนหมุน (ใบพัดและแหวน) แบริ่งและประเก็น อย่างไรก็ตามภายหลังการซ่อมใหญ่ระยะช่องว่างต่างๆ ภายในโครงสร้างของปั๊มจะไม่เหมือนช่วงติดตั้งใหม่ ดังนั้นประสิทธิภาพปั๊มจะลดลงจากช่วงที่ติดตั้งใหม่ ประโยชน์ที่ได้จากการซ่อมใหญ่ ควรพิจารณาเป็นกรณีๆ ไป ค่าใช้จ่ายของปั๊มน้ำส่วนใหญ่แล้วเป็นค่าใช้จ่ายในการเดินเครื่องโดยรวมตลอดการใช้งาน ดังนั้นการที่ประสิทธิภาพสูงขึ้นเพียงเล็กน้อยก็ถือว่า คุ้มค่าในการปรับปรุง และมีข้อสังเกตว่า ปั๊มน้ำที่สึกหรอ อัตราการไหลจะลดลง ถ้าทำการซ่อมบำรุงใหญ่ควรปรับอัตราการไหลให้ต่ำลงมาจากจุดทำงานเดิม เพื่อให้ได้ผลประหยัดมากที่สุด ดังแสดงในรูปที่ 28
การบำรุงรักษาที่ช่วยส่งเสริมการประหยัด
- การทำความสะอาดตัวกรองที่บริเวณท่อทางเข้าของปั๊มอย่างสม่ำเสมอ
- การตรวจสอบวาล์วกันการไหลย้อนกลับ (Check Valve) อย่างสม่ำเสมอ
- การซ่อมแซมรอยรั่วต่างๆ
รูปที่ 28 การซ่อมบำรุงที่มีผลต่อคุณลักษณะสมบัติ
รูปที่ 29 การเคลือบผิวที่มีผลต่อคุณลักษณะสมบัติของปั๊มน้ำ
(2) การปรับปรุงอุปกรณ์
(2.1) การเคลือบผิวเพื่อลดการเสียดทาน
การเคลือบผิวเพื่อลดการเสียดทานแม้ว่าจะมีประสิทธิภาพในการลดการกัดกร่อนไม่เท่าสารเคลือบผิวเพื่อลดการกัดกร่อนและการกัดเซาะ แต่ก็ยังเป็นวิธีที่สามารถนำมาใช้เพื่อป้องกันการกัดกร่อนได้ดี จุดประสงค์หลักของวิธีนี้ก็เพื่อปรับพื้นผิวให้มีความเรียบมากที่สุด (เมื่อเปรียบเทียบกับพื้นผิววัสดุเดิม) และเกิดการเสียดทานน้อยที่สุดขณะที่อัตราความเร็วของน้ำสูงซึ่งวิธีนี้จะทำให้ปั๊มมีความดันและอัตราการไหลสูงขึ้น ดังนั้นการเคลือบผิวด้วยวิธีนี้จะทำให้มีประสิทธิภาพเพิ่มมากขึ้น
การเคลือบผิวเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเครื่องสูบน้ำมักจะเคลือบเฉพาะโครงเครื่องสูบน้ำและด้านนอกของใบพัดเพื่อลดความสูญเสียจากการเสียดทานหลัก ซึ่งก็คือความสูญเสียที่ผิวของโครงเครื่องสูบน้ำและความสูญเสียจากการเสียดทานที่ใบหมุน
สรุปประโยชน์ที่ได้รับเพิ่มอย่างมีประสิทธิภาพจากการเคลือบผิว ได้แก่
- ปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องสูบน้ำทำให้ต้นทุนของการเดินเครื่องลดลง
- มีความคงทนต่อการกัดกร่อนในชิ้นส่วนที่ได้เคลือบพื้นผิวไว้
- ยืดอายุการทำงานให้มีประสิทธิภาพสูงและทำให้อายุการใช้งานยาวขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับปั๊มน้ำที่ไม่ได้เคลือบพื้นผิว
(2.2) การเปลี่ยนขนาดของใบพัด
ปั๊มน้ำที่ใช้กันอยู่ทั่วไปในอุตสาหกรรมใช้กับใบพัดได้หลายขนาดโดยใบพัดที่มีขนาดใหญ่ที่สุดจะทำให้การใช้งานมีประสิทธิภาพสูงที่สุดดังแสดงในรูปที่ 30
การเปลี่ยนขนาดของใบพัดจะช่วยประหยัดพลังงานจากการสูบน้ำได้ เช่น ถ้าปั๊มน้ำหรี่วาล์วควบคุมการไหลอยู่เสมอ จะทำให้ไม่สามารถทำงานได้ที่ประสิทธิภาพสูงสุด จึงอาจนำใบพัดขนาดเล็กมาใช้เพื่อทำให้มีอัตราการไหลเท่าเดิมในระดับของความดันต่ำ ทำให้มีการใช้พลังงานลดลง
รูปที่ 30 ผลการลดขนาดของใบพัดต่อคุณลักษณะสมบัติปั๊มน้ำ
รูปที่ 31 ผลจากการใช้ปั๊มน้ำที่มีขนาดเล็กลง
(2.3) การใช้ปั๊มน้ำที่มีขนาดเล็กลง
การใช้ปั๊มน้ำที่มีขนาดเล็กลงจะคุ้มค่า ถ้า
- ปั๊มมีขนาดใหญ่เกินกว่าภาระความต้องการสูงสุดมาก
- ปั๊มน้ำมีประสิทธิภาพน้อยกว่า 80% ณ ระดับของภาระโหลดสูงสุด
- มีการใช้พลังงานสูง นั่นคือ เมื่อปั๊มน้ำขนาดใหญ่เดินเครื่องเป็นระยะเวลานาน
เช่น ถ้าปั๊มน้ำที่ติดตั้งวาล์วควบคุมการไหลเพื่อควบคุมอัตราการไหลให้ได้ตามความต้องการ อาจใช้ปั๊มน้ำที่มีขนาดเล็กลงกว่าที่ออกแบบเพื่อให้ส่งจ่ายน้ำด้วยอัตราการไหลเท่าเดิมแต่ด้วยประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 31
(2.4) การใช้มอเตอร์ไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง
ปกติการขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าจะมีประสิทธิภาพสูงกว่าปั๊มน้ำที่มอเตอร์นั้นขับโดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้มอเตอร์ไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง (Higher Efficiency Motor : HEMS) ซึ่ง HEMS จะมีประสิทธิภาพสูงกว่ามอเตอร์ไฟฟ้ามาตรฐานทั่วๆ ไปประมาณ 3 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้มอเตอร์ไฟฟ้าประสิทธิภาพสูงยังปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลัง (PF) ให้สูงขึ้นด้วย
รูปที่ 32 ประสิทธิภาพของมอเตอร์มาตรฐานและมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง ขนาด 7.5 kW
(3) การจัดการตรวจสอบ
- การตรวจวัดประสิทธิภาพของปั๊มน้ำเป็นเรื่องที่มีความยุ่งยากและข้อจำกัดมากมาย ทำให้โอกาสในการประเมิน ประสิทธิภาพของปั๊มน้ำมีไม่มากนัก จึงมีการพัฒนาเทคนิคทางเทอร์โมไดนามิคส์มาคำนวณหาค่าประสิทธิภาพได้โดยตรงเพียงวัดอุณหภูมิและความดันตกคร่อมปั๊มน้ำ ผลทีได้สามารถนำไปเปรียบเทียบกับคุณลักษณะสมบัติเครื่องสูบน้ำตามที่ผู้ผลิตให้รายละเอียดไว้
- การติดตามตรวจวัดการทำงานของปั๊มน้ำ จะเป็นประโยชน์อย่างมากถ้าติดตั้งมาตรวัดความดันที่ท่อดูดและท่อส่งของปั๊มน้ำทุกเครื่องและติดตั้งแอมป์มิเตอร์สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้า เพื่อให้สามารถวิเคราะห์การทำงานของปั๊มน้ำเมื่อเปรียบเทียบกับคุณลักษณะของปั๊มน้ำ และการคำนวณค่าใช้จ่ายในการเดินปั๊มน้ำ
- การติดตามตรวจวัดการทำงานของระบบ สำหรับปั๊มน้ำขนาดใหญ่จะมีความคุ้มค่าที่จะใช้ระบบติดตามบันทึกค่าการใช้งานด้วยคอมพิวเตอร์ ซึ่งมีความสามารถในการควบคุมการเดินปั๊มน้ำได้อีกด้วย ทำให้เห็นศักยภาพในการ ปรับการเดินปั๊มน้ำให้สอดคล้องกับความต้องการการใช้น้ำ ปัญหาการสูบน้ำเกินความต้องการและการรั่วของน้ำ
Bibliography
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. (2004). ตอนที่ 4 บทที่ 1 ระบบอัดอากาศ ปั๊มน้ำ และพัดลม. In ตำราฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส (ผอส.) ด้านความร้อน (pp. 1-1 - 1-72).
