Pump [EP.2] : Centrifugal pump หรือ ปั้มหอยโข่ง ฉบับพื้นฐาน

สวัสดีครับเพื่อนๆ วันนี้ขอมาต่อ Pump the series กันนะครับ เข้ามาถึงตอนที่ 2 เราขอมาเล่าถึงพื้นฐานของปั้มที่มีความนิยมมากที่สุดในโลกนั้นคือ centrifugal pump หรือปั้มหอยโข่งนั้นเองครับ

โดยปั้มชนิดนี้มีบทบาทในทุกการใช้งานไม่ว่าจะเป็น ด้านอุตสาห์กรรมต่างๆ เช่น ปิโตรเคมี โรงไฟฟ้า แท่นขุดเจาะ หรือโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ หรืออาจจะเป็นด้านเกษตรกรรม หรือในครัวเรือน เนื่องจากว่าปั้มชนิดนี้มีราคาที่ถูก และมีย่านการใช้งานที่กว้างมาก รวมถึง Reliability และอายุการใช้งานของปั้มสูงมากครับ

หลักการทำงานของ Centrifugal pump

Centrifugal pump ถูกคิดค้นตั้งแต่ปี 1689 โดย Denis Papin โดยปั้มอาศัยหลักการทำงานคือ “เหวี่ยง” เมื่อของเหลววิ่งเข้ามาทางท่อขาดูด (Suction side) ที่ตำแหน่ง A และของไหลจะถูกดูดไปที่ด้าน Suction eye ของ Impeller ที่ตำแหน่ง B จากนั้นจะถูกเหวี่ยงด้วยแรงหนีศูนย์หรือ Centrifugal force ผ่านไป Vane ของ Impeller ที่ตำแหน่ง C,D ของไหลออกไปทางท่อขาออก (Discharge side) ที่ตำแหน่ง E

โดยหากเราจำแนกประเภทใบพัด (Impeller) ตามทิศทางของการไหล (Flow) เราจะแบ่งใบพัดได้ออกเป็น 3 ประเภทหลักๆคือ

1. Radial flow impeller ขาเข้าและขาออกจะแตกต่างกัน 90 องศา
2. Mixed flow impeller ขาเข้าขาออกจะแตกต่างกัน 45 องศา
3. Axial flow impeller ขาเข้าขาออกจะเป็นมุมเดียวกัน

ส่วนประกอบของ Centrifugal pump

ขอยกตัวอย่าง Centrifugal ชนิด Overhung มานะครับ สำหรับการอธิบายส่วนประกอบ ซึ่ง Centrifugal pump ชนิดอื่นๆ ก็จะคล้ายๆกันนะครับผม

1. ใบพัด (Impeller)

Impeller หรือใบพัดของปั้ม ทำหน้าที่ในการสร้าง Head และ flow โดยอาศัยหลักการแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ครับ

โดย impeller จะแบ่งได้ 3 แบบใหญ่ๆคือ

a. ใบเปิด (open impeller)
b. ใบกึ่งเปิด (semi-open impeller)
c. ใบปิด (Closed impeller)

ซึ่งการใช้งานจะเลือกตามค่า Ns (Specific speed) = รวมถึงลักษณะต่างๆของ process วัสดุที่ใช่ส่วนมากจะเป็น Bronze ครับ เนื่องจาก น้ำหนักที่ไม่มาก และทนการกัดกร่อนค่อนข้างดี

2. เสื้อปั้ม (Pump Casing)

Pump casing ทำหน้าที่ในรับของไหลที่ส่งมาจาก impeller โดย casing จะถูกออกแบบพื้นที่ให้มีความโค้งมน และบีบพื้นที่เพื่อที่จะเปลี่ยนความเร็วของไหลที่ออกมาจาก impeller ให้กลายเป็น pressure ไปส่งด้านขาออกของปั้มครับ โดย Casing pump ก็จะมีหลายแบบเช่น Single volute, double volute และ แบบ diffuser ครับ.

3. ชุดกันรั่วคอเพลา (Shaft Seal)

Shaft seal ถือว่าเป็นส่วนที่สำคัญมากๆของปั้มอีกตัวนึง เพราะว่าหน้าที่ของ shaft seal คือกันของไหลจากปั้มที่มีความดันสูงรั่วออกไปด้านนอก หากของไหลตัวนั้นเป็นสารอันตราย ติดไฟ จะต้องมีการออกแบบควบคุมที่รัดกลุมที่สุดครับ ซึ่ง Shaft seal เรามีสองแบบใหญ่ๆคือ

3.1 ปะเก็นเชือก (Packing Seal)

Packing seal หรือ อาจจะคุ้นหูในชื่อ ประเกก็นเชือก เป็นการกันรั่วในยุคแรกๆ โดยใช้หลักการที่ค่อนข้างเรียบง่ายคือคล้ายๆ นำเชื่อก (แต่จริงๆเป็น packing rope ที่ทำมาจากวัสดุที่ทนความร้อนได้สูง เช่น non-asbestos, asbestos , aramid, PTFE หรือ graphite ) มาพันที่คอเพลา แล้วมีฝายัน (gland packing) มายันปิดครับ

โดยการกันรั้วแบบนี้มีข้อดีตรงที่ว่าราคาไม่แพง และไม่ต้องการดูแลรักษามากนะ แต่ข้อเสียหลักๆคือ อันแรกคือจะสัญเสีย production loss เนื่องจากจะต้องมีของเหลวไปหล่อเลี้ยงที่ packing และรั่วออกมาด้านนอกประมาณนึงเลยครับ และเมื่อใช้ไปนานๆเกิดการรั่วก็จำเป็นต้องมาขัน gland packing ให้แน่นขึ้นครับ

ดังนั้นการกันรั้วด้วย packing seal จะยังไม่เหมาะกับสารที่ยอมให้รั่วออกมาไม่ได้เช่น สารที่มีความร้อน สารไวไฟ สารที่มีผลต่อสุขภาพ เป็นต้น

3.2 แม็คคานิคอลซีล (Mechanical Seal)

Mechanical seal เป็นการกันรั่วแบบใหม่กว่าแบบแรกครับ โดยการกันรั่วชนิดนี้สามารถทนความดัน และอุณหภูมิได้สูง และที่สำคัญการรั่วแทบจะเป็น 0 ครับ แต่ค่าดูแลรักษาจะมากกว่าแบบแรกนะครับ โดยหลักการของ mechanical seal

โดยส่วนประกอบจะมีหน้า face 2 ชิ้นมาประกบชนกัน โดยมี rotating face และ stationary face โดยอาศัยแรงดันภายในตัวปั้ม และสปริงเป็นตัวกดเพื่อกันของเหลวรั่วออกมาครับ โดย mechanical seal จะมีการออกแบบ piping plan เพื่อให้เหมาะสมแต่ละการใช้งานเช่น สารสกปรก สารอันตราย หรือน้ำ ซึ่งจะ design แตกต่างกันครับ (โดยรายละเอียดผมขอมาแชร์ทีหลังนะครับ เพราะเยอะมากๆ)

โดย mechanical seal ยุคใหม่จะเป็นแบบ cartridge set คือ ถอด-ใส่ ล็อคน็อต จบ ติดตั้งง่ายมากๆครับผม

4. แบริ่ง (Bearing)

Bearing หรือตลับลูกปืน มีหน้าที่สำหรับในการลดแรงเสียดทาน และรับ Load จากการใช้งาน Pump ครับ โดย Bearing ในปั้มจะมีสองประเภทคือ radial bearing ที่ไว้สำหรับรับแรงในเชิงมุม และ thrust bearing ที่ไว้รับแรงในแนวแกน ครับ

5. เพลา (Shaft)

เพลา หรือ Shaft จะทำหน้าที่ส่งถ่ายกำลังจากตัวขับ เช่น Motor หรือ อาจจะเป็นเครื่องยนต์เข้ามาหา Impeller โดยเพลาของปั้มนั้นจะต้องถูกออกแบบให้สามารถรับแรงต่างๆได้ เช่น Torsion , Bending moment หรือ Shear Force ได้และต้อง Comply ตาม Standard design เช่น API pump ก็จะถูกออกแบบเพลาให้มี S.F. (Safety Factor) ที่สูงกว่า ANSI pump เป็นต้นนะครับ

กราฟและคุณลักษณะของปั้ม (Pump Characteristic Curve)

หากพูดถึงลักษณะการทำงานของ Centrifugal pump จะสามารถอธิบายให้เห็นภาพด้วย Pump curve นะครับ

เหมือนที่เกริ่นไว้เมื่อตอนที่แล้วครับ Centrifugal pump จะทำงานแบบ High flow, Low head หรือไม่ก็ High head, Low flow ซึ่งคำนี้จะสัมพันธ์กับ pump curve โดยตรง

โดยปั้มตัวๆหนึ่งจะมี Pump curve ของตัวเองโดยปั้มจะไม่รู้หรอกครับว่าจะได้จุดใช้งานที่ Flow, Head เท่าไหร่ แต่จะถูกระบบกำหนด (System) เช่น การหรี่วาล์ว, ความสูง, และค่าความเสียดทานต่างๆ (Friction Loss)

โดยเส้นของระบบจะคำนวนและได้กราฟออกมาเป็น System curve (เส้นสีแดง) โดยจะตัดกับ Pump curve โดยจุดนี้แหละครับ คือจุดที่ปั้มใช้งานจริงๆ โดยเราจะพยายามออกแบบให้ใกล้จุด BEP หรือ Best Efficency Point ของปั้นะครับผม

โดย Pump curve จะแสดงความสัมพันธ์หลักๆ ตัวแปรคือ

1) ความดัน (Head Pump) จะเป็นตัวแปรที่บ่งบอกว่า Pump สามารถสูงของไหลได้ไปสูงเท่าไหร่ หน่วยเป็น m หรือ ft หากเทียบเคียง loss ต่างๆเป็นเทอมของ elevation ครับ โดย pump head ยิ่งสูงยิ่งส่งได้ไกลครับ

2) อัตราการไหล (Flow ,Capacity) จะเป็นตัวบ่งบอกว่าอัตราการไหล หรือ ปริมาณน้ำที่มาต่อหนึ่งหน่วยเวลามากน้อยแค่ไหน โดย Flow ยิ่งสูงแปลว่า ปริมาณน้ำที่มายิ่งเยอะครับ

3) ระบบ (System) เป็นกราฟที่บ่งบอกถึงว่าระบบนี้ จากจุดส่งเริ่มต้น ไปถึงปลายทางมี Hydraulic loss แบบไหน ซึ่งค่า system curve หลักๆก็มาจากลักษณะท่อส่ง ท่องอ วาล์ว อุปกรณ์ และความสูงต่างๆ ซึ่งการเลือก pump จะต้องออกแบบให้สัมพันธ์กับ system curve ที่สุดครับ

4) Power consumption บ่งบอกถึงพลังงานที่ใช้ขับเพลาของใบพัด หรือ Break horse power (BHP) ครับ ว่าใช้กำลังเท่าไหร่ ณ จุดใช้งานครับ หากเราจะคำนวนกลับหา motor อย่าลืมคุณด้วยค่า efficiency loss นะครับ

5) NPSH (Net Positive Suction Head) จะบอกถึง suction pressure ที่น้อยที่สุด ที่ปั้มต้องการเพื่อที่จะดูดของให้ขึ้น หรือที่เราคุ้นเคยว่าทำไมเราต้องล่อน้ำก่อน start pump ครับ โดยค่านี้จะมีสองอย่างคือ NPSHr หรือ suction pressure ที่ปั้มต้องการ และ NPSHa คือ suction pressure ที่ระบบมีอยู่

ดังนั้นหากเราตัด pump curve แล้วพบว่ามี NPSHr = 1 m แปรว่าปั้มต้องการการความสูงของน้ำใน tank 1 m (สมมุติ) เราจะต้องมีความสูงของใน tank (NPSHa > 1 m ขึ้นไป ถึงจะพอเพียง)

หาก NPSHa น้อยกว่าเมื่อไหร่จะเกิดปรากฏการ cavitation effect (จะทำให้ใบเกิดการสึกกร่อน) และดูดของเหลวไม่ขึ้นครับ

6) Efficiency บอกถึงประสิทธิผลในการใช้งานครับ โดยความสัมพันธ์คืออัตราส่วนของกำลังที่ปั้มส่งให้ของเหลว (P_H) ต่อด้วยกำลังที่ส่งไปที่เพลา หรือ BHP (P₂)

แล้วพบกับสาระดีๆในโพสถัดๆไปกันนะครับสำหรับงานช่าง เครื่องจักรกลต่างๆ และงานวิศวกรรม หากมีคำถามสามารถติดต่อเข้ามาได้ที่

แล้วพบกับสาระดีๆแบบนี้ทางด้านงานช่าง งานวิศวกรรม และอุตสาหกรรมได้ที่ นายช่างมาแชร์ นะครับ

Website: www.naichangmashare.com
Facebook: https://www.facebook.com/naichangmashare/
Youtube: https://www.youtube.com/channel/UCmIPiSeg-uy4k8JYSmknp_g
Instragram: https://www.instagram.com/naichangmashare/
Twitter: https://twitter.com/naichangmashare

#นายช่างมาแชร์