หน้าแรก KNOWLEDGE Rotating equipment Pump principle 2: Centrifugal pump ฉบับพื้นฐาน

Pump principle 2: Centrifugal pump 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 ของปั้มสูงมากครับ

view industrial โรงงาน

หลักการทำงานของ Centrifugal pump

Centrifugal pump ถูกคิดค้นตั้งแต่ปี 1689 โดย Denis Papin โดยปั้มอาศัยหลักการ “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

pump centrifufal หอยโข่ง ปั้ม ภาพตัด
ทิศทางการไหลของ flow ในปั้ม

โดยหากเราจำแนกประเภทของทิศทางของ flow การไหลในตัวของใบพัด (impeller) เราจะแบ่งได้ 3 ประเภทหลักๆคือ

impeller of pump ประเภทของใบพัด
  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 ชนิดอื่นๆก็จะคล้ายๆกันครับผม

1) 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

Specific speed ของปั้ม และรูปทรงต่างๆของใบพัด

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

เสื้อปั้ม Pump casing
เสื้อปั้ม (Pump casing)

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

a. 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

b. Mechanical seal เป็นการกันรั่วแบบใหม่ครับ โดยการกันรั่วชนิดนี้สามารถทนความดัน และอุณหภูมิได้สูง และที่สำคัญการรั่วแทบจะเป็น 0 ครับ แต่ค่าดูแลรักษาจะมากกว่าแบบแรกนะครับ โดยหลักการของ mechanical seal คือจะมีหน้า 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 ยุคใหม่จะเป็ยแบบ cartridge set คือ ถอด-ใส่ ล็อคน็อต จบ ติดตั้งง่ายมากๆครับผม

Mechanical seal ภาพตัด
Mechanical seal ภาพตัดและตำแหน่ง

4) Bearing หรือตลับลูกปืน มีหน้าที่สำหรับในการลดแรงเสียดทาน และรับ load จากการใช้งาน pump ครับ โดย bearing ในปั้มจะมีสองประเภทคือ radial bearing ที่ไว้สำหรับรับแรงในเชิงมุม และ thrust bearing ที่ไว้รับแรงในแนวแกน ครับ

ball bearing ตลับลูกปืน
ball bearing ตลับลูกปืน

5) Shaft หรือเพลาทำหน้าที่ส่งถ่ายกำลังจากตัวขับเช่น motor หรืออาจจะเป็นเครื่องยนต์เข้ามาขับ 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

กราฟของปั้ม (Pump curve)

pump-curve กราฟ ปั้ม head flow
ความสัมพันธ์ต่างๆของตัวแปรของ Pump curve

ขอมาเล่าพื้นฐานอีกตัวหนึ่งของ centrifugal pump นั้นคือ Pump curve ครับ เหมือนที่เกริ่นไว้เมื่อตอนที่แล้วครับ centrifugal pump จะทำงานแบบ high flow, low head หรือไม่ก็ High head, low flow ซึ่งคำนี้จะสัมพันธ์กับ pump curve โดยตรง
โดยปั้มตัวๆหนึ่งจะมี pump curve ของตัวเองโดยปั้มจะไม่รู้หรอกครับว่าจะได้ flow, head เท่าไหร่ แต่มันจะมีย่านการใช้งานที่เหมาะสมในจุดที่ high efficiency ที่สุด หรือเรียกว่าจุด BEP (Best Efficency Point) ที่จุดนี้ pump จะมี Reliability สูงที่สุด และคุ้มค่าด้านพลังงานที่สุดเช่นเดียวกัน
ดังนั้นหากเราจะเลือกจุดใช้งาน โดยเลือกปั้มให้เหมาะสมกับระบบใช้งานที่สุด โดยจะคำนวนออกมาเป็น system curve (เส้นสีแดง) ตัดกับ pump curve ให้ใกล้จุด BEP ที่สุด
โดย Pump curve จะแสดงความสัมพันธ์หลักๆ ตัวแปรคือ

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

2) Flow (Capacity) จะเป็นตัวบ่งบอกว่าอัตราการไหล หรือปริมาณน้ำที่มาต่อหนึ่งหน่วยเวลามากน้อยแค่ไหน โดย flow ยิ่งสูงแปลว่า ปริมาณน้ำที่มายิ่งเยอะครับ

Pump head บ่งบอกว่าปั้ม ปั้มของไหลได้สูงเท่าไหร่ หากปราศจากความเสียดทาน

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

centrifugal-pump-curve system curve
หากเราหรี่วาล์วก็ถือเป็นการเปลี่ยน system curve แล้วครับ

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

Pump BHP break house power กำลัง
Power consumtiom บ่งบอกถือ BHP คือ P2 ตามภาพนะครับ

5) NPSH 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

Cavitation effect ที่ใบ impeller
Cavitation effect ที่ใบ impeller

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

formula ประสิทธ์ภาพปั้ม pump efficency
Pump efficency

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

SHARE US

1 ความคิดเห็น

ทิ้งคำตอบไว้

Please enter your comment!
Please enter your name here

SHARE US