Pump [EP.10] : ปั๊มแบบปริมาตรแทนที่ Positive Displacement Pump

โดย

12 กรกฎาคม 2022

Positive Displacement SPX Pump Wallpaper

หากพูดถึงปั๊มในอุตสาหกรรมเราอาจจะคุ้นเคยกับปั๊มหอยโข่ง หรือ Centrifugal pump เป็นหลักเลย แต่เพื่อนๆรู้มั้ยว่า ยังมีปั๊มอีกมากมายหลายชนิด เช่น เกียร์ปั๊ม ปั๊มลูกสูบ ปั๊มไดอะแฟรม และอื่นๆอีกมากมายที่ไม่ได้ใช้หลักการเหวี่ยงขอใบพัด ซึ่งปั้มเหล่านี้จะอยู่ในตระกูลที่เรียกว่า “Positive Displacement Pump” หรือ “ปั๊มแบบปริมาตรแทนที่” ซึ่งมีความสำคัญไม่แพ้ปั๊มแบบหอยโข่งกันครับ

โดยปั๊มชนิดนี้จะใช้ในการจ่ายของเหลวที่มีปริมาตรที่คงที่ ต่อการเปลี่ยนแปลงความดันในระบบได้ดี โดยอาศัยหลักการในการอัด และบีบตัวของ ของเหลว นะครับ

สำหรับซี่รี่ย์นี้เราจะเข้าไปเจาะลึกลงไปถึง Positive Displacement Pump กันว่าหลักการทำงานของเจ้าปั๊มชนิดนี้เป็นยังไง มีประเภทต่างๆอะไรบ้าง และหลักการทำงานเป็นอย่างไร เรียนเชิญเพื่อนๆตามไปดูกันนะครับ

หลักการทำงานของ Positive Displacement Pump

ปั๊มแบบปริมาตรแทนที่ หรือ Positive Displacement Pump ; PD pump ถือเป็นอีกกลุ่มใหญ่ ของตระกูลปั๊มเลยนะครับ โดยหากพูดถึงหลักการทำงานของเจ้าปั๊มประเภทนี้ “อาศัยหลักการใช้แรงให้การดัน หรือ บีบอัดของด้วยการแทนที่ของเหลว ในห้องปิด (Enclosing Volume) ด้วยการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนของปั๊ม” (หากเห็นภาพง่ายๆ คล้ายๆกับการที่เรานำน้ำใส่ไซริงค์ แล้วดันน้ำในไซริงค์ ฉีดยานี้แหละครับ) ด้วยหลักการเช่นนี้เอง จึงทำให้ “ปริมาตรของของเหลวที่ปั้มชนิดนี้จ่ายออกมามีค่าคงที่ ต่อการดัน 1 ครั้ง”

และสามารถใช้ได้ดีภายใต้ความดันสูงๆ หรือการเปลี่ยนแปลงความดันในระบบได้ดี โดยที่ปริมาตร หรือ อัตราการไหลจะไม่เปลี่ยนแปลงไปมา จากนั้นการอัดต่อครั้งจะถูกวนลูปซ้ำไปเรื่อยๆ โดยที่ Positive Displacement Pump ยังสามารถแบ่งออกเป็น 3 กลุ่มอีก ก็คือ

ปั๊มแบบลูกสูบชัก (Reciprocating Pump)
โรตารี่ปั๊ม (Rotary pump)
ปั๊มเคลื่อนที่แบบเส้นตรง (Linear pump)

1. ปั๊มแบบลูกสูบชัก (Reciprocating Pump)

ปั๊มชนิดนี้ จะใช้หลักการแทนที่ของของเหลวโดยใช้แรงในการอัด (คล้ายๆกับไซริงค์ฉีดยา) โดยของเหลวจะถูกดูดผ่านวาล์วขาเข้า และจะถูกอัดผ่านวาล์วขาออก โดยวาล์วขาเข้า และขาออกจะทำหน้าที่เป็นวาล์วกันกลับเพื่อบังคับทิศทางของเหลว โดยระบบอาจจะมีทั้งแบบ single acting และ double acting โดยปั๊มในกลุ่มนี้จะมี Plunger Pump, Piston Pump และ Diaphargm Pump เป็นต้น

2. โรตารี่ปั๊ม (Rotary pump)

ปั๊มชนิดนี้ส่งของเหลวโดยหลักการบีบอัดเช่นเดียวกับแบบแรก แต่จะเป็นการบีบอัดในเชิงมุม ด้วยอุปกรณ์ที่หมุน (Rotary Part) โดยการหมุนของชิ้นส่วนแต่ละรอบจะบีบอัดของเหลวไปยังบริเวณพื้นที่ว่างของห้องปั๊ม ยกตัวอย่างปั๊มในกลุ่มนี้ก็จะมี เกียร์ปั๊ม (Internal/External Gear pump) , สกรูปั๊ม (Screw pump), เวนปั๊ม (Vane pump), Lube pump, Circumferential pump, และ Helical twisted roots เป็นต้น

3. ปั๊มเชิงเส้นตรง (Linear Type Positive Displacement Pump)

หากพูดถึงปั๊มเชิงเส้นตรง โดยหลักการทำงานคือ ของเหลวจะถูกดูดตรงๆ ผ่านทางชุดดูดของปั๊ม อาจจะขอให้นึกถึงปั๊มบ้านๆหน่อยนะครับ โดยปั๊มประเภทนี้จะมีแบบ ปั๊มเชือก (Rope pump) และ ปั๊มโซ่ (Chain pump)

ลักษณะการทำงานของปั๊มแบบปริมาตรคงที่ (Characteristic of Positive Displacement Pump)

Positive Displacement Pump หรือ ปั๊มแบบปริมาตรคงที่ ในเชิงทฤษฎีสามารถสร้างอัตราการไหลที่คงที่ได้ ด้วยความเร็วรอบที่ค่าหนึ่ง โดยที่ความดันขาออกในระบบไม่ส่งผลต่ออัตราการไหลนั้นเลย (ต่างกับ Centrifugal pump ที่ความดัน หรือ Head ในระบบเพิ่ม อัตราการไหลจะลดลง) ดังนั้น Positive Displacement Pump ก็สามารถเรียกได้ว่าสามารถสร้างอัตราไหลคงที่ และแม่นยำได้อย่างดี

แต่อย่างไรก็ตามในความเป็นจริงการที่ความดันในระบบเพิ่มขึ้นจะทำให้เกิดการรั่วไหลด้านใน (Internal leak); เช่น การอั้น หรือ การ recirculation ต่างๆ

ในการนำไปใช้งานต้องคำนึงเสมอเลยว่า ปั๊มชนิดนี้ เป็นการทำงานแบบอัด ดังนั้นหากเกิดการตันของท่อปั๊มจะอัดของเหลวเรื่อยๆจนท่อแตกนะครับ ดังนั้นการวาง lay out จึงต้องมี PSV ทั้งฝั่งท่อ และด้านในตัวปั๊มเองนะครับ (ซึ่งต่างจาก centrifugal pump ที่ pressure สูงสุดคือ Shut-off pressure)

ประเภทของ Positive Displacement Pump

หากแบ่งประเภทปั๊ม Positive Displacement ทางนายช่างมาแชร์ ขอแบ่งออกเป็น 7 ประเภทหลักๆนะครับ

Diaphragm Pump
Progressive Cavity Pump (PC Pump)
Gear Pump – Internal & External
Vane Pump (Impeller Pump)
Rotary Lobe Pump
Screw Pump
Peristaltic Pump (Hose pump)

โดยขอไปลงรายละเอียดในแต่ละตัวกันเลยนะครับ

1. Diaphragm Pump

ปั๊มไดอะแฟรม (Diaphragm pump) จะเป็นการส่งถ่ายแรงแบบอัด โดยจุดเริ่มต้นของแรงส่งมาจาก motor จากนั้นแรงผ่านชุดส่งกำลังมาหาลูกสูบ (Plunger)

ในจังหวะขาส่ง ลูกสูบดันตัวส่งถ่ายแรงไปให้น้ำมัน (Hydraulic oil) และน้ำมันส่งแรงไปดันแผ่นไดอะแฟรม อีกที หลังจากนั้นแผ่นไดอะแฟรม จะไปดันของเหลวให้เกิดการอัดตัวขึ้น โดยเช็ควาล์วขาดูดอยู่ตำแหน่งปิด และเช็ควาล์วขาส่งอยู่ตำแหน่งเปิดเพื่อสร้างแรงดัน

ในจังหวะขาดูด ลูกสูบจะดันตัวกลับ หลังจากนั้นน้ำมันจะสร้างแรงดูดไปดูดแผ่นไดอะแฟรม จากนั้นของเหลวจะถูกดูดเข้ามาด้านในห้องแรงดัน โดยเช็ควาล์วขาดูดอยู่ตำแหน่งเปิด และเช็ควาล์วขาส่งอยู่ตำแหน่งปิดเพื่อสร้างแรงดูดเข้ามา

อ่านบทความ : Pump [EP.5] : หลักการทำงานของ Diaphragm pump (ชนิด API)

2. Progressive Cavity Pump

สำหรับปั๊มชนิดนี้จะเป็นลักษณะคล้ายๆกับ สกรูเดียว โดย Rotor จะเป็นลักษณะเป็นเกลียวมน ทำงานอยู่ใน Casing โดยวัสดุเป็นยาง ที่เรียกว่า Stator ที่ด้านในเป็นลักษณะเกลียวมนเช่นกัน เวลาทำงานก็จะเกิดการบีบ อัด และแทนที่ในของเหลว และส่งออกไปที่ขาออกเพื่อใช้งานต่อไป แต่ในเชิงวิศวกรรมปั้มชนิดนี้เราจะไม่เรียก Single Screw นะครับ

3. Gear Pump – Internal & External

เกียร์ปั๊มถือว่าเป็น Positive Displacement Pump ชนิดหนึ่ง ซึ่งอาศัยหลักการส่งแรงต่อปริมาณ (หรือพูดง่ายๆก็เป็นการอัดของเหลวต่อหนึ่งปริมาตรเข้าระบบนั้นเองครับ) โดยจุดเด่นของปั๊มชนิดนี้คือ มีขนาดเล็กและเบา, มีโครงสร้างไม่สลับซับซ้อน, ดูแลรักษาง่ายและเสียได้ยาก เหมาะกับของเหลวที่มีความหนืดเยอะๆ สร้างความดันได้สูง

โดยหลักการทำงาน คือ ของเหลวจะไหลเข้ามาทางด้านขาดูด และเข้าไปในพื้นที่ปิด (Enclosing volume) และถูกฟันเกียร์ (Gear) หมุนถ่ายแรงและบีบของเหลวผ่านช่องว่างเล็กๆ (Small Clearance) หลังจากนั้นของเหลวก็จะไหลผ่านตามช่องขาออกไป ซึ่งอัตราการไหล และความดัน ก็จะขึ้นอยู่กับจำนวนรอบของปั๊มอีกด้วยครับ

ซึ่งปั๊มชนิดนี้ยังสามารถออกเป็นอีก 2 ประเภทย่อยๆ คือ

1. เกียร์ปั๊มแบบเฟืองนอก (External Gear Pump)

2. เกียร์ปั๊มแบบเฟืองใน (Internal Gear Pump)

4. Vane Pump (Impeller Pump)

เวนปั๊ม หรือ ปั๊มแบบใบพัด เป็นลักษณะเป็นใบพัดครีบยื่นออกมา เจ้าตัวครีบที่ยื่นออกมาจะไปทำหน้าที่บีบอัด และส่งของเหลวออกมา โดยเหมาะสำหรับใช้กับงานที่ต้องการอัตราการไหลสูง แต่แรงดันต่ำไปจนถึงขนาดปานกลาง และมีทั้งแบบที่ใบพัดคงที่กับแบบปรับค่าได้ด้วยการย้ายจุดศูนย์กลาง ของตัวหมุนที่ใบพัดเสียบอยู่ ซึ่งปั๊มชนิดนี้มักจะนำไปใช้กับระบบไฮโดรลิกนะครับ

5. Rotary Lobe Pump

โลปปั๊ม หรือเรียกอีกอย่างได้ว่า Rotary Lube Pump หลักการจะคล้ายกับเกียร์ที่มีเฟืองสองตัว แต่จะมีจำนวนฟันของใบพัดเพียง 1-4 ใบ โดยจะวางในลักษณะ ซ้อนกันและสองชั้น และ จะมีทิศทางในการหมุนที่ตรงกันข้ามกัน เพื่อจะผลักดันของไหลให้เดินไปข้างหน้า มอเตอร์จะขับเคลื่อนชุดเกียร์ จากนั้นชุดเกียร์จะไปขับชุดทดในตัวเครื่องของโลปปั๊มอีกชั้นหนึ่ง ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของชุดใบพัด โดยที่รอบของเกียร์จะขึ้นอยู่กับความหนืดของของไหลนั้นๆ

มักใช้สำหรับงานเกี่ยวอาหาร ยารักษาโรค และ เครื่องสำอาง ที่นิยมใช้กันอุตสาหกรรมการผลิต กล่าวคือปั๊มสำหรับงานอาหาร และยาที่มีความสะอาดสูงและไม่เสี่ยงต่อการตกค้างของอาหารและยา ซึ่งจะนำมาซึ่งเชื้อโรคต่าง ๆ ที่อาจจะปะปนไปกับอาหารและยาได้เลยครับ

6. Screw Pump

สกรูปั๊ม หรือ Rotary Screw Pump จัดเป็นปั๊มชนิด Rotary ซึ่งถือเป็นหนึ่งในชนิดของ Positive Displacement Pump ที่มีส่วนประกอบในการส่งถ่ายของเหลวหลักคือ สกรู (Screw Rotor) และร่องสกรูในตัวเรือนปั๊ม (Housing Stator) ภายใต้ระยะเล็กๆ (Small Clearance) ระหว่างสกรูและร่องสกรู และของเหลวจะถูกบีบส่งในช่องแคปๆนั้นจากการเคลื่อนที่ของตัวสกรูส่งผมให้เกิด อัตราการไหล และความดันที่ด้านขาออกครับผม

อ่านบทความ Pump [EP.8] : Rotary Screw Pump ปั้มเกลียวสกรูสำหรับของหนืด

7. Peristaltic Pump (Hose pump)

ปั๊มที่ใช้สำหรับบรรจุ หรือ ส่งของเหลวโดยมีปั๊มรีดสายยาง (peristatic) เป็นตัวขับเคลื่อนของเหลวในท่อสายยางให้ไหลไปตามท่อ ใช้กับงานได้หลากหลายประเภททั้งของเหลวที่มีความหนืดต่ำ หรือแม้กระทั่งของเหลวที่มีความหนืดสูง และมีความแม่นยำในการบรรจุสูง