ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับเทคโนโลยีเครื่องสูบน้ำ

ในบรรดาเครื่องสูบน้ำที่หลากหลาย นั้น เครื่องสูบน้ำโวลูท (หรือที่รู้จักกันแพร่หลายในประเทศไทย หรืออีกชื่อหนึ่งคือเครื่องสูบหอยโข่ง ( volute pump) ถือเป็นเครื่องสูบน้ำที่ได้รับการพัฒนาก้าวหน้ามากที่สุด เพราะว่าสามารถสูบน้ำได้ในอัตราที่สูง และมีการใช้งานได้หลากหลายรูปแบบ

หลักการทำงานของเครื่องสูบน้ำชนิดหอยโข่ง (โวลูท)

เครื่องสูบน้ำชนิดโวลูท ดูดน้ำและส่งน้ำได้อย่างไร ?
ในสมัยที่เราเป็นเด็กเราคงเคยทดลองเล่น โดยให้น้ำหยดบนร่มที่กำลังหมุนใช่ไหม? น้ำหยดเล็กๆ จะถูกเหวี่ยงให้กระจายออกจากร่มที่กำลังหมุนอยู่นั้นในทำนองเดียวกันถ้าเรา ขว้างตุ้มฆ้อน เราต้องหมุนตัวเราให้เร็วที่สุดก่อน เพื่อที่จะขว้างตุ้มค้อนให้ได้ไกลที่สุดเท่าที่จะไกลได้

ขอให้เรามาทำการทดลองดูสักอย่าง โดยอาศัยเครื่องมือง่ายๆ ที่ปรากฏในรูปข้างซ้ายมือนี้ เมื่อใบพัด (impeller) ที่ก้นของอุปกรณ์หมุนน้ำจะหมุนตามไปด้วย การหมุนทำให้ผิวน้ำยุบตัวต่ำที่สุดตรงส่วนกลาง และระดับน้ำสูงสุดตามบริเวณขอบของอุปกรณ์ เหตุผลก็คือว่าน้ำเคลื่อนที่ออกจากศูนย์กลางของการหมุนภายใต้การกระทำของแรง หนีศูนย์กลางที่เกิดจากการหมุนนั้น ความดันภายในของน้ำจะลดที่บริเวณศูนย์กลางแต่จะเพิ่มมากขึ้นที่บริเวณขอบ

โดยหลักการแล้วเครื่องสูบน้ำชนิด โวลูทก็เหมือนกับอุปกรณ์ทดลองที่แสดงมาแล้วข้างบนนี้ คือเมื่อใบพัดในเครื่องสูบหมุน ความดันของน้ำจะเพิ่มมากขึ้น เพราะแรงหนีศูนย์กลางน้ำจะถูกเหวี่ยงออกจากบริเวณศูนย์กลางการหมุนอย่างต่อ เนื่อง

ลักษณะของเครื่องสูบน้ำชนิดหอยโข่ง

โดยปกติเราจะใช้ตัวแปร 4 ตัวแปร เป็นเครื่องบอกลักษณะการทำงานของเครื่องสูบน้ำแต่ละขนาด ลักษณะการทำงานของเครื่องสูบน้ำแต่ละขนาดโดยใช้ตัวแปร 4 ตัวเป็นตัววัดเรียกว่า พฤติลักษณะ (characteristic) ของเครื่องสูบ ตัวแปรเหล่านี้ได้แก่อัตราการสูบ ,เฮดหรือความสูงของน้ำที่สามารถส่งขึ้นไปได้ ,กำลังที่เพลา และประสิทธิภาพ

1. อัตราการสูบ (Flow Rate) หมายถึงปริมาณ หรือจำนวนของน้ำที่เครื่องสูบแต่ละเครื่องสูบได้ต่อหน่วยของเวลา โดยมากจะใช้หน่วยของอัตรสูบ ม3 /นาที หรือ ลิตร/นาที อย่างไรก็ตามขนาดของเครื่องสูบนิยมเรียกตามขนาดของท่อดูด ดังนั้นมาตรฐานอุตสาหกรรมญี่ปุ่น (JIS) จึงได้จัดทำตารางเครื่องสูบที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างขนาดท่อดูดที่เหมาะสม ที่อัตราการสูบหนึ่งๆ ดังแสดงในตารางด้านซ้ายมือ
2. เฮด (Head) คือแรงดัน หรือความสูงที่เครื่องสูบน้ำทำได้ ถือเป็นธรรมเนียมว่าให้ใช้ หน่วยความสูงของน้ำที่เป็นค่าเฮด และใช้หน่วยเป็นเมตร (ม.) พฤติลักษณะของเครื่องสูบแบบโวลูทก็คือ อัตราการไหลจะเป็นปฎิภาคกลับกับเฮด หรืออีกนัยหนึ่งก็คือว่าถ้าอัตราการไหลสูงเฮดจะต่ำ และถ้าอัตราการไหลต่ำเฮดจะสูง เราสามารถสร้างชาร์ตแสดงความสัมพันธ์ของอัตราการไหลกับเฮดได้โดยให้เฮดอยู่ ในแนวแกนตั้ง และอัตราการไหลในแนวแกนนอน อัตรการไหลที่เฮดต่างๆ เมื่อกำหนดแต่ละค่า และเชื่อมต่อจุด (พลอต) เหล่านี้ด้วยกันก็จะได้เส้นโค้งที่ลดต่ำลงจากซ้ายไปขวาดังรูปที่แสดงทางซ้าย มือ
3. กำลังเพลา (Shaft power) กำลังของเครื่องดันกำลังเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการขับเพลาของเครื่องสูบน้ำให้ หมุนตามรอบที่กำหนด กำลังเครื่องฉุดถ่ายทอดผ่านเพลาไปสู่เพลาของเครื่องสูบน้ำ เรียกว่า กำลังเพลา ถ้าเราจะสร้างชาร์ตแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างกำลังเพลากับอัตราการไหล เราก็สามารถทำได้เช่นเดียวกับชาร์ตแสดงความสัมพันธ์ของเฮดกับอัตราการไหล โดยให้แกนนอนเป็นอัตราการไหลเหมือนเดิม แต่ให้แกนตั้งเป็นกำลังเพลาแทน ในกรณีเช่นนี้กราฟจะโค้งตกจากขวาไปซ้าย กำลังของเครื่องสูบจะต้องมีมากพอที่จะชดเชยกำลังที่สูญเสียไปในเพลา โดยปกติแล้วจะใช้มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นเครื่องดันกำลัง ในกรณีอย่างนี้จะคิดเป็นกิโลวัตต์ (kW) แต่ถ้าเป็นเครื่องสูบเป็นเครื่องยนต์กำลังสูบคิดเป็นแรงม้า (PS)
4. ประสิทธิภาพ (Efficiency) สัดส่วน (ratio) ของงานที่ได้จากเครื่องสูบ (หมายถึง กำลังที่ใช้ในการยกน้ำทางทฤษฏี) เมื่อเปรียบเทียบกับกำลังของเพลาที่ได้จากเครื่องฉุด เรียกว่าประสิทธิภาพ ค่านี้มักจะแสดงหน่วยเป็นเปอร์เซนต์ (%) เส้นโค้งแสดงพฤติลักษณะของเครื่องสูบน้ำเมื่อใช้แกนตั้งเป็นประสิทธิภาพ และแกนนอนเป็นอัตราการไหลจึงมีลักษณะดังแสดงในรูปซ้ายมือ

คุณลักษณะของเครื่องสูบน้ำ

การแบ่งลักษณะของปั๊มใบพัดหมุน (Turbo Pump)

ปั๊มน้ำใบพัดหมุนอาจแบ่งแยกง่ายๆ ตามลักษณะใบพัดได้ 3 ชนิดดังนี้

• ปั๊มหอยโข่งแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ (Centrifugal Pump) เฮดน้ำเกิดจากแรงเหวี่ยงหนีศูนย์จากการหมุนของใบพัด ใช้กันอย่างแพร่หลาย สามารถใช้เฮดน้ำสูง
• ปั๊มน้ำการไหลแบบผสม (Mixed Flow Pump) ปั๊มชนิดนี้เฮดน้ำเกิดจากแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ของใบพัดส่วนหนึ่ง และเกิดจากแรงดึงน้ำของใบพัด (Impeller Lift) อีกส่วนหนึ่ง
• ปั๊มน้ำการไหลตามแนวแกน (Axial Flow Pump) เฮดน้ำจากปั๊มประเภทนี้เกิดจากแรงที่ใบพัดกระทำต่อของเหลวตามแนวแกน ปั๊มชนิดนี้ใช้กันแพร่หลาย เมื่อต้องการปริมาณการไหลมาก และเฮดต่ำ
• ปั๊มน้ำทั้ง 3 ชนิดข้างบนยังสามารถแยกย่อยตามลักษณะเรือนปั๊ม (Casing) และใบพัด (Impeller)

เรือนปั๊ม (CASING)

ปั๊มแบบโวลูท (Volute) & ปั๊มแบบดิฟฟิวเซอร์ (Diffuser) การไหลของน้ำที่ความเร็วสูงจะต้องถูกแปลงเป็นแรงดันน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ ปั๊มน้ำแบบดิฟฟิวเซอร์จะใช้ช่องนำน้ำ (Guide Vane) ซึ่งติดตั้งติดกับใบพัดแปลงแรงดัน ในขณะที่ปั๊มแบบโวลูทจะแปลงความเร็วการไหลเป็นแรงดันโดยใช้โข่งเกลียว (Spiral Casing) ปั๊มแบบโวลูทจะได้รับความนิยมสูงกว่า เพราะมีประสิทธิภาพดี ใช้ได้กับช่วงปริมาณการไหลกว้าง ,ผลิตง่าย และมีขนาดกะทัดรัด ในขณะที่ปั๊มน้ำแบบดิฟฟิวเซอร์จะใช้กับงานพิเศษ เช่น ปั๊มน้ำบ่อลึก

ชนิดการดูดน้ำ (SUCTION TYPE)

ดูดน้ำทางเดียว (Single Suction) & ดูดน้ำสองทาง (Double Suction) ในกรณีที่ทางดูดน้ำทางเดียวไม่เพียงพอที่จะดูดปริมาณน้ำมากๆ จะมีปั๊มน้ำชนิดที่มี 2 ใบพัดวางหลังชนกัน และมีทางดูดน้ำอยู่ทั้ง 2 ข้าง ซึ่งอาจเรียกว่าปั๊มแบบดูดน้ำสองทาง ปั๊มแบบทางดูด 2 ทางสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงาน และรุนแรงตามแนวแกน จะสมดุลทางทฤษฏี อย่างไรก็ตามเนื่องจากโครงสร้างปั๊มที่ซับซ้อน ทำให้มีการใช้งานเฉพาะค่อนข้างจำกัด

ปั๊มน้ำหลายสเตจ (หลายชุดใบพัด)

ในกรณีที่ปั๊มน้ำใบพัดเดียวไม่ สามารถสร้างเฮดน้ำที่ต้องการได้ ในกรณีนี้ปั๊มที่มีหลายๆ ชุดใบพัดเรียงกันแบบอนุกรมจะเฮดน้ำได้มากกว่าปั๊มน้ำที่ให้เฮดน้ำสูงๆ ส่วนใหญ่เป็นปั๊มน้ำหลายสเตจ (หลายใบพัด)

ปั๊มน้ำแบบไม่สามารถล่อน้ำเอง (Non-Self-Priming Pump) และปั๊มน้ำที่สามารถล่อน้ำเอง (Self-Priming Pump)

ในการใช้งานปั๊มน้ำทั่วไป เราจะต้องล่อน้ำ โดยการเติมน้ำลงในปั๊มเพื่อให้มีน้ำเต็มระหว่างปั๊มลงไปถึงปลาย ท่อดูดน้ำ ในขณะที่ปั๊มน้ำแบบสามารถล่อน้ำเองทำงานตามขั้นตอนดังนี้

1. ก่อนการใช้งาน จะต้องมีน้ำขังในเรือนปั๊ม และใบพัดจุ่มในน้ำ
2. เมื่อเริ่มใช้งาน ใบพัดหมุนสร้างสูญญากาศในปั๊มอากาศในท่อดูดถูกดึงเข้าปั๊มในขณะที่ท่อทางออก ส่วนน้ำจะยังคงหมุนวนในช่วงใบพัด
3. เมื่ออากาศถูกดึงออกจากท่อดูดจนหมด น้ำจะขึ้นมาเต็มท่อ และปั๊มน้ำดูดส่งได้ตามปกติ

ปั๊มพ์จุ่ม (Submersible Pumps)

ปั๊มพ์จุ่มกำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงหลังเนื่องจาก

1. ไม่ต้องการติดตั้ง
2. ไม่ต้องมีการล่อน้ำ (Priming) ก่อนใช้
3. ไม่มีปัญหา คาวิเตชั่น (Cavitation)

นอกจากนี้ปั๊มพ์จุ่มในปัจจุบันยังมีมอเตอร์จุ่มน้ำ และแมคคานิคอลซีลที่มีคุณภาพดีขึ้น บวกกับราคาปั๊มพ์จุ่มที่ต่ำลงทำให้ปั๊มพ์จุ่มได้รับความนิยมขึ้นมา

ปั๊มพ์อื่นๆ

นอกจากปั๊มพ์น้ำใช้ใบพัดที่กล่าว ข้างต้นแล้ว ยังมีปั๊มพ์ชนิดอื่น เช่น ปั๊มพ์ชัก, ปั๊มโรตารี่, ปั๊มพ์เฟือง, ปั๊มใบพัดเฟือง (Regenerative) , ปั๊มพ์สูญญากาศ, ปั๊มพ์เจ็ท, ปั๊ม air lift pump, ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้กับงานพิเศษ ในการใช้งานทั่วไปนั้น ปั๊มพ์น้ำแบบใบพัดโดยเฉพาะปั๊มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์แบบหอยโข่ง (Volute) จะมีใช้แพร่หลายมากที่สุด

ที่มา : NEOPRO