Cavitation & NPSH [21 December 2021]
ทำความรู้จักกับปรากฏการณ์คาวิเตชั่น
(Cavitation)
อะไรคือสาเหตุและผลที่เกิดขึ้น รวมถึงทำความรู้จักกับค่า Net
Positive Suction Head (NPSH)
ทำอย่างไรจึงจะป้องกันการเกิด Cavitation ได้
ปรากฎการณ์คาวิเตชั่น เป็นการก่อตัวและแตกออกของฟองอากาศ หรือไอระเหยของของเหลว ซึ่งฟองอากาศเหล่านี้เกิดขึ้น ณ จุดที่ความดันของสภาพแวดล้อมของของเหลวมีค่าน้อยกว่าความดันไอ (Vapour Pressure) และฟองอากาศเหล่านี้เกิดการแตกตัว หรือระเบิดออก ณ จุดที่ความดันมีการเพิ่มขึ้นกลับมาที่ความดันไอ
ค่าความดันไอของน้ำ ที่อุณหภูมิ 100 ⁰C อยู่ที่ 1 atm กล่าวคือ
น้ำจะเริ่มระเหยที่อุณหภูมิ 100 ⁰C เมื่ออยู่ที่แรงดัน
1 atm
ปรากฎการณ์นี้สามารถเกิดขึ้นได้ที่ใบพัดของเรือ
หรือระบบไฮดรอลิคอื่น ๆ อย่างเช่น ระบบ Bypass Orifice หรือ ในการหลี่วาล์ว
ขณะที่มีการเพิ่มขึ้นของความเร็วของของเหลว
และเกิดการลดลงของแรงดันจนอาจต่ำกว่าความดันไอของของเหลวได้
Cavitation Effects – ผลของปรากฏการณ์คาวิเตชั่น
ระยะการก่อตัวของฟองอากาศ
อัตราการไหลที่ลดลง
ในขณะที่ของเหลวถูกแทนที่ด้วยไอ และการเกิดความไม่สมดุลกันเชิงกล (Mechanical Imbalance) เมื่อเส้นทางของใบพับางส่วนถูกแทนที่ด้วยไอของของเหลวซึ่งเบากว่าของเหลวหลายเท่า
นำไปสู่ปัญหาการสั่นสะเทือน (Vibration), เพลาคด (Shaft
Deflection) และส่งผลถึงความเสียหายต่อแบริ่ง, ซีลรั่ว และ
เพลาขาดในที่สุด ในปั๊มหลายสเตช (Multi-Stage Pump) จะมีเรื่องการเสียสมดุลในแนวแกนของเพลาอีกด้วย
นำไปสู่ความเสียหายของ Thrust Bearing ได้
ระยะการแตกตัวของฟองอากาศ
ความเสียหายทางกลเกิดขึ้น
จากการแตกตัวหรือระเบิดออกของฟองอากาศ
ซึ่งมีความรุนแรงขนาดที่ทำให้เนื้อของใบพัดหลุดออกมาได้เลย
เกิดเสียงและการสั่นสะเทือน
ซึ่งเป็นผลมาจากการแตกตัวของฟองอากาศ โดยเฉพาะเสียง แกรก ๆ
ที่ดังราวกับว่าเรากำลังปั๊มเม็ดทรายอยู่ก็เป็นคำเตือนที่เตือนเราอยู่ว่าได้เกิดการคาวิเตชั่นขึ้นแล้ว
ที่มา;
Viking Pump School, Net Positive Suction Head (NPSH)
Net Positive Suction Head
ในการออกแบบระบบปั๊มและการเลือกปั๊ม
สิ่งที่ต้องมีการไตร่ตรองอย่างถี่ถ้วนก่อนเลยก็คือค่า Net
Positive Suction Head (NPSH) หรือในภาษาไทยก็คือ
ค่าสมรรถภาพการดูดของเครื่องสูบ เพื่อป้องกันการเกิดคาวิเตชั่น
ซึ่งการวิเคราะห์อย่างถูกต้องจะต้องใช้งานทั้ง Net
Positive Suction Heads Available [NPSHa] ในระบบ
และค่า Net Positive Suction Head Required [NPSHr] ของตัวปั๊มเอง
NPSHa คือค่าที่ได้มาจากการวัดค่า
หรือคำนวณค่าของความดันสัมบูรณ์ที่อยู่เหนือค่าความดันไอที่ท่อด้านเข้าก่อนถึงปั๊ม
หรือก็คือค่าความดันสัมบูรณ์ทั้งหมดที่เหลืออยู่ก่อนที่ของเหลวจะเข้าสู่ปั๊ม
โดยเริ่มจากความดันที่กดของเหลวอยู่ ถ้าหากว่าเป็นถังเปิดก็คือค่าความดันบรรยากาศ
ณ จุด ๆ นั้น หรือ ถ้าหากเป็นถังแรงดัน ก็คือค่าแรงดันที่กดผิวของของเหลวอยู่
ซึ่งจะเป็นแรงดันที่ช่วยกดของเหลวให้เข้าสู่ปั๊มนั่นเอง
ลำดับต่อมาก็คือ
ค่าความสูญเสียต่าง ๆ ทั้งแรงดันสถิตด้านดูด (Static
Suction Head) ซึ่งสามารถเป็นได้ทั้งค่าความสูญเสีย
หรือตัวช่วย กล่าวง่าย ๆ ก็คือ
ความสูงในแนวดึ่งระหว่างจุดศูนย์กลางของตัวปั๊มไปยังผิวของของเหลว
ถ้าหากระดับของของเหลวอยู่สูงกว่าก็จะมีค่าเป็นบวก แต่ถ้าหากอยู่ต่ำกว่าก็จะมีค่าเป็นลบ
และก็อย่าลืมพิจารณาด้วยว่าระดับต่ำที่สุดที่ปั๊มจะดูดออกจากถังอยู่ที่เท่าไหร่นะครับ
อีกค่าหนึ่งก็คือค่าความสูญเสียที่เกิดจากการไหล
(Dynamic Suction Head) อันเป็นผลมาจากความเสียดทานภายในท่อ (Pipe Friction Loss)
ซึ่งก็จะใช้วิธีในการคำนวณเช่นเดียวกันกับการคิดค่าความสูญเสียภายในท่อโดยปกติ
จากต้นทางแหล่งดูดหรือถังเก็บของเหลว ไปยังท่อฝั่งดูดของตัวปั๊ม
ซึ่งจะมีค่าเป็นลบเสมอ และยิ่งอัตราการไหลสูงมากเท่าไหร่
ค่าความสูญเสียที่เกิดขึ้นก็จะยิ่งสูงขึ้นตามไปด้วย
ค่าสุดท้ายก็คือ
ค่าความดันไอของของไหล ซึ่งก็เป็นค่าที่ได้อธิบายเอาไว้แล้วในตอนต้น
แต่สิ่งที่อยากจะย้ำกันอีกรอบก็คือ
ให้พิจารณาค่าความดันไอของของเหลวที่อุณหภูมิของจุดใช้งาน ซึ่งสำคัญมาก
เนื่องจากว่าค่าความดันไอที่อุณหภูมิต่าง ๆ กัน ก็จะมีค่าต่างกันด้วย
ดังกราฟที่แสดงไว้ให้ดูแล้วในตอนต้น
ที่มา; Goulds Pump Manual,
TECH-A-5 Net Positive Suction Head (NPSH) and Cavitation
NPSHr จะอ้างอิงจากจุดกึ่งกลางของใบพัดปั๊มเสมอ
โดยมีที่มาจากการวัดค่าความดันสูญระหว่าที่ของเหลวเดินทางจากท่อดูดของปั๊มผ่านไปตามห้องปั๊มไปจนถึงตาใบของปั๊ม
ซึ่งค่านี้ก็จะขึ้นกับค่าความสูญเสียจากความเสียดทานและความปั่นป่วนของของเหลวที่เกิดขึ้น
ซึ่งค่าเหล่านี้ ทางโรงงานผู้ผลิตปั๊มจะเป็นผู้หาค่าผ่านการทดลองที่จุดทำงานต่าง ๆ
โดยการทดลองจะเป็นไปตามมาตรฐาน Hydraulic
Institute Test Standard 1988 Centrifugal Pumps 1.6.
ลักษณะของแรงดันของของเหลวที่วิ่งผ่านตัวปั๊ม
ซึ่งจุด
D จะเป็นจุดที่ความดันมีค่าต่ำที่สุด
และเป็นจุดที่จะเกิดฟองอากาศขึ้น
โดยที่ค่าทั้งสอง (NPSHa และ NPSHr) จะมีความสัมพันธ์กันก็คือ ค่า NPSHa จะต้องมากกว่าค่า NPSHr ในระดับหนึ่งเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดปรากฏการณ์คาวิเตชั่น
ในส่วนที่ว่าจะต้องห่างกันเท่าไหร่ก็แล้วการออกแบบของแต่ละอุปกรณ์ไป
ในการใช้งานโดยทั่วไปส่วนใหญ่ ค่า NPSHa
จะมากกว่าค่า NPSHr อยู่พอสมควรอยู่แล้ว
แต่ก็ยังมีบางกรณีที่ทั้งสองค่านี้ใกล้เคียงกัน [0.5-1.5 m] ผู้ใช้งานควรปรึกษากับผู้ผลิต และควรจะมีข้อตกลงกันถึงช่องว่างของค่า NPSH ที่เหมาะสม ซึ่งควรจะต้องพิจารณาถึงคุณสมบัติของของเหลว, ค่า NPSHa
ที่น้อยที่สุด และที่จุดใช้งานปกติ รวมถึงอัตราการไหลที่จุดใช้งานด้วย
