Pump Guru

What affects the LRVP performance [22 December 2021]

ดังที่ได้กล่าวไว้แล้วในบทความที่แล้วในบทความเรื่อง Back to Basic – Liquid Ring Vacuum Pump การทำงานของปั๊มสุญญากาศแบบวงแหวนน้ำนั้น ก็คือ ปั๊ม Positive Displacement นั่นเอง (ในบทความนี้จะขอเรียกสั้น ๆ ว่า ปั๊ม PD) ดังนั้นแล้ว เช่นเดียวกันกับปั๊ม PD สิ่งที่กระทบต่อประสิทธิภาพของปั๊มก็คือ ความเร็วรอบที่ปั๊มหมุน และปริมาตรต่อ 1 รอบที่ปั๊มหมุน

ความเร็วรอบของปั๊ม หรือก็คือความเร็วในการหมุนของใบพัด ยิ่งมีความเร็วเพิ่มขึ้น ใบพัดก็สามารถกวาดเอาของไหลออกไปได้เร็วยิ่งขึ้น ก็จะยิ่งได้อัตราการไหลที่สูงขึ้นตามไปด้วย แต่ที่จำเป็นต้องพิจารณาร่วมด้วยอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ก็คือ อัตราการกินกำลังไฟฟ้าของมอเตอร์ด้วย ที่จะเพิ่มขึ้นอย่างยิ่งยวด จนในหลาย ๆ ครั้ง ก็ทำให้มอเตอร์ที่ไม่ได้มีการเลือกขนาดเผื่อเอาไว้เสียหายได้เลย

 กราฟแสดงความสัมพันธ์ของประสิทธิภาพของปั๊มกับความเร็วรอบ (ซ้าย) และ ความเร็วรอบกับพลังงาน (ขวา)

หากพูดถึงปั๊ม PD ทั่วไปอย่าง Internal Gear Pump, Screw Pump, Piston / Plunger Pump ฯลฯ ก็เป็นที่รู้กันโดยทั่วไปถึงความแม่นยำในการส่งผ่านของเหลวที่ปริมาตรคงที่ในทุก ๆ รอบการหมุนของปั๊ม แต่กับ Liquid Ring Vacuum Pump นั้นต่างออกไป LRVP สร้างห้องปั๊มจากวงแหวนน้ำ และการเยื้องศูนย์ของใบพัด ซึ่งลักษณะรูปร่างของวงแหวนน้ำนั้นไม่ได้คงที่เหมือนอย่างชุดเกียร์เหล็กหล่อ หรือชุดสกรูเหล็กกล้า แต่จะขึ้นอยู่กับปัจจัยอย่าง ชนิด,ปริมาณและอุณหภูมิของของเหลวนั่นเอง ดังนั้นแล้ว ถึงจะใช้ปั๊มที่ขนาดเท่ากัน ก็อาจจะได้ผลลัพธ์ที่ต่างกันออกไปถ้าหากไม่มีการควบคุมปริมาณ หรืออุณหถูมิของของเหลวนั่นเอง

ผลของชนิดของของเหลว (Service Liquid Type)

ของเหลวที่ต่างชนิดกันก็ย่อมมีคุณสมบัติต่างกัน คุณสมบัติที่สำคัญก็คือ แรงดันไอ (Vapor Pressure), ค่าความถ่วงจำเพาะ (Specific Gravity) และค่าความหนืด (Viscosity) โดยของเหลวที่เป็นที่นิยมที่สุดก็คือน้ำ ด้วยความง่ายในการจัดหาและรับมือ แต่ในงานบางครั้งก็มีที่ไม่สามารถใช้น้ำได้ หรือต้องการประสิทธิภาพที่สูงกว่านั้น จึงมีการใช้น้ำมันมาแทนที่ โดยสามารถเปรียบเทียบได้ ดังนี้

-          ค่าความถ่วงจำเพาะของน้ำ (1 kg/l) ซึ่งสูงกว่าน้ำมัน (~0.8 kg/l) ทำให้ความสามารถในการบีบอัดอากาศของน้ำมากกว่าน้ำมัน พลังงานที่มากกว่าทำให้น้ำสามารถสร้างอัตราการไหลได้สูงกว่าน้ำมัน

-          น้ำมันมีค่าแรงดันไอที่ต่ำกว่า ซึ่งทำให้วงแหวนของน้ำมันสามารถทำสุญญากาศได้ลึกกว่าของน้ำ ซึงสามารถทำได้ลึกถึง 29.9 ”Hg (7-8 mbar a) เทียบกับน้ำซึ่งทำได้ลึกถึงแค่ 29” Hg (33 mbar a) ด้วยเหตุนี้ น้ำมันจึงสามารถทำอัตราการไหลได้สูงกว่าน้ำที่สุญญากาศลึก ๆ

-          ค่าความหนืดส่งผลต่อการกินกำลังของมอเตอร์ ยิ่งมีความหนืดมากก็จะยิ่งกินกำลังมาก ซึ่งค่าความหนืดก็จะขึ้นกับชนิดของน้ำมันที่เลือกใช้

ดังนั้นโดยสรุปแล้ว

                น้ำมัน จะทำงานได้ดีกว่าที่สุญญากาศลึก ๆ ถึงแม้ว่าจะมีค่าความถ่วงจำเพาะที่น้อยกว่าน้ำ แต่ค่าแรงดันไอที่น้อยกว่าก็ทำให้ช่วยลดการเกิดไอน้ำซึ่งจะไปแทนที่อากาศทำให้ดูดอากาศได้น้อยลงและทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพ

                น้ำ ทำงานได้ดีกว่าน้ำมันที่สุญญากาศปานกลางไปจนถึงต่ำ ๆ เนื่องจากว่าค่าความถ่วงจำเพาะที่มากกว่า ทำให้สามารถบีบอัดและดึงอากาศมาได้มากกว่า แต่ค่าแรงดันไอที่สูงจึงทำให้น้ำระเหยเป็นไอน้าเมื่อถึงค่าสุญญากาศค่าหนึ่ง

ผลปริมาณของของเหลว (Service Liquid Consumption)

ปริมาณของของเหลวที่จ่ายให้กับปั๊มจะสัมพันธ์โดยตรงกับขนาดของวงแหวนของเหลว กล่าวคือยิ่งจ่ายของเหลวให้กับปั๊มมากขึ้นเท่าไหร่ ขนาดของวงแหวนน้ำก็จะใหญ่ขึ้นเท่านั้น และเมื่อขนาดของวงใหญ่ขึ้น นั่นหมายความว่าช่องว่างให้ห้องปั๊มสำหรับอากาศเข้าและออกก็จะมีน้อยลง ทำให้ดึงอากาศได้น้อยลง แต่ช่องที่เล็กลงนั้นจะเป็นประโยชน์ในเรื่องของการบีบอัดอากาศจะทำได้มากขึ้น ซึ่งความสัมพันธ์จะสามารถเห็นได้จากกราฟประสิทธิภาพของปั๊มนั่นเอง

ในทางตรงกันข้ามหากปริมาณน้ำที่จ่ายให้กับปั๊มไม่เพียงพอ ถึงแม้ว่าจะทำให้วงแหวนน้ำแคบและมีช่องว่างของอากาศมากขึ้น แต่วงแหวนน้ำก็ไม่มีแรงบีบอัดอากาศมากพอที่จะทำให้เกิดสุญญากาศลึกไปมาก ๆ ได้

ยิ่งปริมาณน้ำที่จ่ายให้กับปั๊มมาก (เส้นสีแดง) ปริมาณอากาศที่ปั๊มดูดได้ก็จะยิ่งลดลง (เส้นสีฟ้า)

ผลของอุณหภูมิของของเหลว (Service Liquid Temperature)

ค่าที่สำคัญที่สุดค่าหนึ่งสำหรัยการเลือกใช้งานปั๊มสุญญากาศแบบวงแหวนน้ำ ก็คือ ค่าอุณหภูมิของของเหลวที่จ่ายให้ปั๊ม เนื่องจากว่า ค่าอุณหภูมิของเหลวมีผลต่อรูปร่าง ขนาด และความดันไอของวงแหวนของเหลวนั่นเอง โดยอุณหภูมิของของเหลวนั้นจะส่งผลให้เกิดผลกระทบ 2 แบบ คือ

1.       ลดประสิทธิภาพของปั๊ม

เนื่องจากว่าพื้นที่สำหรับดูดอากาศเข้าจะถูกแทนที่ด้วยไอจากวงแหวนของเหลว ที่ระเหยออกมา ซึ่งไอระเหยเหล่านี้จะเกิดขึ้นขณะที่อุณหภูมิของของเหลวเพิ่มขึ้น และ/หรือ ค่าสุญญากาศลึกขึ้น ทำให้ปั๊มดูดอากาศได้น้อยลง ซึ่งหากระบบของเรามีอุณหภูมิของของเหวลที่สูง เราก็สามารถใช้ตัวคูณเพื่อคำนวนค่าเผื่อสำหรับอากาศที่จะโดนไอของของเหลวแทนที่ เพื่อหาค่าของอัตราการไหลที่เหมาะสมสำหรับการเลือกปั๊ม โดยเราสามารถหาค่าตัวคูณนี้ได้จากกราฟ (Capacity Corrective Factors) [Available on https://www.pompetravaini.com/en/technical-documentation/]

2.       เกิดคาวิเตชั่น

ปรากฎการณ์คาวิเตชั่น (Cavitation Effects) เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อแรงดันภายในปั๊มใกล้เคียงหรือต่ำกว่าแรงดันไอของของเหลว ของเหลวซึ่งอยู่ในสภาวะสุญญากาศที่ปั๊มสร้างขึ้นจะเริ่มเกิดการระเหยและเกิดเป็นฟองอากาศ ซึ่งเมื่อแรงดันเพิ่มสูงขึ้นจากการบีบตัวของวงแหวนของเหลว ก็จะทำให้ฟองอากาศเหล่านี้ระเบิดออก เกิดเป็นช่องว่าที่จะถูกของเหลวรอบ ๆ เติมเต็มเข้ามาสร้างเป็นจุดแรงดันสูงเข้มข้นลงบนผิวของใบพัด และทำให้เกิดเสียงดัง ปั๊มสั่น และใบพัดเสียหายได้

รูปใบพัดจากปั๊มใหม่ (ซ้าย) และใบพัดจากปั๊มที่เกิดการคาวิเตต (ขวา)

 ขอบคุณข้อมูลและรูปภาพดี ๆ จาก POMPETRAVAINI

เรียบเรียงและจัดทำโดย; อานนท์ ยอดพินิจ

อ้างอิง; www.pompetravaini.com