Perfomance Curve VS. System Curve [22 December 2021]
Perfomance Curve VS. System Curve
หน้าที่ของปั๊มก็คือการส่งพลังงานกลจากมอเตอร์ไปเป็นรูปแบบของพลังงานไฮดรอริคในของเหลว
พลังงานส่วนนี้จะค่อย ๆ หายไปตามการเคลื่อนที่ของของเหลวผ่านระบบ
จึงเป็นที่มาของกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลกับค่าหัวของปั๊ม
ที่จะเป็นตัวบอกเราว่าของเหลวจะมีพลังงานแค่ไหนที่ค่าอัตราการไหลและความเร็วรอบของมอเตอร์ค่านั้น
ๆ ยกตัวอย่างง่าย ๆ สำหรับกราฟของปั๊มที่ความเร็วรอบ 1800
RPM ดังแสดงในรูปที่
1
รูปที่ 1
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าอัตราการไหลกับค่าหัวของปั๊ม
ที่ความเร็ว 1800 RPM กับของระบบ
ลักษณะของระบบอย่างง่าย
จะถูกแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งจะคิดแค่ค่าความสูญเสียจากแรงเสียดทาน
และความเร็วของของเหลวที่เกิดขึ้นในระบบ
ซึ่งความสูญเสียจากความเร็วนี้จะเกิดขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงพื้นที่การไหลอย่างฉับพลัน
และในระบบง่าย ๆ นี้จะมีค่าหัวของระบบเป็น 0 เมื่อไม่มีอัตราการไหล
รูปที่ 2
ระบบอย่างง่ายที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงของระดับความสูงของทางด้านดูดกับด้านจ่าย
รูปที่ 3 แสดงลักษณะของระบบที่คล้าย
ๆ กัน แต่จะมีการเปลี่ยนแปลงในเรื่องของระดับความสูง ในกรณีนี้
ปั๊มจะต้องมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานให้สอดคล้องกับค่าระดับความสูงที่มีการเปลี่ยนแปลงนี้
ก่อนที่จะสามารถผลักของเหลวให้เกิดการไหลได้ ค่าความต่างของความสูงนี้ [hs] เรียกว่า
แรงดันสถิต
รูปที่ 3
ระบบอย่างง่ายที่มีการเปลี่ยนแปลงของระดับความสูงของทางด้านดูดกับด้านจ่าย
เส้นกราฟของระบบ
(System Curve) ดังแสดงในรูปที่
1 นั้น จะเป็นเส้นที่บ่งชี้ถึงระดับของพลังงานที่ต้องใช้ในการเอาชนะค่าแรงดันสถิต, แรงเสียดทาน และค่าความสูญเสียจากความเร็ว
ที่มีอยู่ในระบบ และยังเป็นเส้นที่ใช้ระบุถึงจุดทำงานของปั๊มอีกด้วย นั่นก็คือ
จุดที่เส้นกราฟของระบบตัดกับกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลกับค่าหัวของปั๊ม [จุด At] ในรูปที่
4
รูปที่ 4
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าอัตราการไหลกับค่าหัวของปั๊ม
ที่ความเร็วต่าง ๆ กับของระบบ
สำหรับปั๊มที่จะทำงานได้ในระบบ
ปั๊มจะต้องสามารถทำความดันให้ได้มากกว่าความดันสถิตของระบบ [hs] และถ้าหากมีการลดความเร็วรอบของมอเตอร์ลง
ความสามาถในการสร้างแรงดันและอัตราการไหลก็จะลดลลงด้วย โดยที่ในรูปที่ 1 ถ้าลดความเร็วรอบลงต่ำกว่า
1200 RPM ปั๊มก็จะไม่สามารถทำงานได้ในระบบนี้
เนื่องจากว่า ปั๊มไม่สามารถเอาชนะความดันสถิตได้
จุดประสิทธิภาพสูงสุดของปั๊ม
(Best Efficiency Point [BEP]) เกิดขึ้นเมื่ออัตราส่วนของค่ากำลังของไฮดรอริคต่อค่ากำลังที่ปั๊มได้รับ
(จากมอเตอร์) มีค่าสูงที่สุด และจากรูปที่ 5 ก็จะเป็นว่าจุดทำงาน A1
มีอัตราการไหลสูงกว่าจุด
BEP [B1] ในขณะที่ ถ้ามีการลดความเร็วรอบลงมา จุด BEP [B2] กับจุดทำงาน A2
นั้นแทบจะเป็นจุดเดียวกันเลย แต่หากลดความเร็วรอบลงไปมากกว่านั้น จุดทำงาน A3 ก็จะหลุดออกไปทางซ้ายจากจุด
BEP [B3] ค่อนข้างไกล
รูปที่ 5
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าอัตราการไหลกับค่าหัวของปั๊ม
ที่ความเร็วต่าง ๆ กับของระบบ พร้อมแสดงจุด BEP
กราฟของระบบควรจะมีการคำนวณอย่างระมัดระวังโดยผู้ออกแบบระบบ
ถ้าหากว่ามีความคลาดเคลื่อน ปั๊มก็อาจจะไม่สามารถทำงานตามจุดใช้งานที่ต้องการได้
และถ้าหากว่าเป็นไปได้ก็ควรเลือกใช้งานปั๊มที่จุดใช้งานใกล้เคียงกับจุด BEP ของปั๊ม
ในรูปที่ 1 ก็คือจุด
A2 นั่นเอง
การใช้งานปั๊มที่จุดใช้งานไกลกว่าจุด BEP มาก ๆ
จะส่งผลให้ปั๊มเสียหายได้จากการสึกและการสั่นสะเทือน ตำแหน่งของจุด BEP และคำแนะนำสำหรับช่วงของจุดใช้งานที่จะสามรถใช้ปั๊มได้อย่างปลอดภัย
สามารถขอได้จากผู้ผลิตหรือผู้จำหน่ายปั๊ม (i.e. API610,
6.1.12 ระบุว่าจุดใช้งานที่เหมาะสมควรอยู่ในช่วง
70% - 120%
ของอัตราการไหลของจุด BEP)
ถ้าหากว่าเราทราบจุดทำงานของปั๊มที่จุด
Q1, H1, N1 และ HP1 เราก็สามารถหาจุดทำงานใหม่ ที่ความเร็วรอบ N2 ของปั๊มเราได้โดยใช้ความสัมพันธ์ตามกฎความคล้าย
(Affinity Laws)
ก็จะสามารถช่วยให้เราทราบถึงจุดใช้งานใหม่ได้
Flow: Q1 / Q2
= N1 / N2
Head: H1
/ H2 = (N1 / N2)2
Power: HP1
/ HP2 = (N1 / N2)3
โดยที่ Q คือ
อัตราการไหล, H คือ
ค่าหัวของปั๊ม, N คือ
ความเร็วรอบในการหมุนของเพลา และ HP คือ กำลังที่ปั๊มต้องการ
การจะคำนวณหากราฟของระบบ
ให้ออกมาเป็นกราฟแบบในรูปที่ 1 โดยใช้จุด flow-head เดียวนั้น ก็สามารถทำได้ โดยที่จุด A1 มีค่าหัวสุทธิรวมอยู่ที่
h1 และค่าหัวสถิต
hs ดังนั้นแล้ว
ค่าหัวที่เกิดจากค่าความเสียดทานของท่อและอุปกรณ์ภายในท่อจะมีค่าเท่ากับ h1 - hs และเนื่องจากว่าค่าหัวจากแรงเสียดทางและความเร็วของของเหลวนั้นเป็นสัดส่วนกำลังสองของค่าอัตราการไหล
เราจึงได้เป็นสมการสำหรับกราฟของระบบดังนี้
h2 = (q1 / q2)2
x (h1 - hs) + hs
โดยที่
สังเกตว่าในสมการนี้เราใช้ให้ตัวแปรทั้งหมดเป็นอักษรตัวเล็ก
ทั้งนี้เพื่อไม่ให้สับสนกันระหว่างตัวแปลซึ่งเป็นตัวเลขของระบบ กับตัวแปรของปั๊ม
ที่ปั๊มทำได้
สมการนี้จะอยู่ภายใต้สมมุติฐานที่ว่า hs มีค่าคงที่
และสามารถใช้ได้แค่กับระบบที่มีค่าหัวสถิตคงที่เท่านั้น
(ไม่มีการเปลี่ยนแปลงของระดับความสูง)
จึงไม่สามารถใช้ได้กับระบบที่ต้องดูดสารออกจากถังจนหมด
เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงของระดับความสูงในถัง
ซึ่งกราฟทั้งหมดจะมีการขยับขึ้นลงตามอัตราการเปลี่ยนแปลงของ hs
ซึ่งขึ้นอยู่กับรูปทรงของถังด้วย
วิธีการที่จะลดอัตราการไหลของปั๊มที่มีประสิทธิภาพที่สุดก็คือการลดความเร็วของเพลาปั๊ม
ซึ่งในทางปฏิบัติแล้ววิธีนี้จะใช้ได้ก็ต่อเมื่อมีอุปกรณ์ควบคุมความเร็ว เช่น Inverter หรือ VSD ซึ่งในการติดตั้งปั๊มส่วนใหญ่ไม่มี
ผู้ใช้งานปั๊มส่วนใหญ่จึงเลือกที่จะใช้วิธีการปรับเพิ่มค่าหัวของระบบโดยการหรี่วาล์วที่ทางฝั่งท่อด้านจ่ายของตัวปั๊ม
ซึ่งก็สามารถลดอัตราการไหลของปั๊มได้จริง
แต่ก็ตามมาด้วยการใช้งานพลังงานอย่างสิ้นเปลือง
สังเกตในรูปภาพที่
6 เราสามารถบังคับให้ปั๊มย้ายจุดทำงานจากทุด
A1 ไปยังจุด
C1 ได้โดยการหรี่วาล์วที่ฝั่งขาออกของปั๊ม
ซึ่งค่าหัวของปั๊มที่หายไประหว่างจุด A1 กับจุด C1 ก็คือค่าความสูญเสียที่เกิดขึ้นจากการไหลผ่านวาล์วที่เปิดไม่เต็มที่
ซึ่งถึงแม้ว่าจะเป็นวิธีการที่ได้ผล แต่ถ้าหากจะให้เปรียบเทียบแบบสุดกู่เลย
ก็จะเหมือนกับการเลือกซื้อแอร์ที่ทำความเย็นได้เย็นสุด ๆ มาใช้ในห้อง
แล้วเราก็ทำการปรับอุณหภูมิของห้องโดยการเปิดหน้าต่าง, ประตูในห้อง ให้ได้อุณหภูมิตามที่เราต้องการ
นอกจากนี้
สิ่งที่ต้องคำนึงอีกข้อก็คือปั๊มแต่ละตัวก็จะมีค่าอัตราการไหลที่น้อยที่สุดที่ทำได้
(minimum flow allowable) หากใข้งานที่อัตราการไหลต่ำไปกว่านี้ก็จะทำให้ปั๊มเสียหายได้
รูปที่ 6
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าอัตราการไหลกับค่าหัวของปั๊ม
ที่ความเร็วต่าง ๆ กับของระบบ
เมื่อมีการหรี่วาล์ว (เส้นสีเขียว)
ข้อควรระวังเพิ่มเติมสำหรับการใช้งานระบบควบคุมความเร็วในระบบ
ก็คือ ควรระวังและสังเกตระดับการสั่นสะเทือนของปั๊ม เพราะถ้าหากว่าโชคร้ายจริง ๆ
ปรับไปเจอเข้ากับค่าความถี่ธรรมชาติ (Natural Frequency)
ปัญหาการสั่นสะเทือนจาการสั่นพ้องกับความถี่ธรรมชาติจะพบได้มากกว่าในปั๊มแบบแนวตั้ง
(Vertical Pump Unit)
ถ้าหากว่าความเร็วที่ต้องการจะต้องเพิ่มขึ้น
ก็ควรตรวจสอบด้วยว่าปั๊มที่มีอยู่นั้นสามารถรับโหลดที่เพิ่มขึ้นด้วยได้หรือไม่
และกำลังของอุปกรณ์ขับ (มอเตอร์) มีเพียงพอหรือไม่
สังเกตในสมการกฎความคล้ายกำลังของปั๊มจะเพิ่มขึ้นเป็นกำลังสามของความเร็วที่เพิ่มขึ้น
ความเร็วที่เพิ่มขึ้นยังส่งผลถึงค่าความดันขาเข้า
หรือค่าส่วนต่างของ NPSH (Net Positive Suction Head) อีกด้วย ค่า NPSH ที่ไม่เพียงพอก็ส่งผลให้เกิดการสูญเสียประสิทธิภาพ, เสียง, การสั่นสะเทือน, และความเสียหายของใบพัด โดยทั่วไปแล้วค่า NPSH
Requirements จะเพิ่มขึ้นเป็นกำลังสองของค่าความเร็ว
(เช่นเดียวกันกับค่าหัวของปั๊ม
ตามสมการของกฎความคล้าย)
และก็เช่นเดียวกันควรปรึกษากับทางผู้ผลิตหรือผู้ขายสำหรับคำแนะนำเพิ่มเติม
เรียบเรียงและจัดทำโดย;
อานนท์
ยอดพินิจ
ที่มา;
PUMP AND SYSTEM TROUBLESHOOTING HANDBOOK, Performance Curve vs. System Curve,
Phil Mayleben
