ความแตกต่างระหว่าง เฮดและความดัน
- Head: วัดเป็นหน่วยความสูง เช่น ฟุตหรือเมตรของของเหลว
- Pressure: วัดเป็นหน่วยของแรง เช่น psi, bar หรือ Pascal
กฎเกี่ยวกับความหนาแน่น: ปั๊มจะสร้าง Headเท่าเดิมไม่ว่าจะสูบน้ำหรือน้ำมัน หนัก แต่ของเหลวที่หนักกว่าจะให้ค่า Pressure สูงกว่า
ความสัมพันธ์ระหว่าง Head และ Pressure
สามารถเปลี่ยนค่า Head (H) เป็น Pressure (P) ได้โดยใช้ความหนาแน่นของของไหล (ρ) และแรงโน้มถ่วง (g) ตามสูตร:
P = Fluid density × Fluid gravity × Head
PRESSURE VS HEAD:
การเลือกปั๊มถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์หลักดังต่อไปนี้:
- Head (H)
- Flow rate (Q)
- คุณสมบัติของของไหล (ρ, γ, T ….)
บางครั้ง Head อาจถูกเข้าใจสับสนกับ Pressure ในระหว่างการเลือกปั๊ม ที่จริงแล้วทั้งสองมีความสัมพันธ์กันอย่างชัดเจน ซึ่งถูกกำหนดโดย Specific Gravity ของของไหล ดังนั้นความสัมพันธ์นี้จึงขึ้นอยู่กับชนิดของของไหล
คำจำกัดความของ Head และ Pressure
Head คือความสูงที่ปั๊มส่งให้กับของไหล และวัดเป็นเมตรของคอลัมน์ของเหลว [m.l.c.] หรือระบุอย่างง่ายเป็นเมตร [m] ค่า Head ที่ปั๊มสร้างขึ้นไม่ขึ้นกับชนิดของของไหล ของไหลต่างชนิดกันที่มี Specific Gravity ต่างกันสามารถถูกยกขึ้นไปได้ที่ความสูงเท่ากัน
Pressure ขึ้นอยู่กับชนิดของของไหลและได้รับผลกระทบจากความหนาแน่นของของเหลว แรงของคอลัมน์ของเหลวที่มีความสูงคงที่ต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่จะเปลี่ยนไปเมื่อ Specific Gravity แตกต่างกัน ดังนั้น Head เท่ากันจึงสามารถสร้าง Pressure ที่แตกต่างกันได้การวัด: Pressure หรือ Head
Head ไม่ได้ถูกวัดโดยตรง Manometer ที่ติดตั้งบริเวณท่อดูดและท่อจ่ายของปั๊มจะใช้วัด Pressure
ค่าที่อ่านจาก Manometer แสดงถึงความแตกต่างของ Pressure ที่ปั๊มสร้างขึ้นระหว่างด้านดูดและด้านจ่าย
ค่าที่วัดได้สามารถอ่านเป็น [bar], [atm], [psi], [ft H2O] เป็นต้น ต้องพิจารณา Specific Gravity γ เพื่อประเมินค่า Head ที่สอดคล้องกัน
การแปลงค่าและตัวอย่างการใช้งาน
ปั๊มตัวเดียวกันที่จุดทำงานเดียวกันจะให้ค่า Head เท่าเดิมเสมอ แต่ค่า Pressure จะเปลี่ยนไปตามความหนาแน่น γ ของของไหลที่สูบ
ตัวอย่างเช่น ปั๊มหอยโข่งแบบ Mag Drive รุ่น HTM 10 ทำงานที่จุด Q = 7.5 m³/h และ H = 10 mlc เมื่อใช้งานกับน้ำและกรดซัลฟิวริกเข้มข้น จะให้ Head เท่ากัน (H = 10 m) ทั้งกับน้ำ (γ = 1 kg/dm³) และกรดซัลฟิวริก (γ = 1.8 kg/dm³) แต่ค่าความแตกต่างของ Pressure ระหว่างด้านดูดและด้านจ่ายจะแตกต่างกัน
สมการทางคณิตศาสตร์
ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์แสดงได้ด้วยสมการต่อไปนี้:
P = Fluid density × Fluid gravity × Head
กำลังไฟฟ้าที่ใช้ก็ได้รับอิทธิพลจากความสัมพันธ์ของ Pressure ดังกล่าวเช่นกัน
หมายเหตุ
- ความสัมพันธ์ที่กล่าวมาข้างต้นใช้ได้กับของไหลที่มีความหนืดต่ำ (เทียบเท่าน้ำ) เมื่อความหนืดเพิ่มขึ้น ต้องลดสมรรถนะของปั๊มโดยใช้หลักการ Pump Derating
- ที่ความเร็วรอบคงที่ ปั๊มหอยโข่งจะสร้าง Head ที่สัมพันธ์กับอัตราการไหลตามเส้นกราฟสมรรถนะของปั๊ม
- การคำนวณ Head ที่ปั๊มจำเป็นต้องจ่ายไม่ใช่เพียงการประเมินความแตกต่างของระดับความสูงเท่านั้น
องค์ประกอบของ Head ที่ต้องการ
Head ที่ต้องการประกอบด้วย:
- Geodetic Head: ความแตกต่างของระดับความสูงระหว่างด้านดูดและด้านจ่าย ซึ่งแสดงเป็นเมตรของคอลัมน์ของเหลว
- ความแตกต่างระหว่าง Absolute Pressure ของถังด้านจ่ายและถังด้านดูด
- การสูญเสียจากแรงเสียดทานทั้งแบบกระจายตัวและแบบเฉพาะจุด ซึ่งแสดงเป็นเมตรของคอลัมน์ของเหลว
Head แตกต่างกับ Pressure
Pressure ด้านจ่ายของปั๊มมักถูกเรียกว่า Head หรือ Pressure แต่ Head และ Pressure ไม่ใช่สิ่งเดียวกันสำหรับของไหลทุกชนิด ความสับสนนี้อาจนำไปสู่การคำนวณผิดและการเลือก Specification ของปั๊มไม่ถูกต้อง
Head คือความสูงของของไหล โดยทั่วไปแสดงเป็น MLC (Metres of Liquid Column) หรือใช้หน่วย M หน่วยนี้ไม่ขึ้นกับชนิดของของไหล
Pressure ขึ้นอยู่กับของไหลและความหนาแน่นของของไหล การคำนวณ Pressure จะเปลี่ยนแปลงตาม Specific Gravity ของของไหล
Manometer บนปั๊มจะแสดง Pressure ด้านดูดและด้านจ่าย รวมถึง Differential Pressure แต่ค่าที่อ่านได้ไม่ได้คำนึงถึง Specific Gravity ของของไหลที่สูบ ดังนั้นค่าที่อ่านได้จึงต้องตรวจสอบร่วมกับ Specific Gravity ของของไหลเพื่อคำนวณ Differential Pressure ที่ปั๊มสร้างขึ้น
สูตรการแปลง Head เป็น Pressure
ในการแปลง Head หน่วยเมตรเป็น Pressure หน่วย Bar จำเป็นต้องใช้สูตร:
Pressure = 0.0981 × M × SG
ตัวอย่าง
น้ำที่ 10 M Head — น้ำมี Specific Gravity เท่ากับ 1:
0.0981 × 10 × 1 = 0.981 Bar
Heavy Fuel Oil (HFO) ที่ 10 M Head — HFO มี Specific Gravity เท่ากับ 0.97:
0.0981 × 10 × 0.97 = 0.952 bar
หมายความว่า หาก Pressure Gauge แสดงค่า 0.952 bar ค่า Head ที่ปั๊มสร้างขึ้นสำหรับ HFO จริง ๆ คือ 10 M
สูตรแปลง Feet เป็น Pressure หน่วย PSI
สูตรสำหรับแปลง Head หน่วยฟุตเป็น Pressure หน่วย PSI:
Pressure = 0.434 × Ft (‘) × SG
สูตรแปลง Pressure หน่วย Bar เป็น Head หน่วย M
สูตรสำหรับแปลง Pressure หน่วย Bar เป็น Head หน่วย M:
Head unit (H) = 10.197
Pressure (p) = bar
SG = Specific Gravity
สูตรแปลง Pressure หน่วย PSI เป็น Head หน่วย Feet
สูตรสำหรับแปลง Pressure หน่วย PSI เป็น Head หน่วย Feet:
H = 2.31 × Pressure / SG
P = Pressure (PSI)
H = Head (ft)
SG = Specific Gravity
การหากำลังที่ปั๊มดูดใช้
Absorbed Power คือกำลังที่ปั๊มใช้ระหว่างการทำงานที่ Duty Point ที่ต้องการ แม้ว่าปั๊มอาจติดตั้งมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่าที่จำเป็นสำหรับ Duty แต่โดยทั่วไปค่า Absorbed Power จะแสดงอยู่บน Pump Curve โดยใช้เส้นตัดกันเพื่อระบุตำแหน่งที่คาดว่าปั๊มจะทำงาน
Specific Gravity (SG)
ของเหลวแต่ละชนิดมีมวลสัมพัทธ์ที่ขึ้นอยู่กับปริมาตร โดยใช้ค่า SG เพื่อระบุว่าของเหลวนั้นมีความหนาแน่นมากเพียงใด
น้ำมี SG เท่ากับ 1 ในขณะที่น้ำมันบางชนิดมี SG ประมาณ 0.83 ซึ่งหมายความว่ามีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ เนื่องจากมีมวลสัมพัทธ์น้อยกว่า (0.83 < 1) จึงมีน้ำหนักเบากว่า ซึ่งเป็นเหตุผลที่น้ำมันลอยอยู่เหนือน้ำ
การคำนวณกำลังที่ปั๊มดูดใช้
ความหนาแน่นและ Pressure มีผลโดยตรงต่อกำลังที่มอเตอร์ดูดใช้ระหว่างการทำงาน ปริมาณกำลังที่มอเตอร์ใช้ระหว่างการทำงานจะต้องนำไปพิจารณาร่วมกับ SG เพื่อประเมินกำลังที่ปั๊มดูดใช้
ตัวอย่างการคำนวณ Absorbed Power
ตัวอย่าง: หาก Absorbed Power ที่ Duty Point เท่ากับ 7.09 kW ตามกราฟด้านบน ค่านี้อ้างอิงจากการสูบน้ำ
หากของเหลวมีความหนาแน่นสัมพัทธ์เท่ากับ 1.3 กำลังที่ดูดใช้จะเป็น 7.09 kW × 1.3 = 9.217 kW ที่ Duty Point ซึ่งหมายความว่ามอเตอร์ควรมีขนาดอย่างน้อยเท่านี้เพื่อไม่ให้เกิดการตัดการทำงาน
หาก SG ของของเหลวน้อยกว่าน้ำ เช่น น้ำมันเบา ซึ่งมี SG = 0.83 กำลังที่ดูดใช้จะเป็น 0.83 × 7.09 kW = 5.88 kW ดังนั้นจึงสามารถติดตั้งมอเตอร์ที่มีขนาดเล็กลงได้
เนื่องจากปั๊มทำงานตามระบบที่ติดตั้ง จึงต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่า Absorbed Power ณ จุดสูงสุดของกราฟมีค่ามากกว่าค่าที่คำนวณจากความหนาแน่นและ SG
จากตัวอย่างข้างต้น จุดสูงสุดอยู่ที่ 7.5 kW ดังนั้นสำหรับน้ำ (7.5 kW × 1) กำลังสูงสุดที่ดูดใช้จะเท่ากับ 7.5 kW และสำหรับของเหลวที่มีความหนาแน่น 1.3 กำลังสูงสุดที่ดูดใช้จะเท่ากับ 7.5 kW × 1.3 SG = 9.75 kW ดังนั้นควรเลือกมอเตอร์ที่มีขนาดมากกว่า 10 kW
Head Loss กับ Pressure Loss
Head Loss หมายถึงการสูญเสีย Pressure (จากแรงเสียดทาน) ที่เกิดขึ้นกับของไหลขณะที่ไหลผ่านอุปกรณ์ต่าง ๆ ในระบบ
ส่วนประกอบทุกชนิด ตั้งแต่ท่อตรง ข้องอ วาล์ว Heat Exchanger ไปจนถึง Coupling ล้วนทำให้เกิดการสูญเสียจากแรงเสียดทานในระดับที่แตกต่างกัน
ข้องอที่มีมุมแตกต่างกัน เช่น ข้องอ 45° เมื่อเทียบกับ 90° จะทำให้เกิดการสูญเสียในระบบแตกต่างกัน อุปกรณ์แต่ละชนิดจะมีค่าการสูญเสีย Pressure ที่เรียกว่า K Factor ซึ่งใช้ระบุการสูญเสียที่เกิดจากอุปกรณ์แต่ละชิ้น
Geodetic Head
คือความแตกต่างทางกายภาพของระดับความสูงระหว่างระดับของของเหลวกับจุดจ่ายที่อยู่สูงที่สุด ค่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อสูบของเหลวจากถังหรือบ่อที่ระดับของเหลวมีการเปลี่ยนแปลง
มักมีความเข้าใจผิดว่า Geodetic Head ต้องวัดจากความลึกของท่อดูด แต่ในการคำนวณจะไม่พิจารณาความลึกของท่อดูดในลักษณะนั้น แต่จะพิจารณาจากความแตกต่างระหว่างระดับของของเหลว
Pump Derating
เนื่องจาก Pump Curve อ้างอิงจากการสูบน้ำ จึงต้องใช้ Correction Factor เพื่อปรับแก้กราฟให้เหมาะสมกับของเหลวที่กำลังสูบ
การปรับแก้นี้จำเป็นเมื่อของเหลวมีความหนืดมากกว่าน้ำ เมื่อความหนืดเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ หรือเมื่อของเหลวมีของแข็งปะปนอยู่
มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาในการปรับแก้ Pump Curve ตั้งแต่ขนาดอนุภาค อุณหภูมิ ไปจนถึงคุณสมบัติของของเหลว
ดังนั้นควรปรึกษาวิศวกรเพื่อพิจารณาการปรับแก้กราฟให้เหมาะสมกับของเหลวและสภาวะการใช้งาน
