การคำนวณ TDH
การคำนวณ TDH – Head pump (เฮดปั๊ม หรือระยะยกของปั๊ม) คือค่าพลังงานหรือแรงดันที่ปั๊มน้ำใช้เพื่อดันของเหลวให้เอาชนะแรงต้านและเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปยังจุดปลายทาง โดยทั่วไปนิยมวัดหน่วยเป็นเมตร (m) ของคอลัมน์ของเหลว แทนที่จะบอกเป็นบาร์หรือแรงดันตรงๆ
ค่า Head ในรูปแบบต่างๆ
• Static Head (ระยะยกสูง): ความสูงจากระดับน้ำต่ำสุดถึงจุดจ่ายน้ำสูงสุด
• Friction Head (แรงเสียดทานในท่อ): แรงต้านที่เกิดจากน้ำไหลผ่านท่อ ข้องอ และวาล์วต่างๆ
• Pressure Head (ความดันปลายทาง): แรงดันที่ต้องการให้พุ่งออกจากหัวจ่ายหรือเครื่อง
การคำนวณหาค่า Head เป็นเรื่องสำคัญมาก เพราจะทำการเลือกปั๊มที่ใช้งานได้ถูกต้อง และการป้องกันการเกิดโพรงอากาศ (Cavitation)
TDH Calculation
Pressure (ความดัน) คือแรงต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ เป็นสิ่งที่เราวัดได้จริง ที่ตำแหน่งนั้น ๆในระบบ ขึ้นกับหลายแฟคเตอร์ เช่น ระดับความสูง (static), การสูญเสียในท่อและอุปกรณ์ (loss), การเปิด–ปิดวาล์ว, ตำแหน่งที่วัด (ดูดหรือส่ง), และความหนาแน่นของของเหลว
Head ในงานปั๊ม คือพลังงานที่ปั๊มเพิ่มให้ของไหลต่อหนึ่งหน่วยน้ำหนัก คือความสามารถในการส่งของเหลวให้ไปถึงจุดหมายในรูปของความสูงเทียบเท่า (equivalent height) นิยมเขียนเป็นเมตร (m) หรือฟุต (ft) ผู้ผลิตมักระบุสมรรถนะปั๊มเป็น Head เพราะ Head เป็นตัวแทนพลังงานต่อหน่วยน้ำหนักของของไหล ส่วน Pressure เป็นผลที่แปลงมาจาก Head ซึ่งเปลี่ยนตามความหนาแน่นของของเหลวและสภาพระบบ
ΔP = ρ*g*H
ถ้า Head เท่ากัน แต่ของเหลวหนักขึ้น (ρ มากขึ้น) ความดันที่เกิดขึ้น (ΔP) จะเพิ่มตามสัดส่วนทันที จำง่ายๆ คือแบบคอลัมน์สูง 10 เมตร สมมติปั๊มให้ Total Head = 10 m
- ถ้าเป็นน้ำ H = 10 m จะเทียบเป็นความดันประมาณ 1 bar (จริง ๆ ใกล้ ~0.98 bar)
- ถ้าเป็นของเหลวหนักกว่าน้ำมาก เช่น ปรอท (ความหนาแน่น ~13.6 เท่าของน้ำ) ที่ Head 10 m เท่าเดิม ความดันจะเพิ่มขึ้นราว 13 เท่า
สรุปว่า Head เท่าเดิม ไม่ได้แปลว่า Pressure เท่าเดิม และนี่คือเหตุผลที่ผู้ผลิตไม่ผูกสเปกไว้กับ pressure ตั้งแต่ต้น เพราะ pressure เป็นภาพที่ขึ้นกับทั้งของเหลวและระบบ แต่ Head สะท้อนตัวปั๊มได้ตรงกว่า แม้ Head จะใกล้เดิมเมื่อเปลี่ยนชนิดของของเหลว แต่กำลังที่ต้องใช้ไม่เดิม
P_h = ρ*g*Q*H
เมื่อ P_h คือกำลังไฮดรอลิก (Hydraulic Power) เป็นกำลังที่ปั๊มใช้ส่งผ่านให้กับของไหลโดยตรง ถ้า Q และ H เท่าเดิม ของเหลวที่หนักขึ้นเท่าไร กำลังไฮดรอลิกก็เพิ่มขึ้นเท่านั้น หมายถึง ต่อให้ยกได้สูงเท่าเดิม มอเตอร์, เพลา, แรงบิด, ความแข็งแรงของเสื้อ (Casing), ท่อและอุปกรณ์ประกอบท่ออาจจะรับภาระไม่ไหวถ้าเราเปลี่ยนไปสูบของเหลวที่หนักกว่าเดิมมาก
สำหรับปั๊มหอยโข่งที่เราใช้กันเป็นหลักในงานอาคารและโรงงาน Pump Curve มาตรฐานจะใช้ Head (H) เป็นแกนตั้ง และใช้ Flow (Q) เป็นแกนนอน หน่วยเป็น Head (m) vs Flow (m³/h) ที่ Pressure เป็นแกนตั้ง เพราะ Head ทำให้กราฟเดียวกันใช้ได้กับของเหลวหลายชนิด และช่วยให้เอาไปประกอบกับ System curve เพื่อหาจุดทำงาน Operating point) ได้ตรงตามหลักออกแบบใว้ ส่วนหน่วย bar/psi ส่วนใหญ่เป็นการแปลงหน่วยจาก Head
สิ่งสำคัญ คืออย่าเพิ่งติดกับคำว่าปั๊มต้องสร้างอย่างใดอย่างหนึ่ง ความจริงคือปั๊มเพิ่ม พลังงานให้ของไหล แล้วพลังงานนั้นไปปรากฏเป็นความดัน, ความเร็ว, ความสูง ตามสภาพของระบบที่เราออกแบบหรือไปพบที่หน้างาน
H (m) = ΔP (Pa) / (ρ g)
สูตรใช้งานเร็วด้วย SG และหน่วย bar
Head (m) = [ Pressure (bar) x 10.2 ] / SG
Pressure (bar) = [ Head (m) x SG ] / 10.2
สำหรับน้ำ (SG = 1) 1 bar ≈ 10.2 mH2O (1 bar ≈ 10 m)
Head คือภาษาของสมรรถนะเครื่อง ส่วน Pressure คือภาพที่เราไปวัดได้ ที่จุดหนึ่งในระบบ และจะเปลี่ยนไปตามของเหลวและเงื่อนไขหน้างาน
ตรวจดู ΔP = ρ*g*H แล้วจะพบว่าเหตุการจริงจะอยู่กับเครื่อง หรืออยู่กับระบบ
หลักการคำนวณ Total Dynamic Head (TDH)
หรือความสูงหัวปั๊มรวมแบบไดนามิก ซึ่งเป็นค่าที่ใช้ในการเลือกและออกแบบปั๊มน้ำ โดยแสดงแผนภาพระบบปั๊มที่ดูดน้ำจากบ่อ หรือถังด้านล่าง (Suction) แล้วส่งน้ำขึ้นไปยังถังด้านบน (Discharge) พร้อมสูตรและตัวอย่างการคำนวณ
TDH = hs + hd + hf
- TDH (Total Dynamic Head) = ความสูงหัวปั๊มรวมแบบไดนามิก มีหน่วยเป็นเมตร (m)
- hs (Static Suction Head) = ความสูงสถิตด้านดูด คือระยะจากระดับผิวน้ำด้านดูด (Suction Surface Level) ถึงศูนย์กลางปั๊ม
- hd (Static Discharge Head) = ความสูงสถิตด้านจ่าย คือระยะจากศูนย์กลางปั๊มถึงระดับผิวน้ำด้านจ่าย (Discharge Surface Level)
- hf (Friction Losses) = ผลรวมของการสูญเสียแรงเสียดทานในท่อและอุปกรณ์ประกอบท่อตลอดเส้นทางการไหล
ปั๊มน้ำ (มอเตอร์ขับต่อกับปั๊มหอยโข่ง) วางอยู่บนฐานรองระหว่างบ่อน้ำด้านดูด (ซ้ายล่าง) กับถังเก็บน้ำด้านจ่าย (ขวาบน)
- hs วัดจากระดับผิวน้ำด้านดูด (Suction Surface Level) ขึ้นไปถึงศูนย์กลางปั๊ม — ในกรณีนี้คือระยะที่ปั๊มต้อง “ดูด” น้ำขึ้นมา
- hd วัดจากศูนย์กลางปั๊มขึ้นไปจนถึงระดับผิวน้ำที่ถังด้านจ่าย (Discharge Surface Level) — เป็นความสูงที่ปั๊มต้อง “ส่ง” น้ำขึ้นไป
- hfคือการสูญเสียแรงดันจากความเสียดทานในท่อด้านจ่ายตลอดเส้นทางไปยังถังปลายทาง
ปั๊มจะต้องสร้างแรงดันที่เพียงพอจะเอาชนะทั้งสามค่านี้รวมกัน จึงจะสามารถส่งน้ำจากจุดต่ำไปยังจุดสูงได้ตามอัตราการไหลที่ต้องการ
ตัวอย่าง
- hs (Static Suction Head) = 2.0 เมตร
- hd (Static Discharge Head) = 15.0 เมตร
- hf (Friction Losses) = 3.0 เมตร
วิธีคำนวณ: TDH = hs + hd + hf = 2.0 + 15.0 + 3.0
TDH = 20.0 เมตร
ความสำคัญของค่าTDH
- ใช้เป็นค่าอ้างอิงหลักในการเลือกขนาดปั๊มและมอเตอร์ให้เหมาะสมกับระบบ
- หากคำนวณ TDH ต่ำเกินไป ปั๊มที่เลือกอาจส่งน้ำไปไม่ถึงจุดหมายตามอัตราการไหลที่ต้องการ
- หากคำนวณ TDH สูงเกินไป อาจทำให้เลือกปั๊มใหญ่เกินความจำเป็น สิ้นเปลืองพลังงานและต้นทุน
- ควรพิจารณาการสูญเสียแรงเสียดทาน (hf) จากทั้งท่อดูดและท่อจ่ายให้ครบถ้วนตามความยาวท่อ ขนาดท่อ และอุปกรณ์ประกอบ (วาล์ว ข้อต่อ)
