Liquid Ring Vacuum Pump ปั๊มสุญญากาศแบบวงแหวนของเหลว

หลักการทำงานของปั๊มสุญญากาศแบบวงแหวนของเหลว

เทคโนโลยีของปั๊มสุญญากาศมีหลากหลาย แต่จะถูกแบ่งหลัก ๆ ออกเป็น 2 หลักการคือ Entrapment และ Gas Transfer โดย Entrapment จะเป็นวิธีการสร้างสุญญากาศโดยเก็บโมเลกุลของอากาศเอาไว้ในตัวเครื่อง เทคโนโลยีชนิดนี้ก็ได้แก่ Cryopump หรือ Sputter Ion Pumps

ในขณะที่ประเภท Gas Transfer จะเป็นเทคโนโลยีที่สร้างสุญญากาศโดยนำอากาศจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง โดยจะถูกแบ่งออกเป็น 2 ประเภทย่อย คือ Kinetic และ Positive Displacement ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าทั้งชื่อและหลักการล้วนเป็นหลักการเดียวกันกับปั๊มน้ำทั่วไปเลยนั่นเอง

Pic 1: Type of Vacuum Pump

ทำไมการตัดแต่งใบพัดจึงใช้ได้ผล

Source;  https://vacaero.com/information-resources/vacuum-pump-technology-education-and-training/1039-an-introduction-to-vacuum-pumps.html ปั๊มสุญญากาศแบบวงแหวนของเหลว (Liquid Ring Vacuum Pump; LRVP) ถูกจัดอยู่ในปั๊มสุญญากาศประเภท Positive Displacement โดยอาศัยการเพิ่มและลดของปริมาตรระหว่างใบพัดของปั๊มกับวงแหวนของเหลว โดยปั๊มประเภทนี้ถูกออกแบบมาเพื่อรับมือกับการใช้งานที่อากาศมีความชื้นสูง ๆ และมีฝุ่นละอองหรือสิ่งเจือปน

ผลกระทบพื้นฐานของการตัดแต่งใบพัดต่อการไหล เฮด และแรงม้า

จากตัวอย่าง Figure 1 เส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดที่ลดลง 2% จะทำให้การไหลลดลง 2% , เฮดลดลง 4% และการกินกำลังมอเตอร์ลดลง 8%

ความสัมพันธ์นี้ควรใช้เป็นค่าประมาณสำหรับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ผลสุดท้ายของการตัดแต่งขึ้นอยู่กับเส้นโค้งของระบบ (system curve) และการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพของปั๊ม

ประโยชน์ของการตัดแต่งใบพัด

ประโยชน์หลักของการลดขนาดของใบพัดทำให้ต้นทุนการดำเนินงานและการบำรุงรักษาลดลง พลังงานของไหลน้อยลงจะสูญเปล่าในท่อบายพาส และข้ามลิ้นปีกผีเสื้อ หรือกระจายไปตามเสียงและการสั่นสะเทือนผ่านระบบ

การประหยัดพลังงานเป็นสัดส่วนโดยประมาณกับลูกบาศก์ของการลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง สิ่งนี้แสดงในสมการกำลังของไหลที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้

การกินกำลังมอเตอร์สูงขึ้นเนื่องจากมอเตอร์ และปั๊มไม่มีประสิทธิภาพ

นอกจากการประหยัดพลังงานแล้ว การตัดแต่งใบพัดยังช่วยลดการสึกหรอของระบบท่อ วาล์ว และส่วนรองรับท่อ การสั่นสะเทือนของท่อที่เกิดจากกระแสมักจะทำให้รอยเชื่อมท่ออ่อนล้าและข้อต่อทางกล เมื่อเวลาผ่านไป รอยเชื่อมจะแตกและข้อต่อหลุด ทำให้เกิดการรั่วและต้องหยุดทำงานเพื่อการซ่อมแซม

พลังงานของไหลที่มากเกินไปก็ไม่เป็นที่ต้องการเช่นกัน จากมุมมองของการออกแบบตัวรองรับท่อมักจะเว้นระยะและกำหนดขนาดเพื่อรองรับแรงสถิตจากน้ำหนักของท่อและของเหลว โหลดแรงดันจากระบบภายในและในการใช้งานจะเกิดความร้อนเชิงไดนามิก ทำให้อุปกรณ์เกิดการขยายตัวจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

Pic 2: PompeTravaini’s LRVP, from left to right, model: TRH / TRVX / TRMX

หลักการทำงาน

ปั๊มสุญญากาศแบบวงแหวนของเหลว สร้างวงแหวนของเหลวขึ้นจากการส่งผ่านพลังงานจากการหมุนของใบพัด ของเหลวที่ใช้นี้อาจเป็นน้ำ หรือน้ำมัน ที่สามารถเจือปนไปในระบบได้ โดยเราจะเรียกของเหลวเหล่านี้ว่า Service Liquid และด้วยตำแหน่งของใบพัดที่เยื้องศูนย์จากห้องปั๊ม ทำให้เกิดเป็นลักษณะของปริมาตรที่ค่อย ๆ เพิ่มขึ้น เพื่อสร้างจังหวะดูด และค่อย ๆ ลดลงเพื่อสร้างจังหวะบีบอากาศออกจากปั๊ม ดังรูป

Pic 3: How LRVP works

ขณะที่อากาศถูกดูดเข้ามาทางท่อด้านดูดของปั๊ม จากการเข้ามาแทนที่ปริมาตรตามช่องว่างที่เพิ่มขึ้นระหว่างใบพัดกับวงแหวนของเหลวที่จุด AB อากาศจะถูกขังเอาไว้อยู่ระหว่างช่องว่างของใบพัดกับวงแหวนน้ำ จากนั้นอากาศจะถูกกวาดไปสร้างสุญญากาศจากการขยายตัวของปริมาตร และจากนั้นจะค่อย ๆ ถูกบีบออกเมื่อปริมาตรระหว่างใบพัดและวงแหวนของเหลวลดลง จนกระทั่งอากาศทั้งหมดถูกบีบออกไปทางท่อจ่าย CD

ประสิทธิภาพของปั๊ม (Pump’s Performance)

ประสิทธิภาพของปั๊มสุญญากาศแบบวงแหวนของเหลวสามารถอธิบายได้จากกราฟประสิทธิภาพของปั๊ม ซึ่งในบทความนี้จะขออ้างอิงถึงกราฟประสิทธิภาพของ Pomoetravaini s.p.a. รุ่น TRH 40-190 ดังรูป

ความดันที่ปั๊มสามารถทำได้ โดยสังเกตว่าค่าที่แสดงจะเป็นค่าความดันสัมบูรณ์แล้ว ไม่ใช่ความดันเกจ (Gauge Pressure) มีหน่วยเป็น mbar a หรือ Torr 

(1) เงื่อนไขการทดสอบ (Test Condition)

กราฟประสิทธิภาพของปั๊มสุญญากาศแบบวงแหวนของเหลว โดยมาตรฐานแล้วจะทดสอบด้วยการดูดอากาศ โดยแบ่งออกเป็น 2 เงื่อนไข คือ อากาศชื้น (เส้นประ) และ อากาศแห้ง (เส้นทึบ) ที่อุณหภูมิ 20°C และใช้น้ำที่อุณหภูมิ 15°C เป็น Service Liquid และอากาศถูกปล่อยออกไปที่บรรยากาศ (1013 mbar a) 

(2) ความสามารถในการดูด (Suction Capacity)

ปริมาตรอากาศที่ปั๊มสามารถทำได้ต่อหน่วยเวลา มีหน่วยเป็น CFM (Cubic Feet per Minute) หรือ m3/h (Cubic meter per hour) 

(3) ความดันสัมบูรณ์ (Absolute Pressure) 

ความดันที่ปั๊มสามารถทำได้ โดยสังเกตว่าค่าที่แสดงจะเป็นค่าความดันสัมบูรณ์แล้ว ไม่ใช่ความดันเกจ (Gauge Pressure) มีหน่วยเป็น mbar a หรือ Torr

(4) เส้นแสดงประสิทธิภาพของปั๊ม (Pump’s Performance Curve)

เส้นแสดงประสิทธิภาพการทำงานของปั๊ม ซึ่งจะเห็นว่า ถึงแม้ว่าหลักการทำงานของปั๊มจะเป็นแบบ Positive Displacement แต่เส้นกราฟแสดงประสิทธิภาพกลับไม่ได้มีปริมาตรคงที่เหมือนกับปั๊มของเหลวทั่วไป เนื่องจากว่า ปริมาตรของปั๊มสุญญากาศประเภทนี้จะขึ้นอยู่กับ Service Liquid เป็นหลักนั่นเอง ทั้งเรื่องของอุณหภูมิ ขนาด ความเร็ว หรือกระทั่งการระเหยนั่นเอง ซึ่งเราจะกล่าวถึงอีกทีเกี่ยวกับสิ่งที่กระทบกับประสิทธิภาพของ LRVP กันอีกในบทความหน้า 

(5) ปริมาตรของ Service Liquid ที่ต้องการ (Service Liquid Consumption)

ปริมาตรต่อหน่วยเวลาของ Service Liquid ที่ปั๊มต้องการ เพื่อให้ปั๊มสามารถทำงานได้ตามจุดการใช้งานที่ต้องการ มีหน่วยเป็น lt/m (Liter per minute) หรือ USGPM (US Gallon per minute)

(6) กำลังไฟฟ้าที่ใช้ (Absorbed Power)

กำลังไฟฟ้าที่ปั๊มต้องการ เพื่อให้ปั๊มสามารถทำงานได้ตามจุดการใช้งานที่ต้องการ มีหน่วยเป็น kW (kilo Watts) หรือ HP (Horsepower)

ตัวอย่างการอ่านค่าจากกราฟประสิทธิภาพ ปั๊มสุญญากาศรุ่น TRH 40-190 วิ่งที่ความเร็ว 1450 รอบ ทำความดันได้ที่ 60 mbar a จะดูดอากาศแห้งที่อุณหภูมิ 20°C ได้ที่ประมาณ 170 m3/h โดยที่ใช้ Service Liquid เป็นน้ำที่อุณหภูมิ 15°C ปริมาตร 4.2 USGPM และใช้กำลังไฟฟ้า 5 แรงม้า