เครื่องคำนวณอัตราการไหล GPM - เครื่องมือคำนวณแกลลอนต่อนาที

GPM คืออะไร (แกลลอนต่อนาที)?

GPM ย่อมาจากแกลลอนต่อนาที ใช้วัดปริมาณน้ำ (หรือของเหลวอื่น) ที่ไหลผ่านท่อ วาล์ว หรืออุปกรณ์ติดตั้งภายในหนึ่งนาที GPM เป็นหน่วยวัดอัตราการไหลมาตรฐานในระบบประปา ระบบชลประทาน และระบบป้องกันอัคคีภัยของสหรัฐอเมริกา

GPM แตกต่างจากความดัน ความดันซึ่งวัดเป็น PSI (ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) คือแรงที่ผลักน้ำให้ไหลผ่านท่อ ส่วน GPM คือปริมาตรจริงที่จ่ายออกมา ท่ออาจมีความดันสูงแต่มีอัตราการไหลต่ำหากท่อแคบ หรือมีอัตราการไหลสูงที่ความดันไม่มากหากท่อกว้าง

สูตรคำนวณอัตราการไหล GPM

สูตรอัตราการไหล GPM แปลงเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อและความเร็วของน้ำเป็นอัตราการไหล:

$\text{GPM} = 2.448 \times D^2 \times V$

• GPM – อัตราการไหลเป็นแกลลอนต่อนาที
• D – เส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อ มีหน่วยเป็นนิ้ว
• V – ความเร็วของน้ำ มีหน่วยเป็นฟุตต่อวินาที
• 2.448 – ตัวประกอบการแปลงหน่วย ปัดเศษเป็นสี่หลัก

ที่มาของค่าคงที่

อัตราการไหลเท่ากับพื้นที่หน้าตัดคูณด้วยความเร็วเสมอ: Q = A × V สำหรับท่อกลม พื้นที่ A = π × (D/2)² ซึ่งเท่ากับ (π/4) × D² ตารางนิ้ว คูณด้วยความเร็วในหน่วยนิ้วต่อวินาที (12 × V) และคูณด้วย 60 วินาทีต่อนาที จะได้ลูกบาศก์นิ้วต่อนาที แกลลอนของเหลวสหรัฐหนึ่งแกลลอนมีค่าเท่ากับ 231 ลูกบาศก์นิ้วพอดี (3,790 cm³) ดังนั้นการหารด้วย 231 จึงให้ค่าเป็นแกลลอนต่อนาที การแปลงหน่วยทุกขั้นตอนรวมเป็นตัวประกอบเดียว:

$\frac{\pi \times 12 \times 60}{4 \times 231} = \frac{60\pi}{77} = 2.44799\ldots$

คู่มือมักปัดค่าตัวประกอบนี้เป็น 2.448 เครื่องคำนวณนี้ใช้ค่าที่ไม่ปัดเศษ ดังนั้นคำตอบอาจต่างจากการคำนวณด้วยมือในหลักสุดท้ายที่แสดง ท่อขนาด 10 นิ้ว ที่มีความเร็ว 10 ฟุต (3 ม.) ต่อวินาที ให้ค่า 2,447.99 GPM ในที่นี้ เทียบกับ 2,448.00 เมื่อใช้ค่าคงที่ที่ปัดเศษแล้ว

วิธีคำนวณ GPM

ต้องใช้ค่าที่วัดได้สองค่า

เส้นผ่านศูนย์กลางด้านใน วัดเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อ ไม่ใช่ด้านนอก ขนาดระบุของท่อไม่ใช่เส้นผ่านศูนย์กลางด้านในจริงเสมอไป ตัวอย่างเช่น ท่อเหล็กขนาดระบุ 1 นิ้ว Schedule 40 มีเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในประมาณ 1.05 นิ้ว (2.67 ซม.) และวัสดุหรือชั้นความหนาที่แตกต่างกันก็ทำให้ค่าต่างกันได้อีก ตรวจสอบตัวเลขที่แน่นอนจากเอกสารข้อมูลจำเพาะของผู้ผลิต

ความเร็ว คือความเร็วของน้ำในหน่วยฟุตต่อวินาที เครื่องวัดอัตราการไหลจะแสดงค่านี้โดยตรง หากไม่มีเครื่องดังกล่าว สามารถวัดการไหลด้วยวิธีอื่นได้ โดยใช้วิธีถังที่อธิบายไว้ด้านล่าง

ป้อนค่าทั้งสองลงในเครื่องคำนวณเพื่อหาอัตราการไหลเป็น GPM

ตัวอย่างการคำนวณ

ท่อขนาด 2 นิ้ว ลำเลียงน้ำด้วยความเร็ว 5 ฟุต (1.5 ม.) ต่อวินาที

GPM = 2.448 × 2² × 5 = 2.448 × 4 × 5 = 48.96

อัตราการไหลอยู่ที่ประมาณ 49 แกลลอน (185 ล.) ต่อนาที

ตัวอย่างที่สอง

ท่อน้ำเย็นขนาด 3 นิ้ว มีความเร็ว 10 ฟุต (3 ม.) ต่อวินาที ซึ่งเป็นความเร็วโดยทั่วไปสำหรับระบบท่อ HVAC เชิงพาณิชย์

GPM = 2.448 × 3² × 10 = 2.448 × 9 × 10 = 220.32

เท่ากับประมาณ 220 GPM ระบบทำความเย็นเชิงพาณิชย์มักกำหนดขนาดโดยใช้ค่าประมาณคร่าว ๆ ราว 2.4 แกลลอน (9.08 ล.) ต่อนาทีต่อความสามารถในการทำความเย็นหนึ่งตัน ที่อัตรานี้ 220 GPM รองรับความสามารถในการทำความเย็นได้ประมาณ 90 ตัน (82 t)

การวัดการไหลโดยไม่ใช้เครื่องวัดอัตราการไหล

วิธีถังใช้วัดอัตราการไหลโดยตรง โดยไม่ต้องวัดเส้นผ่านศูนย์กลางและความเร็วแยกกัน

1. วางภาชนะที่ทราบปริมาตร เช่น ถังขนาด 5 แกลลอน ไว้ใต้จุดที่น้ำไหล
2. จับเวลาว่าใช้เวลานานเท่าใดจึงเต็ม โดยวัดเป็นนาที
3. หารปริมาตรด้วยเวลา: GPM = ปริมาตร ÷ เวลา

หากถังเต็มใน 45 วินาที (0.75 นาที) อัตราการไหลคือ 5 ÷ 0.75 = 6.67 GPM วิธีนี้มีความแม่นยำภายในไม่กี่เปอร์เซ็นต์หากวัดปริมาตรและเวลาอย่างรอบคอบ แต่ใช้ได้เฉพาะกรณีที่สามารถรองรับการไหลทั้งหมดได้ เช่น ปลายท่อเปิดหรือสายยาง การจัดรูปสูตรหลักใหม่จะเปลี่ยนค่าที่วัดได้นี้กลับเป็นความเร็ว: V = GPM ÷ (2.448 × D²)

กรณีที่ใช้สูตรนี้ไม่ได้

สูตรนี้สมมติว่าน้ำไหลเต็มท่อกลมภายใต้สภาวะคงที่

• ท่อที่มีน้ำไม่เต็มท่อ ท่อต้องมีน้ำเต็มหน้าตัด ท่อระบายน้ำที่มีน้ำเพียงครึ่งหนึ่งจะมีอัตราการไหลต่ำกว่าที่สูตรคาดการณ์ไว้อย่างมาก เพราะของเหลวอยู่เพียงบางส่วนของพื้นที่หน้าตัด
• ท่อที่ไม่กลม ท่อรูปวงรี สี่เหลี่ยม หรือรูปทรงไม่สม่ำเสมอต้องใช้สูตรคำนวณพื้นที่รูปแบบอื่น
• การไหลไม่คงที่ สูตรนี้สมมติว่าความเร็วคงที่ การปิดวาล์วกะทันหัน (แรงกระแทกของน้ำ) หรือปั๊มที่ทำงานเป็นรอบต้องใช้การวิเคราะห์รูปแบบอื่น
• บริเวณใกล้ข้อต่อ ความเร็วหลังข้องอ ข้อต่อสามทาง หรือวาล์วทันทีจะไม่สม่ำเสมอ การวัดจะแม่นยำที่สุดเมื่ออยู่ห่างจากข้อต่ออย่างน้อย 10 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อไปตามทิศทางการไหล

อัตราการไหลโดยทั่วไปตามการใช้งาน

ความเร็วในท่อที่แนะนำก็แตกต่างกันตามการใช้งาน โดยทั่วไปท่อจ่ายน้ำสำหรับที่พักอาศัยออกแบบให้มีความเร็ว 4–7 ฟุตต่อวินาที และท่อดูดของปั๊มให้มีความเร็ว 2–5 ฟุตต่อวินาที ความเร็วที่สูงกว่า 8 ฟุต (2.4 ม.) ต่อวินาทีมากจะเพิ่มความเสี่ยงต่อแรงกระแทกของน้ำ เสียงดัง และการสึกกร่อนของท่อ

คำถามที่พบบ่อย

GPM กับความดันน้ำแตกต่างกันอย่างไร?

GPM วัดปริมาตรน้ำที่จ่ายต่อนาที ความดัน (PSI) วัดแรงที่ผลักน้ำให้ไหลผ่านท่อ ท่ออาจมีความดันสูงและ GPM ต่ำหากท่อแคบ หรือมี GPM สูงและความดันไม่มากหากท่อกว้าง

จะแปลง GPM เป็นหน่วยอัตราการไหลอื่นได้อย่างไร?

คูณ GPM ด้วย 3.785 เพื่อแปลงเป็นลิตรต่อนาที หาร GPM ด้วย 448.8 เพื่อแปลงเป็นลูกบาศก์ฟุตต่อวินาที คูณ GPM ด้วย 0.227 เพื่อแปลงเป็นลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง

บ้านทั่วไปต้องใช้ GPM เท่าใด?

รวมเฉพาะอุปกรณ์ที่คาดว่าจะทำงานพร้อมกัน ไม่ใช่อุปกรณ์ทุกชิ้นในบ้าน บ้านที่มีคนอาบน้ำหนึ่งหรือสองคน มีอ่างล้างหน้าที่กำลังใช้งาน และเครื่องล้างจาน อาจต้องใช้ 8–10 GPM บ้านส่วนใหญ่ที่มีห้องน้ำสองหรือสามห้องจะใช้บริการจากท่อจ่ายน้ำที่รองรับอัตรา 8–12 GPM

เหตุใดวัสดุท่อจึงส่งผลต่ออัตราการไหล?

พื้นผิวด้านในที่ขรุขระทำให้เกิดแรงเสียดทาน ซึ่งทำให้น้ำไหลช้าลง ท่อ PVC และทองแดงใหม่มีผิวด้านในเรียบและมีแรงเสียดทานต่ำ ท่อเหล็กอาบสังกะสีจะขรุขระขึ้นตามอายุ เนื่องจากมีตะกอนแร่สะสมอยู่ด้านใน ซึ่งอาจลดการไหลลง 30–50% หลังใช้งานหลายสิบปี แม้เส้นผ่านศูนย์กลางด้านนอกจะไม่เปลี่ยนแปลง

จะเกิดอะไรขึ้นหากท่อมีขนาดเล็กเกินไปสำหรับอัตราการไหลที่ต้องการ?

น้ำต้องไหลเร็วขึ้นเพื่อส่งปริมาตรเท่าเดิมผ่านท่อที่แคบกว่า ความเร็วที่สูงขึ้นจะเพิ่มการสูญเสียจากแรงเสียดทาน เพิ่มความเสี่ยงต่อแรงกระแทกของน้ำเมื่อวาล์วปิดกะทันหัน และอาจทำให้เกิดเสียงดังกับการเกิดคาวิเทชันในปั๊ม การควบคุมความเร็วในท่อจ่ายน้ำให้อยู่ต่ำกว่าประมาณ 8 ฟุต (2.4 ม.) ต่อวินาทีช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้ได้เกือบทั้งหมด

สูตรนี้ใช้กับของเหลวอื่นที่ไม่ใช่น้ำได้หรือไม่?

ได้ สำหรับอัตราการไหลเชิงปริมาตร ตัวประกอบนี้เป็นเพียงการแปลงระหว่างนิ้ว ฟุต วินาที นาที และแกลลอน จึงใช้ได้กับของเหลวทุกชนิดที่ไหลเต็มท่อกลม ความหนาแน่นไม่เปลี่ยนปริมาตรที่ไหลผ่านจุดหนึ่ง แต่ความหนาแน่นมีผลต่อมวลของของเหลวที่ไหล ความดันที่ต้องใช้ผลักของเหลว และกำลังของปั๊ม ดังนั้นน้ำมันและสารแขวนลอยจึงยังต้องคำนวณการสูญเสียความดันแยกต่างหาก

เอกสารอ้างอิง

1. สมาคมงานประปาแห่งอเมริกา มาตรวัดน้ำ — การคัดเลือก การติดตั้ง การทดสอบ และการบำรุงรักษา (คู่มือ AWWA M6)
2. Cengel, Y. A. และ Cimbala, J. M. (2017) กลศาสตร์ของไหล: พื้นฐานและการประยุกต์ใช้ McGraw-Hill Education
3. สมาคมระหว่างประเทศของเจ้าหน้าที่งานประปาและเครื่องกล ประมวลกฎหมายงานประปามาตรฐาน
4. สำนักงานพิทักษ์สิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกา โครงการ WaterSense