วันอังคารที่ 26 กรกฎาคม พ.ศ. 2559

เรื่องของ Flow coefficient (Cv) MO Memoir : Tuesday 26 July 2559

เวลาที่ใครสักคนต้องทำงานออกแบบเพื่อหาขนาดของวาล์วควบคุมเพื่อให้ได้อัตราการไหลตามต้องการนั้น มักจะเจอพารามิเตอร์หนึ่งที่เกี่ยวข้องกับตัววาล์วปรากฏเข้ามาที่มีชื่อว่า "Flow coefficient" หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า Cv ที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหล (Q) และค่าความดันลด P) คร่อมวาล์วตัวนั้นตามสมการ



เมื่อ Q คืออัตราการไหลในหน่วย gallon per min (ส่วนจะเป็นแกลลอนอเมริกาหรือแกลลอนอังกฤษก็ค่อยว่ากันอีกที) ΔP คือค่าความดันลดคร่อมวาล์ว (pressure drop) ในหน่วย psi SG คือค่าความถ่วงจำเพาะ (specific gravity) ของของเหลว
 
ในการหาค่า Cv นั้น ถ้าเป็นแบบอเมริกาจะทำการทดลองด้วยการอัตราการไหลของน้ำ (US gal per min) ที่อุณหภูมิ 60ºF ที่ความดันลดคร่อมตัววาล์ว 1 psi โดยให้น้ำมีค่าความถ่วงจำเพาะเท่ากับ 1 ดังนั้นเมื่อแทนค่าต่าง ๆ เข้าไปในสมการที่ (1) ก็จะเห็นว่าค่า Cv ก็คือค่าอัตราการไหลของน้ำที่อุณหภูมิ 60ºF ที่ไหลผ่านวาล์วโดยมีค่าความดันลดคร่อมตัววาล์วเท่ากับ 1 psi (ต่อไปในที่นี้ถ้าหากมีการกล่าวถึงหน่วย "แกลลอน" จะหมายถึง US gal ซึ่งเท่ากับ 3.785 ลิตร เว้นแต่จะมีการระบุว่าเป็น Imperial gallon หรือแกลลอนอังกฤษซึ่งเท่ากับ 4.546 ลิตร)
 
ดังนั้นถ้าว่ากันตามนี้ สมมุติว่าเรามีวาล์วตัวหนึ่งที่มีค่า Cv = 20 ที่ใช้ในการควบคุมการไหลของน้ำ
 
ถ้าแรงดันน้ำด้านขาเข้าวาล์วคือ 30 psi แรงด้านน้ำด้านขาออกคือ 29 psi (ΔP = 1) อัตราการไหลของน้ำผ่านวาล์วตัวนี้ที่คำนวณได้จากสมการที่ (1) คือ 20 gal/min
 
ถ้าแรงดันน้ำด้านขาเข้าวาล์วคือ 30 psi แรงด้านน้ำด้านขาออกคือ 27 psi (ΔP = 3) อัตราการไหลของน้ำผ่านวาล์วตัวนี้ที่คำนวณได้จากสมการที่ (1) คือ 60 gal/min
 
ถ้าแรงดันน้ำด้านขาเข้าวาล์วคือ 60 psi แรงด้านน้ำด้านขาออกคือ 59 psi (ΔP = 1) อัตราการไหลของน้ำผ่านวาล์วตัวนี้ที่คำนวณได้จากสมการที่ (1) คือ 20 gal/min
 
หรือจะมองว่าค่า Cv คือค่าที่บอกความสามารถของวาล์วว่ายอมให้น้ำไหลผ่านได้ในอัตราเท่าใดที่ค่า ΔP ต่าง ๆ ก็ได้

แต่มีคำถามหนึ่งที่เชื่อว่ามีใครหลายต่อหลายคนสงสัยก็คือ "สมการที่ (1) นั้นมันมาได้อย่างไร"

จากการที่ได้พิจารณา (และค้นคว้าเอาเอง) ก็พบว่าสมการนี้น่ามาจาก Bernoulli's equation ที่มีการใส่ข้อสมมุติต่าง ๆ เข้าไปเพื่อให้รูปแบบสมการง่ายขึ้น
 
เพื่อให้เห็นภาพ ขอให้พิจารณากรณีของการไหลของของเหลวที่อัดตัวไม่ได้ผ่าน orifice (คือรูกลม ๆ) ดังตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ ๑ (P คือความดัน v คือความเร็วของการไหล ρ คือความหนาแน่นของของเหลว ตัวห้อย 1 คือด้านขาเข้า ตัวห้อย 2 คือด้านขาออก)

รูปที่ ๑ การไหลของน้ำผ่าน orifice

Bernoulli's equation ที่ใช้อธิบายการไหลของน้ำผ่าน orifice ดังกล่าวมีหน้าตาดังนี้



เนื่องจากด้านขาเข้าและด้านขาออกนั้นอยู่ที่ระดับความสูงเดียวกัน (h1 = h2) และสมมุติให้ไม่มีการสูญเสียพลังงานเนื่องจากความเสียดทาน (loss = 0) ดังนั้นเมื่อจัดรูปแบบสมการที่ (2) ใหม่เราจะได้ว่า



ถ้าสมมุติต่อว่า v1 << v2 ดังนั้นค่า v22 - v12 จะประมาณได้เท่ากับ v22 เราจะสามารถเขียนสมการที่ (3) ได้ในรูปแบบ



ถ้าให้ Q คืออัตราการไหลโดยปริมาตร และ A คือพื้นที่หน้าตัดของ orifice จากความสัมพันธ์ v2 = Q/A เมื่อแทนความสัมพันธ์ดังกล่าวลงในสมการที่ (4) จะได้ว่า


ถึงจุดนี้พอจะมองเห็นความคล้ายคลึงกันระหว่างสมการที่ (1) กับสมการที่ (6) ไหมครับ
 
จากสมการที่ (5) จะเห็นว่าค่าพารามิเตอร์ที่บ่งบอกคุณสมบัติของ orifice ที่ปรากฏอยู่ในสมการนั้นมีเพียงค่าพื้นที่หน้าตัดการไหล A เท่านั้น แต่ในความเป็นจริงนั้นมันยังมีปัจจัยอื่นเข้ามาเกี่ยวข้องอีก เช่นรูปร่างพื้นที่หน้าตัด ลักษณะของขอบ orifice (เช่น ขอบเรียบตัด ขอบโค้งมน ขอบปาดเข้า ขอบบานออก ฯลฯ) ฯลฯ ดังนั้นจะเป็นการง่ายขึ้นถ้าเรารวมผลของปัจจัยต่าง ๆ เหล่านี้ไว้ในค่า C (คือ C ไม่ได้ขึ้นอยู่กับพื้นที่เพียงอย่างเดียว) แล้วไปหาค่า C จากการทดลองเอา
 
เส้นทางการไหลผ่านวาล์วนั้นไม่เรียบง่ายเหมือนการไหลผ่าน orifice เพราะมีทั้งการไหลเส้นทางการไหลที่เลี้ยวโค้งไปมาและไหลผ่านรูที่ใช้ในการควบคุมการไหล ค่า Cv หรือ Flow efficient จึงเปรียบเสมือนค่าที่รวบรวมพารามิเตอร์ต่าง ๆ ที่ส่งผลต่อการไหลผ่านตัววาล์ว (ไม่ว่าจะเป็นขนาดของช่องเปิด จำนวนของช่องเปิด ความคดเคี้ยวของเส้นทางการไหล ฯลฯ) เอาไว้ในพารามิเตอร์ตัวเดียวคือ Cv ค่า Cv นี้เปรียบเสมือนพารามิเตอร์ตัวที่ใช้บอกว่าวาล์วแต่ละตัวนั้นให้ของไหลไหลผ่านได้เหมือนกันหรือไม่ (โดยไม่ต้องสนใจว่าโครงสร้างข้างในจะเป็นอย่างไร) ซึ่งหาได้จากการทดลอง ดังนั้นในการเปรียบเทียบความสามารถของวาล์วในการยอมให้ของไหลไหลผ่านนั้นจึงต้องกระทำที่สภาวะการทดสอบเดียวกัน
 
ในระบบอเมริกานั้นจะทำการทดลองด้วยการวัดอัตราการไหลของน้ำ (ในหน่วย US gal per min) ที่อุณหภูมิ 60ºF ที่ไหลผ่านวาล์วโดยมีความดันลดคร่อมตัววาล์ว 1 psi โดยให้น้ำมีค่าความถ่วงจำเพาะเท่ากับ 1 ในกรณีนี้ค่า Cv จะมีหน่วยเป็น US gal/min ถ้าจะเปลี่ยนค่านี้เป็น Imperial gal ก็ต้องคูณด้วย 0.8326 (มาจาก 3.785/1.456)
 
ในกรณีของระบบเมตริกนั้นเพื่อป้องกันการสับสน จึงมีการหันไปใช้สัญลักษณ์ Kv (บางทีก็เรียกว่า Flow factor) แทน Cv โดย





รูปที่ ๒ ค่า Cv สำหรับของไหลที่ไม่ใช่น้ำ (จากหน้า 99 ของเอกสาร Valve and valve actuator selection guide ของบริษัท SIEMENS ดาวน์โหลดไฟล์ pdf ได้ที่

ในกรณีของระบบเมตริกนี้อัตราการไหลจะมีหน่วยเป็น m3/hr ในขณะที่ความดันมีหน่วยเป็น bar (หรือ kg/cm2) โดยนิยามของ Kv คืออัตราการไหลของน้ำที่ไหลผ่านวาล์ว (m3/hr) เมื่อมีความดันลดคร่อมวาล์ว 1 kg/cm2 และวาล์วเปิดเต็มที่ โดยให้ความหนาแน่นของน้ำเท่ากับ 1000 kg/m3 และค่า kinematic viscosity 10-6 m2/s

ที่เล่ามาข้างต้นก็เพื่อเป็นพื้นฐานให้ทำความรู้จักกับค่า Cv โดยยกตัวอย่างกรณีของไหลที่ง่ายที่สุดคือน้ำ ในกรณีของของเหลวที่มีคุณสมบัติที่แตกต่างไปจากน้ำมาก (เช่นมีความหนืดที่แตกต่างมา) หรือเป็นแก๊ส (คือเป็นของไหลที่อัดตัวได้) นิยามการคำนวณค่า Cv จะแตกต่างออกไป รูปที่ ๒ ข้างต้นเป็นตัวอย่างการคำนวณค่า Cv สำหรับของไหลชนิดอื่นที่ไม่ใช่น้ำ

อ่านเรื่องเกี่ยวกับ Flow coefficient เพิ่มเติมได้ที่

ด้วยเหตุที่ว่าหน้ากระดาษยังเหลือ ก็เลยขอปิดท้ายด้วยรูปของอาคารอะไรก็ไม่รู้ที่สร้างอยู่บนชั้นดาดฟ้าของอาคารข้างเคียงแลปเรา เห็นข้างในเต็มไปด้วยขวดน้ำพลาสติกและกระถางต้นหญ้า ไม่รู้เหมือนกันว่าเป็นงานของวิศวกรรมโยธาหรือสิ่งแวดล้อม


วันจันทร์ที่ 25 กรกฎาคม พ.ศ. 2559

เมื่อเพิ่มความดันอากาศให้กับ FID ไม่ได้ (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๘๒) MO Memoir : Monday 25 July 2559

Flame ionisation detector หรือที่เรียกย่อว่า FID นั้นต้องมีการจุดเปลวไฟไฮโดรเจนและอากาศ ปริมาณอากาศที่ใช้นั้นต้องเพียงพอที่จะทำให้เปลวไฟไฮโดรเจนลุกติดได้ต่อเนื่อง และเพียงพอสำหรับการเผาไหม้ตัวอย่างที่โผล่พ้นคอล้มน์นั้นได้อย่างสมบูรณ์ ถ้าหากอากาศไม่เพียงพอที่จะเผาไหม้ตัวอย่างได้สมบูรณ์ ความแรงของสัญญาณที่เห็นจะลดลง (เพราะจำนวนอนุมูลที่มีประจุที่เกิดลดลง) และสารอินทรีย์ที่หลงเหลือจากการเผาไหม้อาจตกค้างอยู่ที่ตัวตรวจวัด ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนออกมาอย่างต่อเนื่องได้
 
เครื่อง Shimadzu GC 8A ที่กลุ่มเราใช้นั้นเราตั้งความดันอากาศขาเข้าไว้ที่ 100 kPa และตั้งความดันไฮโดรเจนไว้ที่ 50 kPa ค่าเหล่านี้ได้มาจาการทดลองว่าเป็นค่าที่เหมาะสมกับตัวอย่างที่เราทำการวิเคราะห์ (คือทดลองเพิ่มปริมาณอากาศแล้วดูความแรงของสัญญาณที่ได้ จนได้สัญญาณแรงสุด แต่ถ้ามีอากาศมากเกินไป เปลวไฟจะดับได้ง่าย) แม้ว่าความแรงของสัญญาณนั้นจะไม่ค่อยเปลี่ยนแปลงตามปริมาณอากาศที่ใช้ (อย่างเช่นปรกติใช้ที่ 100 kPa แต่ถ้าอยู่ในช่วง 95-105 kPa ก็จะไม่ค่อยเห็นความแตกต่างชัดเจน) แต่ถ้าปริมาณอากาศที่ใช้นั้นแตกต่างไปจากเดิมมาก (เช่นเดิมใช้ 100 kPa แต่ตอนหลังมาใช้เพียงแค่ 70 kPa หรือต่ำกว่า) เตรียมคาดหวังได้เลยว่าความแรงของสัญญาณที่เห็นนั้นแตกต่างไปจากเดิมอย่างมีนัยสำคัญ และนั่นหมายถึงการต้องสร้าง calibration curve เส้นใหม่ หรือทำการทดลองใหม่
 
เช้าวันนี้ได้รับโทรศัพท์จากสาวสวยผมยาวที่มีแฟนสาวแสนหล่อบอกว่าไม่สามารถเพิ่มความดันอากาศให้กับ FID ได้ (คือเพิ่มได้เพียงแค่ 65 kPa แทนที่จะเป็น 100 kPa) และทราบจากรุ่นน้องที่ทำการทดลองก่อนหน้านี้ว่ามีอาการอย่างนี้มาสักพักแล้ว ก็เลยลงไปตรวจสอบกันดู ผลการตรวจสอบพบว่าปัญหาอยู่ที่ท่อบรรจุ silica gel ที่ใช้ดักความชื้นออกจากอากาศนั้นเกิดการอุดตัน โดยมีเม็ด silica gel เข้าไปอุดในรูท่อด้านขาออก พอทะลวงเอาเม็ด silica gel ที่อุดตันอยู่ออกไป ก็สามารถเพิ่มความดันให้กับ FID ให้เป็น 100 kPa ได้เหมือนเดิม
 
รูปที่ ๑ ท่อที่ใช้บรรจุ silica gel จับความชื้นจากอากาศที่ไหลเข้า FID พบว่ามีอนุภาค silica gel เข้าไปอุดตันทางรูท่อด้านขาออก ต้องใช้ตะปูตัวเล็กแยงลงไปแล้วตอกเบา ๆ
 
ถ้าอ่านมาจนถึงจุดนี้หวังว่าคงรู้ตัวแล้วนะว่าใครบ้างที่ต้องมาทำการทดลองใหม่

เรื่องที่สองที่ต้องขอย้ำในที่นี้คือข้อต่อและท่อที่ใช้กับเครื่อง GC ของ Shimadzu นั้นเป็นท่อระบบ "มิลลิเมตร" ในขณะที่ท่อและข้อต่อของอุปกรณ์ตัวอื่นแลปเรานั้นเป็นระบบ "นิ้ว" ดังนั้นเวลาที่เราต่อท่อระหว่าง air compressor (หรือถังแก๊สใด ๆ) เข้าเครื่อง GC นั้นเราจำเป็นต้องมี union เชื่อมระหว่างท่อ 1/8 นิ้วด้านขาออกจาก air compressor (หรือถังแก๊สใด ๆ) เข้ากับท่อ 3 mm เข้าเครื่อง GC และจะว่าไปแล้วที่ตัว nut และ union สำหรับท่อมิลลิเมตรและท่อนิ้วของ Sagelok นั้นมันไม่เหมือนกัน คือถ้าเป็นสำหรับระบบมิลลิเมตรมันจะมีการบากเป็นไหล่เว้าเข้าไป ในขณะที่ถ้าเป็นสำหรับระบบนิ้วจะไม่มีการทำไหล่ดังกล่าว (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ)
 
ตัวที่แสดงในรูปนั้นเป็นตัวสำรองที่เรามีอยู่ ส่วนตัวเดิมที่ถูกถอดออกไปตอนที่มีการดัดแปลงระบบท่อเพื่อติดตั้งวาล์วเพิ่มเติมนั้นตอนนี้อยู่ที่ไหนก็ไม่รู้ หวังว่าคนที่ถอดออกไปจะช่วยกลับมาค้นหาให้หน่อยนะ เพราะจำเป็นต้องแยกเก็บ ไม่เช่นนั้นอาจมีการเผลอนำไปใช้ผิดที่ได้


รูปที่ ๒ ข้อต่อที่ใช้เชื่อมต่อท่อระบบนิ้วและระบบมิลลิเมตรเข้าด้วยกันของ Swagelok ด้านซ้ายเป็นท่อ 3 mm ส่วนด้านขวาเป็นท่อ 1/8 นิ้ว ข้อต่อสำหรับท่อมิลลิเมตรนั้นจะมีการบากเป็นไหล่อยู่ตรงตัว nut และตัว fitting เอง ในขณะที่ข้อต่อท่อนิ้วนั้นจะราบเรียบ

และเรื่องสุดท้ายที่จะฝากไว้ในวันนี้คือตัว air compressor ที่เราใช้ป้อนอากาศให้ FID นั้นมันมีถังเก็บอากาศอยู่ อากาศที่ผ่านการอัดนั้นจะมีไอน้ำควบแน่นเกิดขึ้น และน้ำที่ควบแน่นก็จะสะสมอยู่ในถังเก็บอากาศนี้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการระบายน้ำทิ้งที่สะสมอยู่ในถังเก็บอากาศนี้เป็นระยะ (ความถี่ในการระบายขึ้นอยู่กับการใช้งาน) สำหรับ air compressor ตัวที่ใช้กับเครื่อง GC ที่เป็นปัญหานี้ดูเหมือนว่าจะไม่ได้มีการระบายน้ำทิ้งมาเป็นปี ดังนั้นพอเช้าวันนี้ตอนที่ตรวจหาปัญหาก็ได้ทำการระบายน้ำทิ้ง ปรากฏว่าได้น้ำสนิมออกมาราว ๆ หนึ่งถาดครึ่งได้ (น่าจะอยู่ราว ๆ ๑ - ๒ ลิตร) การระบายน้ำทิ้งทำได้ด้วยการเปิดวาล์วตัวที่อยู่ข้างใต้ถังเก็บอากาศ (ดูรูปที่ ๓ ประกอบ) ยกตัว air compressor ขึ้น เอาถาดรองน้ำรองข้างล่าง แล้วค่อย ๆ คลายวาล์วออกทีละช้า ๆ (เพราะถ้ามีน้ำอยู่เยอะ น้ำจะพุ่งออกมาแรง) พอรู้สึกว่ามีอากาศรั่วออกมาก็วางลงราบกับพื้นเพื่อให้น้ำไหลออก ในช่วงเวลานี้ถ้าข้างในมีสนิมเยอะมันจะอุดตันรูระบายน้ำ ทำให้น้ำหยุดไหลได้ ก็ให้เปิดวาล์วระบายน้ำเพิ่มขึ้นอีก ทำจนกว่าจะระบายน้ำออกหมด วาล์วตัวนี้ปรกติจะใช้มือหมุนได้ แต่ถ้าพบว่ามันแน่นมากก็ให้ใช้คีมจับและค่อย ๆ หมุนเปิดช้า ๆ

รูปที่ ๓ วาล์วระบายน้ำทิ้ง (ในกรอบสี่เหลี่ยมสีเหลือง) ที่อยู่ข้างใต้ถังเก็บอากาศของ air compressor การระบายน้ำให้หมุนคลายนอต (ตรงลูกศรสีส้มชี้) ออกทีละน้อย ๆ