วันอังคารที่ 2 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2553

ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๓ อธิบายศัพท์ MO Memoir : Tuesday 2 February 2553

Memoir ฉบับนี้ยังเป็นตอนต่อเนื่องจากฉบับวันศุกร์ที่ ๒๙ มกราคม ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๑ อธิบายศัพท์" และฉบับวันอาทิตย์ที่ ๓๑ มกราคม ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๒ อธิบายศัพท์"

คิดว่าถัดจากเรื่องอธิบายศัพท์ก็จะเป็นเรื่องเกี่ยวกับการออกแบบระบบปั๊มและท่อ (เรื่องเล่าจากประสบการณ์) แต่ระหว่างนี้อาจมีเรื่องอื่นเข้ามาแทรกคั่นกลางก่อนก็ได้


Head (เฮด)

Head (เฮด) ในที่นี้ไม่ได้แปลว่า "หัว" แต่หมายถึง "ความดันด้านขาออก" ที่ปั๊มสามารถผลิตได้ โดยมักจะเปรียบเทียบกับความสูงของน้ำที่ปั๊มตัวนั้นสามารถดันให้สูงขึ้นไปได้ ตัวอย่างเช่นถ้าบอกว่าปั๊มตัวนี้มีแรงดัน(หรือมีเฮด) 10 เมตรน้ำ ก็หมายความว่าปั๊มตัวนี้สามารถสูบน้ำและดันน้ำขึ้นไปได้สูง 10 เมตร (ส่งน้ำขึ้นชั้น 3 ของอาคารได้) หรือผลิตความดันด้านขาออกได้ 1 kg/cm2 (หรือ 1 bar) นั่นเอง ทั้ง ๆ ที่ในความเป็นจริงแล้วเราอาจใช้ปั๊มตัวนี้ปั๊มของเหลวอื่นที่ไม่ใช่น้ำ เช่นใช้ปั๊มน้ำมัน (ซึ่งมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ) หรือน้ำทะเล (ซึ่งมีความหนาแน่นสูงกว่าน้ำ)


Hydraulic constraint

Hydraulic constraint คำนี้ไม่รู้ว่าคำแปลตามราชบัณฑิตมีหรือเปล่า หรือถ้ามีมันแปลว่าอะไร แต่ในที่นี้ขอแปลว่า "ข้อจำกัดทางอุทกศาสตร์" ก็แล้วกัน

ในการออกแบบระบบท่อนั้น ถ้าเราใช้ท่อขนาดเล็กก็จะประหยัดต้นทุนด้านราคาท่อ แต่จะสิ้นเปลืองพลังงานในการปั๊มของเหลวเพราะท่อขนาดเล็กจะมีค่าความดันลด (pressure drop) ที่สูง แต่ถ้าเราใช้ท่อขนาดใหญ่ราคาท่อก็จะแพงขึ้น แต่จะสิ้นเปลืองพลังงานในการปั๊มน้อยกว่าเพราะท่อขนาดใหญ่มีความดันลดที่ต่ำกว่า (ที่อัตราการไหลโดย "ปริมาตร" เดียวกัน ของเหลวที่ไหลในท่อขนาดเล็กจะต้องไหลด้วยความเร็วเชิงเส้นสูงกว่าของเหลวที่ไหลในท่อขนาดใหญ่กว่า) ในการเลือกขนาดท่อที่เหมาะสมสำหรับของเหลวที่ไม่หนืด (เช่นน้ำ) นั้นมีกฎที่เรียกว่า rule of thumb อยู่ว่า ควรเลือกขนาดท่อที่ทำให้ความเร็วของของเหลวที่ไหลอยู่ในท่ออยู่ในช่วงประมาณ 1-3 m/s (สำหรับของไหลชนิดอื่นลองไปค้นหาในตำราเอง)

แต่ขนาดท่อนั้นมีขนาดเฉพาะเท่าที่มาตรฐานกำหนดไว้ (ไม่ใช่ว่าอยากจะได้ท่อขนาดใดก็หาได้หมด) ดังนั้นเมื่อคำนวณหาขนาดท่อที่เหมาะสม (ก็คือเส้นผ่านศูนย์กลาง D) จากอัตราการไหลโดยปริมาตร (V) และความเร็ว (u) ที่เหมาะสมแล้ว (หาจาก A = V/u เมื่อ A คือพื้นที่หน้าตัดการไหลของท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง D) ก็ต้องมีการปัดค่า D ที่คำนวณได้นั้นเข้าหาขนาดท่อที่มีอยู่จริง เช่นอาจคำนวณว่าขนาดท่อที่เหมาะสมคือ 4.7 นิ้ว (โดยอาจได้จากการตั้งความเร็วเฉลี่ยในการไหลไว้ที่ 2 m/s ก่อน) แต่ท่อขนาด 4.7 นิ้วไม่มีใครเขาผลิตขาย มีแต่ขนาด 4 นิ้วและ 5 นิ้วที่มีขนาดใกล้เคียง ดังนั้นเราก็ต้องมาตรวจสอบต่อว่าถ้าใช้ท่อขนาด 4 นิ้วหรือ 5 นิ้ว ท่อขนาดใดยังเหมาะสมอยู่ กล่าวคือถ้าใช้ท่อ 4 นิ้ว ความเร็วในการไหลก็จะเพิ่มขึ้น แต่เพิ่มขึ้นเกิน 3 m/s หรือไม่ และถ้าใช้ท่อ 5 นิ้ว ความเร็วในการไหลก็จะลดลง แต่ลดต่ำกว่า 1 m/s หรือไม่ ท่อขนาดใดที่ทำให้ความเร็วในการไหลอยู่ในเกณฑ์ 1-3 m/s ก็ใช้ท่อขนาดนั้นได้

แต่การเลือกใช้ท่อในโรงงานนั้นยังต้องคำนึงถึงการเตรียมชิ้นส่วนสำหรับการซ่อมบำรุงด้วย ถ้าหากมีท่อหลากหลายขนาดมากเกินไปก็จะทำให้เกิดปัญหาในส่วนของสต๊อกวัสดุซ่อมบำรุง ดังนั้นเพื่อป้องกันความยุ่งยากดังกล่าวจึงมักมีการกำหนดขนาดท่อที่จะเลือกใช้ในการก่อสร้าง

ตัวอย่างเช่นทางโรงงานอาจมีการกำหนดไว้ว่า

- ท่อขนาดเล็กที่สุดที่จะใช้คือขนาด 3/4 นิ้ว

- ท่อที่มีขนาดไม่เต็มนิ้ว (เช่นพวกลงท้ายด้วย 1/4 นิ้ว 1/2 นิ้ว และ 3/4 นิ้ว) จะใช้กับท่อขนาดไม่เกิน 3 นิ้ว แต่จะเลือกใช้เฉพาะท่อที่มีขนาดเป็น 1/2 นิ้วเท่านั้น (กล่าวคืออนุญาตให้ใช้ท่อขนาด 1 1/2 นิ้ว แต่ไม่อนุญาตให้ใช้ท่อขนาด 1 1/4 นิ้ว) และ

- ท่อที่มีขนาดตั้งแต่ 4 นิ้วขึ้นไปจะเลือกใช้เฉพาะท่อที่มีขนาดเป็นเลขคู่เท่านั้น (กล่าวคือ ใช้ท่อขนาด 4 นิ้ว 6 นิ้ว 8 นิ้ว ฯลฯ แต่จะไม่ใช้ท่อขนาด 5 นิ้ว 7 นิ้ว 9 นิ้ว แม้ว่ามันจะมีปรากฏในมาตรฐานก็ตาม)

ดังนั้นจากตัวอย่างที่ยกมาก่อนหน้านั้น ถ้าเราปัดขนาดท่อที่คำนวณได้คือ 4.7 นิ้วเป็นท่อ 5 นิ้วซึ่งเป็นขนาดที่ใกล้เคียงกับค่าที่คำนวณได้มากที่สุด มันก็จะไม่เข้ากับเกณฑ์การก่อสร้างของบริษัท จึงต้องปัดขนาดขึ้นไปเป็นท่อ 6 นิ้วหรือไม่ก็ปัดลงมาเป็นท่อ 4 นิ้ว แล้วจึงกลับมาพิจารณาใหม่ว่าความเร็วในการไหลในท่อ 4 นิ้วกับ 6 นิ้วนั้นยังอยู่ในช่วงที่เหมาะสมหรือไม่

ในแต่ละหน่วยการผลิตนั้นจะมีการปัดขนาดท่อที่คำนวณได้ทั้งปัดขึ้นและปัดลง แต่เมื่อโรงงานสร้างมาแล้วเราก็ไม่รู้ว่าตอนออกแบบนั้นท่อไหนมีขนาดที่ถูกปัดขึ้นและท่อไหนมีขนาดที่ถูกปัดลง ท่อที่มีขนาดที่ถูกปัดขึ้นนั้นก็สามารถรองรับอัตราการไหลที่เพิ่มขึ้นได้มาก ส่วนท่อที่ถูกปัดลงนั้นก็จะรองรับอัตราการไหลที่เพิ่มขึ้นได้น้อย

ในขณะเดียวกันนั้นเราก็ต้องใช้อัตราการไหลที่กำหนดนั้นเป็นตัวระบุขนาดของปั๊มที่จะใช้ด้วย การเลือกขนาดของปั๊มนั้นถ้าเราเลือกขนาดของปั๊มที่ทำงานที่ประสิทธิภาพสูงสุด (ค่าพลังงานที่ใช้ต่อปริมาณของเหลวที่ปั๊มได้มีค่าต่ำสุด) ขนาดของปั๊มนั้นก็อาจไม่สามารถรองรับอัตราการไหลที่เพิ่มขึ้นได้ แต่ถ้าเราเลือกปั๊มที่มีขนาดใหญ่เผื่อไว้ก่อน ปั๊มนั้นก็จะสามารถรองรับอัตราการไหลที่เพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มกำลังการผลิตได้ แต่ปั๊มนั้นจะไม่ทำงานในภาวะที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุด ทำให้สิ้นเปลืองพลังงานมาก (เปรียบเสมือนการขับรถรับจ้างส่งคน 1 คนระหว่างสามย่านกับสยามสแควร์ ถ้าใช้มอเตอร์ไซค์จะเปลืองพลังงานน้อยสุด แต่ถ้ามีผู้โดยสารมากกว่า 1 คนก็จะไม่สามารถขนส่งได้ในเที่ยวเดียว แต่ถ้าขับรถบัสส่งผู้โดยสารเพียงคนเดียวจะเปลืองน้ำมันมาก แต่ถ้ามีผู้โดยสาร 20 คนก็ยังสามารถขนส่งได้ในเที่ยวเดียว แต่ถ้าใช้รถเก๋งก็จะสิ้นเปลืองน้ำมันในระหว่างกลางระหว่างมอเตอร์ไซด์กับรถบัส โดยถ้ามัผู้โดยสารมากกว่า 1 คนแต่ไม่เกิน 4 คนก็ยังสามารถรับส่งได้ แต่ถ้ามากกว่านั้นก็ไม่สามารถทำได้เหมือนกับการใช้รถบัส)

การคำนวณหา hydraulic constraint ของหน่วยใดหน่วยหนึ่งนั้นก็คือการหาว่าระบบท่อและปั๊มของหน่วยน้ำ มีจุดใดบ้างที่ใช้งานเต็มขีดความสามารถแล้ว จุดนั้นก็ถือว่าเป็นคอขวด (bottle neck) ของระบบท่อ เราอาจพิจารณาระบบท่อก่อน โดยดูว่าอัตราการไหลในท่อใดนั้นสูงจนถึงขีดกำหนดแล้ว จากนั้นก็มาตรวจดูขนาดปั๊มว่าเดินเครื่องเต็มกำลังความสามารถหรือยัง (พึงระวังไว้ด้วยว่าขนาดท่อยังอาจรองรับการไหลที่เพิ่มขึ้นได้ แต่ขนาดปั๊มอาจจะเล็กเกินไป หรือในทางกลับกันคือขนาดท่อไม่สามารถรองรับการไหลที่เพิ่มขึ้นได้ แต่ขนาดปั๊มยังสามารถรองรับได้)

การทำให้ระบบนั้นสามารถส่งผ่านของเหลวได้มากขึ้นทำได้หลายวิธี เช่นเปลี่ยนท่อที่เล็กไปให้ใหญ่ขึ้น เปลี่ยนปั๊มที่เล็กไปให้ใหญ่ขึ้น ทำการเดินท่อคู่ขนานกับท่อเดิม (ไม่รื้อท่อเดิมออก) แยกระบบให้ย่อยลง (เช่นจากเดิมปั๊ม 1 ตัวจ่ายของเหลวไปยัง 5 หน่วย ก็ติดตั้งปั๊มเพิ่มอีก 1 ตัวและแยกระบบจ่ายของเหลวเป็นปั๊มตัวหนึ่งจ่ายของเหลวไปยัง 3 หน่วย และปั๊มอีกตัวหนึ่งจ่ายของเหลวไปยัง 2 หน่วย) ฯลฯ


Steam ejector

Ejector เป็นอุปกรณ์สำหรับทำสุญญากาศแบบหนึ่ง โดยอาศัยการไหลของของไหล (อาจเป็นของเหลวหรือแก๊สก็ได้) ชนิดหนึ่งที่ความดันสูง ให้เคลื่อนที่ผ่านบริเวณคอคอด หลักการทำงานและโครงสร้างของ ejector แสดงไว้ในรูปที่ 1 และ 2 (ตอนแรกจะบอกว่าเหมือนกระบอกยาฉีดยุง ถ้าเข้าใจการทำงานของกระบอกยาฉีดยุงก็จบแล้ว เพราะใช้หลักการทำงานเดียวกัน แต่ในปัจจุบันก็ไม่เห็นมีใครใช้กันแล้ว ขืนยกตัวอย่างนี้ขึ้นมาก็กลัวว่าพวกคุณจะนึกภาพไม่ออกเพราะเกิดไม่ทันเห็น)

จากรูปที่ 1 ของไหลความดันสูง P1 (สมมุติในที่นี้ว่าคือไอน้ำ) ถูกฉีดผ่านหัวฉีด (nozzle) เมื่อไอน้ำความดันสูงถูกฉีดออกมา จะมีการเปลี่ยนแปลงรูปแบบพลังงานของไอน้ำ โดยไอน้ำความดันสูงที่พลังงานในรูปของความดันอยู่มาก แต่มีพลังงานจลน์ (ในรูปของความเร็วอยู่น้อย) จะกลายเป็นไอน้ำที่ความดันลดต่ำลง (ความดันใน converging inlet nozzle จะต่ำกว่า P0) แต่พลังงานในรูปของความดันนั้นถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์ (ความเร็วจะเพิ่มสูงขึ้น) ดังนั้นแก๊สความดันต่ำ P0 จึงสามารถไหลเข้ามาใน converging inlet nozzle ได้ และผสมกับไอน้ำที่เคลื่อนที่ผ่านคอคอด (diffuser throat) นั้น พอแก๊สผสมระหว่างไอน้ำกับแก๊สที่ถูกดูดเข้ามาทาง inlet suction นั้นเคลื่อนที่ออกจากคอคอดมายังบริเวณ diverging outlet diffuser พื้นที่หน้าตัดการไหลจะเพิ่มขึ้น ทำให้ความเร็ว (หรือพลังงานจลน์) ของแก๊สผสมที่ไหลนั้นลดลง แต่ความดันจะเพิ่มมากขึ้น (พลังงานในรูปของความเร็วเปลี่ยนเป็นในรูปของความดัน) จึงสามารถดึงแก๊สความดันต่ำ P0 ให้ไหลออกสู่บริเวณความดันสูง P2 ได้

รูปที่ 1 การทำงานของ ejector (ภาพจาก www.dsmach.co.kr/eng/product02-1.html)

รูปที่ 2 โครงสร้างของ ejector (ภาพจาก http://www.electronicsweekly.com)

ข้อดีของ ejector คือไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว (moving part) ดังนั้นจึงไม่ต้องการการซ่อมบำรุงมากนัก และในโรงงานนั้นก็มีไอน้ำให้ใช้งานอยู่แล้ว แต่มีข้อเสียคือทำสุญญากาศได้ไม่ต่ำมาก ถ้าต้องการสุญญากาศมากขึ้นก็อาจทำการติดตั้ง ejector ต่อเป็นอนุกรมกัน 2-3 ตัว (ไม่รู้เหมือนกันว่าจะมีมากกว่านี้ไหม เพราะไม่เคยได้ยิน ถ้าอยากรูปว่าติดตั้งกันอย่างไรลองค้นหาภาพใน google ดูโดยใช้ key word "ejector" เอาเองก็แล้วกัน) โดยทำการติดตั้งเครื่องควบแน่นเพื่อแยกเอาไอน้ำและแก๊สที่สามารถควบแน่นได้ที่ดูดออกมา ออกจากแก๊สที่ออกมาจาก ejector ตัวแรกก่อนที่จะส่งแก๊สต่อไปยัง ejector ตัวถัดไป การที่ต้องควบแน่นก่อนก็เพื่อลดปริมาณแก๊สที่ต้องไหลเข้า ejector ตัวถัดไป ejector เป็นอุปกรณ์ที่เหมาะสมกับระบบขนาดใหญ่และระบบที่ไม่ได้ต้องการทำสุญญากาศที่ต่ำมาก เช่นหอกลั่นสุญญากาศสำหรับกลั่นน้ำมันดิบ

อุปกรณ์อีกชนิดหนึ่งที่มีหลักการทำงานเดียวกันและพวกคุณน่าจะเคยใช้มาแล้วคือ aspirator pump ที่ใช้ทำสุญญากาศในห้องปฏิบัติการเคมี เวลาที่เราต้องการกรองสาร aspirator pump นั้นจะใช้น้ำเป็นของเหลวฉีดพ่น ซึ่งน้ำนั้นอาจใช้วิธีการต่อเข้ากับก๊อกน้ำให้ห้องแลปโดยตรง หรือเป็นเครื่องที่มีถังบรรจุน้ำอยู่ในตัวหิ้วไปมาได้ และโดยใช้ปั๊มสูบน้ำในถังบรรจุนั้นฉีดผ่าน nozzle ซึ่งระบบนี้ก็มีข้อดีไม่เปลืองน้ำ และสามารถเคลื่อนย้ายไปใช้งานในบริเวณที่ไม่มีน้ำได้ (แต่ต้องมีไฟฟ้าใช้)


ย่อหน้านี้ขอบ่นหน่อย ถือว่าเป็นการเล่าประสบการณ์การทำงานจริงให้ฟัง เผื่อพวกคุณจบแล้วอาจเจอเหตุการณ์ทำนองคล้ายกันนี้ เพราะปีนี้มันเป็นยังไงก็ไม่รู้ทำไมมีเรื่องให้ออก memoir เรียกว่าแทบจะวันเว้นวันเลย (ขึ้นปีใหม่ได้ ๓๒ วันออก memoir เพื่อให้ความรู้แก่พวกคุณไปแล้ว ๑๖ เรื่อง) แต่ยังไม่วายปลายสัปดาห์ที่แล้วมีคนโทรมาต่อว่า (โทรมาจากไหนก็ไม่รู้) หาว่าไม่ทำงานทำการใด ๆ เพราะผมไม่สามารถตอบคำถามเขาเรื่องเครื่องมือที่เขากำลังมีปัญหากับชิ้นส่วนหนึ่งและเคยส่งอีเมล์มาถามผม ผมก็ตอบเขาไปว่าผมจะไปตอบข้อสงสัยเขาได้ยังไงในเมื่อเครื่องมือเครื่องนั้นผมก็ไม่เคยรู้จัก ไม่เคยเห็น ไม่รู้ด้วยว่ามันอยู่ที่ไหน เขาก็ย้อนกลับมาว่าทำไมไม่ไปศึกษาค้นคว้าหาความรู้ จะได้ตอบคำถามเขาได้ซักที

ผมนึกอยู่ในใจว่าผมรับเงินเดือนราชการมาเพื่อสอนพวกคุณ ทั้งด้านการถ่ายทอดความรู้วิชาการต่าง ๆ และสอนเรื่องจริยธรรมให้แก่พวกคุณ คน ๆ นั้นไม่ได้จ่ายเงินเดือนให้ผมไปเป็นลูกน้องเขาซะหน่อย และที่จริงคน ๆ นั้นเขาก็ทำงานกับเครื่องมือเครื่องนั้นมานานหลายปีมากกว่าผมอีก

เท่าที่คุยทางโทรศัพท์ทำให้เข้าใจแล้วว่า อุปกรณ์ตัวนั้นมีผู้ใช้งานอีกคนหนึ่งที่ใช้งานร่วมกันอยู่ ทีนี้พอมีชิ้นส่วนเสีย (ชิ้นที่เขาถามผมนั่นแหละ) ก็มีการเกี่ยงกันว่าใครจะเป็นคนจ่าย ตัวเขาเองคิดว่าอีกคนเป็นฝ่ายผิดและควรต้องรับผิดชอบ แต่ก็ไม่กล้าไปบอก ทีนี้ก็เลยใช้วิธีโยนมาให้ผมตัดสินพิจารณา ตอนแรกผมก็ไม่รู้หรอกว่าเรื่องเบื้องหลังของคำถามเขามันเป็นแบบนี้ แต่พอผมเสนอไปว่าก็ให้ทางหน่วยงานเจ้าของเครื่องจ่ายไปซิ เขาก็โวยวายใหญ่และเล่าเรื่องปัญหาของผู้ใช้งานร่วมกันให้ทราบ

สรุปคือเขาอยากจะให้ผมตัดสินปัญหาในแบบที่เขาต้องการ (คือให้อีกฝ่ายหนึ่งจ่ายนั่นแหละ) เพื่อจะได้เอาไปบอกอีกฝ่ายหนึ่งว่าผมบอกให้ทำอย่างนี้ ทำนองว่าถ้าไม่พอใจก็ให้ไปคุยกับผมเอง เขาไม่เกี่ยว เขากับเพื่อนร่วมงานคนนั้นไม่มีอะไรกันนะ ไม่โกรธกันนะ ถ้าจะโกรธก็ต้องไปโกรธผม เพราะที่เขาต้องทำอย่างนี้เพราะผมเป็นคนบอก


ที่แย่ก็คือ นี่ไม่ใช่ครั้งแรกที่ผมเจอคนแบบนี้

ไม่มีความคิดเห็น: