วันพฤหัสบดีที่ 29 เมษายน พ.ศ. 2553

ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๙ ความดันลดกับอัตราการไหล MO Memoir : Thursday 29 April 2553

จากการที่ได้ไปตรวจเยี่ยมนิสิตฝึกงานมาเมื่อวาน (เรียกให้ถูกคือพาไปเลี้ยงข้าวเย็นริมทะเล ในสถานที่ที่มีภูเขาบดบังไม่ให้เห็นดวงอาทิตย์ตกทะเล แต่สามารถเห็นพระจันทร์เต็มดวงคืนวันเพ็ญโผล่ขึ้นมาจากทะเล) ก็มีคำถามหนึ่งเกี่ยวกับการตรวจสอบอัตราการไหลของของไหลในท่อด้วยการวัดความดันลด (pressure drop) ระหว่างตำแหน่งต่าง ๆ ของระบบท่อ ซึ่งเทคนิคดังกล่าวก็เหมือนกับการวัดโดยใช้ orifice ที่เรียนกันมาแล้ว แต่การแปลผลระหว่างความดันลดที่วัดได้กับอัตราการไหลที่แท้จริงนั้นต้องมีการระวังอยู่เหมือนกัน

Memoir ฉบับนี้เลยถือโอกาสเล่าเรื่องเกี่ยวกับอุปกรณ์และหลักการการวัดอัตราการไหล วิธีการวัดอัตราการไหลของของไหลในท่อนั้นมีอยู่หลายรูปแบบ แต่ในที่นี้จะกล่าวถึง ๒ รูปแบบที่มักจะพบเห็นกันได้อยู่ทั่วไป คือการใช้ Rotameter และ Orifice


Rotameter ทำจากหลอดแก้วหรือพลาสติกใสที่มีรูอยู่ตรงกลาง ขนาดพื้นที่หน้าตัดของรูที่ปลายด้านล่าง (ช่องทางให้ของไหลไหลเข้า) จะเล็กกว่าด้านบน (ด้านที่ของไหลไหลออก) ภายในรูนี้จะบรรจุลูกลอย (float) ที่จะลอยขึ้นลงตามอัตราการไหลของของไหล การทำงานและตัวอย่าง rotameter แสดงไว้ในรูปที่ 1 ข้างล่าง

รูปที่ 1 (ซ้าย) การทำงานของ rotameter และ (ขวา) ตัวอย่าง rotameter

(รูปซ้ายจาก http://www.globalspec.com/reference/9771/349867/Rotameters-Simplicity-Utility

รูปขวาจาก http://www.atspecialties.com/downloads/Color%20VA.GIF)


เมื่อของไหลไหลเข้าทางด้านล่าง rotameter ของไหลนั้นจะไปดันผิวด้านล่างของลูกลอย ทำให้ลูกลอยลอยตัวสูงขึ้น ยิ่งของไหลไหลเร็วเท่าใด แรงที่ดันลูกลอยก็จะสูงตามไปด้วย แต่เนื่องจากรูด้านในนั้นมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ขยายใหญ่ขึ้น ดังนั้นเมื่อลูกลอยลอยตัวสูงขึ้น พื้นที่การไหลก็จะเพิ่มขึ้นไปด้วย จนในที่สุดเมื่อแรงที่ของไหลดันลูกลอยให้ลอยตัวสูงขึ้นเท่ากับน้ำหนักของลูกลอยในของไหลนั้น ลูกลอยก็จะอยู่นิ่ง

รูปร่างและวัสดุที่ใช้ทำลูกลอยขึ้นอยู่กับชนิดของไหลและช่วงอัตราการไหลที่ต้องการวัด เช่นถ้าต้องการวัดอัตราการไหลของอากาศที่ค่าต่ำ ๆ ก็อาจใช้ลูกลอยทำจากพลาสติก แต่ถ้านำไปใช้วัดค่าอัตราการไหลของอากาศที่ค่าสูง หรือนำไปใช้วัดอัตราการไหลของน้ำ ก็สามารถเปลี่ยนไปใช้ลูกลอยที่ทำจากโลหะ (เช่น ทองเหลืองหรือสแตนเลส) โดยที่ยังคงใช้ rotameter ตัวเดิมได้

rotameter ที่มากับตัวอุปกรณ์ต่าง ๆ นั้นมักเลือกใช้ลูกลอยและทำการสอบเทียบให้เหมาะสมกับของไหลที่อุปกรณ์ตัวนั้นใช้ ในกรณีที่ของไหลเป็นแก๊สมีสิ่งหนึ่งที่ต้องระวังคือความหนาแน่นของแก๊สนั้นเปลี่ยนไปตามความดันและอุณหภูมิของระบบ เพราะถ้าความดันในระบบสูงขึ้นหรืออุณหภูมิของแก๊สลดลง ความหนาแน่นของแก๊สที่ไหลผ่านลูกลอยจะสูงขึ้น ที่ค่าอัตราการไหลเดียวกัน (ถ้าคิดเทียบที่ความดันบรรยากาศและอุณหภูมิเดียวกัน) ลูกลอยของระบบที่มีความดันสูงกว่า (และ/หรืออุณหภูมิต่ำกว่า) จะลอยต่ำกว่าลูกลอยของระบบที่มีความดันต่ำกว่า (และ/หรืออุณหภูมิสูงกว่า) ส่วนในกรณีของของเหลวนั้น ความดันไม่ส่งผลใดต่อการลอยตัวของลูกลอย แต่อุณหภูมิ (ซึ่งส่งผลต่อความหนาแน่นมากกว่า) จะส่งผลต่อการลอยตัวของลูกลอยมากกว่า

ส่วน rotameter ที่ไม่ได้กำหนดมาว่าจะใช้กับของไหลชนิดใดนั้น ผู้ผลิตมักจะทำสเกลเช่น 0-100 มาให้ (ซึ่งมักหมายถึงช่วงการไหล 0-100% ดังแสดงในรูปที่ 1 ซ้าย) เมื่อผู้ใช้งานต้องการนำ rotameter ดังกล่าวไปใช้งาน จึงจำเป็นต้องมีการสอบเทียบก่อนว่าที่ตำแหน่งความสูงต่าง ๆ กันของลูกลอยนั้น ค่าอัตราการไหลที่แท้จริงเป็นเท่าใด


การวัดอัตราการไหลด้วย orifice ใช้การวัดการเปลี่ยนแปลงความดันเมื่อของไหลไหลผ่านบริเวณที่มีพื้นที่หน้าตัดการไหลลดลง (ดูรูปที่ 2 ข้างล่างประกอบ) การทำให้เกิดบริเวณที่มีพื้นที่หน้าตัดการไหลลดลงมักทำโดยการสอดแผ่นกั้นที่มีรูเจาอยู่ตรงกลาง (เรียกว่าแผ่น orifice) เข้าไปขวางทิศทางการไหลเอาไว้ เมื่อทำการวัดความดันของไหลก่อนไหลผ่านและหลังจากที่ไหลผ่านแผ่น orifice นี้ก็สามารถนำค่าผลต่างความดันนี้ไปคำนวณหาอัตราการไหลได้

การทำให้พื้นที่หน้าตัดการไหลลดลงนี้ไม่จำเป็นต้องใช้แผ่น orifice เสมอไป อาจใช้วิธีการลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อลงก็ได้ (แล้วค่อยขยายขึ้นกลับเป็นขนาดเดิม) แต่การใช้แผ่น orifice ก็มีข้อดีตรงที่ประหยัดพื้นที่ติดตั้ง และด้วยการเปลี่ยนแผ่น orifice ที่มีขนาดรูต่างกันก็ทำให้สามารถวัดอัตราการไหลในช่วงต่าง ๆ ได้

รูปที่ 2 การทำงานของ orifice (รูปจาก http://www.hydrotherms.com/orifice.htm)


การติดตั้งแผ่น orifice จะใช้หน้าแปลนพิเศษแตกต่างไปจากหน้าแปลนที่ใช้เชื่อมต่อท่อทั่วไป กล่าวคือหน้าแปลนที่ใช้สำหรับติดตั้งแผ่น orifice จะมีการเจาะรูสำหรับต่อท่อไปยังอุปกรณ์วัดความดันลดคร่อมแผ่น orifice (ดูรูปที่ 3 ประกอบ)

เนื่องจากข้อกำหนดในการติดตั้ง orifice นั้นจำเป็นต้องให้ของไหลในท่อไหลอย่างราบเรียบก่อนและหลังจากที่ไหลผ่านออกไป จึงมีข้อกำหนดให้ท่อด้านขาเข้าและท่อด้านขาออกจาก orifice ต้องเป็นท่อตรงอย่างน้อยเป็นช่วงระยะหนึ่ง ช่วงระยะที่ต้องเป็นท่อตรงนี้ขึ้นกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ ถ้าท่อที่ใช้นั้นมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ ระยะทางดังกล่าวก็จะยาวเพิ่มขึ้นไปด้วย ซึ่งจะทำให้ต้องใช้พื้นที่มากในการติดตั้ง orifice วิธีการหนึ่งที่สามารถทำให้ลดระยะความยาวท่อดังกล่าวได้คือการทำให้ท่อช่วงที่ติดตั้ง orifice นั้นมีขนาดเล็กลง ตัวอย่างเช่นสมมุติว่าเราต้องการวัดอัตราการไหลในท่อ 12 นิ้ว ดังนั้นท่อช่วงที่ติดตั้ง orifice นั้นอาจใช้ท่อขนาด 8 นิ้วแทน (พอพ้นออกไปแล้วก็ขยายขึ้นเป็นท่อ 12 นิ้วเหมือนเดิม) ซึ่งก็จะทำให้ลดพื้นที่ที่ต้องใช้ในการติดตั้ง orifice ลงไปได้

รูปที่ 3 ชุด orifice ตัว orifice คือแผ่นกลมมีรูตรงกลาง

(รูปจาก http://www.directindustry.com/prod/aplitex-sl/orifice-plate-for-differential-pressure-flow-measurement-50657-361553.html)


ทีนี้กลับมายังคำถามเกี่ยวข้องกับการฝึกงานที่มีคนถามมาเมื่อวาน อย่างที่ได้บอกไปแล้วว่าถ้าของไหลในท่อไหลเร็วขึ้น ผลต่างความดัน (differential pressure) ที่คร่อมระหว่างจุด ๒ จุดบนแนวท่อนั้นก็จะเพิ่มมากขึ้น (เหมือนกับการทำงานของ orifice นั่นแหละ) แต่การแปลค่าผลต่างความดันระหว่างจุด ๒ จุดที่สูงว่าเป็นเพราะมีอัตราการไหลที่สูงก็ต้องระวัง เพราะถ้าหากเกิดกรณี "ท่อตัน" เราก็จะพบว่าผลต่างความดันระหว่างจุด ๒ จุดนั้นสูงได้ทั้ง ๆ ที่ของไหลนั้นไหลด้วยอัตราการไหลที่ต่ำ


ในการคิดนั้นอย่าไปด่วนสรุปว่า "ถ้าเงื่อนไข (ก) ทำให้เกิดเหตุการณ์ (ข) ดังนั้นถ้าตรวจพบเหตุการณ์ (ข) ก็แสดงว่ามีเงื่อนไข (ก) เกิดขึ้น" เพราะมันไม่จำเป็นว่าเหตุการณ์ (ข) เกิดได้จากเงื่อนไข (ก) เพียงอย่างเดียว เหตุการณ์ (ข) อาจเกิดจากเงื่อนไข (ค) (ง) ฯลฯ ก็ได้ หลายปัญหาที่เกิดขึ้นและแก้ไม่ตกหรือทำให้เรื่องมันไปกันใหญ่ก็เพราะแนวความคิดแบบด่วนสรุปเช่นนี้

ไม่มีความคิดเห็น: