วันพุธที่ 23 มีนาคม พ.ศ. 2554

การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๑๖ การใช้ข้อต่อสามทางผสมแก๊ส MO Memoir : Wednesday 23 March 2554

เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้เกี่ยวพันโดยตรงไปยัง Memoir ๒ ฉบับก่อนหน้านี้คือ

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๖๖ วันศุกร์ที่ ๔ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง GC-2014 FPD กับระบบ DeNOx ตอนที่ ๑ ที่มาที่ไปของปัญหา

ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๒ วันเสาร์ที่ ๑๙ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง GC-2014 FPD กับระบบ DeNOx ตอนที่ ๕ บันทึกเหตุการณ์วันที่ ๑ มีนาคม


ข้อต่อสามทางหรือข้อต่อตัวที (T) นั้นเราใช้เพื่อรวมการไหลของของไหล (แก๊สหรือของเหลว) แยก/เบี่ยงเส้นทางการไหล และติดตั้งอุปกรณ์วัด (เช่นเทอร์โมคับเปิลเข้ากับ fixed-bed tubular reactor) จากประสบการณ์การทำการทดลองที่ผ่านมานั้นพบว่าการใช้งานข้อต่อสามทางรูปแบบที่ทำให้เกิดปัญหาบ่อยครั้งที่สุดคือ "การใช้งานเพื่อรวมการไหลของแก๊สสองสายเข้าด้วยกัน"

ที่ผ่านมานั้นพบว่าเวลาที่นิสิตทำการต่ออุปกรณ์ หรือต่อถังแก๊สเข้ากับอุปกรณ์ที่มีอยู่เดิมนั้น มักไม่ค่อยสนใจว่าเส้นทางการไหลของท่อที่ต่างมาบรรจบเข้าด้วยกันนั้น มีรูปแบบการไหลอย่างไร ซึ่งจะว่าไปแล้วการกระทำดังกล่าวก็ไม่ได้ก่อให้เกิดปัญหาใด ๆ ขึ้นเป็นประจำ แต่ก็มีบ่อยครั้งเหมือนกันที่พบว่าการไหลของบางสายไม่นิ่ง (โดยเฉพาะเมื่อใช้ Mass flow controller ควบคุมการไหล เพราะมันมีมิเตอร์แสดงอัตราการไหลเป็นตัวเลข ซึ่งจะเห็นตัวเลขหน้าจอเต้นไปเต้นมา) ทั้ง ๆ ที่ถ้าทดลองเปิดแก๊สเพียงตัวใดตัวหนึ่งทีละตัวนั้นจะพบว่าอัตราการไหลของแก๊สจะนิ่ง

จากเหตุการณ์ดังกล่าวพบว่านิสิตทั้งหมดจะโยนความผิดให้กับ Mass flow controller ว่าทำงานได้ไม่ดี แต่ก็จะเชื่อว่าค่าอัตราการไหลของแก๊สนั้นเป็นค่าตามที่ได้ตั้งเอาไว้เมื่อวัดแยกทีละสาย (ทั้ง ๆ ที่ตัวเลขที่แสดงนั้นคนละตัวกัน) และมักจะสอนต่อ ๆ กันว่าอย่าไปสนใจตัวเลขที่มันแสดงในขณะที่ใช้งาน ให้เชื่อเฉพาะตัวเลขที่ปรับเอาไว้ตอนที่วัดแยกทีละสาย

ปัญหานี้ผมเห็นมาตั้งแต่พ.ศ. ๒๕๔๐ ตอนที่เราประกอบอุปกรณ์ระบบ DeNOx ขึ้นมา และเคยได้แก้ไขเอาไว้ตั้งแต่สมัยโน้นแล้ว แต่ก็ยังพบปัญหาดังกล่าวอยู่เรื่อย ๆ จึงคิดว่าสมควรบันทึกเป็นลายลักษณ์อักษรเสียที

อันที่จริงถ้าพบเหตุการณ์ดังกล่าวก็แสดงว่าระบบการผสมแก๊สนั้นมีปัญหาแล้ว และปัญหาดังกล่าวมักจะเกิดกับการผสมแก๊สสองสาย โดยที่แก๊สสายหนึ่งมีอัตราการไหลน้อยกว่าอีกสายหนึ่งมาก Mass flow controller ตัวที่แสดงตัวเลขอัตราการไหลเต้นไปมาคือตัวที่อัตราการไหลที่ต่ำกว่า และปัญหาดังกล่าวมักจะเกิดรุนแรงถ้ามีการติดตั้งวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ (check valve (เรียกแบบอเมริกัน) หรือ non-return valve (เรียกแบบอังกฤษ)) อยู่ทางด้านขาออกของ Mass flow controller

วิธีการที่ถูกต้องในการผสมแก๊สสองสายด้วยข้อต่อสามทางคือ ต้องให้แก๊สที่มีอัตราการไหลสูงกว่านั้นวิ่งในแนวเส้นตรง โดยให้แก๊สที่มีอัตราการไหลต่ำกว่านั้นไหลเข้ามาบรรจบทางด้านข้าง (ดูรูปที่ ๑)

การต่อท่อโดยให้แก๊สสองสายไหลเข้ามาชนกันตรง ๆ หรือให้แก๊สสายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่านั้นวิ่งในแนวตรงและให้แก๊สที่มีอัตราการไหลสูงกว่านั้นไหลมาบรรจบทางด้านข้าง เป็นวิธีการที่ไม่เหมาะสม การต่อท่อตามสองรูปแบบหลังนี้จะทำให้แก๊สที่มีอัตราการไหลต่ำกว่านั้นไหลไม่นิ่ง กล่าวคืออาจมีการไหลเป็นจังหวะ (pulse) ออกมาผสมกับแก๊สที่มีอัตราการไหลสูงกว่า


สาเหตุที่ทำให้การไหลของสายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่านั้นมีการไหลเป็นจังหวะก็เพราะ

(ก) แก๊สเป็นของไหลที่สามารถอัดตัวได้ และ

(ข) สายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่านั้นมีความดันต่ำกว่า


รูปที่ ๑ รูปแบบการผสมแก๊สโดยใช้ข้อต่อสามทาง วิธีการที่ถูกต้องคือต้องให้สายที่มีอัตราการไหลสูงนั้นไหลในทิศทางแนวตรงของข้อต่อสามทาง และมีสายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่าไหลเข้ามาบรรจบในแนวตั้งฉากดังรูปซ้าย การต่อท่อชนิดให้สองสายไหลมาชนกันตรง ๆ ดังรูปกลาง หรือให้สายที่มีอัตราการไหลต่ำวิ่งในแนวตรงและโดยให้สายที่มีอัตราการไหลสูงกว่านั้นวิ่งเข้ามาบรรจบในแนวตั้งฉากดังรูปขวา มักจะก่อให้เกิดปัญหากับการไหลของสายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่า


อย่างเช่นเมื่อเราต่อท่อให้สายแก๊สทั้งสองไหลเข้าชนกันตรง ๆ ดังรูปที่ ๑ (กลาง) นั้น สายที่มีอัตราการไหลสูงกว่าจะไหลพุ่งตรงออกไปปะทะกับสายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่าโดยที่ไม่ค่อยจะหักเลี้ยว (ถ้านึกภาพไม่ออกลองนึกถึงหน้าต่างอาคารที่เปิดอยู่ และมีลมพัดขนานไปกับหน้าต่าง นั้น จะพบว่าลมจะไม่ค่อยพัดเข้าหน้าต่าง) ทำให้สายที่มีอัตราการไหลต่ำกว่านั้นถูกอัดตัวเข้าไปทางด้านขวา ถ้าหากแหล่งจ่ายแก๊สของสายที่มีอัตราการไหลต่ำนั้นยังมีความดันสูงมากพอ แก๊สด้านอัตราการไหลต่ำก็จะค่อย ๆ ผลักดันแก๊สด้านอัตราการไหลสูงให้ถอยกลับไปตรงทางแยก ท้ายที่สุดแล้วแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำก็จะสามารถไหลผสมออกไปทางทางแยกร่วมกับแก๊สอัตราการไหลสูงได้

ในกรณีที่แก๊สด้านอัตราการไหลสูงไหลเข้าในทิศทางตั้งฉากก็จะเกิดเหตุการณ์ในทำนองเดียวกัน โดยแก๊สอัตราการไหลสูงเมื่อไหลเข้าชนข้อต่อสามทางก็จะแยกเป็นสองส่วน ส่วนหนึ่งจะไหลไปทางด้านขาออก และอีกส่วนหนึ่งจะไหลไปทางด้านแก๊สอัตราการไหลต่ำ ซึ่งก็จะทำให้แก๊สด้านอัตราการไหลต่ำเกิดปัญหาดังเช่นที่กล่าวไว้ในย่อหน้าข้างบน

สำหรับเหตุการณ์ในย่อหน้าข้างบน ในกรณีที่เราปรับอัตราการไหลของแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำโดยใช้ needle valve นั้นมักจะไม่พบว่าอัตราการไหลของแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำไม่นิ่ง แต่จะพบว่าอัตราการไหลของแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำลดลง ทั้งนี้เป็นเพราะอัตราการไหลผ่าน needle valve นั้นขึ้นอยู่กับผลต่างของความดันด้านขาเข้าและขาออกของวาล์ว ที่เปอร์เซนต์การเปิดของวาล์วเท่ากัน แต่ถ้าความดันคร่อมวาล์วแตกต่างกัน อัตราการไหลก็จะแตกต่างไปด้วย ในกรณีเช่นนี้การติดตั้ง rotameter ไว้ทางด้านขาเข้าของ needle valve จะช่วยได้มาก เพราะความดันด้านขาเข้าค่อนข้างจะนิ่ง เวลาที่ความดันด้านขาออกสูงขึ้นจะทำให้แก๊สที่ไหลผ่าน rotameter มีอัตราการไหลที่ลดลง (แต่ความดันยังคงประมาณได้ว่าเท่าเดิม) ทำให้เห็นลูกลอยลดระดับต่ำลง


แต่ถ้าหากความดันด้านขาเข้าของ needle valve ของแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำนั้น "ต่ำกว่า" ความดันของแก๊สด้านอัตราการไหลสูง ณ จุดบรรจบ จะทำให้เกิดการไหลย้อนกลับของแก๊สในระบบได้ คือแก๊สด้านอัตราการไหลสูงนั้นจะไหลย้อนเข้าไปในแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำ วิธีการป้อนกันการไหลย้อนกลับนั้นทำได้โดย

(ค) ตั้งความดันด้านแหล่งจ่ายของแก๊สอัตราการไหลต่ำ ให้เท่ากับความดันด้านแหล่งจ่ายของแก๊สอัตราการไหลสูง ด้วยวิธีการนี้อัตราการไหลจะถูกปรับด้วยเปอร์เซนต์การเปิดของวาล์ว (ความดันด้านแหล่งจ่ายในที่นี้คือความดันด้านขาออกจาก pressure regulator ที่หัวถังแก๊ส) และ/หรือ

(ง) ติดตั้งวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ (check valve หรือ non-return valve)


การทำตามข้อ (ค) นั้นถ้ามีการผสมแก๊สมากกว่า 1 ชนิด ถ้าทำได้ก็ควรให้ความดันด้านแหล่งจ่ายแก๊สของแก๊สทุกตัวเท่ากัน จะได้ไม่เกิดปัญหาการไหลย้อนกลับ แต่การทำเช่นนี้ก็อาจเกิดปัญหาได้ในกรณีที่แก๊สบางตัวมีอัตราการไหลที่ต่ำกว่าตัวอื่นมาก การที่ใช้ความดันด้านแหล่งจ่ายสูงเกินไปจะทำให้ตัววาล์วควบคุมการไหล (needle valve หรือ mass flow controller) มีเปอร์เซนต์เปิดที่ต่ำมาก ทำให้ควบคุมการไหลได้ไม่ดี ในกรณีเช่นนี้ก็ต้องลดความดันด้านแหล่งจ่ายแก๊สให้ลดต่ำลง ทั้งนี้เพื่อให้สามารถเปิดวาล์วควบคุมได้กว้างมากขึ้น แต่ทั้งนี้ความดันด้านขาเข้าวาล์วควบคุมการไหลของสายอัตราการไหลต่ำก็ควรที่จะสูงกว่าความดันด้านขาออกของวาล์วควบคุมการไหลสายอัตราการไหลสูง (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ)


รูปที่ ๒ แก๊สด้านอัตราการไหลสูงและอัตราการไหลต่ำจะไหลมารวมกันได้ก็ต่อเมื่อความดัน P2 = P3 และถ้าต้องการป้องกันไม่ให้แก๊สด้านอัตราการไหลสูงไหลย้อนไปตามเส้นทางแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำแล้ว ความดัน P1 ควรที่จะมากกว่าความดัน P3


สำหรับแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำนั้น หลายครั้งที่พบว่าการติดตั้งวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับในด้านขาออกของ needle valve หรือ Mass flow controller จะนำมาซึ่งปัญหา ทั้งนี้เพราะวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับจะทำให้ความต้านทานการไหลด้านขาออกของ needle valve หรือ Mass flow controller เพิ่มสูงขึ้น สิ่งที่เกิดขึ้นคือ แก๊สที่ความดัน P1 เมื่อไหลผ่านวาล์วควบคุมอัตราการไหล จะมีความดันลดลงเป็น P2 (ตามรูปที่ ๓) ถ้าหากความดัน P2 นี้ไม่มากพอที่จะผลักกลไกของวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับให้เปิดออก และจะไหลผ่านวาล์วควบคุมอัตราการไหล เข้ามาสะสมอยู่ในท่อเชื่อมต่อระหว่างวาล์วควบคุมอัตราการไหลและวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ ทำให้ความดันในท่อเชื่อมต่อระหว่างวาล์วควบคุมอัตราการไหลและวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ (ความดัน P2) เพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ และเมื่อใดก็ตามที่ความดัน P2 นี้สามารถเอาชนะผลรวมระหว่าง ความดัน P4 ที่อยู่อีกทางด้านหนึ่งของวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ + ความต้านทานการไหลของวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ ได้ วาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับก็จะเปิด และปล่อยให้แก๊สเข้าไปผสมกับแก๊สด้านอัตราการไหลสูง

แต่เมื่อวาล์วป้องกันการไหลเปิด ความดันในท่อระหว่างวาล์วควบคุมอัตราการไหลและวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับ (ความดัน P2) ก็จะลดลง ทำให้วาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับปิดตัวเองอีกครั้ง ซึ่งจะส่งผลให้ไม่มีแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำไหลเข้าไปผสมกับแก๊สด้านอัตราการไหลสูงได้ เหตุการณ์นี้ทำให้ความเข้มข้นของแก๊สผสมที่อยู่ในแนวเส้นท่อนั้นไม่สม่ำเสมอตลอดช่วงความยาวท่อ


รูปที่ ๓ รูปแบบการติดตั้งวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับที่ทำให้เกิดปัญหาแก๊สด้านอัตราการไหลต่ำไหลเป็นจังหวะ


ถ้าหากใช้ Mass flow controller ควบคุมอัตราการไหล สิ่งที่จะเห็นก็คือ ในขณะที่ความดันด้าน P2 นั้นยังไม่มากพอที่จะทำให้วาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับเปิด ความดันด้าน P2 ที่เพิ่มมากขึ้นจะทำให้อัตราการไหลผ่าน Mass flow controller ลดลง ดังนั้นสิ่งที่ Mass flow controller ทำก็คือจะเปิดกว้างมากขึ้น (เห็นตัวเลขเปอร์เซนต์การเปิดสูงขึ้น) เพื่อคงอัตราการไหลให้ได้ดังเดิม แต่เมื่อความดัน P2 มากพอที่จะทำให้วาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับเปิดออก แก๊สที่ถูกขังอยู่ระหว่าง Mass flow controller และวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับจะระบายออกไป ความดันด้าน P2 จะลดลงอย่างกระทันหันในขณะที่ Mass flow controller ยังเปิดกว้างอยู่ ทำให้ Mass flow controller ตรวจจับได้ว่าอัตราการไหลของแก๊สที่ไหลผ่านเพิ่มขึ้นอย่างกระทันหัน (ความดันด้านขาเข้า P1 คงที่ในขณะที่ความดันด้านขาออก P2 ลดลง ดังนั้นถ้าวาล์วเปิดคงเดิม อัตราการไหลก็จะเพิ่มขึ้น) ดังนั้น Mass flow controller ก็สั่งปิดวาล์วลงอย่างรวดเร็ว (เห็นตัวเลขเปอร์เซนต์การเปิดลดต่ำลง) สิ่งที่เราเห็นก็คือตัวเลขบนหน้าจอของ Mass flow controller เต้นไปมา


การแก้ปัญหาดังกล่าวทำได้โดยการเอาวาล์วป้องกันการไหลออก หรือไม่ก็ย้ายไปติดตั้งทางด้านขาเข้าของวาล์วปรับอัตราการไหล/Mass flow controller

ไม่มีความคิดเห็น: