Centrifugal pump กับ Equal percentage valve (ตอนที่ ๒) MO Memoir : Monday 1 August 2559

in·her·ent (adj.) existing as a natural or permentent future or quality of sb/sth. in·her·ently (adv.)

จาก Oxford advanced learner's dictionary of current english. โดย A.S. Hornby 4th ed. 6th Impression (1991)

วาล์วควบคุมนั้นใช้กับการไหลในท่อ ซึ่งอาจเป็นท่อส่งของเหลวหรือส่งแก๊ส ในกรณีที่เป็นท่อส่งของเหลวนั้น การเพิ่มแรงดันให้กับของเหลวเพื่อให้ของเหลวไหลไปตามท่อได้นั้นมักจะใช้ปั๊มเป็นหลัก และปั๊มที่ใช้กันมากที่สุดในโรงงานเห็นจะได้แก่ปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) และด้วยพฤติกรรมของปั๊มหอยโข่งที่มีความดันด้านขาออกลดลงเมื่ออัตราการไหลเพิ่มขึ้น (inherent behaviour) ทำให้ความดันด้านขาเข้าของวาล์วควบคุมการไหลเปลี่ยนแปลงไปตามอัตราการไหลด้วย และด้วยพฤติกรรมเช่นนี้จึงทำให้การใช้วาล์วควบคุมแบบ equal percentage นั้นมีความเหมาะสมมากกว่า เพราะมันจะให้กราฟความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหล (ช่วง 0 - 100% ของวาล์ว) และระดับการปิด-เปิด (% การยกตัวของ valve plug) ที่ใกล้เคียงเส้นตรงมากกว่าการใช้วาล์วควบคุมแบบ linear และคงจะด้วยเหตุผลเช่นนี้ จึงทำให้เห็นมีการใช้วาล์วควบคุมชนิด equal percentage เยอะแยะทั่วไปในโรงงาน

แต่อย่ารีบด่วนสรุปนะว่า "ถ้าต้องเลือกชนิดวาล์วควบคุมเมื่อใด ต้องเลือกชนิด equal percentage เอาไว้ก่อนเสมอ" เพราะตัวที่เป็นตัวกำหนดชนิดวาล์วที่เหมาะสมกับระบบคือพฤติกรรมการไหล (inherently flow behaviour) ไม่ใช่สูตรเคล็ดลับใด ๆ

เป็นเรื่องปรกติที่เราจะพบว่าขนาดวาล์วที่ได้จากการคำนวณเพื่อให้ได้อัตราการไหลสูงสุดตามต้องการนั้นมันไม่มีใครทำขาย การเลือกใช้จึงจำเป็นต้องเลือกวาล์วที่มีขนาดใหญ่ขึ้นไปอย่างน้อย ซึ่งก็เป็นแบบเดียวกับการคำนวณหาขนาดท่อที่เหมาะสมกับค่าอัตราการไหลที่ต้องการ ซึ่งเมื่อได้ค่ามาแล้วก็มักต้องปัดขึ้นไปใช้ท่อที่ใหญ่ขึ้นอย่างน้อยก็ 1 ขนาด
 

ใน Memoir ฉบับที่แล้ว (วันเสาร์ที่ ๓๐ กรกฎาคม ๒๕๕๙) ได้ยกตัวอย่างความสัมพันธ์ระหว่างความดันด้านขาออกของปั๊มและอัตราการไหลที่ได้ และจากการคำนวณก็พบว่าวาล์วที่ให้ค่าการไหลสูงสุดตามที่ต้องการเมื่อวาล์วเปิดเต็มที่นั้นต้องมีค่า K_v = 8.06 แต่เนื่องจากในทางปฏิบัตินั้นขนาดวาล์วที่คำนวณได้มักไม่ตรงกับขนาดที่มีขายทั่วไป และการควบคุมการไหลของวาล์วนั้นมักจะทำได้ไม่มีเมื่อวาล์วใกล้ปิดหรือเปิดเกือบเต็มที่ (ตัวอย่างหนึ่งที่เห็นได้ชัดคือแม้ว่า globe valve จะใช้ควบคุมการไหลได้ในช่วงกว้าง แต่ถ้าต้องการควบคุมอัตราการไหลที่ต่ำมาก จะหันไปใช้ needle valve แทน เพราะมันปรับละเอียดได้ดีกว่า) และยังมีประเด็นที่ว่าอัตราการไหลสูงสุดจริงที่ต้องการอาจมากกว่าค่าที่ใช้ในการออกแบบ ดังนั้นการใช้วาล์วที่มีขนาดที่ใหญ่กว่าขนาดที่ได้จากการคำนวณ จึงมักจะพบเห็นกันเป็นเรื่องปรกติ
 

ใน Memoir ฉบับนี้จะเป็นการขยายความต่อจากฉบับที่แล้ว โดยจะสมมุติว่าเลือกใช้วาล์วที่มีค่า K_v = 10.0 แล้วลองคำนวณว่าถ้าเป็นวาวล์ชนิด linear และชนิด equal percentage ที่มีค่า rangeability (τ) = 20 50 และ 100 ผลที่ได้จะเป็นอย่างไร ผลการคำนวณในกรณีของวาล์วชนิด linear แสดงไว้ในตารางที่ ๑ และรูปที่ ๑ และผลการคำนวณในกรณีของวาล์วชนิด equal percentage แสดงไว้ในตารางที่ ๒ และรูปที่ ๒

ตรงนี้ขอย้ำนิดนึงเวลาที่พูดถึงคำว่า "linearity" หรือ "ความเป็นเส้นตรง" ว่าให้ระวังนิดนึง ปรกติเวลาที่ใช้คำ ๆ นี้เรามักจะหมายถึงการที่ตัวแปรตาม y มีการเปลี่ยนแปลงที่แปรผันตรงกับตัวแปรอิสระ x หรือสามารถประมาณได้ว่ามีการแปรผันตรงกับตัวแปรตาม x (เช่นในกรณีของเส้นโค้งที่มีความโค้งน้อย) ถ้าว่ากันตามนิยามนี้เราก็จะเห็นว่าวาล์วแบบ linear นั้นมีกราฟความสัมพันธ์ระหว่าง % การยกตัวขึ้นของ valve plug กับอัตราการไหลที่ประมาณได้ว่าเป็นเส้นตรง แต่ก็เป็นในช่วงแคบ ๆ (เช่นในช่วง 0 - 30%, 50 - 80%) โดยแต่ละช่วงนั้นก็จะมีสมการเส้นตรงสำหรับประมาณค่าของมันเอง 
 

แต่ linearity ในกรณีของการควบคุมกระบวนการนั้นเราอยากจะได้ความสัมพันธ์ที่ประมาณได้ด้วยสมการเส้นตรงแบบ 1:1 มากกว่า และครอบคลุมในช่วงที่กว้างมากกว่า กล่าวคือถ้าวาล์วเปิด 30% ก็ให้อัตราการไหล 30% ของค่าสูงสุด ถ้าวาล์วเปิด 65% ก็ให้อัตราการไหลเป็น 65% ของค่าสูงสุด อะไรทำนองนี้ ซึ่งในกรณีนี้จะพบว่าวาล์วแบบ equal percentage (ที่มีค่า rangeability ที่เหมาะสมนั้น) จะให้ความเป็น linearity ในรูปแบบนี้ที่ดีกว่า

กรณีสุดท้ายที่จะทดลองคำนวณดูก็คือจะสมมุติว่าถ้าความดันด้านขาออกของปั๊มนั้นมีการเปลี่ยนแปลงค่อนข้างมากเมื่อเทียบกับอัตราการไหล (คือกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลกับความดันนั้นมีลักษณะโค้งคว่ำที่มากขึ้น) จะส่งผลต่อการทำงานของวาล์วชนิด equal percentage อย่างไร โดยจะสมมุติให้ความสัมพันธ์ระหว่างความดันด้านขาออกของปั๊มและอัตราการไหลเป็นไปดังค่าที่แสดงในตารางที่ ๓ ผลการคำนวณความสัมพันธ์ระหว่าง % การยกตัวของ valve plug และค่าอัตราการไหลก็แสดงไว้ในตารางที่ ๓ และรูปที่ ๓

ค่า rangeability เป็นค่าอัตราส่วนระหว่างอัตราการไหลที่มากที่สุดต่ออัตราการไหลที่ต่ำที่สุดที่วาล์วตัวนั้นควบคุมได้ ค่า rangeability ที่สูงแปลว่า "ตัวหาร (หรือค่าอัตราการไหลต่ำสุดที่วาล์วยังคงควบคุมได้)" มีค่าน้อย จากข้อมูลในตารางที่ ๒ และ ๓ จะเห็นว่าในช่วงอัตราการไหลต่ำนั้น (คือต่ำกว่า 2 m³/h) วาล์วที่มีค่า rangeability = 50 ให้การควบคุมการไหลที่ดีกว่าวาล์วที่มีค่า rangeability = 20 แต่ในช่วงที่อัตราการไหลที่สูงขึ้นไป วาล์วที่มีค่า rangeability = 20 จะให้การควบคุมการไหลที่ดีกว่าวาล์วที่มีค่า rangeability = 50

ในทางปฏิบัติในกรณีที่ต้องการควบคุมอัตราการไหลในช่วงกว้าง (เช่นในการปรับส่วนผสมของสารตั้งต้นที่ใช้ในการเข้าทำปฏิกิริยาเคมี) เราไม่จำเป็นต้องมีวาล์วควบคุมตัวเดียว เราอาจมีวาล์วควบคุมมากกว่า ๑ ตัวได้ โดยวาล์วตัวหนึ่งเป็นวาล์วควบคุมในกรณีที่ต้องการใช้อัตราการไหลที่สูง ส่วนอีกตัวหนึ่งเป็นวาล์วควบคุมในกรณีที่ต้องการใช้อัตราการไหลที่ต่ำ ซึ่งจะช่วยแก้ปัญหากรณีของวาล์วที่ควบคุมการไหลในช่วงอัตราการไหลที่สูงได้ดี แต่ควบคุมอัตราการไหลต่ำได้ไม่ดี

หวังว่าที่เขียนเรื่องนี้มารวม ๓ ตอน ๑๕ หน้า A4 นี้คงจะช่วยปูพื้นฐานบางเรื่องเกี่ยวกับวาล์วควบคุม (control valve) ให้ใครต่อใครได้บ้าง ไม่มากก็น้อย