ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit (๓) MO Memoir : Monday 7 August 2560

เนิ้อหาใน Memoir ฉบับนี้ต่อเนื่องมาจากเรื่อง "ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit (๒)" ที่เผยแพร่ไปเมื่อวันพุธที่ ๒ สิงหาคม ๒๕๖๐
 

ถ้าเราลองกลับไปดูรูปที่ ๑๕ ในตอนที่ ๒ ของบทความชุดนี้ จะเห็นว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อที่ใช้ในการทดลองวัดค่า flammability limit นั้นส่งผลต่อความกว้างของช่วงค่าที่วัดได้ โดยท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่นั้นจะให้ช่วง flammability limit ที่กว้างกว่าโดยมีค่า lower limit ที่ต่ำกว่าและค่า upper limit ที่สูงกว่า เมื่อเทียบกับค่าที่วัดได้จากท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่า (ในที่นี้ท่อมีความยาวมากเมื่อเทียบกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง)
 

ตรงนี้ต้องขอให้รายละเอียดเพิ่มเติมนิดนึงว่าข้อมูลในรูปที่ ๑๕ นั้นมาจากบทความปีค.ศ. ๑๙๒๕ ที่ได้มีการทบทวนผลงานเผยแพร่ย้อนหลังไปถึงประมาณ ๕๐ ปีก่อนหน้านั้นหรือราวปีค.ศ. ๑๘๗๖ ซึ่งยังเป็นยุคที่ต่างคนต่างศึกษาด้วยอุปกรณ์ที่ต่างคนต่างออกแบบ เพื่อศึกษาปัจจัยต่าง ๆ ว่าส่งผลต่อการวัดอย่างไรบ้าง ก่อนที่จะเกิดมาตรฐานกลางเป็นตัวกำหนดว่าควรจะทำการวัดอย่างไร
 

รูปที่ ๑๖ การจุดระเบิดแก๊สผสมในท่อโดยในเปลวไฟวิ่งจากล่างขึ้นบน เมื่อเริ่มจุดระเบิด เปลวไฟจะขยายตัวออกจากแหล่งจุดระเบิด ทางด้านข้างของเปลวไฟจะไปสิ้นสุดที่ผนังท่อ ส่วนทางด้านบนนั้นจะเคลื่อนที่ขึ้นบนไปเรื่อย ๆ แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ที่อยู่ด้านหลังการเคลื่อนที่ของเปลวไฟจะสูญเสียความร้อนผ่านผนังท่อออกไป ในขณะที่ไอผสมที่ยังไม่จุดระเบิดที่อยู่ทางด้านบนนั้นจะถูกแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้นั้นผลักดันให้ขึ้นด้านบน ถ้าเป็นท่อปลายเปิดออกสู่บรรยากาศก็ถือได้ว่าความดันไอผสมนั้นไม่เปลี่ยนแปลง (คือเท่ากับความดันบรรยากาศ) แต่ถ้าเป็นท่อปลายปิด ไอผสมที่อยู่ทางด้านบนนั้นจะถูกอัดให้มีความดันเพิ่มขึ้น

เพื่อให้เห็นภาพขอให้ลองดูรูปที่ ๑๖ ที่สมมุติว่าเราทำการจุดระเบิดไอผสมเชื้อเพลิงในท่อยาวที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางแตกต่างกัน โดยให้เปลวไฟวิ่งจากล่างขึ้นบน (สมมุติให้ท่อปลายปิดทางด้านล่าง และให้แหล่งจุดระเบิดนั้นตั้งอยู่ตรงกลางท่อที่ระดับพื้น) เมื่อเริ่มจุดระเบิดนั้นเปลวไฟจะขยายตัวออกจากแหล่งจุดระเบิดเป็นครึ่งทรงกลมแผ่ออกไปจากศูนย์กลางการจุดระเบิด เปลวไฟที่แผ่ออกไปทางด้านข้างจะไปกระทบเข้ากับผนังท่อก่อน และจะดับ อันเป็นผลจากการที่ไม่มีเชื้อเพลิงให้เผาไหม้ต่อไป และการสูญเสียความร้อนผ่านผนังท่อ
 

เรื่องเปลวไฟดับอันเป็นผลจากการสูญเสียความร้อนเนื่องจากเคลื่อนที่ไปกระทบวัตถุที่มีค่าการนำความร้อนสูงมีทั้งการนำมาใช้ประโยชน์และก่อปัญหา ตัวอย่างของการนำมาใช้ประโยชน์ได้แก่ flame arrester ที่เป็นอุปกรณ์ใช้ป้องกันไม่ให้เปลวไฟวิ่งย้อนเข้ามาในระบบ (เช่นในระบบท่อ หรือจากภายนอกผ่านช่อง vent เข้าสู่ภายในถังบรรจุเฃื้อเพลิง) ตัว flame arrester เองก็เป็นเพียงแค่โครงสร้างโลหะสามมิติมีรูพรุนที่มีขนาดไม่เล็กเกินไป (เพื่อไม่ให้อุดตันง่ายและกีดขวางการไหล) และไม่ใหญ่เกินไป (เพื่อไม่ให้พื้นที่ผิวสัมผัสกับเปลวไฟที่เคลื่อนที่ผ่านนั้นน้อยเกินไป) เมื่อเปลวไฟวิ่งผ่านตัว flame arrester จากทางด้านหนึ่งนั้น เปลวไฟจะสูญเสียความร้อนให้กับชิ้นส่วนโลหะนี้ ทำให้เปลวไฟดับ
 

ตัวอย่างของส่วนที่ก่อให้เกิดปัญหาเห็นจะได้แก่กรณีของเครื่องยนต์เบนซินที่จุดระเบิดด้วยหัวเทียน การทำงานของเครื่องยนต์เบนซินนั้นจะผสมไอเชื้อเพลิงกับอากาศเข้าเป็นเนื้อเดียวกันก่อน จากนั้นจึงจุดระเบิดด้วยหัวเทียน เปลวไฟจากการเผาไหม้จะเคลื่อนที่ออกมาจากตำแหน่งเขี้ยวหัวเทียน พอมาถึงผนังลูกสูบที่ทำจากเหล็กและมีน้ำหล่อเย็นอยู่ด้านนอก เปลวไฟก็จะดับ ส่งผลให้ไอผสมระหว่างน้ำมันกับอากาศที่อยู่ตรงบริเวณใกล้ผนังกระบอกสูบไม่ถูกเผาไหม้หรือเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ ดังนั้นในกรณีของเครื่องยนต์เบนซิน แม้ว่าจะมีการผสมอากาศกับน้ำมันเข้าเป็นเนื้อเดียวกันอย่างดี และใช้อากาศในปริมาณที่มากเกินพอ ก็ยังคงมีน้ำมันที่ยังไม่เผาไหม้หลุดมากับไอเสีย

รูปที่ ๑๗ ส่วนหนึ่งของข้อความจากบทความของ Coward และ Jones ในส่วนผลของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ vessel ที่ใช้ในการทดลอง (vessel ในที่นี้ไม่จำเป็นต้องเป็นท่อ อาจเป็นภาชนะทรงใด ๆ เช่นทรงกลมที่มีการจุดระเบิดที่ตำแหน่งกึ่งกลางก็ได้)

ในกรณีของตัวอย่างในรูปที่ ๑๖ นั้น ท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กจะมีอัตราส่วน พื้นที่ผิวต่อปริมาตร สูงกว่าท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่กว่า การระบายความร้อนออกจากท่อขนาดเล็กจึงสูงกว่าด้วย จึงทำให้เปลวไฟดับได้ง่ายกว่า ตัวอย่างเช่นข้อมูลของเอทิลีนในรูปที่ ๑๕ เมื่อทำการจุดระเบิดให้เปลวไฟวิ่งจากล่างขึ้นบน เมื่อใช้ท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 7.5 cm จะได้ค่า flammability limit อยู่ในช่วง 3.02-34.0 vol% (หรือมากกว่า) แต่พอใช้ท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.5 cm ค่า flammability limit จะแคบลงเหลือระหว่าง 3.15-27.6 vol% บทความของ Coward และ Jones กล่าวไว้ว่าผลของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อต่อค่า flammability limit จะเห็นได้ชัดสำหรับท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 5 cm ลงมา สำหรับท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่านี้จะให้ความแตกต่างที่ลดลงมา
 

ในขณะเดียวกันแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ก็จะขยายตัวดันให้เปลวไฟวิ่งขึ้นด้านบน ถ้าหากการเผาไหม้นี้เกิดขึ้นในระบบปิด ความดันในระบบก็จะเพิ่มขึ้น แต่ถ้าเผาไหม้ในระบบที่เปิดออกสู่บรรยากาศ เราพอจะประมาณได้ว่าความดันของแก๊สส่วนที่อยู่เหนือเปลวไฟนี้ยังคงประมาณได้ว่าเท่ากับความดันบรรยากาศอยู่ ด้วยเหตุนี้ในกรณีของท่อปลายเปิดนั้น ความยาวของท่อจึงไม่ควรส่งผลต่อค่า flammability limit ที่วัดได้ แต่ถ้าเป็นกรณีของท่อปลายปิดนั้นความยาวของท่อจะส่งผล เมื่อเทียบกับเปลวไฟที่เคลื่อนที่ได้ระยะทางเท่ากันในท่อสั้นกับท่อยาว ท่อสั้นกว่าจะมีอัตราการเพิ่มความดันที่สูงกว่า เพราะปริมาตรที่ว่างสำหรับให้แก๊สที่ยังไม่เผาไหม้อัดตัวนั้นต่ำกว่า

รูปที่ ๑๘ ส่วนหนึ่งของข้อความจากบทความของ Coward และ Jones ในส่วนผลของขนาดความยาวของ vessel

อุตสาหกรรมพวกแรกที่ประสบกับปัญหาการระเบิดของแก๊สผสมเชื้อเพลิง + อากาศ เห็นจะได้แก่การทำเหมืองถ่านหิน และการนำ coal gas (แก๊สที่ได้จากการเผาถ่านหินในอากาศที่จำกัด เพื่อเปลี่ยนถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงแก๊สส่งไปตามท่อได้) ไปใช้งาน ดังนั้นจึงไม่น่าจะแปลกที่การระเบิดของมีเทน (CH₄) จะได้รับการศึกษามากในช่วงแรก และจากการที่การทำงานในเหมืองนั้นเป็นการทำงานในบรรยากาศปรกติ การศึกษาการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยของสภาพอากาศ เช่น ความดัน (ที่เปลี่ยนแปลงตามสภาพบรรยากาศ เช่นความดันจะลดต่ำลงเมื่อมีพายุฝนเข้า) ความชื้นในอากาศ เป็นต้น
 

ประเด็นหนึ่งที่บทความของ Coward และ Jones ได้กล่าวถึงคือผลของความชื้นที่มีต่อ flammability limit โดยในช่วงแรกของการศึกษานั้นมักจะกระทำกับแก๊สที่แห้ง โดยมีข้อสมมุติ (หรือความเชื่อ) ว่าความชื้นในอากาศไม่ส่งผลต่อค่า flammability limit แต่ผลการศึกษากลับพบว่าในหลายกรณีนั้นมีผล เช่นในกรณีของมีเทนนั้นความชื้นแทบจะไม่ส่งผลต่อค่า lower limit ในขณะที่ไปทำให้ค่า upper limit ลดต่ำลง (คือช่วงความเข้มข้นที่ระเบิดได้นั้นแคบลง) แต่พอเป็นกรณีของคาร์บอนมอนอกไซด์กลับแตกต่างออกไป แก๊ส CO ที่แห้งนั้นมีค่า lower limit อยู่ที่ 15.9% แต่พอเป็นอากาศที่อิ่มตัวด้วยไอน้ำกลับพบว่าค่า lower limitลดต่ำลงเป็น 13.1% (รูปที่ ๑๙ ข้างล่าง) 
  

เวลาที่แก๊สรั่วไหลออกสู่บรรยากาศภายนอก ความเข้มของแก๊สในอากาศจะค่อย ๆ เพิ่มขึ้น ยิ่งแก๊สนั้นมีค่า lower limit ต่ำเท่าใดก็แสดงว่ามันมีโอกาสที่จะเกิดการระเบิดได้ง่ายขึ้นแม้ว่ามันจะรั่วออกมาในปริมาณที่ไม่มาก

รูปที่ ๑๙ ส่วนหนึ่งของข้อความจากบทความของ Coward และ Jones ในส่วนผลของความชื้นในอากาศ
 

การเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศอีกปัจจัยหนึ่งที่ในบทความมีการกล่าวถึงคือความเข้มข้นของออกซิเจนในอากาศ โดยได้ยกตัวอย่างกรณีของแก๊สมีเทน (ปัญหาสำคัญของการทำงานในเหมืองถ่านหินใต้ดิน) โดยกล่าวว่าค่า lower limit นั้นแทบจะไม่ได้รับผลกระทบอะไรจากความเข้มข้นออกซิเจนที่ลดลง ในขณะที่ค่า upper limit มีการลดลงมากกว่า (รูปที่ ๒๐)

รูปที่ ๒๐ ส่วนหนึ่งของข้อความจากบทความของ Coward และ Jones ในส่วนผลของความเข้มข้นออกซิเจนในอากาศที่เปลี่ยนแปลงไป (คือลดต่ำลง แต่ยังอยู่ในระดับที่คนยังหายใจได้ปลอดภัย)

ผลการเปลี่ยนแปลงความดันที่มีต่อช่วง flammability limit คงต้องแยกเป็นสองส่วน ส่วนแรกคือการเปลี่ยนแปลงความดันเนื่องจากสภาพอากาศ ที่ศูนย์กลางของหย่อมความกดอากาศต่ำกำลังแรง (หรือพายุ) นั้นความดันอากาศอาจลดต่ำกว่าปรกติได้ถึงประมาณ 0.1 bar และในทางกลับกันที่ศูนย์กลางของหย่อมความกดอากาศสูงก็อาจสูงกว่าปรกติได้ถึงประมาณ 0.1 bar เช่นกัน การเปลี่ยนแปลงตรงนี้พบว่าไม่ส่งผลต่อค่า flammability limit เท่าใดนัก

รูปที่ ๒๑ ส่วนหนึ่งของข้อความจากบทความของ Coward และ Jones ในส่วนผลของการเปลี่ยนแปลงความดัน

ความดันที่สูงขึ้นในกระบวนการผลิตส่งผลต่อช่วง flammability limit โดยเฉพาะค่า upper limit อย่างเห็นได้ชัด ซึ่งเรื่องนี้ได้ยกตัวอย่างไปแล้วในตอนที่ ๑ ของเรื่องนี้ (ดู "ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า flammability limit (๑)" ฉบับวันศุกร์ที่ ๒๘ กรกฎาคม ๒๕๖๐) แต่ก็มีข้อยกเวันเหมือนกันในบางกรณีที่ช่วง flammability limit นั้นแคบลง ในส่วนของความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศนั้น บทความของ Coward และ Jones กล่าวว่ามีผลของความแรงของ ignition source ที่ใช้ในการจุดระเบิดไอผสมเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย กล่าวคือถ้าหาก ignition source มีความแรงที่ไม่เพียงพอก็จะไม่สามารถจุดระเบิดไอผสมได้ ทำให้คิดว่าไอผสมดังกล่าวไม่ได้อยู่ในช่วง flammability limit แต่ถ้าเปลี่ยน ignition source ให้แรงขึ้นกลับพบว่าสามารถจุดระเบิดไอผสมดังกล่าวได้
 

ปัจจัยถัดมาที่บทความของ Coward และ Jones กล่าวถึงคือผลของอุณหภูมิ ซึ่งเรื่องนี้ก็ได้ยกตัวอย่างไปบ้างแล้วในตอนที่ ๑ ของบทความชุดนี้ แต่โดยภาพรวมก็คือช่วง flammability limit จะกว้างขึ้น (ค่า lower limit ลดลง แต่คงไม่ได้มีขนาดมากเท่ากับค่า upper limit ที่เพิ่มขึ้นได้มากกว่า)

รูปที่ ๒๒ ส่วนหนึ่งของข้อความจากบทความของ Coward และ Jones ในส่วนผลของอุณหภูมิ

ปิดท้ายของตอนที่ ๓ นี้ด้วยเรื่องของความปั่นป่วน (turbulence) ตรงนี้ขอให้ลองพิจารณาไอเชื้อเพลิงกับอากาศที่อยู่ในท่อ ที่อาจอยู่ในสภาพที่ (ก) อยู่นิ่ง ๆ ไม่มีการไหลเวียน หรือ (ข) มีการไหลอย่างช้า ๆ ในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง หรือ (ค) อยู่ในระบบปิด แต่มีการทำให้เกิดการไหลหมุนเวียนอยู่ภายใน (เช่นใช้ใบพัดทำให้เกิดการปั่นกวน) ในส่วนนี้บทความได้ยกตัวอย่างกรณีของแก๊สธรรมชาติ (หรือมีเทน) และอีเทนว่า ว่า ความปั่นป่วนในขนาดที่พอเหมาะสามารถทำให้ค่า lower limit ลดต่ำลงได้ (คือระเบิดได้ง่ายขึ้นที่ความเข้มข้นต่ำ)

รูปที่ ๒๓ ผลของความปั่นปวน (turbulance) ที่มีต่อค่า flammability limit

ตอนถัดไปที่เป็นตอนที่ ๔ จะกล่าวถึงผลของออกซิเจน