Restriction orifice MO Memoir : Sunday 21 December 2568

ค่าสัมประสิทธิ์การระบาย (Discharge coefficient หรือ Coefficient of discharge หรือย่อว่า C_d) เป็นค่าอัตราส่วนระหว่างปริมาตรการไหลจริงที่ของไหลไหลผ่านช่องเปิด ต่อปริมาตรการไหลทางทฤษฎี เพื่อให้เห็นภาพตรงนี้ลองดูรูปที่ ๑ ข้างล่าง ที่แสดงรูปร่างลำของเหลวที่พุ่งผ่านรูที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน แต่มีรูปร่างทางเข้า-ออกและความหนาของผนังที่แตกต่างกัน (หมายเหตุ : มีบางที่แปลคำนี้ว่าสัมประสิทธิ์การไหล แต่ในที่นี้ไม่อยากใช้คำดังกล่าวเพราะเกรงว่าจะไปซ้ำกับคำแปลของค่า Flow coefficient ซึ่งเป็นอีกพารามิเตอร์หนึ่ง)

รูปที่ ๑ ขนาดลำของไหลที่พุ่งผ่านรูที่มีขนาดช่องเปิดเท่ากัน แต่รูปร่างทางเข้า-ออกและความหนาของผนังแตกต่างกัน จะเห็นว่าลำของไหลที่ฉีดพุ่งออกมานั้นจะมีขนาดที่แตกต่างกัน

ในทางทฤษฎีนั้นอัตราการไหลของของไหลที่ไหลผ่านช่องเปิดนั้นจะแปรผันกับรากที่สองของผลต่างระหว่างความดันด้านขาเข้า (ด้านความดันสูง - P_in) และความดันด้านขาออก (ด้านความดันต่ำ - P_out) หรือ (P_in - P_out)^0.5 ตัวอย่างเช่นในกรณีของน้ำที่ไหลผ่านรูกลมที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 mm (ที่มีค่า C_d = 0.65) ออกสู่บรรยากาศ (P_out = 0 bar.g) และกำหนดให้ความกว้างของผิวน้ำด้านขาเข้ามีขนาดที่ใหญ่มากเมื่อเทียบกับขนาดของรูกลม (เช่นกรณีของน้ำรั่วไหลออกจากถังเก็บ แต่ถ้าเป็นการไหลในท่อ ความกว้างด้านขาเข้าก็คือขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อด้านขาเข้า) อัตราการไหลของน้ำที่ค่าความด้นด้านขาเข้าจาก 0.1-100 bar.g แสดงไว้ในรูปที่ ๒

เนื่องจากอัตราการไหลแปรผันตามรากที่สองของผลต่างระหว่างความดันด้านขาเข้าและความดันด้านขาออก ดังนั้นถ้าเราทราบความดันของของไหลทั้งด้านขาเข้าและด้านขาออก เราก็จะสามารถคำนวณหาอัตราการไหลของของไหลนั้นได้ ซึ่งนี่ก็เป็นหลักการวัดอัตราการไหลในท่อด้วยแผ่นออริฟิก (orifice plate)

แต่การใช้งานแผ่นออริฟิกนั้นไม่ได้จำกัดอยู่เพียงแค่การวัดอัตราการไหล มันยังมีประโยชน์ในการควบคุมอัตราการไหลไม่ให้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเวลาที่ความดันด้านขาเข้าเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว เวลาที่นำแผ่นออริฟิกมันมาใช้งานในรูปแบบนี้เราจะเรียกมันว่า restriction orifice (บางที่ในแบบจะเขียนย่อว่า RO)

รูปที่ ๒ อัตราการไหลของน้ำ (ลิตรต่อนาที) ผ่านรูกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 mm (ที่มีค่า C_d = 0.65) ออกสู่บรรยากาศ (P_out = 0 bar.g) ที่ค่าความดันด้านขาเข้าต่าง ๆ

รูปที่ ๓ แสดงตัวอย่างการประยุกต์ใช้งาน restriction orifice โดยรูปซ้ายเป็นการใช้งานกับ minimum flow line (หรือ kick back line) ของปั๊มหอยโข่ง คือในการทำงานของปั๊มหอยโข่งนั้นต้องมีของเหลวไหลผ่านปั๊มตลอดเวลาด้วยอัตราการไหลขั้นต่ำค่าหนึ่ง เพื่อระบายความร้อนออกจากตัวปั๊ม เพราะถ้าของเหลวไหลผ่านไม่มากพอ ความร้อนที่เกิดจากการหมุนของใบพัดจะทำให้ของเหลวในตัวปั๊มเดือดจนเกิดการระเบิดได้ ในกรณีที่มีโอกาสที่วาล์วด้านขาออกของปั๊มจะปิดสนิทในขณะทำงาน (เช่นท่อด้านขาออกมีวาล์วควบคุมการไหลอัตโนมัติ) ก็จะมีการเดินท่อ minimum flow line นี้เพื่อให้ของเหลวด้านขาออกส่วนหนึ่งไหลวนกลับไปทางด้านขาเข้า ท่อนี้อาจเป็นท่อขนาดเล็กที่ไม่มีวาล์วใด ๆ (ขนาดท่อจะเล็กว่าท่อหลัก) หรือเป็นท่อที่มีการติดตั้งวาล์วที่สามารถปรับอัตราการไหลได้ (เช่น globe valve) หรือไม่ก็ติดตั้ง restriction orifice การใช้ท่อขนาดเล็กที่ไม่มีวาล์วใด ๆ หรือไม่ก็ติดตั้ง restriction orifice มีข้อดีตรงที่ไม่ต้องกังวลว่าจะลืมเปิดวาล์ว แต่ก็มีสิ่งที่ต้องจ่ายคือการสูญเสียพลังงาน เพราะอัตราการไหลด้านขาออกของปั๊มจะเป็นผลรวมของ อัตราการไหลที่หน่วย downstream ต้องการ กับอัตราการไหลย้อนกลับ ซึ่งอัตราการไหลย้อนกลับคือการสูญเสีย

รูปที่ ๓ ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ restriction orifice รูปซ้ายเป็นการใช้ใน minimum flow line ของปั๊มหอยโข่ง รูปขวาเป็นการใช้เพื่อป้องกันไม่ให้ของไหลด้านความดันสูงไหลเข้าระบบความดันต่ำด้วยอัตราเร็วที่สูงเกินไป

 

อีกตัวอย่างของการใช้งาน restriction orifice เพื่อความปลอดภัยแสดงในรูปที่ ๓ ด้านขวา restriction orifice จะถูกติดตั้งด้าน down stream ของวาล์วลดความดัน ตัวอย่างของระบบนี้ได้แก่ separator ที่แยกของเหลวจุดเดือดต่ำออกจากจุดเดือดสูงด้วยการลดความดัน ในกรณีที่ของเหลวด้านความดันสูงนั้นไหลเข้ามาเร็วมากเกินไป ปริมาณไอที่เกิดขึ้นก็อาจมากเกินความสามารถที่วาล์วระบายความดันของ vessel ด้านความดันต่ำจะระบายออกได้ทัน

หมายเหตุ

รูปแบบระบบ piping รอบปั๊มหอยโข่งอ่านได้ในบทความเรื่อง
ฝึกงานภาคฤดูร้อน๒๕๕๓ ตอนที่ ๖ ระบบ pipingของปั๊มหอยโข่ง MOMemoir : Thursday 18 February 2553

 

การระเบิดของปั๊มหอยโข่งที่เกิดจากไม่มีของเหลวไหลผ่านปั๊มในขณะที่ปั๊มทำงานอยู่ อ่านได้ในบทความเรื่อง
ปั๊มระเบิดเพราะไม่ได้เปิดวาล์ว (๑) MO Memoir : Thursday 22 February 2567
ปั๊มระเบิดเพราะไม่ได้เปิดวาล์ว (๒) MO Memoir : Sunday 25 February 2567
ปั๊มระเบิดเพราะไม่ได้เปิดวาล์ว (๓) MO Memoir : Monday 26 February 2567

การระเบิดที่เกิดจากแก๊สด้านความดันสูงรั่วไหลเข้าสู่ด้านความดันต่ำรวดเร็วเกินไป อ่านได้ในบทความเรื่อง
เพลิงไหม้และการระเบิดที่ BP Oil (Grangemouth) Refinery 2530(1987) Case 2 การระเบิดที่หน่วยHydrocracker ตอนที่๑ MO Memoir :Sunday 4 November 2561 (บทความเรื่องนี้มีด้วยกัน ๕ ตอน)