การผสมแก๊สอัตราการไหลต่ำเข้ากับแก๊สอัตราการไหลสูง (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๘๘) MO Memoir : Sunday 26 February 2560

การทำการทดลองที่สารตั้งต้นเป็นเฟสแก๊สและประกอบด้วยแก๊สหลายชนิดนั้น บางรายก็ใช้วิธีจ้างผู้จัดจำหน่ายแก๊สให้เตรียมแก๊สผสมที่มีค่าอัตราส่วนตามต้องการบรรจุมาในถังเดียว วิธีการนี้มีข้อดีตรงที่อุปกรณ์การทดลองจะเรียบง่าย เพราะอาจมีการใช้แก๊สเพียงถังเดียว แต่จะแพงตรงค่าแก๊สผสม และใช้ได้ดีกับกรณีที่แก๊สผสมนั้นมีเพียงไม่กี่องค์ประกอบ แต่จะไม่ค่อยเหมาะกับกรณีที่มีบางองค์ประกอบนั้นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง (คือมันเป็นแก๊สได้ แต่ต้องที่ความเข้มข้นต่ำกว่าความดันไออิ่มตัวที่อุณหภูมิห้องอยู่มากหน่อย)
 

วิธีที่เห็นใช้กันทั่วไปมากกว่าเห็นจะได้แก่การใช้แก๊สจากถังแก๊สหลายถังมาผสมกันในสัดส่วนที่กำหนด เพื่อให้ได้แก๊สผสมก่อนเข้าทำปฏิกิริยา ในการนี้ต้องมีการคำนวณว่าแก๊สแต่ละชนิดนั้นต้องมีอัตราการไหลเท่าใด (ต้องมีระบบควบคุมอัตราการไหลของแก๊สแต่ละชนิด) ที่เมื่อผสมกันแล้วจะได้แก๊สผสมในอัตราส่วนที่ต้องการ การผสมกันก็จะใช้ข้อต่อสามทางเป็นจุดผสมแก๊ส (แต่ก็มีจำนวนไม่น้อยเช่นกันที่ใช้ข้อต่อกากบาทเป็นจุดผสมแก๊ส ซึ่งผมเห็นว่าเป็นวิธีการที่ไม่เหมาะสมและควรหลีกเลี่ยง) ส่วนที่จะต่อแก๊สตัวไหนเข้าทางท่อเข้าทางด้านในของข้อต่อสามทางนั้นเคยเล่าไว้บ้างแล้วเมื่อเกือบ ๖ ปีที่แล้วใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๗๕ วันพุธที่ ๒๓ มีนาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๑๖ การใช้ข้อต่อสามทางผสมแก๊ส"
 

เรื่องที่จะเล่าในวันนี้อันที่จริงเจอมานานหลายปีแล้ว จะเรียกว่าเป็นตอนต่อจากเมื่อ ๖ ปีที่แล้วก็ได้ เป็นเหตุการณ์ที่มาพบอีกทีในช่วงสัปดาห์ที่แล้ว เรื่องมีอยู่ว่าต้องการผสมไฮโดรคาร์บอนตัวหนึ่งที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องเข้ากับแก๊สที่จะทำปฏิกิริยาด้วยการใช้ saturator และใช้ needle valve ปรับอัตราการไหลทางด้านขาออกของ saturator อัตราการไหลในเส้นที่ต่ำมาก เรียกว่าเปิด needle valve เพียงนิดเดียว แผนผังระบบนี้แสดงในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ ระบบท่อที่เกิดปัญหา ก่อนและหลังการปรับปรุง
 

เนื่องจากอัตราการไหลผ่าน saturator นั้นต่ำมาก การควบคุมความเข้มข้นในแก๊สผสมจึงใช้ผลการวัดจากเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ และด้วยการที่เกรงว่าจะเกิดการควบแน่นในระบบท่อด้านขาออกจาก saturator (ไฮโดรคาร์บอนที่ผสมเข้าไปมีจุดเดือดสูงกว่า 100ºC เล็กน้อย) จึงมีการพัน heating tape ให้ความร้อนจากช่วง needle valve ไปจนถึงตำแหน่งบรรจบเส้นท่อหลัก เนื่องจากเส้นท่อเส้นนี้เป็นช่วงที่มีความเข้มข้นไฮโดรคาร์บอนสูง
 

อันที่จริงของเหลวที่มีจุดเดือดสูงกว่าอุณหภูมิห้อง สามารถคงสภาพเป็นไออยู่ในเฟสแก๊สได้ตราบเท่าที่ความดันไอของมันนั้นต่ำกว่าความดันไออิ่มตัว ณ อุณหภูมิห้อง (ทำนองเดียวกับอากาศรอบตัวเราที่มีความชื้นอยู่) ในกรณีของการใช้ saturator ผสมไอระเหยของเหลวนั้น อาจเกิดปัญหาการควบแน่นของไอของเหลวได้ในช่วงเส้นท่อจากด้านขาออกถ้าหากอุณหภูมิที่ใช้ในการระเหยของเหลวนั้นสูงกว่าอุณหภูมิห้องอยู่มาก และเส้นท่อดังกล่าวมีความยาวค่อนข้างมาก
 

สิ่งที่พบคือในช่วงแรกนั้นวัดความเข้มข้นไฮโดรคาร์บอนได้สูง แต่เมื่อเวลาผ่านไปพบว่าความเข้มข้นลดต่ำลงเรื่อย ๆ แม้ว่าจะไม่ได้ไปยุ่งอะไรกับตัว needle valve ก็ตาม และความดันแก๊สที่ใช้เป็น carrier gas ไหลผ่านตัว saturator ก็สูงกว่าด้าน downstream ของ needle valve อยู่มาก การแก้ปัญหาในช่วงแรกได้แนะนำให้ทำการ "ปิด" heating tape ก่อน ซึ่งก็พบว่าทำให้ความเข้มข้นไฮโดรคาร์บอนในแก๊สผสมนั้นเพิ่มสูงขึ้น
 

สาเหตุที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่กล่าวมาในย่อหน้าข้างบนเป็นเพราะเมื่อแก๊สร้อนขึ้นจะมีความหนืดมากขึ้น การไหลผ่านรูเล็ก ๆ (ในที่นี้คือรูเปิดให้แก๊สไหลผ่านของตัว needle valve) จะยากขึ้น ประกอบกับเมื่ออุณหภูมิทางด้าน down stream ของตัววาล์ว (อาจจะเป็นอุณหภูมิของตัวท่อเองหรือที่ reactor ที่เป็นชนิด fixed-bed) เพิ่มสูงขึ้น จึงทำให้ความดันย้อนกลับเพิ่มสูงขึ้น แก๊สจาก saturator จึงไหลผ่านตัว needle valve ได้น้อยลง
 

แต่ก็พบว่าการแก้ปัญหาด้วยการปิด heating tape แก้ปัญหาได้เพียงระดับหนึ่ง โดยไปเกิดอีกปัญหาแทนคือพบว่าความเข้มข้นของไฮโดรคาร์บอนในแก๊สก่อนเข้า reactor นั้นมีการกระโดดขึ้นลง (ต่างจากก่อนหน้านี้ที่ลดลงเพียงอย่างเดียว) จึงทำการตรวจสอบการต่ออุปกรณ์และได้แนะนำให้ทำการแก้ไขใหม่ คือให้สลับตำแหน่ง block valve กับ needle valve ด้านขาออกของ saturator และให้วางตัว needle valve ให้อยู่กับกับตำแหน่งบรรจบกับท่อแก๊สเส้นหลัก (ที่ไหลไปยัง reactor) ให้มากที่สุด
 

รูปที่ ๒ ระบบท่อหลังการปรับปรุงและแก้ไขเรียบร้อยแล้ว 
  

หลังจากทำการสลับตำแหน่งวาล์วแล้วพบว่า block valve ตัวเดิมที่ใช้นั้นมีการรั่วไหลที่ตัววาล์ว (คงเป็นเพราะผ่านการใช้งานบ่อยครั้งเป็นเวลานาน) ที่ตรวจพบก็เพราะพอวางตัว block valve ไว้ทางด้าน upstream ของ needle valve ความดันแก๊สที่ไหลผ่านตัว block valve จะสูงกว่าตอนที่วางวาล์วไว้ทางด้าน down stream ของตัว needle valve จึงทำให้ได้ยินเสียงเหมือนมีแก๊สรั่ว (ที่ตัววาล์ว ไม่ใช่ที่รอยต่อระหว่างท่อกับวาล์ว - ดูรูปที่ ๓ ข้างล่าง) จึงได้ทำการเปลี่ยน block valve ตัวดังกล่าวด้วย และเมื่อปรับปรุงแก้ไขครั้งนี้แล้วก็พบว่าปัญหาความเข้มข้นไฮโดรคาร์บอนไม่คงที่นั้นหมดไป ระบบสามารถทำงานได้นิ่งตั้งแต่อุณหภูมิห้องไปจนถึงอุณหภูมิสูงสุดที่ใช้ทำการทดลองคือ 450ºC การที่ตรอนแรกตรวจไม่พบการรั่วที่ block valveเป็นเพราะความดันในระบบท่อนั้นต่ำ และไม่ได้คาดคิดว่าจะมีการรั่วที่ตัววาล์ว (ปรกติจะตรวจการรั่วเฉพาะตรงข้อต่อท่อ) แต่พอย้าย block valve มาอยู่ทางด้านต้นทาง needle valve ที่เป็นด้านความดันสูง ทำให้ได้ยินเสียงแก๊สที่รั่วไหลออกมาจากตัว block valve
 

เหตุผลที่ต้องทำให้ท่อช่วงด้านขาออกของ needle valve ไปจนถึงจุดบรรจบนั้นมีปริมาตรน้อยที่สุด (หรือมี dead volume ต่ำสุด) ก็เพื่อให้แก๊สที่ไหลผ่าน needle valve นั้นไหลเข้าบรรจบกับสายแก๊สหลักได้เร็ว (ตรงนี้ต้องไม่ลืมว่าที่อัตราการไหลต่ำมาก ระยะท่อเพียงไม่กี่สิบเซนติเมตร แก๊สอาจต้องใช้เวลาเดินทางหลายนาที (หรือหลายสิบนาที) กว่าจะไปถึงจุดบรรจบเส้นทางอัตราการไหลสูง) ไม่เกิดการสะสมในระบบท่อช่วงดังกล่าวที่ทำให้เกิดเป็นปัญหาแก๊สไหลออกมาไม่นิ่ง (คือเห็นความเข้มข้นขาออกสูงบ้างต่ำบ้างแกว่งไปมา) 
  

ปัญหานี้จะเพิ่มมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิที่ fixed-bed เพิ่มสูงขึ้น ทำให้เกิด back pressure ต้านทานการไหลเพิ่มมากขึ้น ความดันในท่อด้านขาเข้า fixed-bed จะเพิ่มตามไปด้วย ส่งผลให้ความเร็วเชิงเส้นของแก๊สที่ไหลผ่าน needle valve นั้นลดต่ำลง ในบางกรณีนั้นอาจถึงขั้นตรวจไม่พบแก๊สผสมในแก๊สก่อนเข้า fixed-bed ด้วยเหตุนี้ก่อนที่จะทำการทดลองจริงนั้น จึงควรที่จะทดสอบระบบด้วยการบรรจุวัสดุที่เฉื่อย (inert material) ที่ไม่ทำปฏิกิริยาใด ๆ กับองค์ประกอบในแก๊ส ให้ทำหน้าที่เป็น fixed-bed จากนั้นก็เพิ่มอุณหภูมิระบบให้สูงขึ้น แล้วดูว่าแก๊สที่ไหลออกมานั้นมีองค์ประกอบคงที่โดยไม่ขึ้นกับอุณหภูมิของ fixed-bed หรือไม่
 

รูปที่ ๓ วาล์วตัวนี้พบการรั่วไหลตรงบริเวณลูกศรชี้ จะได้ยินเสียงการรั่วไหลถ้าความดันของระบบสูงพอ
 

ปัญหานี้จะรุนแรงมากขึ้นเมื่อใช้ mass flow controller ร่วมกับวาล์วกันการไหลย้อนกลับถ้าหากติดตั้งวาล์วกันการไหลย้อนกลับไว้ระหว่าง mass flow controller กับจุดบรรจบท่อแก๊สอัตราการไหลสูง เนื่องด้วยแก๊สที่ไหลด้วยอัตราการไหลที่ต่ำมากผ่าน mass flow controller นั้นจะไหลออกมาด้วยความดันที่ต่ำจนไม่สามารถดันให้วาล์วกันการไหลย้อนกลับเปิดได้ (ความดันที่จะดันให้วาล์วกันการไหลย้อนกลับเปิดได้ต้องสูงกว่าความดันด้านขาออกรวมกับแรงที่ต้องทำให้วาล์วยกตัว ที่เป็นผลรวมของน้ำหนักของลูกลอยกับแรงสปริงที่กดให้ลูกลอยปิด) ทั้งนี้เนื่องจากแก๊สเป็นของไหลที่อัดตัวได้ ดังนั้นแม้ว่าด้านปลายทางนั้นจะไหลออกไม่ได้ แต่ถ้าความดันต้นทาง (ด้านขาเข้าวาล์ว) ยังสูงกว่าด้านปลายทาง (จากด้านขาออกของ mass flow controller ไปจนถึงวาล์วกันการไหลย้อนกลับ) แก๊สก็จะยังไหลผ่าน mass flow controller ไปสะสมอยู่ในเส้นท่อช่วงดังกล่าวได้ และเมื่อแก๊สในเส้นท่อช่วงดังกล่าวสะสมจนมีความดันสูงมากพอ ก็จะดันให้วาล์วกันการไหลย้อนกลับเปิดออก แก๊สที่สะสมอยู่ก็จะไหลทะลักออกไปและทำให้ความดันในท่อช่วงดังกล่าวลดต่ำลง วาล์วกันการไหลน้อยกลับก็จะปิดตัวใหม่ วิธีการแก้ปัญหาทำได้ด้วยการสลับตำแหน่งวาล์วกันการไหลย้อนกลับกับ mass flow controller ดังรูปที่ ๔

รูปที่ ๔ การติดตั้งวาล์วกันการไหลย้อนกลับไว้ด้านขาออกของ mass flow controller นั้นที่มีอัตราการไหลต่ำมาก อาจส่งผลต่อการไหลของแก๊สและการทำงานของ mass flow controller ได้
 

พฤติกรรมตามย่อหน้าข้างบนนั้นบางครั้งจะไม่เห็นที่อุณหภูมิ fixed-bed ต่ำ แต่ไปพบเห็นที่อุณหภูมิ fixed-bed สูง สิ่งที่เห็นก็คือตอนทำการทดลองที่อุณหภูมิต่ำ ตัวเลขอัตราการไหลหน้าจอ mass flow controller ก็นิ่งดี แต่พอทำการทดลองที่อุณหภูมิสูงขึ้น ตัวเลขหน้าจอ mass flow controller มีการกระโดดเต้นไปมา ทั้งนี้เป็นเพราะเมื่อวาล์วกันการไหลย้อนกลับปิดอยู่นั้น mass flow controller จะค่อย ๆ เปิดกว้างขึ้นเพื่อชดเชยความดันด้านขาออกที่เพิ่มขึ้นเพื่อรักษาอัตราการไหลผ่านให้คงที่ แต่พอวาล์วกันการไหลย้อนกลับเปิดออก ความดันต้านทางการไหลด้านขาออกลดลงกระทันให้ ทำให้ mass flow controller เห็นแก๊สไหลทะลักผ่านออกไปในปริมาณมาก ก็จะสั่งปิดตัวเองอย่างรวดเร็ว แต่พอวาล์วกันการไหลย้อนกลับปิดตัวลง mass flow controller ก็จะเห็นอัตราการไหลผ่านลดลงกระทันหัน ก็จะสั่งเปิดตัวเองใหม่ และในบางกรณีนี้ช่วงเวลาที่วาล์วกันการไหลย้อนกลับปิดตัวเองนั้นอาจจะนานมาก มากจนส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของผลการทดลองได้

ปัญหานี้แก้ด้วยการเอาพัดลมไปเป่า mass flow controller ไม่ได้หรอกครับ ต้องแก้ไขที่ระบบท่อ

Gate valve, Ball valve และ Needle valve MO Memoir : Thursday 19 September 2556

เมื่อกลางสัปดาห์ที่แล้ว ระหว่างการสนทนาเรื่องวาล์วและการใช้งาน ก็มีผู้ถามถึงความแตกต่างระหว่าง gate valve กับ ball valve ในแง่ของการเลือกใช้งานว่ามีปัจจัยอะไรที่ต้องพิจารณาบ้าง ก็จะขอเริ่มไปทีละประเด็นที่นึกออกก็แล้วกัน

(ก) ขนาด

สำหรับท่อขนาดเท่ากัน ball valve จะมีขนาดใหญ่กว่า gate valve เพราะลูกบอลที่ใช้เป็นตัวหมุนปิดกั้นการไหลนั้นต้องมีขนาดใหญ่กว่าตัวท่อ จะได้เจาะรูทะลุผ่านลูกบอลให้รูนั้นมีขนาดเท่ากับรูท่อได้ ถ้าใช้ลูกบอลที่มีขนาดเล็กลงเพื่อลดน้ำหนัก ก็จะทำให้พื้นที่หน้าตัดการไหลเวลาที่ไหลผ่าน ball valve นั้นเล็กว่าพื้นที่หน้าตัดเมื่อไหลผ่านท่อ ความดันลด (pressure drop) ในระบบก็จะสูงขึ้น

 

ตัวด้ามจับสำหรับหมุนปิด-เปิด ball valve ก็มีขนาดยาวขึ้นมากสำหรับวาล์วขนาดใหญ่ ถ้าลองพิจารณาข้อมูลในรูปที่ ๒ (ที่เอามาจากแคตตาล็อคของ Kitz) ตรงวาล์วขนาด 8 นิ้วจะเห็นว่า gate valve นั้นจะแคบกว่า ball valve ตัวล้อสำหรับหมุนปิด-เปิด gate valve มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง (D) เพียง 350 mm เท่านั้นเอง แต่ในส่วนของ ball valve นั้นความยาวด้ามจับ (D) ที่ใช้สำหรับหมุนปิด-เปิดวาล์วจะยาวถึง 1500 mm (หรือเมตรครึ่ง) ทำให้บริเวณรอบข้างวาล์วต้องมีที่ค่อนข้างมากเพื่อใช้สำหรับหมุนปิด-เปิดวาล์ว

รูปที่ ๑ ตัวซ้ายคือ ball valve สำหรับท่อขนาด 1/4 นิ้ว ส่วนตัวขวาคือ gate valve สำหรับท่อขนาด 1/2 นิ้ว จะเห็นว่า ball valve มีขนาดใกล้เคียงกับ gate valve ทั้ง ๆ ที่ตัว ball valve นั้นใช้กับท่อที่มีขนาดเล็กกว่า

รูปที่ ๒ รูปนี้เอามาจากแคตตาล็อคของวาล์วยี่ห้อ Kitz รูปบนเป็นตารางมิติของ gate valve ส่วนรูปร่างเป็นตารางมิติของ ball valve จะเห็นว่าสำหรับท่อขนาด 8 นิ้วเท่ากันนั้น ball valve จะใช้พื้นที่ในการติดตั้งมากกว่า (ค่า L ของ ball valve คือ 457 mm ในขณะที่ของ gate valve (L1) คือ 292 mm เท่านั้น นอกจากนี้สำหรับ ball valve ยังต้องกันที่บริเวณรอบข้างไว้สำหรับด้ามจับสำหรับหมุนปิด-เปิดวาล์วที่ยาว (D) ถึง 1500 mm อีก

 

(ข) อุณหภูมิการใช้งาน

ตัว ball valve นั้นจะมี ball seat เป็นตัวปิดผนึกไม่ให้ของไหลรั่วไหลผ่านระหว่าง body ของตัววาล์วและผิวด้านนอกของลูกบอลที่ใช้เป็นตัวปิดกั้นการไหล ball seat นี้จะสัมผัสกับผิวของลูกบอลที่เป็นตัวปิดกั้นการไหล วัสดุที่ใช้ทำ ball seat นี้ควรจะมีความแข็งน้อยกว่าผิวลูกบอลและมีความลื่น (ความแข็งที่น้อยกว่าก็เพื่อการเติมเต็มพื้นผิวที่ไม่เรียบเพื่อปิดกั้นการไหล ส่วนความลื่นก็เพื่อจะได้หมุนลูกบอลได้ง่าย)  โดยทั่วไปจะใช้วัสดุพวกพอลิเมอร์ในการทำ ball seat (ดูตัวอย่างในรูปที่ ๓ ข้างล่าง) ซึ่งวัสดุพวกนี้มีข้อจำกัดทางด้านอุณหภูมิการใช้งาน ถ้าต้องการนำ ball valve ไปใช้ที่อุณหภูมิสูงก็อาจต้องหาวาล์วที่ ball seat ทำจากโลหะหรือแกรไฟต์

 

ตัว gate valve เองนั้นไม่จำเป็นต้องมีการใช้วัสดุดังกล่าวในการทำให้ตัว wedge (หรือ disc) ที่ใช้ในการปิดกั้นการไหลนั้นปิดกั้นการไหลได้สนิท จึงทำให้สามารถใช้งาน gate valve ที่อุณหภูมิที่สูงจนไม่สามารถใช้งาน ball valve ได้

รูปที่ ๓ วัสดุสีขาว ๆ ในตัว body วาล์วทางด้านซ้ายคือวัสดุพอลิเมอร์ที่ป้องกันไม่ให้เกิดการรั่วไหลระหว่าง body ของตัววาล์วกับผิวด้านนอกของลูกบอล

(ค) สาร/ความดันคงค้างในตัววาล์ว

ในกรณีของ ball valve นั้นเมื่อทำการปิดวาล์ว ในส่วนของรูที่เจาะทะลุผ่านลูกบอลนั้นจะมีสารที่ไหลผ่านวาล์วคงค้างอยู่ ความดันของสารในรูดังกล่าวจะเท่ากับความดันของสารที่ไหลเข้าวาล์ว ดังนั้นในการถอดแยกชิ้นส่วน ball valve (เช่นเมื่อทำการซ่อมบำรุง) ต้องคำนึงถึงการมีสารตกค้างอยู่ในรูดังกล่าวด้วย และถ้าเป็น ball valve ที่ใช้กับระบบแก๊สความดันสูงก็ยิ่งต้องระวังความดันแก๊สที่ตกค้างอยู่

 

ปัญหาเรื่องความดันแก๊สตกค้างอยู่ในรูของตัวลูกบอลนั้นแก้ได้ด้วยการเลือกใช้ลูกบอลที่มีการเจาะรูระบายแก๊สเมื่อทำการปิดวาล์ว แต่ถ้าเป็นของเหลวก็จะยังคงมีของเหลวเหลือตกค้างอยู่ดี

เรื่องนี้เคยกล่าวไว้ครั้งหนึ่งแล้วใน memoir ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๓๒ วันจันทร์ที่ ๒๗ เมษายน ๒๕๕๒ เรื่อง "วาล์วและการเลือกใช้ (ตอนที่ 1)"

(ง) ของแข็งที่แขวนลอยอยู่ในของเหลว

เนื่องจากตัว wedge หรือ disc ที่ใช้เป็นตัวปิดกั้นการไหลของ gate valve ต้องมีขนาดใหญ่กว่าพื้นที่หน้าตัดการไหลของท่อ ดังนั้นเวลาที่วาล์วเปิด บริเวณที่เป็นตำแหน่งของ wedge จะมีลักษณะเป็นร่อง ถ้านำไปใช้กับของเหลวที่มีของแข็งแขวนลอยอยู่ ของแข็งที่ไหลเข้าวาล์วมาพร้อมของเหลวมีโอกาสที่จะตกค้างอยู่ในร่องดังกล่าวได้ ทำให้เวลาปิดวาล์วนั้นอาจทำให้ไม่สามารถเลื่อนตัว wedge ลงได้สนิทได้ วาล์วจึงมีโอกาสที่จะปิดไม่สนิท

 

ส่วนของ ball valve นั้นจะมีพื้นผิวการไหลที่ราบเรียบต่อเนื่องกว่า ทำให้ไม่เกิดปัญหาดังกล่าว

(จ) การเกิด hydraulic ram (หรือตะบันน้ำ)

ของไหลที่กำลังไหลอยู่นั้นมีพลังงานในรูปของพลังงานจลน์ (ที่เกิดจากการเคลื่อนที่) และพลังงานศักย์ (ในรูปของความดัน) ถ้าหากเส้นทางการไหลของของไหลนั้นถูกปิดกั้นอย่างรวดเร็ว พลังงานจลน์ของการไหลจะถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานศักย์อย่างกระทันหัน (จากกฎการอนุรักษ์พลังงาน) ทำให้ความดันในระบบท่อเพิ่มสูงขึ้นมากในเวลาสั้น ปรากฎการณ์นี้เรียกว่า hydraluic ram

 

ปรากฎการณ์ hydraulic ram นี้มีการนำมาใช้งานกันในการส่งน้ำขึ้นที่สูงด้วยการใช้การไหลของน้ำจากที่สูงลงที่ต่ำ ในประเทศไทยเรียกว่า "ตะบันน้ำ"

 

ถ้าหากความดันที่เกิดจาก hydraulic ram นี้ไม่รุนแรง จะไม่ก่อให้เกิดปัญหากับระบบท่อ แต่ถ้ารุนแรงมากจนระบบท่อรับความดันดังกล่าวไม่ได้ ระบบท่อก็จะเกิดความเสียหายได้ ระบบท่อที่ติดตั้ง ball valve ในการปิด-เปิดจึงต้องคำนึงถึงปัญหานี้ด้วย โดยเฉพาะตอนปิดวาล์ว เพราะ ball valve นั้นสามารถทำการปิดได้อย่างรวดเร็ว จึงมีโอกาสที่จะเกิด hydraulic ram ได้ ในขณะนี้ gate valve นั้นไม่สามารถปิดได้อย่างรวดเร็ว จึงไม่มีปัญหาการเกิด hydraulic ram ในขณะปิดวาล์ว

 

ระบบท่อน้ำที่จ่ายน้ำด้วยปั๊มจากที่ต่ำขึ้นที่สูงก็อาจเกิดปัญหา hydraulic ram ได้ โดยปรกติทางด้านขาออกของปั๊มนั้นจะติดตั้ง check valve หรือวาล์วกันการไหลย้อนกลับเอาไว้ พอปั๊มหยุดทำงาน น้ำที่อยู่ในท่อด้านขาออกที่สูงกว่าตัวปั๊มก็จะไหลย้อนกลับ check valve ก็จะปิดตัวลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งอาจทำให้เกิด hydraulic ram จากการที่น้ำที่ไหลย้อนกลับนั้นหยุดไหลกระทันหันได้

วาล์วอีกชนิดหนึ่งที่ใช้เป็นวาล์วปรับอัตราการไหลในปริมาณน้อย ๆ คือ needle valve บังเอิญเจอ needle ที่มีคนเขาทิ้งแล้วก็เลยไปหยิบเอามาถอดล้างให้เห็นข้างในกัน รูปที่ ๔ ในหน้าถัดไปคือตัว needle valve จะเห็นตัว needle ที่เป็นตัวปรับขนาดความกว้างของรู เนื่องจากตัว needle นี้มีขนาดเล็ก ดังนั้นถ้าให้ตัว needle กดแน่นเข้ากับ seat ของตัววาล์วเพื่อให้วาล์วปิดสนิท ก็จะทำให้ตัว needle เกิดความเสียหายได้ ดังนั้นเพื่อป้องกันความเสียหายดังกล่าวเขาจึงออกแบบให้ตัว needle ไม่ลงไปแนบสนิทกับ seat ของตัววาล์ว จึงทำให้วาล์วชนิดนี้ปิดไม่สนิท วาล์วชนิดนี้ใช้กับอัตราการไหลต่ำ ๆ (เช่นในแลปหรือระบบขนาดเล็ก) ที่ต้องการความละเอียด

อันที่จริง memoir ฉบับนี้ทำเสร็จหลังจาก memoir ฉบับก่อนหน้าเล็กน้อย แต่ดึงเอาไว้มาเผยแพร่ตอนค่ำเพื่อไม่ให้มันชนกันไป ไม่อยากเก็บเอาไว้จนวันศุกร์

รูปที่ ๔ Needle valve รูปบนแสดงตัวเข็มที่ใช้ปรับอัตราการไหล ส่วนรูปล่างแสดงรูที่ให้ของไหลไหลผ่าน

วาล์วและการเลือกใช้ (ตอนที่ 1) MO Memoir : วันจันทร์ที่ ๒๗ เมษายน ๒๕๕๒

ก่อนอื่นต้องขอแสดงความยินดีกับผู้ที่สอบวิทยานิพนธ์ปริญญาโททั้ง 4 คนที่ผ่านการสอบเมื่อต้นเดือนที่ผ่านมา ไม่ว่าจะเป็นการสอบผ่านแบบสบาย ๆ หรือมั่ว ๆ ไปจนหลุดรอดไปได้ก็ตาม

สอบเสร็จแล้วก็ต้องแก้ไขวิทยานิพนธ์ให้เสร็จก่อน จากนั้นก็แล้วแต่ว่าใครจะทำอะไรกัน ดูเหมือนว่าจะเริ่มต้นด้วยการวางแผนเที่ยวกันก่อนเพราะช่วงนี้งานหายากและอาจต้องรอกันนานเหมือนกัน ตอนนี้มีเวลาเที่ยวก็รีบเที่ยวซะให้คุ้ม เพราะพอเข้าทำงานแล้วจะหาเวลาว่าง ๆ เป็นเดือน ๆ ไม่ได้อีกแล้ว (เว้นแต่จะตกงานหรือมีคนเลี้ยงดูให้อยู่กับบ้านเฉย ๆ)

ไหน ๆ ก็คงต้องมีการสอบสัมภาษณ์งานกัน MO Memoir ฉบับนี้ก็เลยขอเป็นเรื่องวิชาการทางวิศวกรรมหน่อย โดยเป็นเรื่องที่เกี่ยวกับวาล์วและการเลือกใช้ เพราะที่เรียนกันมาดูเหมือนว่าจะรู้กันเพียงคร่าว ๆ ไม่ได้รู้ละเอียด แต่ก็น่าเห็นใจเพราะอาจารย์ผู้สอนบางทีก็ไม่เคยมีประสบการณ์กับโรงงานจริง เน้นแต่ภาคทฤษฎีหรือทำวิจัยซะมากกว่า วันนี้ก็เลยถือโอกาสขุดเอาประสบการณ์ที่เคยต้องไปทำการเดินท่อที่โรงงานแถวมาบตาพุดช่วงปีพ.ศ. 2531-2532 (ตอนนั้นที่มาบตาพุดมีแต่โรงแยกก๊าซเพียงโรงเดียว กับกลุ่มทีพีไอที่อยู่ทางอีกด้านของตัวจังหวัดระยอง) มาเล่าสู่กันฟังก่อนที่จะลืม

หน้าที่หลักของวาล์วคือการควบคุมการไหล ไม่ว่าจะเป็นการปิด-เปิด (คือการทำงานโดยที่วาล์วอยู่ที่ตำแหน่งวาล์วปิดสนิทหรือวาล์เปิดเต็มที่) หรือปรับอัตราการไหล (วาล์วเปิดตั้งแต่ 0-100%) วาล์วบางชนิดออกแบบมาเพื่อให้ทำหน้าที่อย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น ถ้านำไปใช้งานผิดวัตถุประสงค์ก็จะใช้ได้ไม่ดี ในขณะที่วาล์วบางชนิดแม้ว่าจะออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่อย่างหนึ่งเป็นหลัก แต่ก็อาจเอาไปใช้ในเพื่อวัตถุประสงค์อื่นบางอย่างก็ได้ ในที่นี้จะขอไล่เรียงลำดับไปตามทีละชนิด

1. Gate valve

Gate valve เป็นวาล์วชนิดที่ใช้กันแพร่หลายมากที่สุดตัวหนึ่ง ถ้านึกไม่ออกว่าหน้าตาเป็นอย่างไรให้ลองไปดูที่มิเตอร์น้ำประปาหน้าบ้าน (หวังว่าที่บ้านคงมีน้ำประปาใช้นะ) ซึ่งท่อน้ำที่ต่อแยกออกมาจากท่อหลัก ก่อนเข้ามิเตอร์จะต้องมีวาล์วปิด-เปิดอยู่ตัวหนึ่ง ซึ่งวาล์วตัวนี้คือ gate valve (เคยได้ยินช่างบ้านเราเรียกวาล์วตัวนี้ว่า "ประตูน้ำ") บางทีนั้นอาจติดตั้ง gate valve ไว้ทางด้านขาออกจากมิเตอร์ด้วย แต่บางที่จะติดตั้ง check valve (วาล์วกันการไหลย้อนกลับ) ไว้ทางด้านทางออกของมิเตอร์ เหตุที่ต้องมีการติดตั้ง gate valve ไว้ก่อนเข้ามิเตอร์เพื่อที่จะได้ถอดมิเตอร์ออกได้ (ไม่ว่าจะถอดเพื่อ เปลี่ยน ซ่อม หรือโดยตัดน้ำเพราะไม่จ่ายค่าน้ำ)

โครงสร้างของวาล์วนั้นจะมีส่วนที่เป็นแผ่นจาน (disk หรือ gate ดูรูปที่ 1 ประกอบ) ที่มีขนาดใหญ่กว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อเล็กน้อย เลื่อนขึ้น-ลงในทิศทางที่ตั้งฉากกับทิศทางการไหล เมื่อวาล์วอยู่ในตำแหน่งปิด แรงดันของของไหลทางด้าน upstream จะดันตัว disk ให้ไปยันกับตัว body ของวาล์วที่อยู่ทางด้าน downstream เป็นการปิดผนึกไม่ให้ของไหลไหลผ่านไปได้

ข้อดีของ gate valve คือมีความกว้าง (วัดในทิศทางการไหล) ไม่มาก ใช้พื้นที่ในการติดตั้งน้อย ค่าความดันลด (pressure drop) คร่อมวาล์วต่ำมากเมื่อวาล์วเปิดเต็มที่ เหมาะสำหรับงานประเภทปิด-เปิด วาล์วชนิดนี้ไม่เหมาะสำหรับใช้ในการควบคุมการไหลเพราะความสัมพันธ์ระหว่างระยะที่วาล์วเปิดกับอัตราการไหลนั้นไม่ดี (กล่าวคือบางช่วงวาล์วขยับเพียงเล็กน้อยจะมีอัตราการไหลเปลี่ยนแปลงเยอะ แต่บางช่วงวาล์วขยับไปเยอะแต่อัตราการไหลเปลี่ยนเพียงเล็กน้อย) และไม่เหมาะกับการเปิดหรี่หรือเปิดเพียงเล็กน้อย (crack opening) เช่นหมุน hand wheel เพียงแค่ไม่ถึง 1 รอบ เพียงแค่รู้สึกว่ามีของไหลเริ่มไหลผ่านก็หยุดหมุน (รู้ได้โดยจะมีเสียงเกิดขึ้นเมื่อมีของไหลไหลรอดผ่านช่องเปิดเล็ก ๆ ที่อยู่ระหว่างใต้แผ่นจานกับ seat ring ข้างล่าง) เพราะในขณะที่วาล์วเปิดเพียงเล็กน้อยนั้น ของไหลจะไหลผ่านด้วยความเร็วที่สูงมาก และมีความดันที่ต่ำ (pressure head เปลี่ยนไปเป็น velocity head) จะทำให้ตัวแผ่นจานเกิดการสั่นอย่างรุนแรงจนสามารถทำให้ตัวแผ่นจานหรือ seat ของตัว body เองเกิดการสึกหรอได้ ซึ่งจะทำให้ไม่สามารถปิดวาล์วได้สนิทอีกต่อไป

รูปที่ 1 ตัวอย่าง gate valve บางชนิด (ซ้าย) Rising spindle gate valve และ (ขวา) Fixed spindle gate valve ตัวแกนหรือ stem คือตัวที่ทำหน้าที่ยกส่วนที่เป็น disk (แผ่นที่ขวางทางการไหล) ขึ้น (เพื่อเปิด) หรือลง (เพื่อปิด) วาล์วชนิด rising spindle จะมองเห็นตัวแกนโผล่ยื่นออกมาจากรูตรงกลาง hand wheel เมื่อทำการหมุนวาล์วเพื่อเปิด และจะมองเห็นแกนจมลงไปในรูตรงกลาง hand wheel เมื่อทำการหมุนวาล์วเพื่อปิด โดยที่ตัว hand wheel จะอยู่ที่ระดับเดิม ส่วนวาล์วชนิด fixed spindle นั้นตัว disk จะเคลื่อนขึ้น-ลงตามเกลียวของ stem ที่อยู่ข้างใน bonnet เมื่อทำการหมุน spindle ทำให้ไม่มีส่วนที่โผล่ยื่นออกมาเกะกะเวลาที่วาล์วอยู่ในตำแหน่งเปิด แต่วาล์วชนิด rising spindle ก็มีข้อดีคือเพียงแค่มองก็รู้ได้ทันทีว่าวาล์วอยู่ในตำแหน่งเปิดหรือปิด โดยดูจากแกนที่โผล่ออกมาจากรูตรงกลางของ hand wheel และยังสามารถทำการหล่อลืนส่วนที่เป็นเกลียวได้ง่าย (ภาพจาก http://www.roymech.co.uk)

นอกจากนี้ในกรณีที่ความดันระหว่างด้าน upstream และ downstream ในขณะที่วาล์วอยู่ในตำแหน่งปิดนั้นแตกต่างกันมาก จะทำให้เปิดวาล์วได้ยาก เพราะแรงดันด้าน upstream จะกดให้ตัวแผ่นจานติดแน่นกับตัว body ของวาล์ว การเลื่อนให้แผ่นจานเคลื่อนที่ในทิศทางที่ตั้งฉากกับแรงกดจึงทำได้ยาก (เหมือนกันเอาคน 1 คนขึ้นไปยืนบนเสื่อ แล้วคุณกระชากเสื่อออก เขาก็จะล้มได้ แต่ถ้าเอาคน 10 คนขึ้นไปยืนบนเสื่อแล้วให้คุณกระชากเสื่อใหม่ คราวนี้คุณจะไม่สามารถทำได้เพราะมีแรงไม่พอ) ในกรณีเช่นนี้การใช้ globe valve ทำหน้าที่ปิด-เปิดจะดีกว่า

งานอีกประเภทที่ทำให้เกิดปัญหากับ gate valve ได้คือการใช้งานกับของเหลวที่มีของแข็งแขวนลอยปะปนอยู่ (ตัวอย่างหนึ่งในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีได้แก่ slurry ที่ได้จากกระบวนการ slurry polymerisation เช่นในการผลิตพลาสติก PE PP เป็นต้น) ปัญหาจะเกิดขึ้นเมื่อทำการปิดวาล์วเพราะของแข็งที่แขวนลอยอยู่จะตกค้างอยู่ระหว่างบริเวณด้านล่างของแผ่น disk และ seat ของตัววาล์ว ทำให้วาล์วปิดไม่สนิทได้ ในกรณีเช่นนี้การใช้ ball valve จะเหมาะสมกว่า

2. Globe valve

Globe valve เป็นวาล์วที่ออกแบบมาเพื่อใช้ควบคุมอัตราการไหลของของไหล ตัวอย่างการใช้งานวาล์วประเภทนี้ได้แก่ก๊อกน้ำที่ใช้กันอยู่ในบ้านหรือในห้องน้ำทั่วไปที่เป็นแบบหัวหมุนได้หลายรอบ (ไม่ใช่แบบที่มีก้านเปิด-ปิดที่บิดไปเพียง 90 องศา ซึ่งแบบนี้เป็น ball valve) ตัวอย่างโครงสร้างของ globe valve แสดงไว้ในรูปที่ 2 ข้างล่าง

รูปที่ 2 Globe valve (บน) โครงสร้างของวาล์วขนาดเล็ก (ล่าง) โครงสร้างของวาล์วขนาดใหญ่ (ภาพบนและภาพล่างซ้ายจาก http://www.roymech.co.uk ภาพล่างขวาจาก http://www.energy.gov.kw)

globe valve เป็นวาล์วที่มีทิศทางการไหล โดยด้านข้างของตัววาล์วจะมีลูกศรระบุทิศทางการไหลว่าต้องให้ของไหลไหลเข้าทางด้านไหนและออกทางด้านไหน จากโครงสร้างของวาล์วที่แสดงในรูปที่ 2 จะเห็นได้ว่าของเหลวที่ไหลผ่านตัววาล์วจะมีการหักเลี้ยวหลายครั้งแม้ว่าวาล์วจะเปิดเต็มที่ก็ตาม ทำให้ความดันลดคร่อมตัว globe valve สูงกว่าของ gate valve การปิด-เปิดวาล์วจะอาศัยการปิด-เปิดแผ่น disk (จะ disk หรือ disc มันก็ตัวเดียวกัน) หรือ plug ที่วางตัวอยู่ในแนวเดียวกันกับทิศทางการไหล (ทิศทางการไหลในที่นี้คือจากซ้ายไปขวา) กับช่องเปิดที่อยู่ในแนวเดียวกันกับทิศทางการไหลเช่นเดียวกัน โดยเมื่อของไหลไหลเข้ามาในตัววาล์วนั้น ของไหลจะถูกบังคับให้ไหลลงล่างและหักเลี้ยวขึ้นข้างบน ไหลผ่านช่องว่างที่อยู่ระหว่างช่องเปิดกับแผ่น disk/plug การปรับขนาดของช่องว่างทำได้โดยการเลื่อนแผ่น disk/plug ขึ้น-ลง ซึ่งเมื่อแผ่น disk/plug เลื่อนสูงขึ้น ช่องว่างก็จะเปิดมากขึ้น ของไหลก็จะไหลผ่านได้เร็วขึ้น

ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลของของไหลที่ไหลผ่านวาล์วกับระยะการเคลื่อนที่ของ disk/plug นั้นจะขึ้นอยู่กับการออกแบบรูปร่างช่องเปิดและรูปล่างของตัว disk/plug ตัว disk/plug นั้นไม่จำเป็นต้องมีรูปแบบเป็นจานแบน อาจมีรูปร่างโค้งหรือเป็นรูปกรวยหัวตัดหรือหัวมนแบบต่าง ๆ ก็ได้ โดยการใช้รูปแบบที่เหมาะสมเราก็สามารถได้วาล์วที่มีความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลกับระยะการเคลื่อนที่ของ disk/plug ในรูปแบบต่าง ๆ เช่นรูปแบบที่เป็นเส้นตรง (กล่าวคือถ้าวาล์วเปิด 20% ของไหลก็จะไหลผ่านด้วยอัตรา 20% ของอัตราการไหลสูงสุด ถ้าวาล์วเปิด 65% ของไหลก็จะไหลผ่านด้วยอัตรา 65% ของอัตราการไหลสูงสุด) หรือจะให้เป็นวาล์วที่ให้อัตราการไหลเกือบเต็มที่เมื่อวาล์วเปิดเพียงเล็กน้อยก็ได้ (เมื่อเริ่มเปิดวาล์วเพียงเล็กน้อย ของไหลจะไหลผ่านวาล์วด้วยอัตราการไหลที่สูงเกือบเท่าอัตราการไหลสูงสุด และเมื่อเปิดวาล์วมากขึ้นต่อไปอีก อัตราการไหลก็ไม่ได้เพิ่มมากเท่าใดนักเพราะว่าอยู่ใกล้อัตราการไหลสูงสุดแล้ว) globe valve จึงเป็นวาล์วที่เหมาะสำหรับใช้ปรับอัตราการไหล

จากรูปที่ 2 จะเห็นได้ว่าแรงดันที่ของไหลกระทำต่อแผ่น disk/plug นั้นจะอยู่ในทิศทางการเคลื่อนที่ของแผ่น disk/plug กล่าวคืออยู่ในแนวแกนของก้านวาล์ว (stem) การปิดวาล์วอาศัยการหมุนก้านวาล์วให้แผ่น disk/plug กดติดกับ seat ของช่องเปิด (ตัว seat จะมีวัสดุที่อ่อนกว่าแผ่น disk/plug รองอยู่ เพื่อให้แผ่น disk/plug แนบสนิทกับตัว seat เพื่อป้องกันการรั่วไหล (คือทำหน้าที่เป็นปะเก็น) และยังป้องกันไม่ให้แผ่น disk/plug เสียหายเมื่อถูกกดให้แนบกับผิวช่องเปิด) ไม่ได้อาศัยแรงกดของของไหลในการดันแผ่น disk/plug ให้แนบกับ seat เหมือนในกรณีของ gate valve ด้วยเหตุนี้ในกรณีที่ความดันด้าน upstream และ downstream แตกต่างกันมากในขณะที่วาล์วปิด การเปิด globe valve จึงทำได้ง่ายกว่าการเปิด gate valve และโดยการอาศัยการขันอัดแผ่น disk ให้แนบกับ seat นั้น จึงทำให้ globe valve ปิดได้แน่นสนิทกว่า gate valve (ตราบเท่าที่ผิวสัมผัสของแผ่น disk กับตัว seat ยังไม่มีความเสียหาย)

globe valve บางแบบออกแบบมาให้ตัวแผ่น disk/plug ไม่ยึดแน่นอยู่กับก้านวาล์ว แต่หมุนไปมาได้ ทั้งนี้เพื่อให้ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งของแผ่น disk/plug สัมผัสกับตำแหน่งเดิมบน seat ทุกครั้งที่ปิดวาล์ว เพื่อที่จะทำให้แผ่น disk/plug เองมีการสึกหรอที่สม่ำเสมอ (เหมือนกับที่เราต้องสลับตำแหน่งยางรถยนต์เมื่อใช้ไปได้สัก 10,000 กิโลเมตรนั่นแหละ ว่าแต่ว่ามีใครทราบหรือเคยสังเกตหรือไม่ว่า รถพวงมาลัยขวาที่ขับเคลื่อนล้อหน้า (รถเก๋งส่วนใหญ่ในบ้านเรา) ยางล้อหน้าด้านขวาจะสึกหรอเร็วกว่าล้ออื่น และยางคู่หน้าจะสึกหรอเร็วกว่าคู่หลัง)

ข้อเสียของ globe valve นอกเหนือไปจากการมีความดันลดที่สูงแล้ว ก็คือขนาดและน้ำหนักของวาล์วที่มีค่ามากกว่าของ gate valve ยิ่ง globe valve ตัวใหญ่ขึ้นก็จะมีขนาดและน้ำหนักที่มากขึ้นตามไปด้วย ด้วยเหตุนี้ในกรณีของท่อขนาดใหญ่ที่ความดันด้าน upstream และ downstream ต่างกันมาก การใช้ globe valve ขนาดใหญ่จะทำให้มีความดันลดในท่อสูงและต้องมีฐานรองรับตัววาล์วที่แข็งแรงกว่าการใช้ gate valve หรือกรณีของของไหลที่ร้อน (เช่นท่อไอน้ำ) ที่ด้าน downstream ของท่อยังเย็นอยู่ซึ่งในช่วงแรกต้องค่อย ๆ อุ่นท่อด้าน downstream ให้ร้อนขึ้นอย่างช้า ๆ เพื่อป้องกันการเกิด thermal shock หรือ water hammer (ในกรณีท่อไอน้ำ) ซึ่งทำได้โดยการค่อย ๆ เปิดวาล์วที่ละน้อย ๆ (crack open) จนท่อเริ่มร้อนขึ้น และเปิดเพิ่มขึ้นทีละนิดไปเรื่อย ๆ ซึ่งการควบคุมการไหลขนาดน้อย ๆ นี้ globe valve ตัวใหญ่จะทำได้ไม่ดี การแก้ปัญหาจะกระทำโดยการใช้ gate valve ตัวใหญ่ในการทำหน้าที่ปิด-เปิดท่อหลัก (เช่นท่อหลักอาจมีขนาด 12 นิ้ว) และมี globe valve ตัวเล็กในท่อ bypass ที่มีขนาดเล็กกว่าท่อหลัก (เช่นท่อ bypass อาจมีขนาด 1 นิ้ว) ที่อ้อมผ่าน gate valve ไปดังแสดงในรูปที่ 3 โดยเมื่อเริ่มทำการเปิดท่อนั้นจะเริ่มจากการค่อย ๆ เปิด globe valve ที่อยู่บนท่อ bypass จะเมื่อความดันหรืออุณหภูมิทางด้าน downstream อยู่ที่ระดับที่เหมาะสมแล้วก็จะทำการเปิด gate valve ตัวใหญ่ที่อยู่บนท่อหลักได้ และปิด globe valve ที่อยู่บนท่อ bypass

ในกรณีของของไหลที่มีของแข็งปนอยู่ ของแข็งนั้นอาจตกค้างบนผิว seat ทำให้เกิดปัญหา globe valve ปิดได้ไม่สนิทเช่นเดียวกันกับ gate valve

รูปที่ 3 การใช้ globe valve ตัวเล็กในท่อ bypass เพื่อช่วยในการเปิดท่อขนาดใหญ่ที่มีความดัน/อุณหภูมิด้าน upstream cและ downstream แตกต่างกันมาก

3. Needle valve

needle valve จัดว่าเป็นญาติสนิทของ globe valve โดย needle valve ทำหน้าที่ในการควบคุมอัตราการไหลเช่นเดียวกันกับ globe valve แตกต่างกันที่ needle valve จะใช้ในงานที่ต้องการการควบคุมการไหลที่มีความละเอียดสูง (โดยปรกติก็ที่อัตราการไหลไม่มาก) ดังนั้นเราจึงมักพบการใช้งาน needle valve กับระบบขนาดเล็ก เช่นระบบแก๊สท่อในอุปกรณ์วัดหรือในห้องปฏิบัติการวิจัย แต่ไม่พบเห็น needle valve ในระบบขนาดใหญ่

รูปที่ 4 (บน) ตัวอย่างโครงสร้างของ Needle valve ขนาดเล็ก (ภาพจาก http://www.vehydraulics.com) และ (ล่าง) การติดตั้ง

needle valve เป็นวาล์วที่มีทิศทางการไหลเช่นเดียวกับ globe valve ความแตกต่างระหว่าง needle valve และ globe valve อยู่ตรงที่การออกแบบช่องเปิดและรูปร่างของตัว plug โดยช่องเปิดของ needle valve จะมีขนาดเล็กกว่าช่องเปิดของ globe valve และตัวปลั๊กของ needle valve จะมีลักษณะเป็นกรวยที่มีความเรียวยาวค่อย ๆ เล็กลงที่ปลาย จากการที่ส่วน plug ของ needle valve มีลักษณะที่เรียวเล็กดังกล่าวจึงทำให้ตัว plug ไม่แข็งแรงพอที่จะรับแรงกดถ้าหากทำการกดให้ตัว plug แนบแน่นกับ seat ของตัว body ของวาล์ว เพราะการกดดังกล่าวอาจทำให้ตัว plug เกิดความเสียหายหรือสูญเสียรูปร่างได้ ดังนั้นทางผู้ผลิตจึงออกแบบให้ตัว plug ของ needle valve นั้นไม่สัมผัสกับ seat ของตัว body ของวาล์ว แต่จะมีช่องว่างอยู่เล็กน้อย จึงทำให้เมื่อเราหมุน plug ของ needle valve ลงจนสุดแล้ว วาล์วก็ยังปิดไม่สนิท (ซึ่งแตกต่างจาก globe valve ที่สามารถปิดได้สนิท) ดังนั้นการติดตั้ง needle valve ที่ถูกต้องจึงต้องมีการใช้ block valve (ซึ่งมักเป็น gate valve หรือ ball valve) ร่วมด้วยดังแสดงในรูปที่ 4 ข้างบน

4. Ball valve

ball valve เป็นวาล์วตัวหนึ่งที่ได้รับความนิยมมากขึ้นในปัจจุบัน ที่เห็นได้ชัดคือตามอาคารบ้านเรือนต่าง ๆ ที่ใช้ก๊อกน้ำแบบที่เป็นก้านหมุนเพียง 90 องศาก็สามารถเปิดวาล์วได้เต็มที่หรือปิดวาล์วได้สนิท ตัวอย่างโครงสร้างของ ball valve แสดงไว้ในรูปที่ 5 ข้างล่าง

รูปที่ 5 (ซ้าย) ภาพตัดขวาง Ball valve (ภาพจาก http://www.roymech.co.uk) และ (ขวา) การทำงานของ ball valve ที่มีรูระบายความดัน

ส่วนที่ทำหน้าที่ปิด-เปิดของ ball valve คือตัวลูกบอลที่มีรูเจาะทะลุ (สีแดงในรูปที่ 5 ด้านขวา) อยู่ตรงกลาง โดยการหมุนให้รูเจาะทะลุอยู่ในแนวท่อก็จะเป็นการเปิดวาล์วเต็มที่ และการหมุนให้รูเจาะทะลุอยู่ในแนวตั้งฉากกับท่อก็จะเป็นการปิดวาล์ว การปรับอัตราการไหลทำได้โดยการบิดให้ลูกบอลทำมุมระหว่างตำแหน่งเปิดเต็มที่และตำแหน่งปิด

เมื่อเทียบกับ gate valve ที่ใช้กับท่อขนาดเดียวกันแล้ว ball valve จะมีขนาดใหญ่กว่าและหนักกว่า (ก็มันใช้ลูกบอลแทนแผ่นจานแบน ๆ ในการปิด-เปิดวาล์ว) และยังต้องใช้พื้นที่โดยรอบที่กว้างกว่าในการเปิดปิดวาล์ว เช่นวาล์วสำหรับท่อขนาด 6 นิ้วจะต้องใช้ก้านหมุนที่มีรัศมีประมาณ 1 เมตร (ถ้าจำไม่ผิด) ในการปิด-เปิดวาล์ว วาล์วขนาดใหญ่บางตัวจึงแก้ปัญหาด้วยการใช้ระบบขับเคลื่อนด้วยเฟืองทดในการบิดลูกบอลให้หมุนไปมา ซึ่งทำให้ประหยัดพื้นที่แต่ก็ไปลดความเร็วในการปิด-เปิดลง ball valve ที่ใช้กันในโรงงานนั้นตัวก้านหมุนจะไม่ยึดติดกับแกนหมุน แต่จะถอดออกได้ เวลาใช้ก็จะสวมครอบลงไปเหมือนกับการใช้ประแจขันนอต การที่ทำให้ถอดก้านหมุนวาล์วออกได้ก็เพื่อไม่ให้ก้านหมุนยื่นออกมาเกะกะหรือทำให้วาล์วหมุนเนื่องจากคนเดินชนโดยไม่ตั้งใจได้ การดูว่าวาล์วอยู่ในตำแหน่งเปิดหรือปิดจึงต้องดูจากร่องบากที่อยู่บนแกนหมุนลูกบอล ก้านหมุนวาล์วที่ถอดออกมานี้ ถ้าเป็นวาล์วตัวเล็กก็มักจะทำโซ่คล้องห้อยอยู่ข้าง ๆ ตัววาล์ว แต่ถ้าเป็นวาล์วตัวใหญ่ก็มักจะนำไปเก็บไว้ที่อื่น เวลาจะใช้แต่ละครั้งก็ค่อยเบิกมาใช้

ball valve ก็มีข้อดีตรงที่สามารถปิดสนิทหรือเปิดเต็มที่ได้อย่างรวดเร็ว รับความดันได้สูง ใช้งานได้ดีกับของไหลที่มีของแข็งปะปนอยู่ ในกรณีของ ball valve ที่ใช้กับของไหลที่อันตรายหรือที่ในระบบที่มีความดันสูงนั้น ตัวท่อเจาะทะลุที่ให้ของไหลไหลผ่านจะมีรูระบายความดันซึ่งเป็นรูเจาะทะลุเล็ก ๆ อยู่ในแนวตั้งฉากกับช่องทางให้ของไหลไหลผ่าน (ดูรูปที่ 5 ประกอบ) ในการปิดวาล์วนั้นจะต้องติดตั้งวาล์วให้รูระบายความดันนั้นหันออกไปทางด้าน downstream เพื่อเป็นการระบายความดันและ/หรือสารเคมีต่าง ๆ ที่ตกค้างอยู่ในช่องทางการไหลออกไป เพราะถ้าไม่มีรูดังกล่าว เวลาปิดวาล์วจะมีความดัน/สารเคมีตกค้างอยู่ในช่องทางการไหลดังกล่าว และถ้าถอดวาล์วออกมาเพื่อทำการซ๋อมบำรุงก็อาจทำให้เกิดอันตรายต่อผู้ที่ทำการถอดชิ้นส่วนวาล์วได้

ball valve อาจใช้วัสดุพอลิเมอร์ (ตรงที่เป็นสีเขียวอ่อนในรูป) เป็นตัวปิดผนึกกันการรั่วซึมระหว่าง body ของตัววาล์วกับตัวลูกบอล ซึ่งวัสดุพอลิเมอร์มักจะทนอุณหภูมิสูงสู้โลหะไม่ได้ ดังนั้นในการใช้งาน ball valve จึงต้องคำนึงถึงอุณหภูมิการใช้งานด้วย ส่วน gate valve นั้นไม่มีวัสดุพอลิเมอร์ในการปิดผนึกกันการรั่วซึม จึงใช้งานที่อุณหภูมิสูงได้ดี

ประสบการณ์หนึ่งที่เคยเจอกับ ball valve ในแลปคือมีการถอดก้านหมุนออกมาเพื่อประกอบวาล์วเข้ากับแผงควบคุม แต่เวลาใส่ก้านหมุนวาล์วกลับคืนไม่ได้ตรวจดูว่าตำแหน่งก้านวาล์วที่ใส่เข้าไปกับตำแหน่งลูกบอลอยู่ตรงกันหรือไม่ ผลก็คือกลายเป็นว่าเมื่อก้านหมุนอยู่ในแนวเดียวกับแนวท่อวาล์วจะอยู่ในตำแหน่งปิด (ที่ถูกต้องคือต้องอยู่ในตำแหน่งเปิด) และเมื่อก้านหมุนอยู่ในแนวตั้งฉากกับตัวท่อวาล์วกลับอยู่ในตำแหน่งเปิด (ที่ถูกต้องคือต้องอยู่ในตำแหน่งปิด) และอีกครั้งหนึ่งคือใส่ก้านไม่เข้าตำแหน่งดี (ขนาดเขาทำร่องบากให้ใส่ได้พอดีไว้แล้ว) ก็ใช้วิธีฝืนขันอัดเข้าไป ตอนที่ก้านวาล์วอยู่ในตำแหน่งปิดวาล์วก็เลยยังมีแก๊สรั่วไปออกมา ทำให้ผลการทดลองที่ได้มีปัญหาอยู่ตลอด

5. Plug valve

plug valve จัดว่าเป็นญาติผู้ใกล้ชิดกับ ball valve และดูเหมือนว่าจะมีมาก่อนแล้วด้วย ตัวอย่างโครงสร้างของ plug valve แสดงไว้ในรูปที่ 6 ข้างล่าง แต่ถ้ายังอยากเห็นตัวจริงก็ลองไปดูที่ stop cock ของบิวเรตหรือพวกกรวยแยก หรือวาล์วปิด-เปิดที่อยู่ตามท่อเครื่องแก้วต่าง ๆ ในแลปนั่นแหละ plug valve

รูปที่ 6 ตัวอย่างโครงสร้างของ plug valve (ภาพจาก http://www.roymech.co.uk) ชนิดเติมสารหล่อลื่นได้ โดยการอัดสารหล่อลื่นเข้าทางช่องของ lubricant screw ให้สารหล่อลื่นไหลลงไปตามท่อไปหล่อลื่นส่วนล่างของ plug valve

plug valve ทำหน้าที่ได้เหมือน ball valve แต่ในปัจจุบันจะไม่ค่อยเห็นการเลือกใช้ plug valve แต่จะใช้ ball valve ทำหน้าที่แทน สาเหตุเป็นเพราะอะไรก็ไม่ทราบแน่ชัด แต่คิดว่าเป็นเพราะวัสดุพอลิเมอร์ที่ใช้เป็นตัวปิดผนึกกันการรั่วซึมระหว่างตัววาล์วกับลูกบอลของ ball valve ได้รับการพัฒนาให้สามารถทนต่อสารเคมีและสภาวะการใช้งานได้ดีขึ้น แต่จะว่าไปแล้ว plug valve ก็มีข้อดีกว่า ball valve ตรงที่จะมีขนาดเล็กกว่าเพราะไม่ได้ใช้ลูกบอลกลม ๆ มาเจาะรูเหมือนของ ball valve

6. Butterfly valve

Butterfly valve หรือที่บ้านเราเรียกว่าวาล์วปีกผีเสื้อทำหน้าที่ได้เช่นเดียวกันกับ ball valve และ plug valve โครงสร้างของ butter fly valve นั้นจะใช้แผ่นจานแบน ๆ หมุนไปมาได้ในมุม 90 องศา ถ้าแผ่นจานนี้วางตัวขนานกับทิศทางการไหล ก็จะเป็นการเปิดวาล์วเต็มที่ และถ้าวางตั้งฉากกับทิศทางการไหลก็จะเป็นการปิดวาล์ว ซึ่งเป็นการทำงานเช่นเดียวกันกับ damper ที่ใช้ปิด-เปิดลมเย็นในระบบปรับอากาศในอาคารต่าง ๆ การที่ใช้แผ่นจานแทนการใช้ลูกบอลหรือ plug ในการปิดกั้นการไหลจึงทำให้ butterfly valve มีขนาดเล็กกว่า ball valve และ plug valve (คือจะแคบกว่าเมื่อวัดในทิศทางการไหล) และมีน้ำหนักเบากว่าด้วย แต่โครงสร้างที่เป็นแผ่นจานดังกล่าวทำให้ไม่สามารถรับแรงดันและอุณหภูมิที่สูงได้ ดังนั้นเราจึงมักเห็นการใช้ butterfly valve ในท่อขนาดใหญ่กับสารที่ไม่มีอันตรายใด ๆ เช่นท่อน้ำหล่อเย็น ท่ออากาศของระบบทำความเย็น

รูปที่ 7 Butterfly valve (ซ้าย) วาล์วขนาดเล็กใช้ก้านหมุนในการปิด-เปิดวาล์ว (ภาพจาก www.made-in-china.com) และ (ขวา) วาล์วขนาดใหญ่ที่ใช้ระบบเฟืองทดในการปิด-เปิด (ภาพจาก www.cometmarine.com)

จากการที่ใช้การหมุนแผ่นจานในการขวางทิศทางการไหล ทำให้ตัวแผ่นจานถูกของไหลดันให้หมุนไปจากตำแหน่งที่ต้องการได้ ดังนั้นเราจึงมักเห็นก้านหมุน butterfly valve จะมีเฟืองสำหรับตรึงตำแหน่งวาล์วว่าจะให้ปิด-เปิดมากน้อยเท่าใด ซึ่งโครงสร้างแบบนี้จะไม่พบเห็นใน ball valve หรือ plug valve และสำหรับวาล์วตัวใหญ่นั้นจะใช้ระบบเฟืองทดช่วยในการปิดเปิด

7. Diaphragm valve

วาล์วทุกชนิดที่กล่าวมาข้างต้นจะมีข้อเสียอยู่อย่างคือของไหลที่ไหลอยู่ในท่อมีโอกาสที่จะรั่วซึมออกมาทางผิวสัมผัสที่เกิดจากการประกอบชิ้นส่วนต่าง ๆ ของตัววาล์วเข้าด้วยกัน (โดยเฉพาะตามแนว stem ออกมา) ในกรณีของสารเคมีที่เป็นอันตรายมาก การรั่วไหลดังกล่าวแม้ว่าจะน้อยมากก็ไม่อาจยอมรับได้ ซึ่งในงานแบบนี้ diaphragm valve จะทำหน้าที่ได้ดีกว่า

รูปที่ 8 โครงสร้างภายในของ Diaphragm valve (1) แผ่นไดอะแฟรม (2) seat

การทำงานของ diaphragm valve จะใช้การกดแผ่นไดอะแฟรม (1) ซึ่งทำจากวัสดุที่มีความยืดหยุ่น (ซึ่งมักเป็นวัสดุพวกพอลิเมอร์) ให้ลงไปกดแนบกับ seat (2) ที่อยู่ข้างล่าง ก็จะเป็นการปิดวาล์ว เมื่อเราลดแรงกดด้วยการขันนอตที่ทำหน้าที่กดแผ่นไดอะแฟรมให้ยกตัวสูงขึ้น ตัวแผ่นไดอะแฟรมก็จะยกตัวขึ้นด้วยคุณสมบัติการยืดหยุ่นของมันเอง ทำให้วาล์วเปิดตัว หลักการเดียวกันกับเวลาที่หมอหรือพยาบาลปรับอัตราการไหลของน้ำเกลือที่ใหักับผู้ป่วย ซึ่งเขาใช้วิธีบีบสายยางให้น้ำเกลือ (ไม่รู้ว่าเคยโดนบ้างหรือยัง ถ้ายังไม่เคยโดยก็ถือว่าโชคดีมาก)

ไดอะแฟรมวาล์วทำงานได้ดีกับของเหลวที่มีของแข็งแขวนลอยปะปนอยู่ เพราะแม้ว่าจะมีของแข็งตกค้างอยู่บริเวณ seat ในขณะที่ทำการปิดวาล์ว แต่ด้วยความยืดหยุ่นของแผ่นไดอะแฟรมเองก็ทำให้สามารถปิดวาล์วได้สนิทได้ แต่การใช้แผ่นไดอะแฟรมทำให้วาล์วชนิดนี้ไม่สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิและความดันที่สูง

MO Memoir ฉบับนี้ร่ายยาวมาเกือบสุดหน้าที่ 9 แล้ว คงต้องพอก่อน ฉบับต่อไปคงเป็นเรื่องของวาล์วกันการไหลย้อนกลับ (check valve หรือ non-return valve) และพวกวาล์วระบายความดัน (safety valve และ relief valve)