Flow characteristic ของ control valve MO Memoir : Thursday 28 July 2559

วาล์วควบคุมการไหลนั้นมีส่วนประกอบหลัก ๆ อยู่ ๒ ส่วนด้วยกันคือตัววาล์ว (valve body assembly) และส่วนที่ทำหน้าที่ควบคุมระดับการเปิด-ปิดของวาล์ว (actuator) actuator ที่ใช้กันแพร่หลายมากที่สุดเห็นจะได้แก่ชนิดที่ใช้แรงดันลมร่วมกับแรงดันสปริงในการควบคุมระดับการเปิดปิด (ดูรูปที่ ๑ ในหน้าถัดไปประกอบ) ซึ่งอาจจะเป็นการใช้แรงดันลมกดให้วาล์วปิดต้านกับแรงดันสปริงที่พยายามดันให้วาล์วเปิด (เรียกว่าวาล์วชนิด fail-open คือถ้าไม่มีแรงดันลม วาล์วจะอยู่ในตำแหน่งเปิด) หรือใช้แรงดันลมดันให้วาล์วเปิดต้านกับแรงดันสปริงที่ดันให้วาล์วปิด (เรียกว่าชนิด fail-close คือถ้าไม่มีแรงดันลม วาล์วจะอยู่ในตำแหน่งปิด) actuator นี้จะรับสัญญาณควบคุม (ที่อาจเป็นสัญญาณไฟฟ้าหรือนิวเมติกส์) ที่เป็นตัวกำหนดว่าจะให้วาล์วเปิดปิดมากน้อยเท่าใด และจะไปควบคุมระดับความดันอากาศที่ใช้กดแผ่นไดอะแฟรมเพื่อให้วาล์วเปิด-ปิดในระดับที่ต้องการ

 

orifice หรือช่องว่างให้ของเหลวไหลผ่านตัววาล์วมีรูปร่างเป็นวงกลม สำหรับวาล์วแต่ละตัวขนาดพื้นที่ orifice นี้จะคงที่ แต่จะเปิดให้ของไหลไหลผ่านได้มากน้อยเท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับรูปร่างของ valve plug และระดับความสูงของ valve plug เมื่อเทียบกับ valve seat (ดูรูปที่ ๒ ประกอบ) ถ้า valve plug ลงมาแนบ valve seat ก็เรียกว่าวาล์วอยู่ในตำแหน่งปิดเต็มที่ (หรือเปิด 0%) ถ้า valve plug ยกตัวขึ้นสูงสุดก็เรียกว่าวาล์วเปิดเต็มที่ (หรือเปิด 100%) และความสัมพันธ์ระหว่างพื้นที่ orifice ที่เปิด (ซึ่งส่งผลต่ออัตราการไหลผ่านตัววาล์วหรือ flow characteristic) ต่อระดับการยกตัวของ valve plug เป็นตัวจำแนกว่าวาล์วตัวดังกล่าวเป็นวาล์วแบบไหน
 

รูปที่ ๑ องค์ประกอบของวาล์วควบคุมแบบที่ใช้กันแพร่หลายมากที่สุด (จากหน้า 7 ของหนังสือ Control valve handbook, 3rd ed. ของบริษัท Fisher control international, INC.) ในรูปตัววาล์วเป็นชนิด globe valve ใช้แรงดันลม (ทำงานผ่าน actuator) ในการควบคุมระดับการเปิด-ปิดของวาล์ว

รูปที่ ๒ Orifice pass area เป็นพื้นที่ที่ให้ของไหลไหลผ่านได้ ขนาดของพื้นที่นี้ขึ้นอยู่กับรูปร่างของ valve plug และระดับการยกตัวของ valve plug เมื่อเทียบกับ valve seat ในตัวอย่างในรูปนี้ที่ตำแหน่งวาล์วปิดเต็มที่ถือว่าระดับการเปิดเป็น 0% ที่ตำแหน่งวาล์วเปิดเต็มที่ถือว่าระดับการเปิดเป็น 100%

(รูปจาก http://www.spiraxsarco.com/Resources/Pages/Steam-Engineering-Tutorials/control-hardware-el-pn-actuation/control-valve-characteristics.aspx)

รูปที่ ๓ แสดงกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลและระดับการยกตัวของ valve plug ของกรณีสมมุติกรณีหนึ่งโดยสมมุติให้อัตราการไหลผ่านวาล์วเมื่อวาล์วเปิดเต็มที่คือ 10 m³/hr และค่าความดันลดคร่อมตัววาล์วคงที่ (คือไม่ขึ้นกับระดับการเปิดของวาล์ว)
 

วาล์วชนิด fast opening หรือ quick opening นั้นอัตราการไหลจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงแรกเมื่อ valve plug เริ่มยกตัวจนเข้าหาค่าสูงสุด จากนั้นจะไม่ค่อยเปลี่ยนแปลงตามระยะการยกตัวของ valve plug เท่าใดนัก วาล์วชนิดนี้มักจะใช้กับงานควบคุมที่ต้องการเพียงแค่การปิด สนิทหรือเปิดเต็มที่เท่านั้น (งานประเภท on-off)
 

วาล์วชนิดที่สองมีรูปแบบความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลและระดับการยกตัวของ valve plug ที่เป็นเส้นตรง (linear characteristic) กล่าวคืออัตราการไหลผ่านจะแปรผันตรงกับระดับการยกตัวของ valve plug กล่าวคือถ้า valve plug ยกตัวสูงขึ้น 20% ของระยะการยกตัวสูงสุด อัตราการไหลผ่านก็จะมีค่าเท่ากับ 20% ของอัตราการไหลผ่านสูงสุด ถ้า valve plug ยกตัวสูงขึ้น 65% ของระยะการยกตัวสูงสุด อัตราการไหลผ่านก็จะมีค่าเท่ากับ 65% ของอัตราการไหลผ่านสูงสุดเช่นกัน
 

วาล์วชนิดที่สามเรียกว่าชนิด equal percentage โดยในทางทฤษฎีนั้น อัตราการไหลผ่านวาล์วที่ระยะการยกตัวของ valve plug ต่าง ๆ นั้นเป็นไปตามสมการ

รูปที่ ๓ ตัวอย่างกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลและ %Valve lift ของวาล์วชนิด Quick openin, Linear และ Equal percentage ที่มีค่า rangeabiligy ต่างกัน (ค่าตัวเลขแสดงไว้ในตารางที่ ๑)

ค่า rangeability คือค่าอัตราส่วนระหว่างอัตราการไหลสูงสุดต่ออัตราการไหลต่ำสุดที่วาล์วตัวนั้นสามารถควบคุมได้ สำหรับ globe valve นั้นจากข้อมูลที่ค้นในอินเทอร์เน็ตบางแหล่งให้ค่ากลาง ๆ ไว้ที่ 50 ในขณะที่บางเว็บบอร์ดนั้นแนะนำไว้ที่ประมาณ 20 และในแคตตาล็อกของผู้ผลิตวาล์วบางรายนั้นให้ค่าสูงถึงระดับหลายร้อย วาล์วที่มีค่า rangeability สูงแสดงว่าสามารถควบคุมการไหลเมื่อวาล์วเปิดไม่มาก (หรือที่อัตราการไหลต่ำ) ได้ดี แต่ก็มีการแนะนำเหมือนกันว่าในการเลือกขนาดวาล์วควบคุมนั้นไม่ควรที่เลือกขนาดวาล์วที่ทำให้วาล์วต้องทำงานในตำแหน่งที่เกือบปิดสนิทหรือเปิดเกือบเต็มที่
  

เพื่อให้เห็นภาพความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลผ่านวาล์วและระยะการยกตัวของวาล์วชนิด equal percentage จะลองคำนวณโดยใช้สมการที่ (1) โดยกำหนดให้วาล์วมีค่า Q_max = 10 m³/hr และมีค่า rangeability (τ) = 20 50 และ 100 ผลการคำนวณที่ได้แสดงไว้ในตารางที่ ๑ ข้างล่าง
 

ในทางปฏิบัตินั้นค่าอัตราการไหลที่ %Valve lift = 0% จะต้องมีค่าเป็นศูนย์ไม่ว่าวาล์วตัวนั้นจะมีค่า rangeability เท่าใด ตัวเลขที่ไม่ใช่ศูนย์ในตารางเป็นตัวเลขที่ได้มาจากสมการที่ (1) 
  

ตัวเลข %Increase แสดง %อัตราการไหลที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับอัตราการไหลก่อนหน้า ตัวอย่างเช่นในกรณีของวาล์วที่มีค่า τ = 20 เมื่อ %Valve lift = 20% จะมีอัตราการไหลเท่ากับ 0.91 m³/hr และเมื่อ %Valve lift เพิ่มขึ้นอีก 10% เป็น 30% จะมีอัตราการไหลเท่ากับ 1.23 m³/hr ดังนั้นอัตราการไหลที่เพิ่มขึ้นเมื่อคิดเป็น % แล้วจะเท่ากับ (1.23 - 0.91)/0.91 x 100 = 34.9% และในทำนองเดียวกันที่ %Valve lift = 60% จะมีอัตราการไหลเท่ากับ 3.02 m³/hr และเมื่อ %Valve lift เพิ่มขึ้นอีก 10% เป็น 70% จะมีอัตราการไหลเท่ากับ 4.07 m³/hr ดังนั้นอัตราการไหลที่เพิ่มขึ้นเมื่อคิดเป็น % แล้วจะเท่ากับ (4.07 - 3.02)/3.02 x 100 ซึ่งก็เท่ากับ 34.9% เช่นกัน
 

ในทำนองเดียวกันจะเห็นว่าในกรณีของวาล์วที่มีค่า τ = 50 นั้นเมื่อวาล์วเปิดเพิ่มขึ้น 10% จากค่าเดิม อัตราการไหลจะเพิ่มขึ้น 47.9% (ไม่ขึ้นอยู่กับว่า %Valve lift เดิมนั้นมีค่าเท่าใด) และในกรณีของวาล์วที่มีค่า τ = 100 นั้นเมื่อวาล์วเปิดเพิ่มขึ้น 10% จากค่าเดิม อัตราการไหลจะเพิ่มขึ้น 58.5% (โดยไม่ขึ้นอยู่กับว่า %Valve lift เดิมนั้นมีค่าเท่าใดเช่นกัน)
 

ตัวอย่างการคำนวณในที่นี้ผมอิงจากหน้าเว็บของบริษัท Spirax sarco ที่ไปดึงเอารูปที่ ๒ มา โดยนำมาขยายความเพื่อให้ผู้ที่ไม่ค่อยมีความรู้พื้นฐานหรือว่ากำลังศึกษาอยู่นั้น (หรือพื้นภาษาอังกฤษไม่ดี) สามารถมองเห็นภาพได้ชัดเจนขึ้น

ปิดท้ายด้วยรูป control valve และระบบ piping ของโรงงานแห่งหนึ่งที่ถ่ายไว้เมื่อ ๒ ปีที่ในขณะที่ไปเดินตรวจสอบหลังการติดตั้ง ดูออกไหมครับว่าการติดตั้งมันมีอะไรไม่ถูกต้องอยู่ ขออนุญาตไม่เฉลยนะครับ :) :) :)