การเลือกขนาดของท่อและถังเก็บลมอัดที่ถูกต้องเป็นสิ่งสำคัญ เพราะจะทำให้ลดการสูญเสียและมีความคุ้มค่าในการลงทุนที่สุด
อาจหาญ ณ นรงค์
ผู้ช่วยผู้จัดการแผนกซ่อมบำรุง
บริษัท โยโกฮาม่า ไทร์ แมนูแฟคเจอริ่ง (ประเทศไทย) จำกัด
ลมอัด (Compressed Air) เป็นต้นกำลังที่สำคัญอย่างหนึ่งในอุตสาหกรรมภาคการผลิตที่มีความสำคัญไม่แพ้ไฟฟ้า ไอน้ำ หรือแม้แต่ระบบไฮดรอลิก เนื่องจากลมอัดมีความยืดหยุ่นในการใช้งานสูง ทั้งรูปแบบของเครื่องจักรและการส่งถ่าย ในระบบลมอัด “ท่อและถังเก็บลมอัด” เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใช้ในการส่งถ่ายลมอัดจากแหล่งกำเนิดคือปั้มลม (Compressor) ไปยังอุปกรณ์หรือเครื่องจักรที่ใช้งาน ซึ่งการเลือกขนาดของท่อและถังเก็บลมอัดที่ถูกต้องเป็นสิ่งสำคัญ เพราะจะทำให้ลดการสูญเสียและมีความคุ้มค่าในการลงทุนที่สุด
สำหรับโรงงานบางประเภท ลมอัดคือต้นกำลังที่สำคัญ
ลมอัด (Compressed Air) เป็นปัจจัยพื้นฐานที่ขาดไม่ได้สำหรับทุกโรงงานหรือหน่วยการผลิต แต่จะใช้มากหรือน้อยขึ้นอยู่กับสายการผลิตเหล่านั้นว่ามีเครื่องจักรหรืออุปกรณ์ที่ใช้ลมอัดมากเพียงใด สำหรับบางโรงงานลมอัดก็ใช้น้อยสำหรับเครื่องจักรแค่ไม่กี่เครื่อง แต่สำหรับบางโรงงานหรือหน่วยการผลิต ลมอัดอาจเป็นพลังงานหลักที่ใช้ในการผลิต
โดยเครื่องอัดลม (Air Compressor) จะทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในการหมุนแกนมอเตอร์เพื่อขับเพลาเครื่องอัดลมและทำลมอัดที่แรงดันที่ต้องการไปเก็บไว้ในรูปของพลังงานศักย์ (Potential Energy) ในรูปของลมอัดที่มีแรงดัน (Compressed Air) จากนั้นก็ส่งต่อไปยังอุปกรณ์ทำงาน (Actuator) เช่น กระบอกลม หรือมอเตอร์ลมเพื่อเปลี่ยนเป็นแรงที่ใช้งานตามรูปแบบต่าง ๆ ที่ต้องการต่อไป
รูปที่ 1 ลมอัดแหล่งสะสมพลังงานในระบบการผลิต
การสูญเสียแรงดันที่เกิดขึ้นเนื่องจากการไหลในท่อ
การสูญเสียในท่อ (Loss in Pipe) คือการสูญเสียที่เกิดจากแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นในท่อที่เกิดขึ้นกับของไหลที่ไหลผ่านท่อซึ่งการสูญเสียจะเกิดในรูปของการสูญเสียแรงดัน ซึ่งมีตัวแปรหลัก ๆ คือ
* ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อ
* แรงดันในระบบ
* ความยาวของท่อ
* ความโค้งงอของท่อ
* ชนิดของวัสดุที่ทำท่อ
ซึ่งสำหรับรายละเอียดของตัวแปรแต่ละตัวมีดังต่อไปนี้คือ
1. ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อ (Pipe Diameter)
เส้นผ่าศูนย์กลางของท่อแปรผันตรงกับพื้นที่หน้าตัดของท่อ โดยที่ท่อที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางมากจะมีพื้นที่หน้าตัดมากและถ้าเส้นผ่าศูนย์กลางน้อยพื้นที่หน้าตัดก็จะน้อยตามไปด้วย ดังนั้นที่สภาวะเดียวกัน ทั้งแรงดัน ชนิดของท่อ และชนิดของของไหลที่ไหลผ่านท่อ
รูปที่ 2 เปรียบเทียบอัตราการไหลของท่อขนาดเล็กและท่อขนาดใหญ่
ถ้าเปรียบเทียบกันระหว่างท่อขนาดเล็กและท่อขนาดใหญ่แล้ว ท่อขนาดใหญ่จะมีอัตราการไหลในท่อมากกว่า เนื่องจากการสูญเสียที่เกิดขึ้นน้อยกว่า ดังตัวอย่างในรูปที่ 2 เป็นการเปรียบเทียบระหว่างการไหลของลมอัดที่ออกจากถังที่มีขนาดเท่ากัน และแรงดันเท่ากัน โดยที่ท่อที่ออกจากถัง A เป็นท่อขนาดเล็ก และท่อที่ออกจากถัง B เป็นท่อขนาดใหญ่
2. แรงดันในระบบ (Pressure in System)
แรงดันก็เป็นตัวแปลหนึ่งที่สัมพันธ์กับการเกิดการสูญเสียแรงดันภายในท่อ ในกรณีที่แรงดันในระบบมากการสูญเสียในท่อก็จะเกิดขึ้นมาก แรงดันในระบบน้อยก็จะเกิดการสูญเสียแรงดันในท่อน้อย แต่ทั้งนี้และทั้งนั้นการสูญเสียแรงดันในท่อที่เกิดจากความแตกต่างของแรงดันนั้นมีน้อยมาก
รูปที่ 3 เปรียบเทียบอัตราการไหลของท่อที่มีแรงดันมากกับท่อที่มีแรงดันน้อย
ดังนั้นสำหรับการไหลในท่อของของไหลที่มีตัวแปรอย่างอื่นเหมือนกันนั้น ท่อที่มีแรงดันมากกว่าจะมีอัตราการไหลที่มากกว่า ดังตัวอย่างในรูปที่ 3 แสดงอัตราการไหลของท่อ A ซึ่งมีแรงดันในระบบต่ำ จากรูปที่ 3A จะเห็นว่า P1A และ P2A มีความแตกต่างกันน้อย ตรงกันข้ามกับรูปที่ 3A ที่ P1B มีแรงดันสูงเมื่อเทียบกับ P1B จึงเห็นว่าขนาดท่อที่เท่ากับแรงในระบบที่มากกว่าจะมีอัตราการไหล (Flow Rate) มากกว่า
3. ความยาวของท่อ
ในการไหลของของไหลที่มีคุณสมบัติเหมือนกัน ความยาวของท่อจะส่งผลโดยตรงต่อแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นเนื่องจากของไหลที่ไหลในท่อที่ไปกระทำกับผนังท่อ ดังนั้นท่อที่มีความยาวกว่าจะเกิดแรงเสียดทานโดยรวมมากกว่าท่อที่สั้นกว่า ดังนั้นจึงส่งผลต่ออัตราการไหลโดยรวมของของไหลที่ไหลผ่านท่อดังกล่าวด้วย
รูปที่ 4 เปรียบเทียบอัตราการไหลของท่อที่มีความยาวแตกต่างกัน
ดังตัวอย่างในรูปที่ 4 เป็นการเปรียบเทียบอัตราการไหลของของไหลที่มีคุณสมบัติเหมือนกันในท่อที่มีความยาวน้อยกว่า (ท่อ A) และท่อที่มีความยาวมากกว่า จะเห็นได้ว่าท่อ A ซึ่งมีความยาวน้อยกว่าจะมีอัตราการไหลมากกว่าเนื่องจากแรงเสียดทานในท่อเกิดขึ้นน้อยกว่าท่อที่มีความยาวมากกว่า (ท่อ B)
4. ความโค้งงอ การลดขนาด การไหลผ่านวาล์วต่าง ๆ ของของไหล
เมื่อของไหลทั้งที่เป็นของเหลวและแก๊สไหลผ่านท่อด้วยความเร็วจะทำให้เกิดโมเมนตัมเนื่องจากการไหลของของไหลนั้น ๆ และเมื่อของไหลดังกล่าวไหลผ่านข้องอ ข้อลด หรือวาล์วต่าง ๆ จะทำให้โมเมนตัมลดลงเนื่องจากของไหลต้องถูกเปลี่ยนแปลงทิศทางการไหลหรือลดขนาดการไหล หรือทั้งสองอย่างพร้อม ๆ กัน เหตุการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นในรูปของแรงต้านทานการไหล ดังนั้นจึงทำให้ความแรงในการไหลของของไหลลดลดลงดังรูปที่ 6
รูปที่ 5 เปรียบเทียบอัตราการไหลของท่อที่มีความโค้งงอของท่อต่างกัน
รูปที่ 6 การสูญเสียในการไหลผ่านข้องอ และวาล์ว ในรูปของการสูญเสียแรงเสียดทานของของไหล
5. ชนิดและวัสดุที่ทำท่อ
ชนิดของวัสดุที่ทำท่อมีผลกับการไหลของของไหลในท่อซึ่งเป็นผลจาก วัสดุแต่ละชนิดจะมีความหยาบและละเอียดที่ผิวด้านในท่อแตกต่างกันซึ่งส่งผลให้เกิดแรงเสียดทานที่ต่างกัน ท่อที่ทำจากวัสดุที่มีความราบเรียบจะมีแรงเสียดทานหรือแรงต้านทานต่อการไหลน้อยกว่าท่อที่ผิวมีความขรุขระ เช่น ท่อที่ทำมาจากเหล็กที่มีความหยาบจะมีแรงเสียดทานต่อการไหลมากกว่าท่อที่ทำมาจากทอแดงรีดขึ้นรูป ดังแสดงในรูปที่ 7
รูปที่ 7 แสดงแรงเสียดทานต่อการไหลของท่อที่มีผิวต่างกัน
ระบบท่อลมอัด (Pneumatic Pipe Line)
เนื่องจากวงจรลมอัด (Compressed Air) โดยปกติจะไม่มีอุปกรณ์ประกอบมากมายนักเนื่องจากใช้งานที่แรงดันต่ำ (โดยปกติจะใช้งานอยู่ที่ต่ำกว่า 7 บาร์) ปัญหาเรื่องการต่อท่อจึงไม่ได้เป็นปัญหาใหญ่สำหรับเรื่องลมอัด
แต่สิ่งที่สำคัญและไม่ควรจะมองข้ามในระบบท่อลมอัดก็คือเรื่องขนาด (Size) และความยาว (Length) ของท่อระหว่างแหล่งจ่ายลมอัด (Reservoir) จุดเชื่อมต่อ (Branch) และเครื่องจักรหรืออุปกรณ์ทำงาน (Actuator) เช่น กระบอกลม มอเตอร์ลมและอื่น ๆ
รูปที่ 8 แสดงการวางรูปแบบของระบบท่อลมอัด
ความยาวจากแหล่งจ่ายลมหรือวาล์วไปยังอุปกรณ์ทำงานต้องสั้นที่สุดและมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อที่พอดีที่สุดที่จะสามารถส่งถ่ายลมอัดไปยังอุปกรณ์ได้อย่างเหมาะสมตามความต้องการของอุปกรณ์ทำงาน (Actuator) นั้น ๆ เนื่องจากระยะทางระหว่างท่อและวาล์วที่สั้นที่สุดและขนาดท่อที่พอดีจะทำให้เกิดการสูญเสียแรงดันจากแรงเสียดทานน้อย (Friction Loss) ที่สุด
ปัญหาอีกอย่างหนึ่งในการติดตั้งท่อลมคือ ความต้องการจำนวนลมอัดที่เพียงพอในแง่อัตราการไหล (Flow Rate) และแรงดัน (Pressure) ตลอดเวลาที่เครื่องจักรหรืออุปกรณ์ทำงาน (Actuator) ทำงาน
1. วัสดุที่ใช้ทำท่อลม
วัสดุที่ใช้ทำท่อ ขนาดทั้งในแง่ของเส้นผ่าศูนย์กลางและแรงดัน โดยปกติลมอัดในระดับแรงดัน7บาร์ที่ใช้กันทั่ว ๆ ไปจะใช้ท่อขนาด Schedule 40 โดยปกติจะแนะนำให้ใช้ท่อที่เป็นเหล็กรมดำ (Black Iron Pipe) แต่ส่วนใหญ่จะใช้ท่อกัลวาไนซ์เนื่องจากมีความทนทานต่อการเกิดสนิมมากกว่า แต่ข้อควรระวังในการใช้ท่อกัลวาไนซ์ก็คือ หลังจากที่ใช้งานไปนาน ๆ อาจเกิดการกะเทาะ (Flake) ขึ้นในท่อและทำให้เกิดการอุดตันและสร้างความเสียหายให้อุปกรณ์ที่เคลื่อนที่ได้ เช่น ชุดโซลินอยด์วาล์ว
2. ขนาดและความยาวของท่อลมที่เหมาะสม
รายละเอียดของความสัมพันธ์ระหว่าง แรงดัน (Pressure) อัตราการไหล (Flow Rate) ขนาด (Size) และความยาว(Length) ของท่อในการติดตั้งท่อลมอัดมีรายละเอียดดังตารางที่ 1 จากตารางจะแสดงอัตราการไหลของลมอัดด้านซ้ายมือจากบนลงล่าง ความยาวของท่อ
ส่วนด้านขวามือจะแสดงกำลังของเครื่องอัดอากาศ (Compressor) ส่วนตรงกลางของตารางจะเป็นขนาดของท่อที่ใช้ที่สภาวะต่าง ๆ ข้างต้น โดยขนาดของท่อจะไม่รวมการติดตั้งวาล์ว (Valve) และข้อต่อ (Fitting) ต่าง ๆ ในกรณีที่มีการติดตั้งวาล์วเพิ่มในระบบท่อให้บวกความยาวเพิ่มไป 5–7 ฟุต (1–2 เมตร) ต่อวาล์วเพิ่มเข้าไปและนำมาเปรียบเทียบกับตาราง สำหรับการเลือกใช้ท่อที่ใหญ่กว่านั้นจะสามารถลดการสูญเสียแรงดัน (Reducing Pressure Drop) แต่จะเป็นการเพิ่มปริมาตรโดยรวมของระบบ (Storage Volume)
ตารางที่ 1 ตารางแนะนำการเลือกขนาดท่อ (เส้นผ่าศูนย์กลางเป็น นิ้ว) ที่ความยาวและอัตราการไหลต่าง ๆ
สิ่งที่ต้องรู้เป็นอันดับแรกในการคำนวณเพื่อหาขนาดของท่อคืออัตราการไหลของลมอัดว่าเท่าไหร่ ซึ่งเราสามารถที่จะรู้ได้จากอัตราการใช้ลมของแต่ละอุปกรณ์ แต่ละเครื่องจักรโดยข้อมูลอาจมาจากการคำนวณหรือจากคู่มือเครื่องจักรที่ให้มาจากนั้นก็เอาจำนวนทั้งหมดมารวมกันก็จะทำให้เราสามารถทราบอัตราการไหลของอากาศที่ต้องการที่ไหลผ่านท่อลมได้ จากนั้นก็มาดูว่าระยะจากจุดที่จะใช้งานถึงแหล่งจ่ายมีความยาวเท่าไหร่และสุดท้ายก็มาเลือกขนาดของท่อลมที่จะใช้จากตารางที่ 1
3. การวางรูปแบบของท่อลม (Pipe Line Lay Out)
สำหรับการวาง Layouts ของท่อลมที่ใช้กันโดยทั่วไปในโรงงานนั้นมีหลัก ๆ 3 แบบ คือ ขึ้นอยู่กับขนาดของโรงงาน จำนวนเครื่องจักร และอัตราการใช้ลม ซึ่งบางแห่งอาจเลือกใช้แบบใดแบบหนึ่งและบางแห่งก็อาจใช้หลายแบบผสมกันก็ได้ ซึ่งมีรายละเอียดในแต่ละแบบดังต่อไปนี้คือ
3.1 การวาง Layouts แบบกริด (Grid System)
เหมาะกับไลน์หรือกลุ่มเครื่องจักรเล็ก ๆ ที่มีอัตราการใช้ลมน้อยและระยะการจ่ายลมจากเครื่องอัดลมไปจนถึงท้ายไลน์ไม่ไกลมากนัก โดยท่อเมน (Main Pipe) ที่ต่อออกจากถังลมมีขนาดใหญ่แล้วค่อย ๆ ลดขนาดให้เล็กลงในตอนท้าย ส่วนท่อสาขา (Branch Pipe) จะต่ออกจากท่อหลักเข้าสู่เครื่องจักรต่าง ๆ ลงดังรูปที่ 9
รูปที่ 9 ไลน์การจ่ายลมแบบกริด
3.2 การวาง Layouts แบบวงท่อ (Loop Piping System)
เหมาะกับไลน์หรือกลุ่มเครื่องจักรที่มีขนาดใหญ่หรือครอบคลุมพื้นที่มาก มีอัตราการใช้ลมที่มากและท่อลมมีความยาวมาก ดังรูปที่ 10 การจัดวางไลน์ท่อลมแบบวง ( Loop Piping System) นั้น วงของท่อจะเชื่อมต่อกันทั้งหมด และจ่ายลมออกจากเครื่องอัดอากาศ (Air Compressor) ผ่านถังเก็บลมและระบบปรับปรุงคุณภาพลมเข้าสู่วง (Loop) ของท่อลม
เนื่องจากไม่มีหัวไลน์และท้ายไลน์จึงทำให้การสมดุลแรงดันเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพจึงทำให้เกิดปัญหาแรงดันลมตก (Pressure Drop) น้อยกว่าระบบอื่น อีกทั้งเมื่อเกิดการใช้ลมที่ส่วนท้ายของวงท่อเป็นปริมาณมาก ลมจะวิ่งจากจุดจ่ายไปยังจุดที่ต้องการใช้ลมโดยผ่านท่อทั้งสองด้านของวงทำให้สามารถรองรับปริมาณการใช้ลมที่มากกว่าได้ในท่อขนาดเดียวกัน
รูปที่ 10 ไลน์การจ่ายลมแบบวง
สำหรับไลน์การผลิตอีกรูปแบบที่การผลิตหรือการเดินเครื่องไม่พร้อมกันในแต่ละเวลา เช่น มีไลน์การผลิตย่อยหลายไลน์ แต่ละไลน์มีเครื่องจักรที่มีรูปแบบที่แตกต่างกัน และการผลิตของไลน์แต่ละไลน์ไม่ได้ทำในเวลาเดียวกันหรืออาจมีเวลาที่ Lap กัน รูปแบบการเดินท่อและจ่ายลมอาจใช้รูปแบบผสมหรือรูปแบบแยกหน่วยได้
โดยรูปแบบนี้จะแบ่งไลน์ลมออกเพื่อความเหมาะสมกับความต้องการลมของแต่ละหน่วยผลิตย่อย ซึ่งอาจพิจารณาจากปริมาณการใช้ลม ขนาดและความยาวของท่อลมที่ใช้ตลอดจนเรื่องอื่น ๆ จากนั้นก็ติดตั้งปั้มลมและถังเก็บลมสำหรับแต่ละหน่วยการผลิตโดยอาจมีทั้งไลน์ลมแบบวง (Loop) สำหรับหน่วยการผลิตย่อยที่มีขนาดใหญ่และไลน์ลมแบบกริด (Grid) สำหรับหน่วยการผลิตขนาดเล็กที่ใช้ลมไม่มาก
รูปที่ 11 ไลน์การจ่ายลมแบบผสมหรือแยกหน่วย
ในการเดินท่อลมหลักที่ออกจากถังเก็บลมมายังไลน์การผลิตนั้นท่อลมที่เดินควรมีความลาดเอียงในอัตราประมาณ 1: 100 เพื่อที่จะช่วยให้นำที่อาจกลั่นตัวในท่อลมสามารถไหลไปรวมกันที่ปลายท่อและถูกกำจัดออกไปได้อย่างรวดเร็วโดยตัวระบายน้ำ (Water Drain)
รูปที่ 12 แนวระดับความเอียงและการต่อท่อในการเดินท่อลม
ถังเก็บลมอัด (Air Reservoir Tank)
ถังเก็บลม (Air Reservoir Tank) มีหน้าที่เก็บลมอัดที่ปั้มลม (Compressor) สร้างขึ้นมาเพื่อเตรียมที่จะจ่ายไปยังอุปกรณ์และเครื่องจักรต่าง ๆ ที่ใช้ลมอัด นอกจากหน้าที่หลักคือเก็บลมอัดแล้วถังเก็บลมยังช่วยให้แรงดันลมอัดที่จ่ายไปยังอุปกรณ์ต่าง ๆ นั้นมีค่าคงที่ไม่ลดลงมากเกินไปในช่วงที่เครื่องจักรต่าง ๆ ใช้ลมอัดเป็นจำนวนมากพร้อมกัน และนอกจากนั้นยังช่วยให้ปั้มลมไม่ทำงานและหยุดทำงาน (Start–Stop) บ่อยเกินไปเนื่องจากแรงดันที่ไม่คงที่
ถ้าเปรียบไปแล้วถังเก็บลมจะทำหน้าที่เหมือนตัวเก็บประจุในวงจรไฟฟ้านั้นเอง นอกจากนี้แล้วถังลมก็ยังช่วยลดความชื้นในลมอัดอีกทางหนึ่ง คือการที่ความชื้นในลมอัดกลั่นตัวเป็นหยดน้ำและตกลงสู่ก้นของถังเก็บลมและถูกถ่ายออกในที่สุด
รูปที่ 13 ถังเก็บลมอัด (Air Reservoir Tank)
1. การเลือกขนาดของถังเก็บลมอัดให้เหมาะสมกับอัตราการใช้งาน
การเลือกขนาดของถังเก็บลมอัดให้เหมาะสมกับภาระการใช้งานลมอัดในระบบเป็นสิ่งที่สำคัญเป็นอย่างยิ่งเพราะการเลือกขนาดของถังลมอัดที่เหมาะสมจะทำให้อุปกรณ์เครื่องจักรต่าง ๆ เช่น ปั้มลม ตลอดจนแรงดันของระบบเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ โดยสรุปแล้วการเลือกใช้ขนาดถังเก็บลมที่ไม่ถูกต้องจะส่งผลดังนี้คือ
1.1 ถังเก็บลมอัดมีขนาดเล็กเกินไป จะทำให้
* แรงดันในระบบจะแกว่ง (Swing) ไปมาไม่คงที่ ตามสภาวะการใช้งาน
* ปั้มลมต้องทำงานและหยุดบ่อยเนื่องจากแรงดันที่แกว่งไปมาตามภาระการใช้งานของลมอัด ส่งผลถึงอัตราการสึกหรอของปั้มลมและความสิ้นเปลืองกระแสไฟฟ้า
* เครื่องจักรจะทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพเนื่องจากแรงดันลมไม่ราบเรียบ ในกรณีอาจเปลี่ยนแปลงไปถึง 1 บาร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับเครื่องจักรหรือกระบอกลมขนาดใหญ่ที่ใช้ลมเป็นจำนวนมากพร้อม ๆ กัน
1.2 ถังเก็บลมใหญ่เกินไป จะทำให้
* ปริมาตรโดยรวมของลมอัดที่เครื่องอัดลมต้องทำ ซึ่งรวมปริมาตรของท่อทางทั้งหมดและถังลมรวมกันจะมาก ทำให้ปั้มลมต้องทำงานหนักเกินความจำเป็น
* ราคาในการลงทุนสูง
จากข้อสรุปข้างต้นทำให้เราต้องหาปริมาตรของถังลมที่พอดีกับภาระของลมอัดที่ใช้ โดยปกติขนาดของถังเก็บลมอัดจะต้องสามารถเก็บลมไว้จ่ายให้ระบบได้ประมาณ 1 นาทีถ้าหากปั้มลมหยุดทำงาน ซึ่งสามารถคำนวณได้โดยสมการต่อไปนี้ (โดยไม่พิจารณารวมประสิทธิภาพเชิงปริมาตรแต่จะพิจารณาจากขนาดการผลิตลมที่อัตราการไหลคงที่ของปั้มลม)
ขนาดของถังเก็บลม, Vr = …… ……. (1)
และเพื่อง่ายต่อการคิดเมื่อคิดค่าแรงดันบรรยากาศเท่ากับ 1 บาร์จะได้ในรูปสมการ
Vr = ……………..……. (2)
โดยที่ Q คือ อัตราการการใช้ลมของระบบ, Nm3/min FAD
Pa คือ แรงดันบรรยากาศ, bar
Pd คือ แรงดันด้านจ่าย (Discharge), barabs
ตัวอย่างที่ 1
ปั้มลมเครื่องหนึ่งมีอัตราการไหล 400 m3/min FAD แรงดันบรรยากาศ และแรงดันทางจ่าย 7 bargauge จงหาขนาดของถังเก็บที่จะต้องใช้
จากสมการที่ 1 ขนาดของถังเก็บลม, Vr = = 51.44 m3
จากข้อมูลที่ได้จากการคำนวณ เราจะเห็นว่าถ้าเปรียบเทียบกับการใช้งานจริง ๆ แล้ว ขนาดถังเก็บลมอัด (Vr) จะใหญ่มาก ซึ่งถ้ามองโดยทางทฤษฎีในการคำนวณแล้ว ขนาดของถังเก็บจะรวมทั้งปริมาตรของถังเก็บ (Vr) และปริมาตรของท่อทาง (Pipe Line Volume) ทั้งหมดในระบบ ซึ่งปริมาตรของท่อทางเราจะถือเป็นส่วนหนึ่งของถังเก็บด้วยถ้ามองภาพทั้งระบบ
เนื่องจากขนาดของถังเก็บลมนั้นขึ้นอยู่กับองค์ประกอบหลายอย่างดังต่อไปนี้คือ ขนาดกำลังการผลิตลมอัดของปั้มลม อัตราการใช้ลมอัด ขนาดของท่อลมแต่ละจุดที่ใช้และปริมาตรโดยรวมทั้งหมดของท่อทางในระบบซึ่งส่งผลกับแรงดันและอัตราการไหลของลมอัด โดยทั่วไปแล้วคำแนะนำในการเลือกใช้ขนาดของถังเก็บลม (Air Reservoir) นั้นจะเลือกจาก 2 ตัวเลือกหลักคือ อัดตราการไหลของลมอัด และขนาดนาดกำลังของปั้มลม ดังรายละเอียดต่อไปนี้
ตารางที่ 2 ขนาดถังลมที่แนะนำคิดจากอัตราการไหล ตารางที่ 3 ขนาดถังลมที่แนะนำคิดจากกำลังของปั้มลม
จากตารางที่ 2 และตารางที่ 3 เมื่อเราพิจารณาและดูจากหน้างานทั่ว ๆ ไปที่เราเห็นได้จากหลาย ๆ ที่ จะเห็นว่าข้อมูลจากตารางที่ 3 คือการเลือกขนาดถังลมที่แนะนำคิดจากกำลังของปั้มลม จะถูกนำมาใช้งานกันมากกว่าสำหรับหน่วยผลิตลมอัด เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วง่ายต่อการเลือกกว่า ไม่ต้องพิจารณารายละเอียดอัตราการใช้ลมมาก เช่น ถ้าเราเลือกใช้ปั้มลมขนาด 200 แรงม้า เราก็สามารถเลือกถังลมขนาด 3 m3 ได้เลย
ในขณะที่ตารางที่ 2 เป็นการพิจารณาเลือกขนาดถังลมที่คิดจากอัตราการไหลของลมอัดซึ่งสำหรับระบบใหญ่ที่มีการใช้ลมอัดกับหลายเครื่องจักรและที่หลายแรงดัน ดังนั้นจึงไม่ง่ายที่จะสามารถคำนวณปริมาณการไหลได้อย่างถูกต้อง ดังนั้นการเลือกขนาดถังลมจากตารางที่ 2 จึงน่าจะเหมาะกับการพิจารณาเลือกขนาดถังลมสำหรับหน่วยใช้ลมย่อย หรือเครื่องจักรหรือกลุ่มเครื่องจักรที่เราสามารถคำนวณปริมาณการไหลของลมอัดได้
นอกจากนั้นจากตารางที่ 2 เราจะเห็นว่าข้อมูลขนาดของถังเก็บลมอัดจะใกล้เคียงกับการคำนวณจากสมการที่ 1 และ 2 และตัวอย่างการคำนวณที่ 1 ดังนั้นในกรณีที่จะใช้สมการที่ 1 ในการคำนวณหาขนาดของถังเก็บลมก็ให้รวมเอารวมทั้งปริมาตรของถังเก็บ (Vr) และปริมาตรของท่อทาง (Pipe Line Volume) ทั้งหมดในระบบในการคำนวณไว้ด้วย
การไหลของอากาศอิสระ (Free air delivery)
อัตราการไหลที่ใช้อ้างอิงกับปั้มลมที่เราเห็นกันอยู่ในหน่วยต่าง ๆ เช่น m3/Min, m3/hr, cfm นั้น คืออัตราการไหลที่เราเรียกว่าการไหลของอากาศอิสระ (Free Air Delivery, FAD.) โดยการไหลของอากาศอิสระคือจำนวนของอากาศที่แรงดันบรรยากาศ (1 atm) อุณหภูมิ 20 oCที่ถูกดูดเข้าไปยังทางเข้า (Inlet) ของเครื่องอัดอากาศ
การคำนวณหาอัตราการไหลของอากาศอิสระ (FAD)
การไหลของอากาศอิสระสามารถคำนวณได้จากสมการ
FAD = ….………… (3)
โดยที่ FAD คือ อากาศอิสระ (Free Air Delivery) m3
P2 คือแรงดันสุดท้ายที่ออกจากปั้มลม, barabs
P1 คือ แรงดันเริ่มต้น หรือแรงดันตรงช่องทางดูด, barabs
Pa คือ แรงดันบรรยากาศ, barabs
V คือ ปริมาตรถังเก็บลม, m3 ซึ่งรวม ปริมาตรถังลม, ปริมาตร After Cooler ตลอกจนปริมาตรท่อทางทั้งหมด
t คือ เวลาสร้างแรงดันจากแรงดันเริ่มต้น (P1) ไปจนถึงแรงดันสุดท้าย (P2), s
ตัวอย่างที่ 2
ปั้มลมขนาดเล็กเครื่องหนึ่งมีถังเก็บลมขนาด 0.4 m3 ถูกตั้งแรงดันสูงสุดซึ่งเครื่องจะตัดการทำงานอยู่ที่ 8 bar (800 kPa) และแรงดันที่ปั้มเริ่มทำงานอยู่ที่ 6 bar (600 kPa) โดยปั้มทำงานที่แรงดันแวดล้อมเท่ากับ1บรรยากาศ คือ 1.013 bar ระยะเวลาที่เริ่มอัดอากาศจากแรงดัน 6 bar ถึง 8 bar คือ 45 วินาที จงหาอัตราการไหลอิสระของอากาศที่เข้าเครื่องอัดลม
จากคำถามด้านบน ถังลมมีขนาด V = 0.4 m3, แรงดันสุดท้ายของลมอัดที่ปั้มลมตัดการทำงาน, P2 คือ 8 bar แรงดันที่ปั้มลมเริ่มทำงานคือ 6 bar และระยะเวลาเริ่มตั้งแต่แรงดันเริ่มต้นถึงแรงดันสุดท้ายคือ 45 วินาที (45/60) = 0.75 นาที
ดังนั้นอัตราการไหลของอากาศอิสระจากสมการที่ 3 = = 1 m3/นาที
สรุป
จากบทความข้างต้นซึ่งผู้เขียนได้กล่าวมาแล้วนั้นเนื้อหาส่วนใหญ่จะเป็นรายละเอียดทั่วไปที่อธิบายด้วยรูปภาพ ตารางและเนื้อหาที่ง่าย ๆ ซึ่งผู้เขียนเชื่อว่าคงจะสามารถทำให้ผู้อ่านมีความเข้าใจเพิ่มเติมถึงเรื่องระบบท่อรวมถึงถังเก็บลมอัดบ้างไม่มากก็น้อย และสามารถนำความรู้ดังกล่าวไปใช้ให้เกิดประโยชน์กับงานที่รับผิดชอบอยู่ได้
เอกสารอ้างอิง
[1] Sizing of Air Receiver, Air Technology Co., Ltd.
[2] CAAA PROTOCOL 2000 FOR RECIPROCATING AIR COMPRESSORS, Air and Mine Equipment Institute of Australia, July.2001
[3] http://www.hydraulicspneumatics.com
[4] http://www.engineeringtoolbox.com
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
Thailandindustrycom_official
