รู้อย่างถูกหลักเกี่ยวกับระบบอัดอากาศ
ธนกร ณ พัทลุง
 

      โรงงานอุตสาหกรรมโดยส่วนใหญ่จะต้องใช้ลมอัด (Compressed Air) เป็นส่วนหนึ่งในระบบการผลิตเช่น ทำความสะอาดอุปกรณ์หรือใช้ในระบบควบคุม เป็นต้น จึงทำให้การเลือกเครื่องอัดอากาศและการเดินท่อลมอัดนั้นจะต้องเลือกและติดตั้งอย่างถูกหลักวิศวกรรม เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ, ลดต้นทุนในการผลิตรวมทั้งความปลอดภัยด้วย

 การติดตั้งเครื่องอัดอากาศ
   
  การติดตั้ง Air Compressor นั้นควรติดตั้งแบบถาวรมีห้องต่างหากโดยเฉพาะ และควรเป็นที่มีอากาศแห้ง สะอาด ปราศจากฝุ่นละออง รวมทั้งต้องมีการระบายอากาศของห้องตามหลักดังรูปที่ 1 (ติดตั้งพัดลมระบายอากาศภายในห้องเครื่องอัดอากาศ) โดยกำหนดจำนวนเท่าของการเปลี่ยนปริมาตรอากาศต่อชั่วโมง (Air Changes/hr) ควรมีค่าระหว่าง 10-15 หรือคิดเป็นปริมาณลมระบายอากาศได้จากสูตร (1)

    

 

รูปที่ 1 แสดงหลักการระบายอากาศของห้องติดตั้งเครื่องอัดอากาศ

 

การติดตั้งเครื่องอัดลม (Installations) มีข้อแนะนำดังนี้

- สถานที่ติดตั้งควรจะอยู่ในบริเวณที่มีความชื้นต่ำ, มีการถ่ายเทอากาศที่ดี (โดยเฉพาะเครื่องอัดอากาศที่ใช้ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศ)

- ควรติดตั้ง I-beam และรอก เพื่อสะดวกในการเคลื่อนย้ายเมื่อมีการบำรุงรักษา ดังแสดงในรูปที่ 2

 

รูปที่ 2 แสดงการติดตั้ง I-Beam สำหรับการบำรุงรักษา

 

- ห้องที่ติดตั้งควรมีทางออกที่สะดวกในการที่จะต้องนำอุปกรณ์ที่จำเป็นต้องซ่อมแซมออกจากห้อง

- ควรติดตั้ง อุปกรณ์กันการสั่นสะเทือน (Vibration Isolator) ที่ฐานของเครื่องอัดลม เพื่อลดการสั่นสะเทือนไปยังโครงสร้างของห้อง

- หลังการติดตั้งระบบอัดอากาศแล้วควรมีการ ทดสอบที่ระบบความดัน 150% ของความดันใช้งาน

- จะต้องคำนึงถึงเรื่องเสียงของเครื่องอัดลม ถ้าเป็นไปได้ควรติดตั้งในสถานที่ที่มีคนไม่แออัด

ตารางที่ 1 แสดงระดับเสียงที่ยอมรับได้ (Permissible Noise Exposure จาก Sullivan)

 

ชนิดเครื่องอัดอากาศและการเลือก

การกำหนดขนาด
     ในการกำหนดขนาดของเครื่องอัดอากาศ สิ่งที่ต้องพิจารณาอันดับแรกคือ อัตราการใช้ลม (Air Consumption) ของเครื่องมือ อุปกรณ์ที่ใช้อากาศอัดบวกกับค่าเผื่อ 25–50 % เพื่อการขยายในอนาคตและจะต้องรวมถึงปริมาณลมที่อาจจะรั่วไหลตามท่อทางและอุปกรณ์ต่าง ๆ ประมาณ 20 % ด้วย (โดยทั่วไปโรงงานจะมีการสูญเสียจากการรั่วไหลของอากาศอัดประมาณ 20 %)

 ข้อมูลทางด้านเทคนิคของเครื่องอัดอากาศแต่ละชนิด

- ประเภทลูกสูบ (Reciprocating) เป็นแบบ Positive Displacement การอัดลมเกิดขึ้นจากการทำงานของลูกสูบเคลื่อนขึ้น-ลง ในกระบอกสูบ การสึกหรอของเครื่องจักร, ค่าบำรุงรักษาและความสั่นสะเทือนของเครื่องจักรค่อนข้างสูง ดังรูปที่ 3

- ประเภทโรตารี่ (Rotary) การอัดลมเกิดขึ้นจากการหมุนของโรเตอร์ (Rotor) 2 ชิ้น ขบกันในแนวเส้นรอบวงโดยจะเกิดแรงเหวี่ยง (Centrifugal Force) อัดลมในช่องอัด (Compression Chamber) ทำให้ระบบการหล่อลื่นของเครื่องอัดลมชนิดนี้ต้องดี เพื่อลดการสึกกร่อนของโรเตอร์ นอกจากนี้การเพิ่มความดันของลมก็สามารถทำได้โดยการเพิ่มสเตจ (Stage) ของเครื่องอัดลม ดังรูปที่ 4

- แบบหอยโข่ง (Centrifugal) เครื่องอัดลมชนิดนี้ทำงานโดยการหมุนของใบพัด (Impeller) ทำให้เกิดแรงเหวี่ยง ซึ่งจะเหมาะสมสำหรับปริมาณลมที่มาก ๆ เครื่องอัดลมแบบนี้มีการสึกกร่อนของใบพัดน้อย รวมทั้งมีละอองน้ำมันไปกับลมน้อยมาก จึงเหมาะสำหรับระบบที่ต้องการลมที่สะอาดปราศจากน้ำมัน (Oil Free) ดังรูปที่ 5

 

   รูปที่ 3 เครื่องอัดแบบลูกสูบ

 

รูปที่ 4 เครื่องอัดลมแบบโรตารี่สกรู

รูปที่ 5 เครื่องอัดลมแบบหอยโข่ง

 

- เลือกช่วงความดันใช้งาน ซึ่งปรกติอยู่ระหว่าง 80–140 psi หรือLb/ft3 (5.5–9.65 บาร์) และการคำนวณค่ารวมปริมาณความต้องการอากาศอัดของเครื่องมืออุปกรณ์ในรูปอากาศอิสระ (ขนาดของเครื่องอัดอากาศจะเล็กกว่าค่าที่คำนวณนี้ไม่ได้ แม้ว่าจะมีถังใหญ่ ๆ เพื่อช่วยสะสมและจ่ายในช่วงความต้องการสูง (Peak) ก็ตาม มิฉะนั้นปริมาณอากาศอัดจะไม่พอใช้

ถังเก็บลมอัด (Compressed Air Receiver)

     ถังเก็บลมปกติจะทำด้วยถังเหล็ก (SS400) แบบรับแรงดัน (Pressure Vessel) ซึ่งมีหน้าที่ในการเก็บลม เพื่อรักษาความดันลมของระบบให้คงที่อยู่ตลอดเวลา นอกจากนี้ยังช่วยลดปริมาณน้ำในระบบด้วย

     ถังเก็บลม ดังรูปที่ 6 จะประกอบด้วย เกจวัดความดัน (Pressure Gauge), ลิ้นนิรภัย (Safety Valve), แอร์แทรป (Air Trap) ฯลฯ ต้องมีถังเก็บลม 1 ถัง ต่อเครื่องอัดอากาศ 1 เครื่อง

 

รูปที่ 6 แสดงรายละเอียดการติดตั้งถังเก็บลม

 

       ขนาดของถังเก็บลมต้องเลือกถังอากาศอัดให้มีขนาดใหญ่พอ เพื่อจะได้จ่ายอากาศโดยไม่เกิดการกระเพื่อมของความดันในขณะที่ต้องการอากาศมาก ปกติถังเก็บอากาศต้องมีความจุประมาณ 8 เท่าของอากาศอัดได้ในหนึ่งวินาทีและควรเพิ่มค่าเผื่ออีก 25% สำหรับการขยายในอนาคตและควรดำเนินทำ Hydrostatics Test ตามความถี่ที่เหมาะสมเพื่อตรวจสอบสภาพในด้านความปลอดภัย

 

ระบบการส่งจ่ายลมอัด (Compressed Air System)

        ระบบการจ่ายอากาศอัด (Pneumatic distribution system) หรือการเดินท่อระบบอากาศอัดต้องเป็นดังนี้

- ทำให้เกิดการสูญเสีย (Losses) น้อยที่สุด โดยกำหนดให้ค่าการสูญเสียไม่เกิน 10 % โดยที่มีการสูญเสียในท่อร่วม (Main) ไม่เกินครึ่งหนึ่ง

- จะต้องวางท่อให้ลาดเอียง 0.1-0.25 in/ft และที่จุดปลายต่ำสุดของท่อควรติดตั้งวาล์ว สำหรับระบายน้ำที่ตกค้างภายในท่อทิ้งหรือติดตั้ง Auto Drain นอกจากนี้ต้องหาตำแหน่งที่จะนำน้ำที่เกิดจากการกลั่นตัวของความชื้นอากาศออกจากระบบท่อจะระบายทุก ๆ 30 เมตร (ติดตั้ง Auto Drain ทุก ๆ 30 เมตร )  โดยตำแหน่งที่ติดตั้ง Auto Drain ได้แก่ บริเวณใต้ถังพัก, Air Dryer, กรองลมอัด และที่ความยาวของท่อเมน ทุก ๆ 30 เมตร

- ลักษณะการเดินท่อลมอัดควรเป็นแบบวงแหวน (Ring Main) ดังรูปที่ 7 เพราะจะช่วยในการรักษาแรงดันและลดแรงดันตกในระบบท่อเมน

 

 

     

     รูปที่ 7 แสดงการเดินท่อเมนลมอัดแบบวงแหวน

 

- เพื่อเป็นการลดเสียงที่เกิดจาการสั่นสะเทือนต้องใช้ข้อต่อแบบยืดหยุ่น (Flexible Coupling) ดังรูปที่ 8

 

                                          
     รูปที่ 8 แสดงการใช้ท่อ Flexibleเพื่อลดการสั่นสะเทือน

 

   ระบบอัดอากาศต้องมี After Cooler เพื่อทำการระบายความร้อนให้กับลมอัดหลังจากถูกอัดเพิ่มความดันให้สูงขึ้น ดังในรูปที่ 9

   อากาศอัดที่ผ่านการระบายความร้อนมาแล้วต้องนำมาผ่านการกำจัดความชื้น โดยใช้เครื่องทำความเย็น (Air Dryer) เป็นตัวกำจัดความชื้น (ต้องติดตั้ง Air Dryer ในระบบ) ดังในรูปที่  9

   อากาศอัดที่ออกจากถังเก็บก่อนที่จะเข้าสู่ Air Dryer ต้องผ่านกรองอากาศอัด (Compressed Air Filter) แบบ “P” (Particulate Filter Media)แบบ “C” (Coalesce Filter Media) เพื่อกรองเศษวัตถุ,สิ่งสกปรกที่ปนมารวมทั้งกรองน้ำมันหล่อลื่นที่ปนมาบางส่วน ตามลำดับ ดังในรูปที่ 10

รายละเอียดของวัสดุที่นำมาทำตัวกรอง Filter

- แบบ C  วัสดุที่ใช้ทำกรอง คือ Micro-glass Coalesce ความละเอียดในการกรอง 0.2–2 ไมครอน
- แบบ P วัสดุที่ใช้ทำกรอง คือ Pleated Cellulose ความละเอียดในการกรอง 1-5 ไมครอน

   และควรติดตั้ง Differential Pressure Gauge ที่กรองลมอัดเพื่อตรวจสอบค่าความดันตกทำให้ทราบการเสื่อมสภาพของไส้กรอง ดังรูปที่ 10

รูปที่ 9 แสดงการติดตั้งระบบการส่งจ่ายลมอัด

 

รูปที่ 10 แสดงการติดตั้ง Differential Pressure Gauge ที่กรองลมอัด

 

การติดตั้งท่อส่งลมอัด (Installation of Pipeline)

- ท่อสาขาซึ่งแยกออกจากท่อเมนเพื่อไปใช้งานนั้นต้องต่อขึ้นทางด้านบนและงอโค้งลงมาเพื่อป้องกันน้ำกลั่นตัวที่มากับกระแสลมอัดไหลเข้าสู่อุปกรณ์นิวแมติก ดังรูปที่ 11 - ท่อสาขาซึ่งแยกออกจากท่อเมนเพื่อไปใช้งานนั้นต้องต่อขึ้นทางด้านบนและงอโค้งลงมาเพื่อป้องกันน้ำกลั่นตัวที่มากับกระแสลมอัดไหลเข้าสู่อุปกรณ์นิวแมติก ดังรูปที่ 11

รูปที่ 11 แสดงการต่อท่อแยกจากท่อเมน

 

- ท่ออากาศอัดขนาดเล็ก (เส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่า1 ?”) ควรใช้ท่อทองแดงอ่อนชนิด “L” ดังรูปที่ 12 ส่วนกรณีที่ใหญ่กว่า 1 ?” ควรใช้เหล็กกล้าชุบสังกะสี มาตรฐาน ASTM-A-120 Grade A-53 Schedule 40 หรือ BS 1378 Medium Weight Galvanized Steel Pipe ดังรูปที่ 13

 

รูปที่ 12 แสดงลักษณะท่อทองแดง

 

 รูปที่ 13 แสดงท่อเหล็กกล้าชุบสังกะสี

 

- ส่วนท่อที่ใช้กับเครื่องจักร (Machine Lines) ซึ่งใช้ต่อภายในวงจรนิวแมติกเชื่อมโยงระหว่างอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่นวาล์วลูกสูบ,วาล์วควบคุมให้ใช้ท่อพลาสติกอ่อนหรือสายลม ดังในรูปที่ 14

 

รูปที่ 14 แสดงการใช้ท่อพลาสติกเมื่อนำลมอัดไปใช้กับอุปกรณ์ต่าง ๆ

 

การกำหนดขนาดท่อลม (Determination of the Pipeline)

- การหาขนาดของท่ออากาศอัดใช้ตารางที่ 2 ความดันอ้างอิง 100 psig  โดยความดันตกในระบบท่อไม่เกิน

- 10 psi /100 ft และแสดงอัตราการไหลที่ยอมรับได้

- กำหนดค่าความเร็วของลมอัดสำหรับท่อเมน ความเร็วควรอยู่ในช่วง 6-9 m/s (20–30 ft/s) ส่วนท่อย่อยที่แยกออกจากท่อเมนใช้ค่าความเร็วของท่อประมาณ 18–24 m/s (60–80 ft/s) 

- หาค่าความดันลดในระบบท่อลมอัด จากสูตรดังนี้

ค่าความดันลดในหน่วยเมตริก = KLQ2/Rd5.3 บาร์
 โดย   K = ค่าคงที่ เท่ากับ 800
          L = ค่าความยาวสมมูลย์ (Equivalent Length) ทั้งหมดของท่อเป็น เมตร
          Q = ปริมาณของอากาศอิสระ dm3/s
          R = อัตราการอัด หรือ Compression Ratio
          d = เส้นผ่าศูนย์กลางภายในท่อ, mm

 

ตารางที่ 2 อัตราการไหลที่ยอมรับได้ ท่อลมอัดเหล็กกล้าน้ำหนักมาตรฐาน ที่ความดันลม 100 Psig

 

การเตรียมลมอัด

     ตามปกติลมอัดจะมีความชื้นและละอองน้ำที่กลั่นตัวปะปนอยู่ ซึ่งละอองน้ำนี้จะมีผลทำให้ท่อ ข้อต่อ วาล์วและกระบอกสูบภายในอุปกรณ์ต่าง ๆ เกิดสนิมขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีชุดควบคุมและปรับปรุงคุณภาพ (ของลมอัดก่อนนำไปใช้งานในวงจรนิวแมติกอุปกรณ์ปรับสภาพอากาศ (Fluid Conditioner) ประกอบด้วย

- หม้อกรอง ทำหน้าที่กรองอากาศก่อนเข้าสู่การอัด ความละเอียดการกรองประมาณ 5 ไมครอน ดังรูปที่ 15

 รูปที่ 15 แสดงหลักการทำงานของหม้อกรอง

 

- ท่อเก็บเสียง ติดตั้งบริเวณเครื่องอัดอากาศทำหน้าที่ลดเสียงเมื่อมีการปล่อยอากาศอัดทิ้ง ดังรูปที่ 16

รูปที่ 16 แสดงท่อเก็บเสียง

- ที่ดูดความชื้น (Air Dryer) ทำหน้าที่ดึงความชื้นออกจากอากาศอัดก่อนนำไปใช้งาน ดังรูปที่ 10

- Service Unit หรือ FRL ประกอบด้วย Filter, Regulator และ Lubricator พร้อมเกจวัดความดัน ต้องติดตั้งทุกจุดที่ลมอัดนำไปใช้งานกับอุปกรณ์ต่าง ๆ และต้องปรับแรงดันให้เหมาะสมกับอุปกรณ์นั้น ๆ ด้วย โดยทำการปรับความดันโดย Regulator ส่วน Lubricator จะทำหน้าที่ส่งละอองน้ำมันไปหล่อลื่นอุปกรณ์นิวแมติกที่เคลื่อนไหว โดยจะส่งไอน้ำมันได้ระยะทาง 300 ft ดังรูปที่ 17

 

รูปที่ 17 แสดงชุด FRL (Service Unit)

 

การเลือกชุดควบคุมและปรับปรุงคุณภาพลมอัด

   ปริมาณรวมของการใช้ลมอัดทั้งหมดเป็นลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง จะเป็นค่าที่กำหนดขนาดของ Service Unit ดังนั้นต้องพิจารณาสังเกตขนาดของมันตามที่ผู้ผลิตกำหนดก่อนซื้อมาใช้งานความดันใช้งานของลมอัดจะต้องมีสูงเกินกว่าที่อุปกรณ์ได้กำหนดไว้ ตามปกติไม่เกิน 10 bar สิ่งหนึ่งที่ลืมไม่ได้คืออุณหภูมิของอากาศในบริเวณที่ใช้งานจะต้องมีค่าไม่เกิน 60 oC (ณ อุณหภูมินี้เป็นจุดสูงสุดของชิ้นส่วนที่เป็นพลาสติกของอุปกรณ์ที่สามารถทนได้)


การบำรุงรักษา Service Unit
   กฎเกณฑ์ที่จำเป็นจะต้องจะต้องปฏิบัติอยู่เป็นประจำมีดังต่อไปนี้

หม้อกรองลมอัด
- ระดับน้ำภายในกระเปาะพลาสติกจะต้องตรวจสอบทุกวัน ไม่ให้เกินขีดที่กำหนดและต้องระบายน้ำทิ้งเป็นประจำ
- ไส้กรองอากาศจะต้องทำความสะอาดสม่ำเสมอตามระยะเวลาที่ผู้ผลิตกำหนด
- กระเปาะและชิ้นส่วนภายในที่เป็นพลาสติกห้ามล้างทำความสะอาดด้วยสารที่ทำลายพลาสติก เช่น Trichloroethylene

ตัวควบคุมควบดัน
- อุปกรณ์ชิ้นนี้ไม่จำเป็นต้องบำรุงรักษาอะไร ถ้าติดตั้งอยู่ต่อจากชุดกรองลมอัด

เกจวัดความดัน
- ระวังอย่าตั้งความดันสูงเกินกว่าขีดกำหนด
- ก่อนจ่ายลมผ่านเข้าในวงจร ควรคลายตัวตั้งความดันให้ต่ำสุด แล้วค่อย ๆ ปรับเพิ่มขึ้นจนถึงค่าที่ต้องการ เพื่อป้องกันการสะบัดกระแทกของเข็มวัดและชุดกลไกภายใน

ตัวผสมละอองน้ำมันหล่อลื่น
-ต้องตรวจระดับน้ำมันภายในกระเปาะเป็นประจำและเติมให้ได้ระดับที่ต้องการอยู่เสมอ
-น้ำมันหล่อลื่นที่ใช้มีความหนืด 32 mm2/S (cSt) ที่ 40 oC หรือ ISO Class VG 32
-เมื่อมีน้ำผสมเข้ากับน้ำมันหล่อลื่นภายในกระเปาะ น้ำมันจะเปลี่ยนเป็นสีขาวขุ่นหรือเทาให้รีบล้างและเปลี่ยนน้ำมันใหม่ทันที

 ตัวอย่างค่าการปรับตั้งสายพานเครื่องอัดอากาศ
     
   การปรับตั้งสายพานในการบำรุงรักษานั้นถือว่ามีความจำเป็นเพราะจะส่งผลถึงการทำงานของเครื่องอัดอากาศให้มีประสิทธิภาพ, ลดการสูญเสียในการส่งกำลังหากปรับตั้งได้เหมาะสม ซึ่งโดยส่วนใหญ่แล้วน้อยนักที่จะมีการใช้เครื่องมือในวัดค่าแรงตึงโดยอุปกรณ์ที่เรียกว่า Belt Tension Indicator ดังรูปที่ 18 เช่น เครื่องอัดอากาศแบบสกรู นั้นมีความเร็วรอบสูงมากประมาณ 4,250 rpm จึงควรมีการปรับความตึงของสายพานตามผู้ผลิตแนะนำตามตารางที่ 3

      

ตารางที่ 3 แสดงค่า Deflection Force กับ Deflection ของสายพาน

ถ้าเป็นสายพานใหม่แรงกดจะต้องมีค่าเป็น 1.3 เท่าของค่าที่กำหนด เมื่อผ่านไป 24 ชม. ก็ทำการปรับตั้งความตึงสายพานใหม่ให้ได้ตามค่าที่กำหนด
 

รูปที่ 18 แสดงเครื่องมือตั้งสายพาน Belt Tension Indicator

ลักษณะการใช้ Belt Tension Indicator ในการตรวจวัดแรงตึงสายพาน ดังรูปที่ 19

 

รูปที่ 19 แสดงลักษณะการกดของแรงต่อสายพานและBelt Tension Indicator

 

สรุป

 จากรายละเอียดต่าง ๆ ข้างต้นนั้นเป็นสิ่งที่ควรรู้เกี่ยวกับระบบอัดอากาศที่สามารถนำไปเป็นแนวทางปฏิบัติได้ทันที (Quick Reference) ซึ่งได้แก่ การติดตั้งเครื่องอัดอากาศ, การเลือกเครื่องอัดอากาศ, ระบบส่งจ่ายลมอัด, การติดตั้งท่อลมอัด, การกำหนดขนาดท่อที่เหมาะสมให้แรงดันตกน้อยลักษณะเป็นแบบวงแหวน, การเตรียมลมอัดโดยชุด Service Unit รวมทั้งการบำรุงรักษาโดยทั้งหลายทั้งปวงนี้จะต้องเป็นไปหลักวิศวกรรม

 

เอกสารอ้างอิง
1. มงคล อาทิภานุ, นิวแมติกส์ 1, บริษัทโรงพิมพ์ไทยวัฒนาพานิช จำกัด, กรุงเทพ ฯ, 2543.
2. สมาน เสนงาม, กำลังของไหล, เอกสารประกอบการสอน, คณะวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์, 2542.
3. FRANK YEAPLE, FLUID POWER DESIGN HANDBOOK, Marcel Dekker, Inc., New York and Basel, 1992.
4. คู่มือวิศวกรรมเครื่องกล (Mechanical Engineering Quick Reference) (ฉบับปรับปรุงแก้ไข), บริษัท เอ็มแอนอี จำกัด, กรุงเทพ ฯ, 2544.