สาระน่ารู้ ชั่งตวงวัด

วาล์วควบคุมกับระบบมาตรวัดปริมาตรของเหลว (Control Valves in Dynamic Measuring Systems) ตอนที่ 5

 วาล์วควบคุมกับระบบมาตรวัดปริมาตรของเหลว

(Control Valves in Dynamic Measuring Systems)
ตอนที่ 5  การกำหนดขนาดวาล์วควบคุม
(Valve Sizing)
 
 
 
การหาขนาดวาล์วควบคุมเป็นเรื่องสำคัญในฐานะวาล์วควบคุมเป็น Final Control Element  จึงมีเรื่องสำคัญ 2 เรื่องที่ต้องให้ความสำคัญเพื่อให้วาล์วควบคุมสามารถทำหน้าที่ได้สมบูรณ์  ประการแรก  ต้องหาข้อมูลในกระบวนการหรือระบบมาตรววัดปริมาตรของเหลวที่ถูกต้อง  เช่น อัตราการไหลสูงสุดและต่ำสุดในแต่ละเงื่อนไขการทำงาน,  ความดันตกคร่อมวาล์วที่มีได้ (Available Pressure Drop) ที่แต่ละเงื่อนไขการทำงาน (ดูรูปที่ 5-1), ความดันสูงสุดและอุณหภูมิสูงสุดทางเข้าวาล์วควบคุม, ความหนืดของเหลวที่อยู่ในกระบวนการหรือระบบนั้นๆ, การไหลเป็นแบบของเหลวสถานะเดียว (Single-Phase Flow) หรือ 2 สถานะ (Two-phase Flow), การเลือกความดันตกคร่อมวาล์วที่ถูกต้องทั้งนี้เพราะความดันสูญเสียในระบบท่อหรือคุณสมบัติการทำงานของแต่ละปั๊มจะแตกต่างกันในแต่ละสภาวะเงื่อนไข  ดังในรูปที่ 5-2
ประการที่สอง การเลือกใช้สมการคำนวณหาขนาดวาล์วที่เหมาะสมกับสภาวะเงื่อนไขการทำงานของระบบหรือกระบวนการฯ โดยแยกแยะเงื่อนไขให้ชัดเจน  ในกรณีการกำหนดวาล์วที่ใช้กับของเหลวอยู่ในเงื่อนไข 1.) Turbulent, Non-Choked, 2.) Turbulent, Choked, 3.) Satuated Flow, 4.) Laminar (Viscous), 5.) Non-Newtonian  และ 6.) Two-Phase Flow เป็นต้น
สำหรับมาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับวาล์วจะมี 2 ค่าย  ค่ายแรกอยู่ในสหรัฐอเมริการใช้หน่วยอังกฤษ คือ The Instrumentation, System, and Automation Society (ISA) ได้แก่ ISA S75.01-2000, Control Valve Sizing Equation  และอีกค่ายหนึ่งอยู่ในทางยุโรปใช้ SI Unit คือ The International Electrotechnical Commission (IEC) ได้แก่ IEC 60534-2-1, Industrial Process Control Valve , Part 2-1: Flow Capacity Sizing Equations for Fluid Flow under Installed Condition
รูปที่ 5-1  ความดันตกคร่อมวาล์วที่มีได้ (Available Pressure Drop) ที่แต่ละเงื่อนไขการทำงาน
ความเป็นมา
ก่อนจะเรียนรู้ปัจจุบันและฝันถึงอนาคต เราต้องย้อนกลับไปดูความเป็นมาเสียก่อน    ในแรกเริ่มเดิมที่มีการใช้วาล์วควบคุม Globe Valve โดยใช้มือหมุนขนาด 4 นิ้วติดตั้งเข้ากับระบบท่อ 4 นิ้ว  เมื่อใช้งานไปปรากฏว่าที่ความดันตกคร่อมวาล์วสูงวาล์ยังคงมี capacity สำหรับการควบคุมอัตราการไหลสูงอยู่ หรือจะว่าไปก็คือวาล์วมีขีดความสามารถเหลือเฟื้อว่างั๊ยเถอะ  ทำให้เป็นสาเหตุในการออกแบบเพื่อการประหยัดเป็นกฏเล็กน้อยว่าเลือกใช้วาล์วควบคุมให้มีขนาดเล็กกว่าระบบท่อที่ไปติดตั้งลดลง 1 ขนาด  เช่น ถ้าติดตั้งระบบท่อ 4 นิ้วก็เลือกใช้วาล์วขนาด 3 นิ้ว นั้นเอง  แต่ข้อจำกัดการเลือกด้วยวิธีการนี้ยังคงมีปัญหาอยู่จึงมีการพัฒนาสัมประสิทธิ์กำหนดขนาด (Sizing Coefficient) บนพื้นฐานของการสงวนพลังงานด้วย Bernoulli’s Equation และการสงวนมวลด้วย Continuity Equation  เมื่อรวมกันแล้วจะได้อัตราการไหลผ่านคอคอด (Restriction) ในที่นี้คือช่องว่างระหว่างลิ้นวาล์วกับ Seat ring เมื่อลิ้นวาล์วของวาล์วควบคุมมีการเคลื่อนที่ มีค่าในทางทฤษฎี
                                                   (5-1)
เมื่อ     Q       =     อัตราการไหล (ft3/s)
          A1      =     พื้นที่หน้าตัดท่อ (in2)
          A2      =     พื้นที่เปิดระหว่างลิ้นวาล์วกับ Seat Ring (in2)
              =     ความดันตกคร่อมวาล์ว (Head Loss)  (ft)
          g        =     แรงโน้มถ่วงของโลก 32.174 ft/s2
 
แต่ในทางปฏิบัติ  ได้มีการนำตัวแปรตัวใหม่ที่มีชื่อว่า “Discharge Coefficient”; C ถูกนำมาใช้เพื่อทำการปรับแก้ไขค่าให้การคำนวณมีความแม่นย่ำในทางปฏิบัติให้มากขึ้น  และปรับเปลี่ยน DH.ให้อยู่ในรูปของค่าความดันในหน่วน Psi แทน ft  ด้วย /g
                                                 (5-2)
เมื่อ           =     ความดันตกคร่อมวาล์ว (Psi)
             g        =     Weight Density (lbm/ft3)
รูปที่ 5-2  ความดันของระบบปั๊มที่อัตราการไหลสูง/อัตราการไหลต่ำมีผลต่อการเลือกใช้ค่าความดันตกคร่อมวาล์วในการคำนวณหาขนาดวาล์วควบคุม
จากนั้นได้มีการพัฒนาปรับใช้งานสมการ (5-2) ให้สามารถใช้งานได้สะดวกมากขึ้นจึงพัฒนารูปสมการใหม่ขึ้นมาพร้อมรวมเอาพื้นที่การไหลของช่องทางการไหลของวาล์ว, Contraction Coefficient และ Head Loss Coefficient เข้าด้วยกัน กำหนดให้เป็นตัวแปรตัวใหม่ที่มีชื่อว่า “Valve Coefficient”; CV ค่าดังกล่าวนี้เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าเป็นตัวแปรบ่งบอกขีดความสามารถรองรับอัตราการไหลของวาล์ว  ดังสมการ (5-3)
                                                           (5-3)
เมื่อ     CV      =     Valve (Flow) Coefficient
          Gf       =     ความถ่วงจำเพาะเทียบกับน้ำที่ 60 °F (Specific Gravity)
 
 
Flow Capacity:
เพื่อให้สอดคล้องกับ ISA  เราจะใช้ q  แทน Q  สำหรับอัตราการไหลผ่านวาล์ว
                                                           (5-4)
เมื่อ     CV      =     Valve Flow Coefficient (gpm/psi1/2)
          q        =     อัตราการไหล (gpm)
               =     ผลต่างความดันทางเข้าวาล์ว (P1) เทียบกับความดันด้านทางออก (P2) (psi);
                   =     P1 - P2  (ดูรูปที่ 5-4)
          Gf       =     ค่าความถ่วงจำเพาะ (Specific Gravity) ของเหลวที่กำหนดอุณหภูมิคงที่ค่าหนึ่ง (น้ำที่ 60 °F มีค่า Gf เท่ากับ 1)
ด้วยเหตุนี้ค่า  CV = 1  จึงหมายถึงอัตราการไหล 1 gpm (U.S.) ของน้ำที่ 60 °F ภายใต้ความดันตกคร่อมวาล์ว 1 psi  แต่เนื่องจากความไม่สมบูรณ์ในตัวสมการจึงมีข้อจำกัดการใช้งานของสมการ (5-4)  อยู่ 2 ข้อจำกัดคือ
1.         สมการ (5-4) ใช้ได้กับการไหลที่มีรูปแบบ Turbulent Flow นั้นคือมีค่า Reynolds Number ในท่อมีค่า  Re  ≥  5,000 หรือ Valve Reynolds Number ในสมการ (5-11) มีค่า Re  10,000  อย่างไรก็ตามข้อจำกัดนี้สามารถละเลยได้ถ้าหากเราต้องการ CV มีค่าสูงกว่า 0.1 และ Kinematic Viscosity มีค่าต่ำกว่า 40 centistoke  จะมีเงื่อนไขอื่นๆอีกมากมายแต่เอาแค่นี้ก่อน
2.         ที่สภาวะเงื่อนไขหนึ่ง  เมื่อเกิดการปิดสกัดกั้นการไหลภายในช่องทางการไหลในวาล์วที่เราเรียกว่า “Choked Flow” เกิดขึ้นที่ช่องทางการไหลหรือเลยมาทางด้านปลายน้ำของวาล์ว  ซึ่งเป็นค่าที่แน่นอนค่าหนึ่งของอัตราส่วนความดันตกคร่อมวาล์วต่อความดันด้านทางเข้าวาล์ว  ซึ่งเราเรียกว่า “Pressure Recovery Factor”; FL2   โดยเดิมทีเราเรียก “Critical FlowFactor”2 ; Cf
รูปที่ 5-3 Choked Pressure Drop (DPch)
 
เมื่อนำสมการ (5-3) มาเขียนกราฟความสัมพันธ์จะได้ดังในรูปที่ 5-3  พบว่าก่อนที่จะเกิด Choked Flow ความชันของเส้นกราฟมีค่าคงที่เท่ากับ CV  และของไหลมีการไหลผ่านวาล์วด้วยอัตราการไหลที่แปรผันโดยตรงกับความดันตกคร่อมวาล์ว  แต่เมื่อเกิด Choked Flow ถึงแม้เราจะเพิ่มความดันตกคร่อมจากค่าความดันทางเข้าคงที่  อัตราการไหลผ่านวาล์วจะไม่เปลี่ยนแปลงใดๆ  ซึ่งจะเป็นไปตามข้อจำกัดของการใช้สมการ (5-4) ในการคำนวณหาขนาดวาล์ว
เมื่ออัตราการไหลเพิ่มสูงขึ้น ความดันเสียดทานสูญเสียในระบบเพิ่มสูงขึ้นนั้นเสมือนเป็นความดันที่เหลือให้วาล์วมีความดันตกคร่อมน้อยลงเมื่อเปิดวาล์วใช้งาน  ดังนั้นวาล์วจึงต้องมีค่า CV สูงเพื่อเพิ่มพื้นที่ไหลผ่านช่องทางการไหลให้มากและความดันตกคร่อมน้อยเพื่อชดเชยกับความดันตกคร่อมที่เหลือน้อยของระบบ และเหตุการณ์ในทางกลับกันเมื่อทำการปิดวาล์ว  ดังนั้นการคำนวณหาขนาดของวาล์วหรือการคำนวณหาค่า CV เพื่อหาวาล์วที่มีค่า  CV สอดรับกับความดันตกคร่อมที่มีอยู่ภายในระบบ เช่น ความดันจากปั๊มดังในรูปที่ 5-4  ด้วยเหตุนี้การพิจารณาเลือกชนิดวาล์วจึงต้องพิจารณา Flow Characteristic ของวาล์วให้สอดคล้องและสอดรับกับความดันตกคร่อมที่มีอยู่ภายในระบบ
รูปที่ 5-4  ความสัมพันธ์ CV ของวาล์วกับความดันตกคร่อมวาล์วที่มีอยู่ในระระบบ
รูปที่ 5-5  ความสัมพันธ์ภาพรวมชนิดวาล์วควบคุมกับ CV
ในการหาค่า C นั้น IEC 60534-2-3 กำหนดให้ทำการวัดค่าความดันก่อนทางเข้าวาล์วในตำแหน่งก่อนถึงวาล์ด้วยระยะ 2 เท่าขนาดท่อเป็น P1 และการวัดค่าความดันหลังทางออกวาล์วในตำแหน่งหลังวาล์ด้วยระยะ 6 เท่าขนาดท่อ ดังในรูปที่ 5-6
 
 
รูปที่ 5-6  ตำแหน่งวัดความดันในการทดสอบหา Valve Flow Coefficient (CV)
 
สัมประสิทธิ์ของวาล์ว (Flow Coefficient)
ก่อนปี ค.ศ. 1946 การคำนวณหาขนาดวาล์ควบคุมได้ใช้พื้นที่คอคอดของวาล์ว (Valve Orifice) ดังในสมการ (5-1) จากนั้นพัฒนาการจนกำเนิด Valve Flow Coefficient (CV) ซึ่งจะให้ผลที่แม่นยำกับของไหลในระบบท่อที่เป็น “น้ำ” แต่ในภาคอุตสาหกรรมของไหลภายในท่อมีของไหลหลายชนิดด้วยกันทั้งของเหลว ทั้งก๊าซ ทั้งของเหลวผสมกับก๊าซ ในของเหลวเองก็มีทั้งของเหลวชนิด Newtonian, Non-Newtonia เป็นต้น   การพัฒนาปรับปรุงการใช้ CV จึงต้องขยายขอบเขตให้ครอบคลุมความต้องการ ให้ใช้ได้กับของเหลวที่มีความถ่วงจำเพาะที่แตกต่างจาก “น้ำเย็น” จึงเป็นที่มาของตัวแปรแก้ไขค่า หรือสัมประสิทธิ์ของวาล์วหลายตัวตามมา
ภายหลังผ่านการใช้งาน CV มาพบว่าผลการคำนวณขนาดวาล์วในบางครั้งผิดพลาดมากและไม่สามารถหาเหตุผลมารองรับอธิบายได้  จนเริ่มแก้ไขปัญหาได้เมื่อปี ค.ศ. 1963  ได้มีการนำตัวแปรใหม่ที่เรียกว่า “Critical Flow Factor” ซึ่งต่อมาภายหลังได้เปลี่ยนชื่อมาเป็น “Liquid Pressure Recovery Factor; FL  เป็นตัวแปรบ่งบอกถึงจำนวนความดันฟื้นตัวซึ่งเกิดขึ้นทางด้านทางออกของวาล์วหรือ คอคอดที่เกิดจากการหรี่วาล์ว (Throttling Orifice) วาล์วที่มีการฟื้นตัวสูงจะมีค่า FL ต่ำ  ซึ่งจะบ่งบอกถึงของเหลวที่ไหลผ่านวาล์วอาจก่อให้เกิดการกลายเป็นไอได้ง่ายเนื่องจากความดันตกลงลึกและต่ำกว่าความดันไอของเหลว  สำหรับในกรณีที่ใช้กับก๊าซ  จะก่อให้เกิดความเร็วการไหลผ่านคอคอดที่เกิดจากการหรี่วาล์วมีความเร็วสูงเท่ากับกับเร็วเสียงหรือที่เรียกว่า Sonic Velocity ผลที่ตามมาทำให้มีอัตราการไหลต่ำกว่าที่คำนวณได้หากไม่นำ FL มาพิจารณา นั้นคือในทั้งการไหลของเหลวและก๊าซผ่านวาล์วควบคุมเกิดปรากฏการณ์ “Choked Flow” นั้นเอง (ดูรูปที่ 5-3)
ในปี ค.ศ. 1983 ได้มีการเพิ่มตัวแปรแก้ไขค่าอีก 2 ตัวคือ “Pressure Differential Factor of Control Valve; Xt ที่ตำแหน่งเกิดปรากฏการณ์ “Choked Flow”  ตัวแปรที่สองคือ “Expansion Factor; Y เพื่อใช้เป็นตัวแปรแก้ไขค่าความหนาแน่นก๊าซบริเวณคอคอดวาล์ว (Orifice หรือ Restriction หรือ Throttling Orifice หรือ... เอาเป็นว่าช่องว่างระหว่างลิ้นวาล์วกับ Seat Ring ขณะวาล์วทำงานก็แล้วกัน)
นอกจากนี้ยังพบอีกว่าในกรณีติดตั้งวาล์วควบคุมซึ่งมีขนาดเล็กกว่าขนาดท่อ  หรือพูดอีกนัยหนึ่งว่าติดตั้งอยู่ระหว่างท่อข้อลด (Reducers) การคำนวณขนาดวาล์วควบคุมก็มีความคลาดเคลื่อนด้วยเช่นกัน  สาเหตุเกิดจากความดันตกคร่อมท่อข้อลดก่อนและหลังวาล์วควบคุมนั้นเองซึ่งให้ค่าต่ำกว่าความดันตกคร่อมวาล์วที่มีได้ (Available Pressure Drop) ของวาล์ว นั้นคือเลือกใช้ ผิด  ซึ่งเป็นข้อระวังในการเลือกใช้ คล้ายกับในกรณีของระบบปั๊มดังในรูปที่ 5-2   ดังนั้นในปี ค.ศ. 1968  จึงได้แก้ไขปัญหาดังกล่าวด้วยการนำตัวแปรแก้ไขค่าทีเรียกว่า “Piping Geometry Factor; Fp มาใช้
นอกจากนี้ได้มีการนำตัวแปรแก้ไขค่าเนื่องจากค่าความหนืดของไหลในระบบท่อซึ่งเรียกว่า “Reynolds Number Factor; FR มาใช้  จนในปี ค.ศ. 1993 ถูกพัฒนาปรับปรุงแก้ไขใหม่เพื่อเพิ่มความแม่นยำ
ตัวแปรแก้ไขค่าตัวสุดท้ายคือ “Liquid Pressure Ratio Factor; FF ถูกนำมาใช้เพื่อแก้ไขกับการไหลของเหลวที่เกิดปรากฏการณ์ Flashing หรือ Boiling
ตัวแปรอีกตัวแปรที่เราอาจเจอเป็นตัวแปรที่ใช้เหมือน CV เพียงแต่อยู่ในระบบหน่วน SI Unit  นั้นคือ KV 
                                                             (5-5)
เมื่อ          KV      =          Valve Flow Coefficient (m3/hr/bar1/2)
              q        =          อัตราการไหล (m3/hr)
                    =          ผลต่างความดันทางเข้าวาล์ว (P1) เทียบกับความดันด้านทางออก (P2) (bar);
                        =          P1 - P2  (ดูรูปที่ 5-2)
              Gf       =          ค่าความถ่วงจำเพาะ (Specific Gravity) ของเหลวที่กำหนดอุณหภูมิคงที่ค่าหนึ่ง (น้ำที่ 60 °F มีค่า Gf เท่ากับ 1)
โดย  KV ซึ่งมีความสัมพันธ์กับ CV ได้ว่า
                                                          (5-6)
เมื่อ       1 N/m2              = 1 Pa
1 bar                 = 100,000 Pa     = 14.5 psi
1 atm                = 14.67 psi
1 m3/hr (liquid)  =  4.4 gpm
1 m3/hr (gas)      =  35.3 ft3/hr
1 U.S. gpm         = 3.785 l/m       =  0.134 ft3/m
1 kg/hr              = 2.2 lbs/hr
 
 
การคำนวณขนาดวาล์วควบคุม (CV ) สำหรับของเหลว
บนพื้นฐานของการสงวนพลังงานด้วย Bernoulli’ Equation และการสงวนมวลด้วย Continuity Equation  ดูรูปที่ 5-7  เมื่อของเหลวไหลเข้ามาในระบบท่อมีความดัน P1 เมื่อผ่านท่อข้อลดจะสูญเสียความดันเนื่องจากแรงเสียดทานระหว่างของเหลวกับท่อข้อลดทางเข้าวาล์ว  ความดันจะตกลงเล็กน้อยในขณะที่ความเร็วของเหลวจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย  เมื่อของเหลวไหลไหลผ่านวาล์วจะผ่าน  Orifice หรือ Restriction หรือ Throttling Orifice หรือช่องว่างระหว่างลิ้นวาล์วกับ Seat Ring ขณะวาล์วทำงาน  ซึ่งมีพื้นที่หน้าตัดลดลงจะทำให้ของเหลวเพิ่มความเร็วการไหลสูงขึ้นในขณะเดียวกันก็จะทำให้ความดันของเหลวลดลงด้วยเช่นกัน  ตำแหน่งที่เลยไปจากจุดนี้เล็กน้อยที่เรียกว่า Vena Contracta จะเป็นจุดที่มีความเร็วของเหลวมีค่าสูงสุดและความดันต่ำสุดที่เรียกว่า PVC  เมื่อของเหลวไหลต่อไปพื้นที่หน้าตัดท่อจะเพิ่มมากขึ้นความเร็วของเหลวจะเริ่มลดลงในขณะเดียวกันความดันจะกลับเพิ่มขึ้นตามมาจนผ่านท่อข้อลดทางด้านทางออกวาล์ว  พื้นที่หน้าตัดดก็เพิ่มขึ้นอีกเล็กน้อยทำให้ความเร็วของเหลวลดลงและความดันเพิ่มขึ้นอีกเล็กน้อยมีค่าเท่ากับ P2  นั้นเอง
จากความดันต่ำสุด PVC และความเร็วสูงสุดในตำแหน่ง Vena Contracta จนถึงความดันด้านทางออกวาล์ว P2 นั้นเป็นการเปลี่ยนรูปแบบพลังงานจลน์ไปเป็นพลังงานศักย์ หรือเรียกว่า Liquid Pressure Recovery ของวาล์วมีค่าเท่ากับ P2-PVC  และเราเรียกวาล์วที่มีค่า (P2-PVC)/(P1-P2) มากว่าเป็น วาล์วมีความดันฟื้นตัวสูง (High Recovery Valve)  ได้แก่ Rotary Valves, Gate Valves เป็นต้น  ในทางกลับกันหากวาล์วที่มีค่า (P2-PVC)/(P1-P2) น้อย จะเรียกว่าวาล์วมีความดันฟื้นตัวต่ำ (Low Recovery Valve)
รูปที่ 5-7  รูปแบบความดันของเหลวไหลผ่านวาล์ว
การคำนวณหาขนาดวาล์วควบคุมที่ใช้งานกับของเหลว พิจารณากำหนดสภาวะเงื่อนไขการทำงาน 1.) Turbulent, Non-Choked, 2.) Turbulent, Choked, 3.) Saturated Flow, 4.) Laminar (Viscous), 5.) Non-Newtonian  และ 6.) Two-Phase Flow  เพื่อสามารถเลือกใช้ตัวแปรแก้ไขค่าได้อย่างเหมาะสม  ในงานชั่งตวงวัดตามข้อกำหนดของกฏหมายเราทำการวัดของเหลวที่มีสถานะเดียว (Single Phase) เท่านั้น ดังนั้นตัด 6.) ไป   อีกทั้งงานที่เกี่ยวข้องของเหลว เช่น น้ำ ผลิตภัณฑ์ของเหลวปิโตรเลียม ล้วนเป็นของเหลวชนิด Newtonian  ดังนั้นตัด 5.) ไป  สำหรับงานซื้อขายของเหลวด้วยมาตรวัดปริมาตรของเหลวในงานชั่งตวงวัดตามข้อกำหนดของกฏหมายเรานั้นเป็นการดำเนินงานในเชิงพาณิชย์การไหลของเหลวในระบบท่อแทบ 100% เป็นการไหลในรูปแบบ Turbulent Flow ดังนั้นตัด 4.) และ 3.)  จึงเหลือ Turbulent, Non-Choked, หรือ Choked  ที่เราจะพิจารณา  เพราะที่เขียนมาทั้งหมดก็มากเกินพอสำหรับคนชั่งตวงวัดอย่างเรา...  แล้วไม่รู้ใครจะอ่านบาง...  อ่านแล้วจะเข้าใจหรือไม่อีกเรื่องหนึ่ง... ใครอ่านใครได้ !
 
 
การคำนวณขนาดวาล์วควบคุมควรทราบข้อมูลในเบื้องต้นอย่างน้อย ได้แก่
·        คุณสมบัติของเหลวได้แก่ ความดันไอ (PV) ณ สภาวะทำงาน, ความดันวิกฤต (PC) ความหนาแน่น (r) ความหนืดจนล์ (n)
·        สภาวะทำงานของวาล์ว ที่ Normal, Maximum และ Minimum Conditions
·        ขนาดระบบท่อ  ทางเข้าและทางออกของวาล์ว
 
 
 
เริ่มต้นด้วยใช้วาล์วควบคุมกับของเหลว, รูปแบบการไหลของเหลวผ่านวาล์วควบคุมแบบ Turbulent Flow, มีสภาวะไม่เกิด Nonvaporizing Flow Condition (Non-Choked Flow)
 
อัตราการไหลปริมาตร (ผ่านวาล์วควบคุม)
                                                 (5-7)
                                                  (5-8)
เมื่อ     CV      =     Valve Flow Coefficient
          q        =     อัตราการไหล; gpm, m3/h
          P1         =     ความดันด้านทางเข้าวาล์ว ; psia, bar, kPa
         P2         =       ความดันด้านทางออกวาล์ว ; psia, bar, kPa
          N1        =     ตัวคูณสมการขึ้นอยู่กับการเลือกใช้หน่วยของตัวแปรต่างๆ ในสมการ  ดูรูปที่ 5-9
          FP       =     Piping Geometry Factor
          Gf       =     ค่าความถ่วงจำเพาะ (Specific Gravity) ของเหลวที่กำหนดอุณหภูมิคงที่ค่าหนึ่ง (น้ำที่ 60 °F มีค่า Gf เท่ากับ 1)
 
 
อัตราการไหลมวล (ผ่านวาล์วควบคุม)
                                           (5-9)
                                            (5-10)
เมื่อ     CV     =     Valve Flow Coefficient
          w       =     อัตราการไหลมวล; lb/h, kg/h
          P1         =     ความดันด้านทางเข้าวาล์ว; psia, bar, kPa
         P2         =       ความดันด้านทางออกวาล์ว; psia, bar, kPa
          N6        =     ตัวคูณสมการขึ้นอยู่กับการเลือกใช้หน่วยของตัวแปรต่างๆ ในสมการ  ดูรูปที่ 5-9
          FP       =     Piping Geometry Factor
          g1       =     Specific Weight at upstream Conditions; lbm/ft3, kg/m3
 
การหาอัตราการไหลสูงสุดของเหลวภายใต้ Turbulent Flow, Vaporizing Flow Condition (Choked Flow) ของวาล์วในระบบท่อตรงซึ่งมีขนาดท่อเท่ากับขนาดของวาล์ว (ดูรูปที่ 5-8)
 
                                       (5-11)
                                            (5-12)
 
Valve Reynolds Number; ReV
                           (5-13)
เมื่อ     ReV    =     Valve Reynolds Number
          CV    =     Valve Flow Coefficient
          q        =     อัตราการไหล; gpm, m3/h
          d        =     Valve Body Port Diameter; in, mm
          Fd         =     Valve-style Modifier
         FL         =       Liquid Pressure Recovery Factor
          n(nu) =     Kinematic Viscosity, Centistokes =10-6 m2/sec
          N2 ,N4  =     ตัวคูณสมการขึ้นอยู่กับการเลือกใช้หน่วยของตัวแปรต่างๆ ในสมการ  ดูรูปที่ 5-9
 
รูปที่ 5-8  อัตราการไหลสูงสุดของเหลวภายใต้ Turbulent Flow, Vaporizing Flow Condition (Choked Flow)  ผ่านวาล์ว
เนื่องจาก CV ไม่ใช่ตัวแปรแบบ dimensionless จึงต้องมีการแปลงหน่วยเมื่อใช้สมการข้ามกันระหว่างหน่วนอังกฤษกับ SI Unit  โดยมีรูปที่ 5-9  เป็นตารางตัวคูณปรับแก้ไขการใช้หน่วยวัดที่ต่างกัน
รูปที่ 5-9  ตัวคูณสมการคำนวณหาขนาดวาล์วควบคุมที่ใช้กับของเหลว
 
หากเราพิจารณาสมการ (5-8)  และสมการ (5-12)  เราจะเห็นว่าค่า CV นั้นอยู่กับ FP  และ FL ตามลำดับ  หรือพูดอีกนัยหนึ่งก็คือในกรณีปกติอัตราการไหลผ่านวาล์ว (q) ขึ้นอยู่กับ CV· FP  แต่หาภายใต้การไหลแบบ Choked Flow  อัตราการไหลขึ้นอยู่กับ CV· FL แต่รูปแบบที่เราอาจคุ้นเคยมากและนำไปใช้ประโยนช์ในการเลือกขนาดและชนิดวาล์วจะอยู่ในรูป  CVFP/d2 และ CVFL/d2  ตามลำดับ
 
 
เริ่มขั้นตอนการคำนวณอัตราการไหลของเหลวผ่านวาล์ว
1.         เลือกและคำนวณหาความดันตกคร่อมวาล์ว ()
                                                            (5-14)
ในทางปฏิบัติการเลือกใช้ P1 ที่เหมาะสมและถูกต้องกับระบบหรือกระบวนการนั้นๆ  เราสามารถใช้ Head Pressure ของปั๊มจากกราฟสมรรถนะ (Performance Curve) ของผู้ผลิต  ควรใช้ Head Pressure ของปั๊มให้สอดคล้องกับอัตราการไหลสูงสุดผ่านวาล์ว  และอย่าลืมนำค่า Static Head Pressure ณ. ตำแหน่งที่ติดตั้งปั๊มกับตำแหน่งติดตั้งวาล์วมาพิจารณาเพิ่มหรือลดด้วย  (ดูรูปที่ 5-1)
            มีเทคนิคสำเร็จรูป (Rules of Thumb) แนะนำการเลือกใช้ขนาด ว่า  ให้เลือกใช้
 
ก.       มีค่าสูงกว่า 5% ของความดันรวมของระบบ (Total system Pressure)   โดยความดันรวมของระบบมีค่าเท่ากับผลรวมของ Static Head Pressure และ Head Pressure ของปั๊มให้สอดคล้องกับอัตราการไหลสูงสุดผ่านวาล์ว และอาจรวมถึงความดันอื่นๆที่มีเพิ่มขึ้นทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแต่ละระบบหรือกระบวนการ   หรือ
ข.       มีค่าเท่ากับ 5 psi   สำหรับ Rotary Valve Control  หรือ
ค.       มีค่าเท่ากับ 10 psi สำหรับ Globe Valve
ทั้งนี้การเลือกให้ มีค่าเท่ากับ 5 psi  มาจากกรอบเงื่อนไขที่ว่าการออกแบบระบบท่อ  ความเร็วที่สูงสุดที่ยอมรับได้ภายในท่อสำหรับของเหลวมีค่าไม่เกิน 15 ft/sec (ซึ่งอาจจะมากกว่าที่กำหนดในรูปที่ 5-18 ที่กำหนดให้ไม่เกิน 10 ft/sec)สำหรับก๊าซมีค่าไม่เกิน 150 ft/sec ซึ่งสามารถนำมาเขียนกราฟความสัมพันธ์ระหว่าง Cd =CV/d2 กับ ดังในรูปที่ 5-10   โดยมีค่า Cd =CV/d2 = 17  (บนข้อสมมุติฐานของ Butterfly Valve เปิดที่ตำแหน่ง 60  องศา)
            ยกตัวอย่างเช่น  ติดตั้ง Butterfly Valve  ขนาด 4 นิ้ว  เข้ากับท่อขนาด 6 นิ้ว  ด้วยเงื่อนไขค่า Cd =CV/d2 = 17  ดังนั้น CV=17.d2 = 272  นั้นหมายถึงความดันตกคร่อมวาล์วเพิ่มจาก 5 psi  จนถึง 25 psi  (ดูจากเส้นกราฟ Valve = LineSize) เมื่อของเหลวไหลในท่อ 6 นิ้วด้วยความเร็ว 15 ft/sec
            ข้อควรระวังในการเลือกขนาดวาล์ว  ต้องไม่เลือกขนาดวาล์วเล็กกว่าขนาดท่อเกิน 2 เท่า  นั้นคือ  VALVE    ½ PIPE DIAM. ทั้งนี้เนื่องจากการรองรับความเค้นและความเครียด (Strain and Stress) จากระบบท่อที่กระทำต่อตัวเรือนวาล์วอาจมากจนเกินไปหากเลือกวาล์วที่ขนาดเล็กจนเกินไป
 
2.         คำนวณหาความดันตกคร่อมวาล์วที่ทำให้เกิด Choked Flow ในการไหลของเหลว  หรือ Choked Pressure Drop (ch)
                                                (5-15)
เมื่อ     ch    =     Choked Pressure Drop; psi
         FL         =       Liquid Pressure Recovery Factor
          FF         =     Liquid Pressure Ratio Factor
          PV      =     Vapor Pressure; psia, bar, kPa
          P1         =     ความดันด้านทางเข้าวาล์ว; psia, bar, kPa
 
รูปที่ 5-10   กราฟความสัมพันธ์ระหว่าง Cd =CV/d2 กับ
 
 
 
Liquid Pressure Recovery Factor; FL
เป็นตัวแปรแก้ไขค่าใช้กับตัววาล์วที่ไม่ประกอบด้วยข้อต่อใดๆร่วมอยู่  ซึ่งตัวแปรนี้เป็นค่าที่ขึ้นอยู่กับอิทธิพลลักษณะรูปร่างการจัดสร้างภายในตัววาล์วว่ามีผลต่ออัตราการไหลเมื่อเกิด Choked Flow มากน้อยเพียงใด  เป็นตัวแปรบ่งบอกขนาดความดันฟื้นตัวของวาล์วเทียบกับความดันตกคร่อมวาล์ว
                                                        (5-16)
ค่า FL ยังถูกใช้ในการคำนวณหาความดันตกคร่อมที่ก่อให้เกิดของเหลวไหลด้วยความเร็วเสียงที่คอคอดของวาล์ว (Orifice) มีค่า
                                                (5-17)
ด้วยเหตุนี้ค่า FL จึงมีหลายค่าขึ้นอยู่กับการออกแบบวาล์วในแต่ละชนิดดังในรูปที่ 5-11  และรูปที่ 5-12  ซึ่งในการคำนวณการเลือก FL จึงเสมือนเราเริ่มเลือกชนิดวาล์วกลายๆ
รูปที่ 5-11   FL จึงมีหลายค่าขึ้นอยู่กับการออกแบบวาล์วในแต่ละชนิด
รูปที่ 5-12   ค่า Liquid Pressure Recovery Factor; FL กับชนิดวาล์ว
รูปที่ 5-13  ค่า; FL ,  Fi ,  Fd กับชนิดวาล์ว
รูปที่ 5-14  ค่า; FL ,Fi ,Fd กับชนิดวาล์ว
 
 
 
 
Liquid (Critical) Pressure Ratio Factor; FF
สำหรับการไหลที่ยังไม่เกิด Choked Flow หรือของเหลวกลายเป็นไอนั้นความดันที่ Vena Contracta (Pvc) สามารถทำนายได้จากค่าความดันด้านทางออกของวาล์ว P2 เพราะความดันฟื้นตัวของวาล์วมีค่าสัดส่วนคงที่เมื่อเทียบกับความดันตกที่ Vena Contracta แต่เมื่อเกิดเงื่อนไข Choked Flow ภายในวาล์วความสัมพันธ์ระหว่าง P2 กับ Pvc จึงไม่มีอีกต่อไป  ประกอบกับความสลับซับซ้อนของรูปร่างภายในตัวเรือนวาล์วทำให้การทดสอบและวัดค่าความดันที่ Vena Contracta (Pvc) เป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้  ISA จึงใช้ Liquid (Critical) Pressure Ratio Factor; FF  ซึ่งเป็นสัดส่วนระหว่าง Apparent Vena Contracta Pressure ภายใต้สภาวะ Choked Flow เทียบกับความดันไอของเหลวที่อุณหภูมิทางเข้าวาล์ว  ในการทำนายหรือประมาณค่า Pvc สำหรับสภาวะเงื่อนไขการไหลของเหลวที่อิ่มตัว (Saturate Liquid Flow)
                                                           (5-18)
เมื่อค่าประมาณของ FF  บนพื้นฐานที่ว่าของเหลวอยู่ในสถานะสมดุลทางเทอร์โมไดนามิกส์ (ซึ่งในทางเป็นจริงไม่ได้สมดุลขณะเกิด Choked Flow)  มีค่า
                                              (5-19)
เมื่อ     PV      =     Vapor Pressure ที่อุณหภูมิขาเข้าวาล์ว; psia, bar, kPa
          Pc         =     Critical Pressure ที่อุณหภูมิขาเข้าวาล์ว (ดูรูปที่ 5-15 และรูปที่ 5-16); psia, bar, kPa
 
 
 
รูปที่ 5-15 Critical Temperature Tc  และ Critical Pressure Pc ของของเหลว
 
เราก็สามารถคำนวณ Choked Pressure Drop (ch) ในสมการ (5-15) ได้
            จากนั้นทำการพิจารณาความดันตกคร่อมวาล์ว () และ Choked Pressure Drop (ch)  เพื่อเลือกใช้เป็นความดันตกคร่อมวาล์วที่มีได้ (Allowable Sizing Drop  หรือ Allowable Pressure Drop (a)) ที่แต่ละเงื่อนไขการทำงาน (a) แทนในสมการ (5-8.1)
·        ถ้า ch  >  แสดงว่าไม่มี Choked Flow เกิดขึ้นในของเหลวไหลผ่านวาล์วให้เลือกใช้ เป็น  DPa และแทนเป็นค่า  P1P2  ในแทนสมการ (5-8.1)  
·        ถ้า ch  £    แสดงว่าเกิด Choked Flow ขึ้นในของเหลวไหลผ่านวาล์ว  ต้องพิจารณารอบคอบเพราะ Choked Flow ไม่ใช่เป็นเรื่องร้ายแรงไปเสียทุกครั้งเหมือนอย่างเช่น Cavitation  ดังนั้นให้เลือกใช้ ch เป็น  a และแทนเป็นค่า  P1P2 ในสมการ (5-8.1) 
นอกจากนี้เรายังสามารถหาค่าความดันตกคร่อมวาล์วที่อาจเป็นจุดเริ่มต้นของการเกิด Cavitation หรือที่เรียกว่า Incipient Cavitation  (incipient cavitation) ด้วยสมการ
                                  (5-20)
รูปที่ 5-16 Critical Pressure Pc ของของเหลว
3.         หาค่า Specific Gravity (Gf) โดยเลือกค่าความถ่วงจำเพาะที่สภาวะอุณหภูมิทำงานจริง (Operating Temperature) นั้นคือ
             (5-21)
โดยอุณหภูมิน้ำที่ 60 °F มีค่าความหนาแน่นเท่ากับ  62.37 lb/ft3
4.         คำนวณค่าประมาณการ CV ที่ต้องการ  โดยสมมุตให้ Piping Geometry Factor (FP) มีค่าเท่ากับ 1 ในสมการ (5-8)  เขียนสมการใหม่ได้ว่า
                                                    (5-8.1)
5.         ประมาณการขนาดวาล์วควบคุม  โดยยึดเอาค่า CV ที่คำนวณได้จาก สมการ (5-8.1) ไปเปิดตาราง Catalog ของผู้ผลิตวาล์ว  โดยให้เลือกขนาดวาล์วที่เล็กที่สุดที่มีค่ามากกว่า CV ที่คำนวณได้เล็กน้อยพอประมาณ  เราจะได้ค่า d ของวาล์ว
6.         คำนวณค่า Valve Reynolds Number (ReV)  โดยใช้สมการ (5-13) เพื่อให้แน่ใจว่าการไหลของเหลวในระบบท่อและผ่านวาล์วเป็นการไหลรูปแบบ Turbulent Flow
6.1.     ใช้ค่า Fd  ที่สอดคล้องกับ FL  ที่ประมาณในขั้นตอนที่ 2
6.2.     ใช้ค่า CV จากในสมการ (5-8.1)
6.3.     ใช้ค่า d  จากขั้นตอนที่  5
6.4.     ใช้ค่า q  เช่นเดียวกับในขั้นตอนที่ 4
6.5.       ถ้าค่า Re > 40,000  ถือว่าการไหลของเหลวภายในวาล์วเป็น Turbulent Flow  ดำเนินการคำนวณต่อไป  โดยให้ Valve Reynolds Number Factor; FR มีค่าเท่ากับ 1
6.6.       ถ้าค่า ReV   40,000  ถือว่าการไหลของเหลวภายในวาล์วเป็น Laminar หรือ Transition Flow ให้สิ้นสุดการคำนวณ  ต้องเลือกข้อสมมุติฐานใหม่ต่างจาก “ของเหลว, Turbulent Flow
 
 
 
รูปที่ 5-17 Valve Reynolds Number Factor; FR
7.         กำหนดค่า Piping Geometry Factor (FP) จาก Catalog ของผู้ผลิตวาล์วโดยให้มีค่าสอดคล้องกับชนิดวาล์วจากการเลือก Liquid Pressure Recovery Factor; FL ในขั้นตอนที่ 2 และขนาดวาล์วจากการเลือกไว้ในขั้นตอนที่ 5  หากไม่มีข้อมูลให้คำนวณหาค่า FP โดยประมาณดังนี้
 
 
 
Piping Geometry Factor; FP
ดูรูปที่ 5-7  เนื่องจากตัวแปรแก้ไขค่าตัวนี้ใช้แก้ไขผลกระทบของระบบท่อก่อนและหลังทางเข้าวาล์วซึ่งจะมีผลกระทบต่อการไหลของเหลวและส่งผลกระทบไปถึง Capacity ของวาล์ว  ดังนั้นหากมีข้อลดและท่อขยายก่อนและหลังเข้าวาล์วดังในรูปที่ 5-7 ต้องคำนวณหาค่า FP   แต่ถ้าหากขนาดท่อทางเข้าและท่อทางออกวาล์วมีขนาดเดียวกับขนาดวาล์ว (ไม่มีท่อข้อลด/เพิ่ม) แล้วค่า FP จะมีค่าเท่ากับ 1  ซึ่งแสดงว่าระบบท่อทางเข้าและท่อทางออกดังกล่าวไม่มีผลต่อค่า CV
เพราะเมื่อมีท่อข้อลดก่อนทางเข้าวาล์วความเร็วของเหลวจะเพิ่มสูงขึ้นก่อนเข้าวาล์วเนื่องจากพื้นที่หน้าตัดข้อลดลงความดันก็จะลดลง  และเมื่อของเหลวออกจากวาล์วเข้าสู่ท่อข้อเพิ่มความเร็วของเหลวจะลดลงโดยความดันจะเพิ่มขึ้นเพราะพื้นที่หน้าตัดท่อข้อเพิ่มมีขนาดเพิ่มขึ้น  ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานไปในขั้นตอนการไหลผ่านระบบท่อดังกล่าว จึงต้องคำนวณหาค่า FP
                                            (5-22)
โดย เป็นผลรวมของ The effective velocity head coefficients อันเนื่องมาจากท่อข้อลดก่อนทางเข้าวาล์วและท่อข้อเพิ่มหลังทางออกวาล์ว
                                         (5-23)
เมื่อ     K1      =     สัมประสิทธิความเสียดทานของท่อลดก่อนทางเข้าวาล์ว
          K2      =     สัมประสิทธิความเสียดทานของท่อขยายหลังทางออกวาล์ว
          KB1     =     Bernoulli Coefficients ของท่อลดก่อนทางเข้าวาล์ว
          KB2     =     Bernoulli Coefficients ของท่อขยายหลังทางออกวาล์ว
ทั้งนี้ Bernoulli Coefficients ในสมการ (5-23) ทำหน้าที่ชดเชยการเปลี่ยนแปลงความเร็วและความดันของเหลวเมื่อไหลผ่านท่อข้อลดหรือท่อข้อเพิ่มแล้วเกิดการสูญเสียพลังงานของระบบไปนั้นเอง
แต่ถ้าหากข้อต่อท่อ (Fitting) พวกข้องอ (Elbow) หรือวาล์วแบบปิด-เปิดถูกติดตั้งใกล้กับวาล์วควบคุม ย่อมส่งผลกระทบต่อรูปแบบการไหลอีกทั้งจะไปลด Capacity ของวาล์ว  ซึ่ง ISA ยังไม่มีขั้นตอนหรือกำหนดตัวแปรแก้ไขค่าปรับลด CV แต่อย่างใด
 
กรณีขนาดวาล์วเล็กกว่าขนาดท่อ
·        ท่อทางเข้า Reducer
                                                  (5-24)
                                                     (5-25)
·        ท่อทางออก Increaser
                                                 (5-26)
                                                    (5-27)
 
กรณีขนาดวาล์วใหญ่ว่าขนาดท่อ
·        ท่อทางเข้า Increaser
                                                   (5-28)
                                                     (5-29)
 
·        ท่อทางออก Reducer
                                                  (5-30)
                                                     (5-31)
เมื่อ     d        =     Valve body port diameter
          D1      =     เส้นผ่านศูนย์กลางภายในท่อทางเข้าวาล์ว
          D2      =     เส้นผ่านศูนย์กลางภายในท่อทางออกวาล์ว
 
8.         คำนวณหาค่าสุดท้ายของ CV
                                                    (5-8.2)
โดยใช้ FP จากสมการ (5-22)   นอกจากนี้
ก.       ค่า CV ที่คำนวณได้ควรมีค่าน้อยกว่า 80% ของค่า CV ของวาล์วที่เลือกไว้  หรือเลือกวาล์วที่มีค่า CV สูงกว่าค่า CV ที่คำนวณได้อย่างน้อย 20 %   เพราะวาล์วควบคุมควรทำงานในช่วง 20% - 80% ของ Cของวาล์วที่เลือกไว้หากไม่มี Positioner ติดตั้งเข้ากับวาล์วควบคุม
ข.       เลือกค่า CV ที่ต้องการต่ำสุดให้เกิดขึ้นที่ตำแหน่งสูงกว่า 5% ของ Valve Travel หรือ Valve Stroke จากแค็ดตาล็อกผู้ผลิตวาล์ว
9.         คำนวณความเร็วการไหลของเหลวด้านทางออกวาล์ว  พิจารณาว่าความเร็วของเหลวสูงกว่าที่ยอมรับได้หรือไม่  หากของเหลวมีความเร็วการไหลสูงเกินไปให้เพิ่มขนาดวาล์วให้ใหญ่ขึ้น
                                                          (5-32)
เมื่อ     V       =     ความเร็วของเหลวด้านทางออกวาล์ว
          q        =     อัตราการไหลของเหลว
          AV      =     พื้นที่ของช่องทางการไหลด้านทางออกของตัวเรือนวาล์ว
 
รูปที่ 5-18   ISA™ Fluid Energy - Acceptance Criteria
10.      คำนวณหาค่า CV อีกครั้งหลังจากปรับขนาดวาล์ว
11.      เลือก Trim Number    
 
 
 
 
ตัวอย่าง
คำนวณหาขนาดวาล์วควบคุมสำหรับใช้
ชนิดของเหลว                                                       น้ำ
Critical Pressure (PC)                                            3,206.2 psia
อุณภูมิของเหลวที่สภาวะการใช้งาน                             250 F
ความดันด้านทางเข้าวาล์ว                                         314.7 psia
ความดันด้านทางออกวาล์ว                                        104.7 psia
Specific Gravity                                                  0.94
Valve Action                                                      Flow-to-Open
ระบบท่อที่วาล์วติดตั้งขนาด                                       4 นิ้ว, Class 600
อัตราการไหล                                                        500 gpm
Vapor Pressure (PV)                                             30 psia
Kinematic Viscosity (n)                                        0.014 centistokes
Flow Characteristic                                             Equal Percentage
 
1.         เลือกและคำนวณหาความดันตกคร่อมวาล์ว ()
2.         คำนวณหาความดันตกคร่อมวาล์วที่ทำให้เกิด Choked Flow ในการไหลของเหลว  หรือ Choked Pressure Drop
a.      หา Liquid Pressure Recovery Factor; FL  ใช้รูปที่ 5-13  เพื่อเลือกวาล์วชนิด Globe Valve, Flow-under, Full Area ได้ FL=0.90
b.     ประเมิน  FF จาก
ดังนั้น Choked Pressure Drop (ch)
ตรวจสอบ:   ถ้า ch> .แสดงว่าไม่มี Choked Flow เกิดขึ้นในของเหลวไหลผ่านวาล์วให้เลือกใช้ เป็น  a และแทนเป็นค่า  P1P2  ในแทนสมการ (5-8.1)  
c.      ประเมิน  Fi จากใช้รูปที่ 5-12 หรือรูปที่ 5-13 หาค่า  Fi ที่สอดคล้องกับวาล์วชนิด Globe Valve, Flow-under  ได้  F= 0.90  ได้ว่า F= 0.81 
ดังนั้น Incipient Cavitation  (incipient cavitation)
พบว่า  incipient cavitation < .แสดงว่าเกิด Cavitation  ภายใต้ไม่เกิด Choked Flow เกิดขึ้นในของเหลวไหลผ่านวาล์ว  การเลือกวัสดุของลิ้นวาล์วและ Seat Ring (Trim) ให้มีความแข็งทนทานต่อการเกิด Cavitation ต้องดำเนินการด้วยความรอบคอบ
3.         หาค่า Specific Gravity (Gf) โดยเลือกค่าความถ่วงจำเพาะที่สภาวะอุณหภูมิทำงานจริง (Operating Temperature)
Gf  = 0.94
4.         คำนวณค่าประมาณการ CV ที่ต้องการ  โดยสมมุตให้ Piping Geometry Factor (FP) มีค่าเท่ากับ 1,  = Pa
5.         ประมาณการขนาดวาล์วควบคุม  โดยยึดเอาค่า CV ที่คำนวณได้จาก สมการ (5-8.1) ไปเปิดตาราง Catalog ของผู้ผลิตวาล์ว  โดยให้เลือกขนาดวาล์วที่เล็กที่สุดที่มีค่ามากกว่า CV  ที่คำนวณได้เล็กน้อยพอประมาณ  เราจะได้ค่า d ของวาล์ว
       ดูรูปที่ 5-19  เลือกผู้ผลิตวาล์วยี้ห้อ Valtek  รุ่น  Mark One, Flow-under (ของเหลวเข้าทางใต้ลิ้นวาล์ว) มี Flow Characteristic แบบ Equal Percentage ชั้นทนความดัน Class 600 เลือกวาล์วที่มีขนาดเล็กที่สุดที่มีค่าใกล้เคียง CV ที่คำนวณได้  CV= 33.4  เราเลือกวาล์วขนาด 2 นิ้วค่า CV ที่วาล์วเปิดเต็มที่ 100% มีค่า CV = 34
6.         คำนวณค่า Valve Reynolds Number (ReV)
a.       ใช้ค่า Fd ที่สอดคล้องกับ FL ที่ประมาณจากรูปที่ 5-13 หาค่า สอดคล้องกับวาล์วชนิด Globe Valve, Flow-under ได้  F= 0.90, F= 0.81จะได้  Fd= 1.0
b.       ใช้ค่า CV  =  33.4
c.        ใช้ค่าขนาดวาล์ว  d = 2  นิ้ว
d.       ใช้ค่า = 500 gpm
e.       ตรวจสอบหน่วยที่ใช้ในสมการจากรูปที่ 5-9 N2 = 890, N4 = 17,300
 
รูปที่ 5-19   Catalog ผู้ผลิตวาล์วยี่ห้อ Valtek
พบว่าค่า ReV > 40,000  จึงถือว่าการไหลของเหลวภายในวาล์วเป็น Turbulent Flow  ดำเนินการคำนวณต่อไป  โดยให้ Valve Reynolds Number Factor; FR = 1
7.         คำนวณ Piping Geometry Factor (FP) จาก Catalog ของผู้ผลิตวาล์วโดยให้มีค่าสอดคล้องกับชนิดวาล์วจากการเลือก Liquid Pressure Recovery Factor; FL ในขั้นตอน 2 และขนาดวาล์วจากการเลือกไว้ในขั้นตอนที่ 5  หากไม่มีข้อมูลให้คำนวณหาค่า FP โดยประมาณ
แทนค่า
8.         คำนวณหาค่าสุดท้ายของ CV
9.         คำนวณความเร็วด้านทางออกวาล์ว   วาล์วขนาด 2 นิ้วชั้นทนความดัน  Class 600  มีพื้นที่ทางออกวาล์ว  3.14 in2  (จากรูปที่ 5-21)
พิจารณาว่าความเร็วของเหลวสูงกว่าที่ยอมรับได้หรือไม่เทียบกับความเร็วที่ยอมรับได้ในรูปที่ 5-18   ซึ่งยอมให้ความเร็วของเหลวด้านทางออกวาล์วไม่ควรมีค่าเกิน 100 ft/sec  งานนี้จึงยอมรับได้เพราะความเร็วด้านทางออกวาล์วคำนวณได้ 50 ft/sec ไม่เกิน 100 ft/sec
10.      เนื่องจาก แสดงว่าเกิด Cavitation ภายใต้สถานะการณ์ไม่เกิด Choked Flow เกิดขึ้นในของเหลวไหลผ่านวาล์ว  ดังนั้นเพื่อบรรเทาปัญหาเรื่อง Cavitation จึงทำการเพิ่มขนาดวาล์วจาก 2 นิ้วไปเป็น 3 นิ้ว จากนั้นเริ่มคำนวณตามขั้นตอนหาค่า CV อีกครั้งหลังจากปรับขนาดวาล์วตามขั้นตอน 7 - ขั้นตอน 8
a.     ขั้นตอน 7:   Piping Geometry Factor (FP) 3 นิ้ว ,FP= 1.0
b.    ขั้นตอน 8:   CV 3 นิ้ว , C= 33.4
            ดูรูปที่ 5-19  เลือกผู้ผลิตวาล์วยี้ห้อ Valtek  รุ่น  Mark One, Flow-under (ของเหลวเข้าทางใต้ลิ้นวาล์ว) มี Flow Characteristic แบบ Equal Percentage ชั้นทนความดัน Class 600  เลือกวาล์วขนาด 3 นิ้วค่า CV ที่วาล์วเปิดเต็มที่ 100% มีค่า CV= 34 , Trim Number 1.25
พิจารณาว่าความเร็วของเหลวสูงกว่าที่ยอมรับได้หรือไม่เทียบกับความเร็วที่ยอมรับได้ในรูปที่ 5-18  
11.      การเลือกชนิดและวัสดุ Trim ของวาล์ต้องเลือกใช้ให้เหมาะสมและแข็งเพียงพอเพราะต้องใช้ไปต่อสู้กับ Cavitiation ที่เกิดขึ้นนั้นเอง
       การเลือกวาล์วทั้งชนิดและขนาดอาจมีมิติเรื่องค่าใช้จ่ายเข้ามาเกี่ยวข้อง การซ่อมบำรุง Spare parts ระบบการควบคุม ฯลฯ ที่ต้องคำนึงถึงและใช้ประกอบการพิจารณาเราจะไม่คุยกันในที่นี้
 
รูปที่ 5-20   พื้นที่หน้าตัดภายในท่อตามขนาดและชั้นความหนา
 
 
 
 
รูปที่ 5-21   พื้นที่ทางออกวาล์วโดยผู้ผลิตวาล์วยี่ห้อ Valtek
 
 
 

 

 

 

 

ชั่งตวงวัด; GOM MOC
นนทบุรี
27 พ.ย. 60
 
 
 
 

 



จำนวนผู้เข้าชม : 6359