บทที่ 08 — กลศาสตร์ของไหล

08.1 ความดัน: gauge กับ absolute (Pressure: Gauge vs Absolute)

ความดัน (pressure) นิยามง่าย ๆ จากแรงต่อพื้นที่ P = F/A หน่วยมาตรฐานคือปาสกาล (Pa) แต่ในงานจริงตัวเลข Pa เดี่ยว ๆ เล็กเกินจะใช้สะดวก จึงพบหน่วยที่ใช้บ่อยหลายแบบปนกันอยู่ในโรงไฟฟ้าเดียวกัน: 1 bar = 100 kPa, 1 atm = 101.325 kPa และ 1 kg/cm² ≈ 98.07 kPa ซึ่งเกจรุ่นเก่าจำนวนมากในโรงไฟฟ้ายังคงสอบเทียบเป็น kg/cm² อยู่ ความแตกต่างระหว่าง kg/cm² กับ bar อยู่ที่ประมาณ 2% เท่านั้น — ตัวเลขที่ดูใกล้เคียงกันมากจนเป็นสาเหตุความผิดพลาดจากมนุษย์ (human error) แบบคลาสสิกเวลาที่มีใครหยิบตัวเลขจากเกจหนึ่งไปเทียบกับสเปกที่เขียนด้วยอีกหน่วยหนึ่งโดยไม่ทันสังเกต

ประเด็นที่สำคัญกว่าคือเกจวัดความดันแทบทุกตัวหน้างานวัด "เทียบกับความดันบรรยากาศ" เรียกว่า gauge pressure — เข็มเกจชี้ศูนย์เมื่อไม่มีอะไรต่ออยู่เลย (สัมผัสอากาศเปิด) แต่สมการทางเทอร์โมไดนามิกส์และตาราง steam table ทุกตารางต้องใช้ความดันสัมบูรณ์ (absolute pressure) ซึ่งนับจากสุญญากาศสมบูรณ์เป็นศูนย์จริง ๆ ความสัมพันธ์ระหว่างสองค่านี้ตรงไปตรงมา

โดย \(P_{abs}\) คือความดันสัมบูรณ์ (kPa), \(P_{gauge}\) คือความดันเกจ (kPa) และ \(P_{atm}\) คือความดันบรรยากาศ ≈ 101.325 kPa — ข้อควรระวังเชิงปฏิบัติคือทุกครั้งที่ต้องนำค่าความดันจากเกจไปเปิดตาราง steam table หรือคำนวณสมการเทอร์โมไดนามิกส์ ต้องบวกความดันบรรยากาศเข้าไปก่อนเสมอ มิฉะนั้นค่าอุณหภูมิอิ่มตัวหรือ enthalpy ที่อ่านได้จะผิดทันที

เมื่อความดันต่ำกว่าบรรยากาศ เรียกสภาวะนี้ว่าสุญญากาศ (vacuum) ตัวอย่างที่สำคัญที่สุดในโรงไฟฟ้าคือ condenser ซึ่งเดินเครื่องปกติที่ความดันสัมบูรณ์เพียง ~0.08–0.10 bar abs เทียบเท่ากับ gauge pressure ประมาณ −0.91 ถึง −0.93 barg ซึ่งช่างเดินเครื่องบางกลุ่มยังนิยมรายงานเป็น "~700 mmHg vacuum" ตามธรรมเนียมเก่า (รายละเอียดของ condenser vacuum อยู่ใน ch21) ทั้งสามวิธีอธิบายความดันเดียวกันเพียงแต่ใช้กรอบอ้างอิงต่างกัน และวิศวกรต้องแปลงไปมาระหว่างกันได้อย่างคล่องแคล่ว

1. Bourdon pressure gauge — เกจวัดความดันแบบท่อโค้ง (bourdon tube) ชนิดกลไก ไม่ใช้ไฟฟ้า อ่านค่าเป็น gauge pressure เสมอ (ศูนย์ที่บรรยากาศ) ตามหลักการในหัวข้อนี้ — ต้องบวก P_atm ก่อนนำไปใช้กับสมการหรือ steam table ที่ต้องการ absolute
2. Isolation valve (root valve) — วาล์วตัวแรกสุดที่ต่อออกจากท่อกระบวนการ (root valve) ใช้ปิดแยกเกจออกจากระบบเพื่อบำรุงรักษาหรือเปลี่ยนเกจโดยไม่ต้องหยุดกระบวนการทั้งเส้น เป็นจุดแรกที่ต้องปิดก่อนถอดเกจเสมอ
3. Impulse tubing — ท่อขนาดเล็กที่ส่งความดันจากจุดวัดจริงในกระบวนการไปยังเกจหรือ transmitter รูปทรงโค้งงอแบบในภาพ (loop) ช่วยกันการสั่นสะเทือนส่งตรงเข้ากลไกเกจ และช่วยดักไอน้ำควบแน่นไม่ให้ไหลเข้าไปกระแทกกลไกวัด
4. Instrument rack (local panel) — ชั้นวางเครื่องมือวัดหน้างาน (local panel) ที่รวมเกจและวาล์วหลายจุดวัดไว้ในที่เดียว สะดวกต่อการเดินตรวจรอบ (operator round) เพื่ออ่านค่าความดันหลายจุดพร้อมกัน
5. Impulse line to process — เส้นท่อ impulse ที่ต่อเชื่อมกลับไปยังจุดวัดจริงบนท่อหรือถังของกระบวนการ เป็นเส้นทางที่ความดันจริงถูกส่งผ่านมาให้เกจอ่านค่า

08.2 ของไหลสถิต (Hydrostatics)

เมื่อของไหลอยู่นิ่ง ความดันจะเพิ่มขึ้นตามความลึกตามสมการที่ง่ายที่สุดข้อหนึ่งในวิชากลศาสตร์ของไหล

โดย \(P\) คือความดัน (Pa), \(\rho\) คือความหนาแน่นของไหล (kg/m³), \(g\) = 9.81 m/s² และ \(h\) คือความสูงหรือความลึกของของไหล (m) — สำหรับน้ำ (ρ = 1000 kg/m³) ตัวเลขที่จำง่ายและใช้บ่อยมากคือ น้ำลึกหรือสูง 1 เมตรให้ความดัน 9.81 kPa และน้ำสูง 10 เมตรให้ความดันประมาณ 1 bar พอดี ความสัมพันธ์นี้ใช้งานอยู่ทุกวันในโรงไฟฟ้าโดยที่หลายคนอาจไม่ทันสังเกต: ระดับน้ำใน drum, hotwell หรือ deaerator ที่แสดงบนหน้าจอ DCS มักไม่ได้วัดจากทุ่นลอยโดยตรงแต่วัดจากผลต่างความดัน (ΔP) ระหว่างสองจุดแล้วแปลงกลับเป็นระดับด้วยสมการ P = ρgh นี้เอง เช่นเดียวกับความดันด้านดูดของปั๊มที่ขึ้นกับระดับของถังที่อยู่เหนือปั๊ม ซึ่งเป็นจุดเชื่อมโยงสำคัญไปสู่แนวคิด NPSH (Net Positive Suction Head — เฮดสุทธิด้านดูดที่ต้องมีเพื่อกันปั๊มเกิด cavitation) ที่จะอธิบายละเอียดใน ch24

เครื่องมือวัดผลต่างความดันแบบพื้นฐานที่สุดที่ใช้หลักการนี้โดยตรงคือ manometer แบบ U-tube ซึ่งมีของเหลว (มักเป็นปรอทสำหรับความดันสูง หรือน้ำ/น้ำมันสำหรับความดันต่ำ) บรรจุอยู่ในท่อรูปตัว U ปลายทั้งสองข้างต่อเข้ากับจุดวัดสองจุดที่ต้องการเทียบความดัน ผลต่างของระดับของเหลวในสองขา (Δh) แปลงกลับเป็นผลต่างความดันได้โดยตรง

ตัวอย่างที่แสดงให้เห็นว่า hydrostatics ไม่ใช่แค่ทฤษฎีแต่กำหนดการออกแบบทั้งอาคารได้คือถัง deaerator ซึ่งวิศวกรจงใจติดตั้งไว้สูงเหนือปั๊มน้ำป้อนหม้อไอน้ำ หรือ boiler feed pump (BFP) ประมาณ 15–25 เมตร เพื่อสร้าง static head แบบ P = ρgh ให้กับด้านดูดของปั๊มโดยเฉพาะ ยิ่ง head นี้สูง ความดันที่ปากดูดปั๊มก็ยิ่งสูงขึ้นตามไปด้วย ซึ่งจำเป็นมากสำหรับน้ำร้อนใกล้จุดเดือดที่ไหลเข้าปั๊มโดยตรง เพราะถ้าความดันด้านดูดต่ำเกินไปน้ำจะเดือดกลายเป็นไอในตัวปั๊มและเกิด cavitation ทำลายใบพัดปั๊มได้

1. Deaerator vent (to atmosphere) — ท่อระบายไอที่เปิดสู่บรรยากาศ ใช้ไล่ไอน้ำเล็กน้อยพร้อมออกซิเจน/ก๊าซที่ไม่ควบแน่นซึ่งถูกแยกออกจากน้ำป้อนในกระบวนการ deaeration ออกจากระบบ เห็นไอขาวพวยพุ่งออกมาตอนเดินเครื่องปกติ
2. Deaerator storage tank — ถังเก็บน้ำป้อนแนวนอนหลังผ่านกระบวนการไล่อากาศแล้ว คือถังที่ให้ static head แก่ปั๊มตามหลักการ P = ρgh ในหัวข้อนี้ — ยิ่งระดับน้ำในถังนี้สูง ความดันที่ปากดูดปั๊มก็ยิ่งมากขึ้น
3. Level gauge (transmitter) — เครื่องส่งสัญญาณวัดระดับน้ำในถัง โดยทั่วไปเป็นแบบ ΔP transmitter ที่ใช้หลักการ hydrostatics แปลงผลต่างความดันกลับเป็นระดับน้ำ ค่านี้ต้องควบคุมให้อยู่ในช่วงที่กำหนดเสมอเพื่อรักษา static head ให้เพียงพอ
4. Access ladder and platform — บันไดและชานพักสำหรับขึ้นไปตรวจสอบและบำรุงรักษาอุปกรณ์บนถัง เช่น level gauge และ vent valve
5. Structural steel support frame — โครงเหล็กที่ยกถังทั้งใบขึ้นสูงจากพื้นดิน คือโครงสร้างที่ทำให้ตัวเลข h = 15–25 เมตรในหัวข้อนี้เกิดขึ้นได้จริง เป็นตัวอย่างที่ hydrostatics กำหนดการออกแบบสถาปัตยกรรมทั้งอาคารรอบปั๊มน้ำป้อน
6. Downcomer (suction) pipe to boiler feed pumps — ท่อดิ่งขนาดใหญ่ที่ส่งน้ำจากถังลงมายังปั๊มน้ำป้อนด้านล่าง เป็นเส้นทางที่ static head จากความสูง h ถูกส่งผ่านไปเพิ่มความดันที่ปากดูดปั๊มโดยตรงตามสมการ P = ρgh
7. Boiler feed pump bay — บริเวณติดตั้งปั๊มน้ำป้อนหม้อไอน้ำที่อยู่ต่ำกว่าถังมาก เห็นตัวปั๊มสีน้ำเงินและระบบท่อรออยู่ด้านล่างโครงเหล็ก — ตำแหน่งต่ำกว่าถังมากคือเงื่อนไขที่จำเป็นเพื่อให้ได้ static head บวกเข้าไปด้านดูด

08.3 สมการความต่อเนื่อง (Continuity Equation)

หลักการพื้นฐานที่สุดข้อหนึ่งของฟิสิกส์คือมวลไม่มีวันหายไปเฉย ๆ เมื่อนำมาใช้กับของไหลที่ไหลผ่านท่อ ได้สมการความต่อเนื่อง (continuity equation) ที่บอกว่าอัตราการไหลเชิงมวล ṁ ต้องคงที่ตลอดความยาวท่อไม่ว่าท่อจะเปลี่ยนขนาดตรงไหนก็ตาม

โดย \(\dot{m}\) คืออัตราการไหลเชิงมวล (kg/s), \(\rho\) คือความหนาแน่น (kg/m³), \(A\) คือพื้นที่หน้าตัด (m²), \(V\) คือความเร็วเฉลี่ย (m/s) และ \(Q\) คืออัตราการไหลเชิงปริมาตร (m³/s) — สำหรับของไหลอัดตัวไม่ได้อย่างน้ำ ความหนาแน่นแทบไม่เปลี่ยนตลอดเส้นทาง สมการจึงลดรูปเหลือ Q = AV คงที่ ซึ่งความหมายเชิงปฏิบัติตรงไปตรงมามาก: ท่อเล็กลงตรงไหน ความเร็วของไหลตรงนั้นต้องเพิ่มขึ้นเพื่อรักษาอัตราการไหลปริมาตรเท่าเดิม

วิศวกรออกแบบระบบท่อในโรงไฟฟ้าจึงเลือกขนาดท่อจากความเร็วเป้าหมายที่เหมาะสมกับของไหลแต่ละชนิด ไม่ใช่เลือกตามใจชอบ ตัวเลขความเร็วออกแบบทั่วไปที่พบในโรงไฟฟ้ามีดังนี้

เหตุผลที่ต้องจำกัดความเร็วของน้ำไม่ให้สูงเกินไปมีหลายข้อพร้อมกัน: friction loss โตขึ้นตามความเร็วยกกำลังสอง (จะอธิบายในหัวข้อ 08.6), การกัดกร่อนจากการไหล (erosion) รุนแรงขึ้นที่ความเร็วสูง, เสียงดังผิดปกติ และความเสี่ยงเรื่อง water hammer เมื่อวาล์วปิดกะทันหัน แต่ในทางกลับกันก็ไม่ควรออกแบบให้ความเร็วช้าเกินไปเช่นกัน เพราะท่อขนาดใหญ่กว่าที่จำเป็นมีต้นทุนสูงกว่ามาก และความเร็วต่ำเกินไปอาจทำให้ตะกอนตกค้างสะสมอยู่ในท่อ สำหรับก๊าซหรือไอน้ำที่ความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงตามความดันและอุณหภูมิอย่างมีนัยสำคัญตลอดเส้นทาง ต้องใช้สมการรูปเต็ม ṁ = ρAV เสมอ โดยดึงค่า ρ จาก steam table ตามสภาวะจริงที่จุดนั้น (รายละเอียด steam table อยู่ใน ch11)

1. Condenser water box — กล่องน้ำที่ปลายท่อต่อเข้ากับ condenser เป็นจุดกระจายน้ำหล่อเย็นเข้าสู่ท่อขนาดเล็กจำนวนมากภายในมัดท่อ condenser (รายละเอียด condenser อยู่ใน ch21)
2. Butterfly valve — วาล์วผีเสื้อขนาดใหญ่สำหรับเปิด-ปิดหรือแยกส่วนท่อ circulating water นิยมใช้กับท่อขนาดใหญ่เพราะเบาและราคาถูกกว่าวาล์วชนิดอื่นเมื่อเทียบขนาดเดียวกัน แฮนด์ล้อหมุนด้านบนใช้เปิด-ปิดด้วยมือหรือขับด้วยมอเตอร์ในระบบใหญ่
3. Flanged joint — จุดต่อแบบหน้าแปลนพร้อมสลักเกลียวรอบวง ใช้เชื่อมท่อแต่ละท่อนเข้าด้วยกันและช่วยให้ถอดประกอบเพื่อบำรุงรักษาได้โดยไม่ต้องตัดท่อ
4. Circulating water pipe (approx. 2.5 m diameter) — ท่อน้ำหล่อเย็นหลักขนาดใหญ่มาก ออกแบบให้ความเร็วน้ำอยู่ในช่วง 2–3 m/s ตามตารางความเร็วออกแบบในหัวข้อนี้ แม้ต้องรับปริมาตรน้ำมหาศาลต่อวินาทีเพื่อระบายความร้อนจาก condenser ก็ตาม
5. Pipe support (pedestal) — ฐานรองรับน้ำหนักท่อที่วางเป็นระยะตลอดแนว ท่อขนาดนี้เมื่อเต็มไปด้วยน้ำมีน้ำหนักรวมมหาศาล จำเป็นต้องมีฐานรองรับที่แข็งแรงและวางระยะห่างที่เหมาะสม
6. Pipe anchor — จุดยึดแน่นที่ล็อกตำแหน่งท่อไม่ให้เคลื่อนที่ตามแนวแกน ใช้ควบคุมทิศทางการขยายตัวจากความร้อนของท่อยาวให้เป็นไปตามที่ออกแบบไว้ (หลักการเดียวกับที่อธิบายไว้ใน ch07 เรื่องแรงจาก thermal expansion)
7. Condenser basement (access walkway) — พื้นที่ทางเดินตรวจสอบในชั้นใต้ดินของอาคาร condenser ที่ท่อ circulating water วิ่งผ่าน
8. Floor drain — ท่อระบายน้ำที่พื้น ใช้ระบายน้ำรั่วซึมเล็กน้อยจากหน้าแปลนหรือน้ำล้างทำความสะอาดพื้นที่ไม่ให้ขังสะสม

08.4 สมการ Bernoulli และการประยุกต์ (Bernoulli Equation and Applications)

ถ้าการไหลไม่มี friction เลยตามแนว streamline หนึ่ง ๆ ผลรวมของพลังงานสามรูปแบบต่อหน่วยน้ำหนักของของไหล — pressure head, velocity head และ elevation head — จะคงที่ตลอดเส้นทาง นี่คือสมการ Bernoulli ที่นับเป็นหนึ่งในสมการที่มีประโยชน์มากที่สุดของวิศวกรรมของไหลทั้งหมด

โดย \(P/\rho g\) คือ pressure head (m), \(V^2/2g\) คือ velocity head (m), \(z\) คือ elevation head (m), \(h_p\) คือ head ที่ปั๊มเพิ่มให้ (m) และ \(h_L\) คือ head loss รวม (m) — สมการรูปนี้เขียนแบบสมบูรณ์แล้วเรียกว่า "energy equation" เพราะมันรวมพจน์ h_p (สำหรับกรณีมีปั๊มเพิ่มพลังงานเข้าระบบ) และ h_L (สำหรับ friction ที่เกิดขึ้นจริง) เข้าไปด้วย — รูปขยายนี้เองที่วิศวกรใช้เลือกขนาดปั๊มจริงในทางปฏิบัติ (รายละเอียดใน ch24)

ความหมายเชิงพลังงานของ Bernoulli คือพลังงานทั้งสามรูปแบบแลกเปลี่ยนกันได้อย่างอิสระตราบใดที่ผลรวมคงที่ ตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดคือเมื่อท่อเรียวเล็กลง ความเร็ว V ต้องเพิ่มขึ้นตาม continuity ที่อธิบายในหัวข้อก่อนหน้า และเมื่อ velocity head โตขึ้น pressure head ก็ต้องลดลงเพื่อให้ผลรวมคงที่ — พูดง่าย ๆ คือ "ตรงที่ของไหลไหลเร็ว ความดันจะตก" หลักการนี้คือรากฐานของอุปกรณ์วัดอัตราการไหลแบบ venturi และ pitot ที่จะอธิบายละเอียดในหัวข้อ 08.8 รวมถึงปรากฏการณ์ siphon ที่ยกน้ำข้ามจุดสูงได้โดยไม่ต้องใช้ปั๊ม และแรงยกที่เกิดในปล่อง (stack) ของหม้อไอน้ำที่ช่วยดึงก๊าซร้อนไหลออก (natural draft — ดู ch18)

08.5 แนวคิดเรื่อง head (The Head Concept)

Head คือวิธีแสดงพลังงานของของไหลในรูป "ความสูงของคอลัมน์ของไหลสมมติ" หน่วยเมตร (m) แทนที่จะใช้หน่วยความดันหรือพลังงานตรง ๆ ข้อดีของการแสดงเป็น head คือมันสะดวกมากในทางปฏิบัติ เพราะ pump curve, ระดับถัง และ loss ต่าง ๆ ล้วนบวก-ลบกันได้ตรง ๆ ในหน่วยเดียวกันหมด ไม่ต้องแปลงหน่วยไปมาให้สับสน

โดย \(h\) คือ pressure head (m), \(P\) คือความดัน (Pa), \(\rho\) คือความหนาแน่น (kg/m³) และ \(g\) = 9.81 m/s² — head มีอยู่สามชนิดหลักที่ปรากฏในสมการ Bernoulli ของหัวข้อก่อนหน้า ได้แก่ static/elevation head (z — ความสูงจริงตามภูมิศาสตร์), pressure head (P/ρg) และ velocity head (V²/2g) ข้อสังเกตที่มีประโยชน์คือในระบบน้ำของโรงไฟฟ้าทั่วไป velocity head มักมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับสองชนิดแรก เช่นที่ความเร็ว 3 m/s ซึ่งเป็นความเร็วออกแบบทั่วไป velocity head มีค่าเพียง 0.46 m เท่านั้น

การแปลงกลับไปกลับมาระหว่าง head กับความดันเป็นทักษะที่ต้องคล่อง: น้ำสูง 10 เมตรให้ความดันประมาณ 0.981 bar (ตามที่กล่าวในหัวข้อ 08.2) และในทิศทางกลับกัน boiler feed pump ที่สร้างความดันสูงถึง 20 MPa เทียบเท่ากับ head ประมาณ 2,100 เมตร (ตัวเลขที่แม่นยำขึ้นอยู่กับความหนาแน่นจริงของน้ำร้อนซึ่งต่ำกว่า 1000 kg/m³ — รายละเอียดอยู่ใน ch24) ศัพท์สำคัญที่จะพบซ้ำตลอดบทเรื่องปั๊มคือ total dynamic head (TDH) ซึ่งหมายถึงผลต่าง head รวมระหว่างด้านส่ง (discharge) กับด้านดูด (suction) ของปั๊ม เป็นตัวเลขหลักที่ใช้เลือกขนาดปั๊มให้เหมาะกับระบบ

08.6 การสูญเสียในท่อ: major และ minor losses (Pipe Losses)

ของไหลจริงมี friction เสมอ พลังงานส่วนหนึ่งจึงสูญเสียไปตลอดเส้นทางในรูปความร้อน แบ่งได้เป็นสองประเภท ประเภทแรกคือ major loss ซึ่งเกิดจาก friction ตามความยาวท่อตรง คำนวณด้วยสมการ Darcy-Weisbach

โดย \(h_f\) คือ major loss (m), \(f\) คือ friction factor (ไม่มีหน่วย), \(L\) คือความยาวท่อ (m), \(D\) คือเส้นผ่านศูนย์กลางใน (m), \(V\) คือความเร็ว (m/s), \(h_m\) คือ minor loss (m) และ \(K\) คือ loss coefficient ของ fitting (ไม่มีหน่วย) — สังเกตว่า h_f โตตามความเร็วยกกำลังสอง และถ้าคิดที่อัตราการไหล Q คงที่ ยังแปรผกผันกับเส้นผ่านศูนย์กลาง D ยกกำลังประมาณ 5 ด้วย นั่นหมายความว่าท่อที่ใหญ่ขึ้นแม้เพียงเล็กน้อยก็ทำให้ loss ลดลงอย่างฮวบฮาบ — เป็นเหตุผลสำคัญข้อหนึ่งที่วิศวกรมักเลือกท่อขนาดใหญ่กว่าขั้นต่ำเล็กน้อยเมื่อค่าพลังงานปั๊มมีนัยสำคัญในระยะยาว

ค่า friction factor f หาได้จาก Moody chart ซึ่งเป็นกราฟมาตรฐานที่ขึ้นกับตัวแปรสองตัว คือ Reynolds number (Re — จะอธิบายในหัวข้อ 08.7) และความขรุขระสัมพัทธ์ของผิวท่อ (relative roughness, ε/D) ท่อเหล็กเชิงพาณิชย์ทั่วไปมีความขรุขระ ε ≈ 0.045 mm และในทางปฏิบัติน้ำที่ไหลในท่อโรงไฟฟ้าส่วนใหญ่มีค่า f อยู่ในช่วงประมาณ 0.012–0.02

ประเภทที่สองคือ minor loss ซึ่งเกิดจากอุปกรณ์ประกอบท่อ (fitting) และวาล์วต่าง ๆ ที่รบกวนการไหลเฉพาะจุด แม้จะเรียกว่า "minor" แต่ในระบบท่อที่สั้นและมี fitting หนาแน่น เช่นบริเวณรอบปั๊ม สัดส่วน minor loss อาจเกินครึ่งหนึ่งของ loss รวมทั้งระบบได้ ค่า K ทั่วไปของอุปกรณ์แต่ละชนิดต่างกันมาก

ตัวเลขในตารางอธิบายได้ว่าทำไม globe valve จึงมีความดันตกสูงกว่า gate valve หลายสิบเท่าแม้เปิดสุดเท่ากัน เพราะโครงสร้างภายในบังคับให้ของไหลเลี้ยวเปลี่ยนทิศทางซ้ำ ๆ — ข้อเสียนี้กลับกลายเป็นข้อดีเมื่อจำเป็นต้อง throttle (ควบคุมอัตราการไหลด้วยการเปิดวาล์วเพียงบางส่วน) เพราะโครงสร้างเดียวกันนี้ทำให้ควบคุมได้ละเอียดและสึกหรอน้อยกว่า ขณะที่ gate valve ถูกออกแบบมาให้เปิดสุดหรือปิดสุดเท่านั้น ถ้าฝืนใช้ throttle จะสึกจาก erosion เร็วและควบคุมได้ยาก ในระบบท่อโดยรวม ระบบที่มีท่อยาวมาก major loss มักเด่นกว่า ส่วนระบบท่อสั้นที่มี fitting หนาแน่น minor loss มักเด่นกว่า และเนื่องจาก loss ทั้งหมด (ทั้ง major และ minor) แปรผันตาม Q² กราฟที่เรียกว่า system curve จึงมีรูปร่างเป็นพาราโบลาเสมอ ซึ่งเป็นพื้นฐานสำคัญของการอ่านจุดทำงานปั๊ม (operating point) ที่จะอธิบายละเอียดใน ch24

1. Eccentric reducer (flat side up) — ข้อลดขนาดท่อแบบเยื้องศูนย์ (eccentric) วางด้านแบนไว้ด้านบนเสมอ เพื่อป้องกันไม่ให้อากาศไปสะสมค้างอยู่ที่จุดสูงสุดของท่อด้านดูด ซึ่งจะทำให้ปั๊มสูญเสีย prime และเกิด cavitation ได้ — เป็นรายละเอียดออกแบบเล็ก ๆ ที่สำคัญมากสำหรับความน่าเชื่อถือของปั๊ม
2. Gate valve (isolation) — วาล์วประตูสำหรับแยกปั๊มออกจากระบบท่อเวลาบำรุงรักษา เปิดสุดหรือปิดสุดเท่านั้นตามหลักการในหัวข้อนี้ — มีค่า K ต่ำเพียง 0.15 เมื่อเปิดสุด แทบไม่เพิ่ม minor loss ให้ระบบ
3. Centrifugal pump — ปั๊มหอยโข่งสีน้ำเงินที่รับน้ำจากท่อดูดด้านซ้ายแล้วเพิ่มพลังงาน (head) ให้ก่อนส่งออกทางท่อจ่ายด้านขวา คือปลายทางที่ระบบท่อดูดทั้งหมดในภาพนี้ถูกออกแบบมาเพื่อป้อนน้ำให้ (รายละเอียดปั๊มเต็มรูปแบบอยู่ใน ch24)
4. Pipe strainer (suction strainer) — ตะแกรงกรองสิ่งแปลกปลอมก่อนเข้าปั๊ม ป้องกันเศษวัสดุที่อาจทำลายใบพัดปั๊ม ΔP ที่คร่อมตัวกรองนี้ใช้เป็นตัวชี้วัดว่าตะแกรงเริ่มอุดตันหรือยัง ตามหลักการ minor loss ที่โตขึ้นเมื่อมีสิ่งกีดขวางการไหล
5. Suction piping — ท่อด้านดูดโดยรวมที่ออกแบบให้ความเร็วต่ำ (1–2 m/s ตามตารางในหัวข้อ 08.3) และมี fitting/loss ให้น้อยที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ เพื่อรักษาความดันด้านดูดให้สูงพอกันปั๊ม cavitation
6. Discharge connection — จุดต่อท่อด้านส่งของปั๊มที่ความดันถูกเพิ่มขึ้นแล้ว เชื่อมต่อไปยังท่อจ่ายหลักของระบบ

08.7 Reynolds number: laminar กับ turbulent (Reynolds Number)

ลักษณะของการไหลในท่อแบ่งได้เป็นสองแบบหลักที่พฤติกรรมต่างกันโดยสิ้นเชิง คือ laminar (การไหลเป็นชั้นเรียบเป็นระเบียบ) และ turbulent (การไหลปั่นป่วนผสมกันแบบสุ่ม) ตัวเลขไร้หน่วยที่ใช้บอกว่าการไหลหนึ่ง ๆ อยู่ในแบบไหนคือ Reynolds number

โดย \(Re\) คือ Reynolds number (ไม่มีหน่วย), \(\rho\) คือความหนาแน่น (kg/m³), \(V\) คือความเร็ว (m/s), \(D\) คือเส้นผ่านศูนย์กลางใน (m), \(\mu\) คือ dynamic viscosity (Pa·s) และ \(\nu\) คือ kinematic viscosity (m²/s) — ความหมายทางฟิสิกส์ของ Re คืออัตราส่วนระหว่างแรงเฉื่อย (inertia) กับแรงหนืด (viscous) ของของไหล ถ้าแรงหนืดครอบงำ (Re ต่ำ) การไหลจะเรียบเป็นชั้น แต่ถ้าแรงเฉื่อยครอบงำ (Re สูง) การไหลจะปั่นป่วน สำหรับการไหลในท่อกลม เกณฑ์แบ่งที่ยอมรับกันทั่วไปคือ Re ต่ำกว่า 2,300 เป็น laminar, ช่วง 2,300–4,000 เป็นช่วงเปลี่ยนผ่าน (transitional) และ Re สูงกว่า 4,000 เป็น turbulent

สำหรับน้ำที่อุณหภูมิ 25°C ค่า dynamic viscosity μ ≈ 0.89×10⁻³ Pa·s (เทียบเท่า kinematic viscosity ν ≈ 0.89×10⁻⁶ m²/s) เมื่อนำความเร็วออกแบบทั่วไปในโรงไฟฟ้าที่กล่าวไว้ในหัวข้อ 08.3 มาคำนวณ จะพบว่าการไหลของน้ำและไอน้ำในท่อโรงไฟฟ้าแทบทั้งหมดอยู่ในช่วง turbulent จัดมาก โดย Re มักอยู่ในช่วง 10⁵–10⁷ ซึ่งสูงกว่าเกณฑ์ 4,000 หลายเท่าตัว ผลเชิงปฏิบัติที่สำคัญคือ friction factor ในช่วง laminar คำนวณตรงไปตรงมาจาก f = 64/Re และไม่ขึ้นกับความขรุขระผิวท่อเลย แต่ในช่วง turbulent f ขึ้นกับทั้ง Re และความขรุขระสัมพัทธ์ ε/D (ตามที่กล่าวถึงใน Moody chart ในหัวข้อก่อนหน้า) และที่ Re สูงมาก ๆ f จะแทบคงที่ไม่เปลี่ยนตาม Re อีกต่อไป เรียกว่าเข้าสู่ zone ที่เรียกว่า fully rough zone

ข้อดีของการไหลแบบ turbulent ที่มักถูกมองข้ามคือมันช่วยผสมของไหลได้ดีกว่ามาก ซึ่งส่งผลให้การถ่ายเทความร้อน (heat transfer) ระหว่างของไหลกับผนังท่อดีขึ้นตามไปด้วย (รายละเอียดความสัมพันธ์นี้อยู่ใน ch12) แต่ก็ต้องแลกกับ friction ที่สูงกว่าการไหลแบบ laminar อย่างมีนัยสำคัญ — เป็นข้อแลกเปลี่ยนพื้นฐานที่ปรากฏซ้ำในการออกแบบอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแทบทุกชนิดของโรงไฟฟ้า

08.8 การวัดอัตราการไหล (Flow Measurement: Orifice, Venturi, Pitot)

อุปกรณ์วัดอัตราการไหลสามชนิดที่พบบ่อยที่สุดในโรงไฟฟ้า — orifice plate, venturi และ pitot tube — ล้วนอาศัยหลักการเดียวกันคือสมการ Bernoulli ที่กล่าวไว้ในหัวข้อ 08.4: เมื่อบีบให้ของไหลไหลเร็วขึ้นตรงจุดใดจุดหนึ่ง ความดันตรงนั้นจะตกลงตามไปด้วย การวัดผลต่างความดัน (ΔP) ที่เกิดขึ้นจึงย้อนกลับไปคำนวณอัตราการไหลได้

โดย \(Q\) คืออัตราการไหล (m³/s), \(C_d\) คือ discharge coefficient (~0.6 สำหรับ orifice, ~0.98 สำหรับ venturi), \(A_2\) คือพื้นที่รูคอด (m²), \(\Delta P\) คือความดันต่าง (Pa), \(\rho\) คือความหนาแน่น (kg/m³), \(\beta\) คืออัตราส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางรูต่อท่อ (ไม่มีหน่วย) และ \(V\) คือความเร็วที่ปลาย pitot (m/s) — ความสัมพันธ์ที่ควรจำขึ้นใจจากสมการนี้คือ Q แปรผันตามรากที่สองของ ΔP เท่านั้น ไม่ใช่แปรผันตรงกับ ΔP

Orifice plate คือแผ่นโลหะเจาะรูตรงกลางที่ประกบเข้ากับหน้าแปลนท่อ ราคาถูกและติดตั้งง่ายที่สุดในสามชนิด ผลิตและติดตั้งตามมาตรฐานสากล ISO 5167 จึงเป็นตัวเลือกที่ใช้กันแพร่หลายมากที่สุดสำหรับวัด feedwater flow และ steam flow ทั่วโรงไฟฟ้า ข้อเสียสำคัญคือมันสร้าง permanent pressure loss สูงมาก ประมาณ 50–80% ของ ΔP ที่วัดได้ ขึ้นอยู่กับค่า β (อัตราส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางรูต่อท่อ) เพราะรูปทรงคมของรูเจาะทำให้เกิดการไหลวนปั่นป่วนด้านหลังแผ่นที่พลังงานส่วนนั้นไม่กลับคืนมา

1. Handle tab (for installation) — ด้ามจับยื่นออกมาจากตัวแผ่น ใช้จับติดตั้ง/ถอดแผ่นระหว่างหน้าแปลนโดยไม่ต้องสัมผัสตัวแผ่นโดยตรง และมักสลักหมายเลข tag ของจุดวัดไว้บนด้ามนี้เพื่อป้องกันติดตั้งผิดจุด (เห็นข้อความ "TAG: FT-101" สลักอยู่บนด้าม — FT ย่อจาก Flow Transmitter หมายเลขจุดวัดนั้น)
2. Orifice bore (sharp edge) — ขอบรูเจาะที่ต้องคมมากตามมาตรฐาน ASME MFC-3M/ISO 5167 ความคมของขอบนี้เองที่กำหนดค่า discharge coefficient C_d ให้คงที่และคาดการณ์ได้ ถ้าขอบสึกมนจากการกัดกร่อนสะสมนาน ๆ ค่า C_d จะเปลี่ยนไปและทำให้ค่า flow ที่วัดได้คลาดเคลื่อนจากความเป็นจริง
3. Orifice plate — ตัวแผ่นทั้งชิ้น ทำจากสแตนเลส 304 หนาพอที่จะไม่โก่งงอจากความดันที่กระทำ คือหัวใจของอุปกรณ์วัด flow ราคาถูกที่สุดในสามชนิดตามที่อธิบายในหัวข้อนี้
4. Flange gaskets (one on each side) — ปะเก็นสีเขียวที่ประกบด้านหน้าและหลังแผ่น orifice เพื่อป้องกันการรั่วซึมที่หน้าแปลนขณะขันสลักเกลียวยึดแผ่นให้อยู่ระหว่างท่อทั้งสองท่อน
5. Upstream face (flow direction) — ด้านหน้าของแผ่นที่ของไหลไหลเข้าปะทะก่อน ต้องติดตั้งให้ถูกทิศทางเสมอ เพราะรูปทรงขอบรูด้านต้นน้ำกับปลายน้ำไม่สมมาตร ติดกลับด้านจะทำให้ค่า C_d และผลการวัดผิดไปจากที่สอบเทียบไว้ทั้งหมด

Venturi meter ใช้หลักการเดียวกันแต่เปลี่ยนรูปทรงจากแผ่นบางคมเป็นท่อคอดเรียวเข้า-ออกอย่างลื่นไหล (converging cone ตามด้วย throat แล้วขยายกลับด้วย diffuser) ผลคือ permanent loss ต่ำกว่า orifice มาก เหลือเพียงประมาณ 10–15% ของ ΔP ที่วัดได้ เพราะรูปทรงลื่นไหลไม่ทำให้เกิดการไหลวนปั่นป่วนรุนแรงเหมือน orifice ข้อเสียคือตัวเครื่องยาวและมีราคาแพงกว่ามาก จึงเลือกใช้เฉพาะจุดที่พลังงานที่สูญเสียไปมีมูลค่าสูงพอจะคุ้มราคา เช่นท่อ circulating water ขนาดใหญ่ที่มีอัตราการไหลมหาศาลตลอด 24 ชั่วโมง

1. Upstream pressure tap (P1) — จุดวัดความดันสถิตก่อนถึงคอคอด (converging cone) เป็นค่า P1 ที่ใช้คำนวณ ΔP ร่วมกับ P2 ตามสมการ Q ในหัวข้อนี้
2. Throat pressure tap (P2) — จุดวัดความดันสถิตตรงคอคอดที่แคบที่สุด ซึ่งเป็นจุดที่ความเร็วสูงสุดและความดันต่ำสุดตามหลัก Bernoulli — ค่า P2 นี้ต่ำกว่า P1 เสมอเมื่อมีการไหล
3. Venturi body — ตัวท่อทั้งชุดที่ขึ้นรูปอย่างแม่นยำ (precision contoured) เพื่อบังคับทิศทางการไหลให้ลื่นไหลที่สุดเท่าที่จะทำได้ ลดการไหลวนปั่นป่วนที่ทำให้เกิด permanent loss
4. Converging cone — ส่วนคอเรียวเข้าที่ค่อย ๆ ลดพื้นที่หน้าตัดลง บังคับให้ของไหลเร่งความเร็วขึ้นอย่างนุ่มนวลตาม continuity equation ในหัวข้อ 08.3
5. Throat — ส่วนที่แคบที่สุดของ venturi ซึ่งความเร็วการไหลสูงสุดและความดันสถิตต่ำสุด คือตำแหน่งที่ tap P2 ติดตั้งอยู่
6. Diffuser — ส่วนขยายออกอย่างค่อยเป็นค่อยไปหลังคอคอด ทำหน้าที่ลดความเร็วกลับคืนและกู้ความดันส่วนใหญ่กลับมา (pressure recovery) ซึ่งเป็นเหตุผลหลักที่ venturi มี permanent loss ต่ำกว่า orifice มาก มุมขยายของ diffuser ต้องค่อย ๆ ลาดเพื่อไม่ให้การไหลแยกตัวออกจากผนัง (flow separation)

Pitot tube ทำงานต่างจากสองชนิดแรกตรงที่มันวัดความเร็วเฉพาะจุด ไม่ใช่อัตราการไหลทั้งหน้าตัด โดยวัดผลต่างระหว่างความดัน stagnation (ความดันที่จุดซึ่งของไหลถูกบังคับให้หยุดนิ่งสนิทที่ปลายท่อ) กับความดัน static (ความดันปกติของการไหล) นิยมใช้แบบ traverse คือเลื่อนหัววัดไปหลายตำแหน่งตามหน้าตัด duct เพื่อสร้างโปรไฟล์ความเร็วทั้งหมด ใช้บ่อยกับการวัดการไหลของอากาศหรือ flue gas ใน duct ขนาดใหญ่ที่ไม่สะดวกจะติดตั้ง orifice หรือ venturi ครอบทั้งหน้าตัด

ไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์ชนิดใดในสาม ค่า ΔP ที่วัดได้จะถูกส่งเข้า DP transmitter (Differential Pressure Transmitter — เครื่องส่งสัญญาณความดันต่าง) แล้วผ่านกระบวนการคำนวณรากที่สอง (square-root extraction) เพื่อแปลงสัญญาณ ΔP กลับเป็นสัญญาณ flow ที่เป็นเชิงเส้น (รายละเอียดเครื่องมือวัดเต็มรูปแบบอยู่ใน ch38) ผลข้างเคียงที่สำคัญของความสัมพันธ์ Q ∝ √ΔP คือความแม่นยำที่ flow ต่ำจะแย่ลงมาก เพราะที่ flow เพียง 25% ของช่วงวัด (range) ค่า ΔP ที่วัดได้จริงจะเหลือเพียง 6.25% ของช่วงวัดเท่านั้น (0.25² = 0.0625) ทำให้สัญญาณอ่อนและมี noise สัมพัทธ์สูงกว่าที่ flow สูง นี่คือเหตุผลที่ระบบวัด flow แบบ ΔP มักไม่แม่นยำนักที่ load ต่ำมาก และเป็นข้อจำกัดที่ต้องคำนึงถึงเวลาออกแบบช่วงวัด

สรุปท้ายบท

ศัพท์เทคนิคในบทนี้

แบบทดสอบท้ายบท