ออกแบบระบบท่ออากาศอัด
ระบบอากาศอัดเป็นระบบที่สำคัญในกระบวนการผลิต ระบบอากาศอัดที่ดีจะต้องสามารถจ่ายอากาศอัดได้ตามความต้องการและมีความดันคงที่ การออกแบบระบบท่อที่ถูกต้องช่วยให้ระบบอากาศอัดทำงานได้ตามเป้าหมาย ให้ความมั่นคงในการใช้งาน การบำรุงรักษาทำได้ง่าย ควบคุมต้นทุนการติดตั้ง และได้ระบบที่ประหยัดพลังงาน
ขั้นตอนการคำนวณออกแบบระบบอากาศอัดทั้งระบบมีดังต่อไปนี้
- กำหนดตำแหน่งเครื่องจักรอุปกรณ์ที่ใช้อากาศอัดลงบนแบบ
- รวบรวมข้อมูลอัตราการใช้อากาศอัดในแต่ละตำแหน่ง
- รวบรวมข้อมูลช่วงความดันที่ใช้ในแต่ละตำแหน่ง
- รวบรวมข้อมูลคุณภาพอากาศอัดที่ต้องการ
- จัดทำข้อมูลระยะเวลาที่แต่ละจุดใช้งาน
- จัดทำรายการระยะเวลาและอัตราการใช้อากาศอัดพร้อมกันในท่อกิ่ง ท่อหลัก และในระบบอากาศอัด
- กำหนดอัตราอากาศอัดรั่วที่ยอมรับได้
- กำหนดการใช้เผื่อสำหรับการขยายในอนาคต
- ทำแบบแนวท่ออากาศอัดและความดันตกขั้นต้น
- เลือกประเภทเครื่องอัดอากาศ อุปกรณ์ปรับคุณภาพอากาศอัด อุปกรณ์ประกอบ และตำแหน่งอากาศเข้า
- จัดทำแบบ ระบุขนาดท่ออากาศอัด และคำนวณตรวจสอบความดันอากาศอัด
การคำนวณอัตราการใช้อากาศอัดและการเลือกอุปกรณ์ประกอบสำหรับเครื่องจักรอุปกรณ์ได้อธิบายในบทความเรื่องคุณภาพอากาศอัด ในบทความนี้จะเป็นการคำนวณออกแบบระบบท่ออากาศอัด ส่วนเรื่องเครื่องอัดอากาศและอุปกรณ์ประกอบจะอธิบายในบทความต่อไป
วัสดุท่อ
ระบบท่ออากาศอัดสามารถใช้ท่อได้หลายประเภทได้แก่ ท่อเหล็ก ท่อเหล็กไร้สนิม ท่อทองแดง ท่ออลูมิเนียม และท่อพลาสติก วัสดุท่อที่นิยมใช้ใช้ในปัจจบันได้แก่ท่อเหล็กอาบสังกะสี และท่อเหล็กดำ ซึ่งมีความแข็งแรงสามารถรับความดันได้มากกว่าความดันในระบบอากาศอัดมาก และมีความหนาของท่อมากเกินความจำเป็น ทำให้แน่ใจถ้าการควบคุมน้ำในระบบท่อมีปัญหา การผุกร่อนของท่อเนื่องจากสนิมจะไม่ทำให้ท่อเสียหาย แต่สนิมในท่อจะทำให้คุณภาพอากาศอัดเสียและมีผลต่อเครื่องจักรอุปกรณ์และผลิตภัณฑ์
ท่อพลาสติกที่มีความแข็งแรงเหมาะสมสำหรับใช้เป็นท่อกระจายอากาศอัดได้คือท่อพีวีซี ชั้นคุณภาพ 13.5 ซึ่งจากตารางที่ 1.ท่อพีวีซี 13.5 มีความดันใช้งาน 9.4 บาร์ ที่อุณหภูมิ 40oC จึงเหมาะสำหรับท่อจากถังความดันมายังอุปกรณ์ใช้อากาศอัด สรุปข้อดีของท่อพีวีซีคือ มีราคาถูก ผิวเรียบมีความเสียดทานน้อยทำให้ประหยัดพลังงาน มีค่าติดตั้งต่ำสุด เนื่องจากมีน้ำหนักเบา มีข้อต่อหลากหลายชนิด การติดตั้งด้วยข้อต่อและน้ำยาประสานมีความแข็งแรงและไม่รั่วซึม การติดตั้งไม่ต้องการเครื่องมือพิเศษ สามารถตัดต่อเปลี่ยนแปลงได้ง่ายทำให้มีความยืดหยุ่นในการปรับปรุงเปลี่ยนแปลงตำแหน่งเครื่องจักรและกระบวนการการผลิต
ข้อเสียหลักคือขอบเขตของอุณหภูมิใช้งานสูงสุด 60oC จึงไม่สามารถใช้กับท่ออากาศอัดจากเครื่องอัดอากาศถึงถังความดันเพราะอาจมีอุณหภูมิสูงกว่า 40oC ทำให้ไม่สามารถรับความดันอากาศอัดได้ ท่อพีวีซีจึงเหมาะสำหรับใช้เป็นท่อกระจายอากาศอัดจากถังความดันไปยังเครื่องจักรและอุปกรณ์ภายในโรงงาน
ตารางที่ 1. ความดันใช้งานของท่อพีวีซีที่อุณหภูมิต่างๆ (ส่วนหนึ่งจากตารางที่ จ.1 มอก.17-2561)
การวางแนวท่อ
ระบบท่อสำหรับระบบอากาศอัดขนาดเล็กซึ่งมีเครื่องมือและอุปกรณ์วางเป็นกลุ่มใกล้กันและมีความดันไม่สูงสามารถใช้ท่อจ่ายอากาศอัดแบบระบบท่อเดี่ยวตามรูปที่ 1. สำหรับโรงงานขนาดใหญ่ขึ้นที่มีการจัดแบ่งแผนกและกลุ่มเครื่องจักรควรจัดท่อหลักเป็นวงแหวนและมีท่อกิ่งแยกไปยังแผนกหรือกลุ่มเครื่องจักรตามรูปที่ 2. ซึ่งจะต้องมีวาวล์ที่ท่อกิ่งและท่อหลักเพื่อความสดวกในการซ่อมหรือปรับปรุงในส่วนใดส่วนหนึ่งได้โดยไม่กระทบการทำงานของส่วนอื่นๆ เนื่องจากสามารถจ่ายอากาศอัดได้จากทั้งสองด้านของวงแหวน และทำให้ระบบท่อมีความดันตกลดลง
รูปที่ 1. ระบบท่อเดี่ยว
รูปที่ 2. ระบบท่อวงแหวน
วาวล์ที่ใช้ที่ควรเป็นวาวล์บอล(Ball valve, full bore)เนื่องจากการไหลอยู่ในแนวเดียวกับท่อ มีช่องเปิดเท่ากับขนาดท่อจึงมีความดันตกน้อยมาก และตำแหน่งก้านวาวล์สามารบอกได้ว่าวาวล์อยู่ในตำแหน่งเปิดหรือปิด ถ้าใช้วาวล์ประตูควรเป็นแบบก้านยก(Qutside Screw Yoke, OS&Y) เพื่อให้ทราบตำแหน่งของวาวล์ว่าปิดสุดหรือปิดเนื่องจากการเปิดปิดวาวล์ต้องหมุนก้านวาวล์หลายรอบจึงมีโอกาศที่จะอยู่ในตำแหน่งที่เปิดปิดไม่สุดมาก นอกจากนี้ก้านวาวล์ประตูใช้ซีลแบบแพกกิ้งจึงมีโอกาสรั่วผ่านก้านวาวล์มากกว่าวาวล์บอลซึ่งใช้ซีลแบบโอริง
สำหรับบริเวณที่มีท่อหลักห่างจากเครื่องอัดอากาศมาก มีอัตราการใช้อากาศอัดสูง และมีช่วงเวลาการใช้ที่อัตราสูงสุดสั้น อาจใช้ถังความดันเพิ่มเติมอากาศอัดในช่วงการใช้สูงสุดเสริมอากาศอัดที่มาจากท่อหลักเพื่อไม่ให้มีความดันตกในระบบท่อสูงในช่วงนั้นและมีโอกาศที่จะลดการทำงานของเครื่องอัดอากาศให้คงที่
ขนาดท่อ
อากาศและไอน้ำในอากาศมีคุณสมบัติเป็นก๊าซสมบูรณ์จึงสามารถใช้สมการก๊าซสมบูรณ์ได้ แต่อัตราการใช้อากาศอัดของอุปกรณ์จะระบุเป็นความดันบรรยากาศ(Free Air Delivery, FAD) จึงสามารถคำนวณขนาดท่ดด้วยความเร็วอากาศอัดในท่อได้ดังนี้
จากสมการก๊าซสมบูรณ์ PV/T = Constant
เมื่อ V (l/s)เป็นอัตราการไหลที่ FAD, P1(Bar)เป็นความดันสมบูรณ์ภายในท่อ, V1(m3/s)เป็นอัตราการไหลที่ความดัน P1, D (mm.)เป็นเส้นผ่าศูนย์กลางภายในท่อ, T (K) เป็นอุณหภูมิอากาศในภายนอก, T1(K)เป็นอุณหภูมิอากาศในท่อ, v1 (m/s) เป็นความเร็วในท่อ
V = P1*V1*(T/T1)*10^3 = P1*v1*22/7/4*D^2 *(T/(T1)/10^3 = P1*v1*.000785*D^2 *(T/T1)………………(1.)
เมื่ออุณหภูมิในท่อเท่ากับอุณหภูมิอากาศภายนอก ความเร็วสูงสุดของอากาศอัดในท่อ 15 m/s และเพื่อการประหยัดพลังงานควรใช้ความเร็วในท่อ 6 m/s จึงสามารถคำนวณขนาดท่อตามการไหลของอากาศอัดได้ด้วยตารางที่ 2. สมมุติให้อัตราการไหลของอากาศอัด 400 l/s ความดัน 6 บาร์เกจ สามารถใช้ท่อขนาด 3 และ 4 นิ้ว เพื่อการประหยัดพลังงานเลือกขนาด 4 นิ้ว ตารางที่ 3 ใช้สำหรับเลือกท่อพีวีซี 13.5
ตารางที่ 3.ขนาดท่อพีวีซี13.5 และช่วงอัตราการไหลของอากาศอัด (FAD, l/s) ที่ความดันในท่อต่างๆกัน
สำหรับท่อแบบวงแหวนควรใช้ท่อขนาดเดียวกันทั้งวงโดยเลือกตามอัตราการใช้อากาศอัดสูงสุดของทั้งวงและใช้ท่อที่สามารถใช้ได้จากตารางข้างต้นโดยเลือกท่อมีขนาดเล็กกว่าเนื่องจากในการทำงานปกติอากาศอัดจะสามารถจ่ายมาที่เครื่องจักรอุปกรณ์ได้จากทั้งสองทางจึงทำให้มีความดันตกในท่อน้อย
การคำนวณความดันตกในระบบท่อ
หลังจากที่ได้ขนาดท่อและแนวการเดินท่อในโรงงานแล้ว จึงคำนวณความดันตกในระบบท่อเพื่อตรวจสอบความดันในระบบเมื่อมีการใช้อากาศอัดมากซึ่งอาจทำให้กระทบการทำงานของเครื่องจักรอุปกรณ์ ตารางที่ 4. แสดงค่าความดันตกที่แนะนำไม่รวมความดันตกในอุปกรณ์อื่นๆ ได้แก่ ที่กรองอากาศ ที่กรองน้ำมัน เครื่องดูดความชื้นเป็นต้น
ตารางที่ 4. ค่าความดันตกแนะนำสำหรับการออกแบบระบบท่ออากาศอัด (Atlas Copco Compressed Air Manual)
การคำนวณความดันตกในท่ออากาศอัดใช้สมการที่ 2. Darcy-Weisbach equation โดยสมมุติฐานให้อากาศอัดเป็นของไหลที่มีค่าความหนาแน่นคงที่เนื่องจากความดันตกที่ใขช้จากการเลือกขนาดท่อน้อย
dP = p f L / D V^2 / 2……………………………….……………………………………………………………….(2.)
เมื่อ dP คือความดันตกเนื่องจากแรงเสียดทานของท่อ KPa
p คือความหนาแน่นของอากาศ kg/m3 (https://www.peacesoftware.de/einigewerte/calc_luft.php7)
f คือ friction factor สัมประสิทธิความเสียดทานของท่อขึ้นกับวัสดุตามสมการที่ 3.Colebrook-White Equation
L คือความยาวท่อทั้งหมด (ความยาวท่อ+ความยาวท่อเทียบเท่าของข้อต่อทั้งหมด, m.)
D คือขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ ม.
f = 1/{1.14-2.log[e/D+9.35/(Re. f^(1/2)]}^2………………………..………………………………………..……(3.)
เมื่อ e คือความขรุขระของผิวท่อ m.
Re คือ Reynolds number = p.V.D/µ
V คือความเร็วในท่อ m./s
µ คือสัมประสิทธิความหนืด Pa.s (https://www.peacesoftware.de/einigewerte/calc_luft.php7)
สมการที่ 3.ใช้โปรแกรมเอ็กเซลคำนวณโดยสมมุติค่า f ก่อนแล้วจึงแทนค่าที่คำนวณได้วนกลับไปคำนวณจนได้ค่าที่ถูกต้อง จากนั้นจึงแทนค่าในสมการที่ 2. ผลการคำนวณค่าความดันตกของน้ำในท่ออากาศอัดที่ความเร็วในท่อต่างๆกัน โดยใช้โปรแกรมเอ็กเซลและได้นำมาเปรียบเทียบความถูกต้องกับโปรแกรมออนไลน์ ได้ผลใกล้เคียงกัน https://www.tlv.com/global/TI/calculator/air-pressure-loss-through-piping.html
ผลการคำนวณความดันตกในท่อเหล็กอาบสังกะสี #40 ชนาด1/2” – 6” ความดันในท่อ 7 bar(a) อุณหภูมิอากาศ 40oC แสดงในแผนภูมิที่ 1. โดยให้ค่าความดันตกเป็น bar/100m และอัตราการไหลเป็น FAD (แปลงจากอัตราการไหลที่ความดันในท่อ) และแผนภูมิที่ 2 ความดันในท่อ 4 bar(a) อุณหภูมิอากาศ 40oC ส่วนแผนภูมิที่ 3. และ 4. แสดงผลการคำนวณความดันตกของท่อพีวีซี 13.5. ความดัน 7 bar(a) และ 4 bar(a)ตามลำดับ
แผนภูมิที่ 1. ความดันตกของท่ออากาศอัด (bar/100m.) ที่ใช้ท่อเหล็กอาบสังกะสี #40 ความดัน 7 bar(a) อุณหภูมิ 40oC
แผนภูมิที่ 2. ความดันตกของท่ออากาศอัด (bar/100m.) ที่ใช้ท่อเหล็กอาบสังกะสี #40 ความดัน 4 bar(a) อุณหภูมิ 40oC
แผนภูมิที่ 3. ความดันตกของท่ออากาศอัด (bar/100m.) ที่ใช้ท่อพีวีซี 13.5 ความดัน 7 bar(a) อุณหภูมิ 40oC
แผนภูมิที่ 4. ความดันตกของท่ออากาศอัด (bar/100m.) ที่ใช้ท่อพีวีซี 13.5 ความดัน 4 bar(a) อุณหภูมิ 40oC
จะเห็นได้ว่าที่อัตราการไหล(FAD) เท่ากันท่อที่มีความเร็วมากกว่าหรือมีขนาดท่อเล็กกว่าจะมีความดันตกมากกว่า และท่อขนาดเดียวกันและอัตราการไหลเท่ากันท่อที่มีความดันมากกว่าจะมีความดันตกมากกว่า และท่อเหล็กอาบสังกะสีมีความดันตกมากกว่าท่อพีวีซี การใช้ท่อพีวีซีจึงมีแนวโน้มที่จะประหยัดพลังงานของระบบอัดอากาศได้มากกว่าการใช้ท่อเหล็ก
ความยาวเทียบเท่า
ความยาวท่อทั้งหมดที่ใช้ในการคำนวณความดันตกในแต่ละขนาดของท่อประกอบความยาวท่อจากแบบแนวการเดินท่อรวมกับความยาวเทียบเท่าของวาวล์และข้อต่อทั้งหมดในท่อขนาดเดียวกันจากตารางที่ 5. รวมความดันตกของท่อทุกขนาดแล้วควรมีค่าตามที่แนะนำไว้ในตารางที่ 4.
ตารางที่ 5. ความยาวเทียบเท่าของวาวล์และข้อต่อประกอบท่อ
บทส่งท้าย
ข้อมูลการใช้อากาศอัดสำหรับการออกแบบแม้จะเป็นข้อมูลที่ได้จากผู้ใช้ ก็ยังไม่ถูกต้องแม่นยำเท่าข้อมูลจากการใช้งานจริง การออกแบบจึงต้องรองรับการรั่วไหลของระบบและเตรียมการเพื่อการขยายการใช้ในภายหลัง การทำงานของระบบ ผู้ใช้จึงต้องมีการปรับการทำงานของระบบให้ถูกต้องตามความต้องการและประหยัดพลังงาน
ผู้ออกแบบควรพิจารณาเรื่องการเลือกวัสดุท่อให้เหมาะสม เพื่อควบคุมต้นทุนโครงการ ราคาท่อและอุปกรณ์ ค่าแรง ระยะเวลาการติดตั้ง อายุการใช้งาน ความสดวกในการซ่อมแซมและบำรุงรักษา สามารถเปลี่ยนแปลงแนวท่อ ตัดต่อเพิ่มเติมได้ง่าย การออกแบบต้องประเมินเผื่อสำหรับเปอร์เซนต์การรั่วไหลและคำนึงถึงการเพิ่มอัตราการใช้ในอนาคต
สำหรับระบบท่ออากาศอัดที่ใช้ความดันไม่เกิน 7 Bar(a) ควรเลือกใช้ท่อพีวีซี 13.5 สำหรับท่อจากถังความดันไปยังเครื่องจักรอุปกรณ์ซึ่งอุณหภูมิอากาศไม่เกิน 40oC ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนของระบบท่อและมีแนวโน้มที่จะประหยัดพลังงานในระบบได้มากขึ้น