เฮดเดอร์ท่อ

เฮดเดอร์ท่อ(Pipe Header) ใช้ในงานวิศวกรรมหลายประเภทได้แก่ ในเครื่องยนต์ งานทางการแพทย์ งานประปา งานปรับอากาศ และระบบท่ออื่นๆ เฮดเดอร์ท่อถูกใช้เพื่อรวบรวมของไหลจากท่อขนาดเล็กหลายท่อ หรือกระจายของไหลจากท่อหลักไปให้ท่อที่เล็กกว่าหลายท่อเพื่อนำของไหลกลับไปที่เครื่องหรือกระจายไปใช้ เฮดเดอร์ที่สร้างขึ้นจากท่อและอุปกรณ์สำเร็จที่ต้องออกแบบสร้างให้เหมาะสมตามความต้องการเฉพาะงาน และเพื่อให้ได้สมรรถนะสูงสุดจึงทำให้มีต้นทุนที่สูงกว่า

มานิโฟลด์(Pipe Manifold) มีการใช้งานเหมือนกับเฮดเดอร์ท่อ แต่มานิโฟลด์ออกแบบและผลิตเป็นจำนวนมาก เพื่อใช้เป็นอุปกรณ์สำเร็จสำหรับงานเฉพาะ เพื่อลดต้นทุน และให้เหมาะสมกับพื้นที่จำกัด ได้แก่ มานิโฟลด์ท่อน้ำประปาสำหรับใช้กับห้องน้ำ PEX(Crossed-link polyethylene) มานิโฟลด์ระบบท่อก๊าซ มานิโฟลด์ไอดีและไอเสียเครื่องยนต์สันดาปภายใน และอื่นๆ บทความนี้จึงรวบรวมข้อคิดและอธิบายเฉพาะวิธีการคำนวณออกแบบเฮดเดอร์ท่อเท่านั้น

รูปที่ 1. เฮดเดอร์ในงานอุตสาหกรรม (https://punchlistzero.com/pipeline-header/)

เหตุผลที่ต้องใช้เฮดเดอร์

สำหรับท่อกิ่งจำนวณมากเช่นแผงท่อสำหรับงานหม้อไอน้ำไม่สามารถใช้ข้อต่อได้ จึงมีความจำเป็นต้องใช้เฮดเดอร์ แต่สำหรับงานที่มีท่อกิ่งไม่มาก ผู้ออกแบบสามารถกำหนดให้ใช้เฮดเดอร์หรือไม่แล้วแต่เหตุผลของผู้ออกแบบ รูปที่ 2.แสดงแผนผังแสดงท่อและอุปกรณ์ทำน้ำเย็นของระบบปรับอากาศ รูปที่ 2.(ก.) เมื่อเครื่องสูบน้ำติดตั้งสำหรับเครื่องสูบน้ำตัวต่อตัว ตามรูปไม่ใช้เฮดเดอร์ท่อน้ำกลับเข้าเครื่องสูบน้ำและท่อที่ส่งน้ำออกจากเครื่องทำน้ำเย็น รูปที่ 2.(ข.) ใช้เครื่องสูบน้ำขนานกันซึ่งมีข้อดีคือสามารถจับคู่สลับการทำงานกับเครื่องทำน้ำเย็นได้ จะเห็นว่าผู้ออกแบบกำหนดให้ใช้เฮดเดอร์เฉพาะระหว่างขุดเครื่องสูบน้ำและชุดเครื่องทำน้ำเย็นเนื่องจากมีจำนวนท่อกิ่งมากถึง 6 ชุด

ซึ่งในการติดตั้งเมื่อไม่ใช้เฮดเดอร์ต้องใช้สามทาง ข้อลด(Eccentric reducer)เพื่อไม่ให้มีอากาศค้างที่ด้านบนของท่อ ทั้งที่ท่อกิ่งเข้าเครื่องสูบน้ำและแนวท่อไปเครื่องสูบน้ำชุดถัดไป เช่นเดียวกับท่อที่จ่ายออกจากเครื่องทำน้ำเย็น ทำให้งานติดตั้งมีต้นทุนข้อต่อ ค่าแรงการติดตั้งและใช้เวลาติดตั้งมากกว่าการใช้เฮดเดอร์ ซึ่งเฮดเดอร์สามารถเตรียมจากโรงงานแล้วนำมาเชื่อมหน้างานได้ ผู้ติดตั้งจึงมักจะขอเปลี่ยนเป็นการใช้เฮดเดอร์แทนทั้งหมดโดยติดตั้งท่อระบายอากาศและท่อระบายของไหลที่เฮดเดอร์

รูปที่ 2. แผนผังแสดงท่อและอุปกรณ์ทำน้ำเย็นของระบบปรับอากาศ

เฮดเดอร์กระจายของไหลให้ท่อกิ่งมีอัตราการไหลเท่ากัน

            เมื่อท่อกิ่งต้องการอัตราการไหลเท่ากันและพร้อมกันการกระจายของไหลต้องออกแบบให้ท่อกิ่งทุกท่อความดันตกใกล้เคียงกันที่สุดตามรูปที่ 3.(ก.) จำนวนข้อต่อและความยาวท่อจะต้องเท่ากันถึงแม้จะมีความดันแตกต่างเนื่องจากความเร็วที่ข้องออยู่บ้าง ซึ่งในทางปฏิบิติต้องใช้พื้นที่มาก จากความยาวท่อแต่ละส่วน จึงนิยมใช้เฮดเดอร์ท่อเพื่อกระจายน้ำและรวบรวมของไหลแทน รูปที่ 3.(ข) และ 3.(ค.) ซึ่งเป็นการใช้เฮดเดอร์กระจายของไหลเข้าสู่อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน หรือเครื่องสูบน้ำ หรืออุปกรณ์อื่นๆ แล้วรวบรวมผ่านเฮดเดอร์อีกด้านหนึ่ง โดยที่รูปที่ 3.(ข.) ของไหลจะไหลเป็นรูปตัวยูทำให้ท่อกิ่งท่อแรกและท่อท้ายสุดมีความดันตกไม่เท่ากันซึ่งจะมีผลทำให้อัตราการไหลในท่อกิ่งแต่ละท่อไม่เท่ากัน รูปที่ 3.(ค.) ของไหลจะไหลเป็นรูปตัวเอสทำให้ความดันตกในแต่ละท่อกิ่งเท่ากันทำให้อัตราการไหลในท่อกิ่งเท่ากันทุกท่อ

รูปที่ 3. การกระจายของไหลให้ท่อกิ่งที่ต้องการอัตรการไหลเท่ากัน

เฮดเดอร์เป็นท่อขนาดเดียวกันตลอด ความเร็วของไหลในเฮดเดอร์ท่อจึงลดลงหลังจากแบ่งของไหลให้ท่อกิ่งแต่ละท่อ จากสมการเบอนูรี่(Bernoulli’s equation)ของไหลจะมีความดันเพิ่มกลับคืนชดเชยความดันตกในเฮดเดอร์อีกด้านหนึ่งทำให้ความดันตกในแนวท่อกิ่งแต่ละท่อใกล้เคียงกันและมีอัตราการไหลใกล้เคียงกัน ทำให้ความดันตกในระบบท่อเฮดเดอร์น้อยกว่าที่จะใช้ท่อลดตามอัตราการไหลและต้องใช้ข้อต่อมากกว่าใช้เวลาการติดตั้งมากกว่า

การกระจายของไหลให้ท่อกิ่งมีอัตราการไหลไม่เท่ากัน

เมื่อท่อกิ่งใช้กับงานที่ต้องการอัตราการไหลไม่เท่ากัน ผู้ออกแบบต้องคำนึงถึงความดันของไหลในท่อกิ่งแต่ละท่อด้วยความดันตกเกิดขึ้นจากขนาดและอัตราการไหล เฮดเดอร์ท่อที่กระจายของไหลความดันในเฮดเดอร์ท่อต้องมากพอที่จะส่งของไหลไปสู่ท่อกิ่งได้ ท่อกิ่งที่อยู่ไกลสุดมีแนวโนม้ที่จะมีความดันตกสูงสุดเทียบกับท่อกิ่งอื่นๆในเฮดเดอร์ท่อถึงแม้จะมีความดันเพิ่มเนื่องจากความความเร็วที่ลดลง ทำให้มีผลกระทบกับความดันเพื่อส่งของไหลตามอัตราที่ต้องการ  เฮดเดอร์ท่อที่รวบรวมของไหลจากท่อกิ่งขนาดเล็กหลายท่อ ความดันของไหลในเฮดเดอร์ท่อจะน้อยกว่าความดันในท่อกิ่งซึ่งมาจากแหล่งต่างกัน ถ้าออกแบบไม่ถูกต้องท่อกิ่งที่มีความดันสูงอาจส่งผลกระทบความดันในท่อกิ่งอื่นที่มีความดันต่ำกว่าและทำให้อัตราการไหลไม่ได้ตามความต้องการ

การออกแบบสามารถใช้ปรากฎการณ์โชค(choke)ซึ่งทำให้เกิดความดันตกที่ข้อต่อออกของเฮดเดอร์เพื่อกำหนดอัตราการไหลสูงสุดในท่อกิ่งได้ แต่นิยมที่จะใช้วาวล์ควบคุมเพื่อให้สามารถปรับความดันตก อัตราการไหลและปิดเปิดเพื่อการซ่อมแซมท่อกิ่งและอุปกรณ์ในท่อกิ่ง และ/หรือมีวาวล์ปิดเปิดเฉพาะอีกชุดหนึ่งเพื่อให้สามารถซ่อมแซมวาวล์ควบคุมได้ด้วยปัจจุบันจะใช้ระบบที่สามารถปรับเปลี่ยนอัตราการไหลเพื่อการประหยัดพลังงานของเครื่องสูบ ควรจัดลำดับเพื่อเรียงความดันและอัตรากาไหลของท่อกิ่งเพื่อลดผลกระทบเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงภายในท่อกิ่งอื่นๆ

หลักการเบื้องต้นของเฮดเดอร์ท่อ

หลักการเบื้องต้นในการทำงานและการออกแบบเฮดเดอร์ท่อสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้

-            อัตราการไหลเข้า-ออกเฮดเดอร์รวมมีค่าเท่ากัน

-            เฮดเดอร์มีความดันภายในสมดุลกัน ความดันแตกต่างระหว่างท่อกิ่งจะเท่ากับความดันตกระหว่างข้อต่อท่อกิ่งภายในเฮดเดอร์ เฮดเดอร์จ่ายของไหลจะมีความดันมากกว่าความดันในท่อกิ่ง และเฮดเดอร์รับของไหลจะต้องมีความดันน้อยกว่าความดันภายในท่อกิ่งเพื่อให้ของไหลออกและเข้าสู่เฮดเดอร์ได้

-            ความดันในเฮดเดอร์ส่งน้ำจะต้องสูงกว่าท่อกิ่งที่ต้องการความดันสูงสุด ที่ท่อกิ่งของเฮดเดอร์ท่อจึงต้องมีวาวล์ปิดเปิดและ/หรือ วาวล์ควบคุมเพื่อปรับอัตราการไหลตามที่ต้องการของแต่ละท่อ

-            ท่อกิ่งที่ต่อเข้าเฮดเดอร์ทั้งท่อในแนวนอน ท่อในแนวดิ่ง และท่อเอียงทำมุมกับแกนของเฮดเดอร์ตามลักษณะของงานจะต้องมีแนวแกนของท่อกิ่งตัดแนวแกนของเฮดเดอร์ท่อเพื่อความสมดุลย์และความความแข็งแรงของเฮดเดอร์ ข้อต่อระหว่างท่อกิ่งกับเฮดเดอร์ท่อ

-            มุมเอียงของแกนท่อกิ่งกับแกนเฮดเดอร์ต้อง≥45 องศา เพื่อความแข็งแรง

-            ท่อส่งของไหลและท่อระบายในงานอุตสาหกรรมจะต้องไม่มีของไหลค้างในท่อ จึงต้องมีวาวล์ระบายของไหลที่ระดับต่ำสุดของเฮดเดอร์ และเพื่อไม่ให้มีอากาศหรือก๊าซค้างในเฮดเดอร์ซึ่งเป็นสิ่งกีดขวางการไหลของของไหลในเฮดเดอร์จึงต้องมีวาวล์ไล่อากาศที่ระดับสูงสุดของเฮดเดอร์

-            การจัดตำแหน่งเฮดเดอร์ท่อและท่อกิ่ง ท่อกิ่งที่มีขนาดใหญ่และท่อที่ต้องการความดันมากจะมีผลกระทบกับการทำงานของท่อกิ่งอื่นที่มีขนาดเล็กกว่า ท่อกิ่งขนาดใหญ่จึงควรอยู่ใกล้ท่อหลักเพื่อให้ท่อกิ่งขนาดเล็กมีผลกระทบใกล้เคียงกัน

-            เฮดเดอร์ท่อที่ประกอบในโรงงานจะต้องลดการติดตั้งหน้างานให้เหลือน้อยที่สุดจึงต้องเชื่อมข้อต่อสำหรับต่อท่อกิ่งตามรูปที่ 4.เพื่อความแข็งแรงและลดเวลาการติดตั้งหน้างาน

รูปที่ 4. เฮดเดอร์ท่อที่ประกอบในโรงงาน

การคำนวณเฮดเดอร์ท่อ

การออกแบบเฮดเดอร์ท่อขึ้นอยู่กับการใช้งานของท่อกิ่งเป็นหลัก หลักการเลือกขนาดท่อกิ่งได้อธิบายไว้ในส่วนหนึ่งบทความเรื่อง”ออกแบบระบบท่อน้ำเย็น”โดยคำนึงถึงต้นทุนการติดตั้ง ค่าพลังงานเมื่อใช้งานเนื่องจากการเปลี่ยนอัตราการไหลในท่อกิ่งซึ่งเรียกว่าขนาดท่อคุ้มทุน ขนาดท่อกิ่งจะถูกนำมาใช้คำนวณขนาดของเฮดเดอร์

สามารถเลือกขนาดเฮดเดอร์ท่อด้วยการกำหนดค่าความเร็วของไหลสูงสุดในเฮดเดอร์หรือใช้ความเร็วเฉลี่ยของท่อกิ่งทั้งหมดซึ่งเท่ากับพื้นที่รวมของท่อกิ่งตามสมการที่ 1.

เส้นผ่านศูนย์กลางภายในของเฮดเดอร์ท่อ ม, D = (At*4/Pi())^0.5………………………………………………………1.)

เมื่อ At คือผลรวมของพื้นที่หน้าตัดภายในรวมของท่อกิ่งทั้งหมด

เมื่อต้องการคำนวณความดันตกในท่อกิ่งและเฮดเดอร์ สามารถใช้สมการเบอนูรี่(Bernoulli’s equation) ตามสมการที่ 2. โดยคำนวณความดันตกในเฮดเดอร์แต่ละส่วนโดยใช้สมการของ Darcy & Colebrook ซึ่งจะไม่อธิบายในบทความนี้

เมื่อ P คือความดันของไหล

       v คือความเร็วของไหลที่สามารถนำมาคำนวณอัตราการไหลได้

       z คือระดับความสูง

       hf คือความดันตกเนื่องจากความเสียดทานการไหล

       hm คือความดันเชิงกลที่เพิ่มเช่นจากเครื่องสูบน้ำ

ในกรณีต้องการคำนวณเฮดเดอร์ของระบบท่อโดยละเอียด สามารถใช้วิธีการทางคอมพิวเตอร์ซึ่งเรียกว่า Finite Element Analysis (FEA) สามารถวิเคราะห์ได้ทั้งแรงเค้นเชิงกลและแรงเค้นจากอุณหภูมิผลการวิเคราะห์จะช่วยให้เลือกวัสดุและการเลือกอุปกรณ์อื่นได้อย่างเหมาะสม รูปที่ 5.แสดงตัวอย่างผลการใช้ FEA สำหรับคำนวณออกแบบเฮดเดอร์ท่อที่ต้องทนความเค้นจากอุณหภูมิ ทั้งความร้อนและความเย็น

รูปที่ 5. ตัวอย่างผลการใช้ Finite Element Analysis (FEA)คำนวณเฮดเดอร์

ความยาวของเฮดเดอร์ท่อและระยะระหว่างน๊อตเซิลของท่อกิ่งขึ้นอยู่กับการวางอุปกรณ์ ยกตัวอย่างเช่นเฮดเดอร์ของเครื่องสูบน้ำแบบ End suction ตามรูปที่ 2. ความยาวของเฮดเดอร์และระยะระหว่างท่อกิ่ง ซึ่งการวางเครื่องสูบน้ำโดยคำนึงถึงพื้นที่ในการบำรุงรักษาอุปกรณ์ต่างๆด้วย ระยะระหว่างท่อกิ่งน้อยที่สุดคือระยะเมื่อติดตั้งวาวล์และอุปกรณ์ของท่อกิ่งได้แก่วาวล์ หน้าแปลน และหุ้มฉนวนแล้วมีพื้นที่สำหรับการตรวจสอบ ซ่อมแซมบำรุงรักษาอุปกรณ์และฉนวนได้         

มาตรฐานการออกแบบสร้างเฮดเดอร์ท่อ

ระบบท่อมีความสำคัญต่องานวิศวกรรมการคำนวณจึงมีมาตรฐานควบคุมคำนวณและการสร้างเฮดเดอร์ท่อได้แก่มาตรฐาน ASME CODE FOR PRESSURE PIPING, B31 ซี่งกำหนดมาตรฐานตามประเภทของงานที่ใช้ระบบท่อเนื่องจากมีลักษณะงาน และความปลอดภัยของงานต่างๆกันดังต่อไปนี้

-            B31.1.Power Piping, ท่อไอน้ำและท่อน้ำนอกหม้อไอน้ำที่มีความดันและอุณหภูมิสูง

-            B31.3 Process Piping. ท่อภายนอกอุปกรณ์ในโรงกลั่นปิโตรเลียม โรงงานเคมี โรงงานยา และกระบวนการผลิตอื่นๆที่มีความดันสูง และต้องการความปลอดภัย

-            B31.4 Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids ท่อขนส่งน้ำมัน

-            B31.5 Refrigeration Piping and Heat Transfer Components ท่อสารทำความเย็น

-            B31.8 Gas Transmission and Distribution Piping Systems. ท่อส่งก๊าซ

-            B31.9 Building Services Piping

-            B31.11 Slurry Transportation Piping Systems

-            B31G-1991, Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines

มาตรฐานข้างต้นมีขอบเขตควบคุมเฉพาะงานจึงต้องศึกษาเพื่อให้นำไปใช้ได้ถูกต้องไม่เสียค่าใช้จ่ายและเวลาในการทำงานมากเกินความจำเป็น เลขมาตรฐานที่ข้ามไปเป็นมาตรฐานที่ไม่ถือเป็นส่วนหนึ่งของมาตรฐานชุดนี้อีกต่อไป เช่น B31.7, Nuclear Power Piping. เป็นส่วนหนึ่งของ the Boiler Code, Section III และ B31.6, Chemical Process Piping.มีเนื้อหาคล้ายคลึง B31.3 จึงถูกรวมเป็นส่วนหนึ่งของ B31.3  และ B31.2 ก็ถูกยกเลิกไป

นอกเหนือจากเรื่องอัตราการไหลและความดันแล้ว การออกแบบเฮดเดอร์ท่อต้องคำนึงถึงอุณหภูมิของไหลและความแข็งแรงที่จะรับแรงกระทำเชิงกลหรือความเค้นเนื่องจากอุณหภูมิ (thermal stress) โดยเฉพาะเมื่อใช้รวบรวมของไหลที่มาจากแหล่งความร้อนต่างกัน จึงอาจต้องมีการเสริมเฮดเดอร์ท่อเพื่อยึดท่อกิ่งที่มีอุณหภูมิสูง ซึ่งวิธีการเสริมความแข็งแรงนี้มีข้อแนะนำแสดงไว้ในมาตรฐานข้างต้น

เฮดเดอร์เสียดทานน้อย(Low Loss Header)

เฮดเดอร์เสียดทานน้อยใช้สำหรับท่อรวบรวมน้ำจากเครื่องสูบน้ำหมุนเวียนหลายเครื่องเพื่อกระจายให้ระบบท่อและรับน้ำกลับเพื่อส่งให้ชุดเครื่องสูบน้ำแบบ VWV(Variable water volume) โดยมีการแบ่งการไหลภายในเฮดเดอร์ด้วยหลักการทางไฮดรอลิค ในประเทศที่มีภูมิอากาศหนาวจะใช้กับระบบน้ำร้อนเพื่อให้ความร้อนกับอาคารตามรูปที่ 6. ใช้เป็นเฮดเดอร์สำหรับจ่ายน้ำร้อนจากวงจรของหม้อน้ำร้อนด้วยปั๊มน้ำร้อนและรับน้ำร้อนที่กลับจากวงจรกระจายน้ำร้อนด้วยปั๊มอีกชุดหนึ่ง ซึ่งความดันตกในเฮดเดอร์นี้มีน้อยมาก

รูปที่ 6. เฮดเดอร์เสียดทานน้อย(Low Loss Header)ของระบบน้ำร้อนเพื่อให้ความร้อนกับอาคาร

ตามรูปที่ 6. น้ำร้อนจากหม้อน้ำร้อนเข้าเฮดเดอร์ด้านบนเนื่องจากน้ำร้อนมีความหนาแน่นน้อยกว่าจึงจะลอยอยู่ด้านบนของเฮดเดอร์และจะถูกปั๊มดูดไปใช้ให้ความร้อนทำให้น้ำเย็นลงและกลับมาที่เฮดเดอร์ที่ด้านล่างและถูกปั๊มของหม้อน้ำร้อนดูดกลับไป น้ำในเฮดเดอร์จะไม่ผลมกันเนื่องจากความแตกต่างของความหนาแน่นในเฮดเดอร์ ถ้าอัตราการไหลของทั้งสองด้านไม่เท่ากันจึงจะมีการไหลผสมกันแต่น้ำร้อนที่นำไปใช้จะเป็นน้ำร้อนตรงจากหม้อน้ำร้อน

ระบบน้ำเย็นสำหรับการปรับอากาศอาคารขนาดใหญ่แบบปรับเปลี่ยนอัตราการไหล(VWV, Variable Water Volume) ทั้งระบบเครื่องสูบน้ำปฐมภูมิ(Primary pump only) และแบบเครื่องสูบน้ำปฐมภูมิ/ทุติยภูมิ(Primary/Secondary pump) ไม่สามารถใช้เฮดเดอร์แนวดิ่งได้เนื่องจากมีข้อจำกัดเรื่องความสูง จึงแยกเฮดเดอร์ส่งจ่ายน้ำและเฮดเดอร์น้ำกลับ แต่มีท่อเชื่อมระหว่าเฮดเดอร์ทั้งสองเพื่อให้การไหลสมดุด ซึ่งเป็นหลักการทำงานแบบเดียวกับของเฮดเดอร์เสียดทานน้อย