หลักการทำงานของวาล์วไอเสีย

ทฤษฎีเบื้องหลังวาล์วไอเสียคือแรงลอยตัวของของเหลวที่มีต่อลูกบอลลอย ลูกบอลลอยจะลอยขึ้นเองตามธรรมชาติภายใต้แรงลอยตัวของของเหลวเมื่อระดับของเหลวในวาล์วไอเสียสูงขึ้นจนกระทั่งสัมผัสกับพื้นผิวปิดผนึกของช่องไอเสีย แรงดันคงที่จะทำให้ลูกบอลปิดลงเอง ลูกบอลจะลดลงพร้อมกับระดับของเหลวเมื่อ...วาล์วระดับของเหลวลดลง ณ จุดนี้ ช่องระบายอากาศจะถูกใช้เพื่ออัดอากาศปริมาณมากเข้าไปในท่อ ช่องระบายอากาศจะเปิดและปิดโดยอัตโนมัติเนื่องจากแรงเฉื่อย

ลูกลอยจะหยุดอยู่ที่ก้นของถ้วยลูกลอยเมื่อท่อทำงานเพื่อระบายอากาศจำนวนมาก ทันทีที่อากาศในท่อหมดลง ของเหลวจะไหลเข้าไปในวาล์ว ไหลผ่านถ้วยลูกลอย และดันลูกลอยกลับ ทำให้ลูกลอยขึ้นและปิดวาล์ว หากมีก๊าซปริมาณเล็กน้อยสะสมอยู่ในนั้นวาล์วในระดับหนึ่ง ขณะที่ท่อส่งกำลังทำงานตามปกติ ระดับของเหลวในท่อวาล์วเมื่อระดับของเหลวลดลง ลูกลอยก็จะลดลงตามไปด้วย และก๊าซจะถูกขับออกทางรูเล็กๆ หากปั๊มหยุดทำงาน แรงดันลบจะเกิดขึ้นได้ตลอดเวลา และลูกลอยจะตกลงมาได้ตลอดเวลา และจะเกิดแรงดูดจำนวนมากเพื่อความปลอดภัยของท่อ เมื่อลูกลอยหมดแรง แรงโน้มถ่วงจะดึงปลายด้านหนึ่งของคันโยกลง ณ จุดนี้ คันโยกจะเอียง และช่องว่างจะเกิดขึ้น ณ จุดที่คันโยกและรูระบายอากาศสัมผัสกัน อากาศจะถูกขับออกทางรูระบายอากาศผ่านช่องว่างนี้ การระบายออกทำให้ระดับของเหลวสูงขึ้น แรงลอยตัวของลูกลอยเพิ่มขึ้น พื้นผิวปิดผนึกที่ปลายคันโยกจะค่อยๆ กดรูระบายอากาศจนกระทั่งถูกปิดกั้นโดยสมบูรณ์ และ ณ จุดนี้ วาล์วระบายอากาศจะปิดสนิท

ความสำคัญของวาล์วไอเสีย

เมื่อทุ่นหมดแรง แรงโน้มถ่วงจะดึงปลายด้านหนึ่งของคันโยกลง ณ จุดนี้ คันโยกจะเอียง และเกิดช่องว่างขึ้นตรงจุดที่คันโยกและรูระบายอากาศสัมผัสกัน อากาศจะถูกดันออกมาจากรูระบายอากาศผ่านช่องว่างนี้ การระบายอากาศจะทำให้ระดับของเหลวสูงขึ้น แรงลอยตัวของทุ่นเพิ่มขึ้น พื้นผิวปิดผนึกที่ปลายคันโยกจะค่อยๆ กดรูระบายอากาศจนกระทั่งอุดตันสนิท และ ณ จุดนี้ วาล์วระบายอากาศจะปิดสนิท

1. การเกิดก๊าซในระบบท่อส่งน้ำส่วนใหญ่เกิดจาก 5 สาเหตุหลักดังต่อไปนี้ ซึ่งเป็นแหล่งที่มาของก๊าซในระบบท่อส่งน้ำที่ทำงานตามปกติ

(1) เครือข่ายท่อถูกตัดขาดในบางจุดหรือทั้งหมดเนื่องจากสาเหตุบางประการ

(2) การซ่อมแซมและระบายท่อเฉพาะส่วนอย่างเร่งด่วน

(3) วาล์วไอเสียและท่อส่งไม่แน่นพอที่จะอนุญาตให้ฉีดก๊าซได้ เนื่องจากอัตราการไหลของผู้ใช้หลักหนึ่งรายหรือมากกว่านั้นมีการเปลี่ยนแปลงเร็วเกินไปจนทำให้เกิดแรงดันลบในท่อส่ง

(4) การรั่วไหลของก๊าซที่ไม่ไหล

(5) ก๊าซที่เกิดจากแรงดันลบของการทำงานจะถูกปล่อยออกมาในท่อดูดและใบพัดของปั๊มน้ำ

2. ลักษณะการเคลื่อนที่และการวิเคราะห์อันตรายของถุงลมในระบบท่อส่งน้ำ:

วิธีการหลักในการกักเก็บก๊าซในท่อคือการไหลแบบเป็นก้อน (slug flow) ซึ่งหมายถึงก๊าซที่อยู่ด้านบนของท่อในรูปของฟองอากาศอิสระจำนวนมากที่ไม่ต่อเนื่องกัน เนื่องจากขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อในระบบจ่ายน้ำมีขนาดแตกต่างกัน ตั้งแต่ขนาดใหญ่ไปจนถึงขนาดเล็กตามทิศทางการไหลของน้ำหลัก ปริมาณก๊าซ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ ลักษณะหน้าตัดตามยาวของท่อ และปัจจัยอื่นๆ จะกำหนดความยาวของฟองอากาศและพื้นที่หน้าตัดของน้ำที่ถูกครอบครอง การศึกษาทางทฤษฎีและการใช้งานจริงแสดงให้เห็นว่าฟองอากาศจะเคลื่อนที่ไปพร้อมกับการไหลของน้ำตามด้านบนของท่อ มีแนวโน้มที่จะสะสมตัวรอบๆ ส่วนโค้งของท่อ วาล์ว และส่วนประกอบอื่นๆ ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางแตกต่างกัน และทำให้เกิดการผันผวนของความดัน

ความรุนแรงของการเปลี่ยนแปลงความเร็วการไหลของน้ำจะมีผลกระทบอย่างมากต่อการเพิ่มขึ้นของแรงดันที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของก๊าซ เนื่องจากความเร็วและทิศทางการไหลของน้ำในเครือข่ายท่อมีความไม่แน่นอนสูง การทดลองที่เกี่ยวข้องแสดงให้เห็นว่าแรงดันสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 2 เมกะปาสคาล ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้ท่อส่งน้ำธรรมดาแตกได้ นอกจากนี้ยังสำคัญที่จะต้องคำนึงถึงว่าการเปลี่ยนแปลงแรงดันโดยรวมส่งผลต่อจำนวนถุงลมที่เคลื่อนที่ในเครือข่ายท่อในแต่ละช่วงเวลา ซึ่งจะทำให้การเปลี่ยนแปลงแรงดันในน้ำที่บรรจุก๊าซรุนแรงขึ้น เพิ่มโอกาสที่ท่อจะแตก

ปริมาณก๊าซ โครงสร้างท่อส่ง และการดำเนินงาน ล้วนเป็นองค์ประกอบที่ส่งผลต่ออันตรายจากก๊าซในท่อส่ง อันตรายแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ อันตรายที่เห็นได้ชัด และอันตรายที่ซ่อนเร้น ซึ่งทั้งสองประเภทมีลักษณะดังต่อไปนี้:

อันตรายที่เห็นได้ชัดเจนมีดังต่อไปนี้

(1) ท่อไอเสียที่แข็งทำให้น้ำไหลผ่านได้ยาก
เมื่อน้ำและก๊าซอยู่ในสถานะกึ่งกลางเดียวกัน ช่องระบายอากาศขนาดใหญ่ของวาล์วระบายอากาศแบบลูกลอยแทบจะไม่มีประโยชน์อะไรเลย และอาศัยเพียงการระบายอากาศผ่านรูพรุนขนาดเล็ก ทำให้เกิด “การอุดตันของอากาศ” อย่างรุนแรง ซึ่งอากาศไม่สามารถระบายออกได้ การไหลของน้ำไม่ราบรื่น และช่องทางการไหลของน้ำถูกปิดกั้น พื้นที่หน้าตัดหดตัวหรืออาจหายไป การไหลของน้ำหยุดชะงัก ความสามารถในการหมุนเวียนของเหลวของระบบลดลง ความเร็วการไหลในบริเวณนั้นเพิ่มขึ้น และการสูญเสียแรงดันน้ำเพิ่มขึ้น จำเป็นต้องขยายขนาดปั๊มน้ำ ซึ่งจะทำให้เสียค่าใช้จ่ายมากขึ้นทั้งในด้านพลังงานและการขนส่ง เพื่อรักษาระดับปริมาณการหมุนเวียนหรือแรงดันน้ำเดิมไว้

(2) เนื่องจากการไหลของน้ำและท่อแตกที่เกิดจากการระบายอากาศที่ไม่สม่ำเสมอ ระบบจ่ายน้ำจึงไม่สามารถทำงานได้อย่างเหมาะสม
เนื่องจากวาล์วไอเสียสามารถปล่อยก๊าซได้ในปริมาณน้อย ท่อส่งจึงมักแตกบ่อยครั้ง แรงดันจากการระเบิดของก๊าซที่เกิดจากไอเสียที่ไม่ได้มาตรฐานอาจสูงถึง 20 ถึง 40 บรรยากาศ และความรุนแรงในการทำลายล้างเทียบเท่ากับแรงดันสถิต 40 ถึง 40 บรรยากาศ ตามการประมาณการทางทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ท่อส่งน้ำทุกชนิดสามารถถูกทำลายได้ด้วยแรงดัน 80 บรรยากาศ แม้แต่เหล็กหล่อเหนียวที่แข็งแกร่งที่สุดที่ใช้ในงานวิศวกรรมก็อาจได้รับความเสียหาย การระเบิดของท่อเกิดขึ้นตลอดเวลา ตัวอย่างเช่น ท่อส่งน้ำยาว 91 กิโลเมตรในเมืองทางตะวันออกเฉียงเหนือของจีนระเบิดหลังจากใช้งานมาหลายปี ท่อระเบิดมากถึง 108 ท่อ และนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันก่อสร้างและวิศวกรรมเสิ่นหยางได้ตรวจสอบแล้วสรุปว่าเป็นการระเบิดของก๊าซ ท่อส่งน้ำในเมืองทางตอนใต้ซึ่งมีความยาวเพียง 860 เมตรและมีเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ 1200 มิลลิเมตร ประสบปัญหาท่อแตกถึงหกครั้งในหนึ่งปีของการใช้งาน ข้อสรุปก็คือ ก๊าซไอเสียเป็นสาเหตุ การระเบิดของอากาศที่เกิดจากท่อน้ำระบายอากาศที่อ่อนแอซึ่งมีปริมาณมาก อาจทำให้วาล์วเสียหายได้ ปัญหาหลักของการระเบิดของท่อได้รับการแก้ไขในที่สุดโดยการเปลี่ยนท่อระบายอากาศเป็นวาล์วระบายอากาศความเร็วสูงแบบไดนามิก ซึ่งสามารถรองรับปริมาณไอเสียได้อย่างมาก

3) ความเร็วการไหลของน้ำและแรงดันไดนามิกในท่อมีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง พารามิเตอร์ของระบบไม่เสถียร และอาจเกิดการสั่นสะเทือนและเสียงดังอย่างมากอันเป็นผลมาจากการปล่อยอากาศที่ละลายอยู่ในน้ำอย่างต่อเนื่องและการก่อตัวและการขยายตัวของฟองอากาศอย่างต่อเนื่อง

(4) การกัดกร่อนของพื้นผิวโลหะจะเร่งขึ้นเมื่อสัมผัสกับอากาศและน้ำสลับกัน

(5) ท่อส่งก่อให้เกิดเสียงที่ไม่พึงประสงค์

อันตรายที่ซ่อนเร้นซึ่งเกิดจากการกลิ้งที่ไม่ดี

1. การควบคุมการไหลที่ไม่แม่นยำ การควบคุมท่ออัตโนมัติที่ไม่แม่นยำ และความล้มเหลวของอุปกรณ์ป้องกันความปลอดภัย ล้วนเป็นผลมาจากการระบายไอเสียที่ไม่สม่ำเสมอ

2. ยังมีท่อส่งน้ำรั่วอีกหลายแห่ง;

3. จำนวนท่อส่งที่ชำรุดเพิ่มขึ้น และแรงดันกระแทกอย่างต่อเนื่องในระยะยาวทำให้ข้อต่อและผนังท่อสึกหรอ ส่งผลให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น อายุการใช้งานสั้นลงและค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาสูงขึ้น

การศึกษาเชิงทฤษฎีจำนวนมากและการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติเพียงไม่กี่ครั้งได้แสดงให้เห็นว่า การทำให้ท่อส่งน้ำแรงดันสูงเสียหายนั้นง่ายเพียงใด เมื่อมีก๊าซอยู่ภายในเป็นจำนวนมาก

สะพานที่เกิดจากแรงดันน้ำกระแทกเป็นสิ่งที่อันตรายที่สุด การใช้งานในระยะยาวจะจำกัดอายุการใช้งานของผนัง ทำให้เปราะบางมากขึ้น เพิ่มการสูญเสียน้ำ และอาจทำให้ท่อระเบิดได้ การระบายอากาศของท่อเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดการรั่วไหลของท่อน้ำประปาในเมือง ดังนั้นการแก้ไขปัญหานี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ควรเลือกวาล์วระบายอากาศที่สามารถระบายอากาศได้ และเก็บก๊าซไว้ในท่อระบายอากาศด้านล่าง วาล์วระบายอากาศความเร็วสูงแบบไดนามิกในปัจจุบันสามารถตอบสนองความต้องการดังกล่าวได้

หม้อไอน้ำ เครื่องปรับอากาศ ท่อส่งน้ำมันและก๊าซ ท่อส่งน้ำประปาและน้ำทิ้ง และการขนส่งสารละลายระยะไกล ล้วนต้องการวาล์วระบายอากาศ ซึ่งเป็นส่วนประกอบเสริมที่สำคัญของระบบท่อ มักติดตั้งในที่สูงหรือบริเวณข้อต่อเพื่อระบายก๊าซส่วนเกินออกจากท่อ เพิ่มประสิทธิภาพของท่อ และลดการใช้พลังงาน
วาล์วไอเสียชนิดต่างๆ

โดยทั่วไปปริมาณอากาศที่ละลายอยู่ในน้ำจะอยู่ที่ประมาณ 2% โดยปริมาตร อากาศจะถูกขับออกจากน้ำอย่างต่อเนื่องในระหว่างกระบวนการส่งน้ำและสะสมอยู่ที่จุดสูงสุดของท่อส่งน้ำ ทำให้เกิดฟองอากาศ (AIR POCKET) ซึ่งถูกนำมาใช้ในการส่งน้ำ ประสิทธิภาพของระบบในการลำเลียงน้ำอาจลดลงประมาณ 5-15% เมื่อน้ำมีสภาพที่ยากต่อการไหลมากขึ้น วาล์วระบายอากาศขนาดเล็กนี้มีวัตถุประสงค์หลักในการกำจัดอากาศที่ละลายอยู่ 2% โดยปริมาตร และสามารถติดตั้งได้ในอาคารสูง ท่อส่งน้ำในโรงงาน และสถานีสูบน้ำขนาดเล็ก เพื่อปกป้องหรือเพิ่มประสิทธิภาพการส่งน้ำของระบบและประหยัดพลังงาน

ตัววาล์วรูปไข่ของวาล์วไอเสียขนาดเล็กแบบคันโยกเดี่ยว (SIMPLE LEVER TYPE) นั้นเทียบเคียงกันได้ ใช้ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางรูไอเสียมาตรฐานภายใน และส่วนประกอบภายในทั้งหมด ซึ่งรวมถึงลูกลอย คันโยก โครงคันโยก ที่นั่งวาล์ว ฯลฯ ล้วนทำจากสแตนเลส 304S.S และเหมาะสมสำหรับสภาวะแรงดันใช้งานสูงสุดถึง PN25