ท่อไอเสียทำงานอย่างไรวาล์วงาน

หลักการทำงานของวาล์วไอเสียคือแรงลอยตัวของของเหลวบนลูกลอย ลูกลอยจะลอยขึ้นโดยอัตโนมัติจนกระทั่งชนกับพื้นผิวซีลของช่องไอเสียเมื่อระดับของเหลวในช่องไอเสียถึงระดับที่กำหนดวาล์วลูกบอลจะลอยขึ้นเนื่องจากแรงลอยตัวของของเหลว แรงดันที่กำหนดจะทำให้ลูกบอลปิดลงโดยอัตโนมัติ เมื่อท่อทำงาน ลูกบอลลอยจะหยุดอยู่ที่ฐานของชามลูกบอลและปล่อยอากาศออกมาจำนวนมาก ทันทีที่อากาศในท่อหมดไป ของเหลวจะไหลเข้าไปแทนที่วาล์วไหลผ่านชามลูกบอลลอย และดันลูกบอลลอยกลับ ทำให้ลูกบอลลอยและปิดลง

หากปั๊มทำงานล้มเหลว แรงดันลบจะเริ่มสะสม ลูกลอยจะร่วงลง และจะใช้แรงดูดจำนวนมากเพื่อรักษาความปลอดภัยของท่อส่ง เมื่อลูกลอยหมดแรง แรงโน้มถ่วงจะดึงปลายด้านหนึ่งของคันโยกลง คันโยกจึงอยู่ในตำแหน่งเอียง อากาศจะถูกขับออกจากรูระบายอากาศผ่านช่องว่างระหว่างคันโยกกับส่วนสัมผัสของรูระบายอากาศ ระดับของเหลวจะสูงขึ้นเมื่ออากาศถูกปล่อยออกมา และลูกลอยจะลอยขึ้นเนื่องจากแรงลอยตัวของของเหลว พื้นผิวปิดผนึกที่ปลายคันโยกจะค่อยๆ ถูกกดเข้ากับรูระบายอากาศจนกระทั่งรูระบายอากาศทั้งหมดถูกปิดกั้นอย่างสมบูรณ์

ความสำคัญของวาล์วไอเสีย

เป็นเวลานานแล้วที่ผู้คนไม่สามารถแก้ไขปัญหาหลักของการรั่วไหลของน้ำบ่อยครั้งในระบบท่อส่งน้ำได้ เนื่องจากขาดความรู้ที่เพียงพอเกี่ยวกับว่าท่อส่งน้ำประปาในเมืองมีก๊าซอยู่หรือไม่ และอาจทำให้ท่อแตกได้หรือไม่ เพื่อให้เข้าใจถึงปรากฏการณ์ค้อนน้ำ (water hammer) ที่เกิดจากการตัดน้ำที่มีก๊าซได้ดียิ่งขึ้น จึงจำเป็นต้องอธิบายสาเหตุที่เป็นไปได้ของการสะสมก๊าซในระหว่างการใช้งานระบบจ่ายน้ำตามปกติ รวมถึงทฤษฎีการเพิ่มขึ้นของแรงดันในท่อและการแตกของท่อด้วย

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 เนื่องจากความเร็วและทิศทางการไหลของน้ำในท่อมีความไม่แน่นอนสูง การทดลองที่เกี่ยวข้องแสดงให้เห็นว่าแรงดันสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 2 เมกะปาสคาล ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้ท่อส่งน้ำธรรมดาแตกได้ นอกจากนี้ยังสำคัญที่จะต้องคำนึงถึงว่าการเปลี่ยนแปลงแรงดันโดยรวมส่งผลต่อจำนวนฟองอากาศที่เคลื่อนที่ในท่อในแต่ละช่วงเวลา ซึ่งจะทำให้การเปลี่ยนแปลงแรงดันในน้ำที่มีก๊าซปนอยู่รุนแรงขึ้น เพิ่มโอกาสที่ท่อจะแตก ปริมาณก๊าซ โครงสร้างท่อ และการใช้งาน ล้วนเป็นองค์ประกอบที่ส่งผลต่ออันตรายจากก๊าซในท่อ อันตรายสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ อันตรายที่เห็นได้ชัดและอันตรายที่ซ่อนเร้น โดยมีลักษณะดังต่อไปนี้:

อันตรายที่เห็นได้ชัดส่วนใหญ่ประกอบด้วยประเด็นต่อไปนี้

(1) ไอเสียที่อุดตันทำให้การไหลของน้ำเป็นไปได้ยาก เมื่อน้ำและก๊าซอยู่ในเฟสเดียวกัน ช่องระบายอากาศขนาดใหญ่ของวาล์วระบายอากาศแบบลูกลอยแทบจะไม่มีฟังก์ชันการทำงาน และอาศัยเพียงการระบายอากาศผ่านรูพรุนขนาดเล็ก ทำให้เกิด “การอุดตันของอากาศ” อย่างรุนแรง ซึ่งป้องกันไม่ให้อากาศระบายออก ทำให้การไหลของน้ำไม่สม่ำเสมอ ลดหรือแม้กระทั่งกำจัดพื้นที่หน้าตัดของช่องทางการไหลของน้ำ ปิดกั้นการไหลของน้ำ ลดความสามารถในการหมุนเวียนของระบบ เพิ่มอัตราการไหลเฉพาะที่ และเพิ่มการสูญเสียแรงดันน้ำ จำเป็นต้องขยายปั๊มน้ำ ซึ่งจะมีค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นทั้งในด้านพลังงานและการขนส่ง เพื่อรักษาระดับปริมาณการหมุนเวียนหรือแรงดันน้ำเดิมไว้

(2) (2) เนื่องจากการไหลของน้ำและการแตกของท่อที่เกิดจากการระบายอากาศที่ไม่สม่ำเสมอ ทำให้ระบบจ่ายน้ำไม่สามารถทำงานได้อย่างถูกต้อง การแตกของท่อจำนวนมากเกิดจากวาล์วระบายอากาศ ซึ่งสามารถปล่อยอากาศออกมาได้เพียงเล็กน้อย ท่อส่งน้ำอาจถูกทำลายโดยการระเบิดของก๊าซที่เกิดจากการระบายอากาศที่ไม่ดี ซึ่งอาจมีความดันสูงถึง 20 ถึง 40 บรรยากาศ และมีพลังทำลายล้างเทียบเท่ากับความดันสถิต 40 ถึง 80 บรรยากาศ แม้แต่เหล็กหล่อเหนียวที่แข็งแกร่งที่สุดที่ใช้ในงานวิศวกรรมก็อาจได้รับความเสียหาย วิศวกรจากวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์ได้สรุปหลังจากการวิเคราะห์ว่าเป็นการระเบิดของก๊าซ ท่อส่งน้ำส่วนหนึ่งในเมืองทางใต้มีความยาวเพียง 860 เมตร มีเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ DN1200 มม. และท่อระเบิดมากถึง 6 ครั้งในหนึ่งปีของการใช้งาน

จากผลสรุป ความเสียหายจากการระเบิดของแก๊สที่เกิดจากการระบายอากาศของท่อน้ำที่ไม่เพียงพออันเนื่องมาจากวาล์วระบายอากาศนั้น มีปริมาณการระบายอากาศเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ปัญหาหลักของการระเบิดของท่อน้ำได้รับการแก้ไขในที่สุดโดยการเปลี่ยนวาล์วระบายอากาศเป็นวาล์วระบายอากาศความเร็วสูงแบบไดนามิก ซึ่งสามารถรับประกันการระบายอากาศในปริมาณมากได้

(3) ความเร็วการไหลของน้ำและแรงดันไดนามิกในท่อมีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง พารามิเตอร์ของระบบไม่เสถียร และอาจเกิดการสั่นสะเทือนและเสียงดังอย่างมากอันเป็นผลมาจากการปล่อยอากาศที่ละลายในน้ำอย่างต่อเนื่องและการก่อตัวและการขยายตัวของฟองอากาศอย่างต่อเนื่อง

(4) การกัดกร่อนของพื้นผิวโลหะจะเร่งขึ้นเมื่อสัมผัสกับอากาศและน้ำสลับกัน

(5) ท่อส่งก่อให้เกิดเสียงที่ไม่พึงประสงค์

อันตรายที่ซ่อนเร้นซึ่งเกิดจากการกลิ้งที่ไม่ดี

1. การระบายอากาศที่ไม่สม่ำเสมออาจทำให้ความดันในท่อผันผวน การปรับอัตราการไหลไม่แม่นยำ การควบคุมอัตโนมัติของท่อไม่แม่นยำ และมาตรการป้องกันความปลอดภัยไม่ได้ผล

2. ท่อส่งน้ำรั่วมีปริมาณน้ำเพิ่มมากขึ้น

3. ท่อส่งน้ำชำรุดมากขึ้น และแรงดันกระแทกต่อเนื่องในระยะยาวทำให้ผนังท่อและข้อต่ออ่อนแอลง ส่งผลให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น อายุการใช้งานสั้นลง และค่าบำรุงรักษาสูงขึ้น

งานวิจัยเชิงทฤษฎีจำนวนมากและการทดลองใช้งานจริงบางส่วนได้แสดงให้เห็นว่า การเกิดปรากฏการณ์ค้อนน้ำ (water hammer) ซึ่งเป็นอันตรายต่อท่อส่งน้ำมากที่สุดนั้น เกิดขึ้นได้ง่ายเพียงใด เมื่อท่อส่งน้ำแรงดันสูงมีก๊าซอยู่เป็นจำนวนมาก การใช้งานในระยะยาวจะทำให้อายุการใช้งานของผนังท่อลดลง เปราะบางมากขึ้น สูญเสียปริมาณน้ำมากขึ้น และอาจทำให้ท่อระเบิดได้

ปัญหาท่อระบายอากาศเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดการรั่วไหลของท่อน้ำประปาในเมือง จำเป็นต้องทำความสะอาดก้นท่อ และวาล์วระบายอากาศที่สามารถปล่อยแรงดันได้เป็นวิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุด ปัจจุบันวาล์วระบายอากาศความเร็วสูงแบบไดนามิกตอบโจทย์ความต้องการนี้ได้แล้ว

หม้อไอน้ำ เครื่องปรับอากาศ ท่อส่งน้ำมันและก๊าซ ท่อส่งน้ำประปาและน้ำทิ้ง และการขนส่งสารละลายระยะไกล ล้วนต้องการวาล์วระบายอากาศ ซึ่งเป็นส่วนประกอบเสริมที่สำคัญของระบบท่อ มักติดตั้งในที่สูงหรือบริเวณข้อต่อเพื่อระบายก๊าซส่วนเกินออกจากท่อ เพิ่มประสิทธิภาพของท่อ และลดการใช้พลังงาน

วาล์วไอเสียชนิดต่างๆ

โดยทั่วไปปริมาณอากาศที่ละลายอยู่ในน้ำจะอยู่ที่ประมาณ 2% โดยปริมาตร อากาศจะถูกขับออกจากน้ำอย่างต่อเนื่องในระหว่างกระบวนการส่งน้ำและสะสมอยู่ที่จุดสูงสุดของท่อส่ง ทำให้เกิดฟองอากาศ (AIR POCKET) ซึ่งทำให้การส่งน้ำเป็นไปได้ยากและอาจทำให้ความสามารถในการส่งน้ำของระบบลดลง 5-15% วาล์วระบายอากาศขนาดเล็กนี้มีวัตถุประสงค์หลักเพื่อกำจัดอากาศที่ละลายอยู่ 2% โดยปริมาตร และสามารถติดตั้งได้ในอาคารสูง ท่อส่งในโรงงาน และสถานีสูบน้ำขนาดเล็ก เพื่อรักษาหรือเพิ่มประสิทธิภาพการส่งน้ำของระบบและประหยัดพลังงาน

ตัววาล์วของวาล์วไอเสียขนาดเล็กแบบคันโยกเดี่ยว (SIMPLE LEVER TYPE) มีรูปทรงวงรี ส่วนประกอบภายในทั้งหมดทำจากสแตนเลส 304S.S. รวมถึงลูกลอย คันโยก โครงคันโยก และที่นั่งวาล์ว ภายในใช้มาตรฐานรูไอเสียขนาด 1/16 นิ้ว สามารถใช้งานได้ที่แรงดันใช้งานสูงสุดถึง PN25