การสูญเสียความดันในท่อ (Pressure Lose in Pipe)
การไหลในท่อมักเกิดการสูญเสียความดันขึ้นเสมอตลอดระยะการไหล การสูญเสียดังกล่าวเกิดขึ้นจากหลายกรณี เช่น การเปลี่ยนแปลงความสูงของการไหล การเปลี่ยนแปลงหน้าตัดการไหล ความหนาแน่นและความหนืดของของไหล ความฝืดของผนังท่อซึ่งส่งผลให้การไหลปั่นป่วน เป็นต้น การจะขับดันของไหลให้เคลื่อนตัวจากต้นทางไปยังตำแหน่งปลายทางที่ต้องการนั้น วิศวกรต้องทราบการสูญเสียดังกล่าวทั้งหมดตลอดเส้นทางการไหนนั้นเสียก่อน จึงจะสามารถออกแบบและเลือกขนาดของเครื่องสูบที่เหมาะสมมาใช้งานได้ การวิเคราะห์การสูญความดันในท่อเนื่องจากการไหล โดยพื้นฐานทั่วไปอาศัยสมการพลังงานของกลศาสตร์ของไหล ดังนี้
โดยเลขกำกับ 1 และ 2 หมายถึงตำแหน่งต้นทางและปลายทาง ตามลำดับ V คือความเร็วเฉลี่ยของของไหล
คือความหนาแน่น z คือระยะสูงจากจุดอ้างอิง และ h
L
คือการสูญเสียรวมที่เกิดขึ้น สำหรับในกรณีที่ท่อมีพื้นที่หน้าตัดคงที่และวางอยู่ในแนวระดับการสูญเสียคำนวณได้จาก
อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติการสูญเสียเกี่ยวข้องโดยตรงกับพฤติกรรมการไหลในท่อซึ่งอธิบายด้วยเลขเรย์โนลดส์ (Reynolds’ number: R
e
) ดังนิยาม
โดย μ เป็นค่าความหนืดของของไหล D คือเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อ สำหรับการไหลในท่อกลมนั้นเลขเรย์โนลดส์ที่แบ่งการไหลทั้งสองออกจากกัน (Critical Reynolds’ number: R
C
) มีค่าประมาณ 2300 โดยหากการไหลมีค่า R
e
>R
C
การไหลจะเป็นแบบปั่นป่วน แต่หาก R
e
>R
C
การไหลจะเป็นแบบราบเรียบ
การสูญเสียของการไหลในท่อนิยมแยกพิจารณาเป็น 2 ส่วน คือ การสูญเสียหลัก (Major loss: h
M
) เป็นผลจากความเสียดทานซึ่งจะเกิดขึ้นตลอดความยาวท่อ และการสูญเสียรอง (Minor loss: hm) ซึ่งเกิดเฉพาะจุดติดตั้งอุปกรณ์ประกอบต่างๆ อาทิ ข้อต่อ ข้องอ วาล์ว เป็นต้น โดย h
L
= h
M
+ h
m
ในทางทฤษฎีการสูญเสียหลัก h
M
จะสัมพันธ์กับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ ความยาวท่อ ความเร็วของการไหล คุณสมบัติของของไหล และตัวประกอบความเสียดทาน (friction factor: f) ดังนี้
จากสมการนี้จะพบว่านอกจากค่าตัวประกอบความเสียดทานแล้วตัวแปรอื่นล้วนสามารถวัดค่าได้ทั้งสิ้น ดังนั้น การแก้ปัญหาการสูญเสียในท่อโดยรวมก็คือการหาค่าตัวประกอบแรงเสียดทานนั่นเอง ซึ่งในทางปฏิบัติหาได้โดยอาศัย Moody chart ซึ่งเป็นแผนภาพที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างตัวประกอบแรงเสียดทาน f ค่าเลขเรย์โนลดส์ R
e
และความขรุขระสัมพัทธ์ของผิวท่อ (relative roughness: /D) โดยสำหรับการไหลแบบราบเรียบจะพบความสัมพันธ์ในรูป f=64/Re
สำหรับการสูญเสียรอง h
m
นั้น เนื่องจากเป็นการสูญเสียเฉพาะจุดติดตั้งอุปกรณ์ (ไม่เกี่ยวกับความยาวท่อ) การคำนวณการสูญเสียรองจึงได้ล้อรูปแบบการคำนวณการสูญเสียหลัก ดังนี้
เมื่อ K เป็นตัวประกอบการสูญเสีย (Lose coefficient) ซึ่งมีค่าขึ้นอยู่กับชนิดของอุปกรณ์และพฤติกรรมการไหล
เครื่องทดสอบการสูญเสียความดันในท่อ
ข้อต่อชนิดต่างๆ
ปฏิบัติการนี้ทดสอบการสูญเสียของการไหลในท่อ เพื่อที่จะศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างการสูญเสียกับอัตราการไหลของน้ำในท่อแบบต่างๆ สำหรับการไหลในย่านรายบเรียบและปั่นป่วน ศึกษาผลกระทบของความขรุขระของผิวท่อที่มีต่อการสูญเสีย รวมถึงการสูญเสียที่เกิดขึ้นกับข้อต่อรูปแบบต่างๆ
[เอกสารประกอบปฏิบัติการ] [บรรยายสรุปปฏิบัติการ]