การออกแบบผนังเหล็กแผ่นในงานวิศวกรรม (design steel plate panel)

               ในงานออกแบบถังบรรจุ ถังรับแรงดัน (Pressure Vessel) Platform ต่างๆ ผนังและพื้นของโครงสร้างเหล่านี้จะมีความดันมากระทำ ในการออกแบบจะแบ่งผนังหรือพื้นเหล่านี้ออกเป็นส่วนย่อยๆ โดยการเสริม Stiffeners ที่เป็นเหล็กรูปประพรรณ เช่น เหล็ก I Beam เหล็ก H Beam ดังแสดงเป็นตัวอย่างในภาพที่ 1 ถังน้ำ ลึก  3.6 m ลึก หน้าตัดจัตุรัส ขนาด 2.7 m ทำจากเหล็กแผ่น โดยผนังของถังน้ำแต่ละด้านถูกแบ่งออกเป็น 9 ส่วน โดยใช้เหล็กโครงสร้างเป็นเหล็กรองรับ (Stiffeners) ดังนั้นจะได้ผนังเหล็กแผ่นเป็น 9 ส่วน แต่ละส่วนมีขนาด กว้าง 0.9 ม สูง 1.2 ม โจทย์คือจะต้องใช้เหล็กแผ่นที่มีความหนาเท่าไหร่ถึงจะมีความแข็งแรงเพียงพอ และการโก่งสูงสุดมีค่าเป็นเท่าใด

ภาพที่ 1 ผนังของถังน้ำ

                 เริ่มต้นจากการวิเคราะห์ปัญหา ทำให้ทราบว่า เหล็กแผ่นส่วนที่อยู่ด้านล่างสุดเป็นเหล็กแผ่นที่รับแรงดันน้ำสูงที่สุด ตามหลักการของ Fluid Static โดย Profile ของ แรงดันที่กระทำกับผนังเหล็กแผ่นด้านล่างแสดงได้ดังภาพที่ 2 

                     ในการออกแบบ จะใช้ทฤษฏี Plate and Shell โดยจะตั้งสมมุติฐานให้ ความดันกระจายอย่างสม่ำเสมอบนเหล็กแผ่น ดังนั้นจะใช้ความดันเฉลี่ยที่ความลึกตำแหน่งกึ่งกลางผนังเหล็กแผ่น (Lower Panel) ดังนั้นจะได้ความดันที่กระจายอย่างสม่ำเสมอบนผนังเหล็กแผ่นดังภาพที่ 2

ความดันเฉลี่ยที่กระทำกับเหล็กแผ่น มีค่าเท่ากับ  

Pavg =1,000 (kg/m^3)*9.81 (m/s^2)* (2.4 + 0.5*1.2)(m) = 29,430 Pa = 29.43 kPa

ภาพที่ 2 Pressure Distribution on steel plate

สมมุติฐานในการออกแบบผนังเหล็กแผ่น จะกำหนดให้เหล็ก Stiffeners มีความแข็งแรงสูงและเชื่อมติดกับผนังเหล็กแผ่น ดังนั้นกล่าวได้ว่า ขอบของผนังเหล็กแผ่นย่อยนี้ถูกตรึงอยู่ (Fixed)

มาถึงตรงนี้จะกล่าวได้ว่า เรากำลังออกแบบแผ่นเหล็กที่มีความดันกระจายอย่างสม่ำเสมอและขอบทั้ง 4 ด้านถูกตรึงอยู่กับที่ เป็นไปตามเงื่อนไข All Edges Fixed ซึ่งจาก ทฤษฏี Plate and Shell จะกำหนดให้ความกว้างของเหล็กแผ่นเป็น b ความยาวของเหล็กแผ่นเป็น a ดังนั้นในตัวอย่างนี้ b = 0.9 m a = 1.2 m

การคำนวณหาโมเมนต์ต่อความยาวของเหล็กแผ่นจะอาศัยประมาณการจากผลการทดลอง โดย Batch ได้ทดลองกับแผ่นเหล็กเหนียวที่ตรึงขอบทั้ง 4 ด้าน จากผลการทดลองค่าสัมประสิทธิ์ของโมเมนต์ต่อความกว้างจะเป็นฟังก์ชันของสัดส่วน b/a ดังแสดงในภาพที่ 3 

ภาพที่ 3 สัดส่วนของโมเมนต์ต่อ pb^2

จากเส้นกราฟในภาพที่ 3 เมื่อ b/a = 0.9/1.2 = 0.75 

จะได้ ค่าสัมประสิทธิ์ของโมเมนต์ต่อความกว้าง = 0.042 

ดังนั้นค่า โมเมนต์ต่อความกว้าง M จะเท่ากับ

M/pb^2 = 0.042

M = (0.042)*(29.43 x1,000 N/m^2)*(0.9 m^2) ช = 1,000 N-m/m

    

เมื่อทราบค่าโมเมนต์ต่อความกว้าง M แล้ว สามารถคำนวณค่าความหนาต่ำสุดของผนังเหล็กแผ่น ได้จากสูตรคำนวณ Bending Stress  โดยความเค้นสูงสุดที่เกิดขึ้นต้องไม่เกิน ความเค้นออกแบบ (Sw) ของเกรดเหล็กที่เลือกทำผนังเหล็กแผ่น สมมุติให้มีค่าเท่ากับ 124 MPa 

Sw = 6M/h^2

ดังนั้น

h = (6M/Sw)^0.5 = (6*(1000 N-m/m)/124 N/mm^2)^0.5 = 6.96 mm

การหาการเคลื่อนตัวสูงสุดของผนังเหล็กแผ่น จะหาจาก Theory of Flexure of  Slab

        Wmax = C(1-v^2)*(pb^4/Eh^3)

โดย 

       C = 0.032/(1+(b/a)^4) = 0.032/(1+0.75^4) = 0.0243

v is poisson’ rartio = 0.29 ; E = 200 GPa

ดังนั้น

Wmax = 0.0243*(1-0.29^2)*(29.43x1000 Pa)*(900 mm)^4/(200x10^9 Pa * (6.96 mm)^3) = 6.37 mm

                

                จากผลการคำนวณพบว่า การเคลื่อนตัวสูงสุดของผนังเหล็กแผ่นมีค่าเกินกว่าครึ่งของความหนาเหล็กแผ่น โดยจะพิจารณาร่วมกับสัดส่วนค่า Wmax/b <= 0.01 ผู้ออกแบบผนังถังน้ำจะต้องพิจารณาเกรดเหล็กที่ใช้ หรือลดความกว้างหรือเพิ่มความหนาของเหล็กแผ่นเพื่อลดการเคลื่อนตัวของผนังเหล็กแผ่น

               จากการนำเสนอขั้นตอนการออกแบบผนังเหล็กแผ่น ท่านจะเห็นว่าขั้นตอนการออกแบบเป็นไปอย่างเป็นขั้นเป็นตอน ดังนั้นหากใช้ Excel ช่วยในการออกแบบจะช่วยลดเวลาในการออกแบบลงมากทั้งนี้ผู้ที่ใช้งาน Excel ก็ต้องเรียนรู้ขั้นตอนการออกแบบผนังเหล็กแผ่นก่อน สามารถโหลดไฟล์ Excel ช่วยคำนวณได้จากที่นี่ครับ จากตัวอย่างนี้ ซึ่งผมจะสรุปขั้นตอนให้ท่านได้ดังนี้

• .       พิจารณาผนังเหล็กแผ่นเป็น ผนังแผ่นบางที่มีความดันกระทำอย่างสม่ำเสมอตลอดทั้งแผ่นและขอบทั้ง 4 ด้านของผนังแผ่นบางถูกตรึงไม่ให้เคลื่อนที่ได้
• .       หาสัดส่วน b/a
• .       เลือกค่า สปส โมเมนต์ต่อความกว้าง จากภาพที่ 3
• .       คำนวณโมเมนต์ต่อความกว้าง จากความสัมพันธ์ M/pb^2 = สปส โมเมนต์ต่อความกว้าง
• .       คำนวณความหนาของผนังเหล็กแผ่น จากสูตร h = (6M/Sw)^0.5 เมื่อ Sw คือความเค้นออกแบบของเหล็กแผ่น
• คำนวณหาการเคลื่อนตัวสูงสุด จากสูตร Wmax = C(1-v^2)*(pb^4/Eh^3) โดย C = 0.032/(1+(b/a)^4

เพิ่มอายุการใช้งานและประหยัดพลังงานด้วยการเติมไนโตรเจน

ผมเคยเขียนบทความ การเปลี่ยนลมยางเป็นไนโตรเจนดีหรือไม่ไปแล้ว ในบทความนี้อยากจะนำเสนอผลการวิจัยการผลของการเติมไนโตรเจนที่มีต่อล้อยางและรถยนต์ของเราอีกครั้งหนึ่ง ก่อนอื่นต้องเกริ่นถึงบทความที่ผ่านมาว่า ความดันลมยาง เป็นตัวแปรสำคัญที่มีผลต่อสมรรถนะของล้อยาง การประหยัดพลังงานและความปลอดภัยในการขับขี่ โดยมีแนวคิดที่ว่า ความดันลมยางต้องมีค่าที่เหมาะสมและรั่วไหลได้น้อยที่สุด

เกี่ยวกับไนโตรเจน

    ไนโตรเจนเป็นก๊าซแห้งและเฉื่อย จะถูกใช้เป็นลมยางในล้อเครื่องบิน ล้อรถแข่ง รถทางทหาร หรือล้อรถ off road ต่างๆ  จุดเด่นของไนโตรเจนคือ รักษาระดับความดันลมยางไว้ได้นาน โดยไนโตรเจนสามารถซึมผ่านแก้มยางได้ช้ากว่าลมยางปกติซึ่งมีออกซิเจนร่วมอยู่ด้วย (โดยวัดค่า permeability  coefficient ผ่านยาง ซึ่งพบว่าออกซิเจนสามารถซึมผ่านยางได้เร็วกว่า ไนโตรเจน 3-4 เท่า เนื่องจากขนาดโมเลกุลของออกซิเจนเล็กกว่าไนโตรเจนนั่นเอง) จึงเป็นผลให้ความดันลมยางลดลง 

ภาพเปรียบเทียบขนาดของโมเลกุลออกซิเจนและไนโตรเจน

นอกจากนี้ความชิ้นในลมยางปกติจะทำให้เกิดสนิมและกัดกร่อน rim ของล้อยางได้ ขณะเดียวกันความชื้นที่อยุ่ในลมยางปกติจะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอได้หากอุณหภูมิภายในล้อยางเพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้ความดันลมยางมีค่าเพิ่มขึ้นได้ เป็นเหตุให้ความดันลมยางไม่คงที่ขณะใช้งาน

ดังนั้นข้อดีของการเติมไนโตรเจนคือ การเพิ่มอายุการใช้งานของล้อยาง ประหยัดพลังงาน และยานยนต์มีความปลอดภัยขณะใช้งาน สุดท้ายลดต้นทุนในการเปลี่ยนล้อยางนั่นเองครับ

จากการทดลองกับล้อยางใช้งานในพื้นที่จริง 3 พื้นที่ในอเมริกาพบว่า

1. ล้อยางเติมไนโตรเจนมีการลดลงของความดันลมยางต่ำกว่าล้อยางเติมลมปกติ ดังแสดงในตาราง ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าความดันลมยางต่ำเกินไปจะทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานของล้อยางมีผลให้รถต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการขับขี่

2 ผลพวงที่จะเกิดขึ้นต่อจากการที่ความดันลมยางต่ำคือ อัตราการสึกของดอกยาง ดังแสดงในตารางครับ จะพบว่าล้อยางเติมไนโตรเจนมีอัตราการสึกของดอกยางต่ำกว่า โดยจากตารางเป็นอัตราการสึกของล้อหน้ารถบรรทุก 18 ล้อ

3 เมื่อัตราการสึกต่ำส่งผลให้อายุการใช้งานนานขึ้นด้วยครับ ดังแสดงในตาราง

4. สุดท้าย Rolling Resistance เปลี่ยนแปลงน้อย เนื่องจากความดันลมยางมีค่าคงที่ ซึ่งต่างจากการเติมลมยางปกติที่พบว่าค่า Rolling Resistance มีการเพิ่มขึ้นค่อนข้างมาก ซึ่งจะมีผลให้อุณหภูมิภายในล้อยางสูงขึ้นด้วยครับ

สรุป

การเติมไนโตรเจนจะช่วยรักษาระดับความดันภายในลมยางทำให้เพิ่มอายุการใช้งานของล้อยาง อุณหภูมิภายในล้อยางต่ำ ประหยัดพลังงาน และเพิ่มความปลอดภัยในการขับขี่ 

ข้อควรระวัง

ควรหาร้านที่ให้บริการไนโตรเจนที่คุณภาพสูง (ควรใช้ 95% purity) มิเช่นนั้นท่านก็อาจจะได้ลมยางปกติไปใช้งานแทนไนโตรเจนครับ

Ref. 

EFFECT OF NITROGEN FILLING ON TIRE

ROLLING RESISTANCE AND VEHICLE

FUEL ECONOMY

Prakash Venkataraman

Clemson University

ความแตกต่างระหว่าง Pipe และ Tube มีอะไรบ้าง (Difference between Pipes and Tubes)

บทวามนี้จะนำเสนอความแตกต่างของ Pipe และ Tube หรือที่เมืองไทยจะเรียกว่า ท่อ ในทางวิศวกรรมกันครับ ก่อนอื่นมาดูลักษณะรูปร่างของ  Pipe และ Tube กันก่อน Pipe และ Tube จะมีรูปร่างทรงกระบอกกลวงเหมือนกัน ดังนั้นในการบอกขนาดของ  Pipe และ Tube จะมีตัวแปรสำคัญ 3 ตัวแปรดังนี้

1. เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (OD)
2. เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน (ID)
3. ความหนาของท่อ (t)

ซึ่งความสัมพันธ์ของตัวแปรทั้ง สาม อธิบายได้ตามสมการที่ 1
                       OD = ID + 2*t               (1)
ดังนั้นในการเลือกใช้ หรือเลือกซื้อ Pipe และ Tube เราจะบอกขนาดของ Pipe และ Tube เพียง 2 ตัวแปรก็เพียงพอแล้ว

จากตัวแปรที่ใช้ในการบอกขนาดของ Pipe และ Tube ทำให้เกิดความแตกต่างระหว่าง  Pipe และ Tube ข้อที่ 1 ขึ้น นั่นคือ
ความแตกต่างจากการบ่งชี้ขนาดของรูปร่าง
1. Tube จะกำหนดที่ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกและความหนา ส่วน ID สามารถคำนวณได้จากความสัมพันธ์ตามสมการที่ 1
ตัวอย่าง 1.            O.D  1.00 ".  Tk  0.083 " ,  ASTM A269  มีความหมายว่า Tube  มีขนาด  O.D = 1.00 Tk  0.083 "      หมายถึง  Tube  นี้มีความหนา  =  0.083 "
2. Pipe จะกำหนดที่ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน (ID) และความหนา แต่อย่างไรก็ตาม ID ของ Pipe ที่กำหนดตามมาตรฐานเป็นเพียง ID ทั่วไป แต่ขนาด ID และ ความหนาของ Pipe จะมีความแตกต่างกันแม้ว่า ID ทั่วไป จะเท่ากัน โดยจะขึ้นอยู่กับค่า SCH (Schedule)

ความแตกต่างระหว่าง  Pipe และ Tube ข้อที่ 2 ซึ่งจะมีส่วนในการเลือกใช้หรือเลือกซื้อ Pipe และ Tube คือ การนำไปใช้งานของ Pipe และ Tube

จากความแตกต่างของการบอกขนาด เราจะพบว่า Tube ให้ความสำคัญกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกและความหนาของ Tube ซึ่งเราจะพบว่า มันจะสัมพันธ์กับงานทางวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับการ Transfer พลังงานบางอย่าง โดยที่เห็นชัดในการ Transfer พลังงานคือ พลังงานความร้อน ซึ่งเราจะพบว่า ค่าความหนาของ Tube จะเกี่ยวข้องกับ Heat Conduction (ต้องการความหนาน้อยๆเพื่อถ่ายเทความร้อนได้เร็วและมากขึ้น) ส่วน OD จะเกี่ยวข้องกับพื้นที่ในการพาความร้อน (Heat Convection) ดังนั้นเราจึงเห็นการนำ Tube ไปใช้กับงานพวกการถ่ายเทความร้อนเป็นหลัก เช่น Heat Exchanger, Boiler ท่อในระบบทำความเย็น ระบบเครื่องปรับอากาศ เป็นต้น

ในขณะที่ Pipe เราจะพบถูกใช้ในการขนย้ายของไหลจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งเช่น Gas หรือ น้ำมัน ซึ่งสิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณาคือปริมาณของของไหลที่สามารถขนย้ายได้ ดังนั้นตัวแปรที่สำคัญคือ ขนาด ID ของ Pipe 

การจำแนกชนิดของท่อระหว่าง Pipe และ Tube มีความสำคัญและมีผลต่อการเลือกใช้ Fitting ได้ถูกต้อง เพราะ Fitting ของ Pipe และ Tube ใช้แทนกันไม่ได้นะครับ เนื่องจาก ขนาด OD ที่ไม่เท่ากัน และจะต้องระวังและจำไว้ว่า ขนาดของ Pipe และ Tube ไม่สามารถบอกได้ด้วยการดูสายตาจะต้องวัด OD และความหนา เพื่อนำไปเปรียบเทียบกับตารางตามมาตรฐานครับ

อีกสิ่งที่ต้องคำนึงถึงในการเลือกใช้หรือเลือกซื้อ Pipe และ Tube คือความแข็งแรงของ Pipe และ Tube ครับ ผู้จำหน่าย Pipe และ Tube อาจจะมีข้อมูลความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์ให้ท่านทราบได้ โดยทั่วไปท่านที่จะเลือกซื้อ ก็ต้องทราบข้อมูลลักษณะและประเภทของโหลดที่กระทำกับ Pipe และ Tube ของท่าน เช่น

1. โดยทั่วไป Pipe และ Tube เป็นชิ้นส่วนที่รับความดันภายในของของไหล ดังนั้น ความเค้นที่เกิดจากความดันภายใน ก็จะต้องถูกนำมาพิจารณาและเป็นที่ทราบกันดีว่า ความเค้นจากความดันภายในท่อ ขึ้นอยู่กับ ความดันภายใน รัศมีของท่อและความหนาของท่อ 

2. กรณีรับโหลดจากความดันร่วมกับเป็นงานที่มีอุณหภูมิสูงมาเกี่ยวข้อง Thermal Stress จะมีผลต่อความแข็งแรงและเกี่ยวข้องกับ Fatigue Strength ของ Pipe และ Tube ด้วย

3 กรณีมีการนำ Pipe ไปใช้รับน้ำหนักหรือเสริมความแข็งแรงในโครงสร้าง สิ่งที่ต้องพิจารณาคือ โมเมนต์ของพื้นที่ รวมถึงรัศมีไจเรชั่น หาก Pipe ถูกใช้รับแรงกดอัด

 

Industrial fan and blower : Introduction

Fan, blower uses gases to perform the same fuction that pumps do with liquids. Each of these devices transfer mechanical energy from a prime mover into an increase in fluid energy. Fan and blower accomplish this as blades mounted on a rotating shaft rotor move the gas (usually air) within the fluid system. The system’s resistance to flow results in an increase in pressure across the device from inlet to discharge. A fan is designed to operate against a very small pressure rise (up to about 8 in. of water, If the rise is between 8 in. of water and about 1atm, the device is called a blower.

The primary function of a fan and blower are to

1. Circular air within a given space.
2. Deliver air to or exhaust air from a given space.
3. Push air through ducts used in ventilation, heating, or air-conditioning systems.