Food science, food industrial technology on blog

อุปกรณ์ทนแรงดันในอุตสาหกรรมอาหารที่นักวิทยาศาสตร์การอาหาร และวิศวกรอาหารต้องรู้จักกันแน่ๆ ก็คือ หม้อฆ่าเชื้อ หรือ รีทอร์ท ( retort) นั่นเอง ซึ่งปกติแล้วในกระบวนการแปรรูปด้วยความร้อนนั้น อุณหภูมิของตัวกลางต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น ไอน้ำ และน้ำร้อน ไม่สามารถที่จะมีอุณหภูมิสูงเกินกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของตัวมันเอง เช่นที่ความดัน 14.7 psi น้ำจะเดือดที่ 212^oF เท่านั้น โดยธรรมชาติจะไม่ขึ้นไปถึง 230^oF หรือ250^oF เป็นอันขาด แล้ววิธีการที่จะช่วยยกระดับอุณหภูมิได้ก็คือ การอาศัยหลักที่ว่า "ความดันมีค่าสอดคล้องกับอุณหภูมิ" ดังนั้นเมื่อเราสามารถอัดความดันให้กับระบบให้สูงขึ้นได้ เราก็จะสามารถยกระดับอุณหภูมิของตัวกลางให้สูงขึ้นได้เช่นกัน แต่สิ่งที่เราต้องสนใจกันให้มากก็คือ ต้องออกแบบยังไงให้มีความปลอดภัยในการใช้งาน แล้วมีปัจจัยที่อะไรบ้างที่เราต้องข้องแวะกับมันบ้าง

หม้อฆ่าเชื้อ หรือ รีทอร์ทโดยทั่วไปจะทีรูปทรงเป็นทรงกระบอกที่มีฝาปิด2ด้าน (ก็แหงสิ... ถ้าไม่ปิดจะคุมความดันได้ไง) ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบในการออกแบบ เพราะมันง่ายครับ!! โครงสร้างไม่พิศดารมากเมื่อไปเทียบกับ ถีงบรรจุแก๊สที่จะมีส่วนโคนด้วย หรือ ถังทรงกลม ส่วนการติดตั้งอุปกรณ์อื่นๆ ใช้การเจาะเชื่อมในตำแหน่งที่เหมาะสม โดยท่อที่จะนำมาเชื่อมโดยหลักการจะต้อง ทนต่อแรงดันสูง ได้มากกว่าตัวถังด้วยซ้ำไป!!

ดังนั้นในการออกแบบหม้อฆ่าเชื้อเราจะคำนวณ 2 ส่วนด้วยคือ

1. คำนวณความหนาของตัวถังหรือshell และ
2. คำนวณความหนาของฝาทั้งก้นและท้าย หรือ head

สมมติว่าเริ่มจากผู้ที่ไม่มีความรู้พื้นฐานอะไรเลย แต่สนใจจะสร้าง เริ่มต้นเราก็ต้องรู้ไว้ว่า อุปกรณ์ทนแรงดันที่เราจะสร้างนั้น มันทำงานปกติที่ความดันเท่าไหร่ ซึ่งเป็นโจทย์ข้อแรกที่เราต้องหาคำตอบให้ได้ก่อนถูกไหมครับ จากนั้นเราถึงจะไปดูความดันที่จะทำให้การทำงานเกิดความปลอดภัย และทนทาน ซึ่งในส่วนนี้อยู่ีที่เลือกวัสดุที่ประกอบเป็นตัวถังขึ้นมานั่นเอง เหล็กกล้าคาร์บอนแต่ละประเภทไม่ว่าจะเป็นSA-515 หรือ SA-516 ก็ยังมีการแบ่งเกรดย่อยลงไปอีก

สำหรับสมการที่ใช้ในการออกแบบหาค่่าความหนา (t) ของแผ่นเหล็กที่ใช้ในการสร้างอุปกรณ์ทนแรงดันใดๆ ทั้งส่วนของ head และ shell ก็คือ

ชิ้นส่วน	สูตรในการหาค่าความหนา t , in.	สูตรในการหาค่าความดัน P, psi
ทรงกระบอก
ครึ่งทรงกลม
ทรงรี

มีใครสังเกตได้บ้างครับว่า สูตรการหาค่าความหนาของถัง(เมื่อกำหนดความดันออกแบบ) กับสูตรที่ใช้ในการหาค่าความดันออกแบบ(เมื่อกำหนดความหนาตัวถัง) มันเป็นสูตรเดียวกัน!! ในบทความนี้ผมจะแนะนำขั้นตอนและกระบวนการออกแบบ ซึ่งผู้อ่านสามารถจะนำไปประยุกต์ออกแบบอุปกรณ์ทนแรงดันประเภทอื่นๆ เช่น ระบบ High pressure pasteurization ต่อไปได้อีกนะครับ ทีนี้เมื่อเรามาดูสมการสำหรับหาตัวแปร t ซึ่งคือค่าความหนา(ขั้นน้อยที่สุด) ที่สามารถทีี่่จะใช้ในกระบวนการผลิตอาหารกระป๋องได้จริง มันจะมีพารามิเตอร์หรือตัวแปรต่างๆที่ปรากฏในสมการ ดังนั้นต้องสนใจอะไรบ้างล่ะ มาดูตัวแปรต่างๆกันทีละตัวเลยนะครับ

P; ความดันออกแบบ

ถังทนแรงดันมันก็ต้องสามารถที่จะทนต่อแรงดันได้สินะ ซึ่งแรงดันที่ประกอบเข้าไปเนี่ย เราจะเอาตรงไหนมาคำนวณประกอบกันเป็นตัวแปร Pล่ะ จริงๆแล้วมันก็มีเงื่อนไขในการระบุค่าความดันออกตรงนี้ไว้เหมือนกัน เพราะเรามีตัวแปรที่เกี่ยวข้องกับความดันในระบบที่ต้องบวกร่วมเข้าไปตามนี้ครับ ซึ่งประกอบไปด้วย

ความดันใช้งาน(Operation pressure) ซึ่งตรงตัวเลย เป็นความดันที่ใช้ในการปฏิบัติงานปกติ

ความดันนิรภัย (Safety pressure) ข้อกำหนดในการระบุค่าความดันนิรภัยมีสองเงื่อนไขครับ คือ เป็นค่า 30psi หรือ 10%ของความดันใช้งาน ซึ่งตรงนี้อันไหนมีค่ามากกว่า เราก็เลือกตัวนั้น

ความดันสถิตย์ของไหลเนื่องจากพลังงานศักย์(Static head) ค่าความดันในส่วนนี้จะขึ้นอยู่กับความสูงของตัวถังทนแรงดันเ็ป็นสำคัญ ดังนั้นหม้อฆ่าเชื้อยิ่งมีความสูงมาก ความดันส่วนนี้ก็จะมากตามไปด้วย ซึ่งสมการที่ใช้ในการหาค่าความดันสถิตย์ของไหลเนื่องจากพลังงานศักย์

หม้อฆ่าเชื้อที่ทำเย็นด้วยลมเย็นแต่เพียงอย่างเดียว อาจจะตัดการคำนวณความดันในส่วนนี้ออกไปได้ แต่ในทางกลับกันนะครับ ถ้าเป็นหม้อฆ่าเชื้อที่ใช้น้ำร้อนเป็นตัวกลาง ค่าความดันตัวนี้เราไม่สามารถที่จะตัดทิ้งไปได้เลย เพราะอะไรลองคิดตามกันนะครับ

โดยเบื้องต้นถ้าเราไม่ได้กำหนดสเปคไว้ว่าต้องการความดันออกแบบเท่านั้นเท่านี้ ก็จะเริ่มต้นที่ค่าความดัน 3 ตัวข้างต้นเสมอ แต่ถ้ามีการกำหนดเองโดยผู้ที่ต้องการใช้ โดยอาจจะเห็นว่าไหนๆ สร้างทั้งทีก็สร้างให้ทนแรงดันมากกว่าความดันออกแบบที่คำนวณไปอีกหน่อยนึง เพื่อความปลอดภัย(แต่ใช้เหล็กกล้าหนาขึ้นนะ) เช่นในการทำงานจริงอาจจะใช้งานความดัน 30psi แต่ในการผลิตเราอาจจะเผื่อค่าความปลอดภัยลงไปเป็น 90-100 psi ด้วยซ้ำ

ความดันทำงานที่ยอมให้ได้สูงสุด(Maximum Allowable Working Pressure)

เป็นค่าความดันภายในซึ่งพิจารณาจากส่วนที่อ่อนแอที่สุดของถังถูกกระทำ ซึ่งจะมีค่าสูงกว่าความดันออกแบบเสมอ มีไว้เพื่อตรวจสอบว่า ความหนาที่คำนวณไว้ยังอยู่ในช่วงที่เพียงพอกับความดันสูงที่ค่านี้ได้อยู่หรือไม่

r หรือ D; รัศมี หรือ เส้นผ่านศูนย์กลาง

ในการสร้างตัว shell เราจะเอาขนาดของรัศมีที่ได้จากเส้นผ่านศูนย์กลางภายในไปคำนวณ แล้วเราจะต้องใช้ค่า รัศมีสักเท่าไหร่กันละ คนที่ตอบคำถามนี้ได้ไม่ใช่คนคำนวณครับ (อ้าวว...)

ในส่วนนี้เราต้องดูส่วนอื่นๆประกอบกันด้วย ได้แก่ ขนาดของตะกร้าที่เราจะนำเข้า ไม่ใช่ว่าคำนวณออกมาแล้ว สร้างเสร็จแล้ว แต่กลับเอารถเ็ข็นเข้าในหม้อฆ่าเชื้อไม่ได้เลย เพราะรถเข็นใหญ่ หรือ สูงกว่าตัวหม้อฆ่าเชื้อ หรือในอีกกรณีนึงเวลาทำงาน ความสูงของตระกร้ามันไม่สมดุล เหลือช่องว่างด้านบนเพียบ ซึ่งถ้ายัดๆตะกร้าอีกสักแถวก็น่าจะช่วยเพิ่มกำลังการผลิตต่อรอบได้ แต่กลับวางซ้อนสองชั้นไม่ได้เลย ก็เพราะตอนออกแบบไม่ได้เผื่อไว้สองชั้น แต่พอตอนทำงานจริงมีออเดอร์เร่งรีบ จำเป็นต้องเพิ่มกำลังการผลิตก็ทำไม่ได้ และเราต้องมองไปถึงความสะดวกสบายในการทำงานร่วมด้วย โดยเบื้องต้นการคำนวณหาค่ารัศมีในตัว shell ก็ใช้พีธากอรัสนี่แหละครับ เมื่อเราคำนวณหาค่า D ออกมาแล้วมีจากเส้นผ่านศูนย์กลางคงไม่ใช่เรื่องลำบากสำหรับเราๆท่านๆนะครับ สูตรมันยาวผมขี้เกียจอธิบาย ฮ่าฮ่า

อย่างไรก็ตามเพื่อความสะดวกสบายในการทำงาน เราต้องเผื่อค่าความกว้างเพิ่มขึ้นไปอีกด้วย แต่อย่างไรก็ตามเราต้องอย่าลืมว่า รีทอร์ทยิ่งสูง(เส้นผ่านศูนย์กลางมากนั่นเอง) มันก็ไปมีผลต่อค่าความดันไฮโดรสเตติคด้วยครับ ความดันของน้ำเนื่องจากพลังงานศักย์ก็จะมีผลต่อการทำงาน ดังนั้นเราจึงต้องไปเผื่อค่าความดันออกแบบไว้ด้วยอย่างนั้นแหละครับ ในการคำนวณส่วนของ shell ผมว่าคงไม่มีใครติดขัดอะไร โดยคำนวณว่าตะกร้าที่เรามีนั้นมันขนาดพอเพียงที่จะเข็นเข้าโดยไม่ติดขัดอะไรไหม แล้วจึงถอดรากค่ารัศมีออกมา ตามด้วยการบวกค่าเผื่อเอาไว้ด้วย แต่ถ้าเป็นการคำนวณในส่วนของ head ก็มีตัวแปรบางตัวที่เราต้องเลือกใช้ให้ถูกต้องด้วย... ดูภาพปลากรอบด้านล่าง

จากภาพด้านบน sf คือ Straight flange หรือส่วนที่ยื่นออกมา โดยสรุปแล้วนะครับ ในการจะเอาคำนวณส่วนของ head ของตัวหม้อฆ่าเชื้อ ถ้าเราสร้าง head เป็นแบบครึ่งทรงกลมก็จะใช้ค่า R ส่วนในกรณีที่ต้องการสร้างเป็นทรงรี ก็ให้นำเอาค่าเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน (ID) ไปใช้ในการคำนวณ

S; ค่าความเค้นของวัสดุ (Allowable stress)

ในส่วนของตัวแปรนี้ จะขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุที่ใช้ในการขึ้นรูป และอุณหภูมิในการปฏิบัติงาน ซึ่งค่าความเค้นในตำราเล่มอื่นๆจะมีค่าที่ระดับอุณหภูมิอื่นๆด้วย แต่ในกรณีของการแปรรูปอาหารด้วยความร้อนสูง ไม่จำเป็นต้องใช้ความร้อนสูงกว่า650^oF อันเป็นค่าขั้นที่สุดที่ผมแปะไว้ ดังนั้นในส่วนนี้ท่านเพียงแต่ต้องทราบว่าใช้ เหล็กกล้าเบอร์ไหนเกรดอะไร

E; ค่าสัมประสิทธิ์รอยต่อของถังไร้ตะเข็บ (Longitudinal weld joint efficiency)

ชนิดรอยเชื่อม	ลักษณะรอยเชื่อม	คำอธิบาย
1		รอยต่อชนในลักษณะที่ได้มาด้วยการเชื่อมคู่ หรือ วิธีการอื่นที่จะให้ได้คุณภาพเหมือนกันของโลหะ เชื่อมอยู่บนพื้นผิวแนวเชื่อมด้านในและด้านนอก ถ้ามีการใช้แผ่นประกบหลังต้องนำออกไปในภายหลัง เพื่อความสมบูรณ์ของแนวเชื่อม
2		รอยต่อชนที่เชื่อมเดียวด้วยแผ่นประกบหลัง ที่ยังติดอยู่ด้านหลังแนวเชื่อมภายหลังการเชื่อม
3		รอยต่อชนที่เชื่อมโดยไม่ใช้แผ่นประกบหลัง
4		รอยต่อเกยเชื่อมฟิลเลทคู่โดยตลอด
5		รอยต่อเกยเชื่อมฟิลเลทเดี่ยวโดยตลอดที่มีการเชื่อมปลั๊ก
6		รอยต่อเชื่อมฟิลเลทเดียวโดยตลอด ไม่มีการเชื่อมปลั๊ก

เมื่อเราแยกแยะลักษณะรอยเชื่อมต่อได้แล้วนะครับ ก็ทำการเทียบลักษณะของรอยเชื่อมกับการตรวจสอบหารอยรั่วด้วยรังสี เพื่อหาค่า์สัมประสิทธิ์รอยต่อของถังไร้ตะเข็บ

ชนิดรอยเชื่อม	ภาพลักษณะรอยเชื่อม	ลักษณะการตรวจสอบรอยรั่วด้วยรังสี
		ตรวจสอบทั่วทั้งหมด	ตรวจสอบเป็นบางจุด	ไม่มีการตรวจสอบ
1		1.00	0.85	0.70
2		0.90	0.80	0.65
3				0.60
4				0.55
5				0.50
6				0.45

ส่วนค่าสัมประสิทธิ์รอยต่อของถังไร้ตะเข็บในส่วนของ head สามารถใช้ค่าดังต่อไปนี้

ชนิด head	ลักษณะรอยเชื่อม	ลักษณะการตรวจสอบรอยรั่วด้วยรังสี
		ตรวจสอบทั่วทั้งหมด	ตรวจสอบเป็นบางจุด	ไม่มีการตรวจสอบ
ครึ่งทรงกลม		1.00	0.85	0.70
		0.90	0.80	0.65
อื่นๆ	ใดๆ	1.00	1.00	0.85

ครบทุกตัวแปรแล้วนะครับ เราก็จัดการเอาตัวแปรมา Solve เล่นกันได้เลย และในบางกรณี เราก็จะมีการคำนวณเผื่อการกัดกร่อนเพิ่มเข้าไปด้วยดูต่อๆ ใกล้หมดของละ

C; ค่ากัดกร่อนที่ยอมรับได้ (Corrosion allowances)

อธิบายง่ายๆก็คือ ค่าที่มีไว้เผื่อการกัดกร่อนที่เกิดกับถังเหล็กกล้าของเรานั่นเอง โดยจะเป็นเทอมหลังที่เอาไว้บวกเพิ่มกับค่าความหนาถังที่เราคำนวณได้ในเทอมแรก ยกตัวอย่างสูตรในการคำนวณความหนาของถังทรงกระบอก เมื่อรวมกับ ค่ากัดกร่อนเข้าด้วยกัน

และอย่าลืมนะครับว่าเมื่อเราคำนวณได้ค่าความหนาของตัวถังมาได้แล้ว เวลาที่เราไปหาซื้อถังนั้น ต้องอย่าลืมว่าเหล็กสำเร็จรูปที่ขายในต้องตลาดจะมีเป็นเบอร์ๆไป ดังนั้นถ้าเราคำนวณได้เท่าไหร่ก็ตาม เวลาซื้อให้ซื้อเหล็กที่หนากว่าที่คำนวณได้้เสมอนะครับ และก็อย่าลืมว่าในบทความนี้ผมยังไม่ได้กล่าวถึงมิติความยาว-ลึกของตัวหม้อรีทอร์ทเลย ซึ่งในส่วนนี้ให้ใช้การคำนวณเอาคร่าวๆนะครับว่า ถ้ารีทอร์ทยาวเท่านี้ จะพอเพียงต่อรอบการฆ่าเชื้อหนึ่งครั้งหรือไม่ ซึ่งก็ต้องออกแบบในส่วนนี้ให้เหมาะสมกับกำลังการผลิตด้วย สุดท้ายนี้ผมก็แอบหวังว่าบทความนี้น่าจะมีประโยชน์ต่อผู้อ่านทุกท่านนะครับ ในส่วนของตัวอย่างการคำนวณ ขอยกไว้เขียนในโอกาสต่อไป เพราะถึงจะเขียนละเอียดไปก็ไม่ได้รางวัลซีไรท์!!!