ขนาดวาล์วควบคุม (Control Valve Sizing — ISA-75.01)

1. Cv และ Kv คืออะไร

Cv (flow coefficient) คือ ปริมาณน้ำ (GPM) ที่ผ่านวาล์วเปิดเต็ม 100% เมื่อ ΔP = 1 psi ที่น้ำอุณหภูมิ 60°F. นิยามจาก ISA-RP-75.05.01 ปี 1944. Kv เป็น counterpart ของ ISO/IEC — m³/h ที่ ΔP = 1 bar ที่น้ำ 5–40°C.

ทั้งสองค่าวัด ตัววาล์ว เอง — ไม่ขึ้นกับระบบที่ติดตั้ง ใช้เลือก trim size ในแคตตาล็อก. Cv และ Kv แปลงกันได้ด้วยสูตร:

ตัวอย่างจากผลคำนวณ: Cv = 56.94 (US) ≡ Kv = 49.26 (SI).

2. ISA-75.01.01 Eq 1 — สูตรหลัก

การคำนวณ Cv ที่ต้องการ ใน ISA-75.01.01-2012 (US-unit-native):

• Q — flow rate (GPM)
• N₁ — unit constant = 1.00 (US), 0.0865 (SI Kv with kPa)
• Fp — piping-geometry factor (1.0 ถ้าวาล์ว = ท่อ)
• ΔP — pressure drop, capped at ΔP_choked
• G_f = ρ_liq / ρ_water,60°F(specific gravity at flowing T)

IEC 60534-2-1 ใช้สูตรเดียวกัน แต่ N₁ ต่าง (0.0865 สำหรับ Kv/m³/h/kPa). ทุก parameter เหมือนกัน — แค่ unit system ต่างกัน.

3. FL — Liquid pressure-recovery factor

FL วัดความสามารถของ trim ในการกู้คืน pressure หลัง vena contracta. ไม่ใช่ทุกวาล์วเท่ากัน:

• Globe (high-recovery) — FL ≈ 0.90 (Fisher CVH); หาย flow มาก, choke ช้า
• V-port ball — FL ≈ 0.65
• Segmented ball — FL ≈ 0.60
• Butterfly (60° max) — FL ≈ 0.55 (low-recovery); choke เร็วที่สุด

F_L ป้อนกำลังสองใน Eq 4: F_L = 0.55 → ΔP_choked ลด 70% เทียบกับ F_L = 0.90 — เลือก trim ผิดอาจทำให้ valve ไม่สามารถส่ง Q ที่ต้องการได้.

วาล์วที่เลือก (วาล์วโกลบ — เคจแบบเปอร์เซ็นต์เท่ากัน (Globe, equal-%)): FL = 0.9

4. Choked flow — ISA Eq 4

เมื่อ ΔP สูงพอที่จะลด pressure ใน vena contracta ลงต่ำกว่า pv ของของไหล, จะเกิด vapor pocket → flow เพิ่มไม่ได้แม้ ΔP เพิ่ม. ขีดจำกัดนี้คือ choked flow:

FF (liquid critical pressure-ratio factor) คำนวณว่า vena-contracta pressure อยู่ห่างจาก pv แค่ไหน. สำหรับ subcritical liquid (pv ห่างจาก pc มาก) FF ≈ 0.96.

จากผลคำนวณ: F_F = 0.9581, ΔP_choked = 76.6 psi.

5. Cavitation — σ index (4 regimes)

σ = (p₁ − pv) / (p₁ − p₂) วัด margin จาก vapor pressure. ตาม ISA-RP-75.23:

• σ ≥ σ_i (≈ 1.8 × σ_mr) — Incipient: ไม่มี cavitation
• σ_c ≤ σ < σ_i — Constant cavitation: ได้ยินเสียง แต่ไม่เสียหาย
• σ_mr ≤ σ < σ_c — Mild damage: seat erosion ระยะยาว
• σ < σ_mr — Severe damage: ต้องใช้ anti-cavitation trim
• p₂ ≤ pv — Flashing: downstream เป็น 2-phase, ผิวท่อปลายน้ำสึก (ปัญหาคนละชนิด)

จากผลคำนวณ: σ = 4.73 vs σ_mr = 2.00 — ผ่าน.

6. Flashing vs Cavitation — ปัญหาคนละชนิด

Cavitation: bubbles เกิดที่ vena contracta แล้ว collapse กลับเป็นน้ำ ที่ downstream — damage ที่ trim (seat, cage). ใช้ anti-cavitation trim (Fisher Cavitrol, Emerson Whisper) แก้.

Flashing: p₂ ≤ pv → bubbles ไม่ collapse แต่อยู่เป็น vapor ตลอด. Damage ที่ piping downstream (erosion + impingement). ใช้ flashing trim (hardened seat) + chrome-carbide lined pipe downstream.

7. Valve authority N — ทำไม 0.1 ใช้ไม่ได้

N = ΔP_valve / ΔP_total วัดสัดส่วน pressure drop ที่ "เป็นของ valve" ในระบบ.

• N ≥ 0.5 — Excellent: installed-char ≈ inherent, linear trim ใช้งานได้
• 0.25 ≤ N < 0.5 — Acceptable: installed-char ผิดเพี้ยน, equal-% compensate ให้ linear-like
• N < 0.25 — Poor: installed-char แบนมาก, 0–10% เปิดใช้ flow ทั้งหมด, ส่วนที่เหลือไม่มีผล

เหตุผลที่ equal-% เป็น default ใน HVAC: chiller bypass + coil control loops มี N ≈ 0.1–0.3, equal-% pre-distort ตัวเองให้ installed-char เป็น linear-like → flow change สม่ำเสมอ เทียบกับ stem position.

จากผลคำนวณ: N = 0.26 (acceptable)

8. Inherent vs Installed characteristic

Inherent = Cv vs %open เมื่อ ΔP คงที่ — คุณสมบัติของ trim เอง. มี 4 ชนิดมาตรฐาน: linear, equal-%, quick-opening, modified-equal-%.

Installed = Q vs %open ในระบบจริง (ΔP เปลี่ยนตาม Q ตาม Bernoulli):

กราฟคุณลักษณะการไหลในคอลัมน์ผลลัพธ์ เปรียบเทียบ inherent (เส้นทึบ) กับ installed (เส้นประ) — ที่ N ต่ำ, installed จะแบนกว่า inherent มาก.

9. ISA-75 vs IEC 60534 — แปลงกันอย่างไร

ISA-75.01.01 (US) และ IEC 60534-2-1 (international) ใช้ physics เดียวกัน — ต่างแค่ unit constants:

10. เมื่อไหร่ใช้เครื่องมือคำนวณนี้ vs ถาม vendor

เครื่องมือคำนวณนี้ทำ preliminary sizing — ดีเพื่อ:

• เปรียบเทียบ trim ต่างชนิดในขั้นออกแบบ early
• ตรวจสอบ choke / cavitation / authority ก่อนเรียก vendor
• ทำความเข้าใจ ทฤษฎี ISA-75.01 / IEC 60534-2-1

แต่ final selection ต้องผ่าน vendor sizing software (Fisher FirstVue, Samson TROVIS, Emerson Sentinel, Masoneilan ValSpeQ) เพราะ:

• F_L, σ_mr, F_d จริงของแต่ละ trim ขนาด/material — ค่าใน preset นี้เป็น typical เท่านั้น
• Multi-stage anti-cavitation trim ไม่ได้ใช้ Eq 1 เดี่ยว — vendor มี proprietary correlation
• IEC 60534-8-4 noise calculation full method (ต่างจาก Baumann ที่ใช้ในเครื่องมือคำนวณนี้ ±5-10 dB)