รู้ลึกเรื่องคุณลักษณะที่ต้องมีในการออกแบบ Heat exchanger (เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน)

หลายท่านอาจได้มีโอกาสได้อ่านบทความเรื่อง Heat exchanger (เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน) คืออะไร ทำหน้าที่อะไร แบ่งออกเป็นกี่ประเภทไปแล้ว ซึ่งในบทความนี้จะมาพูดถึงเรื่องคุณลักษณะที่ควรมีในการออกแบบ Heat exchanger (เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน) ว่ามีอะไรบ้าง

Heat Exchanger (เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน) คืออะไร

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน หรือในชื่อภาษาอังกฤษ Heat Exchangers เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับการถ่ายเทความร้อนจากของไหลชนิดหนึ่งไปยังของไหลอีกชนิดหนึ่ง โดยมีหน้าที่เพิ่มลดอุณหภูมิที่ใช้หมุนเวียนความร้อนจากของไหลให้กลับมาใช้งานใหม่ได้

คุณลักษณะที่จำเป็นต่อการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

การกำหนดค่าการไหล

การกำหนดค่าการไหล หรือ การจัดการไหลของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งก็คือการกำหนดทิศทางการเคลื่อนที่ของของไหลภายในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน โดยมีความสัมพันธ์กับการกำหนดค่าการไหล 4 แบบที่ทำงานในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ได้แก่

1.การไหลแบบกระแสร่วม
2.การไหลแบบกระแสทวน
3.การไหลแบบสวนทาง
4.การไหลแบบผสม

การไหลแบบกระแสร่วม
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบการไหลกระแสร่วมหรือที่เรียกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลขนานเป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งจะทำการแลกเปลี่ยนความร้อน โดยของเหลวจะเคลื่อนที่ขนานไปในทิศทางเดียวกัน แม้ว่าการกำหนดค่านี้โดยทั่วไปจะส่งผลให้ประสิทธิภาพต่ำกว่าการไหลแบบกระแสทวน แต่ก็ยังช่วยให้ความร้อนอย่างสม่ำเสมอมากที่สุด ทั่วทั้งผนังของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน

การไหลแบบกระแสทวน
ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนกระแสทวนหรือที่เรียกว่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลย้อนกลับได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ของเหลวเคลื่อนที่แบบไม่ขนานกัน หรือก็คือ ขนานกันแต่ไปในทิศทางตรงกันข้ามของกันและกันภายในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน การกำหนดค่าการไหลที่ใช้บ่อยที่สุด โดยทั่วไปแล้วจะใช้การจัดเรียงการไหลแบบทวนจะมีประสิทธิภาพสูงสุด ซึ่งช่วยให้สามารถถ่ายเทความร้อนระหว่างของเหลวในปริมาณที่มากที่สุดได้ และส่งผลให้อุณหภูมิเกิดเปลี่ยนแปลงมากที่สุด

การไหลแบบสวนทาง
ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนการไหลแบบสวนทาง ของเหลวจะไหลในแนวตั้งฉากซึ่งกันและกัน ประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้การกำหนดค่าการไหลนี้อยู่ระหว่างตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกระแสทวนและกระแสร่วม

การไหลแบบผสม
ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลผสมเป็นการร่วมกันของการไหลที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้รวมกัน เช่น การออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สามารถมีการไหลผ่านได้หลายแบบ (เช่น ทั้งการจัดเรียงการไหลแบบผสมและการไหลแบบทวนกระแส ภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องเดียว โดยทั่วไปแล้วตัวแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทนี้จะใช้เพื่อรองรับข้อจำกัดของการใช้งาน เช่น พื้นที่ ต้นทุนงบประมาณ หรือข้อกำหนดด้านอุณหภูมิและแรงดัน

วิธีการสร้าง

ในขณะที่ในส่วนก่อนหน้านี้ ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนถูกจัดประเภทตามประเภทของการกำหนดค่าการไหลที่ใช้ ส่วนในหัวข้อนี้จะจัดหมวดหมู่ตามการสร้าง ลักษณะการสร้างของอุปกรณ์เหล่านี้สามารถจำแนกได้ ดังนี้

กู้คืน vs. หมุนเวียน
ทางตรง vs.ทางอ้อม
คงที่เทียบ vs.เคลื่อนตัว
ประเภทของส่วนประกอบและวัสดุที่ใช้

กู้คืน vs. หมุนเวียน
ความแตกต่างระหว่างระบบแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกู้คืนและระบบแลกเปลี่ยนความร้อนแบบหมุนเวียนคือในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกู้คืนของเหลวแต่ละชนิดจะไหลพร้อมกันผ่านช่องทางของตัวเองภายในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ในทางกลับกัน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบหมุนเวียน จะยอมให้ของเหลวที่อุ่นกว่าและเย็นกว่าไหลผ่านช่องทางเดียวกันได้ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกู้คืนมักถูกใช้เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอุตสาหกรรม

ทางตรง vs.ทางอ้อม
ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบางตรง ของเหลวจะไม่ถูกแยกออกภายในอุปกรณ์และการถ่ายเทความร้อนจากของเหลวหนึ่งไปยังอีกเครื่องหนึ่งผ่านทางตรง ในทางกลับกัน ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทางอ้อม ของเหลวยังคงแยกออกจากกันโดยส่วนประกอบที่นำความร้อน เช่น ท่อหรือเพลต ตลอดกระบวนการถ่ายเทความร้อน

คงที่ vs.เคลื่อนตัว
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบหมุนเวียนมีสองประเภทหลัก ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคงที่และตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเคลื่อนตัว วัสดุและส่วนประกอบแลกเปลี่ยนความร้อนจะยังคงอยู่กับที่เมื่อของเหลวไหลผ่านอุปกรณ์ ในขณะที่เครื่องกำเนิดใหม่แบบเคลื่อนตัว วัสดุและส่วนประกอบจะเคลื่อนที่ตลอดกระบวนการถ่ายเทความร้อน ทั้งสองประเภทมีความเสี่ยงที่จะเกิดการปนเปื้อนข้ามระหว่างกระแสของไหล ซึ่งจำเป็นต้องมีการพิจารณาการออกแบบอย่างรอบคอบในระหว่างการผลิต

ประเภทของส่วนประกอบและวัสดุที่ใช้
ส่วนประกอบทั่วไปบางส่วนที่ใช้ในการสร้างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ได้แก่ เปลือก ท่อ ท่อเกลียว (คอยล์) แผ่น ครีบ และล้ออะเดียแบติก แม้ว่าโลหะจะมีความเหมาะสมสูงและใช้กันทั่วไปแต่สำหรับการสร้างตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเนื่องจากมีการนำความร้อนสูง

กลไกการถ่ายเทความร้อน

กลไกการถ่ายเทความร้อนมีสองประเภทที่ใช้โดยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน การถ่ายเทความร้อนแบบช่วงเดียวหรือสองช่วง

ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบช่วงเดียว ของเหลวจะไม่ได้รับการเปลี่ยนแปลงช่วงใดๆ ตลอดกระบวนการถ่ายเทความร้อนซึ่งหมายความว่าทั้งของเหลวที่อุ่นและเย็นกว่าจะยังคงอยู่ในสถานะเดียวกันกับที่เข้าสู่ตัวแลกเปลี่ยนความร้อน

ในทางกลับกัน ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบสองเฟส ของไหลจะมีการเปลี่ยนแปลงเฟสระหว่างกระบวนการถ่ายเทความร้อน การเปลี่ยนแปลงเฟสสามารถเกิดขึ้นได้ในของเหลวอย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่างที่เกี่ยวข้องซึ่งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากของเหลวเป็นก๊าซหรือก๊าซเป็นของเหลว