อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger) นั้น  เรารู้จักกันดีว่าเป็นอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสารที่อุณหภูมิสูงกับสารที่มีอุณหภูมิต่ำ  ในงานอุตสาหกรรมอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้มีหลายขนาด   เมื่อเลือกใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่ราคาก็สูงตามไปด้วย แต่นั้นก็ไม่ได้หมายความว่าอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่และมีราคาสูงจะเหมาะสมกับงานของเรา   ทำให้การตัดสินใจในการเลือกใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนให้เหมาะสมกับงานจึงมีความสำคัญอย่างมาก   สำหรับผู้บริหารในส่วนของการจัดซื้อที่อาจจะไม่ใช่วิศวกร ที่จำเป็นต้องตัดสินใจในการจ่ายงบประมาณเพื่อจัดซื้ออุปกรณ์ดังกล่าว จึงควรที่จะรู้จักรูปร่างลักษณะ  ข้อดีข้อเสีย  ตลอดจนหลักการทำงานเบื้องต้นของอุปกรณ์แลกเลี่ยนความร้อน  เพื่อประกอบการพิจารณาตัดสินใจ  เนื่องจากงบประมาณที่จ่ายในการจัดซื้ออุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละตัวนั้นค่อนข้างสูง หากจัดซื้อมาแล้วไม่คุ้มค่ากับการลงทุนก็จะเป็นการเพิ่มต้นทุนการผลิต ดังนั้นในบทความนี้จะกล่าวถึงหลักการเบื้องต้นและข้อเสนอแนะง่ายๆ  สำหรับการเลือกใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น(Plate-and-Frame Heat Exchanger) ที่ใช้อยู่ในงานอุตสหกรรมหลากหลายประเภท   เรามาดูกันว่ามีหลักการอย่างไรบ้างในการเลือกใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนดังกล่าว

โครงสร้างและส่วนประกอบของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น

อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นหรือแบบPlate and Frame นี้  เป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่สร้างขึ้นจากการนำโลหะแผ่นขึ้นรูปหลายแผ่นมาประกอบกัน โดยโลหะแผ่นแต่ละแผ่นมีการขึ้นรูปให้เกิดร่องแบบต่างๆ กันไป  ตามแต่การใช้งาน ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 โครงสร้างของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (รูปจาก www.utilities.cornell.edu)

ส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแผ่น ประกอบด้วย

1. ราวบังคับหรือแกนบังคับ (Carrying bar) มีหน้าในการทำให้แผ่นประกับเรียงตรงกันอย่างเป็นระเบียบ
2. แผ่นประกับ (Pressure plate) มีหน้าที่บีบให้แผ่นโลหะแลกเปลี่ยนความร้อนให้แนบชิดกัน  เพื่อไม่ให้เกิดการรั่วไหลระหว่างสารที่มีอุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำ
3. สลักเกลียวสำหรับขันแน่น (Tightening bolt)  ทำหน้าที่ขันอัดให้แผ่นประกับกับแผ่นโลหะแลกเปลี่ยนความร้อน
4. แผ่นโครงท้าย (Fixed frame) ทำหน้าที่รองรับแผ่นโลหะแลกเปลี่ยนความร้อนกับแผ่นประกับหน้า   โดยมีช่องให้สลักเกลียวขันอัดได้  
5. แผ่นโลหะแลกเปลี่ยนความร้อน (Channel plate) เป็นแผ่นโลหะที่ให้สารทำงานอุณหภูมิสูงและสารทำงานที่อุณหภูมิต่ำไหลผ่าน
6. แผ่นรองประกับหัวท้าย (End plate) เป็นแผ่นรองประกับหัวท้ายระหว่าง Pressure plate กับ Fixed frame

รูปที่ 2 ส่วนประกอบต่างๆ ของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (รูปจาก www .geoheat.oit.edu)

การไหลของสารทำงานภายในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น

การไหลของของไหลที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นนี้ เกิดจากการไหลภายในช่องเล็กๆ ภายช่องว่างระหว่างแผ่นโลหะแลกเปลี่ยนความร้อน  สลับระหว่างของไหลร้อนกับของไหลเย็น  กล่าวคือของไหลร้อนที่ไหลอยู่ระหว่างแผ่นโลหะแลกเปลี่ยนความร้อนสองแผ่น  จะมีของไหลเย็นไหลประกบอยู่ทั้งสองด้าน และก็มีลักษณะเช่นเดียวกันสำหรับของไหลเย็น การกระจายตัวของทั้งของไหลเย็นและของไหลร้อนให้เกิดการไหลสลับกันไป   ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 ลักษณะการไหลของของไหลภายในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (รูปจาก www.coolingzone.com)

1.แนวโน้มการเกิดเฟาลิ่ง(Fouling) ต่ำ  เนื่องจากอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นนี้มีช่องว่างที่ใหญ่หรือกว้างพอที่จะให้เศษสิ่งเจือปนในของ ไหลที่มีเส้นผ่านสูนย์กลางประมาณไม่เกิน 2 มม.ไหลผ่านได้สะดวก  ดังแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 ช่องว่างของครีบบนแผ่นเพลตโลหะแลกเปลี่ยนความร้อน (รูปจาก www.apv.com)

ขออธิบายเกี่ยวกับการเกิดเฟาลิ่ง  สำหรับช่างเทคนิคหรือผู้สนใจและไม่คุ้นเคยกับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนร้อน การเกิดเฟาลิ่ง คือ  การเกิดคราบสกปรกในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนอันเนื่องมาจากการตกตะกอนของเกลื่อแร่ในของไหลหรือน้ำ การตกตะกอนของสิ่งปนเปื้อนในสารละลาย ตะกรันและสนิมต่างๆ ที่เกิดขึ้นภายในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน เมื่อเกิดสิ่งสกปรกไปสะสมที่ผิวของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนมาก   ทำให้ประสิทธิภาพการภ่ายเทความร้อนลดลง  เนื่องมาจากเกิดความต้านทานในการถ่ายเทความร้อน เราเรียกว่า  การเกิดเฟาลิ่ง

2.การทำความสะอาดกระทำได้ง่ายกว่าอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนชนิดอื่นๆ เนื่องจากสามารถถอดประกอบแผ่นโลหะแลกเปลี่ยนความร้อนได้ง่ายและสามารถทำความสะอาดได้ตลอดทั้งแผ่น ซึ่งไม่ยุ่งยากเหมือนกับการใช้สารเคมีทำความสะอาด ดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 การทำความสะอาดแผ่นเพลตโลหะแลกเปลี่ยนความร้อน (รูปจาก www.mckeeprocess.com)

3.สามารถใช้งานกับของไหลหรือสารทำงานที่มีความหนืดสูงได้ดี  เนื่องจากสามารถกระจายการไหลของของไหลที่มีความหนืดสูงได้ดีกว่าอุปกรณ์ แลกเปลี่ยนความร้อนชนิดอื่นๆทำให้อัตราการการถ่ายโอนความร้อนสูงขึ้นและเมื่อเกิดคราบจากของไหลความหนืดสูงที่อาจเกิดจากการระเหยของของไหลที่ได้รับอุณหภูมิสูง ทำให้เกิดคราบเกาะติดกับแผ่นเพลตก็สามารถทำความสะอาดได้ง่ายกว่าอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนชนิดอื่นๆ ดังกล่าวแล้วข้างต้น  ดังแสดงในรูปที่ 6

 รูปที่ 6 แสดงการกระจายการไหลของของไหลภายในแผ่นเพลตโลหะแลกเปลี่ยนความร้อน (รูปจาก www.gc3.com/techdb)

4. สามารถเพิ่มลดขนาดการถ่ายโอนความร้อนได้ เนื่องจากอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นนี้สามารถถอดแผ่นเพลตโลหะแลกเปลี่ยนความร้อนได้จึงสามารถเพิ่มลดขนาดของตัวเองได้ด้วย ซึ่งจะไม่ยุ่งยากในการถอดประกอบเหมือนแบบอื่นๆ  แต่ควรระวังเกี่ยวกับประเก็นที่อยู่ระหว่างแผ่นเพลตด้วย เมื่อต้องทำการถอดประกอบทุกๆ กรณี โดยต้องศึกษาคู่มือการใช้งานและการซ่อมอย่างละเอียดและหากต้องเพิ่มลดขนาดหรือถอดประกอบควรปรึกษาผู้เชี่ยวชาญเพื่อป้องกันอุบัติเหตุและความเสียหายที่จะเกิดกับกระบวนการผลิต  และพนักงานที่ทำงานเกี่ยวกับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน  ดังแสดงในรูปที่ 7

รูปที่ 7 ลักษณะการถอดประกอบแผ่นเพลตโลหะแลกเปลี่ยนความร้อน (รูปจาก www.kaori-taiwan.com)

จากที่กล่าวถึงข้อดีทั้ง 4 ข้อ  เป็นลักษณะเด่นของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น  จากนั้นเราลองมาดูว่าเมื่อต้องเลือกใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้   เราจะมีวิธีการเลือกใช้อย่างไรให้เหมาะสมกับงาน

การเลือกใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น

ส่วนประกอบต่างๆ จากที่กล่าวข้างต้นนั้น  เรามักได้ข้อมูลจากบริษัทหรือตัวแทนจำหน่ายอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น  นอกจากนี้แล้วยังสามารถให้รายละเอียดข้อดีของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน  ที่เสนอขายให้กับบริษัทและโรงงานต่างๆ  แต่สิ่งที่เราต้องคำนึงถึงเมื่อต้องเลือกใช้  คือ

1.ก่อนที่จะตัดสินใจเลือกต้องถามตัวเองและทีมงานวิศวกรก่อน  จะใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นนี้กับงานอะไรเป็นงานประเภทไหน ต้องการปริมาณความร้อนมากน้อยเพียงใด  อุณหภูมิด้านร้อนเท่าไร  อุณหภูมิด้านเย็นเท่าไร  จึงจะสามารถตอบได้เป็นเบื้องต้นว่าต้องใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนขนาดเท่าไร   เนื่องจากหากใช้อุปกรณ์ขนาดเล็กไปงานที่ได้ออกมาก็ไม่ดีเท่าที่ควรหรืออาจจะใช้ไม่ได้เลยกับงานของเรา   และหากใช้ขนาดที่ใหญ่เกินขอบเขตของงาน   จะทำให้สิ้นเปลืองงบประมาณในการจัดซื้อ สิ้นเปลืองงบประมาณเกี่ยวกับพลังงาน  นอกจากนั้นยังต้องพิจารณาต่อไปอีกว่าข้อมูลพื้นฐานต่างๆ ที่ได้รับจากบริษัทที่มานำเสนออุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนให้กับบริษัทเรานั้นมีความสอดคล้องกับสิ่งที่เราต้องการหรือไม่ ส่วนใหญ่ข้อมูลที่ได้จากบริษัทตัวแทนจำหน่ายจะกล่าวในลายอะเอียดที่สอดคล้องกับการทำงานของเราไม่มากนัก

2.สารหรือของไหลที่ใช้งานในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน   คือสารชนิดใด ลักษณะทางกายภาพของสารทำงาน เช่น ความหนืดของสารทำงาน ความถ่วงจำเพาะเท่าใด เป็นต้น  ซึ่งมีความสำคัญมากเนื่องจากต้องรู้เกี่ยวกับแหล่งผลิตหรือบริษัทผู้จำหน่ายสารชนิดนั้นๆ เพื่อให้ง่ายในการติดต่อในการจัดซื้อสารทำงานในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนในอนาคต

3.มีอัตราการไหลสูงสุดเท่าใด  เนื่องจากอัตราการไหลเป็นตัวแปรหรือพารามิเตอร์ที่สำคัญที่วิศวกรหรือผู้เลือกใช้ต้องให้ความสำคัญเนื่องจากมีผลในการถ่ายโอนความร้อนในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน

4.อุณหภูมิทางเข้า อุณหภูมิทางออกที่สามารถทำได้  ทั้งนี้เนื่องจากในการใช้งานอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนในโรงงานอุตสาหกรรมในแต่ละประเภทนั้นมีความแตกต่างกัน อุณหภูมิใช้งานที่ต้องได้รับจากการแลกเปลี่ยนความร้อนก็ต่างกัน

5.ความดันตกคร่อมที่เกิดขึ้นภายในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน  เพราะหากความดันตกคร่อมที่เกิดขึ้นสูงมากไป สิ่งที่จะตามมาก็คือ ค่าใช้จ่ายเกี่ยวกับอุปกรณ์ต้นกำลังหรือปั้ม  เนื่องจากต้องทำให้เกิดอัตราการไหลที่สูงเพื่อเพิ่มอัตราการถ่ายโอนความร้อนให้กับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน

6.ตรวจสอบข้อมูลของสารหรือของไหลที่ใช้ในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน   ว่าสามารถใช้กับอุตสาหกรรมของคุณหรือไม่ ตลอดจนถึงการกัดกร่อนที่จะเกิดขึ้นในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน  เมื่อเกิดการรั่วไหลของสารเคมีก็จะส่งผลเสียต่อกระบวนการผลิต โดยเฉพาะอุตสาหกรรมอาหารควรเลือกใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่ทนต่อการกัดกร่อนได้สูง ชิ้นส่วนภายในของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนหากสามารถเลือกใช้ได้ควรเป็น Stainless Still

7.ตรวจสอบอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนกรองและวาล์วลดความดันในระหว่างการเริ่มใช้งาน เนื่องจากเราไม่สามารถตรวจสอบได้ว่ากรรมวิธีการผลิตอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนนั้นเป็นอย่างไร ถึงแม้ว่าเราจะมั่นใจว่าสารทำงานที่ใช้ทั้งด้านร้อนและเย็นมีความสะอาดมากพอก็ตาม เพราะอาจจะมีเศษโลหะเล็กๆที่เกิดจากการเชื่อมหรือเศษผงฝุ่นต่างๆ  ที่เกิดจากการขนส่งอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน เพราะว่าหากเศษเล็กๆ เหล่านี้  ไปอุดตันในทางเดินของน้ำทั้งด้านร้อนและด้านเย็นด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้านก็จะทำให้ต้นทุนในบำรุงรักษามากขึ้น กล่าวคือเมื่อเศษผงเล็กๆ เ ข้าไปอุดตันในระบบของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน  จะทำให้ความดันตกคร่อมในระบบเพิ่มขึ้นรวมถึงทำให้ประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนลดลง

8.สอบถามขนาดของเศษสิ่งเจือปนในของไหลหรือสารทำงาน  สามารถผ่านช่องว่างในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนได้ เนื่องจาก ข้อมูลดังกล่าวจำเป็นมากในการตัดสินใจเลือกใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน โดยเฉพาะในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น เนื่องจากต้องใช้แผ่นโลหะหลายแผ่นเรียงซ้อนกันและให้สารทำงานผ่าน การวางเรียงซ้อนกันของแต่ละแผ่นมีช่องว่างให้สารทำงานผ่าน เมื่อแต่ละแผ่นมีช่องว่าง เศษผงตลอดจนสิ่งสกปรกในสารทำงานหรือน้ำที่ไหลผ่านอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ก็จะไปอุดตันตามช่องว่างของแผ่นโลหะ เมื่อไม่สามารถหลีกเลี่ยงสิ่งสกปรกได้ในเวลาใช้งาน ในการออกแบบอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนจึงออกแบบให้เศษผงเหล่านั้นผ่านช่องว่างในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนได้  จึงมีความสมควรอย่างยิ่งในการสอบถามถึงขนาดของฝุ่นผงที่สามารถผ่านช่องว่างของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนทั้งนี้เพื่อป้องกันการเสียหายและต้นทุนในการบำรุงรักษาในอนาคต

9. ความสามารถในการเพิ่ม-ลดขนาดของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น  กล่าวคือต้องสามารถเพิ่มลดแผ่นเพลตโลหะแลกเปลี่ยนความร้อนได้ทั้งนี้เนื่องจากในอนาคตในกระบวนการผลิตอาจจะต้องการอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่มีขนาดเล็กลง  หรืออาจจะต้องการอุปกรณ์แลกเปลี่ยนที่มีขนาดใหญ่ขึ้น

สรุป

การเลือกใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นทั้งหมดที่กล่าวแล้วข้างต้นเป็นข้อเสนอแนะ  และเป็นหลักการเบื้องต้นประกอบในการตัดสินในการจัดซื้อ   ทั้งนี้หากท่านต้องการรายละเอียดเชิงวิศกรรม  ต้องอาศัยความรู้ความชำนาญและประสบการณ์ของทีมวิศวกรและที่ปรึกษาของบริษัทหรือโรงงานอุตสหากรรมของท่าน  ประกอบในการตัดสินใจ อันจะทำให้ท่านได้รับข้อมูลที่ละเอียดและสามารถตัดสินใจได้อย่างไม่ผิดพลาด  จะได้นำเสนอวิธีการเลือกใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบอื่นๆ  เพื่อเป็นแนวทางในการเลือกใช้ในโอกาสต่อไป