เนื้อหาวันที่ : 2007-09-21 09:56:48 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 8691 views

หลักการในการเลือกใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น

อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน นั้น เรารู้จักกันดีว่าเป็นอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสารที่อุณหภูมิสูงกับสารที่มีอุณหภูมิต่ำ ในงานอุตสาหกรรมอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้มีหลายขนาด เมื่อเลือกใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่ราคาก็สูงตามไปด้วย

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)

 .
ข้อดีของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น
การที่จะเลือกใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น นอกจากเราจะต้องรู้จักส่วนประกอบและการทำงานแล้ว เรายังต้องรู้เกี่ยวกับข้อได้เปรียบหรือข้อดีของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนชนิดนี้ด้วย

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

 .
เอกสารอ้างอิง
  • พงษ์ธร  จรัญญากรณ์. 2542. อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนสำหรับงานอุตสหกรรม. สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี (ไทย-ญี่ปุ่น)               
  • Sadik Kakac & Hongtan Liu. 1998. Heat exchangers Selection, Rating and Thermal  design, CRC Press
  • http://www.process-cooling.com                   

     

  • สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
    Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

    ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด