เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนคืออะไร หลักการทํางาน ประเภทและการคํานวณ

กเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นอุปกรณ์ทางวิศวกรรมเฉพาะทางที่ออกแบบมาเพื่อถ่ายโอนพลังงานความร้อน (ความร้อน) จากของเหลวหนึ่งไปยังอีกของเหลวหนึ่งโดยที่ของเหลวทั้งสองไม่ผสมกันทางกายภาพ สิ่งเหล่านี้เป็นหัวใจสำคัญของการจัดการความร้อนในเกือบทุกภาคอุตสาหกรรม โดยจัดการทุกอย่างตั้งแต่การทำความเย็นน้ำมันเครื่องไปจนถึงการควบคุมอุณหภูมิที่สูงที่สุดในเครื่องปฏิกรณ์เคมีและโรงไฟฟ้า

ในระดับพื้นฐานที่สุด ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนจะทำงานบนกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์: ความร้อนตามธรรมชาติจะไหลจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ

ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนทั่วไป ของไหลร้อนและของไหลเย็นจะไหลผ่านช่องทางที่อยู่ติดกันแต่แยกออกจากกัน (มักเป็นท่อหรือแผ่นโลหะ) ผนังโลหะที่แยกพวกมันออกทำหน้าที่เป็นตัวกั้นที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูง พลังงานความร้อนจากของไหลร้อนจะนำผ่านแผงกั้นโลหะและถูกดูดซับโดยของไหลเย็น ซึ่งจะทำให้กระแสแรกเย็นลงและให้ความร้อนในกระแสที่สอง

เพื่อให้ปรับขนาดตัวแลกเปลี่ยนความร้อนได้อย่างถูกต้อง วิศวกรจะต้องคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับกระบวนการ สิ่งนี้อยู่ภายใต้สมการการถ่ายเทความร้อนสากล:

เนื่องจากอุณหภูมิของของเหลวทั้งสองเปลี่ยนแปลงขณะเคลื่อนที่ผ่านอุปกรณ์ ความแตกต่างของอุณหภูมิจึงไม่คงที่ ที่ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิเฉลี่ยลอการิทึม (LMTD)คำนวณแรงผลักดันอุณหภูมิเฉลี่ยที่มีประสิทธิผลตลอดความยาวของตัวแลกเปลี่ยน:

ทิศทางที่ของไหลเคลื่อนที่สัมพันธ์กันส่งผลกระทบอย่างมากต่อ LMTD และประสิทธิภาพโดยรวม

• การไหลแบบขนาน:ของเหลวทั้งสองเข้ามาจากปลายเดียวกันและเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน ของเหลวเย็นไม่สามารถเข้าถึงอุณหภูมิที่สูงกว่าอุณหภูมิทางออกของของเหลวร้อนได้

• กระแสสวนทาง:ของไหลเข้ามาจากปลายด้านตรงข้าม สิ่งนี้จะรักษาการไล่ระดับอุณหภูมิที่สม่ำเสมอมากขึ้นทั่วทั้งหน่วย ช่วยให้อุณหภูมิทางออกของของไหลเย็นสูงกว่าอุณหภูมิทางออกของของไหลร้อน นี่คือการจัดการที่มีประสิทธิภาพที่สุด

ใช้เครื่องมือด้านล่างเพื่อแสดงภาพความแตกต่างระหว่าง Counter-Flow และ Parallel-Flow ด้วยการปรับอุณหภูมิของเหลว คุณจะสามารถดูได้ว่าการจัดเรียงการไหลเปลี่ยนแปลงการไล่ระดับอุณหภูมิและ LMTD ที่เกิดขึ้นอย่างไร

กระบวนการทางอุตสาหกรรมที่แตกต่างกันต้องใช้รูปทรงที่แตกต่างกันเพื่อรองรับตัวแปรต่างๆ เช่น ความดัน ความหนืด และการเปรอะเปื้อน (การสะสมของเศษซาก)

ถาม: "คราบสกปรก" ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนคืออะไร

ตอบ: การเปรอะเปื้อนคือการสะสมของวัสดุที่ไม่ต้องการ (ตะกรัน สาหร่าย สารเคมี) บนพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน ทำหน้าที่เป็นฉนวน ทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน (U) ลดลง และบังคับให้ระบบทำงานหนักขึ้น วิศวกรกระบวนการต้องกำหนดเวลาการแปรงแบบ CIP (Clean-in-Place) หรือการแปรงท่อเชิงกลเป็นประจำเพื่อลดปัญหานี้

ถาม: เหตุใดท่อในตัวแลกเปลี่ยนแบบเปลือกและท่อจึงมี "ครีบ"

ตอบ: มีการเพิ่มครีบที่ด้านนอกของท่อเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิว (A) โดยไม่ตั้งใจ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการถ่ายโอนความร้อนระหว่างของเหลวและก๊าซ เนื่องจากก๊าซโดยธรรมชาติมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่าของเหลวมาก

ถาม: วัสดุอะไรที่ใช้สร้างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน?

ตอบ: ขึ้นอยู่กับของเหลวในกระบวนการทั้งหมด การใช้งานระบายความร้อนด้วยน้ำทั่วไปจะใช้ทองแดงหรือเหล็กกล้าคาร์บอน การแปรรูปทางเคมีที่รุนแรงหรือการใช้งานทางเภสัชกรรมที่มีความบริสุทธิ์สูงจำเป็นต้องใช้เหล็กกล้าไร้สนิม 316L ไทเทเนียม หรือโลหะผสมพิเศษ เช่น Hastelloy เพื่อป้องกันการกัดกร่อนและรักษามาตรฐานด้านสุขอนามัย