ประเภทของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ข้อดี การใช้งานและการออกแบบ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทางอุตสาหกรรมแบ่งประเภทตามการออกแบบโครงสร้าง การกำหนดค่าการไหล และกลไกการถ่ายเทความร้อน การเลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เหมาะสมที่สุดจำเป็นต้องมีความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ ขีดจำกัดแรงดันตก ความเข้ากันได้ทางเคมี และวงจรการบำรุงรักษา ประเภทอุตสาหกรรมหลักสี่ประเภท ได้แก่ ระบบเชลล์และท่อ แผ่นและเฟรม ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศ และระบบท่อคู่

ประสิทธิภาพเชิงความร้อนและความน่าเชื่อถือเชิงกลขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าทางเรขาคณิตของพื้นผิวการถ่ายเทความร้อนโดยตรง

โครงสร้างเปลือกและท่อเป็นการออกแบบที่แข็งแกร่งและใช้งานกันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมหนักที่มีแรงดันสูง ประกอบด้วยเปลือกทรงกระบอกด้านนอกที่ห่อหุ้มท่อภายในที่มีระยะห่างอย่างแม่นยำ

• รูปแบบการออกแบบ: มีให้เลือกทั้งแบบแผ่นท่อคงที่ ท่อ U และแบบหัวลอยเพื่อรองรับการขยายตัวเนื่องจากความร้อน

• การเพิ่มประสิทธิภาพการไหล: แผ่นกั้นส่วนภายในได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมภายในเปลือกเพื่อกระตุ้นให้เกิดกระแสปั่นป่วนข้าม เพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้างเปลือกให้สูงสุดในขณะที่ป้องกันการสั่นสะเทือนของท่อ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นใช้โครงแบบโมดูลาร์ที่บีบอัดชุดแผ่นโลหะลูกฟูกบางๆ เข้าด้วยกัน ของไหลร้อนและเย็นไหลผ่านช่องทางสลับที่เกิดจากปะเก็นยาง

• การออกแบบที่หลากหลาย: แผ่นปะเก็นและโครง (บำรุงรักษาง่าย) แผ่นประสาน (ขนาดกะทัดรัด แรงดันสูง) และแผ่นเชื่อม (อุณหภูมิสูง)

• การเพิ่มประสิทธิภาพการไหล: รูปแบบ "ก้างปลา" หรือ "เชฟรอน" แบบลูกฟูกบนเพลตทำให้เกิดแรงเฉือนสูงและความปั่นป่วนเฉพาะที่แม้ที่ตัวเลข Reynolds ต่ำ ส่งผลให้ความต้านทานของชั้นขอบเขตลดลงอย่างมาก

เมื่อมีการจำกัดทรัพยากรน้ำหรือกฎระเบียบด้านมลพิษทางความร้อนต่อสิ่งแวดล้อมเข้มงวด ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศจะถูกระบุ ของไหลไหลผ่านริมท่อ ในขณะที่พัดลมอัตโนมัติจะขับอากาศในชั้นบรรยากาศไปทั่วท่อ

• รูปแบบการออกแบบ: Forced-draft (พัดลมที่อยู่ใต้มัดท่อเพื่อดันอากาศ) และ Induced-draft (พัดลมที่อยู่เหนือการดึงอากาศ)

• การเพิ่มประสิทธิภาพการไหล: ครีบอลูมิเนียมที่มีความหนาแน่นสูงที่พันเป็นเกลียวจะถูกยึดติดด้วยกลไกกับด้านนอกของท่อ เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวด้านอากาศแบบทวีคูณ เพื่อชดเชยค่าการนำความร้อนของอากาศที่ต่ำ

การออกแบบที่เรียบง่ายที่สุด โดยมีท่อสองท่อที่มีศูนย์กลางร่วมกัน (อันหนึ่งอยู่ข้างใน) โดยทั่วไปจะจัดทรงปิ่นปักผมเป็นรูปตัว U

• การออกแบบที่หลากหลาย: ยางในแบบธรรมดาหรือยางในแบบครีบตามยาว

• การเพิ่มประสิทธิภาพการไหล: ใช้อย่างเคร่งครัดสำหรับการตั้งค่าการไหลทวนกระแสเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงสุดในการทำงานที่มีความจุต่ำ

ขนาดทางวิศวกรรมและพิกัดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ทางอุณหพลศาสตร์พื้นฐาน

พลังงานความร้อนทั้งหมดที่ถ่ายโอนต่อหน่วยเวลา ($Q$) จะต้องสมดุลระหว่างพลังงานที่ปล่อยของไหลร้อนและของไหลเย็นที่ดูดซับพลังงานนั้น:

ในการคำนวณพื้นที่ผิวทางกายภาพที่ต้องการ ($A$) วิศวกรออกแบบจะใช้วิธี LMTD:

การบรรลุประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่เหมาะสมที่สุดนั้นจำเป็นต้องสร้างความสมดุลระหว่างพลศาสตร์ของไหล โครงสร้างโลหะวิทยา และข้อจำกัดทางอุณหพลศาสตร์ สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงซึ่งมีโปรไฟล์แรงดันสูงมาก Shell และ Tube ยังคงเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม สำหรับการดำเนินงานที่มีความบริสุทธิ์สูง โหลดแบบแปรผัน หรือพื้นที่จำกัด เทคโนโลยีเพลตและเฟรมให้อัตราการถ่ายเทความร้อนตามปริมาตรที่เหนือกว่า