การจำแนกประเภทของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตามสื่อ: คู่มือวิศวกรรมอุตสาหการ

การจำแนกประเภทเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตามตัวกลางจะจัดหมวดหมู่อุปกรณ์ตามสถานะทางกายภาพ (เฟส) ของของไหลที่แลกเปลี่ยนพลังงานความร้อน ความจุความร้อนจำเพาะ (c_p) และค่าการนำความร้อน (k) ของตัวกลางจะกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U) และขนาดทางกายภาพของอุปกรณ์โดยตรง การจำแนกประเภททางอุตสาหกรรมหลักสี่ประเภท ได้แก่ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจากของเหลวเป็นของเหลว, จากก๊าซเป็นของเหลว, จากก๊าซเป็นก๊าซ และตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลี่ยนเฟส (สองเฟส)

ระบบจากของเหลวเป็นของเหลวมีประสิทธิภาพสูงเนื่องจากมีการนำความร้อนสูงและความหนาแน่นของของเหลวตามธรรมชาติ (เช่น น้ำ น้ำมัน และสารเคมีของเหลว)

เนื่องจากของเหลวมีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนที่ดีเยี่ยม เครื่องแลกเปลี่ยนเหล่านี้จึงต้องการพื้นที่ผิว (A) น้อยกว่าอย่างมากในการถ่ายเทความร้อนตามปริมาณที่กำหนด (Q) เมื่อเปรียบเทียบกับระบบแก๊ส

• สื่อทั่วไป: น้ำสู่น้ำ น้ำมันสู่น้ำ สารเคมีสู่น้ำ

• อุปกรณ์ทั่วไป: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นและเฟรม, เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อ (ไม่มีครีบ)

• การใช้งานหลัก: การแปรรูปยา การพาสเจอร์ไรส์ในอาหารและเครื่องดื่ม การผสมสารเคมี และการทำความเย็นเครื่องจักรแบบวงปิด

นี่คือการจำแนกประเภทที่แพร่หลายมากที่สุดทั้งในอุตสาหกรรมหนักและการใช้งานเชิงพาณิชย์ ระบบเหล่านี้จะเชื่อมช่องว่างระหว่างตัวกลางที่มีประสิทธิภาพสูง (ของเหลว) และตัวกลางที่มีประสิทธิภาพต่ำ (ก๊าซ/อากาศ)

ก๊าซมีค่าการนำความร้อนต่ำมาก เพื่อชดเชยค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนที่ไม่ดีในด้านก๊าซในทางคณิตศาสตร์ วิศวกรจะต้องเพิ่มพื้นที่ผิวที่สัมผัสกับก๊าซโดยไม่ตั้งใจ สิ่งนี้สามารถทำได้ในระดับสากลโดยการเพิ่มพื้นผิวที่ขยายออก (ครีบ) ไปที่ด้านนอกของท่อที่บรรจุของเหลว

• สื่อทั่วไป: อากาศสู่น้ำ อากาศสู่สารทำความเย็น ก๊าซไอเสียสู่น้ำ

• อุปกรณ์ทั่วไป: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบระบายความร้อนด้วยอากาศ (เครื่องทำความเย็นแบบครีบ-พัดลม), หม้อน้ำรถยนต์, คอยล์ทำความเย็น HVAC

• การใช้งานหลัก: การปรับอากาศเพื่อสิ่งแวดล้อม การระบายความร้อนด้วยท่อระยะไกล และการระบายความร้อนด้วยน้ำของแจ็คเก็ตเครื่องยนต์

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจากก๊าซเป็นก๊าซมีโครงสร้างขนาดใหญ่เนื่องจากของเหลวทั้งสองมีคุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนต่ำ พวกเขาต้องการพื้นที่ติดตั้งตามปริมาตรจำนวนมหาศาลเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่ยอมรับได้

ระบบเหล่านี้ทำงานเกือบทั้งหมดเพื่อนำความร้อนเหลือทิ้งจากกระแสไอเสียกลับมาใช้เพื่อให้ความร้อนล่วงหน้าแก่อากาศแวดล้อมที่เข้ามา ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์โดยรวมของโรงงาน

• สื่อทั่วไป: ก๊าซไอเสียร้อนสู่อากาศโดยรอบ

• อุปกรณ์ทั่วไป: ล้อความร้อนแบบหมุน (รีเจนเนอเรเตอร์), เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบครีบแผ่น, เครื่องอุ่นอากาศแบบท่อ

• การใช้งานหลัก: การอุ่นอากาศในหม้อต้มในโรงไฟฟ้า การแยกอากาศด้วยความเย็น และการนำความร้อนจากเตาอุตสาหกรรมกลับมาใช้ใหม่

ในระบบเปลี่ยนเฟส ของไหลหนึ่งหรือทั้งสองอย่างจะเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะ (การเดือดหรือการควบแน่น) ในระหว่างการแลกเปลี่ยนความร้อน

การถ่ายเทความร้อนแบบเปลี่ยนเฟสใช้ความร้อนแฝงมากกว่าความร้อนสัมผัส เนื่องจากค่าความร้อนแฝง (h_{fg}) มีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับความจุความร้อนจำเพาะ (c_p) เครื่องแลกเปลี่ยนเหล่านี้จึงสามารถถ่ายโอนพลังงานจำนวนมหาศาลโดยมีการไล่ระดับอุณหภูมิน้อยที่สุดและมีอัตราการไหลของมวลต่ำ

• สื่อทั่วไป: ไอน้ำสู่น้ำ (การควบแน่น), สารทำความเย็นสู่อากาศ (การระเหย), การระเหยของสารเคมี

• อุปกรณ์ทั่วไป: คอนเดนเซอร์ เครื่องระเหย หม้อต้มซ้ำ และเครื่องกำเนิดไอน้ำ

• การใช้งานหลัก: วงจรจัดอันดับของโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ วงจรทำความเย็น และคอลัมน์การกลั่นด้วยสารเคมี

ฟิสิกส์พื้นฐานที่กำหนดการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนเหล่านี้ขึ้นอยู่กับสถานะของตัวกลาง

สำหรับการถ่ายเทความร้อนแบบเฟสเดียว (ของเหลว-ของเหลว แก๊ส-แก๊ส แก๊ส-ของเหลว)

เพื่อให้เข้าใจว่าทำไมขนาดอุปกรณ์จึงแตกต่างกันอย่างมาก วิศวกรจึงอ้างอิงค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U) ค่า U ที่สูงขึ้นหมายถึงอุปกรณ์ที่เล็กลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ถาม: เหตุใดครีบจึงแทบไม่เคยถูกนำมาใช้กับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจากของเหลวเป็นของเหลว

ตอบ: โดยธรรมชาติแล้วของเหลวมีค่าการนำความร้อนสูงและมีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูง การเพิ่มครีบจะเพิ่มพื้นที่ผิวเล็กน้อย แต่จะสร้างแรงเสียดทานภายในขนาดใหญ่พร้อมกัน ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมที่ยอมรับไม่ได้ (Delta P) ที่จะครอบงำระบบสูบน้ำโดยไม่ให้ประโยชน์ทางความร้อนที่มีความหมาย

ถาม: เครื่องแลกเปลี่ยน "ความร้อนสัมผัส" กับ "ความร้อนแฝง" คืออะไร

ตอบ: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอัจฉริยะจะเปลี่ยนอุณหภูมิของตัวกลางโดยไม่เปลี่ยนสถานะทางกายภาพของตัวกลาง (เช่น การทำความเย็นน้ำมันร้อนด้วยน้ำเย็น) เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแฝงจะถ่ายเทพลังงานโดยการเปลี่ยนสถานะของตัวกลางที่อุณหภูมิคงที่ (เช่น การต้มน้ำของเหลวให้เป็นไอน้ำ)

ถาม: การจำแนกประเภทสื่อใดที่รักษายากที่สุด

ตอบ: โดยทั่วไประบบสองเฟส (เปลี่ยนเฟส) โดยเฉพาะหม้อไอน้ำและเครื่องระเหย เป็นระบบที่ต้องมีการบำรุงรักษามากที่สุด กระบวนการต้มของเหลวมักจะทิ้งของแข็งและแร่ธาตุที่ละลายไว้อย่างเข้มข้น นำไปสู่การเกิดตะกรันและความเปรอะเปื้อนอย่างรวดเร็วบนพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน ซึ่งจะทำให้ค่า U ลดลงอย่างรุนแรงเมื่อเวลาผ่านไป