ทำความรู้จักกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน หรือ Heat Exchanger

คุณเคยสงสัยกันไหมว่า เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน หรือ Heat Exchanger ทำหน้าที่อะไร? หลักการเป็นยังไง? ใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนยังไงบ้าง? และถูกใช้ในงานอุตสาหกรรมไหนบ้าง? หากคุณกำลังสนใจเกี่ยวกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน บทความนี้อาจจะช่วยคุณให้เข้าใจเกี่ยวกับหลักการทำงานต่างๆในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน หรือ Heat Exchanger ไม่มากก็น้อย

Heat Exchanger หรือ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน คืออะไร ทำหน้าที่อะไร

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน หรือ Heat Exchangers คือเครื่องมือที่ใช้ถ่ายเทความร้อนจากของไหลชนิดหนึ่งไปยังของไหลอีกชนิดหนึ่ง เพื่อเพิ่มลดอุณหภูมิหรือใช้หมุนเวียนความร้อนจากของไหลกลับมาใช้ใหม่ได้

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนโดยการไหลของไหลชนิดหนึ่งไปยังของไหลอีกชนิดหนึ่ง เพื่อเพิ่มลดอุณหภูมิหรือหมุนเวียนความร้อนจากของไหลให้กลับมาใช้ใหม่ได้ และยังเป็นเครื่องมือที่สำคัญอย่างมากในทางอุตสาหกรรมและเป็นเครื่องมือที่ใช้ในระบบต่างๆทางวิศวกรรมอย่างกว้างขวาง เช่น ในอุตสาหกรรมน้ำมันจะใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในการทำให้น้ำมันดิบร้อนขึ้นหรือทำให้ไอที่ออกจากหอกลั่นเป็นของเหลวหรือใช้ลดอุณหภูมิของน้ำมันหรือก๊าซ หรือในอุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น อุตสาหกรรมปุ๋ย,เส้นใยและอาหารกระป๋องมีการแลกเปลี่ยนความร้อนและนำความร้อนมาเวียนใช้ใหม่

หลักการทำงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger)

โดยหลักการทำงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะการใช้การถ่ายเทความร้อนจากของไหลชนิดหนึ่งไปยังของไหลอีกชนิดหนึ่ง เพื่อเพิ่มลดอุณหภูมิหรือใช้หมุนเวียนความร้อนจากของไหลกลับมาใช้ใหม่หน้าที่หลักการทำงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน Heat Exchanger ก็คือ การนำเอาพลังงานความร้อนมาใช้อย่างถูกหลักการและมีประสิทธิภาพ ปัจจุบันอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับพลังงานความร้อนส่วนใหญ่จะต้องมีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นองค์ประกอบในการทำงาน

เริ่มกระบวนการไหลในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลขนานของเหลวทั้งสองจะเข้าสู่ตัวแลกเปลี่ยนที่ปลายด้านเดียวกันและเคลื่อนที่ขนานกันไปยังอีกด้านหนึ่ง ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลย้อนของเหลวจะเข้าสู่ตัวแลกเปลี่ยนจากปลายอีกด้านหนึ่งการออกแบบปัจจุบันมีประสิทธิภาพมากที่สุดในการที่จะสามารถถ่ายโอนความร้อนมากที่สุดจากความร้อนปานกลางต่อหน่วยมวลที่สูงขึ้น แลกเปลี่ยนในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลข้ามของเหลวจะเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากซึ่งกันและกันผ่านตัวแลกเปลี่ยน

เพื่อประสิทธิภาพเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวของผนังระหว่างของเหลวทั้งสองให้มากที่สุดในขณะที่ลดความต้านทานต่อการไหลของของไหลผ่านตัวแลกเปลี่ยน ประสิทธิภาพของตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอาจได้รับผลกระทบจากการเพิ่มครีบหรือลอนในทิศทางเดียวหรือทั้งสองทิศทางซึ่งจะเพิ่มพื้นที่ผิวและอาจทำให้ของเหลวไหลหรือทำให้เกิดความปั่นป่วนได้

ประเภทของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger)

มีอยู่ 2 ประเภทก็คือ

ประเภทที่ 1 เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ไม่มีการสัมผัสโดยตรง (indirect Heat Exchanger)

ประเภทที่ 2 เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สัมผัสโดยตรง (direct Heat Exchanger)

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเชลล์และท่อ หรือ Shell and Tube Heat Exchanger เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ของไหลชนิดหนึ่งจะอยู่ในเชลล์และอีกชนิดหนึ่งจะอยู่ในท่อ สำหรับการไหลนั้นจะอยู่ในลักษณะไหลสวนทางหรือไหลขนาน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น หรือ Flat Plate Heat Exchanger เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีการใช้งานแผ่นโลหะเพื่อถ่ายเทความร้อนระหว่างของเหลวสองชนิด

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบระบายความร้อนด้วยอากาศ หรือ Air Cooled Heat Exchanger  เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีการใช้อากาศเป็นตัวระบายความร้อนแทนน้ำเย็น

ครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบใบมีดขูดผิว หรือ Scraped Surface Heat Exchanger เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีลักษณะเป็นท่อ 2 ชั้น ท่อชั้นนอกบรรจุตัวกลางความร้อน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อสองชั้น หรือ Concentric tube เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีลักษณะที่ท่อสองท่อสวมเข้าด้วยกัน ส่วนการไหลของของไหล อาจไหลสวนทางกัน เรียกว่าไหลขนานกัน

ในการเลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เหมาะสม จะต้องพิจารณาข้อจำกัดแต่ละประเภทให้เหมาะสมกับอุตสาหกรรมที่ใช้

1. ขีดจำกัดความดันสูง/ต่ำ
2. ประสิทธิภาพการระบายความร้อน
3. ช่วงอุณหภูมิ
4. ส่วนผสมของผลิตภัณฑ์ (ของเหลว/ของเหลวอนุภาคหรือของเหลวที่มีของแข็งสูง
5. ความดันลดลงทั่วตัวแลกเปลี่ยน
6. ความสามารถในการไหลของของไหล
7. ความสามารถในการทำความสะอาดการบำรุงรักษาและการซ่อมแซม
8. วัสดุที่จำเป็นสำหรับการก่อสร้าง
9. ความสามารถและความสะดวกในการขยายตัวในอนาคต
10. การเลือกใช้วัสดุเช่นทองแดง,อลูมิเนียม,เหล็กคาร์บอน,สแตนเลส,โลหะผสมนิกเกิล,เซรามิก,พอลิเมอและไทเทเนียม

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger) นำไปใช้งานในอุตสาหกรรมอะไรบ้าง?

อุตสาหกรรมที่นำเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมาใช้เป็นอุปกรณ์หลักและสำคัญในอุตสาหกรรมต่างๆที่ใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในการถ่ายเทความร้อนให้กับอุปกรณ์ต่างๆ มีอุตสาหกรรมไฮดรอลิก,อุตสาหกรรมทางทะเล,อุตสาหกรรมอุปกรณ์แปรรูปอาหาร,อุตสาหกรรมโรงงานเคลื่อนที่,อุตสาหกรรมการผลิตไฟฟ้า,อุตสาหกรรมเหมืองแร่ และอุตสาหกรรมสปาและสระว่ายน้ำ เป็นต้น

โดยอุตสาหกรรมต่างๆที่กล่าวมานั้น นิยมใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนกันซะส่วนใหญ่ และใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอุตสาหกรรมที่แตกต่างกันไป