เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนคืออะไร? สรุปบทบาทและคุณสมบัติ

1. บทบาทของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

ตามที่ได้กล่าวไว้ในตอนต้น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่ถ่ายเทความร้อน (แลกเปลี่ยนความร้อน) จากของเหลวที่อุ่นไปยังของเหลวที่เย็น และของเหลวที่ใช้สามารถเป็นน้ำหรืออากาศโดยรอบได้

เมื่อติดตั้งในเครื่องทำความเย็นเพื่อวัตถุประสงค์ในการทำความเย็น น้ำเย็นในเครื่องทำความเย็นจะดึงความร้อนออกจากของเหลวเป้าหมายภายในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน

มีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหลายประเภท ขึ้นอยู่กับของไหลเป้าหมาย ตัวกลางในการทำความเย็น โครงสร้าง ฯลฯ ดังนั้นจึงควรพิจารณาสภาพแวดล้อมในการติดตั้ง ขนาด ความสามารถในการบำรุงรักษา ฯลฯ อย่างรอบคอบเมื่อเลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

2. [ตามประเภท] ข้อดีและข้อเสียของตัวแลกเปลี่ยนหลัก

เราจะอธิบายประเภทและคุณลักษณะของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้กันทั่วไปที่สุด

■ ①． เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนระบายความร้อนด้วยอากาศ

โครงสร้างของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนระบายความร้อนด้วยอากาศประกอบด้วยชุดท่อ (ครีบและท่อ ฯลฯ) และพัดลม ของเหลวที่ต้องการระบายความร้อนจะถูกส่งผ่านชุดท่อ และพัดลมจะเป่าลมผ่านชุดท่อ ระบายความร้อน (ระบายความร้อน) ของเหลวเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวและอากาศ

เนื่องจากไม่จำเป็นต้องมีโครงสร้างพื้นฐานอื่นใดนอกจากอากาศโดยรอบและแหล่งพลังงาน และสามารถติดตั้งได้ทุกที่ จึงมักติดตั้งไว้กลางแจ้ง

ข้อดีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนระบายความร้อนด้วยอากาศ

• ・มีข้อจำกัดเล็กน้อยเกี่ยวกับตำแหน่งการติดตั้ง
• ・ต้นทุนการดำเนินงานและการบำรุงรักษาต่ำ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

ข้อเสียของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนระบายความร้อนด้วยอากาศ

• ・หากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างอากาศโดยรอบและของเหลวมีน้อย ประสิทธิภาพในการทำความเย็นจะลดลง และไม่สามารถทำความเย็นของเหลวให้ต่ำกว่าอุณหภูมิของอากาศโดยรอบได้
• ตัวเครื่องเองก็มีขนาดใหญ่

■ ②．ชุดคอยล์พัดลม

อากาศเย็นเกิดจากการเป่าลมเข้าขดลวดซึ่งน้ำหล่อเย็นจะไหลเวียนผ่านขดลวด นอกจากนี้ ยังสามารถสลับน้ำหมุนเวียนในขดลวดเป็นน้ำร้อนเพื่อสร้างอากาศร้อนได้อีกด้วย

ข้อดีของชุดคอยล์พัดลม

• ・ตำแหน่งการติดตั้งค่อนข้างยืดหยุ่น มีทั้งแบบติดเพดานและตั้งพื้นให้เลือก

ข้อเสียของชุดคอยล์พัดลม

• ・ต้องมีอุปกรณ์ส่งน้ำหล่อเย็น

■ ③．เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นบัดกรี

โครงสร้างนี้ช่วยให้ของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงและต่ำไหลสลับกันระหว่างแผ่นถ่ายเทความร้อนที่ซ้อนกัน ช่วยให้แลกเปลี่ยนความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และใช้ประโยชน์จากความแตกต่างของอุณหภูมิแม้เพียงเล็กน้อยได้มากที่สุด

การบัดกรีส่วนใหญ่จะทำด้วยทองแดง แต่ในพื้นที่ที่ต้องใช้คุณสมบัติที่สะอาด เช่น อุตสาหกรรมยาและเซมิคอนดักเตอร์ จะใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีการบัดกรีสแตนเลสหรือนิกเกิล

ข้อดีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นบัดกรี

• ทนแรงดันสูง
• ・ประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนดี
• - ขนาดเล็กที่สุดในบรรดาเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทั่วไป
• ・ต้นทุนต่ำ

ข้อเสียของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นบัดกรี

• ・ไม่สามารถถอดประกอบได้ ทำให้การบำรุงรักษาทำได้ยาก
• ・อาจเกิดการอุดตันในเส้นทางการไหล

■ ④．แผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนแบบปะเก็น

โครงสร้างพื้นฐานจะคล้ายคลึงกับแผ่นบัดกรี ซึ่งของเหลว 2 ชนิดจะถูกส่งผ่านระหว่างแผ่นถ่ายเทความร้อนที่วางซ้อนกันเพื่อแลกเปลี่ยนความร้อน แต่คุณสมบัติหลักของประเภทนี้คือ แผ่นแต่ละแผ่นจะแยกจากกันด้วยปะเก็นยาง และสามารถถอดประกอบชิ้นส่วนทั้งหมดได้

ทั้งสองด้านถูกประกบไว้ระหว่างแผ่นยึดที่คงที่และยึดเข้าที่ด้วยสลักเกลียว และสามารถเพิ่มความสามารถในการระบายความร้อนได้โดยการเปลี่ยนปะเก็นและแผ่นหรือเพิ่มแผ่น

ข้อดีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นปะเก็น

• ・สามารถถอดประกอบได้เพื่อการบำรุงรักษาที่ง่ายดาย
• ・สามารถเพิ่มความจุได้โดยการเพิ่มแผ่น
• ・ประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนสูง
• ・ขนาดค่อนข้างเล็ก

ข้อเสียของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นปะเก็น

• ・มีขนาดใหญ่กว่าแบบบัดกรี
• ・ต้องมีพื้นที่บำรุงรักษา ณ ตำแหน่งการติดตั้ง

■ ⑤．เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกและท่อ

ประกอบด้วยส่วนลำตัว (เปลือก) ที่บรรจุท่อถ่ายเทความร้อน โดยแต่ละท่อจะแลกเปลี่ยนความร้อนโดยการส่งของเหลวผ่านเข้าไป

โครงสร้างนี้สามารถออกแบบให้ลดการสูญเสียแรงดันให้เหลือน้อยที่สุดและยังสามารถรองรับของเหลวที่มีความหนืดสูงได้อีกด้วย จึงสามารถนำไปใช้ในอุปกรณ์ไฮดรอลิกและโรงงานเคมีได้ด้วย

ข้อดีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกและท่อ

• ・สามารถรับมือกับสภาวะต่างๆ มากมาย รวมถึงอุณหภูมิต่ำและสูง แรงดันต่ำและสูง ความร้อนและความเย็น การระเหยและการควบแน่น
• บางรุ่นสามารถถอดประกอบได้
• ・การบำรุงรักษาค่อนข้างง่าย

ข้อเสียของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ

• -ขนาดใหญ่กว่าชนิดแผ่น

■ ⑥．เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบจุ่ม

การแลกเปลี่ยนความร้อนทำได้โดยการจุ่มท่อแลกเปลี่ยนความร้อนลงในถังของเหลวที่ต้องการทำความเย็นโดยตรง ไม่จำเป็นต้องมีช่องทางหมุนเวียนเพื่อให้ของเหลวเย็นลง จึงติดตั้งง่าย

ข้อดีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบโยนเข้า

• ・ง่ายต่อการใช้งาน
• ・ต้นทุนต่ำ
• ・สามารถออกแบบให้เหมาะกับขนาดถังได้

ข้อเสียของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบโยนเข้า

• ・จำเป็นต้องใช้มิกเซอร์เนื่องจากประสิทธิภาพการนำไฟฟ้าไม่ดี
• ・ยากที่จะคาดเดาปริมาณความร้อนที่แลกเปลี่ยนกัน
• ・อาจเกิดการควบแน่นและผสมกับของเหลวที่กำลังถูกทำให้เย็นลง

■ ⑦. เสื้อกล้าม

มีโครงสร้างแบบ 2 ชั้น โดยถังด้านในจะหุ้มด้วยถังด้านนอก (ส่วนที่เป็นแจ็คเก็ต) และน้ำที่ปรับอุณหภูมิแล้วจะถูกหมุนเวียนผ่านถังด้านนอก (ส่วนที่เป็นแจ็คเก็ต) เพื่อทำให้ถังด้านในเย็นลง ให้ความร้อน และรักษาความอบอุ่น

มักทำจากสแตนเลสและทำความสะอาดง่าย จึงใช้ในกระบวนการผลิตอาหารและยาด้วย

ข้อดีของเสื้อกล้ามแบบมีแจ็กเก็ต

• ・บำรุงรักษาง่าย

ข้อเสียของเสื้อถังแบบมีแจ็กเก็ต

• ・เนื่องจากประสิทธิภาพการนำไฟฟ้าไม่ดี จึงจำเป็นต้องใช้เครื่องกวนหากจำเป็น
• ・ยากที่จะคาดเดาปริมาณความร้อนที่แลกเปลี่ยนกัน

3. รายการคุณสมบัติของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

เราได้รวบรวมรายการคุณสมบัติของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตัวอย่างที่เราแนะนำไว้ เลือกเครื่องที่เหมาะสมกับการใช้งานและสภาพแวดล้อมการติดตั้งของคุณมากที่สุด

4. ประเด็นสำคัญในการเพิ่มความสามารถในการแลกเปลี่ยนความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

ความจุของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้รับผลกระทบอย่างมากจากปัจจัยสามประการ ได้แก่ พื้นที่การถ่ายเทความร้อน ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม และความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยลอการิทึม ดังที่แสดงในสูตรด้านล่าง

ยิ่งปริมาณการแลกเปลี่ยนความร้อนมากขึ้น ความจุของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย

[สมการการแลกเปลี่ยนความร้อน]
Q=A×U×ΔT
Q: ปริมาณการแลกเปลี่ยนความร้อน (kW), A: พื้นที่ถ่ายเทความร้อน (m²), U: ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (kW/m²/K), ΔT: ความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยแบบลอการิทึม (K)

ต่อไปนี้เป็นเคล็ดลับบางประการในการเพิ่มความสามารถในการแลกเปลี่ยนความร้อน

■ ประเด็นที่ 1. เพิ่มพื้นที่ถ่ายเทความร้อน

พื้นที่ถ่ายเทความร้อนคือพื้นที่ผิวของส่วนประกอบที่ถ่ายเทความร้อน เช่น มัดท่อที่น้ำหล่อเย็นไหลผ่าน ยิ่งพื้นที่ถ่ายเทความร้อนมีขนาดใหญ่ ปริมาณการแลกเปลี่ยนความร้อนก็จะมากขึ้น ดังนั้นการเพิ่มจำนวนมัดท่อและแผ่นในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจึงมีประสิทธิภาพมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม ขนาดของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของปริมาณความร้อนที่ต้องแลกเปลี่ยน ซึ่งสร้างข้อจำกัดขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ตำแหน่งการติดตั้ง

■ ประเด็นที่ 2 เพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน)

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน) คือความง่ายในการถ่ายเทความร้อนทั่วทั้งอุปกรณ์ วิธีการถ่ายเทความร้อนยังขึ้นอยู่กับวัสดุและสภาพของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ดังนั้นควรคำนึงถึงประเด็นต่อไปนี้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน

• ・ใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำจากวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูง
• - ทำให้ผนังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนบางลง
• ・ขจัดสิ่งสกปรกออกจากพื้นผิวถ่ายเทความร้อน
• - ทำให้เกิดความไม่เรียบบนพื้นผิวถ่ายเทความร้อน
• ・เพิ่มอัตราการไหล

■ ประเด็นที่ 3 เพิ่มความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยลอการิทึม

ค่าเฉลี่ยลอการิทึมของอุณหภูมิ คือ ค่าเฉลี่ยลอการิทึมของความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของไหลอุณหภูมิสูงและของไหลอุณหภูมิต่ำภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ยิ่งความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของไหลทั้งสองที่แลกเปลี่ยนความร้อนมากเท่าใด ปริมาณการแลกเปลี่ยนความร้อนก็จะมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น ในกรณีของการทำความเย็น ยิ่งอุณหภูมิของตัวกลางทำความเย็นต่ำลง ปริมาณการแลกเปลี่ยนความร้อนก็จะมากขึ้นเท่านั้น

นอกจากนี้ ปริมาณการแลกเปลี่ยนความร้อนสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการไหลของของไหลอุณหภูมิต่ำและของไหลอุณหภูมิสูงในทิศทางตรงข้าม (กระแสสวนทาง)