Heat Exchange

1. ชุดการสอนเสริมความรู้ชุดการสอนเสริมความรู้ เรื่อง อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ระดับประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง สาขางานปิโตรเคมี วิทยาลัยเทคนิคมาบตาพุด Heat Exchange

2. อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน กระบวนการที่เกิดขึ้นภายใน Heat Exchanger คือ การถ่ายเทความร้อนของ Fluid ที่ร้อนจะส่งถ่ายเทความร้อนไปให้ Fluid ที่เย็นกว่าใน Condenser ดังนั้น Heat Exchanger ก็เป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนพลังงานนั่นเอง แบ่งออกเป็น 3 รูปแบบ 1. การนำความร้อน (Heat Conduction) 2. การพาความร้อน (Heat Convection) 3.การแผ่รังสีความร้อน (Heat Radiation)

3. ปรากฏการณ์ของการนำความร้อนเกิดขึ้น เมื่ออุณหภูมิภายในวัตถุชิ้นหนึ่งมีค่าไม่เท่ากันทุก ๆ จุด หรือเมื่อนำวัตถุสองชิ้นที่มีอุณหภูมิแตกต่างกันมาสัมผัสกัน ปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อการนำความร้อน - ผลต่างของอุณหภูมิ - มิติและรูปร่างของวัตถุ - คุณสมบัติของวัตถุ 1. การนำความร้อน (Heat Conduction)

4. 2. การพาความร้อน (Heat Convection)เป็นกระบวนการถ่ายเทความร้อน โดยมีตัวกลางเคลื่อนที่พาความร้อนไปด้วย และเป็นลักษณะเฉพาะของของไหล มีลักษณะดังนี้ จะเกิดขึ้นในก๊าซ และของเหลวเท่านั้น 1 โมเลกุลของก๊าซหรือของเหลวเคลื่อนที่ไปยังผิวถ่ายเทความร้อน 2 อัตราการพาความร้อนขึ้นอยู่การเคลื่อนที่ของโมเลกุลสามารถเพิ่มอัตราการถ่ายเทความร้อนให้สูงขึ้นโดยการกวน 3

5. 3. การแผ่รังสีความร้อน (Heat Radiation)เป็นการถ่ายเทความร้อนที่แตกต่างไปจากการนำความร้อนและการพาความร้อน โดยมีลักษณะดังนี้ เกิดขึ้นระหว่างผิว 2 แห่งที่มีอุณหภูมิต่างกัน และถูกคั่นกลางด้วยตัวกลางที่ยอมให้รังสีความร้อนวิ่งผ่านได้ 1 วัตถุที่รับการแผ่รังสี จะมีทั้งดูดกลืน,สะท้อนกลับ และไปเพิ่มอุณหภูมิของวัตถุที่รับรังสีความร้อน 2

6. การถ่ายเทความร้อนในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน แบบที่ 1 แบบที่ 2 • แบบไหลผ่าน (Flow-Through Type • ไหลขนาน (Parallel flow) • ไหลสวนทาง (Counter flow) • ไหลตั้งฉาก (Cross flow 2. แบบสะสมความร้อน (Heat-Accumulation Type) . . A B ขั้นที่ 1 ขั้นที่ 2

7. อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน Heat Exchanger • เป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน มีหน้าที่ในการแลกเปลี่ยนพลังงาน คือ การถ่ายเทความร้อนของของไหลที่ร้อนจะส่งถ่ายความร้อนไปที่ของไหลที่เย็นกว่า แต่ในทางกลับกับกันก็สามารถใช้ในการลดอุณหภูมิได้อีกด้วยขึ้นอยู่กับการนำอุปกรณ์นั้นไปใช้งาน

8. การเรียกชื่ออุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ตามลักษณะการใช้งานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน(Heat Exchanger) มีดังนี้ เครื่องอุ่นหรือทำให้ร้อนล่วงหน้า (Preheater) 1. เครื่องระบายความร้อน (Cooler) 2. เครื่องเพิ่มความร้อน (Heater) 6. เครื่องต้มซ้ำ (Reboiler) 7. เครื่องทำให้เย็นจัด (Chiller) 3. เครื่องระเหย (Evaporator) 4. เครื่องควบแน่น (Condenser)

9. เครื่องระบายความร้อน (Cooler) Process ที่แลกเปลี่ยน จะเป็น Liquid แลกเปลี่ยนอุณหภูมิกับ น้ำหล่อเย็น โดยหลังจากแลกเปลี่ยนแล้ว Processจะมีอุณหภูมิลดลงจากเดิม ...ในรูปเป็น Oil Cooler โดย Oil ก่อนผ่านการแลกเปลี่ยนความร้อนมีอุณหภูมิ = 60 องศาเซลเซียส เปลี่ยนเป็น 35 องศาเซลเซียส Oil หลังจากมีอุณหภูมิต่ำแล้วจะถูก Feed ไปหล่อลื่นชุด Gear หลังจากถูกใช้หล่อลื่นแล้ว Oil จะมี อุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งจะนำไปใช้หล่อลื่นอีกก็จะนำมาผ่าน ตัว Cooler อีกเช่นเดิม

10. 2. เครื่องเพิ่มความร้อน (Heater) Process ที่แลกเปลี่ยน จะเป็น GAS หรือ Liquid แลกเปลี่ยนอุณหภูมิกับ Steam หรือขดลวดความร้อนที่เป็นไฟฟ้า( แต่ส่วนใหญ่จะใช้เป็น Steam ) โดยหลังจากแลกเปลี่ยนแล้ว GAS หรือ Liquid จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นกว่าเดิม แต่ไม่ถึงขั้นเปลี่ยนสถานะ โดย Steam หลังจาก ถูกดึงความร้อน ไปแล้วก็จะควบแน่นเป็น Condensate ในรูปเป็น Heater ที่ถูกให้ความร้อนจาก 40 --> 105 องศาเซลเซียส ด้วย Steam ก่อนนำไปใช้งาน ที่ LOOP อื่นต่อไป

11. 3. เครื่องระเหย (Evaporator) Process ที่แลกเปลี่ยน จะเป็น Liquid แลกเปลี่ยนอุณหภูมิกับ ไอน้ำ (Steam )หรือขดลวดความร้อนที่เป็นไฟฟ้า (แต่ส่วนใหญ่จะใช้เป็น Steam) โดยหลังจากแลกเปลี่ยนอุณหภูมิ แล้ว Liquid จะมีอุณหภูมิสูงขึ้น จนเปลี่ยนสถานะเป็น GASในรูปที่แสดงเป็น Evaporator จะมีใบกวาดอยู่ด้านใน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อน ของตัว Process กับ Steam โดยจะทำให้การแลกเปลี่ยนความร้อนกระจายตัวไปได้ทั่วขึ้น EVAPORATOR

12. 4. เครื่องควบแน่น (Condenser) Process ที่แลกเปลี่ยน จะเป็น GAS แลกเปลี่ยนอุณหภูมิกับ น้ำหล่อเย็น โดยหลังจากแลกเปลี่ยนแล้ว สารประกอบที่อยู่ในรูปของGAS จะ ควบแน่นกลายเป็น Liquid … ในรูปเป็น Condenser ทำหน้าที่ แยกสารประกอบ ออกจาก N2GAS โดยการแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำหล่อเย็น สารประกอบ ที่อยู่ในรูปของไอที่ปนมากับ N2GAS จะควบแน่น กลายเป็นของเหลว ตกลงมาด้านล่างของ Condenser .. ตามรูป Process เข้าทางด้านบน แล้วออกทางด้านล่างแยกส่วนกันระหว่าง ของเหลวกับ GAS

13. 4. เครื่องควบแน่น (Condenser) Process ที่แลกเปลี่ยน จะเป็น GAS แลกเปลี่ยนอุณหภูมิกับ น้ำหล่อเย็น โดยหลังจากแลกเปลี่ยนแล้ว สารประกอบที่อยู่ในรูปของGAS จะ ควบแน่นกลายเป็น Liquid … ในรูปเป็น Condenser ทำหน้าที่ แยกสารประกอบ ออกจาก N2GAS โดยการแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำหล่อเย็น สารประกอบ ที่อยู่ในรูปของไอที่ปนมากับ N2GAS จะควบแน่น กลายเป็นของเหลว ตกลงมาด้านล่างของ Condenser .. ตามรูป Process เข้าทางด้านบน แล้วออกทางด้านล่างแยกส่วนกันระหว่าง ของเหลวกับ GAS FILMEVAPORATORCONDENSER WASTEGASCONDENSER

14. 5. เครื่องอุ่นหรือทำให้ร้อนล่วงหน้า (Preheater) Process ที่แลกเปลี่ยน เป็น Liquid แลกเปลี่ยนอุณหภูมิกับ Steam โดยหลังจากแลกเปลี่ยนแล้ว Processจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นก่อนที่จะ ถูกส่งไปเข้า Drum อื่นต่อไป ซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่า และยังเป็นตัวควบคุมอุณหภูมิของถังใบนั้นด้วย ตัวอย่าง ตามรูป 1. Process ที่ผ่านการ Heat ที่ Preheater จะถูก Feed ไปที่ Reactor ที่มีอุณภูมิสูงกว่า ดังนั้น ตัวProcess จึงต้องถูกให้ความร้อนก่อน Feed เข้าไป ่เพื่อช่วยควบคุมอุณหภูมิที่ Reactor ไม่ให้ต่ำ Preheater

15. 6. เครื่องต้มซ้ำ (Reboiler) Process ที่แลกเปลี่ยน เป็น Liquid ที่ผ่านการ Heat เป็นลักษณะของการต้มเพื่อทำให้เกิดระเหยหรือการกลั่นมาก่อนหน้าแล้วครั้งหนึ่ง แล้ว Liquid ที่ยังสามารถกลั่นเอาสารประกอบออกได้อีก จะถูกส่งไปให้ความร้อนที่ Heat Exchanger อีกครั้งโดยตัวให้ความร้อนส่วนใหญ่จะเป็นพลังงานความร้อนจาก Steam เราจึงเรียก Heat Exchanger ลักษณะนี้ว่า Reoilerโดยจะพบ Heat Exchangerลักษณะนี้ได้ตาม Process ที่มีหอกลั่น

16. 7. เครื่องทำให้เย็นจัด (Chiller) Process ที่แลกเปลี่ยน เป็น Liquid ที่ผ่านการ Heat เป็นลักษณะของการต้มเพื่อทำให้เกิดระเหยหรือการกลั่นมาก่อนหน้าแล้วครั้งหนึ่ง แล้ว Liquid ที่ยังสามารถกลั่นเอาสารประกอบออกได้อีก จะถูกส่งไปให้ความร้อนที่ Heat Exchanger อีกครั้งโดยตัวให้ความร้อนส่วนใหญ่จะเป็นพลังงานความร้อนจาก Steam เราจึงเรียก Heat Exchanger ลักษณะนี้ว่า Reoilerโดยจะพบ Heat Exchangerลักษณะนี้ได้ตาม Process ที่มีหอกลั่น เครื่องทำความเย็น เครื่องทำความเย็น

17. แบ่งตามลักษณะโครงสร้างแบ่งตามลักษณะโครงสร้าง 7. แบบปลอกหุ้ม (Jacketed Type Exchanger) 8. แบบแผ่น (Plate Type Exchanger) 9.แบบหอยโข่ง (Volute Type Exchanger)หรือแบบหมุนวน (Spiral Type) 10.แบบบล็อค(Block Type Exchanger) 11.แบบกะทัดรัด (Compact Exchanger) 12.แบบเชลล์และท่อ (Shell and Tube Exchanger) 1.แบบขดท่อ Submerged Coil Exchanger) 2. แบบเปิด (Open Type Exchanger) 3.แบบท่อสองชั้น (Double-Pipe Exchanger) 4.แบบดาบปลายปืน (Bayonet Exchanger) 5.แบบท่อหมุนวน (Spiral-Wound Type Exchanger) 6. แบบระบายด้วยอากาศ (Air-Cooled Heat Exchanger) ประเภทของ Heat Exchanger

18. แบบขดท่อ (Submerged Coil Exchanger) • คุณสมบัติ • - แบบง่าย ๆ ราคาถูก ผลิตได้ง่าย - ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนต่ำ • - วัสดุทำ Coil เลือกได้หลายชนิด • -มีความแข็งแรงสูง ทนต่อการกัดกร่อน • -ปัญหาการรั่วไหลน้อย • -พื้นที่การถ่ายเทความร้อนน้อย ทางเข้าของน้ำระบายความร้อน ทางออกของน้ำระบายความร้อน ทางเข้าของของเหลว ทางออกของของเหลว

19. รูป ตัวอย่างในโรงงาน มีหน้าที่ระบาย ความร้อนของ SAMPLE ที่จะทำการ เก็บโดย SAMPLE จะไหลผ่านขดท่อ เพื่อแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำ ที่มีอยู่ใน SEAL POT จนทำให้ อุณหภูมิของ SAMPLE ต่ำลง จุดเก็บ SAMPLE CW IN WATER OVER FLOW SAMPLE IN SAMPLE IN SAMPLE OUT SAMPLE OUT

20. 2. แบบเปิด (Open Type Exchanger) • คุณสมบัติ • - ปล่อยให้น้ำหยดลงบนท่อที่ติดตั้งในแนวระดับ มีชื่อเรียกต่าง ๆ กันไป เช่น Trickle Cooler = แบบน้ำไหลริน ๆ ,Cascade Cooler = แบบน้ำตกเป็นหลั่น ๆ,S-type Cooler = แบบตัว S • - โครงสร้างเป็นท่อตรง และส่วนโค้งและซ้อนกันหลาย ๆ ชั้นเพื่อเพิ่มพื้นที่การถ่ายเทความร้อน • - ใช้ได้กับของไหล High Pressure • -ใช้ได้กับของไหลที่มีฤทธิ์กัดกร่อน • -ถ้ารั่วไหลสามารถรู้ได้ทันที ทางเข้าของน้ำระบายความร้อน ทางออกของของเหลว ทางเข้าของของเหลว ทางออกของน้ำระบายความร้อน

21. 3. แบบท่อสองชั้น (Double-Pipe Exchanger) • คุณสมบัติ • - โครงสร้าง เป็นท่อ 2 ขนาดซ้อนกันอยู่ - โครงสร้างง่าย ราคาต่อหน่วยถูก • - ของไหลชนิดหนึ่งไหลอยู่ท่อใน - อาจจะมีครีบ หรือ Fin ที่ท่อในเพิ่มพื้นที่ถ่ายเทความร้อน • - ของไหลอีกชนิดหนึ่งไหลระหว่างท่อนอกกับท่อใน • - ใช้กับของไหลที่มีความหนืดสูงหรือฤทธิ์กัดกร่อนได้ดี • - สามารถเพิ่มเติมได้โดยการนำหลาย ๆ ชุดมาต่อเข้าร่วมกัน • - ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนได้ต่ำ ทางออกของน้ำระบายความร้อน ทางเข้าของของเหลว ทางออกของของเหลว ทางเข้าของน้ำระบายความร้อน

22. 4. แบบดาบปลายปืน (Bayonet Exchanger) • คุณสมบัติ • - ประกอบด้วยท่อนอกที่ปิดปลายไว้ และมีท่อในสอดอยู่ • - ของไหลผ่านท่อในแล้วออกมาท่อนอก แลกเปลี่ยนความร้อน กับ Shell • - ติดตั้งสอดเข้ากับภาชนะ หรือระบบท่อ • -สะดวก การถอด-ประกอบง่าย ไม่กระทบกับระบบ • -ไม่เหมาะกับงานที่มีอัตราแลกเปลี่ยนความร้อนสูง • -ราคาแพง เมื่อเทียบกับแบบอื่น ๆ ทางออกของของเหลว ทางเข้าของน้ำระบายความร้อน ทางเข้าของของเหลว ทางออกของน้ำระบายความร้อน

23. แบบท่อหมุนวน (Spiral-Wound Type Exchanger) • คุณสมบัติ • -ท่อขดหมุนวนเป็นเกลียวหลาย ๆ ชั้น • - บรรจุภาชนะรูปทรงกระบอก • - พื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนมาก แต่ถ่ายเทความร้อนออกได้น้อย • - ราคาแพง ซ่อมแซมยาก

24. 6. แบบระบายด้วยอากาศ (Air-Cooled Heat Exchanger) • คุณสมบัติ • -ใช้ลมเป่าผ่านระบายความร้อนแทนน้ำ • - ชุดท่อประกอบรวมกัน และมีครีบเพื่อเพิ่มพื้นที่ในการระบายความร้อน • - ค่าบำรุงรักษา และซ่อมแซมถูก • - ข้อเสีย • - เสียงดัง • - ใช้พื้นที่มาก • - ค่าก่อสร้าง, ติดตั้งแพง มัดท่อ ทางเข้าของของไหล เครื่องเป่าลม ทางออกของของไหล ตัวโครงสร้างเหล็ก มอเตอร์ไฟฟ้า

25. รูป ตัวอย่างในโรงงาน Unit cool water ลักษณะการทำงานเหมือน หม้อน้ำของรถยนต์ โดยมีน้ำร้อน ที่ผ่านการระบาย ความร้อนของเครื่องยนต์(ที่ใช้กำเนิดไฟฟ้า)วิ่งผ่านท่อที่มี ครีบระบาย ความร้อน และใช้อากาศเย็นจากพัดลมด้านล่างวิ่งผ่าน เพื่อระบาย ความร้อนของน้ำหล่อเย็น WATER OUT WATER IN AIR FLOW

26. แบบปลอกหุ้ม (Jacketed Type Exchanger) • - เป็นปลอกหุ้มถังเก็บ (Drum, Reactor) • - ต้องติดตั้งเครื่องกวน (Agitator) ร่วมด้วย • - เหมาะสำหรับการรักษาอุณหภูมิ • - โครงสร้างง่าย ราคาถูก ทางออกของน้ำระบายความร้อน ทางออกของของเหลว ทางเข้าของของเหลว ทางเข้าของน้ำระบายความร้อน

27. 8. แบบแผ่น (Plate Type Exchanger) • คุณสมบัติ • - เอาแผ่นถ่ายเทความร้อนหลาย ๆ แผ่นเรียงกัน - ทิศทางการไหลสวนทางกัน • - ถอดประกอบทำความสะอาด ซ่อมบำรุงง่าย • - เพิ่ม-ลดปริมาณการถ่ายเทความร้อนได้โดยจำนวนแผ่นที่ติดตั้ง • - ไม่เหมาะกับอุณหภูมิและความดันสูง

28. แบบหอยโข่ง (Volute Type Exchanger)หรือแบบหมุนวน (Spiral Type) • คุณสมบัติ • - เป็นแผ่นเรียบ 2 แผ่น ขดขนานกันเหมือนลายก้นหอยโข่ง • - โครงสร้างขยาย-หดตัวเชิงความร้อนได้ดี • - ทำความสะอาด ซ่อมแซมยาก • - ไม่เหมาะกับของไหลสกปรกมาก ๆ มีฤทธิ์กัดกร่อนหรือความดันสูง

29. 10. แบบบล็อค(Block Type Exchanger) • คุณสมบัติ • -เป็นก้อนหรือแท่งเจาะรูยาวจำนวนมาก ตั้งฉากกันระหว่างแต่ละชั้นของรูของไหล • -ใช้ก้อนวัสดุทนการกัดกร่อนสูง -ใช้สำหรับของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง • -ใช้กับระบบที่ความดันต่ำ

30. 11. แบบกะทัดรัด (Compact Exchanger) • คุณสมบัติ • - เป็น Packet ขนาดเล็ก ๆ • - ใช้กับก๊าซหรือของเหลวที่สะอาด • - ซ่อมแซม ทำความสะอาดยาก

31. 12. แบบเชลล์และท่อ (Shell and Tube Exchanger) แบ่งตามโครงสร้าง 3 ชนิด 1. ชนิดแผ่นยึดท่ออยู่กับที่ (Stationary Tube Sheet Exchanger) เป็นแบบ Tube sheet ปลายทั้งสองข้างเชื่อมติดกัน ระหว่าง Tube กับ แผ่นยึด ถ้ากรณีอุณหภูมิที่ Shell & Tube แตกต่างกันมากจะเกิดความเค้นเชิงความร้อน (Thermal stress) ขึ้นสูง อัตราการขยายตัวของ Shell & Tube ไม่เท่ากัน จำเป็นต้องมีข้อต่อที่ยึดหดได้หรือ Expansion joint ช่วย Expansion joint

32. 12. แบบเชลล์และท่อ (Shell and Tube Exchanger) แบ่งตามโครงสร้าง 3 ชนิด 2. ชนิดท่อตัว U (U-Tube Exchanger) ลักษณะ Tube ดัดเป็นรูปตัว U หลายๆ Tube ยึดเป็น Pack เดียวกันโดย Tube สามารถขยายตัวโดยอิสรภาพจาก Shellและ รัศมีส่วนโค้งของตัว U ต้องมากกว่า 1.5 เท่า เส้นผ่าศูนย์กลาง Tubeเหมาะสำหรับของไหลใน Tube Pressure สูงและปริมาณถ่ายเทความร้อนน้อย

33. รูป ตัวอย่างชนิดท่อตัว U (U-Tube Exchanger ในโรงงาน BONNETCOVER TUBEBUNDLE

34. 12. แบบเชลล์และท่อ (Shell and Tube Exchanger) แบ่งตามโครงสร้าง 3 ชนิด 3. ชนิดหัวลอย(Floating-Head Exchanger) ปลายTubeด้านหนึ่งยึดติดกับ Shell ด้วย Bolt ส่วนปลายอีกด้านหนึ่งปล่อยลอย ให้ขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน เป็นแบบที่ นิยมใช้มากที่สุด

35. สรุปเรื่องอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนสรุปเรื่องอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน • ประเภทของ อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ( Heat Exchanger)แบ่งตามลักษณะโครงสร้าง • 1. แบบขดท่อ (Submerged Coil Exchanger) • 2. แบบเปิด (Open Type Exchanger) • 3. แบบท่อสองชั้น (Double-Pipe Exchanger) • 4. แบบดาบปลายปืน (Bayonet Exchanger) • 5. แบบท่อหมุนวน (Spiral-Wound Type Exchanger) • 6. แบบระบายด้วยอากาศ (Air-Cooled Heat Exchanger) • 7. แบบปลอกหุ้ม (Jacketed Type Exchanger) • 8. แบบแผ่น (Plate Type Exchanger) • 9. แบบหอยโข่ง (Volute Type Exchanger)หรือแบบหมุนวน(Spiral Type) • 10.แบบบล็อค(Block Type Exchanger)