Plate Heat Exchanger Theory ทฤษฏีการแลกเปลี่ยนความร้อน

เรื่อง พื้นฐานทฤษฏีการแลกเปลี่ยนความร้อน

เคยสงสัยไหมครับว่าทุกครั้งที่ท่านต้องการซื้อแผ่นแลกเปลี่ยนความร้อน ทำไมวิศวกรถึงถามว่าต้องการข้อมูลที่จำเป็นอย่างน้อย 5 ตัวเพื่อนำไปเลือกอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนครับ  แล้วเคยสงสัยไหมครับว่าที่โรงงานผลิตแผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนเขาทำอะไรกันอยู่ถึงพัฒนาแผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนกันได้ทุก 4-5 ปีจะมีผลิตภัณฑ์ใหม่ จนวันนี้มีผู้ผลิตแผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนบางรายพัฒนา ค่า K value กันไปถึง 8,000 กว่ากันแล้ว แต่ก็มีลูกค้าบางรายยังไม่รับสินค้าตัวนี้ เราลองมาดูทฤษฏีพื้นฐานกันนะครับ

ข้อมูลจากทางลูกค้าหรือข้อมูลด้านการใช้งาน

เราใช้สูตรพื้นฐานคุยกันครับคือ     

Q = m Cp Δ T

Q          =           ค่าพลังงาน  (KW)

m         =          mass flow rate (kg/s)

ΔT        =          temperature difference ( °C)

วิศวกรฝ่ายขายมักถามท่านว่าต้องการข้อมูล 5 ตัวจาก 6 ตัว คือ

ข้อมูลทั้ง 2 ด้านของด้าน  Hot site และ Cold site,  อยากได้  อุณหภูมิเข้า(T1), อุณหภูมิออก(T2) และ Flow rate(m).

เราใช้ข้อมูล 3 ตัวของด้านใดด้านหนึ่ง (ก็คือ m, T1, T2 ครับ)  คำนวณหา Q แล้วก็เอา Q ไปคำนวณหาข้อมูลด้านที่เหลือที่มีข้อมูลอยู่ 2 ตัว ก็จะได้ข้อมูลครบ

ยกเว้นกรณีลูกค้าบอกว่าใช้    Cooling tower สำหรับด้าน Hot side  วิศวกรก็จะประมาณ Flow rate ให้ครับ อาจจะไม่เกิน 2 เท่าของด้าน Cold side  และอุณหภูมิก็ประมาณให้ได้ครับเช่นที่ประเทศไทย T1 น่าจะประมาณ 30 °C

สมมุติว่าต้องการแลกเปลี่ยนระหว่างน้ำเย็นและน้ำร้อนครับ

Q hot      =   Q cold

Q hot      =   20 kg/s  x  4.18 kj/kg°C  x  10 °C

Q cold     =    10 kg/s  x  4.18 kj/kg°c  x 20 °C

จะเห็นว่าถ้าเราลด Folw น้ำเย็นลงครึ่งหนึ่ง เราก็จะได้ค่า ΔT ของน้ำเย็นเพิ่มขึ้น 2 เท่าครับ

ข้อมูลด้านฝั่งวิศวกรของบริษัทฯ

ข้อมูลด้านนี้จะเกี่ยวกับกับผู้ออกแบบและผู้ผลิตครับ และก็เกี่ยวข้องกับ spec ที่มีผลต่อราคาเครื่องครับ

เราใช้สูตร                                     

Q  =  U. A. LMTD

Q    =   ค่า KW ที่คำนวณได้จากลูกค้าครับ

A    =   พื้นที่ หน่วยเป็น  m2 (ตารางเมตร)

U    =   หรือค่า K ครับ คือสัมประสิทธิ์การแลกเปลี่ยนความร้อน 

            (Heat  transfer coefficient)ของแผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละรุ่นหน่วยเป็น   

            (KW/ °K.m2) พูดง่ายๆก็คือ ความสามารถในการแลกเปลี่ยนความร้อนครับ   

เช่น  pate รุ่น VT มีค่า U ที่ 3,000 KW/ °K m2  ก็คือ  Plateรุ่นนี้มีความ สามารถในการนำความร้อนได้ 3,000 KW  โดยวัดจากในการทำให้น้ำมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเคลวิน ในพื้นที่  1 ตารางเมตรครับ (ความจริง Plate รุ่นเดียวกัน ค่า K อาจจะไม่เท่ากันน่ะครับ เพราะมีปัจจัยอื่นๆอีก เดี๋ยวจะอธิบายเพิ่มครับ)

เมื่อสลับสูตร

A   =  Q  /  U. LMTD

เห็นไหมครับ ที่นี้เราก็จะได้พื้นที่ทั้งหมดที่ต้องใช้ในการแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อให้ได้อุณหภูมิตามที่ต้องการแล้ววิศวกรก็นำไปคิดราคาเสนอลูกค้าได้    คำนวณจากพื้นที่แต่ละรุ่น แต่ละแผ่น  แต่ความจริงแล้วต้องไปดูความเร็วหน้า port ที่เหมาะสมด้วยนะครับ เช่น  ถ้า Flow เยอะๆ แต่ไปใช้ Plate รุ่นเล็ก หลายๆแผ่นอยากให้ราคาถูก ปรากฏว่าความเร็วหน้า port มากเกินไป ก็มีผลเรื่องเสียงดังแล้วก็ตัว  rubber insert อาจจะเสียหายเร็ว ปกติโปรแกรมของทาง GEA เขาก็จะมีเตือนให้ตลอดครับ

ส่วน LMTD คือ Log mean temperature ครับ ก็นำค่า ΔT  มาใส่ในสูตรครับ ข้อมูลมีอยู่แล้วจาก requirement ลูกค้า

แต่ระวังสักนิดครับ ว่าเป็นการแลกเปลี่ยนแบบ Co-Current หรือ Counter Current ครับ การคำนวณค่า ΔT ต่างกัน ตามรูปด้านล่าง

Co Current :  Δ T1  =  H in -  C in,  ΔT2  = H out – C out

Counter  Current :   Δ T1  =  H in -  C out,  ΔT2  = H out – C in

บทความฉบับหน้าจะเขียนถึง Factor ทั้งหมดที่มีผลต่อการแลกเปลี่ยนความร้อนนะครับ

ก็คือปัจจัยทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับค่า U และปัจจัยที่ทางโรงงานเขาพยายามพัฒนาครับ

ทีมงาน ไทยเฟล็กซ์ครับ

081-6522339