ทำความรู้จัก Shell and Tube Heat Exchanger MO Memoir : Wednesday 15 July 2558

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchanger) เป็นอุปกรณ์หนึ่งที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรม หน้าที่ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนคือการถ่ายเทพลังงานความร้อนจากของไหลสายหนึ่งให้กับของไหลอีกสายหนึ่ง

  

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้กันในอุตสาหกรรมมีหลากหลายรูปแบบ รูปแบบหนึ่งที่เห็นใช้กันแพร่หลายมากที่สุดเห็นจะได้แก่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube นี้มีหลากหลายรูปแบบดังตัวอย่างแสดงในรูปที่ ๑ แต่มีลักษณะหนึ่งร่วมกันคือมีผนังด้านนอกที่เรียกว่า shell และมีท่อ (tube) สอดอยู่ภายใน

  

ของเหลวสายหนึ่งจะไหลเข้าไปใน tube และออกไปตาม tube ในขณะที่ของเหลวอีกสายหนึ่งจะไหลเข้ามาในที่ว่างภายในระหว่าง tube กับ shell และไหลออกไป ส่วนโครงสร้างแต่ละชิ้นของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube นี้มีชื่อเรียกว่าอะไรบ้างก็ดูได้จากรูปที่ ๒

ตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ตามข้อกำหนด TEMA (รูปที่ ๓) แบ่งออกเป็น 3 ส่วนคือ

  

(ก) ส่วนด้านหน้า (front end) คือส่วนที่รับของไหลที่จะไหลเข้ามาใน tube ด้านนี้จะเป็นด้านที่ยึดตรึงปลายข้างหนึ่งของ tube เอาไว้ และในกรณีที่ของไหลที่ไหลใน tube นั้นมีการไหลวนกลับ ด้านนี้ก็จะเป็นด้านที่มีท่อทางให้ของไหลที่ไหลผ่าน tube นั้นไหลออกไปด้วย

(ข) ส่วนลำตัว (shell) คือส่วนที่ห่อหุ้ม tube bundle เอาไว้ ส่วนช่องทางให้ของไหลไหลเข้า-ออกได้นั้นมีรูปแบบใดบ้าง ก็ดูได้ในรูปที่ ๓

  

(ค) ส่วนด้านหลัง (rear end) ส่วนนี้เป็นส่วนที่รองรับของไหลที่ไหลผ่าน tube มาจากส่วนด้านหน้า ถ้าหากเป็นการไหลผ่านเพียงครั้งเดียว (1 pass) ส่วนนี้ก็จะมีช่องทางให้ของไหลที่ไหลผ่าน tube นั้นไหลออกไปจากตัวเครื่อง แต่ถ้าหากต้องการให้ของไหลที่ไหลผ่าน tube มาแล้วนั้นไหลวนกลับไปใหม่ ส่วนนี้ก็เป็นเพียงแค่ฝาปิด ไม่มีช่องทางให้ของไหลไหลออก

ปลายของ tube ที่อยู่ทางด้านส่วนด้านหลังนี้อาจถูกยึดตรึงเอาไว้กับโครงสร้างของส่วน shell เช่นเดียวกับส่วนด้านหน้า (เช่นรูปแบบ L M และ N ที่เป็น fixed tube sheet) หรือถูกยึดตรึงไว้กับโครงสร้างที่เคลื่อนตัวได้อย่างอิสระภายในส่วน shell และส่วนด้านหลัง (เช่นรูปแบบ P S และ T ที่เป็น floating head) หรือเป็นท่อโค้งรูปตัว U ซึ่งสองรูปแบบหลังนี้ ยอมให้ tube มีการยืด-หดตัวเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ดีกว่า
   

รูปที่ ๑ ตัวอย่างหน้าตาของ Shell and Tube heat exchanger

การที่จะเลือกให้ของเหลวสายไหนไหลเข้า tube หรือเข้า shell นั้นมีหลายปัจจัยที่ต้องนำมาพิจารณา เช่น

(ก) ความดัน : tube นั้นมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า shell มาก ดังนั้นความสามารถในการรับความดันของ tube จึงสูงกว่า shell มากแม้ว่าเนื้อโลหะของ tube จะบางกว่า ถ้าให้ของไหลที่มีความดันสูงกว่าไหลเข้าใน tube ก็ไม่จำเป็นต้องออกแบบให้ shell ต้องรับความดันที่สูงนั้นตามไปด้วย (ซึ่งจะทำให้ความหนาของผนัง shell เพิ่มขึ้นมาก) แต่ทั้งนี้ก็ยังต้องป้องกัน shell ไม่ให้เกิดความเสียหายถ้าหาก tube เกิดการรั่ว (เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นได้เสมอ) ด้วยการติดตั้งวาล์วระบายความดันให้กับส่วน shell เพื่อป้องกันไม่ให้ส่วน shell เสียหายจากความดันที่สูงเกินถ้าหาก tube เกิดการรั่ว

(ข) อุณหภูมิ : สิ่งที่เราต้องการคือการถ่ายเทความร้อนจากของไหลที่มีอุณหภูมิสูงให้กับของไหลที่มีอุณหภูมิต่ำ การออกแบบให้ของไหลที่มีอุณหภูมิสูงไหลอยู่ใน tube ทำให้การถ่ายเทความร้อนของของไหลที่มีอุณหภูมิสูงนั้นทำได้แค่เพียงให้กับของไหลที่มีอุณหภูมิต่ำเท่านั้น และยังทำให้ส่วน shell ไม่ต้องเผชิญกับอุณหภูมิที่สูงจากของไหลที่ร้อนด้วย
  

แต่ทั้งนี้ก็ไม่เสมอไปนะ อย่างเช่น reboiler (ที่ตำราภาษาไทยบางตำราแปลว่า "หม้อต้มซ้ำ") ที่ก้นหอกลั่น ถ้าเป็นแบบ kettle type จะให้ไอน้ำ (หรือของไหลที่ทำหน้าที่ให้ความร้อนในการต้ม) ไหลใน tube และของเหลวที่ต้องการต้มไหลใน shell แต่ถ้าเป็นแบบ vertical thermosyphon type จะให้ของไหลให้ความร้อนไหลใน shell และของเหลวที่ต้องการต้มไหลใน tube เข้าทางด้านล่าง เพื่อให้ของเหลวใน tube นั้นเดือดกลายเป็นไอพุ่งออกไปทางด้านบน
  
(ค) การกัดกร่อน : ของไหลที่ไหลเข้าด้าน shell นั้นจะสัมผัสทั้งตัว tube และตัว shell ถ้าเลือกให้ของไหลที่มีฤทธิ์กัดกร่อนไหลเข้าด้าน shell โลหะที่ใช้ทำ tube และ shell นั้นจะต้องทนต่อการกัดกร่อนนั้นด้วย แต่ถ้าเลือกให้ของไหลนั้นไหลเข้าด้าน tube แทน ก็ไม่จำเป็นต้องให้ด้าน shell ทำจากโลหะที่ต้องทนต่อการกัดกร่อนนั้นตามไปด้วย
  

(ง) โอกาสมีสิ่งสกปรกอุดตัน : สิ่งสกปรกที่สะสมในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนี้อาจเป็นของแข็งที่แขวนลอยมากับของไหลที่ไหลผ่าน หรือเกิดจากปฏิกิริยาเคมี หรือค่าการละลายที่ลดลง เกิดเป็นคราบสกปรกหรือตะกรันเกาะผิว ทำให้ความสามารถในการถ่ายเทความร้อนลดลง ในกรณีนี้ก็ต้องมีการถอดทำความสะอาดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อล้างเอาสิ่งสกปรกนั้นออกไป ผิวด้านนอกของ tube ที่อยู่บริเวณตอนกลางนั้น ยากที่จะเข้าถึง ทำให้ล้างทำความสะอาดได้ยาก เว้นแต่จะใช้สารเคมีเข้าไปละลายออกมา (แต่ก็ขึ้นกับการออกแบบระยะห่างระหว่างท่อและรูปแบบการจัดเรียง

  
แต่ถ้าออกแบบให้ท่อห่างกันมากก็จะล้างทำความสะอาดได้ง่ายขึ้น แต่ก็จะทำให้ตัวเครื่องมีขนาดใหญ่มากตามไปด้วย และอาจส่งผลต่อความเร็วการไหลของของไหลที่ไหลในด้าน shell ด้วย) ในขณะที่ tube ที่เป็นท่อตรงนั้นล้างทำความสะอาดได้ง่ายกว่า (เช่นใช้น้ำความดันสูงฉีดล้าง)
   

รูปที่ ๒ ชื่อเรียกชิ้นส่วนต่าง ๆ ในรูปที่ ๑

รูปที่ ๓ ความหมายของคำย่อ ๓ ตัวอักษรในรูปที่ ๑ (รูปที่ ๑-๓ นำมาจาก http://www.thermopedia.com/content/1121/)

จะเห็นว่าโดยหลักการก็คือ ถ้าทำได้ก็ควรพยายามหลีกเลี่ยงอย่าให้ของไหลตัวที่ก่อปัญหาไหลเข้าทางด้าน shell ไม่ว่าจะเป็นในเรื่อง อุณหภูมิ ความดัน การกัดกร่อน หรือความสกปรก เพราะนั่นจะทำให้ต้องออกแบบให้โลหะที่ทำ shell และ tube (ไม่ว่าจะเป็นชนิดวัสดุหรือความหนา) ต้องทนต่อของไหลดังกล่าวได้ และควรต้องคำนึงถึงความสะดวกในการล้างทำความสะอาดด้วย
  

เนื่องจากของไหลที่ไหลผ่าน shell และ tube นั้นมีอุณหภูมิที่แตกต่างกัน และชนิดของโลหะที่ใช้ทำ shell และ tube ยังอาจแตกต่างกันด้วย ดังนั้นอีกปัจจัยที่ควรต้องนำมาพิจารณาในการเลือกชนิดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube คือการขยายตัวของโลหะ ตัวอย่างเช่นในรูปที่ ๑ ตัวอย่าง a) ที่เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด BEM จะมี expansion joint (หมายเลข 14) เพื่อให้ส่วน shell ขยายตัวได้ง่ายขึ้น หรือในตัวอย่าง c) ที่เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด AES ปลาย tube ทางด้านขวาจะยึดเข้ากับ floating head cover (หมายเลข 16) ที่อยู่ภายใน shell cover (หมายเลข 9) อีกที ในกรณีนี้ทำให้ tube ที่ร้อนนั้นสามารถยืด-หดตัวได้อย่างอิสระโดยไม่ขึ้นกับส่วน shell

ที่เล่ามาข้างต้นก็เพื่อให้คนที่เรียนทางวิศวกรรมเคมีได้มองเห็นภาพบางภาพที่เกี่ยวข้องกับการกำหนดคุณลักษณะเฉพาะ (specification) ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube บ้าง

Economizer เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดหนึ่ง เมื่อพูดถึงคำนี้ก็มักจะเกี่ยวข้องกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้ในการดึงความร้อนออกจากแก๊สเผาไหม้ก่อนปล่อยออกสูงบรรยากาศ ของไหล (อาจเป็นน้ำ หรือน้ำมัน หรือแก๊ส ที่ต้องการอุ่นให้ร้อน) จะไหลอยู่ในท่อที่ติดตั้งอยู่ในปล่องเส้นทางการปล่อยแก็สร้อนทิ้ง แก๊สร้อนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล (เช่นถ่านหิน) ที่ต้องการปล่อยออกสู่บรรยากาศนั้นไม่ได้มีความดันมากมายอะไรนัก (เผลอ ๆ ในระบบท่ออาจมีความดันต่ำกว่าบรรยากาศอีก เพราะใช้ blower ทำให้เกิด induced draft ทางด้านปากปล่อง ดูดอากาศให้ไหลเข้าเตาเผา วิธีการเช่นนี้ยังมีข้อดีตรงที่ถ้ามีรูรั่ว อากาศจากภายนอกจะรั่วเข้าไปในปล่อง ไม่ใช่ควันในปล่องรั่วออกมาข้างนอกก่อนถึงปากปล่อง) จะไหลผ่านท่อดังกล่าวทางด้านนอก

ในโรงงานแห่งหนึ่งใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิง ทำให้มีเถ้าลอยปะปนอยู่ในแก๊สปล่อยทิ้งค่อนข้างมาก ดังนั้นก่อนที่จะระบายแก๊สออกสู่บรรยากาศจึงต้องมีการกรองแก๊สนั้นก่อนด้วย bag filter เป็นด่านสุดท้าย (ก่อนหน้านี้มีไซโคลนกรองฝุ่นเถ้าลอยที่มีขนาดใหญ่ออกไปบ้างแล้ว)
  

แต่ทีนี้ผ้ากรองที่ใช้ใน bag filter นั้นมันไม่ทนอุณหภูมิสูง จึงต้องทำให้แก๊สที่ผ่าน economizer มาแล้วเย็นตัวลงอีกและสิ่งทีโรงงานนั้นติดตั้งก็คือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ที่วางในแนวดิ่ง โดยแก๊สร้อน (ที่มีเถ้าปะปน) จะไหลเข้าทางด้านบน ผ่าน tube ลงด้านล่าง (คาดหวังให้ขี้เถ้าที่เข้าทางด้านบนนั้นตกลงทางด้านล่างผ่าน tube ออกไปและมีน้ำที่จะส่งต่อไปยัง deaerator มาระบายความร้อนออกไป
  

แต่แก๊สที่ขี้เถ้าแขวนลอยมาด้วยนั้น เมื่อไหลมาตามท่อเข้าสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ที่วางในแนวดิ่งโดยแก๊สร้อนจะเข้าทางด้านข้าง (ทำมุมฉากกับแนว tube) ของส่วนบนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (ส่วนด้านหน้า) ทำให้แก๊สมีความเร็วลดลงมากเนื่องจากพื้นที่หน้าตัดการไหลเพิ่มขึ้นมาก ทำให้เถ้าลอยเกิดการตกสะสมอุดตันทางเข้า tube และภายในตัว tube ทำให้โรงงานต้องมีการหยุดเดิมเครื่องทุก ๆ ประมาณ ๓-๔ สัปดาห์เพื่อทำความสะอาด และอีกสาเหตุหนึ่งที่ผมสงสัยว่าอาจเกี่ยวข้องด้วยก็คือมีจำนวน tube มากเพื่อหวังผลในการดึงความร้อนออก (มี tube มาก พื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนก็มาก) แต่อาจมีมากเกินไปจนทำให้ความเร็วแก๊สที่ไหลผ่านแต่ละ tube นั้นไม่สูงมากพอที่จะสร้างแรงเฉือนพัดพาเอาขี้เถ้าที่เกิดติดผนังท่อออกไปได้

เมื่อวันศุกร์ที่แล้วผมได้ฟังข้อเสนอที่จะแก้ปัญหาดังกล่าวโดยการเปลี่ยนเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนใหม่ โดยออกแบบให้แก๊สที่มีเถ้าลอยปะปนมานั้นเข้าทาง shell และน้ำที่ต้องการอุ่นให้ร้อนเข้าทาง tube โดยอิงมาจาก economizer ของโรงงานที่ให้น้ำอยู่ใน tube และมีแก๊สร้อนไหลผ่านอยู่รอบนอก (เขาเห็น economizer ไม่มีปัญหาเถ้าลอยเกาะสมสม ก็เลยคิดจะเลียนแบบ)
  

ผมนั่งฟังดูแล้วก็รู้สึกสงสัยอะไรบางอย่าง เพราะดูเผิน ๆ มันอาจจะคล้ายกันแต่ก็ไม่เหมือนกัน คือในกรณีของ economizer นั้นท่อทางการไหลของแก๊ส (ที่มีเถ้าลอยปะปน) นั้นไม่ได้มีการเพิ่มขนาดขึ้นมากเมื่อไหลผ่านขดท่อของ economizer ทำให้เถ้าลอยที่ลอยมากับแก๊สนั้นถูกพัดออกไป (เพราะความเร็วแก๊สทีไหลผ่านไม่ได้ตกลงมาก) และระยะห่างระหว่างท่อแต่ละท่อของ economizer ก็ค่อนข้างมาก

แต่ในกรณีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ shell and tube นั้น เส้นทางการไหลในส่วน shell มันมีมุมอับอยู่
  

หลายตำแหน่งโดยเฉพาะตรงมุมของแผ่น buffle ด้านติดกับผนัง shell ผมเกรงว่าจะเกิดปัญหาการสะสมของขี้เถ้าในส่วน shell มากกว่าเดิมอีกและการล้างทำความสะอาดก็จะยากกว่าด้วย โดยเฉพาะผิวด้านนอกของท่อที่อยู่ตรงกลาง tube bundle
  

นอกจากนี้แก๊สที่ไหลเข้าด้าน shell นั้นจะไหลตั้งฉากกับผิวด้านนอกของท่อ โอกาสที่จะเกิด erosion กับผิวนอกของท่อที่อยู่ใกล้ปากทางรับแก๊สเข้าเนื่องจากของแข็งที่แขวนลอยมากับแก๊สก็น่าจะสูงขึ้นมาก

ดูเหมือนว่าสิ่งที่ผมตั้งข้อสังเกตถามเขาไปเมื่อวันศุกร์ที่แล้วนั้นไม่ได้มีการคำนึงถึงเอาไว้ก่อน เพราะพอถามเขาไปเขาก็นิ่งตอบ (ดูเหมือนว่าในขณะนี้มีการสร้างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ตามที่เขาออกแบบไปแล้ว รอสร้างเสร็จและนำมาติดตั้ง)
  

ที่สำคัญก็คือเรื่องเหล่านี้มันไม่มีบอกในโปรแกรม simulation ต่าง ๆ ที่ใช้กันในการคำนวณพื้นผิวสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน มันเป็นเรื่องที่ต้องมองจากการปฏิบัติงานจริง
  

ถ้าเป็นผมเองผมจะลองพิจารณาว่ายังคงให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเดิม แต่ลดจำนวน tube ให้น้อยลง และเพิ่มจำนวนเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนให้มากขึ้น (เช่นมีสองเครื่องซ้อนกันในแนวดิ่งโดยไหลจากบนลงล่าง) จะดีกว่าไหม แต่จะว่าไปแล้วทราบว่าทางโรงงานนั้นเองเขาก็มีข้อจำกัดในด้านสถานที่สำหรับติดตั้งซะด้วย
  

ผมไม่ทราบรายละเอียดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องใหม่ที่เขาออกแบบ แต่งานนี้ผมเกรงว่าติดตั้งเสร็จเมื่อใดอาจจะอยู่ได้ไม่เกินอาทิตย์ก็คงต้องหยุดเดิ่มเครื่องเพื่อทำความสะอาดแล้ว