อุปกรณ์นี้ในวงการบางทีเขาก็เรียกว่า
Heater
บ้างก็เรียกว่า
Furnace
เรียกยาวขึ้นมาหน่อยก็คือ
Fired
heater แต่พอเอาคำเหล่านี้ไปค้นหารูปภาพใน
google
ปรากฏว่าภาพเกือบทั้งหมดที่มันค้นเจอมันไม่ใช่สิ่งที่ต้องการจะกล่าวถึงในวันนี้
ต้องใช้คำว่า "Fired process heater" จึงได้ในสิ่งที่ต้องการ
Fired process heater ในที่นี้เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เพิ่มอุณหภูมิให้กับของไหล
(ซึ่งอาจเป็นของเหลวหรือแก๊ส)
โดยให้ของไหลนั้นไหลอยู่ในท่อ
และมีเปลวไฟให้ความร้อนอยู่ภายนอกท่อนั้น
ซึ่งต่อไปจะขอเรียกสั้น ๆ
ว่า Fired
heater
ของไหลที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้มากที่สุดเห็นจะได้แก่
"ไอน้ำ"
ที่มีการนำเอาไออิ่มตัว
(saturated
steam
คือไอน้ำที่มีอุณหภูมิเดียวกับจุดเดือดของน้ำที่ความดันที่ทำการต้มน้ำนั้น)
มาให้ความร้อนต่อเพื่อให้กลายเป็นไอร้อนยิ่งยวดหรือไอดง
(superheated
steam คือไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของน้ำ)
เพื่อใช้สำหรับส่งไปตามระบบท่อหรือนำไปขับเคลื่อนกังหันไอน้ำ
กระบวนการผลิตจำนวนไม่น้อยในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมและปิโตรเคมีต้องมีการเพิ่มอุณหภูมิให้กับของไหลเพื่อให้ของไหลนั้นมีอุณหภูมิสูงพอที่จะเกิดปฏิกิริยา
เช่นการทำให้โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนหรือสารอินทรีย์แตกตัวเป็นโมเลกุลที่เล็กลง
(เพื่อลดความหนืด
หรือการผลิตโอเลฟินส์จากไฮโดรคาร์บอน)
หรือในปฏิกิริยา
steam
reforming ที่ใช้ในการผลิตแก๊สไฮโดรเจนจากมีเทน
ในกระบวนการเหล่านี้ทำการเพิ่มอุณหภูมิของสารตั้งต้นด้วยการใช้
Fired
heater
Memoir
ฉบับนี้เป็นการแนะนำให้รู้จักกับพัฒนาการของ
Process
fired heater โดยนำข้อมูลมาจากเอกสารการฝึกอบรมเมื่อประมาณ
๓๐ ปีที่แล้ว
แม้ว่าอายุของเอกสารห่างจากช่วงเวลาปัจจุบันมาก
แต่ก็เชื่อว่ายังสามารถใช้เพื่อปูพื้นความรู้ให้กับวิศวกรจบใหม่หรือยังไม่มีประสบการณ์ได้
ในหลักสูตรวิศวกรรมเคมีนั้น
การออกแบบอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน
(heat
exchanger) ต่าง
ๆ มักจะเกี่ยวข้องกับการถ่ายเทความร้อนด้วยการนำความร้อน
(conduction)
และการพาความร้อน
(convection)
เป็นหลัก
จะมีพิเศษก็ตรง Fired
heater ตัวนี้นี่แหละที่เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีความร้อน
(radiation)
ก่อนอื่นของทบทวนความรู้เกี่ยวกับการแผ่รังสีความร้อนกันเล็กน้อย
ในช่วงอุณหภูมิต่ำนั้น
(เช่นระดับไม่กี่ร้อยองศาเซลเซียส)
ปริมาณความร้อนที่ถ่ายทอดกันระหว่างวัตถุด้วยกลไกการแผ่รังสีความร้อนนั้นเรียกได้ว่า
"ไม่มีนัยสำคัญ"
แต่การทำให้ของไหลในกระบวนการมีอุณหภูมิขึ้นไปถึงระดับใกล้
1000ºC
หรือมากกว่านั้น
เราจำเป็นต้องมีแหล่งให้พลังงานความร้อนที่มีอุณหภูมิที่สูงกว่า
แหล่งให้ความร้อนดังกล่าวที่มักจะใช้กันก็คือ
"เปลวไฟ"
และการถ่ายเทความร้อนจากเปลวไฟไปยังวัตถุที่อยู่รอบ
ๆ จะผ่านทางกระบวนการหลัก
๒ กระบวนการคือ
การแผ่รังสีความร้อนจากเปลวไฟ
และการพาความร้อนด้วยแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงที่ทำให้เกิดเปลวไฟ
พลังงานจากการแผ่รังสีความร้อนนั้นจะแปรผันตามอุณหภูมิยกกำลัง
"4"
ดังนั้นสำหรับเปลวไฟที่มีอุณหภูมิสูง
การส่งผ่านพลังงานด้วยการแผ่รังสีความร้อนนั้นจะโดดเด่นกว่าการพาความร้อนอยู่มาก
รูปที่ ๑
ในหน้าถัดไปแสดงพลังงานของรังสีความยาวคลื่นต่าง
ๆ ที่แผ่ออกมาจากวัตถุดำที่มีอุณหภูมิในช่วง
1000-2000ºC
จะเห็นว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น
พลังงานการแผ่รังสีความร้อนในช่วงคลื่นอินฟราเรดจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว
ในขณะที่พลังงานการแผ่รังสีในช่วงแสงที่ตา
มองเห็นและอัลตร้าไวโอเล็ตนั้นไม่ได้เพิ่มมากขึ้นอย่างโดดเด่นตามไปด้วย
การส่งผ่านพลังงานความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อนนั้นแตกต่างไปจากการพาความร้อนตรงที่
แหล่งที่จะรับพลังงานความร้อนจากการแผ่รังสีความร้อนได้นั้นจะต้อง
"มองเห็น"
แหล่งให้พลังงานความร้อน
เพราะรังสีอินฟราเรด
(ที่เป็นตัวให้พลังงานความร้อน)
นั้นมันเดินทางเป็นเส้นตรง
ดังนั้นพื้นผิวใด ๆ
ที่มองเห็นแหล่งให้พลังงานความร้อนก็จะรับพลังงานความร้อนจากการแผ่รังสีได้
ในขณะที่พื้นผิวที่มองไม่เห็นแหล่งกำเนิดรังสีความร้อนจะไม่สามารถรับความร้อนจากการแผ่รังสีความร้อนของแหล่งกำเนิดความร้อนหลักได้โดยตรง
แต่อาจได้รับการแผ่รังสีความร้อนจากพื้นผิวอื่นที่ดูดซับรังสีความร้อนจากแหล่งกำเนิดความร้อนหลักเอาไว้
แล้วแผ่ออกมาอีกที (รูปที่
๒)
รูปที่
๒
พื้นผิวท่อในช่วงมุมมองของลูกศรสีน้ำเงินจะรับรังสีความร้อนจากแหล่งกำเนิดรังสีความร้อนโดยตรง
ส่วนพื้นผิวท่อที่มองไม่เห็นแหล่งกำเนิดรังสีความร้อนนั้น
จะสามารถรับรังสีความร้อนที่ผนังเตาด้านหลังแผ่ออกมา
โดยผนังเตาด้านหลังนี้จะดูดซับรังสีความร้อนจากแหล่งกำเนิดรังสีความร้อนเอาไว้
และเปล่งรังสีความร้อนออกมาอีกที
แต่เนื่องจากผนังเตามีอุณหภูมิต่ำกว่าแหล่งกำเนิดรังสีความร้อน
ดังนั้นพลังงานรังสีความร้อนที่ผนังเตาเปล่งออกมาจึงมีระดับที่ต่ำกว่าพลังงานรังสีความร้อนที่เปล่งออกมาจากแหล่งกำเนิดรังสีความร้อน
ทำให้ผิวท่อด้านหลังนั้นมีอุณหภูมิต่ำกว่าผิวท่อด้านหน้า
สิ่งหนึ่งที่ต้องพิจารณาในการออกแบบรูปแบบการวางท่อคือเฟสของของไหลที่ไหลอยู่ในท่อว่าเป็นของเหลว
แก๊ส และมีการเปลี่ยนเฟสจากของเหลวไปเป็นแก๊สด้วยหรือไม่
เฟสของของไหลจะเป็นตัวกำหนดวิธีการเลือกรูปแบบการวางท่อว่าจะวางในแนวราบ
(พอถึงปลายด้านหนึ่งก็ใช้ข้องอเพื่อไหลเข้าสู่ท่อที่อยู่ในระดับความสูงเหนือขึ้นไป
หรือเป็นแบบขดท่อ)
หรือวางในแนวดิ่ง
(พอไหลลง
(หรือขึ้น)
ถึงปลายท่อด้านหนึ่งก็จะเข้าสู่ข้องอเพื่อให้ไหลวกกลับขึ้น
(หรือลง)
ในท่ออีกท่อหนึ่งที่อยู่เคียงข้าง
(รูปที่
๓)
ในกรณีของของเหลวนั้น
การไหลในท่อแนวราบ (ที่ค่อย
ๆ ไต่ระดับขึ้น)
จะเหมาะสมกว่า
(ตรงนี้ลองพิจารณาในแง่การเติมของเหลวให้เต็มท่อ
โดยเริ่มจากท่อเปล่าที่มีแก๊สอยู่ข้างไหน
แล้วเราต้องการเติมของเหลวให้เต็มท่อโดยไม่ให้มีแก๊สเหลือตกค้างในท่อ
การเติมของเหลวเข้าทางด้านล่างขึ้นบนในทิศทางเดียวจะไล่แก๊สออกทางด้านบน)
แต่การวางท่อยาวในแนวราบนั้นจะมีปัญหาตรงที่ต้องมีจุดรองรับท่อหลายตำแหน่งตลอดความยาวท่อ
และเมื่อท่อโลหะร้อนจะเกิดการขยายตัว
ทำให้เกิดการตกท้องช้าง
(sagging)
ตรงบริเวณระหว่างจุดรองรับสองตำแหน่งได้
ซึ่งปัญหาเรื่องการตกท้องช้างนี้จะไม่เกิดขึ้นกับการวางท่อในแนวดิ่ง
(คือจับท่อด้านบนเอาไว้แล้วปล่อยให้ขยายตัวอย่างอิสระลงล่างได้
หรือจับยึดปลายท่อด้านล่างแล้วปล่อยให้ขยายตัวขึ้นด้านบน)
แต่การป้อนของเหลวให้ไหลในท่อแบบนี้จะมีปัญหาเรื่องการเติมของเหลวให้เต็มท่อ
รูปที่
๓ (ซ้าย)
การวางท่อในแนวนอน
ของเหลวจะไหลจากล่างขึ้นบนได้ง่าย
(ไหลเต็มท่อ)
แต่จะมีปัญหาเรื่องท่อตกท้องช้างเมื่อขยายตัว
(ขวา)
การวางท่อในแนวดิ่งจะไม่มีปัญหาเรื่องท่อตกท้องช้าง
เพราะปล่อยให้ท่อยืดตัวอย่างอิสระลงล่างได้
แต่จะยากกว่าในการไล่แก๊สที่ค้างอยู่ในท่อออกให้หมด
โดยเฉพาะเมื่อของเหลวไหลจากบนลงล่างและตรงตำแหน่งสูงสุดด้านบนของข้องอ
ส่วนการเปลี่ยนเฟสนั้นก่อให้เกิดปัญหาในเรื่องการระบายความร้อนของผนังท่อ
ของเหลวนั้นรับความร้อนได้ดีกว่าแก๊ส
ดังนั้นเมื่อให้ความร้อนเท่ากัน
ผิวโลหะของท่อส่วนที่มีของเหลวไหลผ่านจะไม่ร้อนจัดมากเหมือนผิวโลหะของท่อส่วนที่เป็นแก๊สไหลผ่าน
ดังนั้นถ้าออกแบบให้ท่อส่วนใดรับความร้อนโดยมีของเหลวไหลอยู่ข้างใน
ก็ต้องระวังไม่ให้ท่อส่วนนั้นรับความร้อนโดยมีแก๊สไหลอยู่ข้างใน
(เช่นของเหลวเกิดการเดือดกลายเป็นไอก่อนไหลมาถึงท่อส่วนนั้น)
รูปที่
๔ เป็น Fired
heater ชนิด
Helical
heater โครงสร้างของ
Fired
heater
ชนิดนี้ถ้ามองจากด้านบนจะเห็นเป็นวงกลมโดยมีขดท่ออยู่ใกล้กับผนังด้านในขดจากล่างขึ้นบนและมีหัวเตา
(burner)
จุดเปลวไฟอยู่ตรงกลาง
ข้อดีของ Fired
heater รูปแบบนี้คือมีโครงสร้างที่เรียบง่าย
ราคาถูก แต่มีประสิทธิภาพต่ำ
เหมาะสมสำหรับงานที่ทำเป็นครั้งคราวโดยไม่ต้องคำนึงถึงค่าใช้จ่ายในการเดินเครื่องเท่าใดนัก
และเนื่องจากไม่สามารถทำความสะอาดภายในท่อได้
จึงเหมาะสมสำหรับกระบวนการที่สะอาดเท่านั้น
(กล่าวคือของไหลนั้นไม่สกปรก
หรือไม่ทำให้เกิดคราบสกปรกจากปฏิกิริยาข้างเคียงที่เกิดขึ้น)
รูปที่
๕ เป็นชนิด Vertical
cylindrical heater Fired heater ชนิดนี้คล้ายคลึงกับ
Helical
heater ในรูปที่
๔ แต่สามารถสร้างให้ใหญ่กว่าได้
เหมาะสำหรับการเดินเครื่องทำงานเป็นครั้งคราว
รูปแบบที่แสดงในรูปวางท่อตั้งในแนวดิ่งและไม่มีท่อรับความร้อนในส่วน
convection
(คือท่อที่อยู่ทางด้านปล่องระบายแก๊สร้อนออก
เพื่อดึงความร้อนออกจากจากแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง
ซึ่งเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน)
รูปที่
๖ เป็น Fired
heater ชนิด
Vertical
cylindrical heater with convection
ที่มีการวางท่อในแนวดิ่งในทำนองเดียวกับรูปที่
๕ แต่มีส่วนรับความร้อนจากแก๊สร้อน
(ส่วน
convection)
เพิ่มเติมเข้ามา
ทำให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงานดีขึ้น
ท่อในส่วน convection
นั้น
ท่อสองแถวล่างสุดจะเป็นส่วนที่มองเห็นเปลวไฟ
ดังนั้นท่อส่วนนี้จะได้รับความร้อนจากการแผ่รังสีความร้อนด้วย
(เรียกว่า
"shock
tube") เป็นท่อผิวนอกเรียบไม่มีครีบ
ส่วนท่อที่อยู่เหนือขึ้นไปนั้นจะได้รับความร้อนจากแก๊สร้อนที่ไหลผ่านเพียงอย่างเดียว
สามารถใช้ท่อที่ผิวนอกมีครีบได้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการดึงความร้อนออกจากแก๊สร้อนที่ไหลผ่านภายนอกท่อ
Fired
heater ในรูปที่
๕ และ ๖ นั้นสามารถมีท่อรับของเหลวเข้าได้มากกว่า
๑ เส้นทาง (เรียกว่า
pass)
ดังเช่นในรูปที่
๕ นั้นเป็นชนิด 2
pass (ส่วนหนึ่งเข้าทางซ้ายอีกส่วนหนึ่งเข้าทางขวา)
ส่วนในรูปที่
๖ นั้นเป็นชนิด 4
pass คือมีท่อที่เข้าที่ตำแหน่ง
๓ นาฬิกาจำนวน ๒ ท่อ
โดยไหลออกที่ตำแหน่ง ๑๒
นาฬิกา ๑ ท่อและ ๖ นาฬิกา ๑
ท่อ ท่อทางเข้าอีกสองท่ออยู่ที่ตำแหน่ง
๑๒ นาฬิกาและไหลออกที่ตำแหน่ง
๑๒ นาฬิกา ๑ ท่อและ ๖ นาฬิกา
๑ ท่อเช่นกัน
รูปที่
๔ Helical
heater ในรูปนี้
process
fluid จะเข้าทางด้านล่างเข้าสู่ขดท่อ
(ที่ขดเป็นวงแบบขดสปริงไปรอบ
ๆ ผนังด้านในและไหลออกทางด้านบน
เปลวไฟจะอยู่ทางด้านล่าง
(พร้อมช่องให้อากาศเข้า)
โดยมี
damper
(บานปิด-เปิด)
ทำหน้าที่ควบคุมปริมาณอากาศที่ไหลเข้า-ออก
รูปที่
๗ เป็น Fired
heater ชนิด
Cabin
heater Fired heater
ชนิดนี้ถ้ามองจากทางด้านบนจะเห็นพื้นที่หน้าตัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าโดยมีหัวเตาวางเรียงอยู่ตรงกลางที่พื้น
รูปแบบที่แสดงในรูปนั้นวางท่อในแนวนอนซึ่งเหมาะสำหรับกรณีที่ของไหลนั้นมีการเปลี่ยนเฟส
(กล่าวคือมีการเดือดและเปลี่ยนเฟสจากของเหลวกลายเป็นไอ)
โดยทั่วไปนั้นบริเวณใกล้เปลวไฟซึ่งเป็นส่วนที่รับความร้อนจากการแผ่รังสีความร้อน
จะมีอุณหภูมิสูงกว่าในส่วน
convection
ดังนั้นของเหลวที่ป้อนเข้ามาจึงสามารถป้อนเข้าทางด้านบนเพื่อรับความร้อนที่ส่วน
convection
ให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นก่อน
จากนั้นจึงค่อยเข้าสู่ส่วน
radiation
(รับความร้อนจากการแผ่รังสี)
ที่อยู่ทางด้านล่างเพื่อรับความร้อนเพิ่มขึ้นไปอีกจนเกิดการเปลี่ยนเฟสหรือเกิดปฏิกิริยาเคมี
ในรูปที่นำมาแสดงนั้นของเหลวไหลเข้าทางด้านบนและไหลออกทางด้านล่าง
(ถ้าเป็นแก๊ส
จะไหลขึ้นหรือไหลลงก็ไม่แตกต่างกัน)
พลังงานความร้อนที่ได้รับจากการแผ่รังสีความร้อนนั้นยังขึ้นอยู่กับระยะทางจากแหล่งกำเนิดรังสีความร้อนด้วย
ในกรณีของ Fired
heater ทั้ง
๔ แบบที่ยกตัวอย่างมานี้มีหัวเตาอยู่ที่ระดับพื้น
ดังนั้นส่วนของท่อที่อยู่ใกล้กับระดับพื้น
(คืออยู่ใกล้กับเปลวไฟมากกว่า)
จะได้รับพลังงานความร้อนจากการแผ่รังสีสูงกว่าส่วนของท่อที่อยู่เหนือขึ้นไป
แต่ในการทำงานนั้นต้องระวังไม่ให้เปลวไฟนั้นลนไปบนผิวท่อโดยตรงเพราะจะทำให้ท่อเกิดความเสียหายได้
(ตรงที่โดนไฟลนจะร้อนจัดเป็นพิเศษ)
การใช้งานโลหะที่อุณหภูมิสูงนั้นต้องระวังเรื่องไม่ให้อุณหภูมิใช้งานนั้นสูงเกินกว่าอุณหภูมิสูงสุดที่โลหะชนิดทนได้
เพราะถ้าโลหะนั้นมีอุณหภูมิสูงเกินกว่าอุณหภูมิที่มันทนได้เมื่อใด
และแม้ว่าอุณหภูมิจะลดต่ำลงแล้ว
แต่เนื้อโลหะจะเกิดการเปลี่ยนแปลง
(ในทิศทางที่ไม่ดีขึ้น)
อย่างถาวร
ทำนองเดียวกับเวลาเชื่อมโลหะด้วยไฟฟ้าที่ทำให้เนื้อโลหะเกิดการหลอมเหลว
และเมื่อโลหะที่หลอมเหลวตรงรอยเชื่อมนั้นเย็นตัวลงจนแข็งตัวใหม่
เนื้อโลหะตรงนั้นจะมีคุณสมบัติที่แตกต่างไปจากเนื้อโลหะเดิมโดยมีความแข็งแรงลดลง
ในกรณีของการเกิดปฏิกิริยาขึ้นในท่อที่ทำให้เกิดคราบสกปรกเกาะสะสมในท่อได้
เช่นปฏิกิริยา cracking
ของไฮโดรคาร์บอนที่มักจะเกิด
coke
(สารประกอบคาร์บอนที่เป็นของแข็ง)
ร่วมด้วยเสมอ
coke
นี้จะเกาะบนผิวท่อทำให้การถ่ายเทความร้อนจากผนังท่อที่ร้อนไปยังของไหลที่ไหลอยู่ในท่อนั้นลดลง
(ถ้าเกิดสะสมมากอาจจะทำให้ผนังท่อร้อนจัดเกินไปได้)
ในการนี้ต้องคำนึงถึงตำแหน่งที่จะยอมให้เกิดปฏิกิริยาได้
กล่าวคือต้องเป็นส่วนของท่อที่สามารถให้ความร้อนจนมีอุณหภูมิสูงพอที่จะเผาไล่
coke
ที่เกิดขึ้นได้
(คือส่วนที่รับความร้อนจากการแผ่รังสี
และเผาไล่ได้ด้วยการเติมออกซิเจนเข้าไปในระบบ)
รูปที่
๗ Cabin
heater