วันอังคารที่ 13 ธันวาคม พ.ศ. 2559

ทำความรู้จัก Data Sheet สำหรับ Air Cooled Heat Exchanger MO Memoir : Tuesday 13 December 2559

แก๊สเป็นตัวกลางส่งผ่านหรือรับความร้อนที่ไม่ดีเหมือนของเหลว ที่เห็นได้ชัดคือเครื่องยนต์รถ ที่ต้องใช้น้ำรับความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ในกระบอกสูบ (พื้นที่รับความร้อนมีจำกัด) จากนั้นจึงให้น้ำร้อนนั้นระบายความร้อนให้กับอากาศที่รังผึ้งหม้อน้ำอีกที (พื้นที่ระบายความร้อนสูง มีครีบช่วยระบายความร้อนอีก) ในกรณีที่คิดว่าจะไม่เกิดปัญหากับองค์ประกอบของแก๊ส การลดอุณหภูมิของแก๊สก็อาจทำได้โดยการฉีดของเหลวที่เย็นผสมเข้าไปในแก๊สนั้น (เช่นด้านขาเข้าคอมเพรสเซอร์) เพื่อให้การระเหยของของเหลวนั้นดึงความร้อนออกจากแก๊ส การเพิ่มอุณหภูมิแก๊สร้อนที่ออกจากกังหันแก๊สเพื่อเอาแก๊สร้อนไปใช้งานอื่นก็จะใช้การเผาเชื้อเพลิงในแก๊สร้อนนั้นโดยตรง โดยใช้ออกซิเจนที่หลงเหลืออยู่ในแก๊สร้อนนั้นเป็นตัวออกซิไดซ์
 
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้อากาศเป็นตัวรับความร้อนที่เห็นกันทั่วไปเห็นจะได้แก่เครื่องปรับอากาศขนาดเล็กและตู้เย็นที่ใช้กันตามบ้านเรือนและอาคารทั่วไป ในส่วนของโรงงานนั้นมักจะไม่ค่อยเห็นเมื่อเทียบกับการระบายความร้อนด้วยการใช้น้ำหล่อเย็น ที่ปริมาณความร้อนที่ต้องระบายออกเท่ากัน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้น้ำจะมีขนาดเล็กกว่า (แบบเดียวกับเครื่องยนต์รถยนต์) แต่ถ้าไม่แน่ใจว่าจะมีน้ำหล่อเย็นพอเพียงกับการใช้งาน การใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ระบายความร้อนด้วยการใช้อากาศเป็นตัวรับความร้อนก็เป็นอีกทางเลือกหนึ่ง เพราะไม่ต้องกังวลว่าจะไม่มีอากาศพอเพียง
 
รูปที่ ๑ ที่นำมาแสดงเป็นตัวอย่างของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้อากาศเป็นตัวระบายความร้อน สายที่ต้องการทำให้เย็นจะไหลอยู่ในท่อ (ส่วนจะไหลในทิศทางเดียวหรือวนกลับไปมานั้นก็เป็นอีกเรื่องหนึ่ง) โดยตัวท่อจะวาง "นอน" ผิวท่อด้านนอกจะมีครีบช่วยในการระบายความร้อน และอากาศรับความร้อนจะไหลจากล่างขึ้นบน การจัดวางรูปแบบนี้ก็เพื่อให้ไม่ขัดแย้งกับ "natural convection" คือการที่อากาศร้อนลอยตัวสูงขึ้น (อันนี้ไม่เหมือนกันในรถยนต์นะ ที่รังผึ้งหม้อน้ำมันวางตั้งเอาไว้หน้าสุดเลย ไม่ได้วางนอน ทั้งนี้เป็นเพราะลักษณะพื้นที่ที่มีจำกัดและการเข้าถึงชิ้นส่วนต่าง ๆ เพื่อการซ่อมบำรุงที่เป็นตัวกำหนด) แต่ความเร็วของอากาศที่ไหลผ่านผิวท่อด้านนอกด้วยปรากฏการณ์ natural convection นั้นมักจะไม่มากพอ ก็เลยมักจะต้องติดตั้งพัดลมช่วย ถ้าเป็นช่วย "ดูด" (คือดูดอากาศด้านที่ไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน) ก็จะเรียกว่าเป็นแบบ "induced draft" แต่ถ้าเป็นแบบอัดอากาศให้ไหลผ่านก็จะเรียกว่าเป็นแบบ "forced draft"
 
การติดตั้งพัดลมนั้นตัวใบพัดต้องอยู่ในเส้นทางการไหลของอากาศอยู่แล้ว (ก็มันเป็นหน้าที่ของมัน) แต่ตัวมอเตอร์ที่ใช้หมุนพัดลมไม่จำเป็นต้องต่อตรง (หรือผ่าน gear box) เข้ากับใบพัดนะ โดยเฉพาะในกรณีของ "induced draft" เพราะมันเป็นการติดตั้งในด้านที่อากาศ "ร้อน" ไหลผ่าน แต่ถ้ามั่นใจว่ามอเตอร์มันทนอากาศร้อนด้านขาออกได้ก็แล้วไป (ตัวมอเตอร์เองยังต้องมีครีบระบายความร้อนเลย) การติดตั้งมอเตอร์เยื้องออกมาทางด้านข้างมันก็มีข้อดีตรงที่ช่วยลดความสูงของอุปกรณ์ แล้วค่อยใช้การส่งกำลังผ่านสายพานหรือเพลาเพื่อไปหมุนใบพัดอีกที
 
ท่อทั่วไปที่ผลิตกันนั้นจะเป็นผิวเรียบทั้งด้านในและด้านนอก การเพิ่มความสามารถในการถ่ายเทความร้อนจากภายในท่อออกสู่อากาศก็จะใช้การติดตั้ง "ครีบ" เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวในการถ่ายเทความร้อน ในขณะที่ชนิดโลหะที่ใช้ทำท่อถูกกำหนดด้วยอุณหภูมิ ความดัน และการทนต่อสารที่ไหลอยู่ภายในท่อ วัสดุที่ใช้ทำครีบมักจะถูกกำหนดด้วยค่าการนำความร้อนของโลหะ โดยโลหะที่มีค่าการนำความร้อนสูงจะเป็นตัวที่เหมาะสม ดังนั้นจึงไม่แปลกถ้าจะพบว่ามีการใช้อะลูมิเนียมและทองแดงมาทำเป็นตัวครีบ ส่วนตัวท่อทำจากโลหะชนิดอื่น (ในกรณีของการใช้โลหะต่างชนิดกันเช่นนี้ก็ควรต้องคำนึงถึงเรื่องการกัดกร่อนเนื่องจากการมีโลหะต่างชนิดกันสัมผัสกันเรียกว่า galvanic corrosion เอาไว้ด้วย) ตัวอย่างหน้าตาของครีบระบายความร้อนแสดงไว้ในรูปที่ ๒ แต่ตัวครีบเองก็ยังทำหน้าที่เก็บสะสมสิ่งสกปรกต่าง ๆ (พวกฝุ่งผงหรือละอองของเหลวเล็ก ๆ) ที่ลอยมากับอากาศระบายความร้อนเอาไว้ด้วย
 

รูปที่ ๑ ตัวอย่างโครงสร้างของ Air cooled heat exchanger (เอกสารเก่า อายุกว่า ๓๐ ปีแล้ว)


รูปที่ ๒ ตัวอย่างโครงสร้างครีบเพิ่มพื้นที่สัมผัสกับอากาศ (จากเอกสารเก่า อายุกว่า ๓๐ ปีแล้ว)

รูปที่ ๓ ในหน้าถัดไปเป็นตัวอย่าง data sheet สำหรับ air cooled heat exchager ที่ใช้อากาศเป็นตัวรับความร้อนจากสารที่ไหลอยู่ในท่อ โดยอากาศไหลผ่านครีบด้านนอก (จะว่าไปก็ไม่เคยเห็นหรือเคยได้ยินเหมือนกันที่จะให้อากาศระบายความร้อนนั้นไหลอยู่ทางด้านในของท่อ จะมีหรือเปล่าก็ไม่รู้)

รูปที่ ๓ ตัวอย่าง data sheet สำหรับ air cooled heat exchanger (จากเอกสารเก่า อายุกว่า ๓๐ ปีแล้ว)

และอย่างเช่นเคย เริ่มแรก (บรรทัดที่ 1-3) ก็เป็นข้อมูลเกี่ยวกับชื่อผู้ใช้งาน การนำไปใช้งาน สถานที่ติดตั้ง และผู้ผลิตอุปกรณ์ จากนั้นจึงตามด้วยขนาดและรูปแบบอุปกรณ์ (บรรทัดที่ 4-7) ที่เกี่ยวข้องกับพื้นที่ผิวถ่ายเทความร้อน เมื่อมีครีบติดตั้ง (finned tube) และไม่มีครีบติดตั้ง (bare tube) ปริมาณความร้อนที่ต้องการถ่ายเท ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนในขณะใช้งานจริง (service) และเมื่อผิวท่อสะอาด (clean)
 
ถัดลงมาในบรรทัดที่ 9-20 ก็เป็นส่วนรายละเอียดของสารที่ไหลอยู่ในท่อ ซึ่งอาจเป็นของเหลวหรือแก๊ส (ที่อาจมีการควบแน่นหรือไม่เกิดการควบแน่น) ก็ได้ ถ้าสารที่ไหลในท่อนั้นเป็นไอที่สามารถควบแน่นได้ ก็ต้องคำนึงถึงการระบายเอาของเหลวที่เกิดจากการควบแน่นนั้นออกจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนด้วย
 
ถัดจากนั้นจะเป็นส่วนของอากาศที่ไหลผ่าน (บรรทัดที่ 21-25) ตรงบรรทัดที่ 22 มีหน่วยปริมาณอากาศ SCFM เข้าใจว่าย่อมาจาก Standard Cubic Feet per Minute คือต้องมีการปรับค่าปริมาตรไปที่ค่าความดันและอุณหภูมิมาตรมาตรฐาน (ส่วนค่านั้นจะอยู่ที่อุณหภูมิและความดันเท่าใดนั้นก็ไปตกลงกันเองก็แล้วกัน) และตรงบรรทัดที่ 23 ที่มีหน่วยวัดปริมาณอากาศ ACFM ก็น่าจะย่อมาจาก Actual Cubic Feet per Minute หรือลูกบาศก์ฟุตต่อนาที ที่คิด ณ อุณหภูมิและความดันของการทำงาน และยังมีคำถามเกี่ยวกับระดับความสูง ALTITUDE คือเป็นระดับความสูงเหนือระดับน้ำทะเล (ไม่ใช่วัดจากพื้นโรงงาน) เพราะในพื้นที่ที่สูงกว่าระดับน้ำทะเลมาก ๆ ความหนาแน่นอากาศจะลดลง ส่วนตรงบรรทัดที่ 25 นั้นเป็นเรื่องของความเร็วลมที่ไหลผ่าน (ทั้งในหน่วยระยะทางต่อหน่วยเวลา และน้ำหนักต่อหน่วยเวลา) และอุณหภูมิต่ำสุดของอากาศ (เพราะอากาศในสภาพแวดล้อมมันจะเย็นลงเท่าใดก็ได้ ไม่มีการแข็งตัวเหมือนน้ำ)
 
บรรทัดที่ 26-39 เป็นรายละเอียดของวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้าง ที่แยกเป็นส่วนมัดท่อหรือกลุ่มท่อ (tube bundle) ในคอลัมน์แรกก่อนว่าจะมีกี่ชุด ต่ออนุกรมหรือต่อขนานกัน คอลัมน์กลางเป็นรายละเอียดส่วนหัว (header) ที่ทำหน้าที่กระจายของไหลให้ไหลเข้าไปในท่อต่าง ๆ และรวบรวมของไหลที่ไหลผ่านท่อเหล่านั้นออกมา ว่าจะให้มีการไหลผ่านเพียงเที่ยวเดียวหรือมีการไหลวนย้อนกลับมา และชนิดของปะเก็นที่ใช้ และคอลัมน์ขวาสุดที่เป็นรายละเอียดของตัวท่อ (tube) ที่เกี่ยวข้องกับ ขนาด วัสดุ และรายละเอียดของครีบ
 
บรรทัดที่ 40-59 จะเป็นส่วนของชิ้นส่วนทางกล โดยเริ่มจากคอลัมน์ซ้ายที่เป็นคำถามเกี่ยวกับตัวพัดลม เช่น ขนาด ความเร็วรอบการหมุน จำนวนใบพัด การปรับมุมใบพัด วัสดุที่ใช้ทำ คอลัมน์กลางเป็นส่วนของอุปกรณ์ที่ใชัขับเคลื่อน เช่น มอเตอร์ไฟฟ้า และความเร็วรอบการหมุนของอุปกรณ์ขับเคลื่อน ส่วนคอลัมน์ขวาสุดเป็นส่วนของอุปกรณ์ทดรอบเพื่อลดความเร็ว (คือความเร็วรอบการหมุนของใบพัดมักจะต่ำกว่าความเร็วรอบการหมุนของมอเตอร์เสมอ) ว่าจะมีการทดรอบด้วยวิธีใด (เช่นใช้เฟืองทดรอบ สายพาน) และจะลดความเร็วรอบลงเหลือเท่าใด

การเรียนการสอนวิศวกรรมเคมีในบ้านเรานั้นจะจำกัดอยู่ตรงเรื่องการหาขนาดหรือ sizing เป็นหลัก แต่ในการนำไปใช้งานจริงนั้นจะมีเรื่องความแข็งแรงทางกลและหน่วยขับเคลื่อนเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย ซึ่งเรื่องพวกนี้ถ้าจะถามว่าในหลักสูตรมีการเรียนการสอนไหม คำตอบก็คือมี แต่สิ่งที่ขาดไปคือการแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ของเนื้อหาต่างวิชาที่เรียนนั้นว่ามันเกี่ยวข้องกันอย่างไร คือเรามีเรียนวิชาเครื่องกลและไฟฟ้ากำลัง แต่ตัวอย่างที่เรียนกันนั้นก็มักจะเป็นตัวอย่างเฉพาะทางในสาขานั้นโดยไม่มีตัวอย่างที่เกี่ยวข้องกับงานทางวิศวกรรมเคมีแสดงให้เห็น อีกสาเหตุหนึ่งอาจเป็นเพราะตัวอาจารย์ผู้สอนเอง (โดยเฉพาะในปัจจุบัน) ที่มีความรู้เน้นไปทางด้าน "เฉพาะทาง" ที่เกี่ยวข้องกับงานวิจัยเป็นหลัก การเรียนการสอนวิชาในระดับปริญญาตรีจึงมักจะจำกัดอยู่เพียงแค่ที่ปรากฏอยู่ในตำราเป็นหลัก บทความในชุดทำความรู้จัก Data Sheet ที่นำมาเสนอนี้มีวัตถุประสงค์ข้อหนึ่งก็เพื่อให้ผู้เรียนทางด้านวิศวกรรมเคมีได้มีตัวอย่างภาพความสัมพันธ์ระหว่างเนื้อหาวิชาต่าง ๆ จากต่างสาขาวิชาว่าเกี่ยวข้องกับการทำงานอย่างไรบ้าง

ไม่มีความคิดเห็น: