Piping layout ตอน Shell and tube heat exchanger piping (๔) MO Memoir : Saturday 1 April 2560

ตอนสุดท้ายของบทความชุดนี้เป็นกรณีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหลายตัวทำงานคู่ขนานกัน ตัวอย่างที่นำมาแสดงนั้นเป็นกรณีของหอกลั่น
 

ความสูงของหอกลั่นขึ้นอยู่กับผลต่างอุณหภูมิจุดเดือดของสารที่ต้องการแยกออกจากกันและความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ในกรณีของสารผสมที่มีจุดเดือดใกล้กันมาก (เช่นโพรเพนกับโพรพิลีน) และต้องการผลิตภัณฑ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง ความสูงของหอกลั่นสามารถขึ้นไปแตะระดับ ๑๐๐ เมตรได้ และในระหว่างการทำงาน เมื่อตัวหอกลั่นร้อนขึ้นก็จะมีการยืดตัวขึ้นในแนวดิ่ง ดังนั้นการออกแบบท่อที่เชื่อมต่อระหว่างตัวหอกลั่นกับอุปกรณ์อื่น จึงจำเป็นต้องให้ท่อมีความยืดหยุ่นทเพียงพอที่จะรองรับการขยายตัวด้วย ตัวอย่างเส้นท่อมีความยาวมากคือท่อที่นำเอาไอจากยอดหอ (ที่ต้องออกมาจากยอดหอกลั่น) มายังเครื่องควบแน่น (ที่มักจะติดตั้งอยู่ที่ระดับใกล้กับพื้น) และท่อ reflux ที่นำเอาบางส่วนของของเหลวที่ได้จากการควบแน่นนั้นป้อนกลับไปยังยอดหอใหม่
 

ความสามารถในการถ่ายเทความร้อนนั้นขึ้นอยู่กับความเร็วของของไหลที่ไหลผ่านพื้นผิวถ่ายเทความร้อน ที่ความเร็วต่ำจะมีชั้นฟิล์มเกิดขึ้นบนพื้นผิว ทำให้การถ่ายเทความร้อนไม่ดี แต่ถ้าให้มีความเร็วสูงเกินไปก็จะเกิดปัญหาเรื่องความดันลดและการสึกหรอ erosion ได้ ดังนั้นการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสายสองสายที่มีอัตราการไหลแตกต่างกันมากนั้นจะเป็นการดีกว่าถ้าใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดเล็กหลายตัวทำงานคู่ขนานกัน เช่นในกรณีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube นั้นอาจแบ่งสายที่มีอัตราการไหลสูงให้ไหลคู่ขนานเข้าส่วน shell ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่อง ส่วนสายที่มีอัตราการไหลต่ำนั้นให้ไหลเข้าส่วน tube โดยให้ไหลแบบอนุกรม (คือออกจาก tube ของเครื่องที่หนึ่งก็ไปเข้า tube ของเครื่องที่สอง) 
  

สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของไอที่อุณหภูมิจุดเดือดที่ควบแน่นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิจุดเดือดนั้นมีค่าสูงมาก แต่ถ้าพื้นผิวถ่ายเทความร้อนนั้นมีของเหลวที่เกิดจากการควบแน่นของไอนั้นปิดคลุมอยู่ การถ่ายเทความร้อนก็จะลดต่ำลง ตัวเช่นเช่นเป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ถ้าเป็นการติดตั้งในแนวดิ่ง ไอที่จะทำการควบแน่นจะไหลเข้าทางด้านบน เพื่อให้ของเหลวที่เกิดจากการควบแน่นนั้นไหลลงสู่ด้านล่างมาตามผิวท่อและระบายออกไปได้ด้วยแรงโน้มถ่วง ซึ่งก็แน่นอนว่าผิวท่อด้านบนนั้นจะมีชั้นของเหลวห่อหุ้มน้อยกว่าผิวท่อด้านล่าง การถ่ายเทความร้อนทางด้านบนจึงดีกว่าทางด้านล่างมาก (ซึ่งถ้าของเหลวระบายออกไม่ทัน ผิวท่อถ่ายเทความร้อนบางส่วนก็อาจจะจมอยู่ใต้ระดับของเหลวที่เกิดจากการควบแน่นได้) 
  

และในกรณีของการติดตั้งในแนวนอนที่ให้ไอที่ต้องการควบแน่นนั้นไหลเข้าจากทางด้านบนของส่วน shell ของเหลวที่เกิดจากการควบแน่นบนผิวท่อที่อยู่ระดับสูงกว่าจะไหลหยดลงสู่ท่อที่อยู่ที่ระดับต่ำกว่า ยิ่งเป็นท่อที่อยู่ต่ำลงไปก็ยิ่งมีของเหลวห่อหุ้มผิวท่อเอาไว้มากขึ้น ความสามารถในการถ่ายเทความร้อนของท่อที่อยู่ระดับยิ่งต่ำลงไปจึงยิ่งลดต่ำลง ในกรณีเช่นนี้จะเป็นการดีกว่าที่จะใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดเล็กหลายตัวทำงานคู่ขนานกันแทนการใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่เพียงเครื่องเดียว (รูปที่ ๔)
 

เกริ่นร่ายยาวมา ๑ หน้าแล้ว ก็ได้เวลาเข้าเรื่องกรณีของการติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหลายตัวบนโครงสร้างที่อยู่ข้างหอกลั่น (รูปที่ ๑ และ ๒) และหมายเหตุต่าง ๆ (รูปที่ ๓) ที่เกี่ยวข้อง
 

Note 1 หรือหมายเหตุ ๑ กล่าวถึงการออกแบบท่อที่ให้ไอนั้นไหลเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่องนั้น จำเป็นต้องให้ไหลเข้าแต่ละเครื่องเท่า ๆ กัน จึงต้องให้เส้นทางการไหลนั้นมีความสมมาตร และความต้องการนี้ควรต้องระบุไว้ใน P&I Diagram

Note 2 หรือหมายเหตุ ๒ กล่าวถึงโครงสร้างรองรับน้ำหนักท่อที่นำไอจากยอดหอกลั่นมายังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ที่ต้องทำการระบุเอาไว้ตั้งแต่ช่วงแรกของการออกแบบโครงสร้างติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (ไม่ใช่บอกเพียงแต่ว่าโครงสร้างดังกล่าวรับน้ำหนักเพียงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน แต่ต้องกำหนดด้วยว่าจะมีท่อที่จะเดินมาจากยอดหอกลั่นมาเชื่อมต่อเข้ากับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่อง ดังนั้นโครงสร้างดังกล่าวต้องมี pipe support สำหรับรองรับเส้นท่อดังกล่าวด้วย

Note 3 หรือหมายเหตุ ๓ กล่าวถึงกรณีที่มีการคาดการณ์ว่าจะมีการติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพิ่มเติมในอนาคต ควรมีการเผื่อจำนวนตำแหน่งหน้าแปลนสำหรับการติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพิ่มเติมและปิดไว้ด้วย blind flange (หน้าแปลนตาบอด) ทั้งนี้เพื่อลดเวลาที่ต้องใช้เมื่อทำการติดตั้ง

Note 4 หรือหมายเหตุ ๔ กล่าวถึงการวางตำแหน่งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่องที่ควรต้องจัดแนวให้อยู่ตรงกัน กล่าวคือตัวขาตั้งของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่องนั้น ถ้าเป็นไปได้ ขาทางด้านหัวของแต่ละเครื่อง และขาทางด้านท้ายของแต่ละเครื่อง ควรจะอยู่ในแนวเดียวกัน เพื่อที่จะลดจำนวนคานที่ต้องใช้รับน้ำหนักเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (น้ำหนักอุปกรณ์ที่กดลงตรงตำแหน่งขาตั้งแต่ละด้านควรต้องถ่ายลงคานโดยตรง ไม่ถ่ายลงพื้น)

Note 5 หรือหมายเหตุ ๕ กล่าวถึงกรณีที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่องนั้นใช้ระบบสาธารณูปโภค (เช่นน้ำหล่อเย็นหรือไอน้ำ) ร่วมกัน แนวท่อระบบสาธารณูปโภคดังกล่าวควรที่จะอยู่ใต้ระดับพื้นที่ทำการติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

Note 6 หรือหมายเหตุ ๖ กล่าวถึงท่อที่เชื่อมต่อระหว่างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่องกับถังรองรับของเหลวที่เกิดจากการควบแน่น ในบางกรณีควรกำหนดให้ท่อดังกล่าวมีความลาดเอียงเพื่อให้มั่นใจว่าของเหลวนั้นจะไหลลงสู่ถังรองรับด้านล่างได้อย่างอิสระ

Note 7 หรือหมายเหตุ ๗ กล่าวถึงกรณีที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนั้นติดตั้งที่ระดับชั้นกลางหรือชั้นล่างของอาคาร ควรมีโครงสร้างและอุปกรณ์ช่วยยกติดตั้งถาวรอยู่เหนือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนดังกล่าว ซึ่งอาจทำให้ต้องเพิ่มระยะระหว่างพื้นกับเพดานของอาคารชั้นนั้นให้สูงขึ้น (เพื่อให้ยกอุปกรณ์ขึ้นและเคลื่อนย้ายออกได้) และควรเดินท่อโดยเปิดพื้นที่ด้านบนนั้นให้ว่างเอาไว้ด้วยเพื่อความสะดวกในการซ่อมบำรุง

Note 8 หรือหมายเหตุ ๘ (ในรูปที่ ๒ จะเป็น Note 9) กล่าวถึงกรณีที่ท่อนำไอจากยอดหอนั้นเชื่อมต่อเข้ากับท่อ overhead header ที่ทำหน้าที่กระจายไอเข้าสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่องนั้น ควรมีช่วงท่อตรงที่มีความยาวอย่างน้อย ๓ เท่าของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ เพื่อให้มั่นใจว่าไอนั้นจะไหลกระจายออกไปทางด้านซ้ายและขวาเท่า ๆ กัน (กรณีนี้จำเป็นเมื่อท่อนำไอมายังท่อ header นั้นไม่ได้มาในแนวตั้งฉาก (เมื่อมองจากทางด้านบน) กับแนวท่อ header)

รูปที่ ๑ ภาพมองจากทางด้านบนของเครื่องควบแน่นไอจากยอดหอกลั่น

รูปที่ ๒ ภาพมองจากทางด้านบนของเครื่องควบแน่นไอจากยอดหอกลั่น

รูปที่ ๓ คำอธิบายหมายเหตุในรูปที่ ๑ และ ๒

รูปที่ ๔ ในกรณีของเครื่องควบแน่นชนิด shell and tube ที่วางในแนวนอนนั้น การใช้เครื่องควบแน่นสองตัวทำงานคู่ขนานกันจะให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่าการใช้เครื่องควบแน่นขนาดใหญ่เพียงตัวเดียว เพราะในเครื่องควบแน่นขนาดใหญ่นั้น ท่อที่อยู่ระดับล่างจะถูกของเหลวที่หยดลงมาจากท่อที่อยู่สูงกว่านั้นปิดคลุมไปหมด ประสิทธิภาพการถ่ายเทของร้อนของที่ยิ่งอยู่ต่ำลงไปเท่าใดจึงยิ่งลดต่ำลงเมื่อเทียบกับท่อที่อยู่ที่ระดับที่สูงกว่า

รูปที่ ๕ การติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด fin tube หลายตัวที่ทำงานคู่ขนานกันนั้นไม่ควรวางเรียงซ้อนกันในแนวดิ่ง แต่ควรจะเรียงในแนวนอน โดยเฉพาะเมื่อใช้เป็นเครื่องควบแน่น (condenser) หรือเครื่องระเหย (vaporizer) เพราะการเรียงซ้อนในแนวดิ่งจะทำให้เครื่องที่อยู่ล่างสุดมีปัญหาเรื่องของเหลวผ่านเข้ามากกว่าเครื่องที่อยู่ด้านบน

บทความ Piping layout ตอน Shell and tube heat exchanger piping ก็จบด้วยตอนนี้ที่เป็นตอนสุดท้าย