การเติมของเหลวให้เต็มเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ตั้งในแนวดิ่ง MO Memoir : Saturday 20 January 2561

การเรียนวิชาปฏิบัติการนั้น ผู้เรียนควรที่จะได้เรียนรู้ด้วยว่าในการทดลองนั้น ตัวอุปกรณ์ประกอบด้วยชิ้นส่วนอะไรบ้าง แต่ละชิ้นส่วนทำหน้าที่อะไร และวิธีการที่เหมาะสมในการใช้งานหรือติดตั้งชิ้นส่วนแต่ละชิ้นนั้นเป็นอย่างไร เพื่อที่ผู้เรียนจะได้วิเคราะห์ได้ว่าตัวอุปกรณ์ที่จะใช้ในการทดลองนั้นได้รับการปรับแต่งอย่างเหมาะสมกับการทดลองหรือไม่ก่อนเริ่มการทดลอง เพราะถ้าการจัดอุปกรณ์นั้นไม่ถูกต้อง ก็จะทำให้เกิดคำถามได้ว่าผลการทดลองที่ได้มานั้นมีค่าควรแก่การพิจารณาหรือไม่
 

บ่ายวันพุธที่ผ่านมามีโอกาสเดินแวะเข้าไปเยี่ยมเยียนนิสิตปี ๓ ที่กำลังเรียนวิชาปฏิบัติการอยู่ ณ ชุดอุปกรณ์ชุดหนึ่ง (ที่บังเอิญมีนิสิตป.โท ที่ผมเป็นอาจารย์ที่ปรึกษาเขาไปช่วยทำหน้าที่เป็นผู้ช่วยสอน) ก็ได้เห็นการทำงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องหนึ่งที่เห็นว่ามันแปลกดี ก็เลยถ่ายรูปมาให้ชมกัน (รูปที่ ๑)
  

รูปที่ ๑ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องนี้เป็นส่วนหนึ่งของชุดอุปกรณ์ทดลอง โดยทำหน้าที่ลดอุณหภูมิของเหลวที่ได้จากการควบแน่น (ที่มีอุณหภูมิที่จุดเดือด) ให้มีอุณหภูมิต่ำลงไปอีกก่อนไหลลงไปยังถังเก็บ ของเหลวจะไหลในส่วนของขดท่อด้านในจากบนลงล่าง โดยมีน้ำหล่อเย็นเข้าที่จุด (1) ก่อนไหลออกที่จุด (2) และไหลวกขึ้นไปยังจุด (3) ก่อนที่จะไหลลงไปตามสายยางที่ปลายลงสู่ท่อระบายน้ำที่ระดับพื้นดิน ตอนที่ถ่ายภาพนั้น ระดับน้ำหล่อเย็นที่อยู่ข้างในนั้นอยู่ตรงตำแหน่ง (4)

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องนี้วางตั้งในแนวดิ่ง ทำหน้าที่ลดอุณหภูมิของเหลวที่ได้จากการควบแน่นไอ (ของเหลวจะมีอุณหภูมิที่จุดเดือด) ให้มีอุณหภูมิลดต่ำลงก่อนไหลลงสู่ถังเก็บ ของเหลวที่ต้องการทำให้เย็นลงจะไหลจากด้านบนลงล่างด้วยแรงโน้มถ่วง ลงมาตามขดท่อแก้วที่อยู่ภายใน รอบนอกนั้นเป็นส่วนของน้ำหล่อเย็น โดยน้ำหล่อเย็น (ก็คือน้ำประปาจากก๊อกน้ำ) ไหลเข้าที่จุด (1) ก่อนที่จะไหลลงล่างออกทางรูทางออกที่จุด (2) แล้วก็ไหลวก "ขึ้นบน" ไปยังจุด (3) ก่อนไหลเข้าสู่สายยางระบายน้ำทิ้งที่ปลายสายยางนั้นอยู่ที่จุดรับน้ำทิ้งที่อยู่บนพื้น
 

ตอนที่ผมเห็นและถ่ายรูปนั้น ระดับน้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมันอยู่ที่ตำแหน่ง (4) เท่านั้น ขดท่อส่วนที่อยู่เหนือขึ้นไปนั้นได้สัมผัสเพียงแค่น้ำหล่อเย็นที่กระเด็นกระดอนจากผนังเข้ามาเท่านั้นเอง (ผลจากแรงดันของน้ำที่ฉีดเข้ามาที่จุด (1) ทำให้น้ำไหลวนและไหลลงมาตามผนัง แทนที่จะไปดึงความร้อนออกที่ตัวขดท่อแก้ว)

แต่คำถามที่น่าสนใจกว่าก็คือ จุด (3) มันอยู่สูงกว่าตำแหน่ง (4) แล้วน้ำนั้นไหลจากตำแหน่ง (4) "ขึ้น" ไปยังจุด (3) ได้อย่างไร ทั้ง ๆ ที่ไม่มีปั๊มช่วยดูด

ปรกติแล้วเวลาทำการทดลองที่มีการใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้ และให้น้ำหล่อเย็นนั้นไหลหล่อเลี้ยงขดท่ออยู่ทางด้านนอก สิ่งสำคัญคือต้องให้น้ำหล่อเย็นนั้นบรรจุเต็มที่ว่างด้านนอก วิธีการปรกติที่ทำกันก็คือให้น้ำเข้าทางด้านล่างและไหลออกทางด้านบน ลองสังเกตดูเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในรูปที่ ๑ นะครับ จะเห็นว่าจุดต่อสายยางน้ำเข้า-ออกนั้นจะอยู่คนละด้านของลำตัว ในกรณีที่จับมันวางในแนวราบ เราก็จะให้จุดต่อน้ำเข้าหันลงล่างและจุดต่อน้ำออกหันขึ้นบน ในกรณีที่วางเฉียงหรือวางในแนวดิ่ง เราก็จะต่อน้ำเข้าที่จุดต่อด้านล่างและให้ไหลออกที่จุดต่อด้านบน วิธีการเช่นนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าด้านนอกขดท่อนั้นจะจมอยู่น้ำหล่อเย็นเสมอ ดังนั้นในกรณีของรูปที่ ๑ ถ้าสลับให้น้ำหล่อเย็นเข้าที่จุด (2) และไหลออกที่จุด (1) แทน มันก็จะทำให้ขดท่อทั้งขดนั้นจมอยู่ในน้ำหล่อเย็นตลอดเวลา ไม่เกิดปัญหาดังในรูป
 

ในกรณีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้ (ซึ่งก็คล้ายกับชนิดท่อสองชั้น (double-pipe) สำหรับคนที่เรียนเรื่องการออกแบบมาจะทราบว่าถ้าเป็นการไหลแบบสวนทาง (counter current) จะให้ประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนที่ดีกว่าการไหลในทิศทางเดียวกัน (co-current หรือไหลคู่ขนานกัน เช่นกรณีในรูปที่ ๑ คือของเหลวที่ต้องการลดอุณหภูมินั้นไหลจากบนลงล่าง และน้ำหล่อเย็นก็ไหลจากบนลงล่างเช่นกัน) ดังนั้นมันก็ไม่แปลกที่จะพบเห็นการไหลแบบสวนทางเป็นเรื่องปรกติ แต่มันก็มีบางกรณีเหมือนกันที่เราควรต้องออกแบบให้มันไหลคู่ขนานกัน

รูปที่ ๒ ข้างล่างแสดงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสายร้อนและสายเย็นในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดท่อสองชั้นที่มีการไหลแบบสวนทางและไหลแบบขนาน (ไหลในทิศทางเดียวกัน) โดยธรรมชาติแล้ว อัตราการถ่ายเทความร้อนขึ้นอยู่กับผลต่างระหว่างอุณหภูมิของฝั่งร้อนและฝั่งเย็น ถ้าผลต่างดังกล่าวมีค่าสูง อัตราการถ่ายเทความร้อนก็จะสูง ในกรณีของการไหลแบบสวนทางนั้น อุณหภูมิด้านขาออกของสายร้อนนั้นจะสูงกว่าอุณหภูมิด้านขาเข้าของสายเย็นอยู่ระดับหนึ่ง (เช่นประมาณ 10ºC) ถ้าผลต่างอุณหภูมิตรงตำแหน่งนี้กำหนดไว้ต่ำเกินไป จะทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีขนาดใหญ่เกินไป แต่ถ้ากำหนดไว้สูงเกินไปก็จะลดประสิทธิภาพการดึงพลังงานของสายร้อนกลับมาใช้ใหม่ (ในกรณีของการต้องการดึงพลังงานความร้อนกลับมาใช้เพื่อประหยัดพลังงาน) 
  

ในกรณีของการไหลแบบขนานนั้น อุณหภูมิด้านขาออกของสายร้อนและสายเย็นจะลู่เข้าหากัน ดังนั้นถ้าเทียบกับการไหลแบบสวนทางกัน การไหลแบบคู่ขนานจะทำให้อุณหภูมิด้านขาออกของสายร้อนนั้นสูงกว่ากรณีของการไหลแบบสวนทาง แต่จุดเด่นของการไหลแบบคู่ขนานก็คืออุณหภูมิของสายร้อนนั้นจะลดลงอย่างรวดเร็วมากในช่วงแรก ทำให้เหมาะกับระบบที่ต้องการลดอุณหภูมิของสายร้อนให้ลดต่ำลงอย่างรวดเร็ว (ตัวอย่างงานที่ต้องการลดอุณหภูมิลงอย่างรวดเร็วได้แก่การหยุดปฏิกิริยาไม่ให้ดำเนินไปข้างหน้ามากเกินไป)

รูปที่ ๒ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสายร้อนและสายเย็นในกรณีของการไหลแบบ (ซ้าย) สวนทาง และ (ขวา) ขนาน

ในกรณีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่วางในแนวดิ่งเช่นในรูปที่ ๑ ถ้าให้น้ำหล่อเย็นนั้นเข้าทางด้านล่างและออกทางด้านบน ก็จะไม่มีปัญหาเรื่องขดท่อไม่จมอยู่ในน้ำหล่อเย็น แต่ถ้าต้องการให้น้ำหล่อเย็นเข้าทางด้านบนและออกทางด้านล่าง เราก็สามารถทำให้ขดท่อทั้งขดจมอยู่ในน้ำหล่อเย็นได้ด้วยการยกระดับท่อทางออกนั้นให้สูงอย่างน้อยก็เท่ากับระดับความสูงของท่อขาเข้าด้วยการทำเป็น U-Loop และที่ตำแหน่งบนสุดของ U-Loop ก็ให้มีท่อเปิดออกสู่บรรยากาศ (รูปที่ ๓) เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปรากฏการณ์ "กาลักน้ำ (syphon)" รายละเอียดเพิ่มเติมของเรื่องนี้สามารถอ่านได้ใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๖๒ วันเสาร์ที่ ๑๒ มกราคม ๒๕๕๖ เรื่อง "Liquid seal และ water seal ตอนที่ ๒ การรักษาระดับของเหลวและรักษาความดัน"
 

กรณีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในรูปที่ ๑ ในช่วงแรกที่เปิดน้ำเข้าไป น้ำจะเข้าไปจนท่วมขดท่อไว้ทั้งหมด แต่เมื่อน้ำเริ่มล้นออกทางสายยางที่ตำแหน่ง (3) และไหล "เต็ม" สายยางที่ต่อจากตำแหน่ง (3) ลงไปยังจุดรับน้ำทิ้งที่อยู่ด้านล่าง ก็จะเกิดปรากฏการณ์กาลักน้ำ ทำให้น้ำไหลจากตำแหน่ง (4) ขึ้นไปยังจุด (3) ก่อนไหลลงล่างได้เอง ในกรณีนี้เนื่องจากปลายสายยางบนพื้นอยู่ต่ำกว่าระดับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมาก จึงทำให้อัตราการไหลออกนั้นค่อนข้างสูงจนทำให้น้ำไหลเข้านั้นชดเชยไม่ทัน การแก้ปัญหาที่ง่ายที่สุด (โดยไม่ต้องทำท่อ vent แบบในรูปที่ ๓) คือไปยกปลายสายด้านปล่อยลงท่อให้สูงขึ้นก็จะทำให้น้ำค้างอยู่เต็มตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้เอง

รูปที่ ๓ การป้องกันการเกิดปรากฏการณ์กาลักน้ำใน U-Loop ทำได้ด้วยการมีท่อ vent ที่เปิดออกสู่บรรยากาศดังรูปซ้าย (การที่ปลายท่อ vent มันคว่ำลงก็เพื่อไม่ให้มีน้ำฝนหรือสิ่งสกปรกใด ๆ เข้าไปสะสมในท่อ vent) หรือในกรณีของห้องปฏิบัติการที่ยกตัวอย่างมา ก็ทำได้ด้วยการหาท่อ PVC ท่อใหญ่กว่าสายยางมาสักท่อ จับวางท่อ PVC นั้นวางตั้งแล้วก็เอาปลายสายยางเสียบเข้าให้มันคาอยู่ที่ปากท่อด้านบนดังรูปขวา จะได้ไม่มีปัญหาน้ำตกกระเด็นกระจายไปทั่วพื้น

วันนี้ขอปิดท้ายฉบับนี้ข้อความที่ได้รับจากทาง messenger จากวิศวกรรายหนึ่งที่ทำงานอยู่ที่มาบตาพุด ก็ต้องขอขอบคุณเป็นอย่างยิ่งที่ช่วยส่งกำลังใจมาให้ในการเขียน blog นี้ต่อไปเรื่อย ๆ ครับ

เพิ่มเติม

หลังจากที่ได้นำเรื่องนี้ขึ้น blog แล้วก็มีการทักทายเข้ามาทาง facebook โดยคุณ Loofy Tew (วิศวกรเคมีท่านหนึ่งที่เคยเป็นทั้ง Plant operation engineer และ Technical design engineer) ได้ให้ข้อมูลเพิ่มเติมเข้ามา ทางผมเห็นว่าเป็นข้อมูลที่เป็นประโยชน์ เลยขอนำข้อมูลที่ได้มานำมาเผยแพร่ไว้ที่นี้ เพื่อจะได้เป็นประโยชน์ต่อคนอื่นด้วยครับ (ข้อความสีน้ำเงินในเครื่องหมายคำพูดข้างล่างครับ ผมมีการจัดลำดับบรรทัดนิดนึงและหมายเหตุเพิ่มเติมนิดหน่อย เพื่อให้คนที่กำลังศึกษาอยู่อ่านเข้าใจง่ายขึ้นครับ)

"ผมเพิ่มเติมเรื่อง ประโยชน์ของ Co current design ของ Heat exchange อีกข้อครับ

อย่างแรกเหมือนที่อ.เขียนเลย คือ เหมาะกับระบบที่ต้องการลดอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว เช่น Quenching

ส่วนอย่างที่สอง คือ Material selection

สำหรับ Process ที่อุณหภูมิหลัก 800°C ขึ้นไป material จะแพงแบบก้าวกระโดด ซึ่ง Co-current ช่วยตรงนี้ได้ เพราะ Inlet hot side จะเจอกับ Inlet cold side ซึ่งทำให้ tube metal temp ต่ำกว่าเจอ outlet cold side มาก^(๑)

เมื่อคิดเชิง Economic แล้ว LMTD^(๒) ที่ต่ำลง ทำให้ Required heat transfer area มากขึ้น

แต่ถ้าแลกกับการไม่ต้อง Upgrade material ก็ค่อนข้างคุ้มมาก สำหรับหลายๆ Process ครับ"

หมายเหตุ

(๑) ลองดูในรูปที่ ๒ นะครับ สมมุติว่าอุณหภูมิขาเข้าสายร้อนคือ 400ºC อุณหภูมิขาเข้าสายเย็นคือ 200ºC ถ้าเราให้สองสายนี้สวนทางกัน อุณหภูมิด้านขาออกของสายร้อนจะลดลงเหลือ (สมมุตินะครับ) 220ºC ส่วนอุณหภูมิขาออกของสายเย็นก็จะเป็น (สมมุติเช่นกันนะครับ) 380ºC ดังนั้นอุณหภูมิโลหะด้านที่สายร้อนไหลเข้าและสายเย็นไหลออกนั้นจะอยู่ระหว่าง 400-380ºC แต่ถ้าเป็นการไหลคู่ขนานกัน อุณหภูมิโลหะด้านที่สายร้อนไหลเข้าและสายเย็นไหลเข้าจะอยู่ระหว่าง 200-400ºC ซึ่งแน่นอนว่าจะต่ำกว่า 380ºC

(๒) LMTD ย่อมาจากชื่อเต็ม "Logarithmic mean temperature difference" แต่มักอ่านกันย่อ ๆ ว่า "Log Mean Temperature Difference" เป็นค่าเฉลี่ยผลต่างอุณหภูมิระหว่างฝั่งร้อนและฝั่งเย็น ค่านี้ใช้กันมากในการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน โดยที่ LMTD = (ΔT_A - ΔT_B)/ln(ΔT_A/ΔT_B) โดยที่ ΔT_A คือผลต่างอุณหภูมิที่ปลายด้าน A และ ΔT_B คือผลต่างอุณหภูมิที่ปลายข้าง B