Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) ของอุปกรณ์ ตอน Shell and Tube Heat Exchanger (๑) MO Memoir : Friday 20 January 2560

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ shell and tube นั้นมีส่วนประกอบหลักคือ ส่วนหัว (front head) ส่วน tube ส่วนหาง (rear head) และส่วน shell ของไหลตัวหนึ่งจะเข้าทาง shell สัมผัสกับวัสดุที่ใช้ทำ shell และผิวนอกของ tube และไหลออกไปจาก shell ในขณะที่ของไหลอีกตัวหนึ่งจะเข้าทางส่วนหัว ไหลเข้าไปใน tube ไปออกที่ปลายข้างหนึ่งของ tube ทางด้านส่วนหาง จากนั้นอาจจะไหลออกทางด้านส่วนหางก็ได้ หรืออาจไหลวกกลับเข้ามาใน tube อีกชุด กลับมาที่ส่วนหัวใหม่ (โดยมีผนังกั้นระหว่างด้านไหลเข้าและไหลออก) และไหลออกทางด้านส่วนหัว ตรงนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบ โดยส่วนที่ไหลผ่าน tube นี้จะไม่สัมผัสกับส่วน shell
 

สำหรับผู้ที่ยังไม่เข้าใจว่าสิ่งที่เรียกว่า "tube" และ "pipe" นั้น ในทางวิศวกรรมมีความแตกต่างกันอย่างไร และ shell and tube heat exchanger คืออะไร สามารถอ่านได้ใน Memoir ต่อไปนี้
 

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๖๒๕ วันพุธที่ ๒๙ พฤษภาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "ท่อ-Pipe - Tube" และ

ปีที่ ๘ ฉบับที่ ๑๐๑๕ วันพุธที่ ๑๕ กรกฎาคม ๒๕๕๘ เรื่อง "ทำความรู้จัก Shell and Tube Heat Exchanger"
  

รูปที่ ๑ Shell and tube heat exchanger ที่ส่วน shell ทำจากแก้ว และส่วน tube ทำจาก silicon carbide ใช้กับสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรง (โลหะที่ใช้ทำส่วนหัว ส่วนหาง และวัสดุที่ใช้ทำปะเก็น ก็ต้องทนต่อการกัดกร่อนด้วย) A คือทางเข้า-ออกส่วน tube B คือทางเข้า-ออกส่วน shell เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำจากวัสดุเช่นนี้เป็นสินค้าควบคุมระหว่างประเทศ เนื่องจากเกี่ยวข้องกับการผลิตอาวุธเคมี (รูปจากหน้าปกหนังสือ Australia Group Common Control List Handbook Volume I : Chemical weapons-related common control lists, revision 2 January 2016) ที่เลือกรูปนี้มาก็เพราะมันมองเห็นโครงสร้างภายใน

รูปที่ ๒ ตัวอย่าง P&ID ของระบบน้ำหล่อเย็นที่เข้าทางด้าน shell ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ปรกติความดันด้านฝั่งน้ำหล่อเย็นมักจะต่ำเมื่อเทียบกับความดันด้าน process fluid ดังนั้นทางฝั่งน้ำหล่อเย็นจึงมักจะมีการติดตั้งวาล์วระบายความดัน (PSV) เผื่อว่ามีการรั่วไหลที่ตัว tube (เกิดได้ง่ายจากการกัดกร่อน) ทำให้ process fluid ด้านความดันสูงรั่วเข้ามาทางฝั่งน้ำหล่อเย็นที่ตัวระบบท่อนั้นรับความดันได้ต่ำกว่า ส่วนของเหลวที่วาล์วระบายความดันระบายออกมาพร้อมกับน้ำ จะส่งไปที่ไหนนั้นคงต้องมาพิจาณาว่าของเหลวนั้นเป็นอะไร

รูปที่ ๓ ตัวอย่าง P&ID ของระบบน้ำหล่อเย็นที่เข้าทางด้าน tube ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube หน่วยที่เป็น non-essential service หมายถึงหน่วยที่สามารถทำการ bypass เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้ถ้าหากมีความจำเป็นต้องทำการซ่อมบำรุงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน โดยไม่ต้องทำการหยุดการเดินเครื่องทั้งระบบ ส่วน essential service หมายความว่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นส่วนสำคัญในการทำงานของระบบ ซึ่งถ้าหากต้องทำการซ่อมบำรุงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ก็ต้องหยุดเดินเครื่องทั้งระบบ ในกรณีหลังนี้จะไม่มีเส้นทาง bypass (คือไม่เปิดโอกาสให้ทำ)

รูปที่ ๔ อีกตัวอย่างหนึ่งของ P&ID ของระบบน้ำหล่อเย็นที่เข้าทางด้าน tube ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ตามรูปนี้มักจะหมายถึง shell and tube ที่วางตั้ง (รูปที่ ๓ จะเป็นวางนอน) สำหรับประเทศที่อุณหภูมิอากาศเย็นจัดจนทำให้น้ำเป็นน้ำแข็งได้นั้น จำเป็นต้องคำนึงถึงการป้อนกันไม่ให้น้ำหล่อเย็นแข็งตัว ไม่ว่าจะเป็นการเติมสารลดอุณหภูมิจุดเยือกแข็งของน้ำ หรือการให้ความร้อน (tracing) แก่ท่อ โดยเฉพาะตรงบริเวณที่เป็นทางตัน (dead end หรือในการทำงานปรกติจะไม่มีของเหลวไหลผ่าน) เช่นท่อที่ต่อเข้ากับวาล์วระบายความดัน

รูปที่ ๕ อีกตัวอย่างหนึ่งของ P&ID ของระบบน้ำหล่อเย็นที่เข้าทางด้าน tube ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube รูปนี้จะคล้ายคลึงกับรูปที่ ๓ การให้ความร้อนแก่ท่อหรือที่เรียกว่า tracing นั้น อาจใช้ไอน้ำ (steam tracing) ที่ใช้ท่อทองแดงที่มีไอน้ำไหลผ่านพันไปรอบ ๆ ท่อที่ต้องการให้ความร้อน หรือใช้ไฟฟ้าด้วยการใช้ heating tape พันรอบท่อดังกล่าว ตรงนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบและเลือกใช้

รูปที่ ๖ ตัวอย่าง P&ID ที่ตัว process fluid เข้าทางด้าน tube โดยมีท่อ bypass ตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ในรูปนี้แสดงตำแหน่งตัววาล์วระบายความดัน (PSV) ติดตั้งอยู่ทางฝั่ง tube แต่ในความเป็นจริงนั้นตัววาล์วระบายความดันต้องติดตั้งในฝั่งที่ความดันต่ำกว่า (คือถ้าฝั่ง shell ความดันต่ำกว่า ก็ต้องไปติดตั้งวาล์วระบายความดันทางฝั่งนั้น)

รูปที่ ๗ ตัวอย่าง P&ID ที่ตัว process fluid เข้าทางด้าน tube โดยมีท่อ bypass ตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเดียวกับรูปที่ ๖ รูปวาดแบบนี้บางทีผู้เขียนต้องการจะสื่อว่าตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องนี้วางในแนวตั้ง ไม่ได้วางในแนวนอนเหมือนในรูปที่ ๖
 

สัญลักษณ์อย่างง่ายที่ใช้แทนเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube จะเป็นรูปวงกลมที่แทนส่วน shell และเส้นฟันปลา.ในวงกลมที่ลากผ่านวงกลมนั้นที่แทนส่วน tube (ดังตัวอย่างในรูปที่ ๒) สัญลักษณ์แบบนี้ปรกติก็มักบอกแต่เพียงว่าสายไหนไหลในส่วน shell สายไหนไหลในส่วน tube โดยไม่ระบุว่าในความเป็นจริงนั้นตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ตัวนั้นวางนอนหรือวางตั้ง (โดยเฉพาะในพวกโปรแกรม simulation ต่าง ๆ) แต่ถ้าเป็น P&ID ที่ใช้สำหรับการก่อสร้างหรือควบคุมกระบวนการผลิต บางครั้ง (คือไม่เสมอไป ขึ้นกับคนเขียน) เส้นแสดงการไหลในส่วน tube นั้นจะเป็นตัวบอกว่าในความเป็นจริงนั้นตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ตัวนั้นวางนอน (เช่นในรูปที่ ๓) หรือวางตั้ง (เช่นในรูปที่ ๔) ในส่วน tube นั้นเป็นการไหลเข้าทางด้านหัวแล้วไหลออกทางด้านหาง (รูปที่ ๒ ๕ ๖ และ ๗) หรือไหลเข้าทางด้านหัวแล้ววกกลับมาออกทางด้านหัวเหมือนเดิม (รูปที่ ๓ และ ๔) แต่ที่เคยเห็นนั้นถ้าเป็น P&ID ที่ใช้ในการก่อสร้างหรือควบคุมกระบวนการผลิต มักจะวาดรูปเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโดยเลียนแบบจากรูปร่างจริง ทั้งนี้เพื่อให้มองเห็นภาพกระบวนการได้ชัดเจน

เรื่องของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube นี้ยังไม่จบ คิดว่าคงต้องมีต่ออีกอย่างน้อย ๒ ตอน
  

รูปที่ ๘ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ขนาดเล็ก ๒ เครื่อง (ก่อนทำการหุ้มฉนวน) "A" คือช่องทางของเหลวไหลเข้า-ออกในส่วน shell ตัว tube นั้นมีลักษณะเป็นท่อรูปตัว U สอดอยู่ภายใน shell ช่องทางเข้าออกของส่วน tube นั้นอยู่ทางฟากซ้ายของเครื่อง (มองไม่เห็นในรูป) เป็นลักษณะที่ไหลเข้าทางด้านหัวและวกกลับไปออกทางด้านหัว