Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) ของอุปกรณ์ ตอน Shell and Tube Heat Exchanger (๒) MO Memoir : Monday 23 January 2560

การแลกเปลี่ยนความร้อนในโรงงานนั้นมีทั้งการทำเพื่อการประหยัดพลังงาน คือการนำเอาความร้อนจากสาย process fluid ที่ต้องการทำให้เย็นตัวลง ถ่ายเทให้กับสาย process fluid ที่ต้องการทำให้ร้อนขึ้น และการทำให้ process fluid นั้นมีอุณหภูมิที่เหมาะสม เช่นการลดอุณหภูมิด้วยน้ำหล่อเย็น (ความร้อนที่น้ำหล่อเย็นรับไปจะเอาไปปล่อยทิ้งที่หอทำน้ำเย็น) และการให้ความร้อนด้วยไอน้ำ (ที่ใช้ความร้อนจากภายนอกมาต้มน้ำให้ร้อน)
 

การจับคู่ process fluid ที่จะนำมาแลกเปลี่ยนความร้อนกันนั้น ปัจจุบันยังคงเป็นโจทย์ที่สำคัญในการออกแบบกระบวนการเพื่อให้กระบวนการผลิตสิ้นเปลืองพลังงานน้อยที่สุด กล่าวคือทำอย่างไรจึงจะมีการปล่อยความร้อนทิ้งทางสายน้ำหล่อเย็นต่ำสุด และมีการนำเอาแหล่งพลังงานจากภายนอกมาใช้น้อยที่สุดที่นำมาผลิตไอน้ำ (หรือตัวกลางอื่นที่ใช้ในการให้ความร้อน เช่น thermal oil) เพื่อให้ความร้อน 
   

การจับคู่ระหว่าง process fluid สองสายที่สายหนึ่งต้องการทำให้เย็นตัวลงและอีกสายหนึ่งต้องการทำให้ร้อนขึ้นนั้น ไม่เพียงแต่ต้องพิจารณาถึงปริมาณความร้อนของสายร้อนที่ต้องดึงออกและของสายเย็นที่ต้องเพิ่มเข้าไป ถ้าพบว่ามันจับคู่กันได้พอดีก็ต้องมีการพิจารณาต่ออีกว่าปริมาตรการไหลของสายทั้งสองเป็นอย่างไร เพราะปริมาตรการไหลส่งผลต่อพื้นที่หน้าตัดการไหลในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ที่จะต้องไม่มากเกินไปและไม่น้อยเกินไป
  

รูปที่ ๑ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ขนาดเล็กสองตัว ตั้งในแนวดิ่ง (ลูกศรสีแดงชี้) ระหว่างการติดตั้ง ตัวที่อยู่ข้างหลังนั้น A คือช่องทางไอจากยอดหอกลั่นไหลเข้าส่วน shell ของเหลวที่เกิดจากการควบแน่นจะไหลออกทางด้านล่าง (ท่อทางออกอยู่ใต้พื้น) ส่วน B และ C คือช่องทางเข้าออกของหน้ำหล่อเย็นที่ไหลเข้าส่วน tube
 

ถ้าพื้นที่หน้าตัดการไหลใหญ่เกินไป ความเร็วในการไหลจะต่ำ การถ่ายเทความร้อนจะไม่ดีเพราะมีการเกิดชั้นฟิล์มหุ้มพื้นผิวถ่ายเทความร้อนเอาไว้ แต่ถ้าพื้นที่หน้าตัดการไหลเล็กเกินไป ความเร็วในการไหลจะสูงเกินไป ค่าความดันลดคร่อมตัวอุปกรณ์ก็จะสูง และอาจส่งผลต่อค่าความดันย้อนกลับ (back pressure) ของระบบได้ ถ้าอัตราการไหลโดยปริมาตรของ process fluid สองสายไม่ต่างกันเท่าใดนัก ก็อาจใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพียงเครื่องเดียวได้ แต่ถ้าสายใดสายหนึ่งมีอัตราการไหลที่สูงกว่าอีกสายหนึ่งมาก ในกรณีนี้อาจต้องใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสองเครื่องต่อกัน โดยให้สายที่มีอัตราการไหลต่ำนั้นไหลในเส้นทางอนุกรม (พื้นที่หน้าตัดการไหลคงที่ โดยไหลเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องหนึ่งก่อน และค่อยไหลเข้าอีกเครื่องหนึ่ง) และสายที่มีอัตราการไหลสูงนั้นให้ไหลในเส้นทางขนาน (เพิ่มพื้นที่หน้าตัดการไหล โดยการแบ่งแยกการไหล ไหลแบบคู่ขนานเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสองเครื่อง เช่นในรูปที่ ๓-๕) หรือไม่ก็ทำการจับคู่สายที่มีอัตราการไหลต่ำสาย (ที่ต้องการรับหรือระบายความร้อนเหมือนกัน) เข้ากับสายที่มีอัตราการไหลสูงเพียงสายเดียว
  

รูปที่ ๒ อีกตัวอย่างหนึ่งของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด shell and tube ขนาดเล็กตั้งในแนวดิ่ง A คือช่องทางเข้า-ออกส่วน shell (อีกช่องทางหนึ่งอยู่ทางด้านล่างใต้พื้น) ส่วน B และ C คือช่องทางเข้า-ออกส่วน tube
 

รูปที่ ๓ ตัวอย่าง P&ID ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสองเครื่องวางคู่ขนานกัน โดยของไหลที่ไหลเข้าส่วน shell นั้นถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่อง โดยของไหลที่ไหลเข้าส่วน tube ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่องนั้นไม่จำเป็นต้องเป็นของไหลชนิดเดียวกัน (กล่าวคือสายที่มีอัตราการไหลสูง 1 สาย จับคู่กับสายที่มีอัตราการไหลต่ำ 2 สาย) ในรูปนี้เข้าใจว่าต้องการสื่อว่าของไหลที่ไหลเข้าส่วน shell นั้นไหลจากล่างขึ้นบน ซึ่งจะแตกต่างไปจากรูปที่ ๔ ที่ไหลจากบนลงล่าง (ดูจากตำแหน่งของ PSV ที่ติดตั้งอยู่ทางด้านขาออก)

รูปที่ ๔ อีกตัวอย่างหนึ่งของ P&ID ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสองเครื่องวางคู่ขนานกัน โดยของไหลที่ไหลเข้าส่วน shell นั้นถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่อง โดยของไหลที่ไหลเข้าส่วน tube ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่องนั้นไม่จำเป็นต้องเป็นของไหลชนิดเดียวกัน ในรูปนี้ของไหลที่ไหลเข้าส่วน shell นั้นไหลจากบนลงล่าง
 

รูปที่ ๕ ตัวอย่าง P&ID ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสองเครื่องวางคู่ขนานกัน โดยของไหลที่ไหลเข้าส่วน tube นั้นถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่อง โดยของไหลที่ไหลเข้าส่วน shell ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละเครื่องนั้นไม่จำเป็นต้องเป็นของไหลชนิดเดียวกัน
 

รูปที่ ๖ ตัวอย่าง P&ID ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสองเครื่องต่ออนุกรมกัน โดยน้ำหล่อเย็นไหลเข้าส่วน shell ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องแรก จากนั้นจึงไหลเข้าส่วน shell ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องที่สอง ส่วนของไหลที่ไหลในส่วน tube นั้นพอออกจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องแรกก็ไหลต่อเข้าไปในส่วน tube ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องที่สอง รูปนี้คำบรรยายแบบมีผิดตรงนี้บอกว่าน้ำหล่อเย็นไหลเข้าส่วน tube ทั้ง ๆ ที่ในรูปน้ำหล่อเย็นไหลเข้าส่วน shell
   

รูปที่ ๗ ตัวอย่าง P&ID ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสองเครื่องต่ออนุกรมกัน โดยน้ำหล่อเย็นไหลเข้าส่วน tube ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องแรก จากนั้นจึงไหลเข้าส่วน tube ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องที่สอง ส่วนของไหลที่ไหลในส่วน shell นั้นพอออกจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องแรกก็ไหลต่อเข้าไปในส่วน shell ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเครื่องที่สอง
  

สิ่งหนึ่งที่พึงควรคำนึงคือการจับคู่ process fluid ที่จะนำมาทำการแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อการประหยัดพลังงาน ที่ออกมาดูดีบนโปรแกรม simulation นั้นไม่ได้หมายความว่าจะนำมาใช้ได้จริงในทางปฏิบัติ เพราะมีสิ่งสำคัญสิ่งหนึ่งที่ไม่มีการรวมเข้าไปในการคำนวณคือ "ตำแหน่งที่ตั้ง" ของตัวอุปกรณ์ เพราะถ้าคู่ process fluid ที่จะนำมาแลกเปลี่ยนความร้อนกันนั้นต่างอยู่คนละฟากที่ตั้งของตัวโรงงาน การที่ต้องเดินท่อสาย process fluid ทั้งสองเป็นระยะทางไกลเพื่อให้มาแลกเปลี่ยนความร้อนกันนั้น ค่าใช้จ่ายในการเดินท่อ (รวมทั้งค่าซ่อมบำรุงต่าง ๆ ที่จะตามมา) และการสูญเสียพลังงานตามแนวเส้นท่อที่เดิน คงเป็นสิ่งที่จะหลีกเลี่ยงไม่คำนึงถึงไม่ได้
  

ความยาวท่อโลหะที่ขายกันอยู่ทั่วไปในท้องตลาดนั้น แม้ว่าจะไม่มีมาตรฐานกำหนดว่าท่อแต่ละเส้นต้องผลิตออกมายาวเท่าใด แต่ที่ผลิตจำหน่ายกันก็จะมีความยาวประมาณ 6 หรือ 12 เมตร สำหรับงานที่ต้องการใช้ท่อที่สั้นกว่านี้ก็ต้องนำท่อยาวนี้มาตัดให้สั้นลง ในกรณีของงานที่ต้องการท่อที่สั้นกว่าความยาวที่จำหน่ายนี้เป็นจำนวนมาก (เช่นในกรณีของ tube ที่ใช้ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ shell and tube) จะเป็นการดีถ้าหากเลือกความยาวท่อที่ตัดแล้วจะไม่มีเศษเหลือ
  

พื้นที่ผิวสำหรับการแลกเปลี่ยนความร้อนเพิ่มตามจำนวนท่อและความยาวท่อ ในส่วนของ tube นั้นการเพิ่มจำนวนท่อจะทำให้ความเร็วในการไหลภายในท่อลดลง ซึ่งไม่ส่งผลดีต่อการแลกเปลี่ยนความร้อน (มีชั้นฟิล์มต้านทานการไหลเกิดขึ้น) แต่การเพิ่มความยาวท่อจะทำให้คงความเร็วในการไหลเอาไว้ได้ ดังนั้นแทนที่จะใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพียงเครื่องเดียวที่มีจำนวนท่อมาก ก็อาจใช้เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสองเครื่องที่แต่ละเครื่องมีจำนวนท่อน้อยกว่า แต่นำมาเรียงต่ออนุกรมกัน (ดังตัวอย่างในรูปที่ ๖ และ ๗)

ปิดท้ายที่ว่างของหน้าด้วยภาพบรรยากาศห้องพักนิสิตป.โท ยามเช้าที่ถ่ายเอาไว้เมื่อวันศุกร์ที่ ๒๐ ที่ผ่านมาก็แล้วกันครับ