อาจหาญ ณ นรงค์
แผนกวิศวกรรมและซ่อมบำรุง
บริษัท โยโกฮาม่า ไทร์ แมนูแฟคเจอริ่ง (ประเทศไทย) จำกัด 

บทความนี้จะนำเสนอรายละเอียดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งสามชนิดคือ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเชลล์ (Shell & Tube Heat Exchanger) ซึ่งเราพบมากที่สุดสำหรับเครื่องจักรในงานอุตสาหกรรม, เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (Plate Heat Exchanger, PHE) และคูลลิ่งทาวเวอร์ (Cooling Tower)

คือระบบระบายความร้อนที่ใช้น้ำหรือของไหลอื่น ๆ (Primary Liquid) เป็นตัวพาความร้อนออกจากแหล่งกำเนิดความร้อนหรือเครื่องจักร จากนั้นก็เอาน้ำร้อนนั้นไประบายความร้อนออกอีกทีด้วยน้ำเย็น (Secondary Liquid) ดังรูปที่ 12 สำหรับชนิดของสารตัวกลางที่ใช้ก็ตามแต่ผู้ผลิตจะออกแบบ

บางแบบอาจใช้น้ำมันเป็นตัวพาความร้อนออกจากแหล่งกำเนิดความร้อน และใช้น้ำเป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่ชุดเชลล์และท่อซึ่งเราจะเรียกแบบนี้ว่าแบบน้ำมันกับน้ำ (Water to Oil) บางแบบอาจใช้น้ำเป็นตัวพาความร้อนออกมาจากแหล่งกำเนิดความร้อนหรือเครื่องจักรและใช้น้ำในการระบายความร้อนที่ชุดเชลล์และท่อ

เราเรียกแบบนี้ว่าแบบน้ำกับน้ำ (Water to Water) ซึ่งระบบระบายความร้อนแบบนี้จะใช้กับงานที่ต้องการระบายความร้อนออกจากระบบในปริมาณมากและรวดเร็ว รูปร่างของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้จะประกอบด้วยท่อสองท่อซ้อนอยู่ในแกนเดียวกันโดยทั่ว ๆ ไปจะแบ่งประเภทตามทิศทางการไหลของของไหลที่ใช้ระบายความร้อนทั่ว ๆ ไปจะมี 3 แบบคือ

รูปที่ 12 แสดงวงจรการใช้งานของเครื่องระบายความร้อนแบบท่อและเชลล์

ดังรูปที่ 13 กลไกการทำงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้ก็คือ น้ำร้อนที่รับความร้อนจากแหล่งกำเนิดความร้อน (Primary Liquid, Thi) จะไหลเข้ามาในเชลล์ตรงทางเข้าและถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำเย็นที่ใช้ระบายความร้อน (Secondary Liquid, Tci) ที่ไหลเข้ามาทางท่อซึ่งอยู่ตรงกลางเชลล์เมื่อน้ำร้อนถ่ายเทความร้อนให้น้ำเย็นที่ไหลผ่านท่อแล้วอุณหภูมิก็จะค่อย ๆ ลดลงและจะไหลกลับตรงทางออก (The)

ส่วนน้ำเย็น (Secondary Liquid, Tci)ที่ใช้เป็นตัวระบายความร้อนจะมีอุณหภูมิที่ทางเข้าต่ำและในระหว่างที่ไหลในท่อที่ผ่านเชลล์ก็จะรับความร้อนจากน้ำร้อนจนทำให้อุณหภูมิของน้ำเย็นตอนที่ออกจากท่อ (Tco) สูงขึ้นดังกราฟแสดงการกระจายของอุณหภูมิในรูปที่ 13 ซึ่งในกลไกของการถ่ายเทความร้อนแบบการไหลตามกันนี้

ช่วงแรกที่น้ำร้อน (Primary Liquid, Thi) ไหลเข้ามาในเชลล์นั้นเป็นจุดเดียวกับที่น้ำเย็น (Secondary Liquid, Tci) ในท่อไหลเข้ามาด้วย อุณหภูมิของน้ำเย็นและน้ำร้อนช่วงนี้จึงแตกต่างกันมาก ดังนั้นปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทได้จึงมีค่าสูง ส่วนตรงจุดที่ใกล้ทางออกนั้นเราจะเห็นจากกราฟว่าอุณหภูมิของน้ำร้อนตรงทางออก (Primary Liquid, Tho) จะสูงกว่าอุณหภูมิของน้ำเย็นตรงทางออก (Secondary Liquid, Tco) แตกต่างกันน้อยจึงทำให้ความร้อนที่ระบายได้ตรงจุดนี้น้อยลง  

รูปที่ 13 เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเชลล์และท่อ ที่มีการไหลแบบไหลตามกัน (Parallel Flow) และกราฟแสดงอุณหภูมิ

การไหลของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้ของไหลที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนความร้อนจะไหลในทิศทางที่สวนทางกันดังรูปที่ 14 โดยที่น้ำร้อน (Primary Liquid, Thi) จะไหลเข้าและออก (Tco) จากเชลล์เหมือนเดิมแต่ตรงทางที่น้ำร้อนไหลเข้า (Tci) จะใกล้กับทางน้ำเย็นออก (Secondary Liquid, Tco) จึงทำให้ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของน้ำร้อน (Primary Liquid, Thi) ที่ทางเข้ากับน้ำเย็น (Secondary Liquid, Tco) ที่ทางออกน้อย แต่ความแตกต่างของของน้ำร้อนที่ทางออกกับน้ำเย็นที่ทางออกมากดังกราฟแสดงโปรไฟล์ของอุณหภูมิดังรูปที่ 14

รูปที่ 14 เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเชลล์และท่อ ที่มีการไหลแบบสวนทาง (Counter Flow) และกราฟแสดงอุณหภูมิ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้ก็เหมือนกับสองแบบข้างต้นแต่ต่างกันตรงที่ทิศทางการไหลของน้ำเย็น (Secondary Liquid) ที่ทิศทางการไหลของน้ำในท่อที่ทางเข้าและทางออกอยู่ตรงด้านเดียวกัน ซึ่งน้ำร้อนจากเครื่องจักร(Primary Liquid) ก็ยังมีทางเข้า (Thi) และออก (Tho) เหมือนกับทั้งสองแบบข้างต้นแต่จะต่างกันตรงที่ทิศทางการไหลของน้ำเย็น(Secondary Liquid) ที่ทางไหลเข้าและออกจะอยู่ด้านเดียวกัน โดยที่น้ำเย็นจะเข้ามาในเชลล์และไหลตามท่อน้ำเย็นไปจนสุดอีกด้านหนึ่งและก็จะไหลกลับมาออกยังด้านเดิมดังรูปที่ 15

สำหรับการไหลแบบนี้จะทำให้น้ำเย็น (Secondary Liquid) มีพื้นที่และเวลาในการสัมผัสกับน้ำร้อน (Primary Liquid) มากขึ้น จึงเป็นผลให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนของเครื่องระบายความร้อนแบบไปแล้วกลับ มากกว่าสองแบบแรก และสำหรับเครื่องและเปลี่ยนความร้อนแบบเชลล์และท่อที่ใช้อยู่ในปัจจุบันส่วนมากจะเป็นแบบนี้

รูปที่ 15 เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเชลล์และท่อ ที่มีการไหลแบบไปแล้วกลับและกราฟแสดงอุณหภูมิ

ดังที่กล่าวมาแล้วในตอนแรกว่าตัวแปรหนึ่งที่สำคัญในระบบระบายความร้อนก็คือ พื้นที่ระบายความร้อน ในกรณีที่เราไม่สามารถที่จะไปเปลี่ยนตัวแปรตัวอื่นได้เช่น อุณหภูมิของแหล่งกำเนิดความร้อนและแหล่งรับความร้อน, สารตัวกลางที่ใช้ในการระบายความร้อน แต่ตัวแปรที่เราสามารถทำได้โดยง่ายก็คือพื้นที่ในการระบายความร้อน

โดยการออกแบบให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีพื้นที่รับความร้อนที่มากขึ้น สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้ก็เช่นกัน ซึ่งการเพิ่มพื้นที่ในการแลกเปลี่ยนความร้อนก็คือการเพิ่มจำนวนท่อให้มากขึ้นนั่นเอง 

รูปที่ 16 จำนวนท่อที่เพิ่มทำให้พื้นที่ระบายความร้อนมากขึ้น

            T_LMTD  = ความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยเชิงล็อก K (หน่วยเป็นองศาเคลวิน) โดยที่จะเอาค่าของ อุณหภูมิของน้ำที่เข้า
              และออกจากท่อและ เชลล์ของน้ำร้อน (Primary Liquid) และน้ำระบายความร้อน (Secondary Liquid) มาคำนวณ 

ตัวอย่างที่ 1 อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเชลล์แบบน้ำแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำตัวหนึ่ง ด้านน้ำร้อน (Primary Liquid) มีอัตราการไหล () 2 กิโลกรัม/วินาที (kg/s) อุณหภูมิน้ำเข้าและออกจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน 75 ^๐C และ 45 ^๐C ส่วนด้านน้ำเย็น (Secondary Liquid) มีอัตราการไหลของน้ำ 4 กิโลกรัม/วินาที (kg/s) อุณหภูมิน้ำเข้าเท่ากับ 20 ^๐C และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม, U ของอุปกรณ์ที่ถ่ายเทความร้อนระหว่างน้ำกับน้ำเท่า 950 W/m2K  

จงหาพื้นที่ในการถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนดังกล่าวดังต่อไปนี้ (ตัวอย่างนี้มิได้มาจากการทดลองแต่เป็นการยกตัวย่างเพื่อความเข้าใจ) 

รูปที่ 17 อุณหภูมิของเครื่องแลกเปลี่ยนความแบบไหลตามกัน ตามตัวอย่างที่ 1

รูปที่ 18 อุณหภูมิของเครื่องแลกเปลี่ยนความแบบไหลสวนทาง ตามตัวอย่างที่ 1

จากตัวอย่างที่ 1 เราจะเห็นว่าค่า T_LMTD ของการไหลแบบสวนทาง (Counter Flow) จะน้อยกว่าค่า T_LMTD ของการไหลแบบตามกัน (Parallel Flow) จึงเป็นผลให้พื้นที่ในการระบายความร้อนของการไหลแบบสวนทางน้อยกว่าในปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทเท่ากันหมายความว่าถ้าพื้นที่ระบายความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทั้งสองแบบเท่ากัน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดการไหลสวนทางจะสามารถระบายความร้อนได้มากกว่า

โดยปกติแล้วปริมาณความร้อนที่สามารถถ่ายเทได้ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้จะขึ้นอยู่กับ
- อัตราการไหลของน้ำ ถ้าอัตราการไหลของน้ำมาก ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทออกจากระบบก็จะมากตามไปด้วย
- อุณหภูมิที่แตกต่างของน้ำร้อนและน้ำเย็นที่ไหลเข้าและออกในระบบ ถ้าระบบถูกออกแบบให้อุณหภูมิของน้ำเย็นที่เป็นตัวดึงความร้อนออกจากระบบมีอุณหภูมิต่างจากน้ำร้อนที่เข้ามาในระบบยิ่งมาก ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทออกจากระบบก็จะยิ่งมาก

- พื้นที่ถ่ายเทความร้อนของระบบ ถ้าพื้นที่การถ่ายเทความร้อนของระบบยิ่งมาก การถ่ายเทความร้อนก็ยิ่งมากขึ้น แต่ขนาดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะมีขนาดใหญ่ขึ้นตามไปด้วย 

- วัสดุที่นำมาทำท่อภายในเชลล์ ถ้าวัสดุที่นำมาทำท่อมีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนมาก เช่นอะลูมิเนียมหรือทองแดง จะสามารถถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่าท่อ ซึ่งทำจากเหล็กซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนได้น้อยกว่า

- ความหนาของท่อภายในเชลล์ ถ้าท่อมีความหนาน้อยกว่าก็จะสามารถถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่าในกรณีที่เป็นวัสดุชนิดเดียวกัน
- ความสะอาดภายในและนอกท่อที่อยู่ในเชลล์ เพราะว่าถ้าภายในและนอกท่อมีสิ่งสกปรกเกาะติดอยู่มาก สิ่งสกปรกและตะกรันเหล่านี้ จะเป็นตัวขัดขวางกลไกการถ่ายเทความร้อนระหว่างของไหลภายในและภายนอกท่อซึ่งเป็นผลให้ปริมาณการถ่ายเทความร้อนโดยรวมลดลง

3. เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (Plate Heat Exchanger, PHE)
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเพลท (Plate Heat Exchanger) ถูกคิดค้นพัฒนาและนำมาใช้งานเมื่อประมาณ 70 กว่าปีที่แล้วโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษและได้ถูกพัฒนามาอย่างต่อเนื่องจนมีการใช้งานอย่างกว้างขวางในปัจจุบันโดยมีข้อดีคือ

- ให้ประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อนสูง
- ง่ายต่อการถอดประกอบและการตรวจสอบสภาพ หรือการล้างทำความสะอาด
- มีน้ำหนักเบาเมื่อเทียบกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบอื่น ๆ ที่ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทเท่ากัน

รูปที่ 19 แสดงโครงสร้างและส่วนประกอบของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นเพลท (Plate Heat Exchanger)

ลักษณะโครงสร้างของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นเพลทดังแสดงในรูปที่ 19 ซึ่งประกอบด้วยชุดแผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนมีลักษณะแผ่นเป็นลอนเอียงซึ่งแผ่นนี้จะใช้เป็นตัวกลางในทำหน้าที่แลกเปลี่ยนความร้อนสองด้านระหว่างของไหลร้อนและเย็น 

ชุดแผ่นเพลทนี้จะถูกประกอบอยู่ระหว่างแผ่นโครง (Frame) หน้าและโครงหลังและตัวแผ่นเพลทนั้นถูกวางอยู่บนคานรับด้านล่างและมีคานด้านบนเป็นตัวประคอง และแผ่นเพลทจะถูกยึดเข้ากับโครงด่านหน้าและหลังด้วยสลักยึด  โครงด้านหน้าจะมีรูให้ทั้งน้ำร้อนและเย็นเข้าและออกจากชุดแผ่นเพลท และระหว่างแผ่นเพลทและช่องทางเข้าออกของน้ำจะมีปะเก็นยางเป็นตัวกั้นและบังคับทิศทางการไหลของน้ำเข้าออกให้ไหลไปตามช่องทางที่ออกแบบไว้  

การที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้มีประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อนสูงก็เป็นเพราะว่ารูปแบบของแผ่นเพลทที่มีลักษณะของแผ่นสองแบบประกบกันในแต่ละคู่คือแผ่นหนึ่งจะเป็นลอนแบบลูกดังรูปที่ 20A ซึ่งจะทำให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วน กับอีกแผ่นหนึ่งจะเป็นลอนแบบก้างปลาดังรูปที่ 20B เมื่อนำสองแผ่นมาประกบกับแล้วปล่อยไห้ของไหลไหลผ่านตรงจุดประกบส่วนนูนของทั้งสองแผ่นก็จะทำให้น้ำหรือของไหลมีการไหลแบบปั่นป่วนเกิดขึ้นและมีผลการถ่ายเทความร้อนเป็นไปอย่างรวดเร็ว  

รูปที่ 20 ลักษณะการไหลกับแบบของลอนของแผ่นเพลท

ข้อดีในการติดตั้งอีกอย่างหนึ่งของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้ก็คือท่อเข้าและออกของของของไหลที่ใช้ระบายความจะอยู่ด้านเดียวกันทั้งหมด จึงทำให้ง่ายต่อการออกแบบและติดตั้งอีกทั้งสามารถประหยัดพื้นที่ของระบบโดยรวม ในส่วนของรูปแบบการไหลของของไหลที่ใช้ในการระบายความร้อนและรูปแบบโปรไฟล์ของอุณหภูมิตลอดจนสมการการคำนวณต่าง ๆ ก็คล้าย ๆ กับที่แสดงในแบบเชลล์และท่อ

คูลลิ่งทาวเวอร์ (Cooling Tower) หรือที่เรียกว่าหอผึ่งหรือหอระบายความร้อนแต่เพื่อเป็นการง่ายต่อความเข้าใจ ในบทความนี้จะขอเรียกเครื่องระบายความร้อนแบบนี้ทับศัพท์ว่าคูลลิ่งทาวเวอร์ เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่นิยมใช้กันมากในงานอุตสาหกรรมอีกชนิดหนึ่ง 

รูปที่ 21 คูลลิ่งทาวเวอร์

โดยคูลลิ่งทาวเวอร์จะระบายความร้อนออกจากสารตัวกลางที่ใช้ก็คือน้ำ โดยใช้หลักการสัมผัสตรง (Direct Contact) ระหว่างน้ำกับอากาศในการระบายความร้อน กระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนของคูลลิ่งทาวเวอร์สามารถอธิบายได้โดยรูปที่ 22

น้ำอุ่นจะไหลผ่านชุด Packing ซึ่งภายในจะเป็นแผ่นฟิลเลอร์ (Filler) ซึ่งทำหน้าเพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างน้ำกับอากาศ  น้ำอุ่นจะไหลผ่านครีบในลักษณะเคลือบผิวหน้าของฟิลเลอร์ น้ำอุ่นจะปกคลุมอยู่ที่ผิวหน้าของแผ่นฟิลเลอร์ด้านบนของคูลลิ่งทาวเวอร์จะติดพัดลมดูดอากาศขนาดใหญ่เอาไว้โดยที่พัดลมจะดูดอากาศจากด้านล่างขึ้นด้านบน (Air In, a1)   

สวนทางกับการไหลตกลงมาของน้ำอุ่น การแลกเปลี่ยนความร้อนจะเกิดขึ้นเมื่ออากาศที่ถูกดูดโดยพัดลมด้านบนเคลื่อนที่ผ่านผิวหน้าของน้ำอุ่นที่ไหลบนบนชุดแผ่นฟิลเมื่อลมเย็นจากด้านล่าง (Air In, a1) พัดผ่านผิวน้ำอุ่น (Warm Water In, w1)

ความร้อนจากน้ำอุ่นจะถูกถ่ายเทออกไปยังลมเย็น เป็นผลให้ลมที่ออกจากคูลลิ่งทาวเวอร์ด้านบน (Air Out, a2) ร้อนขึ้น สำหรับน้ำอุ่น หลังจากที่ถ่ายเทความร้อนสู่อากาศแล้วก็จะทำให้อุณหภูมิของน้ำลดลงกลายเป็นน้ำเย็น (Cooled Water, w2) จากนั้นก็จะออกจากคูลลิ่งทาวเวอร์กลับไปใช้งานในกระบวนการต่าง ๆ ต่อไป 

รูปที่ 22 กระบวนการระบายความร้อนของคูลลิ่งทาวเวอร์

ความร้อนสัมผัส (Sensible Heat) หมายถึง การถ่ายเทความร้อนที่ทำให้อุณหภูมิของสารตัวกลางที่ถ่ายเทความร้อนคือน้ำและอากาศเพิ่มขึ้นหรือลดลงในขณะที่เกิดการถ่ายเทความร้อนซึ่งก็คือปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทจากผิวน้ำสู่อากาศของคูลลิ่งทาวเวอร์ที่ทำให้อากาศที่ออกจากคูลลิ่งทาวเวอร์ (Air Out, a2) มีอุณหภูมิสูงขึ้นและน้ำที่ออกจากคูลลิ่งทาวเวอร์ (Cooled Water Out, w2) มีอุณหภูมิลดลง ปริมาณความร้อนสัมผัสที่ถ่ายเทนั้นขึ้นอยู่กับตัวแปรดังนี้คือ

- พื้นที่ (A) ของชุด Packing ที่น้ำกับอากาศสัมผัสกันซึ่งในคูลลิ่งทาวเวอร์ก็คือพื้นที่ของแผ่นฟิลฟิลเลอร์ (Filler) ซึ่งได้รับการออกแบบมาจกผู้ผลิตแล้ว โดยที่ถ้าพื้นที่ในการสัมผัสกันของน้ำกับอากาศมาก ความร้อนที่ถ่ายเทก็มากตามไปด้วย

- ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของผิวน้ำในคูลลิ่งทาวเวอร์กับอุณหภูมิของอากาศแวดล้อม (Ti–Ta) ถ้าอุณหภูมิของอากาศที่เข้าคูลลิ่งทาวเวอร์น้อยกว่าอุณหภูมิของน้ำอุ่นที่เข้าคูลลิ่งทาวเวอร์มากเท่าได ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทก็ยิ่งมากเท่านั้น

- ความเร็วของลมที่ไหลผ่านคูลลิ่งทาวเวอร์ ซึ่งถ้าความเร็วของลมที่ไหลผ่านมากก็จะทำให้ค่าสัมประสิทธิ์ในการพาความร้อนมากซึ่งก็จะส่งผลให้อัตราการถ่ายเทความร้อนมากตามไปด้วย แต่ความเร็วลมที่มากเกินไปก็อาจส่งผลให้น้ำในระบบระเหยหรือโดนพัดลมดูดหายไปมากด้วย นอกจากนี้ก็อาจทำให้มีเสียงดังจากใบพัดมากผิดปกติ

ความร้อนแฝง (Latent Heat) คือการถ่ายเทความร้อนที่มีอุณหภูมิคงที่ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วก็คือความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของสารตัวกลางในการระบายความร้อน ซึ่งความร้อนแฝงที่เกิดในคูลลิ่งทาวเวอร์เกิดจากการระเหยของน้ำอุ่นเป็นไอน้ำ ขณะที่ทำการและเปลี่ยนความร้อน ซึ่งจะเกิดขึ้นมากน้อยนั้นก็ขึ้นอยู่กับความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศที่ไหลเข้าไปยังคูลลิ่งทาวเวอร์

เช่นในกรณีที่ในอากาศมีความชื้นสัมพัทธ์น้อยเช่นในหน้าหนาว การถ่ายเทความร้อนแฝงจะมีปริมาณมาก เพราะเมื่อความชื้นสัมพัทธ์ในอากาศน้อย ไอน้ำในอากาศก็มีน้อยตามไปด้วยจึงทำให้น้ำระเหยตัวได้ง่าย เมื่อน้ำในระบบระเหยตัวออกไปมากก็จะส่งผลให้น้ำในระบบลดลงดังนั้นจึงต้องมีการติดตั้งชุดเติมน้ำ (Make Up Water) เพื่อที่จะทำการเติมน้ำเข้าไปในระบบทดแทนน้ำที่หายไปจากการระเหยตัวเป็นไอน้ำ

สมการการถ่ายเทความร้อนของคูลลิ่งทาวเวอร์
เพื่อให้มองภาพในรายละเอียดของการถ่ายเทความร้อนของคูลลิ่งทาวเวอร์ออก ให้พิจารณาสมการต่อไปนี้
1. อัตราการไหลของอากาศ (Air Flow Rate) อัตราการไหลของอากาศของคูลลิ่งทาวเวอร์จะเป็นไปตามสมการ 
    _a1 = _a2 = _a ………..…... (7)

โดยที่    _a   = อัตราการไหลโดยมวลของอากาศ, kg/s
            _a1 = อัตราการไหลโดยมวลของอากาศขาเข้า, kg/s 
            _a2 = อัตราการไหลโดยมวลของอากาศขาออก, kg/s

ดังรูปที่ 22 เราจะเห็นว่าอากาศที่ไหลเข้าจะเท่ากับอากาศที่ไหลออกจากคูลลิ่งทาวเวอร์ ในกรณีที่เป็นคูลลิ่งทาวเวอร์ขนาดเดียวกัน ถ้าอัตราการไหลของอากาศมากแสดงว่าความเร็วของอากาศก็จะมากตามไปด้วย และจะส่งผลให้การระบายความร้อนมากขึ้นด้วย 

2.  อัตราการไหลของน้ำ (Water Flow Rate, ) น้ำอุ่นที่ไหลเข้ามายังคูลลิ่งทาวเวอร์ (Warm Water, w1) นั้นจะไหลเข้ามาที่อุณหภูมิสูงและจะออกจากคูลลิ่งทาวเวอร์ที่อุณหภูมิต่ำ (Cooled Water, w2) และในช่วงของการลดอุณหภูมิของน้ำในขณะที่น้ำถ่ายเทความร้อนให้อากาศนั้น จะมีน้ำส่วนหนึ่งที่ระเหยไปกับลมที่ใช้ระบายความร้อน ซึ่งเราจะต้องคอยเติมน้ำแทนน้ำที่หายไปทางช่องของ Make Up Water โดยจะเป็นไปตามสมการ

โดยที่    _a  = อัตราการไหลโดยมวลของอากาศ, kg / s
            _w1 = อัตราการไหลโดยมวลของน้ำขาเข้า, kg / s
            _{Make up} = อัตราการไหลของน้ำที่ต้องเติมแทนน้ำที่ระเหยไป, kg/s
            _w2 = อัตราการไหลโดยมวลของน้ำขาออก, kg/s
            _a1 = อัตราส่วนความชื้นของอากาศขาเข้า, kg_{ไอน้ำ}/kg_{อากาศ
            a1} = อัตราส่วนความชื้นของอากาศขาออก, kg_{ไอน้ำ}/kg_{อากาศ}

จากสมการที่ 8 เราจะเห็นว่าหลังจากที่น้ำอุ่นเข้าไปในคูลลิ่งทาวเวอร์และออกมาเป็นน้ำเย็นนั้น  น้ำส่วนหนึ่งที่หายไปนั้นเป็นเพราะเกิดการระเหยตัวในระหว่างการถ่ายเทความร้อน ปัจจัยที่ทำให้การระเหยตัวของน้ำมากหรือน้อยนั้นจะขึ้นอยู่กับ

- อัตราส่วนความชื้นของอากาศ (Humidity Ratio, ) ซึ่งก็คือ อัตราส่วนระหว่างน้ำหนักของไอน้ำในอากาศต่อน้ำหนักของอากาศในจุดนั้น (kg_{ไอน้ำในอากาศ}/kg _{อากาศแห้ง}) ซึ่งก็คือความหมายเดียวกับความชื้นสัมพัทธ์ (Humidity Relative, ) โดยที่ถ้าความชื้นสัมพัทธ์น้อยค่าอัตราส่วนความชื้นก็จะน้อยแต่ถ้าค่าความชื้นสัมพัทธ์มากค่าอัตราส่วนความชื้นก็จะมากไปด้วย ในที่นี้หมายความว่าถ้าหากเป็นช่วงเวลาที่ในอากาศตอนนั้นมีปริมาณไอน้ำในอากาศน้อยหรืออากาศแห้ง      

เช่นในหน้าหนาว อากาศที่ถูกดูดเข้าไปในคูลลิ่งทาวเวอร์ก็จะแห้ง ดังนั้นการระเหยตัวของน้ำอุ่นก็จะเป็นไปได้โดยง่ายดังนั้นน้ำจึงระเหยตัวมากกว่าอากาศชื้นในหน้าร้อน จากสมการที่8เราจะเห็นว่าอัตราส่วนของน้ำที่ระเหยตัวไปคือ อัตราการไหลของอากาศคูณด้วยผลต่างของอัตราส่วนความชื้นที่ทางออกและทางเข้าของคูลลิ่งทาวเวอร์ (m_a [_a2 - _a1])

- ความเร็วของอากาศที่ไหลผ่านคูลลิ่งทาวเวอร์ จากสมการที่8 เราจะเห็นว่าถ้าอากาศไหลผ่านด้วยความเร็วสูงก็จะทำให้อัตราการไหลของอากาศมากตามไปด้วยดังนั้นก็จะทำให้น้ำระเหยตัวได้มากขึ้นตามไปตามไปด้วย

3.  ปริมาณพลังงานที่ถ่ายเท (Energy Transfer Rate) พลังงานที่ถ่ายเทที่คูลลิ่งทาวเวอร์สามารถทำได้นั้นขึ้นอยู่กับองค์ประกอบต่าง ๆ หลายอย่าง ไม่ว่าจะเป็นความเร็วลม พื้นที่ของการระบายความร้อนของแผ่นฟิลเลอร์ที่ได้รับการออกแบบ ตลอดจนสภาวะอากาศที่แวดล้อมตัวคูลลิ่งทาวเวอร์ แต่ในการคำนวณโดยคร่าว ๆ นั้นเราสามารถที่จะคำนวณได้จากทั้งสภาวะของอากาศและน้ำที่เข้าและออกจากคูลลิ่งทาวเวอร์นั้น ๆ ตามสมการ

โดยที่      _w1 คือ อัตราการไหลของน้ำอุ่นที่ทางเข้าของคูลลิ่งทาวเวอร์, kg/s
              _w2   คือ อัตราการไหลของน้ำเย็นที่ออกจากคูลลิ่งทาวเวอร์, kg/s
              _a   คือ อัตราการไหลของลมที่ไหลผ่านคูลลิ่งทาวเวอร์, kg/s
              h_w1    คือ ค่าเอลทาลปี้ของน้ำอุ่นตรงทางเข้าของคูลลิ่งทาวเวอร์, kJ/kg * K
              h_w2    คือ ค่าเอลทาลปี้ของน้ำเย็นตรงทางเข้าของคูลลิ่งทาวเวอร์, kJ/kg * K
              h_a1    คือ ค่าเอลทาลปี้ของลมที่ไหลเข้าคูลลิ่งทาวเวอร์, kJ/kg * K
              h_a2    คือ ค่าเอลทาลปี้ของลมที่ไหลออกจากคูลลิ่งทาวเวอร์, kJ/kg * K

* ในทางเทอร์โมไดนามิก ค่าเอลทาลปี้ (Enthalpy) คือค่าที่เป็นตัวบ่งบอกถึงระดับพลังงานของของสสาร ซึ่งเป็นค่าพลังงานภายในของของไหลบวกกับพลังงานเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของความดันและประมาตร (Pv) ของของสสารดังสมการ (Enthalpy = u + Pv) โดยที่ u คือพลังงานภายใน มีหน่วยเป็น kJ /kg และ Pv คือพลังงานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน (Pressure) และปริมาตร (Volume, v) ของของสสาร

สำหรับค่าเอลทาลปี้นี้เราสามารถเปิดได้จากตารางไอน้ำอิ่มตัวในตำราเทอร์โมไดนามิกต่าง ๆ ได้ โดยปกติสสารซึ่งในที่นี้หมายถึงของไหลหรือสารทำงานที่มีอุณหภูมิสูงจะมีค่าเอลทาลปี้มาก และของไหลที่มีอุณหภูมิต่ำจะมีค่าเอลทาลปี้น้อย     

ดังนั้นเมื่อเราพิจารณาน้ำอุ่นที่ไหลเข้าคูลลิ่งทาวเวอร์ เราจะเห็นว่าเป็นน้ำที่มีอุณหภูมิสูง ส่วนน้ำที่ออกจากคูลลิ่งทาวเวอร์จะเป็นน้ำเย็นที่มีอุณหภูมิต่ำเพราะน้ำดังกล่าวได้เกิดการถ่ายเทความร้อนให้กับลมในคูลลิ่งทาวเวอร์นั่นเอง จึงทำให้ลมเย็นที่มีพลังงานน้อยตอนที่ไหลเข้าคูลลิ่งทาวเวอร์แต่ตอนออกมากลายเป็นลมร้อนซึ่งมีพลังงานสูงก็เป็นเพราะลมได้รับการถ่ายเทพลังงานหรือความร้อนออกมาจากน้ำนั้นเอง เพื่อให้เข้าใจในเรื่องนี้ให้ดียิ่งขึ้นจึงขอยกตัวอย่างประกอบดังนี้

ตัวอย่างที่ 2 คูลลิ่งทาวเวอร์ที่ใช้ในการระบายความร้อนให้กับกระบวนการผลิตตัวหนึ่งใช้ระบายความร้อนให้กับน้ำที่อัตราการไหล (m) 20 กิโลกรัม/วินาที (*ประมาณ 1200ลิตร/นาที) โดยน้ำอุ่นไหลเข้าที่อุณหภูมิ 35 ^๐C หลังถ่ายเทความร้อนแล้วไหลออกเป็นน้ำเย็นที่อุณหภูมิ 25 ^๐C โดยที่ลมเข้าคูลลิ่งทาวเวอร์ที่อุณหภูมิ 21 ^๐C ความชื้นสัมพัทธ์ 60 เปอร์เซ็นต์ ส่วนที่ทางออกของลมนั้นอุณหภูมิ 30 ^๐C ความชื้นสัมพัทธ์90เปอร์เซ็นต์ ให้หา

รูปที่ 23 รูปประกอบตัวอย่างที่ 2

    (พลังงานของน้ำขาเข้า + พลังงานของลมขาเข้า) = (พลังงานของน้ำขาออก + พลังงานของลมขาออก) ดังนั้น

จากสมการที่ 13 หาค่าของตัวแปรที่เป็นอากาศจากไซโครเมตริกชาร์ตตามรูปที่ 23 ได้ดังนี้
     ha1 ที่อากาศ 21 ^๐C T_db ความชื้นสัมพัทธ์,  60 เปอร์เซ็นต์ = 45 kJ/kg _{Dry Air}
     ha2 ที่อากาศ 30 ^๐C T_db ความชื้นสัมพัทธ์,  90 เปอร์เซ็นต์ = 93 kJ/kg _{Dry Air
     a1} ที่อากาศ 21 ^๐C T_db ความชื้นสัมพัทธ์,  60 เปอร์เซ็นต์ = 0.0095 kg/kg _{Dry Air
     a2} ที่อากาศ 30 ^๐C T_db ความชื้นสัมพัทธ์, 90เปอร์เซ็นต์ = 0.025kg/kg _{Dry Air}

รูปที่ 24 การพลอตจุดหาค่าจากไซโคเมตริกชาร์ต

ตารางที่ 4 ตารางไอน้ำอิ่มตัว

โดยที่  V_a1 คือปริมาตรจำเพาะของอากาศที่ไหลเข้าคูลลิ่งทาวเวอร์ซึ่งเราสามารถหาค่าดังกล่าวจากไซโครเมตริกชาร์ตของอากาศที่อุณหภูมิ 21 ^๐C T_db ความชื้นสัมพัทธ์, 60 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเท่ากับ 0.847 m3/kg

ก) อัตราการไหลเชิงปริมาตรของอากาศ  

สำหรับน้ำ Make Up นั้นอัตราการเติมน้ำ Make Up นั้นจะเท่ากับอัตราของน้ำที่ระเหยตัวไปในคูลลิ่งทาวเวอร์ ซึ่งจะแปรผันตามอัตราการไหลเชิงมวลของอากาศ (m_a1) และความแตกต่างของอัตราส่วนความชื้นระหว่างทางออก (_a2) และทางเข้า (_a1) ดังนั้น

เมื่อเราพิจารณาตามตัวอย่างข้างต้นทำให้เราพอจะเข้าใจกระบวนการและตัวแปรต่าง ๆ ในการระบายความร้อนของคูลลิ่งทาวเวอร์ ซึ่งคงจะเป็นแนวทางในการดูแลบำรุงรักษาและปรับแต่งคูลลิ่งทาวเวอร์ในความรับผิดชอบของผู้อ่านเพื่อให้การทำงานของคูลลิ่งทาวเวอร์เป็นไปอย่างเต็มประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังมีรายละเอียดเพื่อการพิจารณาดูและบำรุงรักษาและปรับแต่งคูลลิ่งทาวเวอร์ดังนี้

- พื้นที่สัมผัสระหว่างน้ำกับอากาศยิ่งมีมากจะทำให้ประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนมีมากขึ้น  ซึ่งพื้นที่ดังกล่าวก็คือพื้นที่ของแผ่นฟิลเลอร์ (Filler) ในคูลลิ่งทาวเวอร์ ซึ่งแผ่นฟิลเลอร์อาจทำมาจากไม้ โลหะหรือพลาสติก ดังนั้นเราควรที่จะดูแลแผ่นฟิลเลอร์ให้สะอาดอยู่เสมอ อย่าให้มีตะไคร่หรือตะกรันจับมากเพราะจะทำให้การไหลของน้ำราบเรียบ และลมสามารถไหลผ่านน้ำได้สะดวก และควรจะกำหนดเวลาล้างแผ่นฟิลเลอร์ไว้เพื่อป้องกันไม่ให้ตะไคร่หรือตะกรันจับแผ่นฟิลเลอร์มากเกินไป

- การกระจายของน้ำบนแผ่นฟิลเลอร์ในคูลลิ่งทาวเวอร์ที่ดีจะทำให้ประสิทธิภาพในการระบายความร้อนเพิ่มขึ้นเพราะฉะนั้นเราต้องคอยตรวจสอบอยู่เสมอว่าน้ำที่ไหลลงมาจากด้านบนของคูลลิ่งทาวเวอร์นั้นเมื่อลงมาในคูลลิ่งทาวเวอร์แล้วได้กระจายตัวบนแผ่นฟิลล์ทั่วทั้งคูลิ่งทาวเวอร์หรือไม่ ถ้าการกระจายตัวไม่ดีก็ให้ทำการแก้ไขให้เรียบร้อย

- ความเร็วลมหรืออัตราการไหลของอากาศที่ไหลผ่านคูลลิ่งทาวเวอร์มีผลต่อปริมาณความร้อนที่คูลลิ่งทาวเวอร์จะสามารถระบายได้ ถ้าลมไหลผ่านด้วยความเร็วสูงกว่าในระดับหนึ่งจะระบายความร้อนได้มากกว่าลมที่ไหลผ่านช้า ๆ แต่ถ้าลมไหลผ่านด้วยความเร็วสูงเกินไปลมก็จะพัดพาละอองน้ำออกไปจากคูลลิ่งทาวเวอร์มากจะทำให้ต้องเติมน้ำ Make Up ในปริมาณมากและจะมีเสียงดังที่เกิดจากพัดลมมาก ดังนั้นในการเปลี่ยนหรือปรับตั้งใบพัดจะต้องทำให้สอดคล้องกันระหว่างความเร็วลมที่พอดีกับอัตราการระบายความร้อนของคูลลิ่งทาวเวอร์

- ความแตกต่างของอุณหภูมิของอากาศกับน้ำอุ่นที่เข้าคูลลิ่งทาวเวอร์ยิ่งมากการระบายความร้อนจะยิ่งมากขึ้น เช่นในหน้าหนาวคูลลิ่งทาวเวอร์จะระบายความร้อนได้ดีกว่าหน้าร้อน ดังนั้นคูลลิ่งทาวเวอร์ไม่ควรจะอยู่ในที่ที่ได้รับความร้อนจากแหล่งความร้อน เช่นเตาเผาหรือแหล่งความร้อนอื่น ๆ 

จากบทความข้างต้นที่นำเสนอถึงกลไกของการถ่ายเทความร้อนแบบต่าง ๆ ทั้งการนำ การพาและการแผ่รังสี ตลอดจนถึงเรื่องของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่นิยมใช้ในการระบายความร้อนในงานอุตสาหกรรมแบบต่าง ๆ ตั้งแต่การระบายความร้อนด้วยครีบ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเชลล์และท่อ (Shell and Tube) เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเพลท (Plate Heat Exchanger, PHE) และคูลลิ่งทาวเวอร์

โดยในรายละเอียดการคำนวณต่าง ๆ ของคูลลิ่งทาวเวอร์นั้นในทางปฏิบัติแล้วเรามักจะใช้ตารางหรือแผนภูมิ (Chart) ต่าง ๆ เพื่อคำนวณหาภาระทางความร้อนและขนาดของคูลลิ่งทาวเวอร์ซึ่งตารางหรือแผนภูมิ (Chart) ต่าง ๆ เหล่านี้เราสามารถหาได้ทั่วไปจากผู้ให้บริการหรือจำหน่ายคูลลิ่งทาวเวอร์ แต่การคำนวณที่ผู้เขียนนำเสนอนั้นจะเป็นรายละเอียดการคำนวณที่มาจากทฤษฎีซึ่งหากเข้าใจตรงนี้แล้วจะสามารถเข้าใจมองภาพการทำงานของอุปกรณ์เหล่านี้ออก

อ้างอิง

[1]   WILBERT F. STOCKER/JEROLD W. JONES, REFRIGERATION & AIR CONDITIONING, NACHI BEARING.
       2^nd Edition, McGraw-Hill
[2]   รศ.สุนันท์ ศรัณยนิตย์, การถ่ายเทความร้อน, พิมพ์ครั้งที่ 1. 2545, สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี (ไทย–ญี่ปุ่น)