ธีรศักดิ์ ศรีมิตรรุ่งโรจน์
theerasaks@kmutnb.ac.th
ภาควิชาวิศวกรรมขนถ่ายวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อเป็นอุปกรณ์เชิงกลชนิดหนึ่งที่นิยมนำมาใช้งานกันอย่างกว้างขวาง ส่วนใหญ่แล้วจะนิยมนำมาใช้งานในระบบของการถ่ายโอนความร้อนในอุตสาหกรรมทั่ว ๆ ไป ตัวอย่างเช่น อุตสาหกรรมเครื่องทำความเย็น เป็นต้น ซึ่งจากความสามารถในการถ่ายโอนความร้อนที่ดีเยี่ยมจากอุปกรณ์เชิงกลชนิดนี้ จึงได้มีการนำไปประยุกต์ใช้งานภายในงานอุตสาหกรรมได้หลากหลายตามรายการดังต่อไปนี้

1. สามารถใช้ในกระบวนการหล่อเย็นได้ทั้งของเหลว (Liquids) และแก๊ส (Gas)
2. สามารถใช้ในกระบวนการทำความเย็นในสถานะไอ (Refrigeration Vapor) หรือการควบแน่นด้วยไอน้ำ (Stream Condensing)
3. สามารถใช้ในกระบวนการของเหลว ที่ไอน้ำหรือสารทำความเย็นมีการระเหย (Stream and Refrigeration Evaporating)
4. สามารถใช้ในกระบวนการระบายความร้อนออกจากสารทำงาน (Heat Removal) และการเตรียมอุณหภูมิให้กับน้ำเลี้ยง (Pre–heating of Feed Water)

5. สามารถช่วยในการอนุรักษ์พลังงานทางความร้อน (Thermal Energy Conservation Effort) โดยการนำความร้อนกลับเข้ามาใช้ใหม่ในขบวนการ (Heat Recovery)
6. สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานร่วมกับอุปกรณ์เชิงกลชนิดอื่นได้ในการถ่ายโอนความร้อน ได้แก่ กังหัน (Turbine) และเครื่องอัด (Compressor) อีกทั้งยังสามารถใช้ในการหล่อเย็นเครื่องยนต์ (Cooling Engine) และลดอุณหภูมิของน้ำมันเครื่อง เป็นต้น
7. สามารถใช้กับงานหล่อเย็นน้ำมันของระบบไฮดรอลิกและระบบหล่อลื่นได้เป็นอย่างดี (Hydraulic and Lubricant Oil) 
8. สามารถประยุกต์ใช้กับงานอื่น ๆ ได้มากมาย

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อมีความสามารถที่จะทำการดึงหรือรับเอาความร้อนจำนวนมากเข้าหรือออกจากขบวนการได้เป็นอย่างดี เมื่อเปรียบเทียบกับจำนวนเงินที่ใช้ในการลงทุนซึ่งมีค่าต่ำมาก (Low Cost) ที่สำคัญตัวของมันเองไม่ต้องการการบำรุงรักษามากมายนักตลอดอายุของการใช้งาน คงจะมีเพียงแค่การทำความสะอาดท่อทางต่าง ๆ และตัวเรือนภายในเป็นครั้งคราวซึ่งถือว่าน้อยมากเมื่อเปรียบเทียบกับอายุการใช้งานที่ยาวนาน

ในปัจจุบันเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อมีขนาดให้เลือกใช้งานอยู่มากมายด้วยกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าภาระทางความร้อน (Heat Load) ที่ต้องการว่ามีจำนวนมากหรือน้อยเพียงใด จากความสามารถในการทำงานที่สูงนี้เอง จึงพบว่ามีการนำเอาอุปกณ์ชนิดนี้มาใช้งานเป็นเวลายาวนานกว่า 150 ปี

ดังนั้นจึงพบว่าในปัจจุบันเทคโนโลยีทางด้านความร้อน (Thermal Technology) จึงมีการแข่งขันกันค่อนข้างสูงในด้านกรรมวิธีการผลิต ตลอดจนถึงมีการนำเอาเทคโนโลยีสมัยใหม่เข้ามาช่วยปรับปรุงวิเคราะห์ในแง่มุมต่าง ๆ ทั้งนี้ก็เพื่อหวังผลต่อประสิทธิภาพที่ดีเลิศในการทำงาน และในเรื่องของราคาที่ควรมีความสอดคล้องต่อสถานการณ์ในปัจจุบันให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

รูปที่ 1 แสดงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อรูปทรงต่าง ๆ

ส่วนประกอบหลักภายในเครื่องแลกเปลี่ยนคามร้อนชนิดเปลือกและท่อนั้นจะประกอบไปด้วยอุปกรณ์ต่าง ๆ ดังรูปที่ 2 ซึ่งหน้าที่ในการทำงานดังต่อไปนี้

1. ท่อทาง (Tubes) ส่วนประกอบพื้นฐานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน โดยจะอาศัยพื้นผิวท่อเป็นวัสดุตัวกลางในการถ่ายโอนความร้อนระหว่างของไหลทำงานทั้ง 2 ชนิด

2. แผ่นสวมท่อทาง (Tube Sheets) ทำหน้าที่เป็นหน้าแปลนสำหรับการติดตั้งตัวท่อทางตามลักษณะของการจัดวางท่อทางตามที่ได้รับการออกแบบ เข้ากับส่วนหัวหรือฝาครอบ

3. ตัวเปลือกและส่วนของทางเข้า-ออกของไหลที่ตัวเปลือก (Shell and Shell Side Nozzle) ทำหน้าที่เป็นท่อทางลำเลียงของไหลทำงานชนิดที่หนึ่ง (Primary Fluids) ให้ไหลผ่านเข้าและออกที่ตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

4. ท่อทางและส่วนของทางเข้า-ออกของไหลที่ตัวท่อทาง (Tube – Side Channel & Nozzle) ทำหน้าควบคุมการไหลเข้าและออกของไหลทำงาน (Working Fluids) ชนิดที่สอง (Secondary Fluids) ภายในตัวท่อทางเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

5. ฝาครอบส่วนท้าย (Channel Cover) ทำหน้าที่เป็นแผ่นปิดสำหรับบังคับให้ของไหลที่ไหลอยู่ภายในท่อทางเกิดการไหลวนกลับ
6. แผ่นบังคับการไหลวนของไหลในท่อทาง (Pass Divider) ทำหน้าที่เป็นชั้นของการแบ่งของไหลที่ไหลในท่อทางให้เกิดการไหลวนไปมาตามการออกแบบ

7. แผ่นบังคับทิศทางการไหลในตัวเปลือก (Buffles) ทำหน้าที่บังคับให้ของไหลในตัวเปลือกเกิดการไหลวนเพื่อหวังผลต่อประสิทธิภาพที่ดีในการถ่ายโอนความร้อน

รูปที่ 2 แสดงส่วนประกอบหลักของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อ

ส่วนใหญ่ท่อทางที่นิยมใช้จะอ้างอิงกันในมาตรฐานของทาง TEMA (Tubular Exchanger Manufactures Association) ซึ่งจะใช้วัสดุอยู่หลายชนิดด้วยกัน ประกอบไปด้วย เหล็กคาร์บอนต่ำ (Low Carbon Steel) ท่อทองแดง (Copper) ท่อสแตนเลส (Stainless Steel) ไทเทเนียม (Titanium) ชนิดนี้จะมีการใช้งานบ้างเพียงเล็กน้อยเนื่องจากราคาค่อนข้างสูง และวัสดุอื่น ๆ

ส่วนขนาดท่อที่นิยมเลือกใช้ในการออกแบบจะมีขนาดตั้งแต่  5/8” จนถึงขนาด 1?” ซึ่งมีทั้งแบบท่อไร้ตะเข็บ (Seamless) และท่อทางที่จำเป็นต้องมีการเชื่อมตามแนวตะเข็บ            

ในบางกรณีที่ต้องการประสิทธิภาพในการถ่ายโอนความร้อนสูง ๆ นั้นสามารถที่จะใช้ท่อทางที่มีการติดตั้งครีบระบายความร้อนเอาไว้ที่พื้นผิวท่อซึ่งมีทั้งแบบครีบภายในและครีบภายนอกตัวท่อทาง (Internal and External Fin) เข้ามาประยุกต์ใช้ ทั้งนี้เนื่องมาจากว่าจะทำให้มีพื้นที่ผิวในการระบายความร้อนมากขึ้นกว่าเดิม อีกทั้งยังช่วยส่งผลทำให้คุณลักษณะการไหลเป็นแบบปั่นป่วนได้ดียิ่งขึ้น  

หมายเหตุ: พฤติกรรมการไหลแบบปั่นป่วน (Turbulence Flow) มีผลต่อการพาความร้อนได้ดีกว่าการไหลแบบราบเรียบ (Laminar Flow) สามารถอ่านเพิ่มเติมได้ในหนังสือเกี่ยวกับวิชาพลศาสตร์ของไหลทั่วไป (Fluids Dynamics)

แผ่นสวมท่อทางโดยปกติจะทำมาจากแผ่นวัสดุที่เป็นโลหะ โดยส่วนใหญ่จะนิยมใช้เหล็กซึ่งมีรูปร่างเป็นแผ่นกลมนำมาทำการเจาะรูตามขนาดของท่อทางและตำแหน่งการจัดเรียงท่อทางตามที่ได้ทำการออกแบบเอาไว้ ส่วนในการประกอบท่อทางทั้งหมดเข้ากับแผ่นสวมท่อทางนั้นอาจใช้ระบบลมอัดหรือไฮดรอลิก (Pneumatics or Hydraulic Pressure) หรือการใช้ลูกกลิ้ง (Roller Expansion)

ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับกรรมวิธีในการผลิตนั้น ๆ และเพื่อเป็นการเพิ่มความแข็งแรงทางด้านโครงสร้างของตัวแผ่นสวมท่อทาง ที่บริเวณรูเจาะสามารถใช้การบากร่องภายในรูเจาะของแผ่นสวมท่อทางได้ดังรูปที่ 3 หรืออาจเลือกใช้แผ่นสวมท่อทางชนิดคู่ (Double Tube Sheets) ดังรูปที่ 4 เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและป้องกันการรั่วไหลของ ๆ ไหลได้อีกทางหนึ่งด้วย

รูปที่ 3 ภาพแสดงการสวมท่อทางเข้ากับแผ่นสวมท่อทาง

รูปที่ 4 ภาพแสดงแผ่นสวมท่อทางชนิดคู่

หน้าสัมผัสของแผ่นสวมท่อทางจะสัมผัสกับของไหลทำงานทั้ง 2 ชนิด ดังนั้นในจุดนี้จึงมีความเสี่ยงที่จะเกิดการกัดกร่อนขึ้นที่พื้นผิวหน้าสัมผัส เพราะฉะนั้นในการออกแบบจึงควรเผื่อค่าอนุญาตเนื่องจากการกัดกร่อนเอาไว้ด้วย (Corrosion Resistance Allowances)     

ดังนั้นวัสดุที่ถูกนำมาใช้จึงควรที่จะเป็นโลหะผสมที่สามารถทนต่อการกัดกร่อนอันเนื่องมาจากชนิดของไหลทำงานและความเร็วในการไหลได้เป็นอย่างดี สำหรับแผ่นสวมท่อทางชนิดเหล็กคาร์บอนต่ำตลอดจนถึงโลหะอัลลอยคุณภาพสูงที่พื้นผิวของตัวมันเองนั้น โดยมากจะทนต่อการกัดกร่อนได้เป็นอย่างดีอยู่แล้ว

ในการนำท่อมาทำเป็นตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนั้นสามารถใช้ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางได้จนถึงขนาด 24”หรือในกรณีที่ต้องการขนาดใหญ่กว่านั้น อาจทำการสร้างโดยการนำแผ่นวัสดุมาม้วนขึ้นรูปเป็นตัวเปลือกทรงกระบอกแล้วค่อยทำการเชื่อมปิดแนวตะเข็บ ซึ่งพบว่าโดยทั่วไปจะนิยมใช้เหล็กคาร์บอนต่ำ

ส่วนการนำวัสดุอื่นมาใช้เพื่อรองรับกับการใช้งานในช่วงอุณหภูมิสูงมาก ๆ นั้นจำเป็นที่จะต้องมีการพิจารณาเป็นกรณี ๆ ไป ดังนั้นเมื่อมีการพิจารณาในเชิงเศรษฐศาสตร์ส่วนใหญ่จะเลือกใช้ขนาดเส้นผ่าศูนย์ภายในตัวเปลือกเท่ากับ 24” ทั้งนี้เนื่องมาจากว่ามันจะมีความสมบูรณ์ทางด้านโครงสร้างมากกว่าการนำเอาแผ่นวัสดุมาม้วนขึ้นรูปแล้วทำการเชื่อมแนวตะเข็บเอง

ความสมบูรณ์ในที่นี้ก็คือ ความกลมมน (Roundness) ของพื้นผิวที่สอดคล้องรองรับต่อขอบของแผ่นบังคับการไหลซึ่งต้องดีกว่าการม้วนขึ้นรูปเองอยู่แล้ว ซึ่งจุดนี้นี่เองหากพบว่าพื้นผิวภายในมีความโค้งมนที่ไม่รองรับกับรอยต่อของขอบแผ่นบังคับทิศทางการไหลในตัวเปลือก ผลลัพธ์ก็คือจะเกิดการรั่วของไหลในบริเวณดังกล่าวขึ้น และจะทำให้ประสิทธิภาพในการถ่ายโอนความร้อนลดต่ำลง

รูปที่ 5 ภาพแสดงการออกแบบให้เกิดไหลวน 2 ครั้งในตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโดยอาศัยแผ่นบังคับการไหลวนตามแนวยาว

ในกรณีที่ของไหลที่ไหลเข้ามาภายในตัวเปลือกมีความเร็วสูงมาก มีความจำเป็นที่จะต้องทำการติดตั้งแผ่นรองรับการกระแทกเนื่องจากของไหล (Impingement Plate) เพื่อช่วยรองรับแรงปะทะในเบื้องต้นจากของไหลไม่ให้ไหลเข้ากระทบที่ตัวท่อทางโดยตรง สำหรับแผ่นป้องกันการกระแทกนี้จะถูกติดตั้งอยู่ภายในตัวเปลือกบริเวณด้านล่างของท่อทางที่ของไหลไหลเข้า (Nozzle) พิจารณาได้ดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 ภาพตัดขวางแสดงส่วนประกอบภายในตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อ

ในส่วนของท่อทางเข้า-ออกของไหลที่ตัวท่อทางนั้น เนื่องจากของไหลที่ไหลเข้าและออกอยู่ภายในตัวท่อทาง ส่วนใหญ่แล้วจะมีความสามารถในการกัดกร่อนค่อนข้างสูง ดังนั้นเพื่อที่จะเป็นการป้องกันผลกระทบดังกล่าวนี้ ส่วนใหญ่จึงเลือกใช้วัสดุที่เป็นอัลลอย

ส่วนปิดท้ายหรือฝาครอบจะเป็นแผ่นโลหะรูปร่างกลมจะรูรอบบริเวณขอบ และใช้สกรูขันยึดติดเข้ากับหน้าแปลนส่วนหัว ทั้งนี้ก็เพื่อที่จะได้สามารถทำการถอดประกอบในตอนที่จะตรวจสอบส่วนของท่อทางภายใน 

แผ่นบังคับการไหลวนของไหลในท่อทางมีความจำเป็นที่จะต้องใช้เมื่อเส้นทางการไหลของไหลในท่อทางเป็นแบบการไหลวน 2 ครั้ง (Two–Side Passes) ขึ้นไป ส่วนรูปแบบในการจัดวางแผ่นบังคับการไหลวนในท่อทางบางส่วน สามารถพิจารณาได้ดังรูป 7 

รูปที่ 7 ภาพแสดงการจัดเรียงท่อทางภายในชนิดวนกลับไป-มา 4 ครั้ง

1. เพิ่มความแข็งแรง เป็นชิ้นส่วนในการรองรับชุดท่อทางในระหว่างการประกอบอีกทั้งยังช่วยป้องกันแรงสั่นสะเทือน (Vibration) ในขณะทำงานเมื่อของไหลมีการไหลผ่าน และยังช่วยบังคับให้ของไหลเกิดการหมุนวน (Induced Eddies) ขึ้นภายในตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

2. เพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนความร้อน เนื่องจากเมื่อของไหลเกิดการไหลผ่านแผ่นบังคับทิศทางการไหล จะช่วยทำให้ความเร็วของไหลและอัตราส่วนการถ่ายโอนความร้อนสูงขึ้นได้ (Heat Transfer Rate)

รูปที่ 8 ภาพแสดงการจัดวางแผ่นบังคับทิศทางการไหลแบบชิ้นเดียวและแบบวางคู่

โดยปกติรูปร่างทั่วไปของแผ่นบังคับทิศทางการไหลในตัวเปลือกจะนิยมใช้ในรูปที่ 8 (ก) ทั้งนี้เนื่องจากว่าสะดวกในการสร้างและติดตั้งมากกว่ารูปแบบ 8 (ข)

รูปที่ 9 ภาพร่างรูปแบบของการจัดวางแผ่นบังคับทิศทางการไหลและระยะ Over Lap ของการจัดวางแบบชิ้นเดียวและแบบวางคู่

จากรูปที่ 9 จะเห็นได้ว่าที่ตัวแผ่นบังคับทิศทางการไหลจะมีส่วนที่ถูกตัดทิ้งออกไปทั้งนี้ก็เพื่อที่จะให้ของไหลสามารถไหลผ่านเข้าไปได้ ในกรณีทั่วไปหากของไหลทำงานอยู่ในสถานะของเหลวแล้ว (Liquid) พื้นที่ส่วนที่ถูกตัดออกทิ้งไปนี้จะมีค่าอยู่ที่ 20% ถึง 25% ของพื้นที่หน้าตัดเต็มของเส้นผ่าศูนย์กลางภายในตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ส่วนในกรณีของไหลทำงานอยู่ในสถานะแก๊ส (Gases) พื้นที่ส่วนที่ถูกตัดออกไปมีค่าสูงได้ถึง 40% ถึง 50% เลยทีเดียว ที่สำคัญแผ่นบังคับทิศทางการไหลจำเป็นต้องมีส่วนที่ Over Lap ซึ่งกันและกันดังรูปที่ 9

(ข) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าจะติดตั้งแผ่นบังคับทิศทางการไหลรูปแบบใด ส่วนระยะ Over Lap ระหว่างแผ่นบังคับทิศทางการไหลควรที่จะมีระยะเหลื่อมล้ำกันไม่น้อยกว่า 1 แถวของชุดท่อทางที่การจัดวางที่แผ่นบังคับทิศทางการไหล

เนื่องมาจากว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อมีความจำเป็นที่จะต้องทำการลำเลียงของไหลซึ่งมีอุณหภูมิค่อนข้างสูงไม่น้อยกว่า 2 ชนิด เข้าและออกภายในตัวมันเอง อันเป็นผลทำให้เกิดความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของไหลขึ้นในระหว่างกระบวนการถ่ายโอนความร้อน อีกทั้งยังมีผลอันเนื่องมาจากปัจจัยในส่วนของอัตราการไหล (Flow Rate) และคุณสมบัติทางความร้อนที่แตกต่างกัน (Thermal Properties)

จากปัจจัยเบื้องต้นที่ได้กล่าวมาทั้งหมดนี้ล้วนส่งผลทำให้เกิดการขยายตัวขึ้นภายในเนื้อของวัสดุทั้งที่ตัวเปลือกและที่ตัวท่อทาง โดยส่วนใหญ่เมื่อผลต่างของอุณหภูมิของไหลมีค่าประมาณ 50-60 ๐C จะทำให้เกิดความเค้นเนื่องจากความร้อน (Thermal Stress) ขึ้นในเนื้อวัสดุโดยเฉพาะที่ตัวเปลือกจะทำให้เกิดการเสียรูปทางด้านโครงสร้างภายในเนื้อวัสดุ (Deformed) ส่งผลต่อความเสียหายขึ้นที่จุดรองรับต่าง ๆ      

ตัวอย่างเช่น หากท่อทางเกิดมีการเสียรูปขึ้น ตำแหน่งที่ท่อทางสวมอยู่กับแผ่นสวมท่อทางจะทำให้เกิดการแตกขึ้นที่บริเวณดังกล่าว และจะทำให้ของไหลเกิดการรั่วไหลออกมาภายนอกแผ่นสวมท่อทางได้ ในการออกแบบแผ่นสวมท่อทางชนิดยึดแน่น (Fixed Tube Sheets) จะเป็นจุดที่มีการอ่อนไหวต่อการขยายตัวภายในเนื้อวัสดุเนื่องจากความร้อนได้มากที่สุด ส่วนวิธีการในการแก้ปัญหาผลกระทบที่เกิดมาจากความเค้นเนื่องจากความร้อนสามารถดำเนินการได้ดังต่อไปนี้ 

1. ทำการติดตั้งวงแหวนสำหรับการขยายตัว (Expansion Joint) ไว้ที่ตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ดังรูปที่ 10 สำหรับจำนวนของวงแหวนรองรับการขยายตัวอาจมีจำนวนมากว่า 1 ย่อมเป็นไปได้ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยของผลกระทบทางความร้อนว่ามีมากหรือน้อยเพียงใด

รูปที่ 10 แสดงการติดตั้งวงแหวนสำหรับการขยายตัวที่ตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

2. ติดตั้งข้อต่ออ่อนภายใน (Internal Bellow) ระหว่างแผ่นสวมท่อทางกับส่วนของฝาครอบลักษณะของท่อต่ออ่อนจะมีลักษณะเป็นแผ่นโลหะที่ให้ตัวได้เป็นอย่างดีเมื่อได้รับความร้อน พิจารณาได้ดังรูปที่ 11

รูปที่ 11 แสดงการติดตั้งข้อต่ออ่อนรองรับการขยายตัวที่บริเวณแผ่นสวมท่อทาง

3. ใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดท่อตัวยู (U-Tube Exchanger) ข้อดีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนรูปแบบนี้จะสามารถช่วยลดภาระการขยายตัวเนื่องจากความร้อนได้เป็นอย่างดี พิจารณาได้ดังรูปที่ 12 จะเห็นได้ว่าเมื่อตัวท่อทางได้รับความร้อนสูง ท่อสามารถเกิดการขยายตัวและยืดออกไปได้ในทิศทางแนวระดับโดยเฉพาะที่บริเวณส่วนโค้งตัวยูของท่อทาง ส่วนข้อเสียของรูปแบบนี้คือ เรื่องของการทำความสะอาดพื้นผิวในส่วนโค้งของท่อทางบริเวณภายในซึ่งจะทำความสะอาดได้ยากมาก เนื่องจากท่อจะมีการซ้อนกับอยู่มากมายหลายชั้น

รูปที่ 12 ภาพแสดงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อแบบท่อตัวยู (U-Tube)

เนื่องจากการออกแบบส่วนหัวแบบลอยตัวของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อมีความหลากหลายมากในการออกแบบ ซึ่งจุดมุ่งหมายของการออกแบบอุปกรณ์ตัวนี้มุ่งเน้นเพื่อแก้ปัญหาทางด้านการขยายตัวจากความร้อนเป็นสำคัญ สำหรับตัวอย่างรูปแบบของส่วนหัวแบบลอยตัวผู้เขียนจะแสดงให้เห็นเพียงบางรูปแบบดังต่อไปนี้

1. ชนิด Pull-Though Bundle พิจารณาได้ดังรูปที่ 13 (ก)
2. ชนิด Split-Ring Floating Head Design พิจารณาได้ดังรูปที่ 13 (ข)  
3. ชนิด Outside Packed Lantern Ring Floating Head Exchanger พิจารณาได้ดังรูปที่ 13 (ค)  
4. ชนิด Outside Packed Stuffing Box Floating Head Exchanger พิจารณาได้ดังรูปที่ 13 (ง)  

รูปที่ 13 รูปแบบของส่วนหัวแบบลอยตัวรูปแบบต่าง ๆ

1. แหล่งของการเกิดความเค้นเชิงกล (Sources of Mechanical Stress) โดยมากมักจะเกิดขึ้นจากขบวนการผลิต (Manufactory Process) ชิ้นส่วนต่าง ๆ ของตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ตัวอย่างเช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อชนิดท่อตัวยู จำเป็นต้องทำการดัดท่อทาง ดังนั้นจึงเกิดความเค้นสะสมขึ้นในชิ้นเนื้อของวัสดุขึ้น เป็นต้น ดังนั้นในหัวข้อนี้จึงควรพิจารณาถึงขั้นตอนและวิธีการในการผลิตชิ้นส่วนต่าง ๆ เป็นอย่างดีโดยระเอียดรอบคอบ เพื่อลดผลกระทบในส่วนนี้ให้น้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้

2. เงื่อนไขสำหรับความเค้นเชิงกล (Provision for Mechanical Stress) การป้องกันปัญหาของการเสียรูปอย่างถาวรของชิ้นส่วนต่าง ๆ ภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอันเนื่องมาจากความเค้นเชิงกล ซึ่งในการออกแบบมีความจำเป็นที่ควรจะคาดหวังเอาไว้ว่าทุก ๆ ความเค้นที่เกิดขึ้นนั้นไม่สามารถทำให้เกิดความเครียด (Strain) หรือการเสียรูป (Deform) ขึ้นให้เนื้อวัสดุได้หลังจากที่มันดำเนินการย้อนกลับเข้าสู่ที่สภาวะเริ่มต้น ในส่วนนี้อาจยกตัวอย่างเพื่อให้เข้าใจความหมายชัดเจนขึ้น

ตัวอย่างเช่น เมื่อวัสดุได้รับความร้อนจะทำให้ชิ้นเนื้อวัสดุเกิดการขยายตัวไปที่ระยะยืดใดระยะยืดหนึ่ง แต่หลังจากที่หยุดการใช้งานเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตัวนี้แล้ว ชิ้นเนื้อวัสดุนั้น ๆ ยังคงสามารถหดตัวกลับเข้าสู่สภาพเดิมได้ไม่เปลี่ยนแปลง เป็นต้น ดังนั้นในการออกแบบจึงควรพยายามไม่ให้ค่าของความเค้นในขณะใช้งาน (Mechanical Operating Stress) มีค่าสูงมากกว่าความเค้นออกแบบนั่นเอง (Mechanical Design Stress)

อีกหนึ่งปัญหาใหญ่ที่เกิดขึ้นและสร้างความยุ่งยากในเรื่องการออกแบบให้กับวิศวกรเป็นอย่างมาก คือ เรื่องของการสั่นสะเทือน ซึ่งจะเกิดมาจากของไหลที่ไหลผ่านท่อทางด้วยความเร็วสูงทำให้เกิดการสั่นสะเทือนขึ้นที่ตัวท่อทางกับแผ่นบังคับทิศทางการไหล และเมื่อท่อทางถูกแรงสั่นสะเทือนกระทำซ้ำ ๆ ไปนาน ๆ จะทำให้อุปกรณ์ที่มีการสัมผัสโดยตรงกับตัวท่อทางเกิดความเสียหายขึ้นมาได้

สาเหตุของการสั่นสะเทือนนั้นสืบเนื่องมาจากแรงที่ขาดความสมดุล (Unbalanced Force) ในขณะของไหลเข้าไปในท่อทาง ดังนั้นในการแก้ปัญหาจึงควรคำนึงถึงจุดรองรับต่าง ๆ ว่ามีความมั่นคงแข็งแรงมากน้อยเพียงใด ระยะในการจัดวางท่อทางเหมาะสมหรือไม่ หรือรูปร่างแผ่นบังคับทิศทางการไหลและระยะการจัดวางเป็นอย่างไร ทั้งหมดนี้คือข้อควรพิจารณาในส่วนของการแก้ปัญหาทางด้านการสั่นสะเทือน

อีกหนึ่งปัญหาพื้นฐานที่คงหลีกเลี่ยงไม่ได้นั้นคือ เรื่องของการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นกับพื้นผิววัสดุภายในตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน อาทิเช่น ที่ผิวท่อทางทั้งภายในและภายนอก, ที่พื้นผิวภายในของตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เป็นต้น ประเด็นของการกัดกร่อนนี้จะเกิดขึ้นเนื่องจากความเร็วและความเร่งจากของไหลที่ไหลผ่านหน้าตัดของชุดท่อทางทำให้ฟิล์มโลหะที่เคลือบผิวท่อหลุดออกไป

การกัดกร่อนโดยมากจะมีความรุนแรงสูงที่บริเวณปากทางเข้าท่อทาง หรือบริเวณส่วนโค้งท่อตัวยู เนื่องจากบริเวณดังกล่าวมานี้จะมีความเค้นเฉือนที่สูงมากกว่าปกติอันมีความสัมพันธ์เนื่องมาจากชั้นชิดผิว (Boundary Layer) หรือการย้อนกลับของไหล ส่วนผลกระทบการกัดกร่อนเนื่องมาจากสารเคมีในตัวของไหลทำงานเองนั้น เป็นการยากที่จะทำความเข้าใจอย่างถ่องแท้ถึงสาเหตุของการกัดกร่อนที่มีขึ้นกับวัสดุ

ในส่วนของการเลือกใช้ของไหลที่นำมาเป็นสารตัวกลางในการแลกเปลี่ยนความร้อนนั้น ควรทำการคัดเลือกให้มีความสัมพันธ์สอดคล้องและรองรับต่อการออกแบบให้มากที่สุด โดยในลำดับแรกให้พิจารณาถึงความสามารถของสัมประสิทธิ์ในการถ่ายโอนความร้อน (Heat Transfer Coefficient) ว่ามีค่าเป็นอย่างไร ความดันตกคร่อม (Pressure Drop) ที่เกิดขึ้นมากน้อยเพียงใด แนวโน้มของความต้านทานตะกรันเมื่อใช้งานเป็นเวลานาน ๆ (Fouling Tendencies) มีค่าเป็นอย่างไร และสุดท้ายให้พิจารณาในเรื่องของความดันในขณะทำงาน (Operating Pressure)

ทั้งนี้ต้องไม่ลืมที่จะคิดคำนึงถึงในเรื่องของต้นทุนเอาไว้ด้วยเป็นสำคัญ ในจุดนี้หมายความว่าให้เลือกใช้ของไหลทำงานที่ดีที่สุดเหมาะสมที่สุดกับสภาพการทำงานและคุ้มค่ากับเม็ดเงินที่ลงทุนไปหรืออาจกล่าวได้ว่าควรมีราคาสมน้ำสมเนื้อนั่นเอง ส่วนรายละเอียดอันเนื่องมาจากการเลือกใช้ของไหลให้ดำเนินการตามรายการย่อยดังนี้

1.  เรื่องความดันสูง (High Pressure) โดยปกติหากต้องการให้ของไหลที่ไหลเข้าในท่อทางขนาดเล็กและมีความหนามาตรฐานปกติมีความดันในการทำงานที่สูง คงหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะมีค่าใช้จ่ายที่สูงมากว่าปกติ แต่อาจทำการแก้ปัญหาให้ง่ายขึ้นได้โดยการเปลี่ยนมาใช้ท่อทางที่มีขนาดใหญ่มากขึ้นกว่าเดิม แต่ถ้าหากมีความจำเป็นจริง ๆ ซึ่งหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะต้องใช้ท่อทางขนาดเล็กในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ทางแก้ของปัญหานี้ก็คือให้ใช้ขนาดความยาวท่อทางที่ยาวมากขึ้นกว่าเดิม

2.  เรื่องการกัดกร่อน (Corrosion) ประเด็นในเรื่องของการกัดกร่อนภายในท่อทางและหัวข้ออื่น ๆ ให้เลือกใช้วัสดุที่สามารถทนต่อการกัดกร่อนได้เป็นอย่างดี โดยอาจใช้วัสดุพิเศษประเภทอัลลอย (Alloy) ในการสร้างตัวเปลือกและไม่ควรเลือกใช้วัสดุที่มีราคาแพงมากเกินไปนัก ส่วนท่อทางนั้นให้เลือกใช้วัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อนได้เป็นอย่างดี หรืออาจใช้วิธีการเคลือบผิวท่อทางด้วยสารป้องกันการกัดกร่อน (Epoxy Coated) ก็เป็นอีกวิธีการที่น่าสนใจเช่นเดียวกัน

3.  เรื่องความต้านทานตะกรัน (Fouling) ควรใช้ความเร็วของไหลสูง ๆ เนื่องมาจากว่าจะช่วยให้ไม่เกิดฟิล์มจับตัวที่ผิวของท่อทางมากเกินไปนัก ซึ่งวิธีการดังกล่าวนี้สามารถช่วยลดปัญหาการเกิดตะกรันสะสมที่ผิวท่อทางได้ 

4.  เรื่องสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนความร้อนต่ำ (Low–Heat Transfer Coefficient) ในกรณีที่ของไหลทำงานส่งผลทำให้สัมประสิทธิ์การถ่ายโอนความร้อนมีค่าต่ำเมื่อไหลเข้าไปในตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน สามารถปรับปรุงได้ด้วยการติดตั้งครีบระบายเล็ก ๆ ที่พื้นผิวท่อทางได้ เพื่อเพิ่มจำนวนพื้นผิวในการถ่ายโอนความร้อน

5.  เรื่องอื่น ๆ (Other) เนื่องจากว่ารูปแบบของการออกแบบมีความหลายหลายมาก อีกทั้งชนิดของรูปร่างของตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเองก็มีอยู่หลายรูปแบบด้วยกัน ตัวอย่างเช่น ระยะการวางท่อทาง (Tube Pitch), ชนิดของแผ่นบังคับการไหลและระยะการติดตั้ง (Buffles use and Spacing), ท่อทางเข้าภายในตัวเรือน (Multiple Nozzle) ที่มีหลายขนาดและหลายตำแหน่งการติดตั้ง ทั้งหมดที่กล่าวมานี้คือข้อควรพิจารณาในส่วนการเลือกใช้ของไหลทำงาน ซึ่งหากไม่เหมาะสมย่อมส่งต่อความดันตกคร่อมที่จะเกิดขึ้นในระบบ

เนื่องจากการออกแบบเชิงกลในส่วนหัวทางด้านหน้าและทางด้านหลังตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีหลากหลายรูปแบบมาก ดังนั้นทาง TEMA จึงได้จัดทำและกำหนดรูปแบบส่วนหัวทางด้านหน้า (Front Head) และด้านหลัง (Rear Head) เอาไว้ ทั้งนี้เพื่อความสะดวกในการออกแบบหรือเลือกใช้งาน คือ ในขั้นตอนแรกให้เลือกส่วนหัวทางด้านหน้าเสียก่อน

ลำดับถัดไปจะเป็นการเลือกชนิดของตัวเปลือกที่จะนำมาใช้ และในส่วนสุดท้ายจึงเป็นการเลือกส่วนหัวทางด้านท้าย สำหรับมาตรฐานรูปแบบของทาง TEMA สามารถพิจารณาได้จากรูปที่ 14

รูปที่ 14 แสดงการกำหนดสัญลักษณ์ตัวแทนชิ้นส่วนสำคัญของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อตามมาตรฐาน TEMA

รูปที่ 15 แสดงรูปแบบการไหลของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อแบบ 2 ตัวต่อกัน (Two Heat Exchanger Series)

รูปที่ 16 แสดงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อที่ใช้ระบบของเหลวท่วมท่อทาง (Flooded Heat Exchanger) ร่วมกับไออิสระ (Vapor Disengagement)

รูปที่ 17 แสดงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อ ตัวเปลือกแบบ TEMA K

ข้อมูลอ้างอิง

1. TEMA, 1988 Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers’ Association, New York 7th ed.
2. Wolverine Tube Heat Exchanger Data Book.
3. ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Section VIII-1, (1998 Edition).