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

          เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อ (Shell & Tube Heat Exchanger) เป็นอุปกรณ์เชิงกลรูปแบบหนึ่งที่นิยมนำมาใช้งานในภาคอุตสาหกรรมต่าง ๆ อย่างกว้างขวาง อาทิเช่น อุตสาหกรรมด้านเคมี (Chemical) ปิโตรเคมี (Petro-chemical) เครื่องกำเนิดกำลังงาน (Power Generation) และในภาคอุตสาหกรรมเครื่องทำความเย็น (Refrigeration) ขนาดใหญ่ ก็มีความนิยมนำมาใช้กันมากเช่นเดียวกัน

จากข้อมูลทางสถิติเกี่ยวกับปัญหาอันเนื่องมาจากการใช้งานเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดนี้นั้นพบว่า ปัญหาโดยส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นมาจากความดันตกคร่อม (Pressure Drop) ที่เกิดขึ้นภายในตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน อีกทั้งยังคงพบปัญหาของบริเวณที่ของไหลทำงาน (Working Fluids) ไม่เกิดการไหลหรือมีการไหลที่ช้ามาก (Dead or Low Flow Zones) ซึ่งจะเกิดขึ้นที่บริเวณแผ่นบังคับทิศทางการไหล (Baffle) โดยสาเหตุของการเกิดปัญหาดังกล่าวนี้มีผลเกิดขึ้นเนื่องมาจากตะกรัน (Fouling) ที่สะสมอยู่ที่ผิวของท่อทางทั้งภายในและภายนอก หรือจากการกัดกร่อน (Corrosion) ประการต่อมายังคงพบปัญหาของการสั่นสะเทือน (Vibration)

ขณะที่ของไหลทำงานเกิดการไหลผ่านท่อทางลำเลียง ซึ่งในกรณีดังกล่าวนี้อาจส่งผลกระทบอย่างรุนแรงถึงกับทำให้อุปกรณ์ที่มีการติดตั้งอยู่ภายในเครื่องแลกเปลี่ยนร้อนเกิดชำรุดเสียหายขึ้นมาได้และเป็นสิ่งที่เราไม่พึงประสงค์ให้เกิดขึ้นอย่างแน่นอนในขณะทำงาน

          สำหรับเนื้อหาในบทความนี้จะเป็นการนำเสนอนวัตกรรมทางด้านเทคโนโลยีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอีกหนึ่งรูปแบบที่ถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานให้กับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งเทคโนโลยีดังกล่าวนี้ คือ “ท่อบิดเกลียว” (Twisted Tubes) ทั้งนี้เป็นผลมาจากคุณลักษณะรูปร่างของตัวมันเองจะส่งผลทำให้ปัญหาดังที่ได้กล่าวมาแล้วทั้งหมดในตอนต้นนั้นหมดไป ยิ่งไปกว่านั้นรูปทรงของท่อบิดเกลียวยังส่งผลช่วยทำให้เกิดการถ่ายโอนความร้อนระหว่างพื้นผิวสัมผัสได้ดีมากขึ้นไปกว่าเดิมอีกด้วย

สำหรับรายละเอียดในบทความนี้จะนำเสนอและเปรียบเทียบให้เห็นถึงความสามารถในการทำงานของท่อบิดเกลียวในรายละเอียดทางด้านรูปร่างและโครงสร้าง ประสิทธิภาพ (Performance) และสุดท้ายในเรื่องเศรษฐศาสตร์ (Economics) ความคุ้มค่าของการลงทุนของการใช้ท่อบิดเกลียวกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

การออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตามมาตรฐาน TEMA
          TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) เป็นสมาคมเกี่ยวกับการผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่หลาย ๆ ประเทศจะนิยมมาอ้างอิงใช้งานเสมอ จากข้อกำหนดการออกแบบตามมาตรฐาน TEMA ชนิดของตัวเปลือกและท่อ (Shell & Tubes) จะประกอบไปด้วยจำนวนของท่อทางที่ใช้ในการถ่ายโอนความร้อนซึ่งถูกสวมเข้าไว้ในตัวแผ่นสวมท่อทาง (Tube Sheets) และจะถูกนำไปประกอบเข้าไว้ภายในตัวภาชนะหรือตัวเปลือกทรงกระบอกของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอีกทีหนึ่ง

โดยที่ขนาดและจำนวนของท่อทางที่ต้องใช้ ความยาวของชุดท่อทางและขนาดของเส้นผ่าศูนย์กลางของตัวเปลือกจะมีขนาดใหญ่หรือเล็กเพียงใดนั้นจะขึ้นอยู่กับความต้องการในการใช้งานเป็นสำคัญ ส่วนขนาดของพื้นที่ที่ต้องการใช้ในการถ่ายโอนความร้อนนั้นอาจมีค่าสูงได้ถึง 232 ตารางเมตร (25,000 ตารางฟุต)

ส่วนถัดมาได้แก่ชุดสำหรับร้อยและจัดเรียงท่อทาง (Tube Bundle) โดยทั่วไปจะประกอบไปด้วยแผ่นบังคับทิศทางการไหลของของไหลทำงานให้เป็นไปตามเงื่อนไขในการออกแบบ และอีกหนึ่งวัตถุประสงค์หลักคือเพื่อเพิ่มความแข็งแรงให้กับท่อทางเนื่องจากตัวของมันเองจะต้องถูกสวมด้วยท่อทางถ่ายโอนความร้อนเช่นเดียวกัน สำหรับตัวอย่างของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อรูปแบบพื้นฐานทั่วไปพิจารณาได้ดังรูปที่ 1

          ประสิทธิผลเชิงความร้อน (Thermal Effectiveness, ) ของเครื่องแลกเปลี่ยนเปลือกและท่อโดยปกติในการคำนวณมักสมมุติว่าตัวเปลือกนั้นมีรัศมีที่สมบูรณ์แบบและไม่มีการผสมของสารทำงานในตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งในทางปฏิบัติจริงนั้นมีการผสมผสานกระแสการไหลของสารทำงานในส่วนของแผ่นบังคับทิศทางการไหล (Buffle) อีกทั้งยังมีผลกระทบที่เกิดจากการรั่วไหลของสารทำงานซึ่งอาจปรากฏขึ้นระหว่างแผ่นบังคับทิศทางการไหลกับท่อทางหรือระหว่างแผ่นบังคับทิศทางการไหลกับตัวเปลือก ซึ่งผลกระทบที่กล่าวมาทั้งหมดนี้ส่งผลต่อความสามารถในการถ่ายโอนความร้อนลดต่ำลง โดยปกติแล้วประสิทธิผลเชิงความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อจะมีค่าอยู่ที่ 60% ถึง 80%

รูปที่ 1 แสดงคุณลักษณะการไหลของไหลทำงานในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อแบบพื้นฐานทั่วไป

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดท่อบิดเกลียว
          เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดท่อบิดเกลียวมีต้นกำเนิดมาจากทางแถบยุโรปตะวันออกเมื่อประมาณปี พ.ศ. 2523 ซึ่งโดยเริ่มแรกนั้นเป็นการพัฒนาเพื่อต้องการเอาชนะจุดบกพร่องในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนรูปแบบพื้นฐานทั่วไปดังที่ได้กล่าวไปแล้ว

          ส่วนการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีท่อบิดเกลียวนั้นแรกเริ่มได้มีการนำมาใช้กับงานที่สารทำงานในท่อทางไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะหรือกล่าวได้ว่ามีสถานะเดียว (Single Phase) ตลอดกระบวนการการถ่ายโอนความร้อนโดยได้มีการนำมากับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในกระบวนการสิ่งพิมพ์และการผลิตกระดาษ ในปี พ.ศ. 2534 โดย Koch ได้รับใบอนุญาตให้นำเทคโนโลยีนี้มาใช้งานและต่อมาในปี พ.ศ. 2538 เทคโนโลยีดังกล่าวนี้ก็เริ่มมีการนำมาใช้งานกันอย่างแพร่หลายมากขึ้น

โครงสร้างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดท่อบิดเกลียว
          เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดท่อบิดเกลียวจะประกอบไปด้วยชุดสำหรับร้อยและจัดวางท่อทางพียงอย่างเดียวเท่านั้น ซึ่งในรูปแบบนี้ไม่จำเป็นต้องใช้แผ่นบังคับทิศทางการไหลพิจารณาได้ดังรูปที่ 2 สำหรับตัวท่อบิดเกลียวนั้นจะถูกผลิตขึ้นด้วยวิธีการขึ้นรูปโดยเฉพาะ ซึ่งจะมีพื้นที่หน้าตัดขวางของท่อทางเป็นลักษณะวงรีหรือรูปไข่และจะนำมาจัดวางซ้อน ๆ กันไว้พิจารณาได้ดังรูปที่ 3 สำหรับกระบวนการผลิตและขึ้นรูปท่อบิดเกลียวนี้นั้นต้องคำนึงถึงในเรื่องของความหนาท่อทางหลังจากผ่านกระบวนการผลิตแล้วต้องมีความหนาสม่ำเสมอกันและต้องมีค่าความแข็งแรงเชิงกลไม่เกินกว่าจุดครากตัวของวัสดุที่นำมาใช้ในการสร้างท่อบิดเกลียวนั้นเป็นสำคัญ

รูปที่ 2 แสดงคุณลักษณะการไหลในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อที่มีการประยุกต์ใช้ท่อบิดเกลียว

รูปที่ 3 แสดงลักษณะการไหลของสารทำงานภายในท่อบิดเกลียว

          วัสดุที่นิยมนำมาใช้ในการผลิตท่อบิดเกลียวนั้นมีอยู่หลายชนิดด้วยกัน ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าคาร์บอน สแตนเลส เซอร์โคเนียม (Zirconium) และไทเทเนียม เป็นต้น ส่วนขนาดท่อทางหลังจากนำมาขึ้นรูปเป็นท่อบิดเกลียวแล้วอาจมีขนาดที่เปลี่ยนแปลงไปจากขนาดเดิมตั้งแต่ ½ นิ้วถึง 1 นิ้ว

          ท่อบิดเกลียวจะถูกประกอบรวมกันเป็นกลุ่มก้อนด้วยสายรัด โดยระยะพิตช์ของท่อที่ถูกบิดนั้นจะมีรูปทรงแบบสามเหลี่ยม (Triangular Pitch) ซึ่งท่อบิดเกลียวในแต่ละแถวจะถูกบิดขึ้นรูปให้มีระยะพิตช์และความยาวตามต้องการซึ่งผลทางด้านรูปทรงท่อบิดเกลียวในแต่ละเส้นเมื่อนำมาเรียงซ้อนกันเป็นกลุ่มก้อนจะทำให้เกิดการเรียงตัวจัดตำแหน่งขึ้นดังรูปที่ 4 จะเห็นได้ว่าที่หน้าตัดท่อทางในแต่ระยะพิตช์นั้นจะมีการจัดเรียงหน้าตัดท่อทางแตกต่างกันไป ส่วนท่อบิดเกลียวที่ทำการจัดเรียงมัดเป็นกลุ่มก้อนเสร็จเรียบร้อยแล้วนั้นพิจารณาได้จากรูปที่ 5

รูปที่ 4 ภาพแสดงพื้นที่หน้าตัดท่อบิดเกลียวในแต่ละช่วงระยะพิตช์ของการบิดตัว

รูปที่ 5 ภาพแสดงชุดท่อทางบิดเกลียวที่ประกอบรวมกันเสร็จสมบูรณ์

          เส้นทางการไหลของสารทำงานขณะที่เกิดการไหลผ่านพื้นผิวภายนอกท่อทางบิดเกลียวนั้นมีความซับซ้อนค่อนข้างมากพิจารณาได้จากรูปที่ 6 โดยทั่วไปแล้วการออกแบบมักประมาณการไหลของสารทำงานภายในพื้นที่ของตัวเปลือกว่ามีการไหลเทียบเท่ากันกับการไหลของไหลทำงานภายในท่อทางบิดเกลียว

รูปที่ 6 แสดงลักษณะการไหลแบบหมุนรอบผิวท่อทางบิดเกลียวภายในตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

รูปที่ 7 แสดงการการมัดรวมท่อบิดเกลียวเป็นกลุ่มก้อนด้วยสายรัด

บทสรุปข้อดีของการใช้ท่อบิดเกลียวกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน
          1. เพิ่มสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนความร้อน (Increased Heat Transfer Coefficient)
          การไหลแบบหมุนควงผ่านพื้นผิวท่อบิดเกลียวทั้งภายในและภายนอกท่อทางช่วยทำให้เกิดพฤติกรรมการไหลแบบปั่นป่วนขึ้นในกระแสการไหลของไหลทำงานได้เป็นอย่างดี และการใช้ลักษณะการไหลแบบสม่ำเสมอร่วมกับการไหลแบบหมุนควงรอบท่อทางนั้นยังช่วยทำให้สัมประสิทธิ์การถ่ายโอนความร้อนภายในตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีค่าที่เหมาะสม พิจารณาได้จากรูปที่ 2

          2. ลดความดันตกคร่อม (Lower Pressure Drop)
          เนื่องจากในการออกแบบของไหลทำงานถูกบังคับให้เกิดการไหลผ่านพื้นผิวรูปทรงท่อบิดเกลียวอย่างใกล้ชิดภายในตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจึงทำประสิทธิผลเชิงความร้อนสูงมากกว่าเมื่อทำการเปรียบเทียบกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดแผ่น (Plate Type Exchanger)

          3. เกิดตะกรันต่ำและทำความสะอาดได้ง่าย (Reduced Fouling & Cleanability)
          ขจัดจุดด้อยบริเวณส่วนที่ไม่เกิดการไหลภายในตัวเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้เป็นอย่างดีโดยการเพิ่มความปั่นป่วนให้กับสารทำงาน ซึ่งพฤติกรรมการไหลแบบปั่นป่วนนี้จะเกิดขึ้นทั้งภายในตัวเปลือกและภายในท่อทางลำเลียงเป็นผลทำให้ตะกรันที่เกิดขึ้นมีจำนวนน้อยลงกว่าการใช้ท่อทางลักษณะเส้นตรง ในแง่ของการทำความสะอาดพื้นผิวภายนอกท่อบิดเกลียวสามารถทำได้โดยง่ายดายอาศัยเพียงแค่หัวฉีดแรงดันสูงฉีดพ่นทำความสะอาดได้โดยตรงดังรูปที่ 8 ส่วนการทำความสะอาดพื้นผิวท่อบิดเกลียวภายในท่อนั้นสามารถใช้อุปกรณ์ฉีดพ่นสารเคมีเข้าไปภายในท่อทางดังรูปที่ 9

รูปที่ 8 แสดงการทำความสะอาดพื้นผิวภายนอกท่อบิดเกลียว

รูปที่ 9 แสดงการทำความสะอาดภายในท่อบิดเกลียว

          4. ลดปัญหาการสั่นสะเทือน (Vibration Elimination) 
               เนื่องจากไม่จำเป็นต้องติดตั้งแผ่นบังคับทิศทางการไหลตลอดความยาวท่อทางจึงช่วยลดแรงปะทะของของไหลทำงานจึงช่วยลดระดับการสั่นสะเทือนลงได้เป็นอย่างดี
          5. ประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย (Applications) ดังข้อมูลในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 แสดงการการประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดท่อบิดเกลียว

ตารางที่ 2 เปรียบเทียบข้อได้เปรียบเชิงเศรษฐศาสตร์ระหว่างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดท่อบิดเกลียวกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดเปลือกและท่อทั่วไป

แหล่งข้อมูลอ้างอิง
          1. TEMA, 1988 Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers’ Association, New York 7th ed.
          2. R. Donald Morgan., Brown Fintube Company., Twisted Tube Heat Exchangers Technology.
          3. Small, W. M., and Young, R. K. 1979 Heat Transfer Engineering, Vol. 1
          4. Gentry, C. C., Chem. Engng. Progress, Vol. 86, No. 7 pp 48-57
          5. Mike Buettner Koch Heat Transfer Co, LP., Utilizing Heat Transfer Technology to Provide Process Solutions.
          6. http://www.kochheattransfer.com
          7. http://www.pinchtechnology.com