เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (อังกฤษ:Heat Exchangers) คือเครื่องมือที่ใช้สำหรับการถ่ายเทความร้อนของของไหลชนิดหนึ่งไปยังของไหลอีกชนิดหนึ่ง โดยที่ของไหลไม่จำเป็นต้องผสมกัน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นเครื่องมือที่สำคัญอย่างมากในทางอุตสาหกรรมและเป็นเครื่องมือที่ใช้ในระบบต่างๆทางวิศวกรรมอย่างกว้างขวาง เช่น ในอุตสาหกรรมน้ำมันจะใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในการทำให้น้ำมันดิบร้อนขึ้นหรือทำให้ไอที่ออกจากหอกลั่นเป็นของเหลวหรือใช้ลดอุณหภูมิของน้ำมันหรือก๊าซ หรือในอุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น อุตสาหกรรมปุ๋ย,เส้นใย,อาหารกระป๋องมีการนำเอาความร้อนมาเวียนใช้ใหม่หรือแลกเปลี่ยนความร้อนสำหรับเพิ่มหรือลดความร้อน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน สามารถจำแนก ได้ดังนี้
คือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดหนึ่งที่มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมอาหาร เพื่อเพิ่มหรือลดอุณหภูมิในระบ การแปรรูปอาหารด้วยความร้อนในระบบการพาสเจอไรซ์อย่างต่อเนื่องการทำให้เข้มข้น และ ระบบ ยู เอช ที

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อสองชั้น () เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดนี้อยู่ในลักษณะที่ท่อสองท่อสวมเข้าด้วยกัน ส่วนการไหลของของไหล อาจไหลสวนทางกัน เรียกว่า Counter flow หรือไหลขนานกัน เรียกว่า Parallel flow
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบที่ของไหลมีทิศทางตั้งฉากกัน () เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดนี้ ของไหลจะไหลในทิศทางตั้งฉากกัน การสร้างนั้นอาจให้อยู่ในลักษณะของไหลเที่ยวเดียว (Single pass) หรือ ไหลสองเที่ยว (Double pass) หรือมากกว่าก็ได้

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเชลล์และท่อ () เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดนี้ของไหลชนิดหนึ่งจะอยู่ในเชลล์และอีกชนิดหนึ่งจะอยู่ในท่อ สำหรับการไหลนั้นจะอยู่ในลักษณะไหลสวนทางหรือไหลขนานก็ได้ หรือทั้งสองอย่างในเครื่องเดียวกันก็ได้ นอกจากนี้อาจออกแบบให้ของไหลมีทิศทางตั้งฉากกับท่อก็ได้
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อขด () เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดนี้ในทางอุตสาหกรรมจะใช้ในกระบวนการกลั่นน้ำมันและเครื่องใช้ความร้อนที่มีขนาดเล็กหรือในกรณีที่ใช้ของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบระบายความร้อนด้วยอากาศ(อังกฤษ: Air cooled heat Exchanger) เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดนี้ ใช้อากาศเป็นตัวระบายความร้อนแทนน้ำเย็น จึงเป็นที่นิยมใช้กันเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เนื่องจากปัจจุบันขาดแคลนน้ำระบายความร้อน โครงสร้างของเครื่อง มี 3 องค์ประกอบคือ มัดท่อซึ่งประกอบด้วยท่อถ่ายเทความร้อนที่มีครีบ (Fin) โครงสร้างเหล็กสำหรับมัดท่อ และเครื่องเป่าลมพร้อมมอเตอร์สำหรับเป่าอากาศมัดท่อ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปิด () เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดนี้ใช้ระบายความร้อน โดยการปล่อยให้น้ำหยดลงบนท่อที่ติดตั้งอยู่บนแนวระดับ เพื่อที่จะลดอุณหภูมิของไหลภายในท่อ โครงสร้างโดยทั่วไปประกอบด้วย ท่อตรง และส่วนโค้ง และสามารถนำมาวางซ้อนทับกันได้หลายชั้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานของเครื่อง และยังเหมาะในการใช้กับของไหลความดันสูงที่มีฤทธิ์กัดกร่อน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบปลอกหุ้ม (อังกฤษ: Jacketed type Exchanger) โครงสร้างของเครื่องประกอบไปด้วยปลอกหุ้มทั้งเก็บหรือถังปฏิกรณ์ (Reactor) เพื่อแลกเปลี่ยนความร้อน โดยปกติแล้วการทำความสะอาดภายในปลอกหุ้มทำไม่ได้ ดังนั้นของไหลที่ใช้ในปลอกหุ้มควรเป็นไอน้ำ น้ำเย็น หรือพรีออนที่มีความสกปรกน้อย เหมาะสำหรับการให้ความร้อนหรือการทำความเย็นแก่ของเหลวและการรักษาอุณหภูมิของของเหลวในถังตวงให้คงที่

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบดาบปลายปืน () จะมีเส้นทางการไหลภายในท่อ จะประกอบด้วยท่อนอกซึ่งปลายข้างหนึ่งจะมีฝาปิดอยู่ และจะมีท่ออยู่ภายในอีกหนึ่งท่อ ของไหลภายในท่อจะแลกเปลี่ยนความร้อนกับของไหลภายในเซลล์ในขณะที่ของไหลอยู่ในช่องว่างระหว่างท่อในและท่อนอก

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบหมุนวน () โครงสร้างของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดนี้ประกอบด้วย ท่อทองแดง ท่ออะลูมิเนียม หรือท่อวัสดุอ่อนอื่นๆ ซึ่งมีขนาดเล็กและยาว หมุนวนขดกันกลายเป็นเกลียวหลายๆชั้นแล้วบรรจุในภาชนะทรงกระบอก ในการนำมาใช้งานของไหลภายในท่อและในเซลล์จะต้องสะอาด และมีฤทธิ์กัดกร่อนน้อย อุปกรณ์ชนิดนี้จะใช้ร่วมกับอุปกรณ์แยกก๊าซ ซึ่งทำให้อากาศหรือก๊าซอื่นๆกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำมากๆเพื่อทำการแยกก๊าซองค์ประกอบอื่นต่อไป

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกะทัดรัด (Compact Exchanger) ได้มาจากความคิดริเริ่มที่ต้องการขนาดของเครื่องให้มีขนาดเล็กที่สุด แต่มีพื้นที่การถ่ายเทความร้อนสูง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกะทัดรัดจะเรียกชื่อได้ก็ต่อเมื่ออัตราส่วนพื้นที่การถ่ายเทความร้อนกับปริมาตรของเครื่องมีค่ามากกว่า 660 ขึ้นไป เพื่อให้พื้นที่การถ่ายเทความร้อนมีค่าสูง ในกรณีที่ท่อกลมปรกติจะใช้ท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าหนึ่งนิ้ว ที่ครีบ(Fin) หรือแผ่นโครงสร้าง เนื่องจากโครงสร้างแบบนี้ซ่อมแซมทำความสะอาดได้ยากและอุณหภูมิหรือความดันที่ใช้ก็มีค่าต่ำ จึงไม่นิยมใช้ในกระบวนการอุตสาหกรรมเคมี แต่เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ดีเลิศสำหรับก๊าซสองชนิดที่สกปรกน้อย

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบฮีทไปป์ (Heat pipe heat Exchanger) นี้มีอัตราการถ่ายเทความร้อนค่อนข้างสูงและสมรรถนะสูง แม้ส่าผลต่างของอุณหภูมิระหว่างแหล่งให้ความร้อน (Heat source) และแหล่งรับความร้อน (Heat sink) มีค่าค่อนข้างน้อย ลักษณะของเครื่องเป็นท่อปิดผนึกภายในบรรจุวิกค์ (Wick) และของเหลวใช้งาน (Working fluid) เมื่อฮีทไปป์รับความร้อนจากแหล่งความร้อน ผ่านผนังท่อของช่วงการระเหย (Evaporation section) ไปยังวิกค์ ของเหลวใช้งานที่อยู่ในวิกค์จะระเหยกลายเป็นไอ ไอที่เกิดขึ้นจะเคลื่อนที่ตามช่วงการควบแน่น (Condensation Section) ซึ่งมีความดันไอที่ต่ำกว่า ณ ที่นี้ความร้อนแฝงที่เกิดจากการควบแน่นจะถ่ายเทความร้อนผ่านผนังท่อไปแหล่งรับความร้อน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบหอยโข่ง (Volute type Exchanger) สร้างขึ้นจากแผ่นราบสองแผ่นนำมาตัดขนานกัน ให้เหมือนลายก้นหอยโข่ง คุณลักษณะดีคือ โครงสร้างไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงการยืดหรือหดตัวเชิงความร้อน สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวมสูง เมื่อเปรียบเทียบค่าความดันสูญเสียที่น้อยและการไหลก็สม่ำเสมอด้วย ดังนั้นจึงสามารถออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้ขนาดเล็กเมื่อเทียบกับพื้นที่ถ่ายเทความร้อน ข้อเสียคือ ทำความสะอาดหรือซ่อมแซมได้ยาก เพราะปรกติสร้างโดยการเชื่อมโลหะ (Welding) ดังนั้นจึงไม่เหมาะสมที่จะใช้กับของไหลที่สกปรกมาก ของไหลที่มีฤทธิ์กัดกร่อนแตกต่างกันหรือของไหลที่มีความดันสูง ในปัจจุบันเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้ในอุตสาหกรรมกระดาษ อุตสาหกรรมอาหาร เป็นต้น

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบบล็อก (Block type Exchanger) ส่วนใหญ่การเลือกใช้วัสดุประเภทโลหะที่เหมาะสมกับการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสารเคมีสองชนิดที่มีฤทธิ์กัดกร่อนผิดแผกกันทำได้ลำบาก ในกรณีเช่นนี้สมควรที่จะใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบบล็อก ซึ่งทำจากกราไฟท์ หรือวัสดุทนการกัดกร่อนอื่นๆ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบบล็อก ประกอบด้วยวัสดุทนการกัดกร่อนซึ่งเจาะรูยาวจำนวนมาก ให้ตั้งฉากกันระหว่างแต่ละชั้นของรู ของไหลแต่ละชนิดไหลสลับไปตามที่รูเจาะไว้ เครื่องแบบนี้มีใช้ในอุตสาหกรรมเคมีภัณฑ์ เช่น กรดเกลือ กรดกำมะถันและเคมีภัณฑ์อื่นๆ แต่โครงสร้างของเครื่องถูกจำกัดใช้เฉพาะกรณีปริมาณการแลกเปลี่ยนความร้อนน้อยมีความดันต่ำและอุณหภูมิต่ำ

สามารถนำไปประยุกต์ใช้เช่น Pasteurization,Digester heating, การนำความร้อนมาใช้ใหม่,pre-heating และน้ำทิ้ง

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมต่างๆมีสิ่งสกปรกที่มาจากภายนอกนั้นเป็นสาเหตุของการเกิดสิ่งสกปรกที่มาเกาะติดและตกค้างภายในเครื่องจึงจำเป็นต้องมีการบำรุงรักษาอยู่เสมอ ดังนั้นการหาวิธีแก้ปัญหาสิ่งสกปรกเพื่อป้องกันการเสียหายของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในกระบวนการผลิต,การสูญเสียผลิตภัณฑ์ที่ไม่ได้คุณภาพและยังมีส่วนช่วยทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีประสิทธิภาพสูงอยู่เสมอ โดยมีตัวแปรที่ช่วยเหลือในการวิเคราะห์สาเหตุต่างๆที่ทำให้เกิดสิ่งสกปรกที่มาเกาะติดและตกค้างนั้น คือ อุณหภูมิ, ความเร็ว,ความดันและพื้นที่หน้าตัดของการไหลผ่าน จากนั้นวิศวกรและเจ้าหน้าที่บำรุงรักษาจะดำเนินการทำความสะอาดเครื่องอย่างเหมาะสมและถูกวิธีเป็นขั้นตอนต่อไปเพื่อเป็นการช่วยลดค่าใช้จ่ายในการแก้ปัญหาสิ่งสกปรกภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

1. การทำความสะอาดโดยวิธีไม่ถอดออกจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน 
วิธีการทำความสะอาดเช่นนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน โดยการใช้สารเคมีเติมเข้าไปภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแทนของเหลวที่ใช้ในกระบวนการผลิตและแช่ทิ้งไว้ สารเคมีจะไปชะล้างสิ่งสกปรกโดยอาศัยปฏิกิริยาทางเคมี แต่การสะสมสิ่งสกปรกมีอยู่หลายชนิดด้วยกัน ดังนั้น การทำความสะอาดด้วยสารเคมีต้องพิจารณาว่าใช้สารเคมีที่เป็นอินทรีย์หรืออนินทรีย์ในการทำความสะอาดเนื่องจากอาจทำให้กัดกร่อนหรือทำปฏิกิริยากับโลหะหรือสิ่งสกปรกนั้นได้และควรพิจารณาความหนืดของสิ่งสกปรก,การเป็นคราบไขมันและการเกิดสนิม 
ภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนบางชนิดไม่สามารถใช้วิธีทำความสะอาดด้วยสารเคมีได้ อาจจะต้องเลือกใช้วิธีอื่นในการทำความสะอาด ดังนี้ วิธีการสลับช่องทางการไหล โดยขึ้นอยู่กับลักษณะของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน การใช้วิธีนี้เมื่อของไหลฝั่งหนึ่งมีแนวโน้มทำให้เกิดคราบสิ่งสกปรกและของไหลฝั่งหนึ่งเป็นของไหลที่สะอาด การสลับช่องทางการไหลจึงสามารถกำจัดสิ่งสกปรกที่ตกค้างได้ วิธีการใช้ฟองน้ำชนิดยางที่มีลักษณะเป็นลูกบอลกลม สามารถครูดกับผิวผนังแลกเปลี่ยนความร้อนได้ แต่ก็มีขอบเขตกับการใช้งานกับระบบน้ำเย็นเป็นส่วนใหญ่ วิธีการใช้เม็ดทรายในการทำฟลูอิดไดเบดเพื่อขัดถูผิวผนังภายในของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

2. การทำความสะอาดวิธีถอดล้างออกจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน
เป็นวิธีการใช้แรงดันสูงของน้ำโดยมีหัวฉีดทำให้เกิดแรงดันของน้ำและในการทำความสะอาดนั้นต้องถอดอุปกรณ์ต่างๆของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนออกเพื่อทำความสะอาด ซึ่งประสิทธิผลการทำความสะอาดวิธีนี้ขึ้นอยู่กับชนิดและความหนาของสิ่งสกปรกที่เกาะติดนั้น บางครั้งอาจใช้แปรงขัดบริเวณพื้นผิวที่สิ่งสกปรกเกาะติดได้ ซึ่งความยากง่ายขึ้นอยู่กับการเข้าถึงในการทำความสะอาดและกำลังของแรงคน ส่วนการเจาะท่อเพื่อทำความสะอาดสิ่งสกปรกที่สะสมและมีคราบหนืดมากที่อยู่ภายในระบบท่อไม่เป็นที่นิยม ซึ่งจะแก้ไขโดยการเปลี่ยนท่อนั้นแทน

การเพิ่มประสิทธิภาพเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมี 3 เป้าหมาย ดังนี้