การวิเคราะห์เปรียบเทียบของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแผ่นและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกและท่อ

การวิเคราะห์เปรียบเทียบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ

1. การออกแบบโครงสร้างและกลไกการถ่ายเทความร้อน

1.1 เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นประกอบด้วยชุดแผ่นโลหะลูกฟูก โดยมีปะเก็นปิดผนึกช่องว่างระหว่างแผ่นที่อยู่ติดกันเพื่อสร้างช่องทางการไหลแยกกัน ของเหลวทำงานสองชนิดไหลสวนทางหรือข้ามกันผ่านช่องทางสลับกัน โดยแลกเปลี่ยนความร้อนผ่านแผ่นโลหะ

กลไกการถ่ายเทความร้อน:

• ความร้อนจากของเหลวร้อนจะถูกถ่ายเทไปยังแผ่นก่อนโดยการพาความร้อน จากนั้นจะถูกนำผ่านแผ่นที่มีการนำความร้อนสูง (เช่น สแตนเลสสตีล ซึ่งมีการนำความร้อน 45 W/(m·K)) และในที่สุดจะถูกพาความร้อนไปยังของเหลวเย็น

• พื้นผิวแผ่นลูกฟูกทำให้เกิดความปั่นป่วนที่เลขเรย์โนลด์ต่ำ (Re = 50–200) ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนอย่างมาก อย่างไรก็ตาม ความปั่นป่วนนี้ยังเพิ่มแรงดันตกเนื่องจากความต้านทานของของเหลวที่มากขึ้น

1.2 เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อประกอบด้วยเปลือกทรงกระบอก ชุดท่อ (คงที่หรือลอยตัวผ่านแผ่นท่อ) และส่วนหัว ของเหลวชนิดหนึ่งไหลผ่านท่อ (ด้านท่อ) ในขณะที่อีกชนิดหนึ่งไหลรอบท่อภายในเปลือก (ด้านเปลือก) โดยมีการแลกเปลี่ยนความร้อนผ่านผนังท่อ การกำหนดค่าทั่วไป ได้แก่ การออกแบบแผ่นท่อคงที่ หัวลอย และท่อรูปตัวยู

กลไกการถ่ายเทความร้อน:

• ความร้อนจากของเหลวร้อน (ด้านท่อหรือด้านเปลือก) จะถูกพาความร้อนไปยังผนังท่อ นำผ่านท่อ (เช่น ท่อทองแดงที่มีการนำความร้อน 375 W/(m·K)) จากนั้นจึงถูกพาความร้อนไปยังของเหลวเย็นอีกด้านหนึ่ง

• มีการติดตั้งแผ่นกั้นในเปลือกเพื่อเปลี่ยนเส้นทางการไหลของของเหลวในด้านเปลือก ขยายเส้นทางการไหลและเพิ่มความปั่นป่วน ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน

2. ลักษณะสมรรถนะ

3. ข้อดี ข้อเสีย และการใช้งาน

3.1 เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น

ข้อดี:

• ประสิทธิภาพสูง: การไหลแบบปั่นป่วนที่เลขเรย์โนลด์ต่ำและการทำงานแบบสวนทางให้ตัวประกอบการแก้ไขความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยแบบลอการิทึม (LMTD) ประมาณ 0.95 โดยมีความแตกต่างของอุณหภูมิปลายทางต่ำถึง<1°C (เทียบกับ ~5°C สำหรับการออกแบบแบบเปลือกและท่อ)

• การออกแบบที่กะทัดรัด: พื้นที่ถ่ายเทความร้อนสูงกว่า 2–5 เท่าต่อหน่วยปริมาตร ใช้พื้นที่ 1/5–1/8 ของหน่วยเปลือกและท่อสำหรับความจุที่เทียบเท่ากัน

• ความยืดหยุ่น: ง่ายต่อการปรับขนาดโดยการเพิ่ม/ถอดแผ่น ปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงของกระบวนการ (เช่น การกำหนดเส้นทางการไหลใหม่)

• ความคุ้มค่า: น้ำหนักเบา (ความหนาของแผ่น: 0.4–0.8 มม. เทียบกับ 2.0–2.5 มม. สำหรับท่อ) ต้นทุนต่ำกว่า 40–60% เมื่อเทียบกับหน่วยเปลือกและท่อที่มีวัสดุและพื้นที่เดียวกัน ผลิตจำนวนมากโดยการปั๊ม

• การสูญเสียความร้อนต่ำ: พื้นที่ผิวสัมผัสที่น้อยที่สุดช่วยลดการกระจายความร้อน ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ฉนวน

ข้อเสีย:

• ความทนทานต่อแรงดันและอุณหภูมิที่จำกัด (ไม่เหมาะสำหรับ >3 MPa หรืออุณหภูมิสูง)

• ปะเก็นมีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนหรืออุณหภูมิสูง

• แรงดันตกที่สูงขึ้นอาจต้องใช้ปั๊มที่แข็งแรงกว่า

การใช้งาน:

เหมาะสำหรับแรงดันต่ำถึงปานกลาง, 中小换热面积场景 (เช่น HVAC, การแปรรูปอาหาร, ระบบน้ำร้อนในประเทศ และอุตสาหกรรมที่ต้องการการทำความสะอาดบ่อยครั้ง เช่น เภสัชกรรม)

3.2 เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ

ข้อดี:

• ความทนทานต่อแรงดัน/อุณหภูมิสูง: เหมาะสำหรับสภาวะที่รุนแรง (สูงถึง 30 MPa, 400°C) ทำให้เหมาะสำหรับกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่มีแรงดันสูง

• ความทนทาน: เปลือกทรงกระบอกและชุดท่อแข็งทนต่อการเต้นเป็นจังหวะสูงและอัตราการไหลขนาดใหญ่ เข้ากันได้กับของเหลวที่มีความหนืดสูงหรือมีอนุภาค (ด้วยการออกแบบแผ่นกั้นที่เหมาะสม)

• อายุการใช้งานยาวนาน: โครงสร้างสแตนเลสสตีลทั้งหมด (หรือท่อทองแดง) ให้ความทนทาน (สูงสุด 20 ปี) ในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน

ข้อเสีย:

• ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนต่ำกว่า: ตัวประกอบการแก้ไข LMTD มักจะ <0.9 เนื่องจากรูปแบบการไหลแบบข้าม มีรอยเท้าที่ใหญ่กว่าและน้ำหนักที่สูงกว่า

• ความยืดหยุ่น: ยากที่จะปรับเปลี่ยนพื้นที่ถ่ายเทความร้อนหลังการติดตั้ง ต้นทุนเริ่มต้นที่สูงขึ้นสำหรับความจุที่เทียบเท่ากัน

การใช้งาน:

เหมาะสำหรับกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่มีแรงดันสูง/อุณหภูมิสูง (เช่น ปิโตรเคมี การผลิตกระแสไฟฟ้า การขุด) และการแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่ (เช่น การทำความร้อนส่วนกลาง ระบบทำความเย็นสำหรับงานหนัก)

สรุป

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นมีความโดดเด่นในด้านประสิทธิภาพ ความกะทัดรัด และความยืดหยุ่นสำหรับการใช้งานแรงดันต่ำถึงปานกลาง ในขณะที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อมีความโดดเด่นในสถานการณ์ทางอุตสาหกรรมที่มีแรงดันสูง อุณหภูมิสูง และขนาดใหญ่ การเลือกขึ้นอยู่กับสภาพการทำงาน ความต้องการในการบำรุงรักษา และข้อกำหนดด้านความสามารถในการปรับขนาด