เครื่องแลกเปลี่ยนความร อน heat...

   1  

เครองแลกเปลยนความรอน

HEAT EXCHANGER

กลาวนา

ในงานทางวศวกรรมหลายประเภทตองอาศยกระบวนการถายเทความรอนระหวางของไหลทมอณหภมตางกน

เชน การระบายความรอนของหมอนาในรถยนต การแลกเปลยนความรอนระหวางคอยลเยนกบอากาศเพอจายอากาศเยน

ไปยงหองปรบอากาศ ฯลฯ เปนตน การแลกเปลยนความรอนระหวางของไหลทงสองชนดนลวนใชอปกรณแลกเปลยน

ความรอน(Heat exchanger) ทงสน ซงการทางานอปกรณเหลานลวนใชทฤษฎของการถายเทความรอน รวมถงใชทฤษฎ

ของการถายเทความรอน ในการออกแบบเครองแลกเปลยนความรอนเพอใชในงานทเหมาะสมตอไป

ชนดของเครองแลกเปลยนความรอน

การจาแนกประเภทของเครองแลกเปลยนความรอน อาจแบงประเภทของเครองแลกเปลยนความรอนไดตาม

ลกษณะการไหลของของไหล และแบงตามลกษณะรปรางของเครองแลกเปลยนความรอน

1) แบงตามลกษณะการไหลของของไหล สามารถแบงได 3 ประเภท ดงน

- การไหลแบบทางเดยวกน (parallel flow)

- การไหลสวนทางกน (counter flow)

- การไหลตงฉากกน (cross flow)

2) แบงตามลกษณะของรปรางของเครองแลกเปลยนความรอน สามารถแบงได 3 ประเภทหลกๆ ดงน

- แบบทอสองชน (double pipe) เปนชนดทสามารถสรางไดงายทสด ลกษณะเปนทอสองทอสวมกน โดยของ

ไหลในแตละทออาจเปนของไหลตางชนดกน หรอชนดเดยวกนกไดแตอณหภมตองแตกตางกน ซงใชแลกเปลยน

ความรอนระหวางของไหลทงสอง ลกษณะการไหลของของไหลในเครองแลกเปลยนความรอนชนดนยงแบงการ

ไหลไดอกสองแบบ คอ การไหลแบบทางเดยวกน(parallel flow) และ การไหลแบบสวนทางกน(counter flow)

1)การไหลแบบสวนทางกน 2)การไหลแบบทางเดยวกน

รปท1) เครองแลกเปลยนความรอนแบบทอสองชน

- แบบกะทดรด (compact) โดยสวนใหญลกษณะการไหลในเครองชนดนจะเปนการไหลแบบตงฉากกน(cross

flow) และมกจะเปนการในการแลกเปลยนความรอนระหวางอากาศกบของเหลว เชน หมอนาในรถยนต เปนการ

แลกเปลยนความรอนระหวางนารอนกบอากาศเยน จากรปจะพบวามการตด fin เพอเพมพนทในการแลกเปลยน

ความรอนของอากาศ เพราะคาความหนาแนนของอากาศตากวานาประมาณ 1000 เทา ดงนนถาตองการดง

Cold fluid in

Cold fluid out

Hot fluid inHot fluid out

Cold fluid out

Hot fluid inHot fluid out

Cold fluid in

   2  

ความรอนทเทากนกจาเปนตองเพมพนทการถายเทความรอน แตผลทตามมากคอเมอเพมพนทแรงเสยดทานก

เพมขนดวย จงจาเปนตองใหงานในการขบอากาศเพมขนดวย ดงนนในเครองแลกเปลยนความรอนชนดนมกจะ

พบวามการตดพดลมชวยในการขบการไหลของอากาศ จากรปท 2 มครบและของไหลแตละชนดไมผสมผสาน

กน แบบไมมครบทาใหของไหลนอกทอผสมผสานกน

รปท2) เครองแลกเปลยนความรอนแบบกะทดรด

- แบบทอและเปลอก (shell and tube) การไหลของไหลชนดหนงจะอยในทอ(tube) และของไหลอกชนดหนง

จะอยในเปลอก(shell) และมกจะพบวาการจบยดระหวางพนงกบทอโดยใชแผนกน(baffles) หนาทสาคญอก

ประการทสาคญของ baffles คอชวยไมใหการไหลใน shell รดวงจร กลาวคอใหของไหลใน shell ถายเทความ

รอนกบของไหลทอยในทอไดอยางเตมท ซงจะทาใหการไหลเปนการไหลแบบตงฉากกน และสวนทางกนหรอ

ขนานกนในบางตาแหนง

รปท3) เครองแลกเปลยนความรอนแบบทอและเปลอก

ในปฏบตการในครงนจะศกษาเฉพาะเครองแลกเปลยนความรอนประเภททอสองชน(Double pipe) เทานน

ทฤษฎ D

เคร

กบนาเยน

การถายเท

สมพทธกน

ทสงผานจ

Heat con

Heat con

condQ•

=

1cond

o

i

r

r

Qr

•

∫2

condQ•

=

ดงนน จะไ

ouble pipe he

องแลกเปลยน

น โดยการทดลอ

ทความรอนในก

น

จากรปถาพจา

จะมคาเทากน ค

nvection:  cQ•

nduction: cQ•

2dT

k r Ldr

π−

2T

Lkdr π−=

,2 (

ln

wall in

o

i

Lk Trr

π

⎛⎜⎝

ไดวา i iQ h A•

=

eat exchange

ความรอนแบบ

องเพอหาคา U

การวเคราะหอต

รปท5) Therm

รณาเปนแบบ T

คอ 1convQ Q• •

=

1 (conv i i ih A T=

cond

dTkA

dr= −

,

,

wall out

wall in

T

T

dTT∫  

, )wall out

o

i

T

r

−⎞⎟⎠

,( )i i wall inT T−

Hot fluid out

r

รปท4) เคร

บทอ 2 ชน ทใช

(Overall heat

ตราการแลกเปล

mal resistanc

Thermal resis

cond conQ Q• •

= =

, )wall inT− แล

2 ()

ln

waLk Tπ=

Cold fluid in

รองแลกเปลยน

ชทดลองในปฏบ

transfer coef

ลยนความรอน

e network ในเ

stance networ

2nv ซงคา

ละ 2conv oQ h A•

=

, ,

n

all in wall out

o

i

T

rr

−⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

Col

นความรอนแบบ

บตการนเปนกา

fficient) ของเค

ระหวางนารอน

เครองแลกเปลย

k จะพบวาเปน

,(o wall outA T −

)(t

o o wah A T=

d fluid out

Ho

บทอสองชน

ารแลกเปลยนค

รองแลกเปลยน

นกบนาเยน โดย

ยนความรอนแบ

นการตอแบบอน

)oT−

, )all out oT− ห

ot fluid in

ความรอนระหว

นความรอน โด

ยทนารอนกบน

บบทอสองชน

นกรม ความคา

หรอ

วางนารอน

ยใชทฤษฎ

าเยนจะไม

ความรอน

   3 

   4  

, , , ,( )

2

( ) ( )1 1

ln

i wall in wall in wall out wall out o

o

i i o oi

TQ

h h

Lk

T T T T Tr

A Arπ

•

= = =− − −

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

1 2

2

ln1 1

i o

conv cond convo

i

i i o o

Q

h Lk h

T T TR R Rr

rA Aπ

•

=− Δ

=+ +⎛ ⎞

⎜ ⎟⎝ ⎠+ +

โดยท 1 22

ln1 1, ,

o

iconv cond conv

i i o oh Lk h

rr

R R RA Aπ

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠= = =

สรปจากการวเคราะหโดยใชทฤษฎการถายเทความรอน จะไดคาความรอนทสงถายเปน

2

ln1 1

o

i

i i o o

Q

h Lk h

Trr

A Aπ

•

=Δ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠+ +

……………………(*)

The overall heat transfer coefficient: U (w/m². °C)

คาความรอนทวเคราะหโดยใชคา Overall heat transfer coefficient สามารถหาไดดงสมการความสมพนธ

Q U A T•

= Δ …………………….(**)

TΔ : Temperature difference หรออาจใช log mean temperature difference

U : Overall heat transfer coefficient (w/m². °C)

A : Heat transfer area (m²) ถา ผนงทอบางใชคาเฉลยระหวาง  iA กบ oA ถาผนงทอหนาอาจใช Log mean area

จากสมาการท (*) และ (**) สามารถหาคา U ไดโดย

(*) = (**) จะได

2

1 1

ln1 1

o

i

i i o oh Lk h

UA r

rA Aπ

=⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠+ +

i …………………….(***)

ดงนนจาก(***) สามารถหาคา U ได ถาทราบคาตวแปรทกตว ซงคา A,r หาไดจากขนาดของเครอง คา k หาจากตาราง

คณสมบตการนาความรอนของวสดพอหาไดไมอยาก แตคา h นนอาจหาไดไมงายนกเพราะขนกบรปแบบการไหล โดยหา

จากความสมพนธ

   5  

a be r

hDNu cR Pk

= = โดยคา c a b เปนคาคงท ขนกบรปแบบการไหล ดงนนจากวธขางตนอาจคา U ไดไมงายนก

การวเคราะหอตราการแลกเปลยนความรอนโดยใช กฎขอทหนงของเทอรโมไดนามกส

รปท6) ลกษณะการไหลในเครองแลกเปลยนความรอนแบบทอสองชน

จากรป สามารถวเคราะห โดยใชกฎขอทหนงของเทอรโมไดนามกส ไดดงน

อตราความรอนทนารอนปลอยออก (Heat power emitted) ( ), , ,H P H H in H outHQ m C T T• •

= − (1)

อตราความรอนทนาเยนไดรบ (Heat power absorbed) ( ), , ,C P C C out C inCQ m C T T• •

= − (2)

จากทฤษฎทไดกลาวไวในขางตนเนองจากลกษณะของ Thermal resistance network เปนการตอแบบอกรม

ดงนนคา Heat power emitted กบคา Heat power absorbed ควรทจะเทากน (ถาไมมการศนยเสย) แตในทางปฏบต

แลวมการศนยเกดขนดงนน

Heat power lost = heat power emitted - heat power absorbed (3)

และคาความสามารถในการดงความรอนออกจากนารอนของเครองแลกเปลยนความรอน หรอทเรยกวาคาประสทธภาพ

การถายเทความรอน หาไดจาก

Efficiency , η = emitted powerheat

absorbed powerheat × 100% (4)

จากวเคราะหโดยใช first law of thermodynamics สามารถคานวณหาคาอตราความรอนทเครองแลกเปลยน

ความรอนชนดนสามารถดงออกได (Heat power absorbed) ซงจะตองมคาเทากบ lmQ U A T•

= Δ ดวย 

ดงนน กสามารถหาคา U (Overall heat transfer coefficient) ไดเปน

Overall heat transfer coefficient U = TΔ lm

heat power absorbed

heat transmission area x (5)

Log mean temperature difference ΔTm = T T

TT

Δ −ΔΔΔ

1 2

1

2

ln (6)

Tc out

TH inTH out 

,,H P Hm C•

,,C P Cm C•

Tc in

   6  

โดย TΔ 1 และ TΔ 2 Temperature difference ขนกบลกษณะการไหลวาเปนการไหลแบบขนานกน หรอสวนทางกนซง

สามารถพจารณาไดจากรป

Parallel flow Counter flow

รปท7) การเปลยนแปลงอณหภมในเครองแลกเปลยนความรอนแบบทอสองชน

ในการหาประสทธภาพของแลกเปลยนความรอนสามารถหาไดสองวธหลกๆดวยกน คอวธของ Log mean

temperature difference และ Effectiveness-NTU method

1) The Log mean temperature difference method (LMTD)

จรงๆแลวการคานวณคาความรอนดวยวธนไดนาเสนอไวแลวในขางตนแตยงไมไดบอกวากรรมวธนมชอ

เรยกวาอะไร วธของ Log mean temperature difference method (LMTD) คานวณคาความรอนจากสมการ

lmQ U A T•

= Δ ในการคานวณคาความรอนน จะตองทราบของอณหภมทกคา เพอคานวณหา lmTΔ

การออกแบบ เพอหาขนาดของเครองแลกเปลยนความรอนดวย LMTD สามารถทาไดตามลาดบดงน

1) เลอกชนดของเครองแลกเปลยนความรอน เละลกษะการใชงาน(ทศทางการไหล)

2) คานวณคาตวแปรตางๆทยงไมทราบคา เชน Q•

อณหภมททางออก อาจคานวณโดยใช first law of

thermodynamics

3) คานวณ Log mean temperature difference

4) เลอกหรอคานวณคา Overall heat transfer coefficient U

5) คานวณหา heat transfer area A

6) ควรเลอกเครองทม heat transfer area มากกวาหรอเทากบ heat transfer area ทคานวณมาได

TΔ 1

TΔ 1

TΔ 2

TΔ 2

   7  

2) The Effectiveness-NUT method

เนองการคานวณดวยวธของ LMTD นนจะตองทราบอณหภมททางออกทกคากอนจงจะคานวณตอได ดงนน

จงเปนขอจากดของวธ LMTD ดงนนจงมกรรมวธของ Effectiveness-NUT method (Kays and London 1955) ใชในการ

คานวณปญหาประเภทน

นยามของ Heat transfer effectiveness ε

max

Q

Qε

•

•= = A

(7)

, , , ,( ) ( )c c out c in h h in h outQ C T T C T T•

= − = − เมอ ,cc p cC m C•

= , ,hh p hC m C•

= เรยกวา heat transfer rate

โดยท maxmaxQ C T•

= Δ  

คา maxTΔ ทเปนไปได ถาพจารณาทนารอน ( ), ,h in h outT T TΔ = − ถาเครองแลกเปลยนความรอนสามารถลดอณหภม

,h outT ไดมากทสดคอมคาเทากบ ,c inT ดงนน maxTΔ ทเปนไปไดคอ ( )max , ,h in c inT T TΔ = −  

สวนคา Heat transfer rate (C) นนใหเลอกระหวาง ,c hC C ตวไหนมคานอยใหใชตวนนในการคานวณ เพราะถาใชตวท

มคามากแลวจะทา maxQ•

มากเกนไป และเมอใชคานคานวณยอนหา ,h outT จะทาใหมคาตากวา ,c inT ซงขดกบกฎขอท

สองของเทอรโมไดนามกส ดงนนจะได maxQ•

เปน

( )min , ,max h in c inQ C T T•

= − (8)

ดงนนจะได ( )( )

, ,

min , ,max

c c out c in

h in c in

C T TQC T TQ

ε•

•

−= =

− (9)

จาก(9) ทยงไมทราบคาคอ ,c outT ซงมาหาไดจากความสมพนธของคาอตราความรอนทคานวณไดจาก first law of

thermodynamics และ LMTD

( ), ,h h in h outQ C T T•

= − (10)

( ), ,c c out c inQ C T T•

= − (11)

lmQ UA T•

= Δ (12)

จาก(10) - (12) ตวแปรทยงไมทราบคาคอ ,h outT และ ,c outT นอกนนเปนตวแปรททราบคาแลว

ถาแกสมการ (10) - (12) จะไมขอแสดงรายระเอยดในทน จะสามารถคานวณ ,h outT และ ,c outT เปนฟงกชนของ

, ,, , , , ,h c h in c inC C U A T T ได

จากนนแทนคา , , ,( , , , , , )nc out h c h in c inT f C C U A T T= ลงในสมการท (9) กสามารถคานวณ effectiveness ε ได

8

ดงนนจงขอสรปคา Effectiveness ส าหรบ Double pipe heat exchanger ดงน

1) Parallel flow 𝜀𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑙𝑒𝑙−𝑓𝑙𝑜𝑤 = 1−exp [−𝑁𝑇𝑈(1+𝑐)]

1+𝑐

2) Counter flow 𝜀𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑒𝑟−𝑓𝑙𝑜𝑤 = 1−exp[ −𝑁𝑇𝑈(1+𝑐)]

1−𝑐 exp [−𝑁𝑇𝑈(1+𝑐)]

โดย

−𝑁𝑇𝑈 =𝑈𝐴

𝐶𝑚𝑖𝑛=

𝑈𝐴

(��𝐶𝑝)𝑚𝑖𝑛

; NTU : Number of heat transfer unit

𝑐 = 𝐶𝑚𝑖𝑛

𝐶𝑚𝑎𝑥 ; c : capacity ratio

การออกแบบ หาขนาดของเครองแลกเปลยนความรอนดวยวธของ Effectiveness-NUT method

สามารถท าไดตามล าดบดงน

1) เลอกชนดของเครองแลกเปลยนความรอนททราบคา U และลกษณะการใชงาน(ทศทางการไหล)

2) ค านวณคา capacity ratio c, Effectiveness

3) ค านวนคา NTU จากความสมพนธ 𝜀 = 𝑓𝑛(𝑁𝑇𝑈, 𝑐)

4) ค านวนหา heat transfer area A จาก 𝑁𝑇𝑈𝑈𝐴

𝐶𝑚𝑖𝑛

5) ควรเลอกเครองมอทม heat transfer area มากกวาหรอเทากบ heat transfer area ทค านวณมาได

9

แนะน ำอปกรณทใชในกำรทดลอง

ลกษณะเฉพาะทางเทคนค

Electrical

- Voltage 230 VAC Phase+Neutral+Earth

- Amperage 10 A

- frequency 50 Hz

Hot water supply

- Temperature 25℃ < T < 60℃

- Flow rate 90 L/h maximum

Cold water rejected

- Temperature 5℃ < T < 25℃

- Flow rate 200 L/h maximum

สวนประกอบของเครองแลกเปลยนความรอน

รปท 8 เครองแลกเปลยนความรอนจากบรษท DIDATEC รน BET 011

1. Flow meter และ Control valve ของน าเยน

2. Tank เกบน า (ส าหรบน ารอน) เปนถงทท าจาก Stainless steel สามารถบรรจน ารอนได 5 ลตร

ภายในมคอยลรอนในการสรางความรอนใหกบน ารอน

3. Pump น ารอน

4. Flow meter และ Control valve ของน ารอน

5. Electrical box

6. บรเวณพนทในการทดสอบอปกรณแลกเปลยนความรอน

10

รปท 9 แสดงสวนประกอบของ Electrical box รน BET 011

7. ไฟสขาวแสดงการท างาน

8. Main power ควบคมการจายไฟ

9. หนาจอแสดง อณหภม และอตราการไหล

10. ปมเรมการท างานของ Pump น ารอน

11. ปมกด Emergency Stop

12. USB คอมพวเตอร

13. Socket เชอมตอกบสาย Thermocouple

14. ปม General shutdown

11

อปกรณแลกเปลยนความรอนทใชในการทดลอง

1. Concentric หรอ Double pipe

มลกษณะเปนทอสองชนสวมกน

ทศทางการไหลเปนแบบ Counter flow และ Parallel flow

พนทในการแลกเปลยนความรอน 270 cm2

2. Shell and Tube

มทอขนาดเลกจ านวนมากอยภายในเปลอก และม baffles

ยดระหวางเปลอกและทอ

ทศทางการไหลเปนแบบ Counter flow และ Parallel flow

พนทในการแลกเปลยนความรอน 244 cm2

3. Flat Plate

มลกษณะเปนแผนโลหะประกบกนหลายแผน ภายในมชองให

ของไหลไหลผาน

ทศทางการไหลเปนแบบ Counter flow และ Parallel flow

พนทในการแลกเปลยนความรอน 0.16 m2

12

ขนตอนกำรทดลอง

การทดลองอปกรณแลกเปลยนความรอนชนด Concentric , Shell and Tube และ Flat plate

1. น าอปกรณแลกเปลยนความรอนทตองการท าการทดลองวางบรเวณพนทท าการทดสอบ

2. เสยบสายน ารอน กบน าเยน เขากบอปกรณทท าการทดลอง ก าหนดทศทางการไหลเปนแบบ

Counter flow

3. เสยบสาย Thermocouple เขากบ Socket

4. เชคดระดบน าในถงน ารอน หากระดบน าต าเกนไปใหเตมน ากลนเพม

5. เปดวาลวน ารอน ปรบอตราการไหลน ารอนคงทเปน 90 L/h

6. เปดวาลวน าเยน ปรบอตราการไหลน าเยนเปน 200 L/h , 120 L/h , 60 L/h

(ท าการทดลองทละอตราการไหล)

7. ตงคาควบคมอณหภมของน ารอนไปท 60 ℃

8. เมออณหภมของน ารอนสงจนถงคาทตงไวใหรอประมาณ 5 นาท แลวอานคาอณหภม ณ จดตางๆ

และอตราการไหลของน ารอนและน าเยน แลวบนทกลงในตารางผลการทดลอง

9. ค านวณคาตางๆ ทก าหนดไวในตาราง

13

ตำรำงผลกำรทดลอง

Concentric Shell and Tube Flat Plate Counter flow Counter flow Counter flow

∀𝒉 (L/h) ∀𝒄 (L/h) 𝑇ℎ,𝑖𝑛 (℃) 𝑇ℎ,𝑜𝑢𝑡 (℃) 𝑇𝑐,𝑖𝑛 (℃) 𝑇𝑐,𝑜𝑢𝑡 (℃)

ตำรำงกำรค ำนวณ

Concentric Shell and Tube Flat Plate 𝑇ℎ,𝑎𝑣𝑔 (℃) 𝑇𝑐,𝑎𝑣𝑔 (℃) 𝜌ℎ (kg/m3) 𝜌𝑐 (kg/m3) 𝐶𝑝,ℎ (J/kg. ℃) 𝐶𝑝,𝑐 (J/kg. ℃) ��ℎ (kg/s) ��𝑐 (kg/s) ∆𝑇ℎ (℃) ∆𝑇𝑐 (℃) ��ℎ (W) ��𝑐 (W) ∆𝑇𝑙𝑚 𝑢 (W/m2. ℃) 𝜀 𝜂 (%)

14

คำควำมหนำแนนของน ำทอณหภมตำงๆ

15

คำควำมรอนจ ำเพำะของน ำทอณหภมตำงๆ

16