Steam Consumption of Heat Exchangers
บทช่วยสอนนี้อธิบายและเปรียบเทียบประเภทต่างๆ ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน พร้อมด้วยการคำนวณการใช้ไอน้ำและประเด็นอื่นๆ เช่น ความเกี่ยวข้องของโหลดเริ่มต้น
คำว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนใช้ได้กับอุปกรณ์ทุกประเภทที่ส่งเสริมการถ่ายเทความร้อนจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งอย่างเคร่งครัด เครื่องทำความร้อนในบ้านที่น้ำร้อนให้ความร้อนไปยังอากาศโดยรอบ อาจอธิบายได้ว่าเป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เช่นเดียวกัน หม้อไอน้ำที่ก๊าซเผาไหม้ให้ความร้อนไปยังน้ำเพื่อให้เกิดการระเหย อาจอธิบายได้ว่าเป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบใช้ไฟ
อย่างไรก็ตาม คำนี้มักใช้เฉพาะเจาะจงกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ หรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น ซึ่งใช้ของเหลวปฐมภูมิเช่นไอน้ำเพื่อให้ความร้อนกับของเหลวในกระบวนการ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อที่ใช้ให้ความร้อนน้ำสำหรับทำความร้อนในอาคาร (ใช้ไอน้ำหรือน้ำ) มักเรียกว่าเครื่องทำน้ำร้อนแบบไม่เก็บสะสม (เครื่องทำน้ำร้อนแบบเก็บสะสม ตามที่แสดงในรูป 2.13.1 สร้างขึ้นแตกต่างกัน โดยทั่วไปประกอบด้วยถังเก็บน้ำร้อนพร้อมขดลวดให้ความร้อนปฐมภูมิด้านใน)
ผู้ผลิตมักระบุกำลังความร้อนสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของตนเป็น kW และจากข้อมูลนี้สามารถกำหนดการใช้ไอน้ำได้ เช่นเดียวกับแบตเตอรีฮีตเตอร์อากาศ อย่างไรก็ตาม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (โดยเฉพาะแบบเปลือกและท่อ) มักมีขนาดใหญ่เกินไปสำหรับระบบที่ต้องให้บริการ
เครื่องทำน้ำร้อนแบบไม่เก็บสะสม (ตามที่แสดงในรูป 2.13.2) จะถูกเลือกจากขนาดมาตรฐานทั่วไป และอาจมีกำลังมากกว่าค่าที่ออกแบบไว้มาก สำหรับการทำน้ำร้อนเพื่อให้ความร้อนในอาคาร อาจมีค่าความปลอดภัยบางประการรวมอยู่ในการคำนวณโหลดความร้อนด้วย
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นอาจถูกเลือกจากขนาดมาตรฐานทั่วไปหากหน่วยถูกเชื่อมด้วยทองแดงหรือเชื่อม อย่างไรก็ตาม มีความยืดหยุ่นมากกว่าในการกำหนดขนาดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นที่มีซีลยาง ซึ่งแผ่นสามารถเพิ่มหรือลบออกเพื่อให้ได้พื้นที่ถ่ายเทความร้อนที่ต้องการ ในหลายกรณี เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นมีขนาดใหญ่เกินไปเพียงเพื่อลดแรงดันตกของของเหลวทุติยภูมิ
ในระบบที่มีอยู่ สามารถทราบโหลดจริงได้หากทราบอุณหภูมิน้ำไหลและน้ำกลับ รวมถึงอัตราการสูบ อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าอัตราการไหลที่ระบุบนป้ายเครื่องสูบน้ำอาจเกี่ยวข้องกับแรงดันหัว ซึ่งอาจมีหรือไม่มีในทางปฏิบัติก็ได้
Steam consumption calculations for heat exchangers
การคำนวณการใช้ไอน้ำสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น เป็นตัวอย่างทั่วไปของการใช้งานแบบไหล ดังนั้นเมื่อกำหนดการใช้ไอน้ำสำหรับการใช้งานเหล่านี้ ควรใช้สมการ 2.6.5
โหลดเริ่มต้นอาจไม่สนใจหากเกิดขึ้นไม่บ่อย หรือหากเวลาที่ใช้ในการเข้าถึงผลผลิตเต็มโหลดไม่สำคัญนัก เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมักถูกกำหนดขนาดตามโหลดเต็มขณะเดินเครื่อง โดยอาจเพิ่มค่าความปลอดภัย
การสูญเสียความร้อนมักไม่ถูกพิจารณาในการใช้งานแบบไหลเหล่านี้ เนื่องจากน้อยกว่าโหลดเต็มขณะเดินเครื่องอย่างมีนัยสำคัญ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อมักถูกหุ้มฉนวนเพื่อป้องกันการสูญเสียความร้อน และเพื่อป้องกันอันตรายต่อบุคลากร เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นมักมีขนาดกะทัดรัดกว่าและมีพื้นที่ผิวที่สัมผัสอากาศโดยรอบน้อยกว่ามากเมื่อเทียบกับขนาดของหน่วย
Example 2.13.1
ตัวอย่าง 2.13.1
กำหนดโหลดความร้อนและโหลดไอน้ำของเครื่องทำน้ำร้อนแบบไม่เก็บสะสมดังต่อไปนี้ เครื่องทำความร้อนถูกออกแบบให้ทำงานเต็มโหลดด้วยไอน้ำที่ 2.8 bar g ในช่องไอน้ำปฐมภูมิ อุณหภูมิน้ำไหลและน้ำกลับทุติยภูมิคือ 82 °C และ 71 °C ตามลำดับ ที่อัตราการสูบน้ำ 7.2 kg/s cp ของน้ำ = 4.19 kJ/kg °C
ตาราง 2.13.1 췌กจากตารางไอน้ำ
| ความดัน bar g | อุณหภูมิอิ่มตัว °C | เอนทัลปี (พลังงาน) ใน kJ/kg | ปริมาตรจำเพาะของไอน้ำอิ่มตัวแห้ง m3/kg | ||
| น้ำ hf | การระเหย hfg | ไอน้ำ hg | |||
| 2 | 134 | 562 | 2 163 | 2 725 | 0.603 |
| 2.8 | 142 | 596 | 2 139 | 2 735 | 0.489 |
| 3 | 144 | 605 | 2 133 | 2 738 | 0.461 |
ส่วนที่ 1 กำหนดโหลดความร้อน สามารถคำนวณโหลดเต็มได้โดยใช้สมการ 2.6.5:
ส่วนที่ 2 กำหนดโหลดไอน้ำ อัตราการกลั่นตัวเต็มโหลดสามารถกำหนดได้โดยใช้ด้านซ้ายของสมการดุลความร้อน 2.6.6:
Plate heat exchangers
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นประกอบด้วยแผ่นโลหะบางที่มีลอนเป็นชุด ซึ่งระหว่างแผ่นจะเกิดช่องทางหลายช่อง โดยของเหลวปฐมภูมิและทุติยภูมิไหลผ่านช่องทางสลับกัน การถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นจากของเหลวปฐมภูมิ (ไอน้ำ) ไปยังของเหลวกระบวนการทุติยภูมิในช่องทางที่อยู่ติดกันผ่านแผ่น รูป 2.13.3 แสดงแผนผังของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น
รูปแบบลอนของสันจะเพิ่มความแข็งแรงของแผ่นและให้การรองรับที่ดีกว่าต่อแรงดันแตกต่าง รูปแบบนี้ยังสร้างการไหลแบบปั่นป่วนในช่องทาง ปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน ซึ่งทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นมีขนาดกะทัดรัดกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อแบบดั้งเดิม การส่งเสริมการไหลแบบปั่นป่วนยังขจัดพื้นที่ที่น้ำนิ่งและลดการสะสมของสิ่งสกปรก แผ่นมักจะเคลือบด้านปฐมภูมิเพื่อส่งเสริมการควบแน่นแบบหยดของไอน้ำ
ตลาดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนด้วยไอน้ำถูกครอบงำในอดีตโดยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ ในขณะที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นมักได้รับความนิยมในอุตสาหกรรมอาหารและการให้ความร้อนน้ำที่ใช้แล้ว อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าในการออกแบบล่าสุดหมายความว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นในปัจจุบันเหมาะสำหรับการใช้งานให้ความร้อนด้วยไอน้ำเท่าเทียมกัน
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นอาจอนุญาตให้ทั้งการควบแน่นและการลดอุณหภูมิของ kondensate เกิดขึ้นในหน่วยเดียว หาก kondensate ถูกระบายไปยังถังรับบรรยากาศ การลดอุณหภูมิ kondensate จะทำให้ปริมาณ flash steam ที่สูญเสียไปในบรรยากาศผ่านช่องระบายของถังรับลดลงด้วย ซึ่งสามารถขจัดความจำเป็นในการใช้เครื่องลดอุณหภูมิแยกต่างหากหรือระบบกู้คืน flash steam
แม้ว่าพื้นที่ถ่ายเทความร้อนตามชื่ออาจคำนวณได้ทางทฤษฎีโดยใช้สมการ 2.5.3 แต่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นเป็นการออกแบบกรรมสิทธิ์และโดยทั่วไปจะถูกกำหนดขนาดโดยปรึกษากับผู้ผลิต
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นที่มีซีลยาง (เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นและกรอบ) ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นที่มีซีลยาง แผ่นจะถูกหนีบเข้าด้วยกันในกรอบ และซีลยางบาง (โดยทั่วไปเป็นโพลิเมอร์สังเคราะห์) จะปิดผนึกแต่ละแผ่นรอบขอบ สลักเกลียวที่ติดตั้งระหว่างแผ่นใช้เพื่อบีบอัดชุดแผ่นระหว่างแผ่นกรอบกับแผ่นแรงดัน การออกแบบนี้อนุญาตให้ถอดแยกหน่วยได้ง่ายสำหรับทำความสะอาด และอนุญาตให้ปรับปริมาณของหน่วยโดยการเพิ่มหรือลบแผ่นอย่างง่ายดาย
การใช้ซีลยางให้ความยืดหยุ่นแก่ชุดแผ่น โดยให้ความต้านทานต่อความล้าทางความร้อนและความผันผวนของแรงดันอย่างกะทันหัน ซึ่งทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นที่มีซีลยางบางประเภทเป็นตัวเลือกที่เหมาะเป็นเครื่องให้ความร้อนด้วยไอน้ำสำหรับน้ำร้อนทันที ที่แผ่นจะถูกสัมผัสกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิบางส่วน
ข้อจำกัดในการใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นที่มีซีลยางอยู่ที่ช่วงอุณหภูมิทำงานของซีลยาง ซึ่งจำกัดแรงดันไอน้ำที่อาจใช้กับหน่วยเหล่านี้
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นที่เชื่อมด้วยทองแดง ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นที่เชื่อมด้วยทองแดง แผ่นทั้งหมดจะถูกเชื่อมเข้าด้วยกัน (โดยทั่วไปใช้ทองแดงหรือนิกเกิล) ในเตาสุญญากาศ เป็นการพัฒนาจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นที่มีซีลยาง และถูกพัฒนาเพื่อให้ทนทานต่อแรงดันและอุณหภูมิที่สูงกว่าในราคาที่ค่อนข้างต่ำ
อย่างไรก็ตาม ต่างจากหน่วยที่มีซีลยาง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นที่เชื่อมด้วยทองแดงไม่สามารถถอดแยกได้ หากต้องทำความสะอาดต้องล้างย้อนหรือทำความสะอาดด้วยสารเคมี ซึ่งหมายความว่าหน่วยเหล่านี้มีขนาดมาตรฐานทั่วไป ดังนั้นการเลือกขนาดใหญ่เกินไปจึงเป็นเรื่องปกติ
แม้ว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เชื่อมด้วยทองแดงจะมีการออกแบบที่แข็งแรงกว่าแบบซีลยาง แต่ก็มีแนวโน้มที่จะเกิดความล้าทางความร้อนมากกว่าเนื่องจากการก่อสร้างที่แข็งกว่า ดังนั้นควรหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและโหลดอย่างกะทันหันหรือบ่อยครั้ง และควรให้ความสนใจมากขึ้นกับการควบคุมด้านไอน้ำเพื่อหลีกเลี่ยงความเค้นทางความร้อน
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เชื่อมด้วยทองแดงเหมาะกว่า (และใช้หลัก) สำหรับการใช้งานที่การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิช้า เช่น การให้ความร้อนในอาคาร นอกจากนี้ยังสามารถใช้ได้สำเร็จกับของเหลวทุติยภูมิที่ขยายตัวค่อยๆ เช่น น้ำมันความร้อน
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นที่เชื่อม ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นที่เชื่อม ชุดแผ่นจะถูกยึดด้วยรอยเชื่อมระหว่างแผ่น การใช้เทคนิคการเชื่อมด้วยเลเซอร์ทำให้ชุดแผ่นมีความยืดหยุ่นมากกว่าชุดแผ่นที่เชื่อมด้วยทองแดง ทำให้หน่วยที่เชื่อมทนทานต่อการกระเพื่อมของแรงดันและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ดีกว่า ขีดจำกัดอุณหภูมิและแรงดันสูงของหน่วยที่เชื่อมหมายความว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเหล่านี้โดยทั่วไปมีข้อกำหนดที่สูงกว่า และเหมาะกว่าสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมหนัก มักใช้เมื่อต้องการประสิทธิภาพแรงดันหรืออุณหภูมิสูง หรือเมื่อต้องให้ความร้อนกับสื่อที่มีความหนืด เช่น น้ำมันและไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อน่าจะเป็นวิธีที่ใช้บ่อยที่สุดในการให้การแลกเปลี่ยนความร้อนทางอ้อมในการใช้งานกระบวนการอุตสาหกรรม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อประกอบด้วยมัดท่อที่อยู่ในเปลือกทรงกระบอก ปลายท่อจะถูกติดตั้งในแผ่นท่อ ซึ่งแยกของเหลวปฐมภูมิและทุติยภูมิ
เมื่อใช้ไอน้ำที่ควบแน่นเป็นตัวกลางให้ความร้อน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะวางในแนวนอนโดยมีการควบแน่นเกิดขึ้นภายในท่อ การลดอุณหภูมิอาจใช้เป็นวิธีการกู้คืนความร้อนเพิ่มเติมจาก kondensate ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน อย่างไรก็ตาม หากปริมาณการลดอุณหภูมิที่ต้องการค่อนข้างมาก มักสะดวกกว่าที่จะใช้เครื่องลดอุณหภูมิ kondensate แยกต่างหาก
Steam heated non-storage calorifiers
เครื่องทำน้ำร้อนแบบไม่เก็บสะสมที่ให้ความร้อนด้วยไอน้ำ
การออกแบบทั่วไปสำหรับเครื่องทำน้ำร้อนแบบไม่เก็บสะสมจากไอน้ำไปน้ำแสดงในรูป 2.13.4 นี่คือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อชนิด ‘หนึ่งเปลือกผ่าน สองท่อผ่าน’ ซึ่งประกอบด้วยมัดท่อรูป U ที่ติดตั้งในแผ่นท่อคงที่
เรียกว่ามี ‘หนึ่งเปลือกผ่าน’ เนื่องจากจุดเชื่อมต่อทุติยภูมิอยู่ที่ปลายคนละด้านของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ดังนั้นของเหลวด้านเปลือกจะผ่านความยาวของหน่วยเพียงครั้งเดียว เรียกว่ามีสองท่อผ่านเนื่องจากจุดเชื่อมต่อไอน้ำเข้าและออกอยู่ที่ปลายเดียวกันของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ดังนั้นของเหลวด้านท่อจะผ่านความยาวของหน่วยสองครั้ง
แผ่นกั้น (เรียกอีกอย่างว่าแผ่นแบ่งหรือแผ่นขนนก) แบ่งส่วนหัวของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เพื่อให้ของเหลวด้านท่อถูกเบี่ยงลงมัดท่อ U แทนที่จะตรงผ่านส่วนหัว
นี่เป็นการออกแบบที่ค่อนข้างเรียบง่ายและราคาถูก เพราะต้องการแผ่นท่อเพียงแผ่นเดียว แต่จำกัดการใช้งานกับของเหลวที่ค่อนข้างสะอาดเนื่องจากท่อทำความสะอาดได้ยากกว่า หมายเหตุ; การเปลี่ยนท่อในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทนี้ทำได้ยากกว่า
แผ่นกั้นมักถูกติดตั้งในเปลือก เพื่อนำกระแสของเหลวด้านเปลือกผ่านท่อ ปรับปรุงอัตราการถ่ายเทความร้อน และรองรับท่อ
การเริ่มต้นจากสภาพเย็น ตามที่กล่าวในโมดูล 2.7 โหลดเริ่มต้นมักไม่สนใจหากเกิดขึ้นไม่บ่อยหรือหากเวลาที่ใช้ในการเข้าถึงผลผลิตเต็มโหลดไม่สำคัญ ด้วยเหตุนี้ วาล์วควบคุมและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมักถูกกำหนดขนาดตามเต็มโหลดบวกค่าความปลอดภัยปกติ
ในระบบที่ปิดทำงานในตอนกลางคืนและวันหยุดสุดสัปดาห์ อุณหภูมิน้ำทุติยภูมิอาจต่ำเมื่อเริ่มต้นในเช้าวันฤดูหนาวที่หนาวเย็น และอัตราการควบแน่นในเครื่องทำความร้อนจะสูงกว่าสภาพเต็มโหลด ดังนั้นความดันในช่องไอน้ำอาจต่ำกว่าความดันที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทำงานปกติอย่างมีนัยสำคัญ จนกว่าอุณหภูมิทุติยภูมิขาเข้าจะสูงขึ้นถึงค่าที่ออกแบบไว้
จากมุมมองด้านความร้อน อาจไม่ก่อให้เกิดปัญหา - ระบบใช้เวลาอุ่นเครื่องนานขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม หากผู้ออกแบบไม่ได้คำนึงถึงสถานการณ์นี้ ระบบระบายน้ำทิ้งและระบาย kondensate ที่ไม่เพียงพออาจทำให้ kondensate สะสมในช่องไอน้ำ
สิ่งนี้อาจทำให้เกิด:
- การกัดกร่อนภายใน
- ความเค้นทางกลเนื่องจากการบิดเบี้ยว
- เสียงรบกวน เนื่องจาก waterhammer สิ่งเหล่านี้จะก่อให้เกิดปัญหาสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อทนต่อสภาพดังกล่าว
การประเมินโหลดความร้อน อาคาร - วิธีการเชิงปฏิบัติและเชิงอัตวิสัยในการประเมินโหลดความร้อนคือการดูตัวอาคารเอง การคำนวณอาจซับซ้อน รวมถึงปัจจัยต่างๆ เช่น จำนวนการเปลี่ยนอากาศและอัตราการถ่ายเทความร้อนผ่านผนัง หน้าต่างและหลังคา อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปสามารถได้การประมาณที่สมเหตุสมผลโดยใช้ปริมาตรรวมของอาคารและกำหนดเพียง 30 - 40 W/m³ สำหรับพื้นที่สูงสุด 3 000 m³ และ 15 - 30 W/m³ หากเกิน 3 000 m³ สิ่งนี้จะให้การประมาณที่สมเหตุสมผลของโหลดความร้อนเมื่ออุณหภูมิภายนอกอยู่ที่ประมาณ -1°C ซึ่งเป็นสภาวะออกแบบ
วิธีปฏิบัติในการกำหนดการใช้ไอน้ำสำหรับระบบที่มีอยู่คือการใช้มาตรวัดการไหลไอน้ำที่แม่นยำและเชื่อถือได้
Example 2.13.2
ตัวอย่าง 2.13.2
กำหนดกำลังการออกแบบของเครื่องทำความร้อนจากสภาพที่วัดได้จริง กำลังการออกแบบของเครื่องทำความร้อนไม่ทราบ แต่โหลดไอน้ำถูกวัดที่ 227 kg/h เมื่ออุณหภูมิภายนอกคือ 7 °C และอุณหภูมิภายในคือ 19 °C ต่างกัน 12 °C เครื่องทำความร้อนยังออกแบบให้อุณหภูมิภายใน 19 °C เมื่ออุณหภูมิภายนอกคือ -1 °C ต่างกัน 20 °C โหลดไอน้ำในสภาวะออกแบบสามารถประมาณได้ง่ายๆ จากอัตราส่วนของอุณหภูมิที่แตกต่าง:
Hot water storage calorifiers
เครื่องทำน้ำร้อนแบบเก็บสะสม
เครื่องทำน้ำร้อนแบบเก็บสะสมถูกออกแบบเพื่อยกระดับอุณหภูมิของเนื้อหาทั้งหมดจากเย็นไปยังอุณหภูมิเก็บสะสมภายในระยะเวลาที่กำหนด อัตราเฉลี่ยที่ไอน้ำถูกควบแน่นในช่วงอุ่นเครื่องหรือช่วงกู้คืนสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ 2.13.1
ตัวอย่าง 2.13.2 คำนวณโหลดไอน้ำเฉลี่ยของเครื่องทำน้ำร้อนแบบเก็บสะสม เครื่องทำน้ำร้อนแบบเก็บสะสมมีความจุ 2 272 ลิตร (2 272 kg) และออกแบบเพื่อยกระดับอุณหภูมิน้ำจาก 10°C เป็น 60°C ใน ½ ชั่วโมงด้วยไอน้ำที่ 2 bar g cp ของน้ำ = 4.19 kJ/kg °C
ค่าเฉลี่ยนี้สามารถใช้ในการกำหนดขนาดวาล์วควบคุม อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิน้ำอาจอยู่ที่ค่าต่ำสุด ตัวอย่างเช่น 10 °C อัตราการควบแน่นสูงของไอน้ำอาจมากกว่าที่วาล์วควบคุมที่เปิดเต็มที่จะส่งผ่านได้ และขดลวดจะขาดแคลนไอน้ำ ความดันในขดลวดจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ โดยมีผลกระทบสุทธิในการลดกำลังของอุปกรณ์ระบายน้ำ อุปกรณ์ระบายน้ำถูกกำหนดขนาดหรือเลือกผิด kondensate อาจสำรองเข้าไปในขดลวด ลดความสามารถในการถ่ายเทความร้อนและบรรลุเวลาอุ่นเครื่องที่ต้องการ อาจเกิด waterhammer ทำให้เกิดเสียงรบกวนรุนแรงและความเค้นทางกลกับขดลวด อย่างไรก็ตาม หากไม่อนุญาตให้ kondensate สำรองเข้าไปในขดลวด ระบบควรยังคงรักษาเวลาอุ่นเครื่องที่ถูกต้อง
วิธีแก้ไขคือการรับประกันการระบายน้ำ kondensate ที่เหมาะสม สามารถทำได้โดย steam trap หรือ automatic pump-trap ขึ้นอยู่กับความต้องการของระบบ (อ้างอิงโมดูล 13.1 - Heat Exchangers and Stall)
Other shell and tube steam heaters
เครื่องให้ความร้อนด้วยไอน้ำแบบเปลือกและท่ออื่นๆ
ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอื่นที่ใช้ไอน้ำ อาจใช้หัวลอยภายใน ซึ่งโดยทั่วไปมีความอเนกประสงค์มากกว่าหัวคงที่ของเครื่องแลกเปลี่ยนแบบท่อ U เหมาะกว่าสำหรับการใช้งานที่มีอุณหภูมิแตกต่างระหว่างไอน้ำและของเหลวทุติยภูมิสูงกว่า เนื่องจากมัดท่อสามารถถอดออกได้ จึงทำความสะอาดได้ง่ายกว่า ของเหลวด้านท่อมักถูกนำให้ไหลผ่านหลายรอบเพื่อเพิ่มความยาวของเส้นทางไหล
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโดยทั่วไปสร้างด้วยหนึ่งถึงสิบหกท่อผ่าน และจำนวนรอบถูกเลือกเพื่อให้ได้ความเร็วด้านท่อที่ออกแบบไว้ ท่อถูกจัดเรียงเป็นจำนวนรอบที่ต้องการโดยการแบ่งส่วนหัวโดยใช้แผ่นกั้น สองเปลือกผ่านถูกสร้างขึ้นเป็นครั้งคราวโดยการติดตั้งแผ่นกั้นด้านเปลือกตามยาวลงตรงกลางเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เมื่ออุณหภูมิแตกต่างไม่เหมาะสำหรับรอบเดียว การจัดเรียงแบบแบ่งแยกและแยกกระแสยังใช้เมื่อแรงดันตกมากกว่าอัตราการถ่ายเทความร้อนเป็นปัจจัยควบคุมในการออกแบบ เพื่อลดแรงดันตกด้านเปลือก
ไอน้ำยังสามารถใช้เพื่อระเหย (หรือทำให้เป็นไอ) ของเหลว ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อที่เรียกว่า reboiler สิ่งเหล่านี้ใช้ในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมเพื่อระเหยส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์จากด้านล่างของคอลัมน์กลั่น สิ่งเหล่านี้มักจะเป็นแนวนอน โดยมีการระเหยในเปลือกและการควบแน่นในท่อ (ดูรูป 2.13.5)
ใน reboiler แบบหมุนเวียนบังคับ ของเหลวทุติยภูมิจะถูกสูบผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ในขณะที่ใน reboiler แบบ thermosyphon การหมุนเวียนตามธรรมชาติจะถูกดำรงไว้โดยความแตกต่างของความหนาแน่น ใน reboiler แบบ kettle ไม่มีการหมุนเวียนของของเหลวทุติยภูมิ และท่อจะจมอยู่ในแอ่งของเหลว
ตาราง 2.13.3 ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนทั่วไปสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อบางประเภท
| ของเหลวทุติยภูมิ | U (W/m2 °C) |
| น้ำ | 1 500 - 4 000 |
| ตัวทำละลายอินทรีย์ | 500 - 1 000 |
| น้ำมันเบา | 300 - 900 |
| น้ำมันหนัก | 60 - 450 |
| ก๊าซ | 30 - 300 |
| สารละลายในน้ำ (ระเหย) | 1 000 - 1 500 |
| สารอินทรีย์เบา (ระเหย) | 1 900 - 1 200 |
| สารอินทรีย์หนัก (ระเหย) | 600 - 900 |
แม้ว่าจะเป็นที่ต้องการที่จะบรรลุการควบแน่นแบบหยดในทุกการใช้งาน แต่มักยากที่จะรักษาและไม่สามารถคาดเดาได้ เพื่อให้ปฏิบัติได้จริง การคำนวณการออกแบบโดยทั่วไปใช้สมมติฐานของการควบแน่นแบบฟิล์ม
พื้นที่ถ่ายเทความร้อนสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อสามารถประมาณได้โดยใช้สมการ 2.5.3 แม้ว่าหน่วยเหล่านี้จะถูกกำหนดขนาดโดยทั่วไปโดยปรึกษากับผู้ผลิต แต่ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวมทั่วไปบางค่าที่ใช้ไอน้ำเป็นตัวกลางให้ความร้อน (และรวมถึงค่าเผื่อสำหรับการสะสมของสิ่งสกปรก) จะระบุในตาราง 2.13.3 เป็นแนวทาง
Corrugated tube heat exchangers
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อลอน
วิวัฒนาการหนึ่งในการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อแบบดั้งเดิม คือการพัฒนาล่าสุดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อลอน เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นคงที่ทางเดียวเดี่ยวที่มีเปลือกเชื่อม และท่อลอนเส้นตรงที่เหมาะสำหรับของเหลวที่มีความหนืดต่ำ ในลักษณะเดียวกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น ท่อลอนจะส่งเสริมสภาพการไหลแบบปั่นป่วนที่เพิ่มการถ่ายเทความร้อนสูงสุดและลดการสะสมของสิ่งสกปรก เช่นเดียวกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อแบบดั้งเดิม หน่วยเหล่านี้มักติดตั้งในแนวนอน อย่างไรก็ตาม ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อลอน ไอน้ำควรอยู่ด้านเปลือกเสมอ
Spiral heat exchangers
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเกลียว
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเกลียวมีลักษณะคล้ายคลึงกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อและแบบแผ่น และใช้ในการใช้งานที่เหมือนกันหลายอย่าง ประกอบด้วยแผ่นโลหะที่ผ่านการขึ้นรูปเย็นและเชื่อมเพื่อสร้างคู่ของช่องทางเกลียวที่มีศูนย์กลางเดียวกัน ซึ่งถูกปิดด้วยแผ่นปิดปลายที่มีซีลยางขันเกลียวกับตัวเรือนภายนอก การปั่นป่วนในช่องทางโดยทั่วไปสูง โดยมีลักษณะการไหลเหมือนกันสำหรับทั้งสองของเหลว ทำความสะอาดค่อนข้างง่ายและสามารถใช้สำหรับของเหลวที่มีการสะสมของสิ่งสกปรกมากและสารละลาย การใช้ทางเดียวเดี่ยวสำหรับทั้งสองของเหลว ร่วมกับความกะทัดรัดของหน่วย หมายความว่าแรงดันตกที่จุดเชื่อมต่อมักค่อนข้างต่ำ
