องกล ิทยาลัิลปากรยศ 2557 · heat exchanger for low temperature...

ประสิทธิผลของเครื่องแลกเปล่ียนความรอนชนิดเทอรโมไซฟอนมีครีบ สําหรับการประยุกตใชงานที่อุณหภูมิต่ํา

โดย นายพัฒนพงศ ประดิษฐนิยกูล

วิทยานิพนธนี้เปนสวนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรปริญญาวิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมพลังงาน ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล

บัณฑิตวิทยาลัย มหาวิทยาลัยศิลปากร ปการศึกษา 2557

ลิขสิทธ์ิของบัณฑิตวิทยาลัย มหาวิทยาลัยศิลปากร

ประสิทธิผลของเครื่องแลกเปล่ียนความรอนชนิดเทอรโมไซฟอนมีครีบ สําหรับการประยุกตใชงานที่อุณหภูมิต่ํา

โดย นายพัฒนพงศ ประดิษฐนิยกูล

วิทยานิพนธนี้เปนสวนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรปริญญาวิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมพลังงาน ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล

บัณฑิตวิทยาลัย มหาวิทยาลัยศิลปากร ปการศึกษา 2557

ลิขสทิธ์ิของบัณฑิตวิทยาลัย มหาวิทยาลัยศิลปากร

The Effectiveness of Fined - Thermosyphon Heat Exchanger

for Low Temperature Application

By

Mr. Pattanapong Praditniyakul

A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree

Master of Engineering Program in Energy Engineering

Department of Mechanical Engineering

Graduate School, Silpakorn University

Academic Year 2014

Copyright of Graduate School, Silpakorn University

บัณฑิตวิทยาลัย มหาวิทยาลัยศิลปากร อนุมัติใหวิทยานิพนธเรื่อง “ ประสิทธิผลของเครื่องแลกเปล่ียนความรอนชนิดเทอรโมไซฟอนมีครีบสําหรับการประยุกตใชงานท่ีอุณหภูมิต่ํา ” เสนอโดย นายพัฒนพงศ ประดิษฐนิยกูล เปนสวนหน่ึงของการศึกษาตามหลักสูตรปริญญาวิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมพลังงาน

……........................................................... (รองศาสตราจารย ดร. ปานใจ ธารทัศนวงศ)

คณบดีบัณฑิตวิทยาลัย วันที.่.........เดือน.................... พ.ศ...........

อาจารยที่ปรึกษาวิทยานิพนธ

1. ผูชวยศาสตราจารย ดร. นิติพงศ โสภณพงศพิพัฒน 2. ผูชวยศาสตราจารย ดร.ธีระศักด์ิ หุดากร

คณะกรรมการตรวจสอบวิทยานิพนธ .................................................... ประธานกรรมการ (ผูชวยศาสตราจารย ดร.ทสพล เขตเจนการ) ............/......................../.............. .................................................... กรรมการ (อาจารย ดร. สุระ ตันด)ี ............/......................../.............. .................................................... กรรมการ .................................................... (ผูชวยศาสตราจารย ดร. นิติพงศ โสภณพงศพิพัฒน) อาจารยที่ปรึกษาวิทยานิพนธรวม ............/......................../.............. (ผูชวยศาสตราจารย ดร.ธีระศักดิ ์หุดากร)

............/......................../..............

ง

53406213: สาขาวิศวกรรมพลังงาน

คําสําคัญ: เทอรโมไซฟอน / ประสิทธิผล / เครื่องแลกเปลี่ยนความรอน / หนวยการสงผานความรอน(NTU) พัฒนพงศ ประดิษฐนิยกูล : ประสิทธิผลของเคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอนชนิดเทอรโมไซฟอนมีครีบสําหรับการประยุกตใชงานที่อุณหภูมิต่ํา อาจารยที่ปรึกษา: ผศ. ดร. นิติพงศ โสภณพงศพิพัฒน. 144 หนา งานวิจัยนี้ศึกษาแนวโนมเสนโคงทั่วไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ของทอเทอรโมไซฟอนในเครื่องแลกเปล่ียนความรอน ชนิดน้ําสูน้ํา โดยเทคนิคการกําหนดคาอัตราสวน NTUh/NTUc เทากับ 1 โดยเปรียบเทียบคา C แตกตางกัน ที่ระดับอุณหภูมิตางๆ จากการศึกษาแผนนภูมิพบวามีคา NTUtotal มากที่สุดคาหนึ่งสําหรับ C* โดยที่ NTUtotal สูงสุด ไมสามารถเพิ่มขึ้นไดอีก แมวาจะเพ่ิมจํานวนทอและพบวามีคูลําดับระหวาง NTUh แถวใดๆกับจํานวนแถวใดๆคูหน่ึง ที่ทําใหเกิดคาประสิทธิผล และคา NTUtotal สูงสุด โดยหาก เพิ่มจํานวนแถวมากกวาคูลําดับในคานี้ จะมีคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ไมเปลี่ยนแปลง ซึ่งสามารถคูลําดับน้ันเปนตัวกําหนดในการออกแบบเครื่องแลกเปล่ียนความรอนใหไดคาประสิทธิผลที่ดีที่สุด

จากนั้นจึงศึกษาเสนโคงทั่วไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial ของทอเทอรโม

ไซฟอน โดยเปรียบเทียบอัตราสวน NTUh/NTUc เทากับ 0.1, 0.2, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.25, 2, 2.5, 5

และ 10 ในกรณีคา C* = 0.1 , C* = 10, C* = 0.8, C* = 1.25 โดยสังเกตในชวงสามระยะท่ีแตกตางกันของ พบวาที่ Cc > Ch และ Ch > Cc คา NTUh,1,trial จะสงผลอยางมากตอคาประสิทธิผล

( ) เมื่อคา NTUh,1,trial อยูในชวง 0.01 – 2 หลังจากนั้นในชวง 2 – 5 คา NTUh,1,trial จะสงผลนอย

มากตอคาประสิทธิผล ( ) ชวง NTUh,1,trial ไมเกิน 2 ที่เหมาะแกการออกแบบเคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอน และหาความสัมพันธของแนวโนมจํานวนแถวทอและคาNTUh,1,trial โดยสามารถหาสมการความสัมพันธ จึงสามารถใชทาํนายการสรางเครื่องแลกเปล่ียนความรอนในแตละจํานวนแถวทอใหมีคาประสิทธิผลมากที่สุด

ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล บัณฑิตวิทยาลัย มหาวิทยาลัยศิลปากร ลายมือช่ือนักศึกษา............................................. ปการศึกษา 2557

ลายมือช่ืออาจารยที่ปรึกษาวิทยานิพนธ 1. .......................................... 2. ………………………………..……

จ

53406213: MAJOR: ENERGY ENGINEERING

KEY WORD: THERMOSYPHON / EFFECTIVENESS / HEAT EXCHANGER / NUMBER OF

TRANSFER UNITS (NTU) /

PATTANAPONG PRADITNIYAKUL: THE EFFECTIVENESS OF FINED-THERMOSYPHON

HEAT EXCHANGER FOR LOW TEMPERATURE APPLICATION. THESIS ADVISOR: ASST. PROF.

NITIPONG SOPONPONGPIPAT, Ph.D. 144 pp.

The research was conducted to examine the quadratic trend of the

effectiveness and NTUtotal Value of Thermosyphon Exchanger water to water type,

Technical using configuring ratio of NTUh/NTU = 1 by comparison the different of C

value at different temperature, On chart investigation the NTU total Value was one of

the most highest Value for C* which the highest NTUtotal Value cannot increase

anymore. Even though more tube and find that there are order pair between NTUh

in any row and the number of any row which it cause the effectiveness value and

the highest NTUtotal. If the number of row are greater than the ordered pair then

there is no change in the effectiveness value and NTUtotal Value. And that ordered

pair will be the determinant for the machine to get the best effectiveness value.

After that to explore the quadratic trend of the effectiveness and NTUh1,trial

of thermosyphon exchanger machine by comparison the ratio of NTUn/NTCc =0.1,

0.2, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.25, 2, 2.25, 2.5, 5 and 10 if C* value is 0.1 To be observe during

the third different stage, will find that when Cc > Ch the NTUh,1.trial will have and

affect on the effectiveness value ( ) if NTUh,1.trial value is the 0.01 – 2 where upon

the NTUh,1.trial value will have less impact to the effectiveness value when it is

between 2 – 5 value. There for the perfect ( ) NTUh,1.trial value for design the

Thermosyphon exchanger Machine = 2.

Department of Mechanical Engineering Graduate School, Silpakorn University

Student’s signature……………………………………. Acadamic Year 2014

Thesis Advisor’s signature 1. ....................................................... 2. …………………..……………………..……

ฉ

กิตติกรรมประกาศ

งานวิจัยฉบับนี้สําเร็จและลุลวงไดดวยดี จากการไดรับการสอน การดูแลเอาใจใส และชวยเหลืออยางดียิ่ง ทั้งยังสละเวลาสวนตัวเพ่ือใหคําปรึกษา ตรวจแกไข แนะนํา และติดตามความกาวหนา ซึ่งลวนแลวแตเปนแรงผลักดันที่สําคัญยิ่งใหงานวิจัยฉบับออกมาสําเร็จลุลวง ผูวิจัยรูสึกซาบซึ้งในความกรุณาของอาจารยเปนอยางยิ่ง และขอกราบขอบพระคุณของอาจารย ผศ.ดร. นิติพงศ โสภณพงศพิพัฒน เปนอยางสูงไว ณ โอกาสน้ี ขอขอบพระคุณผูทรงคุณวุฒิ ผูเชี่ยวชาญ ที่สละเวลาในการตรวจทานแกไขขอบกพรองของงานวิจัย ตรวจทานความถูกตองของภาษาในการจัดพิมพเลมวิทยานิพนธเลมนี้ ขอขอบคุณกําลังใจจากคุณพอ คุณแม และการชวยเหลือจากรุนนองปริญญาโทและเพ่ือนๆ ตลอดจนบุคคลตางๆที่ใหความชวยเหลือ ซึ่งผูวิจัยไมอาจกลาวนามไดหมด ผูวิจัยรูสึกซาบซ้ึงในความกรุณาและความปรารถนาของทุกทานเปนอยางยิ่ง จึงกราบขอบพระคุณและขอบคุณไวในโอกาสน้ี

ช

สารบัญ หนา บทคัดยอภาษาไทย………………………………………………………………………………………………………. ง บทคัดยอภาษาอังกฤษ………………………………………………………………………………………………….. จ กิตติกรรมประกาศ……………………………………………………………………………………………………….. ฉ สารบัญตาราง……………………………………………………………………………………………………………… ฌ สารบัญภาพ………………………………………………………………………………………………………………… ญ บทที่

1 บทนํา……………………………………………………………………………………………………………. 1 ที่มาและความสําคัญของปริญญานิพนธ………………………………………………………… 1

วัตถุประสงคของงานวิจัย…………………………………………………………………………….. 2

ขอบเขตของงานวิจัย…………………………………………………………………………………… 2

ขั้นตอนของการวิจัย……………………………………………………………………………………. 3

ประโยชนที่คาดวาจะไดรับ……………………………………………………………….………….. 3

2 ทฤษฎีและวรรณกรรมที่เกี่ยวของ……………………………………………………………………… 4

อุปกรณแลกเปลี่ยนความรอน................................................................................. 4

การวิเคราะหอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอน………………………………………….………… 15

เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบเทอรโมไซฟอน..................................................... 30

วิธีการคํานวณหาคาการถายเทความรอน………………………………….…………………… 43

งานวิจัยที่เกี่ยวของ……………………………………………………………………………………… 48

3 วิธีดําเนินการวิจัย……………………………………………………………………………………………. 62

ระยะเวลาการวิจัย......…………………………………………………………………………………. 62

สถานที่ทําการวิจัย..........................………………………………………………………….…. 63

ศึกษาสมการวิเคราะห............................................................................................. 63

สรางตารางสมการการคํานวณข้ึน………………………………………………………....…… 63

ขั้นตอนการคํานวณ................................................................................................. 66

จัดทํารายงาน................................................................................ .......................... 70

4 ผลและอภิปรายผล…………………………………………………………………………………………. 71

5 สรุปผลการทดลอง…………………………………………………………………………………………. 85 รายการอางอิง……………………………………………………………………………………………………………. 87

ซ

ภาคผนวก…………………………………………………………………………………………………………………… 90

ภาคผนวก ก. ตารางวิเคราะหอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนโดยใชวิธีประสิทธิผล– หนวยการสงผานความรอน (Effectiveness – NTU Method)……………………......…

91

ภาคผนวก ข. แผนภูมิวิเคราะหอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนโดยใชวิธีประสิทธิผล– หนวยการสงผานความรอน (Effectiveness – NTU Method)……………..................

113

ภาคผนวก ค. แผนภูมิวิเคราะหอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนโดยใชวิธีประสิทธิผล– หนวยการสงผานความรอนรวม (Effectiveness – NTU Method) ในชวงอุณหภูมิตางๆ...........................................................................................................................

128

ประวัติผูวิจัย……………………………………………………………………………………………………………….. 144

ฌ

สารบัญตาราง

ตารางท่ี หนา 2.1

2.2

2.3

คาโดยประมาณของสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนรวมสําหรับอุปกรณ แลกเปล่ียนความรอน ....……………….…………......................................... ความสัมพันธระหวางคา NTU และ ของอุปกรณแลกเปลีย่นความรอน ชนิดตางๆ................................................................................................... ความสัมพันธระหวางคา NTU และ ของอุปกรณแลกเปลีย่นความรอน ชนิดตางๆ...................................................................................................

22

27

28

3.1 ระยะเวลาของการดาเนินการวิจัย................................................................. 62

4.1 ตารางความสัมพันธของคูลําดับของจํานวนแถวของทอและคา NTUh,1,trial

ทีท่ําใหเกดิคาประสิทธิผลที่มากที่สุด ของจํานวนแถวของทอนั้นๆ………....

81

ญ

สารบัญรูปภาพ

รูปที ่ หนา 2.1 การแลกเปลี่ยนความรอนแบบการไหลทางเดียวกัน….……………………..………………. 5

2.2 การแลกเปลี่ยนความรอนแบบไหลสวนทางกัน………………………..…………..……..….. 6

2.3 การแลกเปลี่ยนความรอนแบบไหลต้ังฉากกัน…………………………………………..……… 6

2.4 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบทอขด……………………………………………………….. 7

2.5 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบเปด…………………………………………………………. 7

2.6 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบทอสองชั้น..……………………………………………..… 8

2.7 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบเซลลและทอ………………………………………………. 8

2.8 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบดาบปลายปน.......................................... 9

2.9 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบทอหมุนวน……………………………………………..……. 9

2.10 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบระบายความรอนดวยอากาศ.............................. 10

2.11 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบแผนเหล็ก 11

2.12 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบแผน 11

2.13 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบหอยโขง 12

2.14 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบบลอค 13

2.15 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบกะทัดรัด 13

2.16 ลักษณะการทํางานของเคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอนแบบฮีทไปป 14

2.17 ลักษณะของเคร่ืองแลกเปล่ียนความรอนแบบฮีทไปป 14

2.18 ภาพแสดงการใชกฎทรงพลังงานระหวางของไหลรอนและเย็น ในอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอน

16

2.19

2.20

2.21

2.22

2.23

2.24

2.25

เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบหอยโขง การกระจายอุณหภูมิสําหรับอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนแบบไหลสวนกัน

คาตัวคูณแกไข (Correction factor, F) ที่ใชสําหรับอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนชนิดตางๆ

คาตัวคูณแกไข (Correction factor, F ) ที่ใชในสมการที่ (2.15) สําหรับอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนชนิดตางๆ (ตอ) กราฟแสดงความสัมพันธระหวาง ประสิทธิผล-หนวยสงผานความรอน

กราฟแสดงความสัมพันธระหวาง ประสิทธิผล-หนวยสงผานความรอน

แสดงลักษณะของทอเทอรโมไซฟอน

17

20

21

22

29

30

31

ฎ

2.26

2.27

2.28

2.29

2.30

2.31

2.32

2.33

2.34

2.35

2.36

2.37

2.38

2.39

2.40

2.41

2.42

2.43

2.44

2.45

2.46

2.47

2.48

หลักการทํางานของทอเทอรโมไซฟอน

ขีดจํากัดการถายเทความรอนในเทอรโมไซฟอน

แสดงการแหงเมื่อปริมาณการเติมสารทํางานนอย

แสดงการแหงเมื่อปริมาณการเติมสารทํางานมาก

แสดงความสัมพันธระหวางตัวเลขของบอนดกับคา f1 แสดงความสัมพันธระหวางมุมเอียงของทอกับคา f3 แสดงวงจรความตานทานความรอนของเทอรโมไซฟอน

แสดงแผนภูมิ Overall effectivenessas a function of capacity rate ratio

for different values of N


for different values of St


for different values of tf


for different values of l

แสดงแผนภูมิ Pressure drop versus face velocity in the condenser

section

แสดงแผนภูมิ Optimum design range of UA* for Ce/Cc =2

แสดงแผนภูมิ Optimum design range of UA* for Ce/Cc =1.33

แสดงแผนภูมิ Optimum design range of UA* for Ce/Cc =1

แสดงแผนภูมิระหวาง Overall effectiveness กับ Reynoldnumber(Ree/Rec)

แสดงแผนภูมิ Overall effectiveness กับ Ce/Cc

แสดงแผนภูมิ Overall effectiveness กับ Tc,o

แสดงแผนภูมิ Optimum curve at different operating condition

แสดงแผนภูมิ Thermal resistance of the heat pipe at different position

of partition

แสดงแผนภูมิ Relative change of thermal resistance

แสดงแผนภูมิ effectiveness and transferred heat กับ inlet hot air

temperature for two measure of Ce/Cc

แสดงแผนภูมิ effectiveness and transferred heat กับ inlet hot air

temperature for two measure of Ce/Cc

31

33

34

34

36

36

37

49

49

50

51

51

52

53

53

54

55

56

57

58

59

60

ฏ

2.49

2.50

3.1

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

4.8

4.9

4.10

แสดงแผนภูมิ effectiveness and transferred heat of gas-liquid THPHE

กับ heat capacity ratio

แสดงแผนภูมิ effectiveness and transferred heat of gas-liquid THPHE

กับ temperature

แผนผ ังแสดงว ิธ ีการสร างแผนภ ูมิตางๆ เพื อศ ึกษาประสิทธิผลของเครื่อง แลกเปลี่ยนความร อนชนิดเทอรโมไซฟอน

เสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ในระดับคา C ตางๆ

ที่อุณหภูมิฝงรอนขาเขา 60 oC , อุณหภูมิความเย็นขาเขา 10 oC จํานวนทอเทอรโมไซฟอน 3 แถว เสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ในระดับคา C ตางๆ

ที่อุณหภูมิฝงรอนขาเขา 100 oC , อุณหภูมิความเย็นขาเขา 10 oC จํานวนทอเทอรโมไซฟอน 15 แถว คาNTUh,1,trial คาหนึ่งที่จะเปนตัวกําหนดวาคาประสิทธิผลนั้นสูงสุด ในตัวอยางตารางของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ในระดับคา C ตางๆ

ที่อุณหภูมิฝงรอนขาเขา 100 oC , อุณหภูมิความเย็นขาเขา 50 oC จํานวนทอเทอรโมไซฟอน 15 แถว เสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial ในระดับคา C ตางๆ

ที่อุณหภูมิฝงรอนขาเขา 100 oC , อุณหภูมิความเย็นขาเขา 20 oC จํานวนทอเทอรโมไซฟอน 15 แถว แสดงเสนโคงท่ัวไปสมการแนวโนมจากคูลําดับของจํานวนแถวของทอและคา NTUh,1,trial ที่ทําใหเกิดคาประสิทธิผลท่ีมากท่ีสุด ของจํานวนแถวของทอนั้นๆ แสดงการตัดชวงเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial โดยเปรียบเทียบอัตราสวน NTUh/NTUc ตางๆ ที่ C* = 0.1

แสดงการตําแหนงคา NTUh,1,trial = 0.1, 0.7 และ 2.1 ที่อยูบนเสนโคงท่ัวไป

ของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ที่ C* = 0.1

แสดงการตัดชวงเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial โดยเปรียบเทียบอัตราสวน NTUh/NTUc ตางๆ ที่ C* = 10


ของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ที่ C* = 10

แสดงการตัดชวงเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial โดยเปรียบเทียบอัตราสวน NTUh/NTUc ตางๆ ที่ C* = 0.8

61

61

77

78

79

80

81

83

84

85

86

87

88

ฐ

4.11

4.12

4.13



แสดงการตัดชวงเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial โดยเปรียบเทียบอัตราสวน NTUh/NTUc ตางๆ ที่ C* = 1.25



89

90

91

1

บทที่ 1 บทนํา

1.1 ที่มาและความสําคัญของปริญญานิพนธ อุปกรณแลกเปล่ียนความรอน คืออุปกรณที่ชวยในการถายเทความรอนระหวางของไหลตั้งแต 2 กระแสการไหลขึ้นไป โดยที่ของไหลทั้ง 2 กระแสน้ัน มีอุณหภูมิที่แตกตางกัน โดยที่การถายเทความรอนจะถายเทจากกระแสการไหลท่ีอุณหภูมิสูงไปยังกระแสการไหลที่อุณหภูมิต่ํา ซึ่งสามารถนําไปใชประโยชนไดในหลายๆดาน

การแบงชนิดของอุปกรณแลกเปล่ียนสามารถแบงได 2 วิธี คือ ใชลักษณะการไหลของของไหลท้ังสองสาย จะไดเปน แบบไหลทางเดียวกัน แบบไหลสวนทางกัน และแบบไหลต้ังฉากกัน แตถาใชสภาวะของไหลมาเปนเกณฑ จะไดวา แบบของเหลว-ของเหลวแบบกาซ-กาซกาซ-ของเหลว สวนประเภทของเคร่ืองแลกเปล่ียนนั้นมีอยูหลายประเภท เชน แบบเปดแบบทอสองชั้น แบบเซลลและทอแบบทอหมุนวนแบบแผน แบบทอความรอน เปนตน

เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบทอความรอน (Heat pipe heat exchanger)เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนชนิดนี้มีอัตราการถายเทความรอนคอนขางสูงและสมรรถนะสูงแมวาผลตางของอุณหภูมิระหวางแหลงใหความรอน (Heat source) และแหลงรับความรอน (Heat sink)มีคาคอนขางนอยเพราะคาความรอนแฝงของการระเหยของสารทํางานมีคาสูงมาก

ทอเทอรโมไซฟอนเปนทอความรอนชนิดหนึ่งและเปนอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนที่มีการทํางานโดยอาศัยหลักการเดือดและการกล่ันตัวของสารทํางานที่บรรจุอยูภายใน หลักการทํางานคือเมื่อสารทํางานภายในทอบริเวณสวนรับความรอนไดรับความรอน สารทํางานจะระเหยกลายเปนไอน้ําความรอนเคลื่อนที่ไปยังสวนควบแนนที่อยูดานบนซึ่งจะมีอุณหภูมิต่ํากวาและจะคายความรอนบริเวณนี้ จากนั้นสารทํางานจะกล่ันตัวเปนของเหลวแลวไหลยอนกลับลงมาตามผนังดานในของทอสูสวนรับความรอนโดยอาศัยแรงโนมถวงของโลกเพ่ือรับความรอนซึ่งถาหากนําทอความรอนนี้มาใชในอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอน จะเรียกวา อุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนแบบเทอรโมไซฟอน

2

การวิเคราะหอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนโดยใชวิธีประสิทธิผล– หนวยการสงผานความรอน(Effectiveness – NTU Method) ซึ่งมักใชในกรณีที่รูเฉพาะอุณหภูมิที่ทางเขาของของไหล 2 ตําแหนง ซึ่งมีขอดีคือ หากคํานวณออกมาสําเร็จ จะไดผลลัพธตามท่ีตองการได แตจะมีขอเสียคือ จะมีคาตางที่จําเปนตอการคํานวณท่ียังไมทราบในการคํานวณเร่ิมตนเปนจํานวนมาก ทําใหการคํานวณเปนไปไดยาก ทางผูจัดทําจึงทําการกําหนดชวงอุณหภูมิฝงรอนและเย็นขึ้นเพ่ือหาความสัมพันธและจัดทําแผนภูมิประสิทธิผล – หนวยการสงผานความรอนรวม (Effectiveness – NTU Method)แบบถายเทความรอนจากน้ําสูน้ํา ในระดับอุณหภูมิตางๆ โดยทําตารางการวิเคราะหอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนแบบทอเทอรโมไซฟอนดวยวิธีวิเคราะหแบบประสิทธิผล – หนวยการสงผานความรอน (Effectiveness – NTU Method)จากโปรแกรม Microsoft Excel เพ่ือวิเคราะหหาความสัมพันธ โดยใชเทคนิคการกําหนดคาอัตราสวนหนวยการสงผานความรอนดานรอนและหนวยการสงผานความรอนดานเย็น เพ่ือใหไดแผนภูมิประสิทธิผล – หนวยการสงผานความรอนรวม (Effectiveness –

NTU Method) และสรางเสนโคงท่ัวไปเพ่ือหาสมการของเสนโคง

1.2 วัตถุประสงคของปริญญานิพนธ 1.2.1 สรางเสนโคงทั่วไปของคาประสิทธิผล – หนวยการสงผานความรอนรวม (Effectiveness – NTU Method) ของทอเทอรโมไซฟอนเคร่ืองแลกเปล่ียนความรอนชนิดน้ําสูน้ํา โดยเทคนิคการกําหนดคาอัตราสวนNTUh/NTUc1แถว 1.2.2 ศึกษาและวิเคราะหการเปลี่ยนแปลงจํานวนทอท่ีสงผลตอคา NTUtotalสําหรับแตละคาของ C* 1.2.3 ศึกษาและหาคูลําดับคาNTUhและจํานวนทอ ที่ใหคาประสิทธิผลมากท่ีสุด โดยไมเปลี่ยนแปลงเพ่ิมข้ึนอีก 1.3 ขอบเขตของโครงงาน 1.3.1 จัดทําตารางการวิเคราะหอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนแบบทอเทอรโมไซฟอนโดยถายเทความรอนจากนํ้าสูน้ํา 1.3.2 สรางเสนโคงท่ัวไปในชวงอุณหภูมิสูงที่ 100, 80 และ 60 องศาเซลเซียส ชวงอุณหภูมิต่ําท่ี 50, 40, 30, 20 และ 10 องศาเซลเซียส 1.3.3 สรางเสนโคงท่ัวไปของทอเทอรโมไซฟอนที่มีจํานวน 3, 5, 9, 12 และ15 แถว 1.3. 4 สรางเสนโคงทั่วไปของทอเทอรโมไซฟอนที่มีคา C* เทากับ 0.1, 0.2, 0.5 และ 0.8 1.3. 5 ใชโปรแกรม Microsoft Excel ในการเขียนสมการการคํานวณ

3

1.4 ขั้นตอนการดําเนินงาน

1.4.1 ศึกษาวิธีการคํานวณหาคาการถายเทความรอนของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนโดยวิธีวิเคราะหแบบประสิทธิผล – หนวยการสงผานความรอน (Effectiveness – NTU Method) 1.4.2 กําหนดแถวทอเทอรโมไซฟอน (NL)ท่ีใชในการทดลองNL= 3 , 6 , 9 , 12 ,15

คา NTUh,1/ NTUc,1คงที่ เทากับ 0.1 , ใหคาอุณหภูมิดานรอนของทอขาเขาและดานเย็นของทอขาเขาให Th,I = 100oc , 80oc , 60oc และTc,I = 50oc , 40oc , 30oc , 20oc , 10oc

1.4.3 กําหนดคาสัดสวนของ m1h/m1c อยูที่ 0.1 , 0.2 , 0.5 และ 0.8 โดยแตละคาใหมีหลายสัดสวน เชน 0.1 = 1/10 , 0.8/8 , 0.6/6 , 0.4/4 , 0.2/2 เพ่ือสังเกตเสนโคงท่ัวไป

1.4.4 กรอกคา NTUh,1,trial เพ่ือคํานวณหาคาประสิทธิผลและคาตางๆและนําคาประสิทธิผล , คาNTUh,1,trial มาสรางแผนภูมิเพ่ือสังเกตพฤติกรรม 1.4.5 นําคา NTUh,1,trial และคาประสิทธิผล ในคา C* เทากับ0.1 , 0.2 , 0.5 และ 0.8 มาสรางแผนภูมิเปรียบเทียบแตละ C* เพ่ือวิเคราะหแนวโนมพฤติกรรมของเสนโคงทั่วไป

1.4.6 นําคาประสิทธิผล และคาNTUtotalที่ชวงอุณหภูมิเดียวกันแตคาC* ตางกันมาเปรียบเทียบ เพื่อวิเคราะหแนวโนมพฤติกรรมของเสนโคงท่ัวไปสรางแผนภูมิเปรียบเทียบ

1.4.7 กรอกคา NTUh,1,trial เพ่ือคํานวณหาคาประสิทธิผลและคาตางๆโดยเปลี่ยนคาอัตราสวนความตานทานความรอนดานผิวรอนในชวง 0.1 ถึง 10 เพ่ือวิเคราะหแนวโนมพฤติกรรม ของเสนโคงทั่วไป 1.4.7 นําคาNTUh,1,trialแตละคาที่ทําใหเกิดคาประสิทธิผลในแตละจํานวนแถวทอ มาหาแนวโนมเสนโคงท่ัวไปและสมการของเสนโคง

1.5 ประโยชนที่คาดวาจะไดรับ 1.5.1 นําแนวโนมพฤติกรรมของเสนโคงทั่วไป ของแผนภูมิประสิทธิผล – หนวยการสงผานความรอนรวม (Effectiveness – NTU Method) แบบถายเทความรอนจากนํ้าสูน้ํา 1.5.2 คาNTUh,1,trialที่ทําใหเกิดประสิทธิผลสุดในชวงอุณหภูมิตางๆ ของทอเทอรโมไซฟอนเพ่ือใชในการออกแบบเคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอน 1.5.3 แนวโนมเสนโคงท่ัวไปและสมการของเสนโคงความสัมพันธของคาประสิทธิผลในแตละจํานวนแถวทอ

4

บทที่ 2

ทฤษฏีที่เกี่ยวของ

2.1 อุปกรณแลกเปลี่ยนความรอน (Heat exchanger)

อุปกรณแลกเปล่ียนความรอน คืออุปกรณที่ชวยในการถายเทความรอนระหวางของไหลตั้งแต 2 กระแสการไหลขึ้นไป โดยที่ของไหลทั้ง 2 กระแสน้ัน มีอุณหภูมิที่แตกตางกัน โดยที่การถายเทความรอนจะถายเทจากกระแสการไหลท่ีอุณหภูมิสูงไปยังกระแสการไหลท่ีอุณหภูมิต่ํา อุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนสามารถนําไปใชประโยชนไดในหลายๆดาน เชน ในดานการผลิตพลังงานไฟฟา การนําความรอนท่ีเสียไปโดยเปลาประโยชนมาใชใหม เพ่ิมอุณหภูมิใหกับของไหลกอนนําไปใชงาน เปนตน

2.1.1 ชนิดของอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอน

การแบงประเภทของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนที่ใชในงานอุตสาหกรรม สามารถกระทําได 2 วิธี คือ แบงตามสภาวะของของไหลท่ีใช และแบงตามลักษณะการไหลของไหลทั้งสองสายดังนี้คือ 2.1.1.1 การแบงตามสภาวะของไหลท่ีใช ก) เครื่องแลกเปล่ียนความรอนระหวางของเหลว-ของเหลว เปนเครื่องแลกเปล่ียนความรอนประเภทที่ไมมีการ เปลี่ยนแปลงสภาวะของของไหลทั้ง 2 ชนิด เชน น้ํามันกนหอกลั่นและน้ํามันดิบที่ปอนเขาหอกล่ัน เปนตน ข) เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนระหวางของเหลว -ของเหลว ชนิดที่มีการเปลี่ยนแปลงสภาวะของของไหลทั้ง 2 ชนิด โดยของเหลวชนิดหนึ่งจะเปลี่ยนสภาวะเปนกาซหรือระเหยเปนไอในระหวางแลก เปลี่ยนความรอน เชน เคร่ืองตม ซ้ํา (Reboiler) ของหอกล่ันน้ํามัน ซึ่งใชน้ํามันอุณหภูมิสูงเปนแหลงความรอน

ค) เครื่องแลกเปล่ียนความรอนระหวางกาซ-กาซ ชนิดไมมีการเปล่ียนแปลงสภาวะ

ไมเกิดการควบแนนเปนของเหลว เชน เครื่องอุนอากาศท่ีใชกาซทิ้งเปนแหลงความรอน

ง) เครื่องแลกเปล่ียนความรอนระหวางกาซ-กาซ ชนิดท่ีมีการเปล่ียนแปลงสภาวะ

โดยชนิดหนึ่งจะมีการควบแนนเปนของเหลว เชน เครื่องกระจายความรอน (Radiator) สําหรับทําความอบอุนในหอง โดยทําอากาศใหอุนดวยไอน้ํา

5

จ) เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนระหวางกาซ-ของเหลว ชนิดไมมีการเปลี่ยนแปลงสภาวะ โดยชนิดหนึ่งเปนกาซและอีกชนิดหนึ่งเปนของเหลว เชน เครื่องอุนน้ําปอน ที่ใชกาซทิ้งจากหมอไอนํ้าเปนแหลงความรอน

ง) เครื่องแลกเปล่ียนความรอนระหวางกาซ-ของเหลว ชนิดท่ีมีการเปลี่ยนแปลงสภาวะ เชน หมอไอน้ําแบบทอ ซึ่งระเหยนํ้าใหเปนไอน้ําดวยกาซสันดาป และเครื่องควบแนน ซึ่งควบแนนไอใหเปนของเหลวดวยนํ้าระบายความรอน 2.1.1.2 เคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอนสามารถแบงตามลักษณะการไหลของของไหลทั้งสองกระแส ได 3 แบบหลักๆ ไดแก ก) เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบไหลทางเดียวกัน (Parallel flow heat

exchanger)

เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบไหลทางเดียวกัน คือ ของไหลท่ีมีอุณหภูมิสูงกวา (Hot fluid) ไหลผานในทอเพ่ือถายเทความรอนใหกับของไหลท่ีมีอุณหภูมิต่ํากวา (Cold fluid) ที่ไหลอยู บริเวณรอบๆ ทอ ซึ่งทิศทางการไหลของของไหลท้ังสองเปนไปในทิศทางเดียวกัน ดังแสดงในรูปที่ 2.1 (ก) จะเห็นไดจากรูปที่ 2.1 (ข) ในชวงทางเขาอุณหภูมิของท้ังสองของไหลจะแตกตางกันมาก และจะเขาใกลกันอยางรวดเร็วที่ระยะ x เพ่ิมสูงขึ้น

รูปที่ 2.1 การแลกเปลี่ยนความรอนแบบการไหลทางเดียวกัน

ข) เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบไหลสวนทางกัน (Counter flow heat

exchanger)

เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบไหลสวนทางกัน คือ ของไหลที่มีอุณหภูมิสูงกวา (Hot fluid) ไหลผานในทอเพ่ือถายเทความรอนใหกับของไหลท่ีมีอุณหภูมิต่ํากวา (Cold fluid) ที่ไหลอยูบริเวณรอบๆ ทอ ซึ่งทิศทางการไหลของของไหลทั้งสองเปนไปในทิศทางสวนทางกัน ดังแสดงในรูป

6

ที่ 2.2 (ก) เมื่อพิจารณาการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามระยะ x จากรูป ที่ 2.2 (ข) จะพบวาไมมีตําแหนงใดที่การถายเทความรอนจะมากเทากับท่ีทางเขาของการไหลแบบทางเดียวกัน แตของไหลดานเย็นที่ทางออกสามารถจะมีอุณหภูมิที่สูงกวาอุณหภูมิของไหลดานรอนที่ไหลออก

(ก) (ข)

รูปที่ 2.2 การแลกเปลี่ยนความรอนแบบไหลสวนทางกัน

ค) เคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอนแบบของไหลผานหลายครั้ง (Multipass) และแบบไหลตั้งฉากกัน (Cross-Flow)

ในอุปกรณแลกเปลีย่นความรอนแบบนี้ของไหลจะมีทิศทางต้ังฉากกัน ลักษณะการไหลอาจไหลเท่ียวเดียว หรือสองเท่ียว หรือ มากกวาน้ันก็ได

รูปที่ 2.3 การแลกเปลี่ยนความรอนแบบไหลต้ังฉากกัน

7

2.1.2 ประเภทของอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอน

อุปกรณแลกเปล่ียนความรอนมีหลากลหายประเภทขึ้นอยูกับหลักการทํางานและการนําไปใชงานตามความเหมาะสม

2.1.2.1 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบ BoxCooler

อุตสาหกรรมที่ใชเครื่องแลกเปล่ียนความรอน (BoxCooler)ในกระบวนการกลั่นน้ํามันและเครื่องแลกเปล่ียนความรอนท่ีมีขนาดเล็กหรือในกรณีที่ใชของเหลวท่ีมีฤทธ์ิกัดกรอนสูง

รูปที่ 2.4 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบทอขด

2.1.2.2 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบเปด (Open type exchanger)

เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบน้ีใชระบายความรอน โดยการปลอยใหน้ําหยดลงบนทอที่ติดตั้งอยูในแนวระดับ เพ่ือลดอุณหภูมิของไหลในทอ ชื่อเรียกอ่ืนๆของเคร่ืองประเภทน้ีก็มีเชน

เครื่องระบายความรอนแบบทริกเคิล (Trickle Cooler) เปนตน โครงสรางท่ัวไปประกอบดวย ทอตรง และสวนโคง(Bennnd) และสามารถวางซอนกันหลายๆชั้น เพ่ือเพ่ิมความสามรถทํางานของเครื่องแบบน้ีเหมาะที่จะใชกับของไหลความดันสูง ที่มีฤทธ์ิกัดกรอน

รูปที่ 2.5 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบเปด

2.1.2.3 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบทอสองชั้น (Double pipe exchanger)

โครงสรางของเคร่ืองแบบน้ีประกอบไปดวยทอ 2 ขนาดท่ีซอนกันอยูโดยมีแกนกลางของทอรวมกันของไหลชนิดหนึ่งจะไหลอยูในทอในและของไหลอีกชนิดหนึ่งจะไหลอยูในชองวางรูปวง

8

แหวนระหวางทอในและทอนอก โดยทั่วไปปลายขางหน่ึงจะถูกเชื่อมตอกันดวยทอโคงรูปตัว U ดังรูป บางทีก็เรียกชื่อตามรูปรางของเครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบแฮรฟน Hairpin)เครื่องแบบน้ีเหมาะสําหรับเพิ่มหรือลดอุณหภูมิของของไหล ในระบบท่ีความดันสูง ความหนืดสูงหรือฤทธิ์กัดกรอนสูง ในบางคร้ังจะใชทอที่มีครีบติดอยูที่ทอชั้นใน เพ่ือเพ่ิมพ้ืนที่ถายเทความรอนลักษณะเดนของเคร่ืองแลกเปล่ียนความรอนแบบทอสองชั้นคือ โครงสรางคอนขางงาย ราคาของเครื่องตอหนึ่งหนวยพ้ืนท่ีถายเทความรอนมีราคาถูก และเม่ือมีความจําเปนสามารถเพ่ิมความสามรถทํางานไดงาย โดยการเอาเครื่องท่ีมีสัดสวนเหมือนๆกัน หลายๆชุดมาตออนุกรมหรือตอแบบขนานเพ่ือใหของไหล ไหลสวนทางกันดวยความเร็วที่เหมาะสม ประสิทธิภาพการถายเทความรอนที่ไดจะมีคาสูง ในขณะที่ความดันสูญเสียมีคาต่ํา ทําใหราคาของเครื่องคอนขางแพง เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องแลกเปล่ียน ความรอนแบบอ่ืน ดังนั้นเครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบนี้จึงควรเลือกใชในกรณีปริมาตรการถาย เทความรอนคอนขางนอยหรือในกรณีที่ตองการพ้ืนที่การถายเทความรอนนอย กวา 20 ลูกบาศกเมตร

รูปที่ 2.6 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบทอสองชั้น

2.1.2.4 เคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอนแบบเซลลและทอ (Shell and tube exchanger)

เคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอนที่ใชในกระบวนการอุตสาหกรรมเคมีสวนใหญจะเปนเครื่องประเภทน้ี เนื่องจากความนิยมใชเครื่องประเภทนี้มีมากที่สุดและเปนที่รูจักกันดีในงานทางดานอุตสาหกรรม

รูปที่ 2.7 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบเซลลและทอ

9

2.1.2.5 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบดาบปลายปน (Bayonet exchanger)

เสนทางการไหลภายในทอ ประกอบดวยทอนอกซึ่งปลายขางหนึ่งมีฝาปดอยู และทอในซ่ึงสอดอยูในทอนอก ของไหลภายในทอจะแลกเปล่ียนความรอนกับของไหลภายในเซลล ในระหวางที่ของไหลอยูในชองวางระหวางทอในและทอนอก เนื่องจากมัดทอของเคร่ืองแบบน้ีสามารถถอดออกได โดยไมเกี่ยวของกับของไหลภายในเซลล เครื่องประเภทนี้สะดวกที่จะสอดเขาในภาชนะบรรจุ หรือระบบทอไดโดยตรงเพ่ือเพ่ิมหรือลดอุณหภูมิของของไหลในเซลล แสดงตัวอยางการสอดเขาไปในระบบทอความเย็นใหกับไอที่มาจากยอดของหอกลั่น แสดงตัวอยางการติดตั้งที่ผนังดานขางของถังเก็บน้ํามันเชื้อเพลิงเพื่อเพ่ิมอุณหภูมิของน้ํามันที่ปากทางออก เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบดาบปลายปนมีราคาสูง แตเหมาะสําหรับใชกับอุปกรณที่มีอยูแลว เพ่ือเพ่ิมอัตราการถายเทความรอนใหไดเพียงพอตอการใชงาน

รูปที่ 2.8 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบดาบปลายปน

2.1.2.6 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบทอหมุนวน (Spiral wound type exchanger)

โครงสรางของเคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอนแบบนี้ประกอบดวย ทอทองแดง ทออลูมิเนียม หรือทอวัสดุออนอ่ืนๆ ซึ่งเล็กและยาว หมุนวนกลายเปนเกลียวหลายๆชั้นแลวบรรจุในภาชนะรูปทรงกระบอก ผลท่ีไดคอืเปนเครื่องแลกเปล่ียนความรอนท่ีถายเทความรอนมาก การสูญเสียความรอนมีนอย โครงสรางทําไดยากและราคาสูง ขอเสียอยางอ่ืนคือ ของไหลในทอและในเซลลจะตองสะอาด และมีฤทธิ์กัดกรอนนอยจึงจะใชได ปจจุบันอุปกรณชนิดนี้จะใชกับอุปกรณแยกกาซ ซึ่งทาํใหอากาศหรือกาซอ่ืนๆกลายเปนของเหลวท่ีอุณหภูมิต่ํามากๆเพ่ือทําการ แยกกาซองคประกอบอ่ืนตอไป

รูปที่ 2.9 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบทอหมุนวน

10

2.1.2.7 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบระบายความรอนดวยอากาศ (Air cooled heat

exchanger)

เนื่องจากเครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบน้ี ใชอากาศเปนตัวระบายความรอนแทนน้ําเย็น จึงเปนที่นิยมใชกันเพ่ิมขึ้นอยางรวดเร็ว เนื่องจากปจจุบันขาดแคลนนํ้าระบายความรอน

โครงสรางของเครื่อง มี 3 องคประกอบคือ มัดทอซึ่งประกอบดวยทอถายเทความรอนที่มีครีบ (Fin)

โครงสรางเหล็กสําหรับมัดทอ และเคร่ืองเปาลมพรอมมอเตอรสําหรับเปาอากาศมัดทอ เครื่องแลกเปล่ียนความรอนชนิดนี้มีทั้งแบบท่ีเปาพัดอากาศผานมัดทอ (Induced Draft) คุณลักษณะพิเศษของเครื่องแลกเปล่ียนความรอนประเภทนี้คือ ไมตองอาศัยน้ําเปนตัวระบายความรอน (ผลคือไมตองแสวงหาแหลงน้ํา หรือแกปญหาเก่ียวกับคุณภาพน้ํา) และอากาศที่ใชสําหรับระบายความรอนที่มีอยูไมจํากัด และปญหาเก่ียวกับสนิมหรือความสกปรก ขอดีอีกอยางคือ คาบํารุงรักษาถูกกวากรณีใชน้ํา มีขอเสียคือ มีเสียงดัง ตองใชพ้ืนที่ในการติดต้ังมาก คาลงทุนกอสรางสูงและตองเลือกสถานท่ีในการติดตั้งใหเหมาะสม

รูปที่ 2.10 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบระบายความรอนดวยอากาศ

2.1.2.8 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบปลอกหุม (Jacketed type exchanger)

เครื่องแลกเปล่ียนความรอนชนิดนี้มีใชในกระบวนการของอุตสาหกรรมเคมีมา เปนเวลานาน โครงสรางของเคร่ืองประกอบไปดวยปลอกหุมทั้งเก็บหรือถังปฏิกรณ (Reactor) เพ่ือแลกเปล่ียนความรอน ขอเสียก็คือ สัมประสิทธิ์การถายเทความรอนรวมมีคาต่ํา เมื่อเทียบกับเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบเซลลและทอ หรือแบบอ่ืนๆและพ้ืนที่การถายเทความรอนถูกจํากัดโดยขนาดของตัวถัง ดังนั้นจึงไมเหมาะสมกับงานท่ีมีจุดประสงคใหญเพ่ือแลกเปล่ียนความรอน สวนขอดีคือ โครงสรางเปนแบบงาย ราคาถูก และความจุของภาชนะภายในสูง ดังนั้นจึงเหมาะสมกับใหความรอนหรือการทําความเย็นแกของเหลว โดยเฉพาะอยางยิ่งสะดวกสําหรับการรักษาอุณหภูมิของของเหลวในถังตวงใหคงที่ โดยปกติแลวการทําความสะอาดภายในปลอกหุมทําไมได ดังนั้นของไหลที่ใชในปลอกหุมควรเปนไอนํ้า น้ําเย็น หรือฟรีออนที่มีความสกปรกนอย

11

รูปที่ 2.11 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบแผนเหล็ก

2.1.2.9 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบแผน (Plate type exchanger)

คุณลักษณะพิเศษของเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบแผน คือ การเอาแผนการถายเทความรอนหลายๆแผนมาวางเรียงกันในท่ีหางคงท่ี แลวใหของเหลวแตละชนิดไหลผานชองวางระหวางแผนในลักษณะที่สลับกันชอง เวนชอง เครื่องแบบน้ีมักใชกับการเพ่ิมอุณหภูมิของอากาศกอนเขาหมอไอนํ้า ในกรณีนี้มีคาความดันสูญเสียนอย แตประสิทธิภาพก็ไมสูดีนัก ในปจจุบันไดทําการปรับปรุงเครื่องแลวและวางจําหนายในทองตลาดดังแสดงไวใน รูปที่ 2.12 เครื่องทําดวยแผนเหล็กสแตนเลส(Stainless steel) บางๆ หรือแผนไทเทเนียม (Titanium) ซึ่งทนตอสนิมไดอยางดี เอามามัดใหเกิดสวนนูน และสวนเวาประกอบกันหลายๆแผน ของไหลแตละชนิดจะไหลสลับกันไปตามชองวาง ที่เกิดจากการประกอบเพ่ือแลกเปล่ียนความรอน เพ่ือเพ่ิมความแข็งแกรงปองกันการรั่วและใหมีชองวางสําหรับการไหล ผิวของแผนถายเทความรอนมีทั้งสวนนูนและสวนเวา (Gasket) ถูกติดตั้งไวในตําแหนงที่เหมาะสมเพ่ือปองกันไมใหของไหลรั่ว และรักษาระยะหางระหวางแผนตามท่ีตองการสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนรวม ของเครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบปรับปรุงใหมใหคาสูง สวนคุณลักษณะดีอยางอ่ืนคือ สามารถถอดออกเปนแผนๆออกมาทําความสะอาดไดทั่วถึง บํารุงรักษางาย

และสามารถปรับปริมาณการถายเทความรอนได โดยการเพ่ิมหรือลดจํานวนแผนการถายเทความรอน

เนื่องจากปะเก็นที่ใชทํา ปกติทําจากยางหรือยางสังเคราะห จึงไมเหมาะสมในการนําไปใชงานท่ีสภาวะอุณหภูมิสูงและความดันสูง

รูปที่ 2.12 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบแผน

12

2.1.2.10 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบหอยโขง (Volute type exchanger)

เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบน้ี สรางข้ึนจากแผนราบสองแผนนํามาตัดขนานกัน ใหเหมือนลายกนหอยโขง คุณลักษณะดีคือ โครงสรางไมจําเปนตองคํานึงถึงการยืดหรือหดตัวเชิงความรอน สัมประสิทธิ์การถายเทความรอนรวมสูง เมื่อเปรียบเทียบคาความดันสูญเสียที่นอยและการไหลก็สม่ําเสมอดวย ดังนั้นจึงสามารถออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนไดขนาดเล็กเมื่อเทียบกับพ้ืนที่ถายเทความรอน ขอเสียคือ ทําความสะอาดหรือซอมแซมไดยาก เพราะปรกติสรางโดยการเชื่อมโลหะ (Welding) ดังนั้นจึงไมเหมาะสมที่จะใชกับของไหลท่ีสกปรกมาก ของไหลที่มีฤทธิ์กัดกรอนแตกตางกันหรือของไหลที่มีความดันสูง ในปจจุบันเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบนี้ในอุตสาหกรรมกระดาษ อุตสาหกรรมอาหาร เปนตน

รูปที่ 2.13 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบหอยโขง

2.1.2.11 เคร่ืองแลกเปล่ียนความรอนแบบบลอค (Block type exchanger)

สวนใหญการเลือกใชวัสดุประเภทโลหะท่ีเหมาะสมกับการแลกเปลี่ยนความรอน

ระหวางสารเคมีสองชนิดที่มีฤทธิ์กัดกรอนผิดแผกกันทําไดลําบาก ในกรณีเชนนี้สมควรท่ีจะใชเครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบบลอค ซึ่งทําจากกราไฟท หรือวัสดุทนการกัดกรอนอ่ืนๆ รูปที่ 2.14 แสดงโครงสรางของเคร่ืองแลกเปล่ียนความรอนแบบบลอก ประกอบดวยวัสดุทนการกัดกรอนซึ่งเจาะรูยาวจํานวนมาก ใหตั้งฉากกันระหวางแตละชั้นของรู ของไหลแตละชนิดไหลสลับไปตามที่รูเจาะไว เครื่องแบบน้ีมีใชในอุตสาหกรรมเคมีภัณฑ เชน กรดเกลือ กรดกํามะถันและเคมีภัณฑอ่ืนๆ แตโครงสรางของเครื่องถูกจํากัดใชเฉพาะกรณีปริมาณการแลกเปล่ียนความรอน นอยมีความดันต่ําและอุณหภูมิต่ํา

13

รูปที่ 2.14 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบบลอค

2.1.2.12 เค ร่ืองแลกเปล่ียนความรอนแบบกะทัดรัด (Compact exchanger)

เคร่ืองแลกเปล่ียนความรอนแบบน้ีไดมาจาก ความคิดริเริ่มที่ตองการขนาดของเครื่องใหมีขนาดเล็กท่ีสุด แตมีพ้ืนที่การถายเทความรอนสูง เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบกะทัดรัดจะเรียกชื่อไดก็ตอเมื่ออัตราสวน พ้ืนท่ีการถายเทความรอนกับปริมาตรของเครื่องมีคามากกวา 660

ขึ้นไป เพ่ือใหพ้ืนที่การถายเทความรอนมีคาสูง ในกรณีที่ทอกลมปรกติจะใชทอที่มีขนาดเสนผานศูนยกลางเล็กกวาหนึ่งนิ้ว ที่ครีบ (Fin) หรือแผนโครงสราง เนื่องจากโครงสรางแบบน้ีซอมแซมทําความสะอาดไดยากและอุณหภูมิหรือความดัน ที่ใชก็มีคาต่ํา จึงไมนิยมใชในกระบวนการอุตสาหกรรมเคมี แตเปนเครื่องแลกเปล่ียนความรอนท่ีดีเลิศสําหรับกาซสองชนิดที่สกปรกนอย

รูปที่ 2.15 เครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบกะทัดรัด

2.1.2.13 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบฮีทไปป (Heat pipe heat exchanger)

เคร่ืองแลกเปล่ียนความรอนชนิดนี้มีอัตราการถายเทความรอนคอนขางสูง และสมรรถนะสูง แมวาผลตางของอุณหภูมิระหวางแหลงใหความรอน (Heat source) และแหลงรับความรอน (Heat sink) มีคาคอนขางนอย ลักษณะของเครื่องเปนทอปดผนึกภายในบรรจุวิกค (Wick) และของเหลวใชงาน (Working fluid) เมื่อฮีทไปปรับความรอนจากแหลงความรอน ผานผนังทอของชวงการระเหย (Evaporation section) ไปยังวิกค ของเหลวใชงานท่ีอยูในวิกคจะระเหยกลายเปนไอ ไอที่เกิดข้ึนจะเคลื่อนที่ตามชวงการควบแนน (Condensation Section) ซึ่งมีความดันไอที่ต่ํากวา ณ

ที่นี้ความรอนแฝงท่ีเกิดจากการควบแนนจะถายเทความรอนผานผนังทอไปแหลง รับความรอน

14

รูปที่ 2.16 ลักษณะการทํางานของเคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอนแบบฮีทไปป

รูปที่ 2.17 ลักษณะของเคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอนแบบฮีทไปป

ก) จุดเดนของเคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอนแบบฮีทไปปมีดังนี้ -ไมตองใชพลังงานเสริมในการใชงาน

-อุณหภูมิที่ใชงานมีชวงกวางและสามารถทํางานไดแมวาแหลงใหความรอนและแหลงรับความรอนตางกันไมมาก ถาเลือกของเหลวใชงานไดเหมาะสมกับชวงอุณหภูมิ -อัตราการถายเทความรอนตอพ้ืนที่หนึ่งหนวยนั้น มีคาสูงกวาอัตราการนําความรอนของโลหะมาก

-ปญหาในการใชงานและการดูแลรักษามีนอยเพราะไมมีสวนเคลื่อนไหว (Moving

Parts)

15

2.2 การวิเคราะหอุปกรณแลกเปล่ียนความรอน

การวิเคราะหอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอน โดยทั่วไปสามารถแบงออกไดเปน 2 วิธี ดังนี้ 2.2.1 วิธีอุณหภูมิเฉลี่ยเชิงลอกาลิทึม (Log-mean temperature difference) ในการออกแบบหรือในการหาสมรรถนะการทํางานของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอน

จําเปนตองพิจารณาความสัมพันธของการถายเทความรอนกับตัวแปรตางๆ เชนอุณหภูมิของของไหลที่ทางเขาและออก คาสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนรวม และพ้ืนที่ผิวท้ังหมดในการถายเทความรอน ความสัมพันธดังกลาวสามารถไดมาจากการใชกฎทรงพลังงาน (Overall energy balances) ดังในรูป 2.18 ถา q คืออัตราการถายเทความรอนทั้งหมดระหวางของไหลรอนและเย็น สมมุติวาไมมีการถายเทความรอนระหวางอุปกรณแลกเปล่ียนความรอน และสิ่งแวดลอมและไมคิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักยและพลังงานจลน การสมดุลพลังงาน หรือสมการ (2.1) จะไดวา

h h,i h,o

q = m i -i (2.1)

c,o c,i

q = m i -ic

(2.2)

โดยที่ i คือคาเอนทาลป ของของไหล ตัวหอย h และ c แสดงถึงของไหลที่รอนและเย็น สวนตัวหอย i และ o แสดงถึงสภาวะท่ีทางเขาออกของของไหล ถาไมมีการเปล่ียนแปลงสถานะในของไหล และสมมุติวาความรอนจําเพาะมีคาคงที่ สมการท้ังสองจะกลายเปน

h h,i h,o

q = m T -T (2.3)

c c,o c,i

q = m T -T (2.4)

โดยท่ีอุณหภูมิในสมการท้ังสองคืออุณหภูมิเฉลี่ยท่ีหนาตัดนั้นๆ สมการ (2.1) และ (2.2) นี้ไมขึ้นอยูกับการจัดรูปและชนิดของเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนอัตราการถายเทความรอน q

สามารถเขียนไดในรูปของความแตกตางอุณหภูมิ ∆T ระหวางของไหลที่รอนและเย็น โดยที่ ∆T มีนิยามดังนี้

16

h c

T=T-T (2.5)

และอัตราการถายเทความรอนหาไดจากสมการ Newton’s law of cooling โดยที่ใชคาสัมประสิทธิ์ การถายเทความรอนรวม (U) แทนสัมประสิทธิ์การพาความรอน (h) อยางไรก็ตาม

∆T อาจเปลี่ยนแปลงไปตามตําแหนงในอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนจึงตองเขียนสมการในรูป

lmq = UA T (2.6)

รูปที่ 2.18 ภาพแสดงการใชกฎทรงพลังงานระหวางของไหลรอนและเย็น ในอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอน

โดยที่ ∆Tm คือคาเฉลี่ยที่เหมาะสมสําหรับการแตกตางของอุณหภูมิ สมการ (2.6)

สามารถใชรวมกับสมการ (2.1) และ (2.2) ในการวิเคราะหเครื่องแลกเปล่ียนความรอน แตกอนอ่ืนเราจําเปนตองหา ∆Tm ที่เหมาะสมดังกลาว 2.2.1.1 อุปกรณแลกเปล่ียนความรอนแบบไหลตามกัน (The parallel-flow heat

exchanger)

การกระจายของอุณหภูมิในอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนแบบไหลตามกัน (Parallel flow) แสดงในรูปที่ 2.19 เริ่มแรกคาความแตกตางของอุณหภูมิ (∆Tm) มีคามาก และจะลดลงตามระยะ x ที่เพ่ิมขึ้น ขอสําคัญสําหรับอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนประเภทนี้ คือ อุณหภูมิที่ทางออกของของไหลท่ีเย็นกวาจะตองนอยกวาอุณหภูมิของของไหลท่ีรอนที่ทางออกเสมอ ในรูปที่ 2.19 ตัวหอย 1 และ 2 ใชแทนปลายตรงขามของเครื่อง โดยเราจะใชตัวหอยตามท่ีกลาวนี้ในการพิจารณาอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนทุกชนิดสําหรับแบบไหลตามกันจะเห็นวา

A, heat

' 'ho hoi ,T ' '

.h hi hi, i ,Tm

' '

.c ci ci, i , Tm

' 'co coi ,T

17

A, heat transfer

Surface area

h,i h,1 h,o h,2 c,i c,1 c,o c,2T =T ,T =T ,T =T ,T =T

รูปแบบของ ∆Tm หาไดจากการใชกฎทรงพลังงาน ( Energy balance) กับของไหลชิ้นเล็กๆ (Differential elements) ทั้งท่ีรอนและเย็น ของไหลแตละชิ้นมีความยาว dx และพ้ืนท่ีผิวของเครื่องที่สัมผัสกับของไหลคือ dA ดังแสดงในรูปที่ 2.19

ในการวิเคราะหเราใหสมมุติฐานตามขางลาง ก) เครื่องแลกเปล่ียนความรอนหุมดวยฉนวนสมบรูณจึงไมมีการถายเทความรอนกับสิ่งแวดลอม นั่นคือจะมีการถายเทความรอนเฉพาะระหวางของไหลท่ีรอนและเย็นเทานั้น

ข) ไมคิดการนําความรอนตามแกนของทอ

ค) ไมคิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักยและพลังงานจลน ง) ความรอนจําเพาะของของไหลมีคาคงที่

จ) คาสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนรวมเปนคาคงที่

รูปที่ 2.19 การกระจายอุณหภูมิสําหรับอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนแบบไหลตามกัน

ตามความจริงแลวความรอนจําเพาะของของไหลอาจเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ และคาสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนรวมก็อาจเปล่ียนแปลงไปตามคุณสมบัติของของไหลและ

dq h hT dT

c cT dT

hT

cT

hC

cC

dx

18

สภาพการไหล อยางไรก็ตามในหลายกรณีการเปล่ียนแปลงน้ีไมมากนัก และเราสามารถใชคาเฉลี่ยสําหรับ

'p cC ,

'p hC และ U การใชกฎทรงพลังงานสําหรับชิ้นของไหลแตละชิ้นในรูปที่ 2.19 จะไดวา

h p,h h h hdq m C dT CdT (2.7)

c p,c c c cdq m C dT CdT (2.8)

โดยที่ hC และ cC เรียก “Heat capacity rates” สําหรับของไหลรอนและเย็นตามลําดับ

การอินทิเกรตสมการเหลาน้ีตลอดอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนจะไดสมการ (2.1) และ (2.2) ในขณะเดียวกันอัตราการถายเทความรอนผานพื้นผิวท่ีมีพ้ืนที่ dA เขียนไดเปน

dq U TdA (2.9)

ที่ ∆T = Th - Tc คือ การแตกตางของอุณหภูมิระหวางของไหลรอนและเย็นที่จุดใดๆ

(local) จากสมการ (2.5)

h cd T dT dT

แทนคา hdT และ cdT จากสมการ (2.7) และ (2.8) จะได

h c

1 1d T dq

C C

แทนคา dq จากสมการ ( 2.9 ) และอินทิเกรตตลอดจะได

2 2

1 1h c

d( T) 1 1U dA

T C C

(2.10a)

2

1 h c

T 1 1ln UA

T C C

(2.10b)

แทนคา hC และ cC จากสมการ (2.3) และ (2.4) จะไดวา

19

h,i h,o c,o c,i2

1

T T T TTln UA

T q q

2h,i c,i h,o c,o

1

Tln UA T T T T

T

เนื่องจากอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนเปนแบบไหลตามกันจากรูปที่2.19 เห็นวา∆T1 = Th,i - Tc,i และ∆T2 = Th,o - Tc,o แทนคาและจัดรูปสมการขางบนใหมจะได

2 1

2 1

T Tq UA

ln( T / T )

เปรียบเทียบสมการขางบนกับสมการ (2.6) เราสรุปไดวาคาเฉลี่ยที่เหมาะสมสําหรับการแตกตางของอุณหภูมิ คือ อุณหภูมิเฉลี่ยแบบลอกาลิทึม (Log-mean temperature difference)

∆Tlm ดังนั้นเราเขียนไดวา

lmq UA T (2.11)

โดยที่ 2 1lm

2 1

T TT

ln( T / T )

(2.12)

สําหรับเครื่องไหลตามกัน

1 h,1 c,1 h,i c,iT T T T T (2.13a)

2 h,2 c,2 ho c,oT T T T T (2.13b)

2.2.1.2 อุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนแบบไหลสวนกัน (The Counterflow Heat

Exchanger)

การกระจายของอุณหภูมิในอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนแบบไหลสวนกัน (counterflow) แสดงในรูป 2.20 อุปกรณแลกเปล่ียนความรอนแบบน้ีแตกตางกับแบบไหลตามกัน

โดยที่ดานที่รอนกวาของของไหลทั้งสองอยูที่ปลายเดียวกัน สวนท่ีเย็นกวาของของไหลท้ังสองอยูที่

20

ปลายเดียวกัน ดวยเหตุผลน้ีคา ∆T = Th - Tc ที่ระยะ X ใดๆ จึงมีคาไมสูงเทากับที่ยานทางเขาของเครื่องแบบไหลตามกัน สังเกตไดวาอุณหภูมิที่ทางออกของของไหลท่ีเย็นกวาอาจสูงกวาอุณหภูมิที่ทางออกของของไหลท่ีรอนกวาได สมการ (2.3) และ (2.4) สามารถใชไดกับเครื่องแลกเปล่ียนความรอนทุกชนิดและดังนั้น จึงใชไดกับเครื่องแบบไหลสวนกันดวย นอกจากนั้นจากการวิเคราะหทํานองเดียวกับที่ไดทําในหัวขอ 2.2 เราก็จะพบวาสมการ (2.11) และ (2.12) ก็ยังสามารถใชไดกรณีนี้ แตการแตกตางของอุณหภูมิที่ปลายทั้งสองของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนแบบไหลสวนกันจะมีรูปเปน

1 h,1 c,1 h,i c,oT T T T T (2.14a)

2 h,2 c,2 h,o c,iT T T T T (2.14b)

รูปท่ี 2.20 การกระจายอุณหภูมิสําหรับอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนแบบไหลสวนกัน

2.2.1.3 เคร่ืองแลกเปล่ียนความรอนแบบของไหลผานหลายครั้ง (Multipass) และแบบไหลตั้งฉากกัน (Cross-Flow)

แมสภาพการไหลในเครื่องแบบเของไหลผานหลายครั้ง (multipass) และแบบไหลตั้งฉากกัน (cross-flow) จะยุงยากกวาที่ผานมา แตก็ยังสามารถใชไดโดยการดัดแปลงคา “log mean temperature difference” ตามสมการขางลาง

lm lm,CFT F T (2.15)

21

นั่นคือรูปแบบของ ∆Tim ที่เหมาะสมไดจากการคูณ ∆Tim ที่ไดถาเครื่องเปนแบบไหลสวนกันดวยตัวปรับแก (correction factor) ดังนั้นจากสมการ (2.15) ∆T1 = Th,i – Tc,o และ ∆T2 = Th,o – Tc,i

คาตัวปรับแก (F) สําหรับเครื่องแลกเปล่ียนความรอนที่มีการจัดรูปแบบที่พบไดทั่วไปแสดงในรูปที่ 2.7 สัญลักษณ (T,t) ใชแทนอุณหภูมิโดยท่ี t ใชสําหรับของไหลในหลอด (tubeside fluid)

ดังนั้นจึงไมจําเปนวาของไหลรอนหรือของไหลเย็นไหลเขาสูดานเปลือก (shell) หรือดานในทอ (tube)

สิ่งสําคัญที่ควรสังเกตคือถาการแตกตางของอุณหภูมิในของไหลหนึ่งนั้นนอยมาก จะเห็นวาไม P หรือ R จะเทากับศูนยและ F เทากับ 1 ดังนั้นเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนในกรณีนี้จึงมีลักษณะการทํางานที่ไมขึ้นอยูกับการจัดรูปแบบของเครื่อง กรณีดังกลาวนี้เกิดข้ึนเมื่อของไหลมีการเปลี่ยนสถานะ

รูปที่ 2.21 คาตัวคูณแกไข (Correction factor, F) ที่ใช สําหรับอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนชนิดตางๆ

22

รูปท่ี 2.22 คาตัวคูณแกไข (Correction factor, F ) ที่ใชในสมการท่ี (2.15) สําหรับอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนชนิดตางๆ (ตอ)

ตารางท่ี 2.1 คาโดยประมาณของสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนรวมสําหรับอุปกรณแลกเปล่ียนความรอน , [Overall heat transfer coefficient, U (W/m2.K)]

Type of heat exchanger U ( W/m2.K)

Water-to-water 850-1700

Water-to-oil 100-350

Water-to-gasoline or kerosene 300-100

Feedwater heaters 1000-8500

Steam-to-light fuel oil 200-400

23

ตารางท่ี 2.1 คาโดยประมาณของสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนรวมสําหรับอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอน , [Overall heat transfer coefficient, U (W/m2.K)] (ตอ) Steam-to-heavy fuel oil 50-200

Steam condenser 1000-6000

Freon condenser (water cooled) 300-1000

Ammonia condenser (water cooled) 800-1400

Alcohol condensers (water cooled) 250-700

Gas-to-Gas 10-40

Water-to-air in finned tubes (water in

tubes)

30-60

400-850

Steam-to-air in finned tubes (water in

tubes)

30-300

400-4000

2.2.2 การวิเคราะหอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนโดยวิธี ประสิทธิผล-หนวยการสงผานความรอน (Effectiveness and NTU)

การการคํานวณอัตราการถายเทความรอน ถาหากอุณหภูมิที่ทางออกของอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอน หรือ คาอัตราการไหลเชิงมวล ไมไดถูกกําหนดมาให หรือ ไมสามารถคํานวณหาไดจากการทําสมดุลพลังงาน การใชวิธี LMTD อาจไมสามารถทําไดหรือถาหากคํานวณไดจะยุงยากมาก ในที่นี้จะไดนําเสนอวิธีการของคาประสิทธิผล-หนวยการสงความรอน (Effectiveness-NTU)

คาประสิทธิผลของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอน (Effectiveness, ) คือ คาที่ใชแสดงประสิทธิภาพของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนนั้นซึ่งถูกกําหนดใหมีคาเทากับ

max

q actualheat transfer rateq maximum possible heat transfer rate

(2.16)

อัตราการถายเทความรอนที่ไดจริง (Actual heat transfer rate, q) ซึ่งจะคํานวณจากสมการการถายเทความรอน

24

.q mC( T) (2.17)

จะได c c,out c,inq C (T T ) (2.18)

h h,out h,inq C (T T ) (2.19)

เมื่อ .cc p,cC m C และ

.hh p,hC m C ซึ่ งหมายถึ งค า อัตราความจุความรอน (Heat

capacities rate) ของกระแสของไหลเย็นและรอนตามลําดับ

อัตราการถายเทความรอนสูงสุดที่เปนไปได (Maximum possible heat transfer rate,

maxq )

max min max min h,in c,inq C ( T ) C (T T ) (2.20)

เมื่อ Cmin หมายถึง อัตราความจุความรอนที่ต่ําท่ีสุดระหวางคา Ch และ Cc ดังนั้น อัตราการถายเทความรอนที่ไดจริง จึงคํานวณไดจาก

max min h,in c,inq q C (T T ) (2.21)

ในการวิเคราะหอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนโดยใชคาประสิทธิผล จะเก่ียวของกับตัวแปรไรมิติที่มีชื่อวา หนวยการสงผานความรอน (Number of transfer units, NTU)

min

UANTU

C

(2.22)

หรือพิจารณา จะไดวา

c ch h

min m min m

C TC TNTU

C T C T (2.23)

หรือคํานวณจากสัดสวนอุณหภูมิ h,i h,oh

m m

(T T )TNTU

T T

25

เมื่อ

h minC C และ c,o c,ic

m m

(T T )TNTU

T T

เมื่อ c minC C

ซึ่ง Tm คือ ผลตางอุณหภูมิเฉลี่ย คํานวณจาก

Tm = F Tm

หรือ Tm = Tm,h Tm,c (2.24) เมื่อ Ch คือ mh Cp,h คาความจุความรอนของอากาศรอน หนวยเปน (W.K) Cc คือ mc Cp,c คาความจุความรอนของนํ้า หนวยเปน (W.K) F คือ คาปรับแก หากพิจารณาอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนชนิดทอคูที่มีการไหลตามกัน (Double pipe

parallel-flow heat Exchanger)

h,out c,out s c

h,in c,in c h

T T UA Cln 1

T T C C

จัดรูปสมการเพ่ือหาคา Th,out

c

h,out h,in c,out c,inh

CT T T T

C

แทนคา Th,out จะได

ch,in c,out c,in c,out

s ch

h,in c,in c h

CT T T T

UA CCln 1

T T C C

26

c,out c,inc s c

h h,in c,in c h

T TC UA Cln 1 1 1)

C T T C C

(*)

จากสมการ qmax = Cmin (Th,in-Tc,in) และ qmax = Cc (Tc,out-Tc,in)

จะได

c,out c,in min

h,in c,in c

T T CT T C

แทนคาในสมการ (*) จะได

s cmin

max c h

UA CCln 1 1 1)

C C C

(2.25)

และสามารถเขียนใหอยูในรูปของสมการ Exponential เพ่ือที่จะไดคาประสิทธิผลของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนชนิดทอคูที่มีการไหลตามกัน ( the effectiveness of a double pipe

parallel-flow heat exchanger ) ดังนี้

min

max

min

max

C1 exp NTU 1

CC

1C

(2.26)

27

ในกรณีที่ใชอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนชนิดอ่ืนๆไดแสดงความสัมพันธระหวางคาของประสิทธิผลและคา NTU ไวใน ตารางที่ 2.2 และ 2.3

ตารางท่ี 2.2 ความสัมพันธระหวางคา NTU และ ของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนชนิดตางๆ Type of heat

exchanger

ความสัมพันธของ และ NTU

Double-pipe parallel

flow r

r

1-exp -NTU 1 C

1 C

Double-pipe counter

flow

r

r r

1 exp NTU 1 C

1 C exp NTU 1 C

Shell and tubes

12

r2r r 2

r

1 exp NTU 1 C2 1 C 1 C

1 exp NTU 1 C

Cross-flow

-both fluids unmixed

0.220.78

rr

NTU1 exp exp CNTU 1

C

- Cmax mixed,

Cmin unmixed r

r

11 exp 1 C 1 exp NTU

C

- Cmax mixed,

Cmin unmixed r

r

11 exp 1 exp CNTU

C

Condenser or boiler

(C=0) 1 exp NTU

เมื่อคา min

rmax

CC

C ที่มา: Cengel, 2006

28

ตารางท่ี 2.3 ความสัมพันธระหวางคา NTU และ ของอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนชนิดตางๆ

Heat exchanger type NTU relation

Double-pipe parallel flow

r

r

ln 1 1 CNTU

1 C

Double-pipe counter flow

r

1NTU

C 1

Shell and tubes

2

r r

2 2r r r

21 C 1 C1

NTU ln 21 C 1 C 1 C

Cross-flow

- Cmax mixed,

Cmin unmixed r

r

ln 1 CNTU ln 1

C

- Cmax mixed,

Cmin unmixed

r

r

ln C ln 1 1NTU

C

All heat exchanger ( C = 0 )

NTU ln 1

29

ตารางท่ี 2.3 ความสัมพันธระหวางคา NTU และ ของอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนชนิดตางๆ

(ตอ)

- Cmax mixed,

Cmin unmixed

r

r

ln C ln 1 1NTU

C

All heat exchanger ( C = 0 )

NTU ln 1

เมื่อคา minr

max

CC

C ที่มา: Cengel, 2006

รูปที่ 2.23 กราฟแสดงความสัมพันธระหวาง ประสิทธิผล-หนวยสงผานความรอน

ที่มา: http://app.eng.ubu.ac.th/~edocs/f20090629Thanarat13.pdf

30

รูปที่ 2.24 กราฟแสดงความสัมพันธระหวาง ประสิทธิผล-หนวยสงผานความรอน

ที่มา: http://app.eng.ubu.ac.th/~edocs/f20090629Thanarat13.pdf (ตอ)

2.3 เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบเทอรโมไซฟอน

เครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบเทอรโมไซฟอนเปนเครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบฮีทไปป(Heat pipe heat exchanger) ประเภทหน่ึง ประกอบดวยกลุมทอเทอรโมไซฟอนซึ่งการทํางานจะอาศัยการเปลี่ยนสถานะและความรอนแฝงท่ีเกิดข้ึนภายในของทอความรอนเปนตัวสงถายความรอน

2.3.1 ทอเทอรโมไซฟอน

ทอเทอรโมไซฟอนเปนทอความรอนชนิดหนึ่งและเปนอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนที่มีการทํางานโดยอาศัยหลักการเดือดและการกลั่นตัวของสารทํางานท่ีบรรจุอยูภายใน ซึ่งมีคุณสมบัติพิเศษคือมีคาการนําความรอนสูงมากเพราะคาความรอนแฝงของการระเหยของสารทํางานมีคาสูงมาก ซึ่งจะสามารถถายเทความรอนไดปริมาณมากจากปลายดานหนึ่งไปยังปลายอีกดานหน่ึง แมวาจะมีคาความแตกตางของอุณหภูมิที่ปลายทั้งสองดานเพียงเล็กนอย

ลักษณะของทอเทอรโมไซฟอนสามารถอฺธิบายไดดังรูป 2.23 คือ มีสารทํางานบรรจุอยูภายในภาชนะปดซึ่งเปนสุญญากาศและสวนทํางานแบงออกเปน 3 สวน คือ สวนระเหย สวนคงท่ีความรอน และสวนควบแนน

31

รูปที่ 2.25 แสดงลักษณะของทอเทอรโมไซฟอน

2.3.1.1 หลักการทํางาน

เมื่อสวนระเหยไดรับความรอนจากแหลงจายความรอน สารทํางานในสถานะของเหลวท่ีบรรจุกอยูภายในจะรอนข้ึนและเดือดระเหยกลายเปนไอลอยผานสวนคงที่ความรอนขึ้นไปยังสวนควบแนนที่จะคายความรอนสูแหลงรับความรอน สารทํางานในสถานะไอจะควบแนนเปนของเหลวแลวไหลลงกลับสูสวนระเหยตามเดิมเพ่ือรับความรอนอีก โดยอาศัยแรงโนมถวงของโลก ดังรูปที่ 2.24

รูปที่ 2.26 หลักการทํางานของทอเทอรโมไซฟอน

ที่มา: http://www.lepten.ufsc.br (2009)

32

2.3.1.2 ปจจัยการออกแบบทอความรอนแบบเทอรโมไซฟอน

การนําทอความรอนแบบเทอรโมไซฟอนไปใชงานใหไดประสิทธิภาพดีนั้นตองคํานึงถึงปจจัยหลายปจจัยตางๆ ดังนี้ ก) ทอบรรจุสารทํางาน ตองปองกันการรั่วไหลของสารทํางาน สามารถสงถายความรอนเขาและออกของสารทํางาน และสามารถควบคุมความแตกตางของความดันระหวางผนังได ซึ่งปจจัยในการเลือกวัสดุเพื่อผลิตทอตองคํานึงถึงปจจัยหลายอยาง ดังนี้ - การนําความรอน

- งายในการติดตั้งและข้ึนรูป

- ความสามารถในการใชรวมกับสารทํางาน

- มีความพรุนต่ํา - อัตราสวนความแข็งแกรงตอน้ําหนัก

- ความเปยกได ข) สารทํางาน เปนสารที่บรรจุไวภายในทอเทอรโมไซฟอน ควรเลือกสารทํางานท่ีใชในชวงอุณหภูมิไอท่ีตองการ ซึ่งการเลือกใชสารทํางาน ควรพิจารณาถึงสิ่งตางๆ ดังนี้ - ตองเขากันไดกับผนังทอ

- ความดันไอที่เกิดขึ้นขณะทํางานตองไมสูงเกินไป

- มีความเสถียรภาพทางความรอนดี - สามารถเปยกกับผนังทอได - มีความรอนแฝงสูง - มีแรงตึงผิวสูง - การนําความรอนสูง - มีความหนืดในสถานะของเหลวและไอต่ํา - มีจุดเทและจุดแข็งตัวที่ใชงานได 2.3.1.3 ขีดจํากัดอัตราการถายเทความรอนสูงสุด

สมรรถนะในการถายเทความรอนของเทอรโมไซฟอน จะขึ้นอยูกับตัวแปรตางๆ เชน ปริมาณการเติมสารทํางาน มุมเอียง สัดสวนความยาวตางๆ ของทอ ชนิดสารทํางาน ปริมาณความรอนที่ปอนเขาสูสวนทําระเหย หากมีการกําหนดหรือควบคุมตัวแปรตางๆ ในการสรางเทอรโมไซฟอน

หรือการนําไปใชงานไมเหมาะสมก็จะทําใหเทอรโมไซฟอนมีความสามารถในการถายเทความรอนต่ําลงหรือไมสามรถถายเทความรอนไดในที่สุด ผลจากการเปลี่ยนตัวแปรที่ไมเหมาะสมจะทําใหเกิดขีดจํากัดเนื่องจากกลไกการถายเทความรอนในเทอรโมไซฟอน

33

รูปที่ 2.27 ขีดจํากัดการถายเทความรอนในเทอรโมไซฟอน

ขีดจํากัดการถายเทความรอนที่สําคัญของเทอรโมไซฟอน ประกอบไปดวย ขีดจํากัดความดันไอ (Vapor pressure limit) ขีดจํากัดความเร็วเสียง (Sonic limit) ขีดจํากัดการแหง (Dry

out limit) ขีดจํากัดการเดือด (Boiling limit) และขีดจํากัดการไหลสวนทาง (Counter- current

flow limit) 2.3.1.3.1 ขีดจํากัดความดันไอ (Vapor pressure limit)

เมื่อใชเทอรโมไซฟอน ที่ความดันต่ํากวาบรรยากาศ ความดันตกของไอจะมีผลตอการถายเทความรอนเทียบเทากับความดันในสวนทําระเหยวิธีที่ใชหาขีดจํากัดความดันไอสามารถที่จะหาไดจากสมการทางทฤษฎีดังนี้

2max v v

v eff

Q D PAL 64 L

(2.27)

เมื่อ eff e a cL 0.5l l 0.5l (2.28)

2.3.1.3.2 ขีดจํากัดความเร็วเสียง (Sonic limit)

การใชงานเทอรโมไซฟอน ที่ความดันต่ําความเร็วไอมีคาเขาใกลความเร็วเสียงวิธีที่จะหาขีดจํากัดความเร็วเสียง สามารถที่จะประมาณไดจากอัตราการถายเทความรอนสูงสุด จากสมการ 0.5max

v vQ

0.5 PAL

(2.29)

34

2.3.1.3.3 ขีดจํากัดการแหง (Dry out limit)

ขีดจํากัดนี่จะเกิดขึ้นได 2 กรณี คือ เมื่อเติมปริมาณสารทํางานนอยเกินไป และเม่ือเติมปริมาณสารทํางานมากเกินไป ดังนี้ ก) การเติมสารทํางานนอยเกินไป หากมีการใหความรอนในสวนทําระเหยสูงจะทําใหของเหลวสวนลางเริ่มแหง อุณหภูมิของผนังจะคอยๆเพิ่มขึ้นดังแสดงในรูปที่ 2.26

รูปที่ 2.28 แสดงการแหงเมื่อปริมาณการเติมสารทํางานนอย

ข) เมื่อเติมสารทํางานมากเกินไป จะทําใหสารทํางานระเหยกลายเปนไอไดมากข้ึนและระดับของของเหลวลดลงอยางชาๆ ดังแสดงในรูปที่ 2.27

รูปที่ 2.29 แสดงการแหงเมื่อปริมาณการเติมสารทํางานมาก

ผลตอมาจะมีแรงเฉือนระหวางความเร็วของไอกับของเหลวท่ีควบแนนสูงขึ้นจะทําใหเกิดการสะสมของของเหลวในชวงการควบแนนมากข้ึนก็จะทําใหเกิดการแหงเหนือแองของเหลว อุณหภูมิของผนังทอก็จะสูงขึ้น เมื่อน้ําหนักของของเหลวท่ีควบแนนมากกวาแรงของไอ ของเหลวจะตกลงสูชวงการระเหยและจะทําใหอุณหภูมิของผนังแกวงไปมา

35

2.3.1.3.4 ขีดจํากัดการเดือด (Boiling limit)

ขีดจํากัดการเดือดจะเกิดขึ้นเมื่อ เกิดแผนฟลมของไอขึ้นที่ผนังทอในสวนทําระเหยซึ่งกําหนดเปนการถายเทความรอนสูงสุดตอพ้ืนที่ดังสมการ

0.250.5maxv g 1 v

e

Q0.12L

S (2.30)

Se คือ พ้ืนที่ผิวทอดานในของสวนทําระเหย

คือ แรงตึงผิวของของเหลว

2.3.1.3.5 ขีดจํากัดการไหลสวนทาง (Counter – Current flow limit)

เมื่อเติมสารทํางานพอเหมาะที่จะไมทําใหเกิดการแหงขึ้น ขีดจํากัดอัตราการถายเทความรอนจะขึ้นอยูขีดจํากัดอ่ืนๆ คือขีดจํากัดการหลุดลอยของของเหลวโดยไอของสารทํางานที่ไหลสวนทางกับฟลมของเหลวซึ่งมักเรียกปรากฏการณนี้วา การทวม (Flooding) หรือขีดจํากัดการหลุดลอย (Entrainment limit) ซึ่งอัตราการถายเทความรอนสูงสุดที่เกิดขีดจํากัดนี้ขึ้น หาไดจากสมการ

0.250.5max1 2 3 v 1 v

Qf f f g

AL (2.31)

โดย f1 คือฟงกชั่นของคา Boud number ซึ่งนิยามจาก

0.51 vBo d g

(2.32)

เมื่อ f1 สามารถหาไดจากรูปที่ 2.28 ซึ่งเปนกราฟแสดงความสัมพันธระหวาง Bo กับ f1 แตถาเมื่อ Bo > 11 แลว f1 = 8.2

f2 คือ ฟงกชั่นของตัวแปรไรมิติของความดัน (Kp) ซึ่งนิยามจาก

v

P 0.51 v

PK

g

(2.33)

36

โดย f1 = KP-0.17 เมื่อ 4

4 10pK

f2 = 0.165 เมื่อ 44 10pK

f3 คือ ฟงกชั่นของการเอียงทอ เมื่อทออยูในแนวด่ิง f3= 1 เมื่อทอเอียงคา f3สามารถหาไดจากรูปที่ 2.29 ซึ่งเปนกราฟแสดงความสัมพันธระหวางมุมเอียงกับ f3 ที่คา Bo ตางๆ ผลคูณของ f1f2f เรียกวา Kutateladza number

รูปที่ 2.30 แสดงความสัมพันธระหวางตัวเลขของบอนดกับคา f1

รูปที่ 2.31 แสดงความสัมพันธระหวางมุมเอียงของทอกับคา f3

37

2.3.1.4 ความตานทานความรอนรวม (Overall thermal resistance)

ความตานทานความรอนทั้งหมด Z1 ถึง Z9 สามารถแสดงในรูปที่ 2.30

รูปที่ 2.32 แสดงวงจรความตานทานความรอนของเทอรโมไซฟอน

38

Z1 และ Z9 คือความตานทานความรอนจากการพาความรอนระหวางแหลงใหความรอนกับผิวภายนอกของสวนทําระเหย และระหวางพื้นผิวภายนอกของสวนควบแนนกับแหลงรับความรอน ตามลําดับ ซึ่งคํานวณไดจาก

1

eo eo

1Z

h S

และ 9

co co

1Z

h S

(2.34)

เมื่อ heo คือ สัมประสิทธิ์การพาความรอนของของไหลผานผิว W/m2·K Seo คือ พื้นที่ผิวทอภายนอกสวนทําระเหย หนวยเปน m2

Sco คือ พื้นที่ผิวทอภายนอกสวนควบแนน หนวยเปน m2

Z2 และ Z8 คือ ความตานทานความรอนจากการนําความรอนตามขวางกับผนังทอในสวนทําระเหยและสวนควบแนน ตามลําดับ สําหรับความหนาของทอ t x

o i2

e x

ln D / DZ

2 l

และ o i8

c x

ln D / DZ

2 l

(2.35)

เมื่อ DO คือ ขนาดเสนผาศูนยกลางภาบนอกทอ หนวยเปน m

Di คือ ขนาดเสนผาศูนยกลางภายในทอ หนวยเปน m

el คือ ความยาวสวนทําระเหย หนวยเปน m

Xλ คือ สัมประสิทธิ์การนําความรอนของผนังทอ หนวยเปน W/m·K

Z3 และ Z7 คือ ความตานทานความรอนภายใน ของการเดือดและการควบแนนของของไหลในเทอรโมไซฟอน ซึ่งขึ้นอยูกับคุณสมบัติของของไหล ขนาดของเทอรโมไซฟอน และอัตราการถายเทความรอน

Z4 และ Z6 คือ ความตานทานความรอนที่เกิดขึ้นบริเวณผิวสัมผัสระหวางไอกับของเหลวในสวนทําระเหยและสวนควบแนนตามลําดับ โดยทั่วไปมีคานอยมาก และจะไมนํามาคิด

Z5 คือ คาความตานทานความรอนประสิทธิผลเนื่องจากความดันตกของไอที่ไหลจากสวนทําระเหยไปยังสวนควบแนนผลของความดันตกนี้ทําใหอุณหภูมิอ่ิมตัวของไอลดลง การลดลงของอุณหภูมิอ่ิมตัวจะทําใหอัตราการถายเทความรอนลดลง ดังนั้น Z5 เปนอุณหภูมิตกระหวางสวนทําระเหยกับสวน

39

ควบแนน หารดวยอัตราการถายเทความรอนเม่ือทํางานตํ่ากวาอัตราการถายเทความรอนสูงสุด Z5 มีคานอยมากเม่ือเทียบกับ Z3 และ Z7

Z3 และ Z7 คือคาความตานทานความรอนภายในของการเดือดและการควบแนนของสารทํางานในทอเทอรโมไซฟอน โดยขึ้นอยูกับคุณสมบัติของของไหล ขนาดทอเทอรโมไซฟอน และอัตราการถายเทความรอน สําหรับคา Z3 สามารถคํานวณหาได 2 กรณี ดังนี้ Z3p คือ คาความตานทานของของเหลวที่เกิดข้ึนจากแหลงของเหลว สามารถคํานวณไดดังนี้

3p 0.2 0.4 0.6

3 i e

1Z

g Q ( Dl ) (2.36)

และ 0.65 0.3 0.7l l pl v

3 0.25 0.4 0.1av 1

k c P0.32

PL

(2.37)

โดยที่คาการถายเทความรอน (Q) หาจาก

1 2 8 9

TQ

Z Z Z Z (2.38)

เมื่อ คือ แรงโนมถวงของโลก หนวยเปน (m/s2)

คือ คุณสมบัติทางกายภาพการเดือด คือ ความหนาแนนสารทํางานสถานะของเหลว หนวยเปน(kg/m3) คือ ความหนาแนนสารทํางานสถานะของไอ หนวยเปน (kg/m3)

คือ คาการนําความรอนของของเหลว หนวยเปน (W/m.K)

คือ คาความจุความรอนของของเหลว หนวยเปน (J/kg.K)

คือ คาความหนืดจลนของของเหลว หนวยเปน (kg/m.s)

คือ ความดันไอ หนวยเปน (Pa)

คือ ความดันบรรยากาศ หนวยเปน(Pa)

Z3f คือZ3f ความตานทานของของเหลวท่ีเกิดขึ้นจากฟลมของเหลวในสวนรับความรอน สามารถคํานวณไดดังนี้

40

1/3

3f 4/3 1/3 4/3i e 2

CQZ

D g l (2.39)

และ 1/43 2f f

2f

Lk (2.40)

โดยที่ คือ เสนผานศูนยกลางภายในทอ หนวยเปน (m) 2 คือ คุณสมบัติทางกายภาพการควบแนน หนวยเปน (kg/K0.75.S25) โดยคา Z3 ที่เลือกใช มีเงื่อนไขวา ถา Z3p > Z3f จะได Z3 = Z3p (2.41) และ ถา Z3p < Z3f จะได Z3 = Z3p F + Z3f (1 - F) (2.42)

F คือ อัตราการเติม (Filling Ratio),(%)

โดย อัตราการเติม (Filling Ratio ) คํานวณไดจาก

1

e

VF

AL

(2.43)

เมื่อ V1 คือ ปริมาตรของสารทํางานที่เติมลงไป (m3) Le คือ ความสูงของสวนของการทําระเหย (m) A คือ พ้ืนที่หนาตัดของทอเทอรโมไซฟอน (m2)

1/3

7 4/3 1/3 4/3i c 2

0.335QZ

D g l (2.44)

โดยที่ Q หาจากสมการ (2.38) Di คือ เสนผานศูนยกลางภายใน หนวยเปน (m) lc คือ ความยาวสวนควบแนน หนวยเปน (m)

41

ในทางปฏิบัติเปนการยากท่ีจะเกิดแผนฟลมของเหลวที่มีลักษณะเรียบท่ีผนังดานในทอเนื่องจากแผนฟลมมีลักษณะเปนคลื่นและแผนฟลมที่ไหลลงดานลางเกิดการหอบกลับและเกิดการแหง โดยทั่วไปความตานทานความรอนจะลดลงเมื่อเกิดคลื่นบนผิวของฟลมของเหลว สมการ (2.41)

และ (2.42) ใชไดดีก็ตอเมื่อ 100< Ref < 1300 โดยคา Renolds number คํานวณจาก

f

l i

4QRe

L D (2.45)

โดยที ่ L คือ ความรอนแฝงของการกลาบเปนไอ หนวยเปน (J/kg) คือ ความหนืดจลนของของเหลว หนวยเปน (m2/s)

โดยเงื่อนไขของคา Ref < 100 คาความตานทานความรอนที่แทจริงจึงมีคาสูงกวาทางทฤษฎี โดยสมการที่ 2.47 จึงใชไดเฉพาะในชวง 100< Ref < 1300 และถา Ref < 1300 แผนฟลมจะมีลักษณะเปนคลื่นและเกิดการไหลปนปวนในแผนฟลมซึ่ง Z7 คํานวณไดจาก

0.7337 f 7 fZ (Re 1300) Z 191Re (2.46)

สมการน้ีใชสําหรับทอแนวด่ิง อุณหภูมิใกลอุณหภูมิวิกฤตและคา Ref อยูในชวง 1000 ถึง 14000 คาจากการทดลองของ Z7 จะมีความถูกตองประมาณ 70-78% ของคาที่ไดจากสมการ (2.48) Z4 และ Z6 คือ คาความตานทานความรอนที่เกิดขึ้นเนื่องจากไอสารทํางานมีสถานะเปนของผสมไอและของเหลวในสวนรับความรอนและสวนควบแนนตามลําดับ ซึ่งมีคานอยมากจึงไมนําคิดสามารถตัดทิ้งได Z10 คือ ความตานทานความรอนตามแนวแกนของผนังทอซึ่งการถายเทความรอนเปนแบบการนําความรอนซึ่งสามารถหาไดจาก

e a c10

x x

0.5l l 0.5lZ

A (2.47)

เมื่อ Ax คือ พ้ืนที่หนาตัดของผนังทอ หนวยเปน m2

42

สําหรับการทํางานปกติของเทอรโมไซฟอน คือ สวนทําระเหยอยูต่ํากวาสวนควบแนนการนําความรอนตามแนวแกนจะมีสวนชวยนอยมาก อาจใชกฎของ Thermal diode ซึ่งเกณฑที่ใชพิจารณามีดังนี ้

10

2 3 5 7 820

Z Z Z ZZ

Z (2.48)

ถาเปนไปตามสมการท่ี (2.45) ความตานทานความรอนรวมประมาณไดจาก

1 2 3 5 7 8 9Z Z Z Z Z Z Z Z (2.49)

ถาไมเปนไปตามสมการ (2.45) ความตานทานความรอนรวมประมาณไดจาก

1

111 2 3 5 7 8 9

10

1 Z Z Z Z Z Z Z Z

Z (2.50)

ซึ่งกลับทิศการไหลของความรอนใน Thermal diode จะไมมีการถายเทความรอนภายใน และความตานทานความรอนรวมจะหาคาไดจาก

1 9 10Z=Z +Z +Z (2.51)

2.3.1.5 การหาอัตราการถายเทความรอน จากทําการศึกษาจะพบ วาสวนควบแนน จะตองมีการระบายความรอนออก เพ่ือให

สาร ทํางานที่เปนไอกลั่นตัวกลายเปนของเหลวแลวกลับมายังสวน ทําระเหย โดยอาศัยแรงโนมถวงของโลก ดังนั้นจึงออกแบบท่ีระบายความรอนโดยใชหยดน้ํา เปนตัวทําระเหยตรงสวน ควบแนนใหมีการถายเทความรอนที่ดี โดยที่อัตราการ ถายเทความรอนสูงสุดคํานวณไดจากสูตรหาอัตราการถายเทความรอน ของกาลักความรอน (Thermosyphon )ไดดังนี้

total

TQ

Z (2.52)

43

เมื่อ Ztotal คือ ตัวตานทานความรอนทั้งหมด (oC/W)

∆T คือ ผลตางของอุณหภูมิระหวางแหลงความรอนกับแหลงที่ ตองการระบายความรอน (oC)

สวนการหาผลตางของอุณหภูมิระหวางแหลงความรอนกับแหลงที่ตองการระบายความรอน หาไดจากสมการ

so si hT T T T (2.53)

เมื่อ Tso คือ อุณหภูมิในสวนของการทําระเหย(เคลวิน)

Tsi คือ อุณหภูมิในสวนของการควบแนน(เคลวิน)

Th คือ อุณหภูมิเฉลี่ยที่แตกตางกันของสารทํางานอันเนื่องมาจาก

ความดันสถิตย(เคลวิน)

โดยพบวา Th คือ อุณหภูมิเฉลี่ยที่แตกตางกันของสารทํางานอันเนื่องมาจากความดันสถิตยคํานวณไดจาก

p vh

T TT F

2 (2.54)

เมื่อ

Tp คือ อุณหภูมิในสวนของดานลางสุดของสวนทําระเหย (K)

Tv คือ อุณหภูมิในสวนของดานบนสุดของสวนทําระเหย (K) F คือ อัตราการเติม (Filling Ratio),(%)

2.4 วิธีการคํานวณหาคาการถายเทความรอนของเครื่องแลกเปล่ียนความรอนชนิดทอเทอรโมไซฟอน (Thermosyphon heat exchanger)

ในการคํานวณเคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอนชนิดทอเทอรโมไซฟอนนั้น ในขั้นเริ่มตนจําเปนท่ีจะตองรูขอมูลและลักษณะทางกายภาพของทอเทอรโมไซฟอนที่ใชภายในเคร่ืองแลกเปล่ียนความรอน ไดแก ชนิดของทอ จํานวนทอ ขนาดเสนผาศูนยกลาง ความยาวของทอในแตละสวน (สวนทําระเหย สวนควบแนนและสวนคงที่ความรอน) และความหนาของทอ รวมถึงชนิดของสารทํางาน อัตราการ

44

ไหลของของไหลทั้งสายรอนและสายเย็น อุณหภูมิทางเขาของของไหลทั้งสายรอน (Th,i) และสายเย็น (Tc,i)

เมื่อทราบขอมูลที่ใชสําหรับในการคํานวณคาความรอนของเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนดังที่ไดกลาวไวขางตนแลวนั่น จะเห็นไดวามีขอมูลท่ีจําเปนตอการคํานวณคาความรอนที่ไมทราบอยูก็คือ อุณหภูมิทางออกของของไหลท้ังสายรอน (Th,o) และสายเย็น (Tc,o) ทําใหตองทําการสุมคาใดคาหนึ่งเพ่ือทําการหาอีกอีกคาหนึ่ง โดยอาศัยความสัมพันธที่วาคาการถายเทความรอนระหวางของไหลท้ังสองสายมีคาเทากัน (Qh=Qc)

ถาทําการสุมคาอุณหภูมิทางออกของสายรอน (Th,o) สามารถหาคาความรอน (Qh) จากสมการ (2.19) แลวทําการหาคาอุณหภูมิทางออกของของไหลสายเย็น (Tc,o) จากสมการ (2.18) โดยใชความสัมพันธดังที่กลาวไว (Qh=Qc) แตถาทําการสุมคาอุณหภูมิทางออกของของไหลสายเย็น (Tc,o)

สามารถหาคาความรอน (Qc) จากสมการ (2.18) แลวก็หาคาอุณหภูมิทางออกของของไหลสายรอน (Th,o) จากสมการ (2.19)

เมื่อเราไดอุณหภูมิครบท้ัง 4 คา คือ อุณหภูมิทางเขาของของไหลสายรอน (Th,i), อุณหภูมิทางเขาของของไหลสายเย็น (Tc,i) อุณหภูมิทางออกของของไหลสายรอน (Th,o) และอุณหภูมิทางออกของของไหลสายเย็น (Tc,o) ทําการหาอุณหภูมิเฉลี่ยเชิงลอกาลิทึม ( Tlm) จากสมการ (2.12)

จากน้ันทําการหาคาความตานทานความรอนของทอความรอนชนิดเทอรโมไซฟอน (Thermosyphon) โดยทําการหาคาความตานทานความรอนจากการพาความรอนระหวางแหลงใหความรอนกับผิวภายนอกของสวนทําระเหย (Z1), ความตานทานความรอนจากการพาความรอนระหวางพ้ืนผิวภายนอกของสวนควบแนนกับแหลงรับความรอน (Z9) จากสมการ (2.34) ความตานทานความรอนจากการนําความรอนตามขวางกับผนังทอในสวนทําระเหย (Z2) และความตานทานความรอนจากการนําความรอนตามขวางกับผนังทอในสวนควบแนน (Z8) จากสมการ (2.35)

เมื่อไดคาความตานทานความรอนขางตนแลวก็ทําการหาคาความตานทานความรอนรวม (Ztotal) จากผลรวมของคาความตานทานความรอนท่ีหาไวในขางตน จากนั้นทําการหาคาการถายเทความรอน (Q)

จากสมการ lm

total

TQ

Z (2.55)

นําคาการถายเทความรอนที่ได ไปหาคาอุณหภูมิในสวนของดานบนสุดของสวนทําระเหย (Tv) จาก

v h 1 2 3T T Z Z Z Q (2.56)

45

เมื่อไดคาอุณหภูมิในสวนของดานบนสุดของสวนทําระเหย (Tv) มาแลว ใหนําคาไปเปดตารางคุณสมบัติตางๆ ของสารทํางานที่เลือกใช เพ่ือนําคาคุณสมบัติตางๆ เหลานั้นมาทําการหาคา Z3p Z3f

และ Z7 จากสมการ (2.36), (2.39) และ (2.44) ตามลําดับ หลังจากนั้นจึงนํา Z3 กับ Z7 ที่ไดไปรวมกับ Z1, Z2, Z8 และ Z9 จะได Ztotal คาใหม นําคา Ztotal นี้ไปทําการคํานวณหาคาการถายเทความรอน (Q) จากสมการ (2.52) แลวนําคาการถายเทความรอนที่ไดไปเปรียบเทียบกับคาที่ไดในตอนแรก วามีความถูกตองหรือผิดพลาดมากนอยเพียงใด ถาคาการถายเทความรอนทั้งสองคามีคาผิดพลาดเยอะหรือวาไมอยูในเกณฑที่ยอมรับ ใหทําการคํานวณซ้ําอีกรอบ โดยรําคาการถายเทความรอน (Q) ที่ไดลาสุดมาทําการแทนคาเพ่ือหาคาอุณหภูมิในสวนของดานบนสุดของสวนทําระเหย (Tv) หลังจากนั้นก็ทําการคํานวณเหมือนเดิม จนกวาคาการถายเทความรอน (Q) ทั้งคาที่ไดในตอนแรกกับตอนหลังซ่ึงอยูในรอบการคํานวณเดียวกันมีคาใกลเคียงกันมากที่สุดหรืออยูในเกณฑท่ียอมรับได เมื่อไดคาการถายเทความรอน (Q) ที่ใกลเคียงกันทั้งคาในตอนแรกกับตอนหลังแลว ก็นําคาการถายเทความรอน (Q) ซึ่งเปนคาการถายเทความรอนของทอเทอรโมไซฟอน 1 ทอ (QTS) ไปคํานวณหาคาการถายเทความรอนรวมของเคร่ืองแลกเปล่ียนความรอน (QEX) จาก

QEX = nQTS (2.57)

เมื่อ QEX คือ คาการถายเทความรอนรวมของเคร่ืองแลกเปล่ียนความรอน มีหนวย (W)

QTS คือ คาการถายเทความรอนของทอเทอรโมไซฟอน 1 ทอ มีหนวย (W)

n คือ จํานวนทอเทอรโมไซฟอนท้ังหมดในเคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอน

จากความสัมพันธที่วาคาการถายเทความรอนรวมของเครื่องแลกเปล่ียนความรอนจะมีคาเทากับคาการถายเทความรอนของไหลของไหลทั้งสายรอน (QH) และคาการายเทความรอนของของไหลสายเย็น (Qc) จะไดวา QEX = QH = QC (2.58)

ถาในขางตนทําการสุมคาอุณหภูมิทางออกของของไหลสายรอน (Th,o) ใหทําการหาคาอุณหภูมิทางออกของของไหลสายรอน (Th,o) คาใหมจากสมการ (2.19) โดยใชความสัมพันธในสมการที่ (2.55) แตถาสุมคาอุณหภูมิทางออกของของไหลสายเย็น (Tc,o) ในตอนตน ใหทําการหาคาอุณหภูมิ

46

ทางออกของของไหลสายเย็น (Tc,o) คาใหมจากสมการ (2.18) โดยใชความสัมพันธดังแสดงในสมการที่ (2.55) เชนกัน

เมื่อไดอุณหภูมิทางออกของของไหลคาใหมแลว ใหทําการตรวจสอบคาอุณหภูมิทางออกของของไหลสายรอน (Th,o) หรือคาอุณหภูมิทางออกของของไหลสายเย็น (Tc,o) คาใหม (ขึ้นอยูกับวาในขั้นตนไดทําการสุมคาใดไว) กับคาที่ไดทําการสุมไวในตอนแรกวามีความคลาดเคลื่อนมากนอยเพียงใด ถามีความคลาดเคลื่อนมากหรือไมอยูในเกณฑที่สามารถยอมรับได ใหทําการคํานวณซ้ําใหมอีกรอบ โดยคาอุณหภูมิทางออกของของไหลท่ีไดใหมไปทําการคํานวณซํ้าเพ่ือหาคาอุณหภูมิทางออกของของไหลอีกสายหนึ่ง เพื่อเร่ิมทําการคํานวณใหมอีกรอบจนกวาจะไดคาท่ีมีความคลาดเคล่ือนนอยที่สุดหรือสามารถอยูในเกณฑที่ยอมรับไดจึงจะจบการคํานวณ

ในการพิจารณาคาอัตราสวนความตานทานความรอนดานผิวรอน ( ) และคาอัตราสวนความตานทานความรอนดานผิวเย็น ( ) ดังท่ีกลาวมาขางตน จะพบวามีเทอมของคาผลคูณของสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนกับคาพ้ืนผิวแลกเปล่ียนความรอน (UA) หายไปในระหวางการพิจารณา ทําใหสมการท่ี (3.31) และ (3.32) ไมสามารถนํามาใชในการอธิบายการเพ่ิมขึ้นหรือลดลงของคาผลคูณของสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนกับคาพ้ืนผิวแลกเปล่ียนความรอน (UA) ได ทําใหตองมีการสรางเทอมความสัมพันธที่จะแสดงจํานวนเทาของคาผลคูณของสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนกับคาพ้ืนผิวแลกเปลี่ยนความรอน (UA) ที่เพ่ิมข้ึนหรือลดลง เมื่อทําการกําหนดให คือ ตัวคูณจํานวนของคาหนวยการสงผานความรอน

*

h,1 h,1NTU NTU (3.59)

เมื่อพิจารณาดานผิวเย็นจะไดความสัมพันธดังนี้ *

c,1 c,1NTU NTU (3.60)

หรือ

c c,1c,1

LMTD h c,n

Q ANTU

T C A (3.61)

จากความสัมพันธที่วา s,1

s,n L

A 1A N

47

จัดรูปสมการที่ (3.33) และ (3.34) ใหม จะไดวา

h

h,1LMTD h L

QNTU

T C N (3.62)

cc,1

LMTD c L

QNTU

T CN (3.63)

สมการประสิทธิผลเครื่องแลกเปล่ียนความรอนชนิดเทอรโมไซฟอน จากฝงระเหย

(3.64)

จากฝงควบแนน

(3.65)

เมื่อคา Ch/CL = 0 และคา Cc/CL = 0

(3.66)

และ

(3.67)

เมื่อคา Cc > Ch

(3.40)

48

เมื่อคา Ch > Cc

(3.41)

2.5 งานวิจัยท่ีเกี่ยวของ

2.5.1 A design procedure for gravity-assited heat pipe heat exchanger

ทําการวิจัยโดย E. Azad and F.Geoola (1984) เปนบทความการวิจัยที่มีเนื้อหาเกี่ยวกับ ขั้นตอนการออกแบบสําหรับอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนแบบทอความรอนโดยอาศัยแรงโนมถวงชวยในการไหลยอนกลับของสารทํางานหรือเรียกวา ทอเทอรโมไซฟอน ซึ่งไดนําเสนอถึงวิธีการออกแบบอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนโดยวิเคราะหจากรูปแบบของประสิทธิผลของอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนกับคาอัตราสวนความจุความรอนจําเพาะของสารทํางาน จะนํามาเทียบระยะหางระหวางทอ ทิศทางการไหล จํานวนครีบตอเมตร ความหนาของครีบ และความยาวของสวนรับความรอนและสวนระบายความรอน

ในการศึกษาการทํานายประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบเทอรโมไซฟอนน้ันไดกําหนดและเปลี่ยนตัวแปรคือ ความหนาของครีบจาก 0.0003-0.0004 m, ระยะหางตามขวางของทอจาก 0.03125-0.1 m, จํานวนครีบตอความยาว 1 m จาก 315-551,และความยาวทอจาก 0.25-1 m และจํานวนของแถวในทิศทางการไหลเปน 6 แถว พิจารณารูปที่ 2.31 การเปลี่ยนแปลงคาประสิทธิผลรวมกับอัตราสวนความจุความรอน(C e/Cc) สําหรับคาตางๆของจํานวนครีบตอ 1 m ซึ่งคาประสิทธิผลเพ่ิมข้ึนเมื่อเพิ่มจํานวนของครีบ

49

รูปที่ 2.33 แสดงแผนภูมิ Overall effectiveness as a function of capacity rate ratio for

different values of N

พิจารณารูปที่ 2.32 การเปลี่ยนแปลงคาประสิทธิผลรวมกับอัตราสวนความจุความรอน (C e/Cc) สําหรับคาตางๆของระยะหางตามขวางของทอ (St) จะเห็นวาระยะหางตามขวางของทอเพ่ิมขึ้นจะทําใหคาประสิทธิผลรวมลดลง ซึ่งการลดคาระยะหางตามขวางของทอจาก 0.1 ถึง 0.03125 m และท่ีอัตราสวนความจุความรอน 1.5 ทําใหคาประสิทธิผลเพ่ิมขึ้นจาก 43% ถึง 52.75%


different values of St

50

พิจารณารูปที่ 2.33 การเปลี่ยนแปลงคาประสิทธิผลรวมกับอัตราสวนความจุความรอน (C e/Cc) สําหรับคาตางๆของความหนาของครีบ ซึ่งการเพ่ิมขึ้นของความหนาของครีบทําใหคาประสิทธิผลเพิ่มข้ึน


different values of tf

พิจารณารูปที่ 2.34 การเปลี่ยนแปลงคาประสิทธิผลรวมกับอัตราสวนความจุความรอน (C e/Cc) สําหรับคาตางๆของความยาวสวนทําระเหยและสวนควบแนน ซึ่งการเพ่ิมข้ึนของความยาวทอจาก 0.25 ถึง 1 m ทําใหเพ่ิมประสิทธิผลรวม

51


different values of l

พิจารณารูปที่ 2.35 การเปลี่ยนแปลงความดันลดกับความเร็วท่ีผิวในสวนควบแนนซ่ึงถาความดันลดเพ่ิมข้ึนความเร็วก็จะเพ่ิมข้ึน

รูปที่ 2.37 แสดงแผนภูมิ Pressure drop versus face velocity in the condenser section

52

พิจารณารูปที่ 2.36-2.38 การเปล่ียนแปลงคาประสิทธิผลรวมกับอัตราสวนการนําความรอน (UA*) สําหรับคาตางๆของหนวยการสงผานความรอน (NTU0) ที่อัตราสวนความจุความรอน (C e/Cc) เทากับ 2, 1.33, และ 1 ตามลําดับ หากกําหนดคาอัตราสวนการนําความรอน (UA*) ใหคงที่เราจะไดวาประสิทธิผลรวมจะเพ่ิมขึ้นหากหนวยการสงผานความรอน (NTU0) มากขึ้น สําหรับการออกแบบนั้นจะมีชวงของการออกแบบสําหรับคาอัตราสวนการนําความรอน (UA*) คอนขางท่ีจะกวางซึ่งชวงการออกแบบเหลานี้จะมีคาความผิดพลาดไมเกิน 5% ของการคํานวณคาประสิทธิผลรวมที่เกิดขึ้นบนเสนโคงของคาหนวยการสงผานความรอน (NTU0) เทากับ 1

รูปท่ี 2.38 แสดงแผนภูมิ Optimum design range of UA* for Ce/Cc =2

53

รูปที่ 2.39 แสดงแผนภูมิ Optimum design range of UA* for Ce/Cc =1.33

รูปท่ี 2.40 แสดงแผนภูมิ Optimum design range of UA* for Ce/Cc =1

54

2.5.2 Design of water-to-air gravity-assited heat pipe heat exchanger

ทําการวิจัยโดย E. Azad , F. Bahar and F. Moztarzadeh (1985) เปนบทความการวิจัยที่มีเนื้อหาเก่ียวกับการการออกแบบอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนระหวางน้ํากับอากาศแบบทอความรอนโดยมีแรงโนมถวงชวยในการไหลยอนกลับของสารทํางาน หรือเรียกวา ทอเทอรโมไซฟอน ซึ่งไดทําการศึกษาอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนโดยใชทอความรอนแบบเทอรโมไซฟอนและวิเคราะหถึงประสิทธิผลของอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนเพ่ือนําเสนอในรูปแบบความสัมพันธระหวาง ประสิทธิผลรวมกับคาอัตราสวนความจุความรอนจําเพาะของสารทํางานและคาเรยโนลดนัมเบอร แลวนํามาสรางแผนภูมิความความสัมพันธแลวไดวาประสิทธิผลเปนฟงกชันของอุณหภูมิทางออกของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนแบบทอเทอรโมไซฟอน

จากงานวิจัยจะไดแผนภูมิที่ประกอบไปดวย แผนภูมิที่แสดงคาระหวาง คาประสิทธิผลรวมของเคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอน ( o) กับคาอัตราสวนของ Reynold

number(Ree/Rec) ที่ตําแหนงคาอัตราความจุความรอนของของไหลสายเย็น(Cc) ดังรูปที่ 2.39 ซึ่งยิ่งคาคาอัตราความจุความรอนของของไหลสายเย็น(Cc)และคา Reynold number ของของไหลสายเย็นมากข้ึนจะทําใหคาประสิทธิผลรวมของเครื่องแลกเปล่ียนความรอนลดลง

รูปที่ 2.41 แสดงแผนภูมิระหวาง Overall effectiveness กับ Reynold number(Ree/Rec)

55

รูปที่ 2.39 เปนรูปแผนภูมิแสดงระหวางคาประสิทธิผลรวมกับคาอัตราสวนความจุความรอนของของไหลสายรอนกับของไหลสายเย็น(Ce/Cc) จากแผนภูมิจะเห็นไดวา ถาคา Ce/Cc จะแปรผันตามกับคาประสิทธิผลรวมของเครื่องแลกเปล่ียนความรอน

รูปที่ 2.42 แสดงแผนภูมิ Overall effectiveness กับ Ce/Cc

รูปที่ 2.40 เปนรูปแผนภูมิที่แสดงระหวางคาประสิทธิผลรวมกับคาอุณหภูมิทางออกของของไหลสายเย็น โดยไมมีการนําความรอนกลับมาใชใหม จากแผนภูมิแสดงใหเห็นวาผลของการนําความรอนกลับมาใชใหมจะทําใหอุณหภูมิทางของของไหลสายเย็นเพิ่มสูงข้ึน

56

รูปที่ 2.43 แสดงแผนภูมิ Overall effectiveness กับ Tc,o

2.5.3 Predicting the performance of a heat-pipe heat exchanger, using

the effectiveness-NTU method

ทําการวิจัยโดย J.O. TAN and C.Y. LIU (1990) เปนบทความการวิจัยที่มีเนื้อหาเกี่ยวกับ การทํานายสมรรถนะของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนแบบท อความรอน โดยวิธีประสิทธิผล-หนวยการสงผานความรอน ซึ่งการวิเคราะหสมรรถนะทางความรอนของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนแบบทอความรอนโดยวิธีประสิทธิผล -หนวยการสงผานความรอนโดยใชแบบจําลองทางคณิตศาสตร การทํานายสมรรถนะทางความรอนโดยใชแบบจําลองนี้มาเปรียบเทียบกับผลการทดลองพบวาใหผลที่ดี โดยงานวิจัยนี้สามารถสรุปไดวาการเปรียบเทียบผลจากการทดลองและวิธีประสิทธิผล-หนวยการสงผานความรอนโดยใชแบบจําลองทางคณิตศาสตรพบวาใหผลท่ีดี ซึ่งสามารถนํามาทํานายอัตราการถายเทความรอนของทอความรอนและการกระจายของอุณหภูมิของของไหลที่ใชแลกเปลี่ยนความรอน เพราะเปนวิธีที่สะดวกและงายตอการคํานวณโดยไมตองคํานวณซ้ํา

2.5.4 Heat pipe heat exchanger optimization

ทําการวิจัยโดย J.O. TAN, C.Y. LIU and Y.W. WONG (1991) เปนบทความการวิจัยที่มีเนื้อหา เกี่ยวกับเร่ืองการเพ่ิมประสิทธิภาพของอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนแบบทอความรอนพบวาสําหรับการออกแบบอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนแบบทอความรอนนั้นตําแหนงในการแบง

57

สวนรับความรอนและสวนระบายความรอนของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอนจะมีตําแหนงที่เหมาะสมที่สุดสําหรับการก้ันสวนรับความรอนและสวนคายความรอน โดยไดสรางสมการเพ่ือหาตําแหนงที่เหมาะสมท่ีสุดเพื่อปรับปรุงและเพ่ิมประสิทธิภาพของอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอน

ซึ่งในงานวิจัยไดแสดงแผนภูมิที่ไดมาจากการทดลองและคํานวณ ประกอบไปดวยแผนภูมิที่แสดง Optimum curve at different operating condition ดังรูปที่ 2.42 Thermal

resistance of the heat pipe at different position of partition ดังรูปที่ 2.43 และ Relative

change of thermal resistance ดังรูปที่ 2.44

รูปท่ี 2.44 แสดงแผนภูมิ Optimum curve at different operating condition

58

รูปท่ี 2.45 แสดงแผนภูมิ Thermal resistance of the heat pipe at different position of

partition

รูปที่ 2.46 แสดงแผนภูมิ Relative change of thermal resistance

59

ซึ่งผลจากงานวิจัยชิ้นนี้ ทําใหทราบวา ถาความแตกตางระหวางอัตราการไหลของของไหลทั้งสองสายมีคาแตกตางกันเพียงเล็กนอยจะทําใหบริเวณแบงชวงระหวางสวนควบแนนกับสวนทําระเหยท่ีดีที่สุด สําหรับการออกแบบทอ จะอยูใกลกึ่งกลางของทอแตถาอัตราการไหลของไหลท้ังสองสายแตกตางกันมาก จะทําใหบริเวณท่ีแบงชวงระหวางสวนควบแนนและสวนทําระเหยที่ดีที่สุดเปนจุดอ่ืน

2.5.5. An experimental & theoretical investigation on thermal

performance of a gas-liquid thermosyphon heat pipe heat exchanger in a semi-

industrial plant

ทําการวิจัยโดย Zare aliabadi, Hassan, Noei, Seyed Hussein, Khoshnoodi,

Mohammad; Atashi, Hussein (2008) เปนบทความการวิจัยที่มีเนื้อหา เกี่ยวกับการ การทดลองเครื่องแลกความรอนแบบทอเทอรโมไซฟอน เพ่ือทําการเปรียบเทียบคาการถายเทความรอนและคาประสิทธิผลที่ไดจากการทดลองกับคาท่ีไดจากการคํานวณทางทฤษฎี ดวยวิธี -NTU Method ซึ่งผลลัพธที่ไดจากวิจัย มีดังนี้ อัตราสวนความจุความรอนเปนสวนหน่ึงในตัวประกอบท่ีสําคัญซ่ึงมีอิทธิพลตอคาประสิทธิผลและอัตราการถายเทความรอนซึ่งไดแสดงในรูปที่ 2.45 สําหรับอุณหภูมิขาเขาของอากาศที่อุณหภูมิตางๆ ซึ่งจากการดูกราฟคาประสิทธิผลจะลดลงเมื่ออัตราสวนความจุความรอนเพ่ิมขึ้นการถายเทความรอนก็จะเพ่ิมขึ้น แตในความเปนจริงการเพ่ิมอัตราการไหล, สัมประสิทธการถายเทความรอนจะทําใหการถายเทความรอนเพ่ิมข้ึน

รูปที่ 2.47 แสดงแผนภูมิ effectiveness and transferred heat กับ inlet hot air temperature

for two measure of Ce/Cc

60

ผลของอุณหภูมิขาเขาของอากาศรอนประกอบดวย 2 ตัวแปรคือ คาประสิทธิผลและการถายเทความรอน โดยการพิจารณาสําหรับคาคงที่ของอัตราการไหลอากาศรอน 2 คา และความเร็วของอากาศรอน

คาประสิทธิผลและอัตราการถายเทความรอนไดอธิบายที่คาคงท่ีของอัตราสวนความจุความรอน 2 คาคือ 0.4 และ 0.71 ซึ่งมีอัตราการไหลของอากาศรอน 0.25 และ 0.44 kg/s ตามลําดับ ซึ่งคาประสิทธิผลกับอุณหภูมิไดแสดงในรูปที่ 2.46 สรางโดยการเปลี่ยนอุณหภูมิขาเขาของอากาศรอน Te,i โดยที่คาประสิทธิผลยังคงท่ี ซึ่งทําใหเห็นชัดวา มีคาสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนแตกตางกันเนื่องจากการไหลเชิงมวลตางกัน ดวยเหตุนี้ มวลที่ไหลคงที่(Ce/Cc) คาสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนจึงไมเปลี่ยนแปลง ดังนั้น คาความตานทานความรอนและคาประสิทธิผลยังคงท่ีอยู

รูปที่ 2.48 แสดงแผนภูมิ effectiveness and transferred heat กับ inlet hot air temperature

for two measure of Ce/Cc

ผลของความเร็วอากาศรอนที่คงท่ี 2 คาคือ 1 และ 1.5 m/s มีผลตอคาประสิทธิผลและอัตราการถายเทความรอนจะพิจารณาในรูปที่ 2.47 ซึ่งจากการสังเกตการลดลงของความหนาแนนของอากาศรอนขาเขาในอัตราการไหลท่ีนอยของอากาศรอนและอัตราสวนความจุความรอนกับอุณหภูมิขาเขาของอากาศรอนเพ่ิมข้ึนจะทําใหคาประสิทธิผลและการถายเทความรอนเพิ่มข้ึน

61

รูปที่ 2.49 แสดงแผนภูมิ effectiveness and transferred heat of gas-liquid THPHE กับ heat

capacity ratio

การเปรียบเทียบผล ระหวางการทดลองกับทฤษฎีของคาประสิทธิผลและการถายเทความรอนของอากาศไปน้ํา สําหรับอุณหภูมิอากาศรอนขาเขาในชวง 125-255 องศาเซลเซียส แตจะเปรียบเทียบกับอุณหภูมิขาเขาของอากาศรอนที่ 125 องศาเซลเซียสอยางเดียวเพราะมีผลคลายคลึงกัน ดังในรูปที่ 2.48

รูปที่ 2.50 แสดงแผนภูมิ effectiveness and transferred heat of gas-liquid THPHE กับ temperature

62

บทที่ 3 วิธีการดําเนินการวิจัย

ในสวนของขั้นตอนการดําเนินงานโครงงานเร่ือง “ประสิทธิผลของเครื่องแลกเปล่ียนความรอนชนิดเทอรโมไซฟอนมีครีบสําหรับการประยุกตใชงานที่อุณหภูมิต่ํา” ทางผูจัดทําโครงงานไดขั้นตอนการดําเนินงานดังนี้ 3.1 ระยะเวลาการวิจัย เริ่มการทําทดลองเก็บขอมูลสําหรับการวิจัยตั้งแตเดือนตุลาคม 2557 ถึงเดือนกุมภาพันธ 2557 และการสรุปผลการทดลองพรอมเขียนรายงานการวิจัยจะแลวเสร็จภายในเดือนมีนาคม 2557 ซึ่งการดําเนินการตลอดระยะเวลาการวิจัยสามารถเขียนเปนตารางสรุปไดดังนี้

ตารางท่ี 3.1 ระยะเวลาของการดําเนินการวิจัย

รายการการดําเนินการวิจัย ระยะเวลาของการดําเนินการวิจัย

1. ศึกษาสมการวิเคราะห ส.ค. 2557

2. สรางตารางสมการการคํานวณ ก.ย. 2558–พ.ย. 2557

3. ทําการทดลอง เก็บขอมูล และสรางแผนภูมิเสนโคงท่ัวไป ธ.ค. 2557–ก.พ. 2558

4. วิเคราะหขอมูล และแผนภูมิเสนโคงท่ัวไป ก.พ. 2558

5. สรุปผลการทดลอง มี.ค. 2558

6. เขียนรายงานการวิจัย มี.ค.- พ.ค. 2558

63

3.2 สถานที่ทําการวิจัย

หองปฏิบัติ การทางวิศวกรรมเครื่ อ งกล ภาควิชาวิศวกรรมเค ร่ืองกล คณะวิศวกรรมศาสตรและเทคโนโลยีอุตสาหกรรม มหาวิทยาลัยศิลปากร วิทยาเขตพระราชวังสนามจันทร

3.3ศึกษาสมการวิเคราะห ศึกษาการวิเคราะหเครื่องแลกเปลี่ยนแบบวิธีการประสิทธิผล -หนวยการสงผานความรอน (Effectiveness – NTU Method) พบวามีสมการที่เกี่ยวของและจําเปนอยูหลายสมการ ดังนั้นจึงตองมีความรูความเขาใจสมการตางๆ เหลานั้นเสียกอน เพ่ือทําใหสามารถพัฒนาสมการไดอยางถูกตองและไมผิดพลาด รวมทั้งเปนการสรางความเขาใจใหแกผูที่ตองการศึกษาดวย

สมการที่ตองทําการศึกษาคือ สมการวิเคราะหเครื่องแลกเปล่ียนความรอนแบบวิธีการประสิทธิผล-หนวยการสงผานความรอน (Effectiveness – NTU Method)

3.4สรางตารางสมการการคํานวณข้ึน จากการศึกษาสมการที เ กี่ ยวข องทั้ งหมดทํ า ให ทราบ ถึงความ สัม พันธ ร ะหว า งประสิทธิผล ( ) คาความรอนสูงสุด (qmax)ซึ่งสามารถนําความสัมพันธที่ไดนี้ในการหาคาความรอนท่ีตองการ (q) โดยเชื่อมโยงกับตารางคุณสมบัติน้ํา และแทนคาขอมูลทางกายภาพของทอ โดยแทนในสมการตางๆและเง่ือนไขในโปรแกรม Microsoft Excelเพ่ือใชหาคาความรอนที่ตองการโดยอยูในสุมคา NTUh,1,trialในชวง 0.01 – 5 และนําคาที่ทําการแทนคาไดมาสรางแผนภูมิประสิทธิผล - NTUh,1,trial

และแผนภูมิประสิทธิผล – NTUtotal เพ่ือศึกษาแนวโนมการและความสัมพันธตางๆ ซึ่งปริมาณคาท่ีใชในการทดลองน้ันมีมาก โปรแกรมท่ีไดรับการพัฒนาขึ้นนี้จึงจะทําใหการคํานวณสะดวกและรวดเร็วขึ้นโดยโปรแกรมการคํานวณจะใชความสัมพันธทางสมการดังนี้

64

คาประสิทธิผลของเครื่องแลกเปล่ียนความรอน ( )

(3.1)

เมื่อ คือ คาประสิทธิผลของเครื่องแลกเปล่ียนความรอน

q คือ คาความรอนท่ีตองการ (kW)

qmax คือ คาความรอนสูงสุด (KJ)

qmax = cmin (Th,I– Tc,I) (3.2)

โดยเลือก cmin = ch เมื่อ ch<cc

หรือ

cmin = cc เมื่อ cc<ch

(3.3)

ch = mhCp,h

cc = mcCp,c (3.4)

เมื่อ ch คือ คาความจุความรอนจําเพาะฝงรอน (kJ/Kg.Ko)

cc คือ คาความจุความรอนจําเพาะฝงเย็น (kJ/Kg.Ko)

จะได

(3.5)

m ax

qq

65

และ

(3.6)

คาประสิทธิผลของเครื่องแลกเปล่ียนความรอน ( ) จากสมการท่ี (3.1) สามารถหาไดจาก

เมื่อ Ch> Cc

(3.7)

เมื่อ Cc>Ch

(3.8)

เมื่อ คือ คาประสิทธิผลของเครื่องแลกเปล่ียนความรอนท่ีมีคาความจุความ รอนฝงเย็นมากกวาฝงรอน

คือ คาประสิทธิผลของเครื่องแลกเปล่ียนความรอนท่ีมีคาความจุความ รอนฝงรอนมากกวาฝงเย็น

66

3.5 ขั้นตอนการคํานวณ

จากการศึกษาสมการท่ีเก่ียวของทั้งหมดจนไดความสัมพันธตางๆดังท่ีกลาวมาขางตนนั้นสามารถนํามาใชในการคํานวณเพ่ือศึกษาดังนี้

เริ่มตนใหทําการกําหนดคาของอุณหภูมิทางของของไหลท้ังสองสายอัตราการไหลของของไหลทั้งสองสายอัตราสวนคาNTU (NTUh,1/NTUc,1) และจํานวนแถวของทอเทอรโมโซฟอนที่ใชจากนั้นจึงทําการกรอกคา NTUh,1,trialในชวง 0.01 – 5 (เนื่องจากแผนภูมิแสดงความสัมพันธ NTUh,1,trial และคาประสิทธิผลและแผนภูมิแสดงความสัมพันธNTUtotalและคาประสิทธิผลมีผลลัพธอยูในชวงที่มีคาคงท่ีและไมเปลี่ยนแปลงอีก) และนําคาท่ีไดจากการกรอกคามาใสตารางเพ่ือสรางแผนภูมิแสดงความสัมพันธ NTUh,1,trial และคาประสิทธิผลและแผนภูมิแสดงความสัมพนัธNTUtotalและคาประสิทธิผลเพื่อสังเกตพฤติกรรมโดยเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิดานสูงอยูที่ 100 ,80 และ 60 องศาเซลเซียสตามลําดับ และโดยเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิดานสูงอยูที่ 50

,40 ,30 ,20 และ 10 องศาเซลเซียส เปลี่ยนคาอัตราสวนของอัตราการไหลใหมีอัตราสวนที่เปลี่ยนแปลงแตใหอัตราการไหลเทาเดิมเพ่ือสังเกตการเปลี่ยนแปลง อีกท้ังและเปลี่ยนคา C* ใหมีคา 0.1, 0.2, 0.5 และ 0.8 เพ่ือสังเกตแนวโนมและเปรียบเทียบพฤติกรรมโดยการคํานวณทั้งหมดท่ีไดกลาวไปขางตนสามารถนํามาเขียนเปนแผนผังแสดงรายละเอียดการคํานวณไดดังนี้

67

เริม่ตน

กําหนดแถวท อเทอรโมไซฟอน (NL) ท ี่ใชในการทดลองNL = 3,6, 9 ,12,15

กําหนดคาNTUh,1/ NTUc,1 คงท่ีเทากับ0.1

กําหนดคาอณุหภูมิด านร อนของทอขาเขา และดานเย็นของท อขาเขา

(Th,i(oc),Tc,i(

oc)

Th,I =100oc ,80oc,60oc Tc,I =50oc ,40oc,30oc ,20oc,10oc

กําหนดคาสัดสวนของ m1h/m1c อยูท่ี0.1, 0.2, 0.5และ0.8

ดูตอหนา 2

68

จากหนา 1

กําหนดคาสัดสวนของ m1h/m1cแต ละคา ใหมีหลายสัดสวนเชน

0.1= 1/10, 0.8/8 , 0.6/6, 0.4/4 , 0.2/2

กรอกคาNTUh,1,trial เพื่อคํานวณหาคาประส ิทธิผลและคาตางๆ และคาประสิทธิผล,ค าNTUh,1,trial

มาสรางแผนภูมิเพื่อสังเกตพฤต ิกรรม

กราฟท ี่มีค าC* เดียวกัน ไม

จะมรูปแผนภูมิเหมือนกัน

ใช

นําคา NTUh,1,trial และคาประสิทธิผล ในคา C* เท าก ับ 0.1, 0.2 , 0.5และ0.8

มาสรางแผนภูมิเปรียบเท ียบแต ละ C* เพ่ือว ิเคราะห แนวโนม

พฤต ิกรรมของเส นโค งท ั่วไป

ดูตอหนา 3

69

จากหนา 2

นําคาประสิทธิผลและคาNTUtotal ท ี่ชวงอณุหภูมิเด ียวกัน แต C* ตางกันมาเปร ียบเท ียบเพื่อวิเคราะหแนวโนมพฤติกรรม

ของเส นโค งท ั่วไปสรางแผนภ ูมิเปร ียบเท ียบ

กรอกคาNTUh,1,trial เพื่อคํานวณหาคาประส ิทธิผลและคาตางๆ เปลีย่นค าอ ัตราส วนความตานทานความรอนดานผ ิวรอน ในชวง0.1

ถึง10เพ่ือว ิเคราะหแนวโนมพฤต ิกรรมของเสนโคงทั่วไป

นําคาประสิทธิผลและคาNTUtotal ท ี่ชวงอณุหภูมิเด ียวกัน แต C* ตางกันมาเปร ียบเท ียบเพื่อวิเคราะหแนวโนมพฤติกรรม

ของเส นโค งท ั่วไปสรางแผนภ ูมิเปร ียบเท ียบ

สิน้สดุ

รูปท่ี3.1 แผนผ ังแสดงว ิธ ีการสร างแผนภ ูมิตางๆ เพื อศ ึกษาประสิทธิผลของเครือ่ง แลกเปลี่ยนความร อนชนิดเทอรโมไซฟอน

70

3.6 จัดทํารายงาน

เมื่อทําทุกอยางเสร็จสมบูรณเรียบรอยนําขอมูลที่ไดศึกษาคนควารวมถึงวิธีการทํางานและขั้นตอนตางๆทั้งหมดมารวมเลมจัดทําเปนรายงานเพ่ือใหสะดวกตอการศึกษาคนควาสําหรับผูที่สนใจหรือบุคคลอ่ืนทั่วไป

71

บทที่ 4

ผลและอภิปรายผล

จากการทดลองเพ่ือศึกษาเสนโคงท่ัวไปของแผนภูมิคาประสิทธิผล และคา NTUtotal และแผนภูมิคาประสิทธิผล และคา NTU NTUh,1,trial สามารถอภิปรายผลผลไดดังตอไปน้ี

4.1 การศึกษาพฤติกรรมเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal 4.1.1 การศึกษาความสัมพันธคาประสิทธิผลและคา NTUtotal

การสรางเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ของทอเทอรโมไซฟอนในเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนชนิดน้ําสูน้ํา โดยเทคนิคการกําหนดคาอัตราสวน NTUh/NTUc เทากับ 1 โดยเปรียบเทียบคา C ที่ตางกัน ระดับอุณหภูมิฝงรอนและฝงเย็นตางกัน และเปลี่ยนจํานวนแถวของทอเทอรโมไซฟอนใหอยูที่ 3, 6 ,9 ,12 และ 15 แถว จะพบวาคาประสิทธิผลที่ไดแตกตางกัน แตอยูในแนวโนมของเสนโคงเดียวกันในแตละคาC จึงสรุปไดวาจํานวนแถวทอเทอรโมไซฟอนและระดับอุณหภูมิทั้งฝงรอนและฝงเย็น สงผลตอการคาประสิทธิผลของเครื่องแลกเปล่ียนความรอนในตําแหนงคา NTUtotal อยูในแนวโนมของเสนโคงเดียวกันในแตละคาC ดังรูปที่ 4.1

รูปที่ 4.1 เสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ในระดับคา C ตางๆ

ที่อุณหภูมิฝงรอนขาเขา 60 oC , อุณหภูมิความเย็นขาเขา 10 oC จํานวนทอเทอรโมไซฟอน 3 แถว

72

4.1.2 การศึกษาพฤติกรรมเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal

จากการศึกษาสรางเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ของทอเทอรโมไซฟอน ดังรูปที่ 4.2 จะพบวาปลายเสนโคงจะมีคาสิ้นสุดที่คาคงท่ีคาหนึ่ง แมจะเพ่ิมคาNTUh,1,trial มากข้ึน เนื่องจากจะมีคาNTUh,1,trial คาหน่ึงที่จะเปนตัวกําหนดวาคาประสิทธิผลนั้นสูงสุด ดังรูปที่ 4.3 ซึ่งในแตละคา C* จะมีแนวโนมของเสนโคงและคูอันดับแตกตางกัน โดย C* = 0.1 มีคาประสิทธิภาพมากที่สุด และ C* = 0.8 มีคาประสิทธิภาพนอยที่สุด

รูปที่ 4.2 เสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ในระดับคา C ตางๆ


73

รูปที่ 4.3 คาNTUh,1,trial คาหนึ่งที่จะเปนตัวกําหนดวาคาประสิทธิผลนั้นสูงสุด

ในตัวอยางตารางของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ในระดับคา C ตางๆ


4.1.3 การศึกษาพฤติกรรมเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial

จากการศึกษาสรางเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผลและคา NTUh,1,trial ของทอเทอรโมไซฟอน โดยเปรียบเทียบ C* = 0.1, 0.2, 0.5 และ 0.8 ดังรูปที่ 4.4 พบวาจะมีคูลําดับระหวาง NTUh

แถวใดๆกับจํานวนแถวใดๆคูหนึ่ง ที่ทําใหเกิดคาประสิทธิผล และคา NTUtotal สูงสุด โดยหากเพ่ิมจํานวนแถวมากกวาคูลําดับในคานี้ จะมีคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ไมเปลี่ยนแปลง

74

รูปท่ี 4.4 เสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial ในระดับคา C ตางๆ


4.1.4 การศึกษาความสัมพันธของคูลําดับของจํานวนแถวของทอและคา NTUh,1,trial

จากคูลําดับของจํานวนแถวของทอและคา NTUh,1,trial สําหรับกรณีน้ําสูน้ํา ที่ทําใหเกิดคาประสิทธิผลที่มากท่ีสุดในแตละจํานวนแถวทอ ดังตางรางที่ 4.1 และนําไปสรางแผนภูมิ (รูป 4.5) เพ่ือหาความสัมพันธของแนวโนมจํานวนแถวทอและคาNTUh,1,trial โดยสามารถหาสมการความสัมพันธได คือ สมการเสนโคงท่ัวไป

y = 4.6092x-1.004 (4.1)

สมการความชัน

R² = 0.9969 (4.2)

75

เมื่อไดสมการแนวโนมของจํานวนแถวของทอและคา NTUh,1,trial แลวจึงสามารถใชออกแบบเคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอนท่ีออกแบบในแตละจํานวนแถวทอได เพื่อใหมีคาประสิทธิผลมากท่ีสุด

ตารางท่ี 4.1 ตารางความสัมพันธของคูลําดับของจํานวนแถวของทอและคา NTUh,1,trial

ที่ทําใหเกิดคาประสิทธิผลที่มากท่ีสุด ของจํานวนแถวของทอนั้นๆ

Qtarget

(kW)

NL NTU h,1,trial NTU c,1,trial Effectiveness dTLMTD Cmin UA NTUtotal

188.3506 3 1.5 15 0.9001018306 18.3368422448 4.1850960000 10.27170 2.454353

188.8497 6 0.8 8 0.9024866320 18.1886781090 4.1850960000 10.38281 2.480902

188.3506 9 0.5 5 0.9001018306 18.3368422448 4.1850960000 10.27170 2.454353

188.8497 12 0.4 4 0.9024866320 18.1886781090 4.1850960000 10.38281 2.480902

188.3506 15 0.3 3 0.9001018306 18.3368422448 4.1850960000 10.27170 2.454353

76

รูปที่ 4.5 แสดงเสนโคงท่ัวไปสมการแนวโนมจากคูลําดับของจํานวนแถวของทอและคา NTUh,1,trial

ที่ทําใหเกิดคาประสิทธิผลที่มากท่ีสุด ของจํานวนแถวของทอนั้นๆ

4.2 การศึกษาพฤติกรรมเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial สรางเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial ของทอเทอรโมไซฟอนในเครื่องแลกเปล่ียนความรอน ชนิดน้ําสูน้ํา โดยเปรียบเทียบอัตราสวน NTUh/NTUc เทากับ 0.1, 0.2,

0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.25, 2, 2.5, 5 และ 10 ทีค่า C* = 0.1 และ C* = 0.8 เพ่ือสังเกตพฤติกรรมโดยสังเกตในสามระยะท่ีแตกตางกันของแผนภูมิ จากการสังเกตพบวาชวงทั้งสามแตกตางกันของแผนภูมิ รูปที่ 4.6 และสังเกตจุดที่สังเกตบนเสนโคงทั่วไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal และสอดคลองกับสมการที่ 3.36 – 3.37

y = 4.6092x-1.004

R² = 0.9969

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

ชุดขอ้มูล1

ยกกาํลงั (ชุดขอ้มูล1)

NTU h,1,trial

NL

77

4.2.1 การสรางเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial ที่ C* = 0.1

โดยเปรียบเทียบอัตราสวน NTUh/NTUc เทากับ 0.1, 0.2, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.25, 2,

2.5, 5 และ 10 ในกรณีคา C* = 0.1 โดยสังเกตในชวงสามระยะที่แตกตางกันของแผนภูมิ ดังรูปที่

4.6 พบวาท่ี Cc > Ch คา NTUh,1,trial จะสงผลอยางมากตอคาประสิทธิผล ( ) เมื่อคา NTUh,1,trial อยูในชวง 0.01 – 2 หลังจากนั้นในชวง 2 – 5 ดังรูปที่ 4.6 คา NTUh,1,trial จะสงผลนอยมากตอคา

ประสิทธิผล ( ) ชวง NTUh,1,trial = 2.1 จึงเหมาะแกการออกแบบเคร่ืองแลกเปล่ียนความรอนในชวงนั้น

รูปที่ 4.6 แสดงการตัดชวงเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial โดยเปรียบเทียบอัตราสวน NTUh/NTUc ตางๆ ที่ C* = 0.1

78

รูปท่ี 4.7 แสดงการตําแหนงคา NTUh,1,trial = 0.1, 0.7 และ 2.1 ที่อยูบนเสนโคงทั่วไป


4.2.2 การสรางเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial ที่ C* = 10

79

ในกรณีคา C* = 10 โดยสังเกตในชวงสามระยะที่แตกตางกันของแผนภูมิ ดังรูปที่ 4.8

พบวาที่ Ch > Cc คา NTUh,1,trial จะสงผลอยางมากตอคาประสิทธิผล ( ) เมื่อคา NTUh,1,trial อยูในชวง 0.01 – 2 หลังจากนั้นในชวง 2 – 5 ดังรูปที่ 4.8 คา NTUh,1,trial จะสงผลนอยมากตอคา

ประสิทธิผล ( ) ชวง NTUh,1,trial = 2 จึงเหมาะแกการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนในชวงนั้น

รูปท่ี 4.8 แสดงการตัดชวงเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial โดยเปรียบเทียบอัตราสวน NTUh/NTUc ตางๆ ที่ C* = 10

80

รูปท่ี 4.9 แสดงการตําแหนงคา NTUh,1,trial = 0.1, 0.7 และ 2.1 ที่อยูบนเสนโคงทั่วไป

ของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ที่ C* = 10

81

4.2.3 การสรางเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial ที่ C* = 0.8

ในกรณีคา C* = 8 โดยสังเกตในชวงสามระยะที่แตกตางกันของแผนภูมิ ดังรูปที่ 4.10

พบวาที่ Cc > Ch คา NTUh,1,trial จะสงผลอยางมากตอคาประสิทธิผล ( ) เมื่อคา NTUh,1,trial อยูในชวง 0.01 – 2 หลังจากนั้นในชวง 2 – 5 ดังรูปที่ 4.10 คา NTUh,1,trial จะสงผลนอยมากตอคา



82

รูปที่ 4.11 แสดงการตําแหนงคา NTUh,1,trial = 0.1, 0.7 และ 2.1 ที่อยูบนเสนโคงทั่วไป


83

4.2.4 การสรางเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial ที่ C* = 1.25 ในกรณีคา C* = 1.25 โดยสังเกตในชวงสามระยะที่แตกตางกันของแผนภูมิ ดังรูปที่

4.12 พบวาที่ Ch > Cc คา NTUh,1,trial จะสงผลอยางมากตอคาประสิทธิผล ( ) เมื่อคา NTUh,1,trial

อยูในชวง 0.01 – 2 หลังจากนั้นในชวง 2 – 5 ดังรูปที่ 4.12 คา NTUh,1,trial จะสงผลนอยมากตอคา



84

รูปที่ 4.13 แสดงการตําแหนงคา NTUh,1,trial = 0.1, 0.7 และ 2.1 ที่อยูบนเสนโคงทั่วไป


85

บทที่ 5

สรุปผลการทดลอง

จากการทดลองเพ่ือสรางแผนภูมิ รวมถึงการศึกษาพฤติกรรมเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผลและคาNTUtotal และโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคาNTUh,1,trial สามารถสรุปผลผลไดดังตอไปน้ี

5.1 กรณีการศึกษาพฤติกรรมเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคาNTUtotal

5.1.1 การศึกษาความสัมพันธคาประสิทธิผลและคาNTUtotal.

จากการศึกษาความสัมพันธคาประสิทธิผลและคาNTUtotalพบวาเมื่อกําหนดคาอัตราสวน NTUh/NTUc เทากับ 1 โดยเปรียบเทียบคา C แตกตางกัน ที่ระดับอุณหภูมิตางๆพบวาเสนโคงมีแนวโนมและคาที่ใกลเคียงกันจึงทดสอบโดยการเปลี่ยนจํานวนแถวทอใหมีคาเพ่ิมข้ึนเชน 6, 9, 12

และ 15 แถว เสนโคงท่ีไดทุกแถวมีแนวโนมและคาท่ีใกลเคียงกัน จึงสรุปไดวาจํานวนแถวทอเทอรโมไซฟอนไมไดและระดับอุณหภูมิทั้งขาเขาและขาออกตางๆไมสงผลตอการคาประสิทธิผลของเครื่องแลกเปลี่ยนความรอน

5.1.2 การศึกษาพฤติกรรมการซ้ําอยูกับท่ีของชวงปลายเสนเสนโคงท่ัวไป ผลศึกษาสรางเสนโคงทั่วไปของคาประสิทธิผล และคาNTUtotal ของทอเทอรโมไซฟอน ดังรูปที่ 4.2 จะพบวาปลายเสนโคงจะมีคาซ้ําอยูกับท่ี ถึงแมวาจะเพ่ิมคาNTUh,1,trial มากข้ึน เนื่องจากจะมีคาNTUh,1,trial ใดๆคาหนึ่งท่ีจะเปนตัวกําหนดวาคาประสิทธิผลน้ันสูงสุดแลว ซึ่งในแตละคา C* จะมีแนวโนมของเสนโคงและคูอันดับแตกตางกันโดยC*= 0.1 มีคาประสิทธิภาพมากท่ีสุด และC*= 0.8 มีคาประสิทธิภาพนอยที่สุด ทําใหทราบวาคาNTUh,1,trial ที่สงผลใหคาประสิทธิผลของเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนมีคาประสิทธิผลมากที่สุด ทีค่าNTUh,1,trialใดของจํานวนแถวทอน้ันๆเพ่ือใหสรางเครื่องแลกเปลี่ยนความรอน

5.1.3 การศึกษาพฤติกรรมเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial

ผลศึกษาสรางเสนโคงทั่วไปของคาประสิทธิผลและคาNTUh,1,trial ของทอเทอรโมไซฟอน โดยเปรียบเทียบ C* = 0.1, 0.2, 0.5 และ 0.8 พบวาจะมีคาNTUhแถวใดๆกับจํานวนแถวใดๆ ที่ทําใหเกิดคาประสิทธิผลและคาNTUtotalสูงสุด โดยหากเพ่ิมจํานวนแถวมากกวาคูลําดับในคานี้ จะมีคา

86

ประสิทธิผล และคาNTUtotalไมเปลี่ยนแปลง จึงสามารถนําใชประโยชนในการออกแบบเคร่ืองแลกเปลี่ยนความรอนได

5.1.4 การศึกษาความสัมพันธของคูลําดับของจํานวนแถวของทอและคา NTUh,1,tria

จากการนําคาNTUh,1,trial ทีท่ําใหเกิดคาประสิทธิผลท่ีมากที่สุดในแตละจํานวนแถวทอ ดังตางรางที่ 4.1 และนําไปสรางแผนภูมิ (รูป 4.5)เพ่ือหาความสัมพันธของแนวโนมจํานวนแถวทอและคาNTUh,1,trial โดยสามารถหาสมการความสัมพันธ จึงสามารถใชทํานายการสรางเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนในแตละจํานวนแถวทอใหมีคาประสิทธิผลมากท่ีสุดนอกเหนือจากจํานวนแถวทอท่ีไดทดสอบ

5.2 การศึกษาพฤติกรรมเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคาNTUh,1,trial

สรางเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial โดยเปรียบเทียบอัตราสวน NTUh/NTUc เทากับ 0.1, 0.2, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.25, 2, 2.5, 5 และ 10 ในกรณีคา C* = 0.1(เนื่องจากเปนคาC* ที่ทําใหคาประสิทธิผลสูงที่สุด ) กรณีคา C* = 10 (เนื่องจากเปนสวนกลับของC* = 0.1) กรณคีา C* = 0.8 (เนื่องจากเปนคาC* ที่ทําใหคาประสิทธิผลต่ําที่สุดจากการทดสอบ) และกรณีคา C* = 1.25

(เนื่องจากเปนสวนกลับของC* = 0.8) โดยสังเกตในชวงสามระยะที่แตกตางกันของแผนภูมิพบวาทั้งที่

Cc>Chและท่ี Cc>Chคา NTUh,1,trialจะสงผลอยางมากตอคาประสิทธิผล ( ) เมื่อคาNTUh,1,trial อยู

ในชวง 0.01– 2 หลังจากนั้นในชวง 2– 5 คา NTUh,1,trialจะสงผลนอยมากตอคาประสิทธิผล ( )ชวง NTUh,1,trial= 2 จึงเหมาะแกการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนในชวงนั้น

5.3ขอเสนอแนะ เนื่องจาก ทางผูวิจัยไดสรางเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUh,1,trial โดยเปรียบเทียบอัตราสวน NTUh/NTUcในกรณีคา C* ตางๆนั้น เปนการทดสอบในกรณีน้ําสูน้ํา ซึ่งเครื่องแลกเปล่ียนความรอนนั้นมีการระบายความรอนดวยของไหลอีกหลายประเภท เชน น้ําสูอากาศ เปนตน จึงเหมาะอยางยิ่งหากจะมีการพัฒนาการวิจัยไปยังของไหลชนิดอื่น

87

รายการอางอิง

[1] กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษพลังงาน ๒๕๕๓ [2] Basu P. Biomass gasification and pyrolysis.Oxford: Elsevier;2010. p. 1-359.

[3] สถาบันพลังงานญี่ปุน.คูมือสารชีวมวลเอเชีย;2008.

[4] Sheng C, Azevedo JLT. Estimating the higher heating value of biomass fuels from

basic analysis data. Biomass and Bioenergy 2005;28(5):499-07.

[5] Erol M, Haykiri-Acma H, Kucukbayrak S. Calorific value estimation of biomass

from their proximate analyses data. Renewable Energy 2010;35(1):170-3.

[6] Rousset P, A guitar C, Labbe N, Commandre JM. Enhancing the combustible

properties of bamboo by torrefaction. Bioresource Technology

2011;107(17):8225-31.

[7] Ferro DT, Vigouroux V, Grimm A ,ZanziR. Torrefaction of agricultural and forest

residues. Cubasolar, 2004.

[8] PrinsMJ.Thermodynamic analysis of biomass gasification and torrefaction

TechnischeUniversiteit Eindhoven, 2005.

[9] Abdullah H, Wu H. Biochar as a Fuel: 1. Properties and Grindability of Biochars

Produced from the Pyrolysis of Mallee Wood under Slow-Heating

Conditions. Energy & Fuels 2009;23(8):4174-81.

[10] Peng JH, Bi HT, Sokhansanj S,Lim JC. A Study of Particle Size Effect on Biomass

Torrefaction and Densification. Energy & Fuels 2012;26(6):3826-39.

[11] Tumuluru JS, Wright CT, Hess RJ, D. Boardman R, SokhansanjS.Review on

Biomass Torrefaction Process and Product Properties. S-1041 Symposium

onThermochemical Conversion, Oklahoma State University, Stillwater,

August 2nd, 2011.

[12] Pellet Fuels Institute Standard Operating Procedure for: Durability Testing – Residential/Commercial Pellet Fuelsby Kansas State UniversityCode:

LD2668.T4.1962 Y68

88

[13] Nolan A, Donnell K M, Devlin G J, Carroll J P, and Finnan J. Economic Analysis of

Manufacturing Costs of Pellet Production in theRepublic of Ireland Using

Non-Woody Biomass. The Open Renewable Energy Journal 2006; 3: 1-11. [14] Mani S, Sokhansanj S, Bi X, A. Turhollow. Economics of Producing Fuel Pellets

from Biomass. Applied Engineering in Agriculture 2006; 22: 421- 6.

[15] Sylvia H. Larsson, Magnus Rudolfsson, Martin Nordwaeger, IngemarOlofsson,

Robert Samuelsson. Effects of moisture content, torrefaction temperature, and die temperature in pilot scale pelletizing of torrefied Norway spruce.

Applied Energy 2012

[16] Wang G J, Luo Y H, Deng J, et al. Pretreatment of biomass by torrefaction.

Chinese Sci Bull 2011; 56: 1442−8

[17] Prins MJ, Ptasinski KJ, Janssen FJJG. Torrefaction of wood Part 1. Weight loss

kinetics. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 2006; 77: 28-34

[18] Prins MJ, Ptasinski KJ, Janssen FJJG. Torrefaction of wood Part 2.Analysis of

dproducts. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 2006; 77:35-40

[19]Bergman, P.C.A. Boersma, A.R. et al (2004). Torrefaction for Entrained-Flow

Gasification of Biomass. Energy research Centre of the Netherlands.

[20] Arshadi M, Gref R, Geladi P, Dahlqvist S-A, Lestander T. The influence of raw

material characteristics on the industrial pelletizing process and pellet

quality. Fuel Process Technol 2008;89:1442–7.

[21] Nielsen NPK, Holm JK, Felby C. Effect of fiber orientation on compression and

frictional properties of sawdust particles in fuel pellet production. Energ

Fuel 2009;23:3211–6

[22] MANUNYA PHANPHANICH B.S., Kasetsart University, Thailand, 2003, PELLETING

CHARACTERISTICS OF TORREFIED FOREST BIOMASS

[23] Samuelsson R, Thyrel M, Michael Sjöström, Torbjörn A. Lestander.Effect of

biomaterial characteristics on pelletizing properties and biofuel pellet

quality. Fuel Processing Technology 2009; 90: 1129–34.

[24] Bergman, P.C.A. 2005. Combined torrefaction and pelletisation: The TOP

Process.ECN-C--05-073

89

[25] Li H, Liu X, Legros R, Xiaotao T B, Lim C J, ShahabSokhansanj. Pelletization of

torrefied sawdust and properties of torrefied pellets. Applied Energy 2012;

93: 680–685.

[26] Sylvia H. Larsson, Magnus Rudolfsson, Martin Nordwaeger, IngemarOlofsson,

Robert Samuelsson. Effects of moisture content, torrefaction temperature,

and die temperature in pilot scale pelletizing of torrefied Norway spruce.

Applied Energy 2012

[27] Wolfgang Stelte, Craig Clemons, Jens K. Holm, Anand R. Sanadi, Jesper,

Ahrenfeldt,Lei Shang, Ulrik B. Henriksen. Pelletizing properties of torrefied

spruce. Biomass and bionergy 2011; 35: 4690-4698

[28] Wolfgang Stelte, Craig Clemons, Jens K. Holm, Anand R. Sanadi, Jesper,

Ahrenfeldt,Lei Shang, Ulrik B. Henriksen. Pelletizing properties of torrefied

wheat straw. Biomass and bionergy 2013; 49: 214-221

[29] Felix Fonseca Felfli, Carlos Alberto Luengo, Jose Antonio Suárez, Pedro

AnibalBeatón.Wood briquette torrefaction. Energy for Sustainable

Development, Volume IX No. 3, September 2005

[30] Adrian Pirraglia, Ronalds Gonzalez, Daniel Saloni, Joseph Denig. Technical and

economic assessment for the production of torrefiedligno-cellulosic

biomass pellets in the US. Energy Conversion and Management 2013; 66:

153-164

[31] Lei Shang ,Niels Peter K. Nielsenc, Jonas Dahl, Wolfgang Stelte, Jesper

Ahrenfeldt, Jens Kai Holm, Tobias Thomsen, Ulrik B. Henriksen. Quality

effects caused by torrefaction of pellets made from Scots pine. Fuel

Processing Technology 2012;101: 23-28.

[32] Wei-Hsin Chen and Shih-Hsien Liu. Thermal characterization of oil palm fiber and

eucalyptus in torrefaction. Energy 2014:1-9.

90

ภาคผนวก

97

ภาคผนวก ก

ตารางวิเคราะหอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนโดยใชวิธีประสิทธิผล– หนวยการสงผานความรอน (Effectiveness – NTU Method)

92

ตารางผนวก ก.1 ตารางแสดงผลของคาประสิทธิผล และคา NTUtotalที่อุณหภูมิฝงรอนขาเขา 60 oC , ที่อุณหภูมิความเย็นขาเขา 10 oC โดยมีจํานวนทอเทอรโมไซฟอน 3 แถว และคาC* =0.1

93


94


95


96


97


98


99


100


101


102


103


104


105


106


107


108


109


110


111


112

ตารางผนวก ก.1 ตารางแสดงผลของคาความรอนกระบวนการอัดแทง-ทอรีไฟรเสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotalที่อุณหภูมิฝงรอนขาเขา 80 oC , ที่อุณหภูมิความเย็นขาเขา 10 oC โดยมีจํานวนทอเทอรโมไซฟอน 3 แถว และคาC* =0.1

113

ภาคผนวก ข

แผนภูมิวิเคราะหอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนโดยใชวิธีประสิทธิผล– หนวยการสงผานความรอน (Effectiveness – NTU Method)

114

ตารางผนวก ข.1 แผนภูมิแสดงความสัมพันธคาประสิทธิผลคา NTUh,1,tial และแผนภูมิแสดงความสัมพันธคาประสิทธิผลและคา NTUh,c,tial ทีอุ่ณหภูมิฝงรอนขาเขา 60 oC , ที่อุณหภูมิความเย็นขาเขา 10 oC โดยมีจํานวนทอเทอรโมไซฟอน 3 แถว และคา C* =0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60

NTUc,1,trial

c* = 0.1

115


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60

NTUc,1,trial

c* = 0.1

116


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60

NTUc,1,trial

c* = 0.1

117


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60

NTUc,1,trial

c* = 0.1

118


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60

NTUc,1,trial

c* = 0.1

119


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60

NTUc,1,trial

c* = 0.1

120


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60

NTUc,1,trial

c* = 0.1

121


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60

NTUc,1,trial

c* = 0.1

122


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60

NTUc,1,trial

c* = 0.1

123


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 5 10 15 20 25 30

NTUc,1,trial

c* = 0.1

124


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60

NTUc,1,trial

c* = 0.1

125


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60

NTUc,1,trial

c* = 0.1

126


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60

NTUc,1,trial

c* = 0.1

127


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6

NTUh,1,trial

c* = 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60

NTUc,1,trial

c* = 0.1

128

ภาคผนวก ค

แผนภูมิวิเคราะหอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนโดยใชวิธีประสิทธิผล– หนวยการสงผานความรอนรวม (Effectiveness – NTU Method) ในชวงอณุหภูมิตางๆ

129

ตารางผนวก ค.1 แผนภูมเิสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal อุณหภูมิฝงรอนขาเขา 100 oC, 80 oC และ 60 oC ที่อุณหภูมิความเย็นขาเขา 50 oC, 40 oC, 30 oC, 20 oC และ 10 oC, โดยมีจํานวนทอเทอรโมไซฟอน 3, 6, 9, 12 และ 15 แถว

รูปที่ 4.1 เสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ที่อุณหภูมิฝงรอนขาเขา 60 oC , ที่อุณหภูมิความเย็นขาเขา 10 oC โดยมีจํานวนทอเทอรโมไซฟอน 3 แถว


0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

130

รูปที่ 4.3 เสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ที่อุณหภูมิฝงรอนขาเขา 60 oC ,

ที่อุณหภูมิความเย็นขาเขา 30 oC โดยมีจํานวนทอเทอรโมไซฟอน 3 แถว


0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

131



0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

132



0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

133


รูปท่ี 4.10 เสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ที่อุณหภูมิฝงรอนขาเขา 80 oC , ที่อุณหภูมิความเย็นขาเขา 50 oC โดยมีจํานวนทอเทอรโมไซฟอน 3 แถว

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

134




0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

135





0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

136



รูปท่ี 4.16 เสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ที่อุณหภูมิฝงรอนขาเขา 60 oC ,


0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

137





0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

138





0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

139

รูปท่ี 4.21 เสนโคงท่ัวไปของคาประสิทธิผล และคา NTUtotal ที่อุณหภูมิฝงรอนขาเขา 80 oC , ที่อุณหภูมิความเย็นขาเขา 10 oC โดยมีจํานวนทอเทอรโมไซฟอน 6 แถว



0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1 C = 0.2 C = 0.5 C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1

C = 0.2

C = 0.5

C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

140





0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1

C = 0.2

C = 0.5

C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1

C = 0.2

C = 0.5

C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

141




0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1

C = 0.2

C = 0.5

C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1

C = 0.2

C = 0.5

C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

142





0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1

C = 0.2

C = 0.5

C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1

C = 0.2

C = 0.5

C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

143





0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1

C = 0.2

C = 0.5

C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C = 0.1

C = 0.2

C = 0.5

C = 0.8

Effe

ctiv

enes

s

NTU total

144

ประวัติผูวิจัย

ชื่อ - สกุล นายพัฒนพงศ ประดิษฐนิยกูล

ที่อยูภูมิลําเนา 46/1 สุขุมวิท 101/1 บางนา กรุงเทพมหานคร 10260

วันเดือนปเกิด 19 พฤศจิกายน 2526

ประวัติการศึกษา

พ.ศ. 2542-2544 ระดับมัธยมศึกษาตอนปลายโรงเรียนสิริรัตนาธร

พ.ศ. 2546-2551 ระดับปริญญาตรี สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตรและเทคโนโลยีอุตสาหกรรม มหาวิทยาลัยศิลปากร

องกล ิทยาลัิลปากรยศ 2557 · heat exchanger for low temperature...

Documents