Heat exchangers - Thai

1. Ch 11 Heat Exchangers
King Mongkut’s University of Technology North Bangkok
Faculty of Engineering
Department of Mechanical and Aerospace Engineering
1

2. Objectives
 เพื่อให้เข้าใจถึงอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบต่างๆ และสามารถแบ่ง
ประเภทของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนได้
 เพื่อให้สามารถวิเคราะห์และคานวณหาค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม
(Overall heat transfer coefficient) ได้
 เพื่อให้สามารถวิเคราะห์สมดุลพลังงานของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนได้
 เพื่อให้สามารถหาค่า Log mean temperature difference ได้ รวมทั้งสามารถ
นาไปดัดแปลงเพื่อให้กับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนชนิดต่างๆ ได้
 เพื่อให้สามารถวิเคราะห์อุปกรณ์การถ่ายเทความร้อนโดยใช้วิธี NTU-
Effectiveness
2

3. Contents
 Introduction
 Type of Heat Exchangers
 Overall Heat Transfer Coefficient
 Analysis of Heat exchangers
 Log Mean Temperature Difference Method
 Effectiveness-NTU Method
3

4. Introduction
 Heat exchanger เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างของไหล
2 ชนิดที่มีอุณหภูมิต่างกัน โดยที่ของไหลทั้งสองชนิดไม่ปะปนกัน
 อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเป็นอุปกรณ์หลักสาคัญของอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น
ระบบทาความร้อน ระบบทาความเย็น โรงงานไฟฟ้า ระบบการนาความร้อน
กลับมาใช้ใหม่ อุตสาหกรรมเคมี และอื่นๆ เป็นต้น
 กลไกการถ่ายเทความร้อนในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ได้แก่ การพาความ
ร้อน (Convection) ของของไหล และการนาความร้อน (Conduction) ผ่านท่อ
4

5. Types of Heat Exchangers
 อุปกรณ์การถ่ายเทความร้อนที่มีรูปร่างไม่ซับซ้อนที่สุด คือ Double-pipe H.E.
ซึ่งมีลักษณะเป็นท่อสองท่อวางซ้อนกัน ดังแสดงในรูป โดยลักษณะการไหลจะ
แบ่งเป็น  Parallel Flow และ Counter Flow
5

6. Types of Heat Exchangers
 Compact H.E.  จะมีพื้นที่ผิวในการถ่ายเทความร้อนมาก ประมาณ
ß > 700 m2/m3 เช่น
Car radiators (ß ≈ 1000 m2/m3),
Glass-ceramic gas turbine H.E. (ß ≈ 6000 m2/m3),
Regenerator of a Stirling engine (ß ≈ 15,000 m2/m3)
Human lung (ß ≈ 20,000 m2/m3)
6

7. Types of Heat Exchangers
 อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนชนิดไหลขวาง หรือที่เรียกว่า cross-flow ใน
อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้ ของไหลสองชนิดจะไหลขวางกันในทิศทาง
ตั้งฉากกัน
7

8. Types of Heat Exchangers
 อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบ Shell and Tube จะเป็นชนิดของอุปกรณ์
แลกเปลี่ยนความร้อนที่นิยมนามาใช้มากที่สุดในโรงงานอุตสาหกรรม
 ลักษณะของ Heat exchanger แบบนี้ จะมีลักษณะเป็นท่อหลายๆ ท่อ จัดเรียง
ตัวอยู่ใน Shell ของไหลชนิดที่หนึ่งจะไหลอยู่ภายในท่อ ส่วนของไหลอีกชนิดหนึ่ง
จะไหลอยู่ภายนอกท่อ Heat exchanger แบบนี้ มีขนาดใหญ่และมีน้าหนักมาก
8

9. Types of Heat Exchangers
9

10. Overall Heat Transfer Coefficient
10
 เนื่องจากในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความความจะมีของ
ไหล 2 ชนิดที่ถูกกั้นโดยผนังของท่อ ดังนั้น กลไกการ
ถ่ายเทความร้อนที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ การพาความร้อน
(Convection) และการนาความร้อน (Conduction)
 Convection จากของไหลที่มี T สูง ไปยังผิวท่อ
 Conduction ผ่านความหนาของท่อ
 Convection จากผิวท่อไปยังของไหลที่มี T ต่ากว่า
 โดยค่าความต้านทางสาหรับการ Conduction ผ่าน
ความหนาของท่อ คือ
 0ln
2
i
wall
D D
R
kL


11. Overall Heat Transfer Coefficients
11
 ความต้านทานทางความร้อนรวม สามารถหาได้ดังสมการด้านล่าง
 โดยที่อัตราการถ่ายเทความร้อนมีค่าเท่ากับ
 ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม
(Overall heat transfer coefficient)
 0ln1 1
2
i
total i wall o
i i o o
D D
R R R R
h A kL h A
     
i i o o
T
Q UA T U A T U A T
R

      
1 1 1 1 1
wall
s i i o o i i o o
R R
UA U A U A h A h A
     

12. Overall Heat Transfer Coefficients
12
 สาหรับในกรณีที่ผนังท่อมีความหนาน้อยมากๆ และมีค่า k สูงมากๆ ค่าความ
ต้านทานการนาความร้อน (Conduction resistance) จะมีค่าประมาณศูนย์
 ดังนั้น ค่า Overall heat transfer coefficient (U) จะสามารถเขียนได้ดังนี้
 โดยที hi และ ho สามารถหาได้จากบทที่ 8 เรื่องการไหลภายในท่อ
  0
2
ln

kL
iDoD
wallR

ohihU
111


13. Fouling Factor
13
 เมื่อใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเป็นเวลานาน จะมีสิ่งสกปรกที่ตกตะกอนเกาะ
ตามพื้นผิวของท่อ ทาให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนลดลง
 ชั้นของสิ่งสกปรกที่เกาะตามผนังท่อจะทาให้เกิดค่าความต้านทางทางความร้อนที่
เรียกว่า “Fouling resistance”
 ค่า Fouling Factor Rf เป็นค่าที่บ่งบอกถึงความต้านทานทางความร้อนที่เกิดจาก
สิ่งสกปรกที่เกาะตามผนังท่อ
 โดยปกติแล้ว Fouling จะแบ่งเป็น 2 ชนิด คือ
 Precipitation of solid เป็นของแข็งที่ตกตะกอน
และเกาะอยู่บนพื้นผิวของการถ่ายเทความร้อน
 Corrosion และ Chemical fouling เกิดจากการ
ผุกร่อน หรือปฏิกิริยาเคมี

14. Fouling Factor
14
 ในกรณีที่มี Fouling เกิดขึ้น จะต้องนาความต้านทานทางความร้อนที่เกิดจาก
Fouling ทั้งด้านนอกท่อ และด้านในท่อ มาพิจารณาในการคานวณค่า Overall
heat transfer coefficient ด้วย
 โดยที่ Rf,i และ Rf,o เป็นค่า Fouling factor ที่ผนังท่อด้านในและด้านนอก
ตามลาดับ
 Table 11.2 presents the value of fouling factor for some fluids flow in
H.E.
 , ,0ln1 1
2
f i f oi
i i i o o o
R RD D
R
h A A kL A h A
    

15. Fouling Factor
15
 ตารางแสดงค่า Fouling factor สาหรับของไหลชนิดต่างๆ

16. Analysis of Heat Exchangers
16
 ปัญหาแบบที่ 1
 ให้เลือกและออกแบบ H.E.
 โดยกาหนดค่าต่างๆ ให้ ได้แก่
- อุณหภูมิที่เปลี่ยนไปของของไหล
- อัตราการไหลของของไหล
 ปัญหาแบบที่ 2
 ให้ทานายอุณหภูมิของของไหลที่ออก
จาก H.E.
โดยกาหนดค่าต่างๆ ให้ ได้แก่
- ขนาดและชนิดของ H.E.
- อุณหภูมิของของไหลที่เข้า H.E.
 วิธีการแก้ปัญหา
 ใช้วิธี Log Mean Temp. Diff.
(LMTD) ซึ่งเป็นวิธีที่เหมาะสมที่สุด
สาหรับนามาใช้แก้ปัญหาแบบที่ 1
 วิธีการแก้ปัญหา
 ใช้วิธี Effectiveness (NTU) ซึ่งเป็น
วิธีที่เหมาะสมที่สุดสาหรับนามาใช้
แก้ปัญหาแบบที่ 2

17. Analysis of Heat Exchangers
17
 ในการพิจารณาวิเคราะห์การถ่ายเทความร้อนของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน
จะต้องตั้งสมมุติฐาน ดังนี้
 อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนต้องเป็น Steady flow device
 มีอัตราการไหล, คุณสมบัติของของไหล และความเร็วของของไหล คงที่
 ไม่มีการเปลี่ยนแปลง Kinetic และ potential energy
 มีค่าความจุความร้อนจาเพาะคงที่
 ไม่มี Heat conduction ในทิศทางตามความยาวของท่อ
 ผนังด้านนอกของ H.E. มีการหุ้มฉนวน
 ไม่มีการสูญเสียความร้อนสู่สิ่งแวดล้อม
 การถ่ายเทความร้อนจะเกิดขึ้นระหว่างของไหล 2 ชนิดเท่านั้น

18. Analysis of Heat Exchangers
18
 จากกฎข้อที่ 1 ของเทอร์โมไดนามิกส์
 Ch และ Cc คือ Heat capacity rate ของของไหลด้านร้อนและด้านเย็น
 ถ้าค่า C มีค่ามาก อุณหภูมิของของไหลจะเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย
 ถ้าค่า C มีค่าน้อย อุณหภูมิของของไหลจะมีการเปลี่ยนแปลงได้มาก
อัตราการถ่ายเทความร้อนออกจากของไหลด้านร้อน = อัตราการถ่ายเทความร้อนเข้าสู่ของไหลด้านเย็น
),,(
),,(
incToutcTcCQ
pcccmcC
incToutcTpcccmQ






),,(
),,(
outhTinhThCQ
phchmhC
outhTinhTphchmQ






พิจารณาของไหลด้านร้อน พิจารณาของไหลด้านเย็น

19. Analysis of Heat Exchangers
19
ถ้ากรณีที่ Cc = Ch, อุณหภูมิ
ของของไหลเย็นที่เพิ่มขึ้น จะ
มีค่าเท่ากับอุณหภูมิของของ
ไหลร้อนที่ลดลง
ในกระบวนการที่ของไหลมีการเปลี่ยนสถานะ ค่า Heat capacity rate จะมี
ค่าเข้าใกล้ ∞ เช่น รูป (a) ของไหลร้อนมีการกลั่นตัวหรือระเหย Ch  ∞
นั่นคือ ของไหลร้อนไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ การถ่ายเทความร้อนจาก
ของไหลร้อนไปยังของไหลเย็น มีผลทาให้ของไหลร้อนเกิดการกลั่นตัว
fgQ mh

20. LMTD-Method
20
 พิจารณา Newton’s Law of Cooling
 โดยที่ ∆Tm คือ ผลต่างของอุณหภูมิเฉลี่ย
ของของไหลทั้ง 2 ชนิด
 ในการหาค่า ∆Tm จะพิจารณาจากการไหลของ
ของไหลที่ไหลไปในทิศทางเดียวกันใน
double pipe H.E. จะได้สมการสาหรับหาค่า
∆Tm ดังสมการด้านล่าง
s mQ UA T 










1
2ln
12
T
T
TT
lmT

21. LMTD-Method
21
 ∆Tlm คือ Log mean temperature difference
 โดยที่ ∆T1 and ∆T2 เป็นผลต่างของอุณหภูมิระหว่าง
ของไหลทั้งสองชนิดที่ทางเข้าและทางออก
 ในการคานวณหาค่า ∆Tlm จะแบ่งการไหลของของไหลออกเป็น 2 แบบ คือ
 ของไหลทั้งสองชนิดไหลไปในทิศทางเดียวกัน (Parallel flow) และ
 ของไหลสองชนิดไหลสวนทางกัน
(Counter flow)
incTinhTT
outcTouthTT
,,1
,,2


For parallel H.E.










1
2ln
12
T
T
TT
lmT

22. Counter-Flow H.E.
22
 สาหรับในการไหลแบบ Counter flow จะ
สามารถหา ∆Tm ได้จากสูตรเดียวกัน คือ
 โดยที่
 ทั้งนี้ ∆Tlm, counter flow > ∆Tlm, parallel flow
outcTinhTT
incTouthTT
,,1
,,2












1
2ln
12
T
T
TT
lmT

23. Multipass and Cross Flow H.E.
23
 การคานวณหาค่า ∆Tm โดยใช้สูตรที่กล่าวถึงข้างต้น จะใช้สาหรับอุปกรณ์
แลกเปลี่ยนความร้อนแบบ Double pipe ที่เป็น parallel flow หรือ counter
flow เท่านั้น
 สาหรับ Cross flow หรืออุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบ Multipass shell
and tube H.E. จะต้องใช้ Correction factor: F ในการคานวณค่า ∆Tm
 โดยที่ F จะขึ้นอยู่กับ รูปร่างของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน อุณหภูมิของ
ของไหลที่ทางเข้า และอุณหภูมิของไหลที่ทางออก
,lm lm CFT F T  

24. Multipass and Cross Flow H.E.
24
Correction Factor สาหรับ
Shell and Tube H.E.
ซึ่งเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ

25. Multipass and Cross Flow H.E.
25
Correction Factor สาหรับ
Shell and Tube H.E.
ซึ่งเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ

26. LMTD-Method
26
 การวิเคราะห์อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบ LMTD เป็นวิธีที่ง่าย นิยมใช้
สาหรับหาพื้นที่ผิวในการถ่ายเทความร้อนของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน
 ทั้งนี้ จะต้องรู้ค่า: อุณหภูมิที่ทางเข้าและทางออกของของไหลทั้ง 2 ชนิด, อัตราการ
ไหล และ สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม (U)
 โดยพื้นที่ผิวในการถ่ายเทความร้อนสามารถหาได้จากสมการ s mQ UA T 
1. เลือกชนิดของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนให้เหมาะสมกับลักษณะการใช้งาน
2. คานวณหาอุณหภูมิของของไหลตัวที่ยังไม่ทราบค่าจากการทาสมดุลพลังงานของระบบ
3. คานวณหาค่า ∆Tm และ Correction factor F, ในกรณีที่อุปกรณ์เลกเปลี่ยนความร้อนไม่ได้เป็น
Double tube
4. ในกรณีที่ไม่ทราบว่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวมจะต้องคานวณหาค่า U ก่อน
5. คานวณหาพื้นที่ผิวในการแลกเปลี่ยนความร้อนโดยใช้อัตราการถ่ายเทความร้อนที่หาได้จากการทา
สมดุลพลังงาน และ Newton’s law of Cooling

27. Effectiveness-NTU Method
27
 วิธีการวิเคราะห์อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนวิธีที่ 2 คือ วิธี NTU Effectiveness
ซึ่งนิยมใช้ในการหาอัตราการถ่ายเทความร้อน และอุณหภูมิของของไหลที่ทางออก
ของอุปกรณ์
 โดยที่จะต้องรู้ค่าต่างๆ ได้แก่ ชนิดและขนาดของอุปกรณ์ อัตราการไหลของของ
ไหล และอุณหภูมิของไหลที่ทางเข้า
 วิธี NTU จะคานวณโดยใช้ความสัมพันธ์ของ Number of Transfer Unit (NTU)
และ Heat Transfer Effectiveness ( )
ratetransferheatpossibleMaximum
ratetransferheatActual
Q
Q
____
___
max
 



28. Effectiveness-NTU Method
28
 อัตราการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นจริง (Actual heat transfer rate)
 อัตราการถ่ายเทความร้อนมากที่สุดที่เป็นไปได้ จะเกิดขึ้นเมื่อ ∆Tmax = Th,in-Tc,in
 และ Cmin จะทาให้เกิดค่า ∆Tmax
 ดังนั้น จึงสามารถคานวณหาค่าอัตราการถ่ายเทความร้อนมากที่สุดที่เป็นไปได้
(Maximum heat transfer rate) จาก
 Cmin เป็นค่าที่น้อยที่สุดระหว่าง Ch และ Cc
   , , , ,c c out c in h h in h outQ C T T C T T   
 max min max min , ,h in c inQ C T C T T   

29. Effectiveness-NTU Method
29
 กาหนด: อัตราการไหล และอุณหภูมิของของไหลที่ทางเข้า
 คานวณ: อัตราการถ่ายเทความร้อนมากที่สุด
 หากเราสามารถหาค่า Heat transfer effectiveness ( ), เราจะสามารถหาอัตรา
การถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นจริงได้ จากความสัมพันธ์
 เราสามารถหาค่า Heat transfer effectiveness ได้อย่างไร??
 max min max min , ,h in c inQ C T C T T   
 max min , ,h in c inQ Q C T T   


30. Effectiveness-NTU Method
30
 Heat transfer effectiveness เป็นค่าที่ขึ้นอยู่กับชนิดของอุปกรณ์แลกเปลี่ยน
ความร้อน และลักษณะการไหลของของไหล
 ค่า Heat transfer effectiveness จะสามารถหาได้ โดยหาความสัมพันธ์ของ
เทอมที่ไม่มีหน่วย 2 เทอม ได้แก่
 Number of Transfer Unit (NTU) และ
 Capacity ratio (c)
 Number of Transfer Unit (NTU)
 Capacity Ratio (c)
 
s s
min
min
UA UA
NTU=
C pmc

min
max
C
c=
C

31. Effectiveness Relations for H.E.
31

32. Effectiveness Plots for H.E.
32

33. Example 1
33

34. Example 1
34

35. Example 1
35

36. Example 1
36

37. Example 2
37

38. Example 2
38

39. Example 2
39

40. Example 3
40

41. Example 3
41

42. Example 3
42