เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน
(Heat exchangers)

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบต่างๆ

อุปกรณ์แบบที่นิยมใช้กันอย่างกว้างขวางในปลายศตวรรษที่ 19 คือเครื่องทำความร้อน ดังแสดงไว้แบบหนึ่งในภาพที่ 6.1.14 แม้ว่าจะใช้กันไม่นานมากนัก เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนี้ยังคงใช้กันในโรงงานผลิตนมบางแห่งในทศวรรษ 1950

ในปี ค.ศ. 1878 ประเทศเยอรมนี Albert Dracke ได้รับใบสิทธิบัตรของเครื่องที่ทำให้ของเหลวด้านหนึ่งลดอุณหภูมิของของเหลวอีกด้านหนึ่งโดยไหลสวนทางกัน
โดยมีแผงแผ่นกั้นชั้นเรียงกันจำนวนหนึ่ง และยังไม่เป็นที่ทราบกันว่ามีสิทธิบัตรใดที่แสดงถึงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนดังภาพที่ 6.1.15 อย่างไรก็ตามตอนต้นทศวรรษที่ 1920 แนวคิดเดิมของชาวเยอรมัน และเครื่องรักษาระดับอุณหภูมิตามพื้นฐานแนวคิดนี้เป็นที่ยอมรับกันอีก ตั้งแต่นั้นมา เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนก็ครองบทบาทผู้นำ รับภาระของการให้ความร้อนและความเย็นของอุตสาหกรรมนมไปโดยปริยาย ทุกวันนี้มีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้กันแพร่หลายอยู่ 3 แบบ

• แบบแผ่น Plate
• แบบท่อ Tubular
• แบบ Scraped-surface

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น

กรรมวิธีให้ความร้อนส่วนใหญ่ของผลิตภัณฑ์นมใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (Plate Heat Exchange, PHE) ประกอบขึ้นด้วยแผ่นเหล็กสเตนเลสประกบติดกันในกรอบ กรอบหนึ่งมีหลายแผ่นที่แยกกันมาประกบติดกันเป็นชุดๆ เพื่อใช้เหมาะกับแต่ละขั้นของกรรมวิธีให้ความร้อน เช่น การอุ่นขั้น
เริ่มต้น การให้ความร้อนขั้นสุดท้าย และการทำให้เย็น สื่อส่งความร้อนคือนน้ำ สื่อส่งความเย็นคือนน้ำ น้ำแข็ง และ Propyl Glycol ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่ต้องการของผลิตภัณฑ์ที่ด้านขาออกแผ่นจะออกแบบให้เป็นลอนหยักตามรูปแบบที่ส่งผ่านความร้อนได้ดีที่สุด แผ่นจะถูกอัดกันอยู่ในกรอบหนึ่งๆ จุดยึดรองรับในส่วนลอนหยักแยกแต่ละแผ่นไว้เพื่อให้เกิดช่องว่างเล็กๆ ระหว่างแผ่น

ของเหลวจะเข้ามาและออกจากท่อผ่านรูทางตอนมุมของแผ่น รูปแบบต่างๆ กันของทางเข้าและรูที่ปิดตันจะกำหนดทิศทางให้ของเหลวไหลผ่านจากช่องหนึ่งไปอีกช่องที่ถัดไป ปะเก็นที่รอบขอบของแผ่น และรอบรูจากขอบทางเข้าทำหน้าที่ป้องกันการผสมกันจากการรั่วออกหรือซึมเข้าของของเหลว

รูปแบบของกระแสไหล

ผลิตภัณฑ์จะไหลเข้าทางรูที่มุมแผ่นไหลผ่านช่องแรกของส่วนแรก จากนั้นไหลตามแนวดิ่งผ่านตลอดช่อง และไหลออกสู่ส่วนท้ายของช่องผ่านปะเก็นที่มุมของทางผ่านซึ่งมีรูปแบบให้ผลิตภัณฑ์ไหลผ่านท่อสลับกันไปมา

สื่อส่ง (ความร้อนหรือความเย็น) จะเข้าทางอีกด้านหนึ่งของท่อและไหลไปในลักษณะเดียวกัน ในช่องที่คั่นระหว่างชุดแผ่นของผลิตภัณฑ์ ผลิตภัณฑ์ในช่องหนึ่งๆ
จะถูกประกบด้วยสื่อส่ง/รับอุณหภูมิ

เพื่อให้การถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพ ช่องห่างระหว่างแผ่นต้องแคบที่สุดแต่ทั้งความเร็วของของไหลและแรงดันจะตกลงอย่างมาก ถ้าผลิตภัณฑ์ปริมาณมากจะต้องไหลผ่านช่องเล็กๆ เหล่านี้ เพื่อป้องกันผลกระทบอันใดอันหนึ่งที่จะเกิดขึ้นท่อในช่องของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ต้องจัดแยกให้มีท่อขนานกันจำนวนหนึ่ง

ดูภาพที่ 6.1.17 ประกอบ กระแสไหลของผลิตภัณฑ์ (สีน้ำเงิน) จะแยกออกเป็น 2 กระแส และเปลี่ยนทิศทาง 4 ครั้ง ในช่องกระแสไหลของสื่อส่งอุณหภูมิ
(สีแดง) จะแยกกระแสไหลออกเป็น 4 ทางขนานกันและเปลี่ยนทิศทาง 2 ครั้ง รูปแบบการจัดชุดของแผ่นสลับกันเรียกว่าแบบ
4 x 2 / 2 x 4 เช่น จำนวนช่อง จำนวนของกระแสไหลที่ขนานสำหรับผลิตภัณฑ์ (สีน้ำเงิน) จำนวนช่อง จำนวนของกระแสไหลที่ขนานกันสำหรับสารสื่อส่งอุณหภูมิ(สีแดง) เรียกว่า การจัดชุดของแผ่น

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ (Tubular Heat Exchanger-THE) ในบางกรณีใช้สำหรับกรรมวิธีพาสเจอไรซ์หรือยูเอชที ของผลิตภัณฑ์นม ดูภาพที่ 6.1.18 ประกอบ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อจะต่างกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นตรงที่จะไม่มีจุดต่อเชื่อมในช่องของผลิตภัณฑ์ และทำให้ใช้ได้ดีกับผลิตภัณฑ์ที่มีอนุภาคแขวนลอยได้ระดับขนาดหนึ่ง โดยที่ขนาดของอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดที่ใช้ได้ขึ้นอยู่กับขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ จะมีระยะเวลารอบการผลิตระหว่างการพักทำความสะอาดที่นานกว่าแบบแผ่น โดยเฉพาะที่ใช้สำหรับกรรมวิธียูเอชที

เฉพาะประเด็นในด้านการถ่ายเทความร้อน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าแบบแผ่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อที่ใช้กัน
มีหลักการแตกต่างกัน 2 แบบ แบบท่อ (ทั้งท่อเดี่ยวและมัดท่อ) และแบบท่อกลาง

แบบท่อเดี่ยวและมัดท่อ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อแบบมัดท่อมีหลักการทำงานมาจากแบบดั้งเดิม Shell and tube โดยที่ผลิตภัณฑ์จะไหลในมัดท่อขณะที่สื่อส่งความร้อนจะไหลอยู่รอบๆมัดท่อ สภาพการไหลแบบปั่นปวนเกิดขึ้นจากลอนของท่อ พื้นที่ที่ถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะมีทั้งแบบลอนและเรียบที่จะเชื่อมปลายทั้ง 2 เข้าด้วยกันและมีหัวต่อครอบที่ปลายทั้งสอง (1) ดูภาพที่ 6.1.19 และ 6.1.20 ประกอบ หัวต่อที่ปลายทั้งสองผนึกต่อเข้ากับท่อด้วยยางวงแหวนสองชั้น (2) และประกอบยึดกันเข้าทั้งหมดด้วยหมุดเกลียวอัดไว้ (3) ซึ่งสามารถถอดเพื่อตรวจสอบได้

การออกแบบแบบลอยตัวถอดได้ ทำให้สามารถรองรับการขยายตัวของท่อและสามารถเปลี่ยนชุดท่อของผลิตภัณฑ์ได้ ทำให้จัดประกอบกันได้หลายแบบตามที่
จะประยุกต์ใช้แตกต่างกัน

การหมุนเวียนความร้อนก็สามารถทำจากผลิตภัณฑ์ที่มีอุณหภูมิแตกต่างกันได้โดยใช้มัดท่อที่ออกแบบพิเศษ เพราะต้องการการถอดเพื่อตรวจสอบได้

แบบท่อเดี่ยวเป็นรูปแบบหนึ่งที่มีท่อหนึ่งอยู่ภายใน 1 ท่อ ที่มีขนาดเพียงพอให้อนุภาคแขวนลอยใดๆ ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางขนาด 50 มิลลิเมตรผ่านได้

ทั้งแบบมัดท่อและท่อเดี่ยวจะเหมาะสมกับกระบวนการผลิตที่ใช้แรงดันสูงและอุณหภูมิสูง

แบบท่อกลาง

ประกอบด้วยท่อตรงที่มีหลายขนาด เรียงซ้อนกัน ดูภาพที่ 6.1.21 ประกอบ ผลิตภัณฑ์อยู่ในช่องกลางหนึ่งช่องที่ประกบด้วยช่องสื่อส่งอุณหภูมิสองด้านในลักษณะวงแหวน ซึ่งสามารถกำหนดความหนาของชั้นผลิตภัณฑ์ได้ตามขนาดอนุภาคที่มีการออกแบบแบบลอยตัวถอดได้ ทำให้สามารถรองรับการขยายตัวของท่อและสามารถเปลี่ยนชุดท่อของผลิตภัณฑ์ได้ ทำให้จัดประกอบกันได้หลายแบบตามที่จะประยุกต์ใช้แตกต่างกัน

แบบท่อกลางนี้จะเหมาะสมกับผลิตภัณฑ์ที่มีความหนืดสูงและเป็นแบบ Non newtonean

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ Scarped-surface

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ Scarped-surface ดูภาพที่ 6.1.22 ประกอบ เป็นการออกแบบสำหรับให้ความร้อนหรือเย็นกับผลิตภัณฑ์ที่หนืด เหนียว และจับกันเป็นก้อนและสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ผลึก แรงดันที่ใช้ในกระบวนการผลิตของส่วนด้านผลิตภัณฑ์จะสูง และมักจะสูงถึง 40 บาร์ ผลิตภัณฑ์ที่สามารถสูบได้ก็จะผ่านกรรมวิธีนี้ได้

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ Scarped-surface ประกอบด้วยทรงกระบอก (1) จะสูบผลิตภัณฑ์เข้าเป็นกระแสไหลสวนทางกับกระแสไหลของสื่อส่งความร้อน
ในกระบอก Jacket แกนหมุนรอบตัวที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางหลายขนาด (2) จาก 50.8มิลลิเมตรถึง 127 มิลลิเมตร และมีแกนยึดติดกับแผ่นหลายขนาดไปรอบแกน (3)การจัดอุปกรณ์ทำให้ปรับเปลี่ยนประยุกต์ได้ตามการใช้ที่แตกต่างกัน ชุดหมุนใบหมุนกวาดที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางขนาดเล็ก จะยอมให้อนุภาคขนาดใหญ่ (ถึง 25 มิลลิเมตร)ไหลผ่านในกระบอกได้ ขณะที่ชุดหมุนใบหมุนกวาดที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางขนาดใหญ่จะส่งผลให้เวลาของเหลวอยู่ในระบบสั้นลง และช่วยปรับปรุงผลของการให้ความร้อนผลิตภัณฑ์เข้าสู่กระบอกแนวตั้งผ่านทางส่วนปลายและไหลต่อเนื่องขึ้นทางตอนบนผ่านกระบอก ขณะที่เริ่มต้นกระบวนการ อากาศทั้งหมดจะถูกขับส่งออกไปล่วงหน้าผลิตภัณฑ์ ทำให้ผลิตภัณฑ์จัดตัวและครอบคลุมทั่วพื้นผิวของความร้อนหรือความเย็นใบหมุนกวาดจะแยกผลิตภัณฑ์ออกจากพื้นผิวผนังทรงกระบอก ดูภาพที่ 6.1.23 ประกอบ เพื่อให้การถ่ายเทความร้อนสม่ำเสมอสู่ผลิตภัณฑ์ และนอกจากนั้นจะรักษาพื้นผิวกระบอกให้ไม่มีสารติดค้าง

ผลิตภัณฑ์ออกจากกระบอกทางด้านทางออกตอนบน กระแสไหลผลิตภัณฑ์และความเร็วรอบของชุดหมุนใบกวาดจะแปรไปตามลักษณะของผลิตภัณฑ์ ที่ไหลผ่าน
กระบอก

เมื่อหยุดการผลิต ประโยชน์ของการที่ออกแบบทรงกระบอกแนวตั้ง ทำให้สามารถแทนที่ผลิตภัณฑ์ด้วยน้ำปริมาณเล็กน้อยที่ผสมลงไป และช่วยเก็บกู้ผลิตภัณฑ์ใน
ตอนจบรอบการผลิตแต่ละรอบ สิ่งที่ตามมาก็คือ การขับส่งช่วยส่งเสริมกระบวนการทำความสะอาดในสายการผลิต (Cleaning In Place-CIP) และการเปลี่ยนผ่านผลิตภัณฑ์ได้ง่าย

ตามที่อธิบายข้างต้น แกนหมุน และใบหมุนกวาด สามารถปรับเปลี่ยนได้ ในการทำงานที่เป็นไปได้ ที่เป็นส่วนของระบบปรับใบหมุน แบบแรงดันของเหลว (Hydraulic Lift) ที่ทำหน้าที่ช่วยการปรับส่ง ยกขึ้นหรือปรับลงของใบหมุนกวาด ดูภาพที่ 6.1.24 

ตัวอย่างผลิตภัณฑ์ชนิดที่จะใช้กับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ Scarpedsurface คือ แยม ของหวาน สารแต่งรสชาติอาหาร ช็อกโกแลต และเนยถั่ว และ
ใช้ได้กับไขมันและน้ำมันสกัดจากพืช สำหรับการกวนให้ประสานเข้ากันของเนยเทียมและเนยขาว เป็นต้น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ Scarped-surface แบบหนึ่งออกแบบสำหรับกระบวนการแบบปลอดเชื้อ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ Scarped-surface แบบแนวตั้งหลายเครื่องต่อเรียงกันแบบอนุกรม หรือต่อกันแบบขนาน เพื่อเพิ่มพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน
ขึ้นอยู่กับกำลังการผลิตที่ต้องการ