ประวัติการพัฒนาของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแผ่นเกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1920 และถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำจากหลอดแผ่นมีขนาดกะทัดรัดในโครงสร้างและมีเอฟเฟกต์การถ่ายเทความร้อนที่ดีดังนั้นจึงค่อยๆพัฒนาเป็นรูปแบบต่าง ๆ ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1930 สวีเดนทำเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแผ่นเกลียวแรก จากนั้นสหราชอาณาจักรใช้การประสานเพื่อผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนครีบจานที่ทำจากทองแดงและวัสดุโลหะผสมสำหรับการกระจายความร้อนของเครื่องยนต์อากาศยาน ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1930 สวีเดนได้ผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแผ่นแรกและเปลือกหอยเพื่อใช้ในโรงงานผลิตเยื่อกระดาษ ในช่วงเวลานี้เพื่อแก้ปัญหาการถ่ายเทความร้อนของสื่อที่มีการกัดกร่อนสูงผู้คนเริ่มให้ความสนใจกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำจากวัสดุใหม่

ในช่วงทศวรรษที่ 1960 เนื่องจากการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีอวกาศและวิทยาศาสตร์ที่ทันสมัยมีความต้องการเร่งด่วนสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีประสิทธิภาพและกะทัดรัด นอกจากนี้การพัฒนาเทคโนโลยีการประทับตราและการปิดผนึกให้ปรับปรุงกระบวนการผลิตของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งเป็นการส่งเสริมการพัฒนาที่แข็งแกร่งและการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแผ่นขนาดกะทัดรัด นอกจากนี้ตั้งแต่ทศวรรษที่ 1960 มีการพัฒนาเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกหอยและท่อทั่วไปเพื่อตอบสนองความต้องการของการถ่ายเทความร้อนและการอนุรักษ์พลังงานภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความดันสูง ในช่วงกลาง -1970 s เพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนท่อความร้อนถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของการวิจัยและพัฒนาท่อความร้อน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภทตามวิธีการถ่ายเทความร้อน: ไฮบริดการจัดเก็บความร้อนและประเภทพาร์ติชัน

ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไฮบริดเป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่แลกเปลี่ยนความร้อนผ่านการสัมผัสโดยตรงและการผสมของของเหลวเย็นและร้อนหรือที่เรียกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสัมผัส เนื่องจากความจำเป็นในการแยกความร้อนหลังจากการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างของเหลวสองตัวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทนี้เหมาะสำหรับการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างก๊าซและของเหลวของเหลว ตัวอย่างเช่นในหอระบายความร้อนที่ใช้ในพืชเคมีและโรงไฟฟ้าน้ำร้อนจะถูกพ่นจากบนลงล่างในขณะที่อากาศเย็นถูกดูดเข้ามาจากล่างขึ้นบน บนพื้นผิวของฟิล์มน้ำหรือหยดน้ำและหยดน้ำของวัสดุเติมน้ำร้อนและอากาศเย็นจะสัมผัสกันเพื่อแลกเปลี่ยนความร้อน น้ำร้อนจะถูกทำให้เย็นลงและอากาศเย็นจะถูกทำให้ร้อนจากนั้นการแยกออกจากกันในเวลานั้นเกิดจากความแตกต่างของความหนาแน่นระหว่างของเหลวทั้งสองตัวเอง

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบปฏิรูปเป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้การไหลแบบสลับกันของของเหลวเย็นและร้อนผ่านพื้นผิวของตัวเก็บความร้อน (บรรจุ) ในห้องเก็บความร้อนเพื่อแลกเปลี่ยนความร้อนเช่นห้องเก็บความร้อนด้านล่างเตาอบโค้กเพื่ออุ่นอากาศ ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทนี้ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการกู้คืนและใช้ความร้อนของก๊าซไอเสียที่อุณหภูมิสูง อุปกรณ์ที่คล้ายกันออกแบบมาเพื่อวัตถุประสงค์ในการกู้คืนความสามารถในการทำความเย็นเรียกว่าอุปกรณ์ห้องเย็นซึ่งมักใช้ในหน่วยแยกอากาศ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบติดผนังเป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดหนึ่งซึ่งของเหลวเย็นและร้อนถูกคั่นด้วยผนังทึบและความร้อนจะถูกแลกเปลี่ยนผ่านผนัง ดังนั้นจึงเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนพื้นผิวและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทนี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายในผนังสามารถแบ่งออกเป็นประเภทของหลอดประเภทแผ่นและประเภทอื่น ๆ ตามโครงสร้างของพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของหลอดใช้พื้นผิวของหลอดเป็นพื้นผิวการถ่ายเทความร้อนรวมถึงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนงูตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแจ็คเก็ตและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกและท่อ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนบนพื้นผิวของแผ่นใช้พื้นผิวแผ่นเป็นพื้นผิวการถ่ายเทความร้อนรวมถึงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแผ่นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแผ่นเกลียวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแผ่นฟินแผ่นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกแผ่นและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแผ่นร่ม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทอื่น ๆ ได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการพิเศษบางอย่างเช่นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนบนพื้นผิวที่ถูกคัดลอกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนดิสก์โรตารี่และเครื่องทำความเย็นอากาศ

ทิศทางการไหลแบบสัมพัทธ์ของของเหลวในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโดยทั่วไปจะมีสองประเภท: กระแสไฟฟ้าร่วมและเคาน์เตอร์ปัจจุบัน เมื่อไหลไปตามกระแสความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวทั้งสองที่ทางเข้านั้นใหญ่ที่สุดและค่อยๆลดลงตามพื้นผิวการถ่ายเทความร้อนถึงความแตกต่างของอุณหภูมิต่ำสุดที่เต้าเสียบ เมื่อไหลย้อนกลับการกระจายความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวทั้งสองตามพื้นผิวการถ่ายเทความร้อนนั้นค่อนข้างสม่ำเสมอ ภายใต้เงื่อนไขของอุณหภูมิทางเข้าคงที่และทางออกของของเหลวเย็นและของเหลวร้อนเมื่อไม่มีการเปลี่ยนเฟสทั้งสองของของเหลวความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยระหว่างต้นน้ำและปลายน้ำคือค่าสูงสุดและต่ำสุด

ภายใต้เงื่อนไขการถ่ายเทความร้อนเดียวกันการใช้ CounterFlow สามารถเพิ่มความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยและลดพื้นที่การถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน หากพื้นที่ถ่ายเทความร้อนยังคงไม่เปลี่ยนแปลงการใช้ counterflow สามารถลดการใช้ความร้อนหรือของเหลวระบายความร้อน อดีตสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายอุปกรณ์ได้ในขณะที่หลังสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานได้ดังนั้นการแลกเปลี่ยนความร้อนในปัจจุบันควรนำไปใช้ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในการออกแบบหรือการใช้งานการผลิต

เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงเฟส (การเดือดหรือการควบแน่น) ในของเหลวเย็นและร้อนทั้งสองอย่างอุณหภูมิของของเหลวนั้นยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเนื่องจากการปลดปล่อยหรือการดูดซับความร้อนแฝงของการระเหยในระหว่างการเปลี่ยนเฟส ดังนั้นอุณหภูมิทางเข้าและทางออกของของเหลวจึงเท่ากันและความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวทั้งสองนั้นเป็นอิสระจากทิศทางการไหลของของเหลว นอกเหนือจากการไหลภายนอกสองประเภทคือการไหลไปข้างหน้าและการไหลย้อนกลับยังมีทิศทางเช่นการไหลข้ามและการโก่งตัว

การลดความต้านทานความร้อนในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างผนังระหว่างระหว่างการถ่ายเทความร้อนเป็นปัญหาสำคัญในการปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ความต้านทานความร้อนส่วนใหญ่มาจากชั้นบาง ๆ ของของเหลว (เรียกว่าชั้นขอบเขต) ยึดติดกับพื้นผิวการถ่ายเทความร้อนทั้งสองด้านของผนังพาร์ติชันและชั้นเปรอะเปื้อนเกิดขึ้นทั้งสองด้านของผนังในระหว่างการใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ความต้านทานความร้อนของผนังโลหะมีขนาดค่อนข้างเล็ก

การเพิ่มความเร็วในการไหลและการรบกวนของของเหลวสามารถทำให้ชั้นขอบเขตลดความต้านทานความร้อนและปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน อย่างไรก็ตามการเพิ่มอัตราการไหลของของไหลจะเพิ่มการใช้พลังงานดังนั้นการประสานงานที่สมเหตุสมผลควรทำระหว่างการลดความต้านทานความร้อนและการใช้พลังงานในระหว่างการออกแบบ เพื่อลดความต้านทานความร้อนของสิ่งสกปรกสามารถทำให้ความพยายามทำให้การก่อตัวของสิ่งสกปรกช้าลงและทำความสะอาดพื้นผิวการถ่ายเทความร้อนเป็นประจำ

โดยทั่วไปเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทำจากวัสดุโลหะซึ่งเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าต่ำส่วนใหญ่จะใช้ในการผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดกลางและแรงดันต่ำ นอกเหนือจากการใช้เป็นหลักสำหรับสภาวะความต้านทานการกัดกร่อนที่แตกต่างกันแล้วสแตนเลสออสเทนนิติกยังสามารถใช้เป็นวัสดุที่ทนต่ออุณหภูมิสูงและต่ำ ทองแดงอลูมิเนียมและโลหะผสมของพวกเขามักใช้ในการผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอุณหภูมิต่ำ โลหะผสมนิกเกิลถูกใช้ภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง นอกเหนือจากการทำชิ้นส่วนปะเก็นแล้ววัสดุที่ไม่ใช่โลหะบางชนิดยังถูกนำมาใช้ในการทำเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทนต่อการกัดกร่อนเช่นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนกราไฟท์เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนฟลูออโรพลาสต์และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแก้ว