บทที่ 12 — การถ่ายเทความร้อน

12.1 การนำความร้อน (Conduction — Fourier's Law)

Conduction คือการถ่ายเทความร้อนผ่านของแข็งหรือของไหลที่ไม่มีการเคลื่อนที่รวม (bulk motion) โดยพลังงานความร้อนไหลจากบริเวณที่อุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่อุณหภูมิต่ำกว่าเสมอ อัตราการไหลของความร้อนนี้แปรผันตรงกับพื้นที่หน้าตัดที่ความร้อนไหลผ่านและผลต่างอุณหภูมิ แต่แปรผกผันกับความหนาของวัสดุ โดยมีตัวคูณสำคัญที่สุดคือสภาพนำความร้อน (thermal conductivity) หรือ k ซึ่งเป็นสมบัติเฉพาะของแต่ละวัสดุ ค่า k ที่วิศวกรโรงไฟฟ้าควรจำขึ้นใจ (หน่วย W/m·K) ได้แก่ ทองแดง ~390, เหล็กกล้าคาร์บอน ~45–50, สแตนเลส ~15, ตะกรัน (boiler scale) เพียง 0.5–2, น้ำ 0.6, ฉนวนใยแร่ (mineral wool) ~0.04 และอากาศนิ่งเพียง 0.026 — ตัวเลขเหล่านี้กระจายกันกว้างถึงสี่ลำดับขนาด (order of magnitude) จากมากสุดไปน้อยสุด

วิธีที่ช่วยให้เข้าใจ conduction ได้ง่ายที่สุดคือมองมันเป็นความต้านทานไฟฟ้า: ผลต่างอุณหภูมิ ΔT เทียบได้กับแรงดันไฟฟ้า อัตราความร้อน q เทียบได้กับกระแสไฟฟ้า และความต้านทานความร้อน (thermal resistance) R = L/(kA) เทียบได้กับความต้านทานไฟฟ้าตรง ๆ เมื่อผนังประกอบด้วยหลายชั้นวางซ้อนกัน ความร้อนต้องไหลผ่านทุกชั้นตามลำดับเหมือนกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวต้านทานที่ต่ออนุกรมกัน จึงนำค่า R ของแต่ละชั้นมาบวกกันตรง ๆ เพื่อได้ R รวม แล้วหา q จาก ΔT รวมหารด้วย R รวมได้เลย

ข้อสังเกตที่สำคัญมากในทางปฏิบัติคือ ชั้นที่มี R มากที่สุดจะเป็นตัวกำหนดพฤติกรรมของทั้งระบบเกือบทั้งหมด เช่น ฉนวนหนา 5 ซม. อาจมี R มากกว่าผนังเหล็กหนา 10 มม. เป็นร้อยเท่า ทำให้ ΔT เกือบทั้งหมดตกคร่อมที่ชั้นฉนวนเพียงชั้นเดียว แต่ในทางกลับกัน ตะกรัน (scale) ที่เกาะในท่อ boiler เพียง 1 มม. ก็สามารถมี R สูงพอ ๆ กับผนังท่อเหล็กทั้งท่อนได้ เพราะ k ของตะกรันต่ำกว่าเหล็กหลายสิบเท่า ผลที่ตามมาคือผิวโลหะของท่อจะร้อนขึ้นผิดปกติจนเข้าใกล้ขีดจำกัดการคืบ (creep) ของวัสดุหรือรั่วในที่สุด — นี่คือเหตุผลที่ทีมเคมีน้ำของโรงไฟฟ้าใส่ใจการควบคุมคุณภาพน้ำป้อนอย่างเข้มงวด (ดูรายละเอียดใน ch28)

สำหรับรูปทรงกระบอกอย่างท่อ สูตร R จะต่างจากผนังเรียบเล็กน้อยเพราะพื้นที่หน้าตัดที่ความร้อนไหลผ่านเปลี่ยนไปตามรัศมี ไม่คงที่เหมือนผนังแบน จึงต้องใช้สูตรที่มีลอการิทึมของอัตราส่วนรัศมีเข้ามาเกี่ยวข้อง และในสภาวะคงตัว (steady state) อัตราความร้อน q จะมีค่าเท่ากันทุกจุดตลอดเส้นทางการไหล ไม่ว่าจะผ่านกี่ชั้น คุณสมบัตินี้ใช้หาอุณหภูมิที่รอยต่อระหว่างชั้นวัสดุแต่ละชั้นได้โดยตรง ดังตัวอย่างการคำนวณผนัง furnace ด้านล่าง

โดย \(q\) คืออัตราการถ่ายเทความร้อน (W), \(k\) คือสภาพนำความร้อน (W/m·K), \(A\) คือพื้นที่ตั้งฉากกับทิศทางการไหลของความร้อน (m²), \(L\) คือความหนาของผนังหรือความยาวท่อ (m), \(\Delta T\) คือผลต่างอุณหภูมิ (K), \(r_1, r_2\) คือรัศมีในและนอกของท่อ (m) และ \(R\) คือ thermal resistance (K/W)

1. Insulated steam pipe — ท่อไอน้ำหลักที่หุ้มฉนวนตลอดแนวเพื่อลดการสูญเสียความร้อนสู่บรรยากาศ ด้านในท่อคือเหล็กกล้าที่มี k สูงถึง 45–50 W/m·K แต่ตัวท่อเองแทบไม่ใช่ตัวจำกัดการไหลของความร้อน — ชั้นฉนวนรอบนอกต่างหากที่กำหนด R รวมเกือบทั้งหมดของระบบ ตามหลักการที่ว่าชั้นที่มี R มากที่สุดคุมทุกอย่าง
2. Calcium silicate insulation (thickness shown) — ฉนวน calcium silicate ที่มี k อยู่ในช่วงประมาณ 0.04–0.08 W/m·K ใกล้เคียงกับฉนวนใยแร่ที่กล่าวถึงในหัวข้อนี้ ความหนาที่เห็นชัดในภาพ (ตรงรอยตัดที่หน้าแปลน) คือสิ่งที่ทำให้ R ของชั้นฉนวนสูงกว่าผนังท่อเหล็กหลายสิบถึงหลายร้อยเท่า แม้ฉนวนจะหนาเพียงไม่กี่เซนติเมตรก็ตาม
3. Globe valve — วาล์วชนิด globe ที่ติดตั้งอยู่บนแนวท่อ ตัววาล์วเองมักหุ้มฉนวนได้ไม่สมบูรณ์เท่าท่อตรงเพราะรูปทรงซับซ้อนกว่าและต้องถอดฉนวนออกเวลาซ่อมบำรุง จึงมักเป็นจุดที่สูญเสียความร้อนต่อพื้นที่สูงกว่าส่วนอื่นของระบบท่อ
4. Aluminum cladding — แผ่นอะลูมิเนียมหุ้มทับด้านนอกของฉนวนอีกชั้นหนึ่ง ทำหน้าที่ป้องกันฉนวนจากความชื้นและความเสียหายทางกล ไม่ใช่ตัวลดการถ่ายเทความร้อนหลัก (อะลูมิเนียมมี k สูงมาก) แต่เป็นเกราะป้องกันที่ทำให้ฉนวนด้านในรักษาประสิทธิภาพได้ตลอดอายุใช้งาน
5. Pipe support — ฐานรองรับน้ำหนักท่อที่วางอยู่บนโครงสร้างคอนกรีต ช่วยรับน้ำหนักท่อและวาล์วที่หุ้มฉนวนหนา ป้องกันไม่ให้ท่อแอ่นตัวหรือรับแรงเค้นเกินที่จุดต่อ

12.2 การพาความร้อน (Convection — Newton's Law of Cooling)

Convection คือการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อของไหลเคลื่อนที่ผ่านผิววัตถุ พาความร้อนออกไปพร้อมกับการเคลื่อนที่ของมวลของไหลเอง อัตราการถ่ายเทขึ้นกับตัวแปรที่เรียกว่า convective heat transfer coefficient หรือ h ซึ่งข้อควรระวังคือ h ไม่ใช่สมบัติเฉพาะของสารเหมือน k แต่เป็นค่าที่ขึ้นกับความเร็วการไหล รูปทรงของผิว และสมบัติของของไหลนั้นพร้อมกันทั้งหมด ทำให้ h เปลี่ยนค่าได้มากตามสถานการณ์การใช้งาน

ลำดับขนาดของ h (หน่วย W/m²·K) ที่ควรจำเป็นกรอบคร่าว ๆ ได้แก่ natural convection ของอากาศ 2–25, forced convection ของอากาศหรือแก๊สไอเสีย (flue gas) 25–250, forced convection ของน้ำ 300–12,000, การเดือด (boiling) ของน้ำ 2,500–100,000 และการควบแน่น (condensation) ของไอน้ำ 5,000–100,000 — ตัวเลขเหล่านี้ครอบคลุมช่วงกว้างมาก และเป็นกรอบที่ใช้ประเมินคร่าว ๆ ได้ทันทีว่ากลไกไหนน่าจะครองการถ่ายเทความร้อนในแต่ละจุดของโรงไฟฟ้า natural convection เกิดจากแรงลอยตัว (buoyancy) ของไหลร้อนที่ลอยขึ้นเองตามธรรมชาติ จึงช้ากว่า forced convection ที่ใช้อุปกรณ์เครื่องกลขับดันของไหลให้เคลื่อนที่เร็วขึ้นมาก นี่คือเหตุผลโดยตรงที่ boiler ต้องมี FD fan (Forced Draft fan — พัดลมอัดอากาศเข้าเตา) และ ID fan (Induced Draft fan — พัดลมดูดแก๊สไอเสียออกจากเตา) เพื่อบังคับให้อากาศและแก๊สไหลเร็วพอที่จะถ่ายเทความร้อนได้ในอัตราที่ต้องการ เช่นเดียวกับที่ condenser ต้องมี CW pump (Cooling Water pump — ปั๊มน้ำหล่อเย็น) ขับน้ำหล่อเย็นให้ไหลผ่านท่อด้วยความเร็วสูงพอ (รายละเอียดใน ch18 และ ch22)

ความต้านทานของ convection เขียนเป็น R = 1/(hA) เมื่อเปรียบเทียบทั้งสองฝั่งของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่แลกระหว่างแก๊สกับของเหลว ฝั่งที่มี h ต่ำกว่า (มักเป็นฝั่งแก๊ส) จะเป็นคอขวดของการถ่ายเทความร้อนเสมอ เพราะ 1/(hA) ของฝั่งนั้นมีค่าใหญ่กว่าอีกฝั่งมาก แนวคิดนี้จะกลับมามีบทบาทสำคัญอีกครั้งเมื่อพูดถึง overall U ในหัวข้อ 12.4 และเรื่อง fin ในหัวข้อ 12.8 นอกจากนี้ยังมีตัวเลขไร้มิติ (dimensionless number) ที่ปรากฏบ่อยในการคำนวณ convection ได้แก่ Nusselt number (Nu = hL/k) ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่ต้องการ, Reynolds number (Re) ที่บอกว่าการไหลเป็นแบบ laminar หรือ turbulent และ Prandtl number (Pr) ที่สะท้อนสมบัติของของไหล สำหรับท่อที่มีการไหลแบบ turbulent มักใช้ correlation รูปแบบ Dittus-Boelter ซึ่งจำง่าย ๆ ว่า h โตขึ้นตามความเร็วยกกำลังประมาณ 0.8 นั่นหมายความว่าถ้าเพิ่มความเร็วการไหลขึ้น 2 เท่า h จะเพิ่มขึ้นราว 74% แต่ pressure drop กลับเพิ่มขึ้นเกือบ 4 เท่า — trade-off นี้คือโจทย์พื้นฐานที่วิศวกรออกแบบ heat exchanger ต้องชั่งน้ำหนักเสมอระหว่างสมรรถนะกับพลังงานที่ปั๊มหรือพัดลมต้องใช้เพิ่มขึ้น

โดย \(h\) คือ convective heat transfer coefficient (W/m²·K), \(T_s\) คืออุณหภูมิผิว (°C), \(T_\infty\) คืออุณหภูมิของไหลไกลผิว (°C), \(Nu\) คือ Nusselt number (ไม่มีหน่วย), \(L_c\) คือ characteristic length (m), \(Re\) คือ Reynolds number, \(Pr\) คือ Prandtl number และ \(n\) มีค่า 0.4 เมื่อของไหลถูกทำให้ร้อน หรือ 0.3 เมื่อถูกทำให้เย็น (Dittus-Boelter สำหรับท่อ turbulent)

1. Condenser waterbox (shell side) — ห้องน้ำหล่อเย็นด้านหัวของ condenser ที่ถูกเปิดฝาออกระหว่างหยุดเดินเครื่อง (outage) เพื่อตรวจสอบและบำรุงรักษา คำว่า "shell side" ในป้ายนี้หมายถึงตำแหน่งของ waterbox ที่ประกบกับด้าน shell ของ heat exchanger แม้ตัวน้ำหล่อเย็นจริงจะไหลอยู่ฝั่ง tube side ก็ตาม
2. Inlet bay (distribution zone) — โซนกระจายน้ำหล่อเย็นก่อนไหลเข้าท่อ ทำหน้าที่ปรับให้น้ำกระจายเข้าท่อแต่ละท่ออย่างสม่ำเสมอ ลดการไหลปั่นป่วนเฉพาะจุดที่อาจทำให้บางท่อได้รับความเร็วน้ำไม่พอ ส่งผลต่อ h เฉพาะจุดที่ต่ำกว่าค่าเฉลี่ยการออกแบบ
3. Maintenance platform — แท่นทำงานสำหรับช่างเข้าตรวจสอบและทำความสะอาดท่อระหว่าง outage มองเห็นเป็นโครงเหล็กด้านหลังของ waterbox ในภาพ
4. Mounting flange (waterbox to shell joint) — หน้าแปลนยึด waterbox เข้ากับ shell หลักของ condenser เป็นจุดที่ต้องปิดผนึกแน่นหนาเพราะรับทั้งน้ำหนักน้ำหล่อเย็นและต้องกันไม่ให้อากาศรั่วเข้าไปทำลายสุญญากาศฝั่ง shell (ดู ch21)
5. Titanium tube ends (tube sheet) — ปลายท่อไทเทเนียมนับพันท่อที่ฝังอยู่บนแผ่น tube sheet เรียงเป็นระเบียบทั่วพื้นที่หน้าตัด น้ำหล่อเย็นไหลอยู่ภายในท่อเหล่านี้ (tube side) ขณะที่ไอน้ำจาก turbine ควบแน่นอยู่รอบนอกท่อ (shell side) วัสดุไทเทเนียมถูกเลือกเพราะทนการกัดกร่อนจากน้ำหล่อเย็นได้ดีกว่าทองแดงผสมทั่วไป โดยเฉพาะเมื่อใช้น้ำทะเลเป็นน้ำหล่อเย็น
6. Pass partition plate (balance line) — แผ่นกั้นที่แบ่ง waterbox ออกเป็นช่องย่อยเพื่อบังคับให้น้ำหล่อเย็นไหลผ่านท่อเป็นหลาย pass (เข้าท่อกลุ่มบนแล้วไหลย้อนออกท่อกลุ่มล่าง เป็นต้น) ก่อนออกจาก condenser ช่วยเพิ่มความเร็วน้ำในท่อและเพิ่ม h โดยไม่ต้องเพิ่มอัตราการไหลรวม
7. Waterbox cover gasket groove — ร่องใส่ปะเก็นรอบขอบ waterbox cover ที่ป้องกันน้ำหล่อเย็นรั่วซึมออกจากจุดต่อฝาปิด เป็นจุดที่ทีมบำรุงรักษาต้องตรวจสอบสภาพปะเก็นทุกครั้งที่เปิด-ปิดระหว่าง outage
8. Waterbox cover (removed) — ฝาปิด waterbox ที่ถูกถอดออกเพื่อให้เข้าถึง tube sheet ได้ในภาพนี้ ในสภาพเดินเครื่องปกติฝานี้จะปิดสนิทรับความดันจากน้ำหล่อเย็นที่ไหลผ่านตลอดเวลา

12.3 การแผ่รังสี (Radiation — Stefan-Boltzmann)

Radiation เป็นกลไกการถ่ายเทความร้อนที่ต่างจาก conduction และ convection ตรงที่ไม่ต้องอาศัยตัวกลางใด ๆ เลย ทุกผิวที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์จะแผ่พลังงานออกมาตามกฎยกกำลังสี่ของอุณหภูมิสัมบูรณ์ (T⁴ หน่วยเป็น Kelvin เสมอ ห้ามใช้องศาเซลเซียส) นั่นหมายความว่าถ้าอุณหภูมิสัมบูรณ์ของผิวเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า พลังงานที่แผ่ออกจะเพิ่มขึ้นถึง 16 เท่า ค่าคงที่ที่ใช้คำนวณคือ Stefan-Boltzmann constant σ = 5.67×10⁻⁸ W/m²·K⁴ ส่วนตัวคูณที่บอกว่าผิวจริง "แผ่รังสีได้ดีแค่ไหนเมื่อเทียบกับ blackbody สมบูรณ์" เรียกว่า emissivity หรือ ε ซึ่งมีค่าตั้งแต่ 0 ถึง 1 — ผิวโลหะขัดเงามี ε เพียง 0.05–0.1 เพราะสะท้อนรังสีมากกว่าดูดกลืน ขณะที่ผิวเหล็กออกไซด์หรือผิวท่อ boiler ทั่วไปมี ε ราว 0.8 และผิวเขม่าหรือ refractory มี ε สูงถึง 0.9 ส่วน blackbody สมมติที่แผ่รังสีได้เต็มประสิทธิภาพมี ε = 1 พอดี

ในบริเวณ furnace ที่เปลวไฟมีอุณหภูมิสูงถึง 1,300–1,600°C radiation ไม่ใช่แค่กลไกหนึ่งในหลายกลไก แต่คือกลไกหลักที่ครอบงำเกือบทั้งหมด — มากกว่า 90% ของความร้อนที่เข้าสู่ waterwall ทุกวินาทีมาทางการแผ่รังสี ไม่ใช่ convection เปลวไฟจากถ่านหินหรือน้ำมันเชื้อเพลิงแผ่รังสีได้ดีเป็นพิเศษเพราะมีอนุภาคเขม่าและเถ้า (ash) แขวนลอยอยู่ในเปลว ซึ่งเป็นตัวกลางที่แผ่รังสีต่อเนื่องได้ทุกความยาวคลื่น ต่างจากแก๊สอย่าง CO₂ และ H₂O ที่แผ่รังสีได้เฉพาะบางย่านความยาวคลื่นเท่านั้น เรียกว่า non-luminous radiation ด้วยเหตุนี้โซนของ boiler จึงแบ่งชัดเจนออกเป็นสองส่วน: furnace เป็น radiant section ที่ waterwall รับความร้อนแบบแผ่รังสีเป็นหลัก ส่วนถัดจาก furnace เป็น convective section ที่ superheater และ economizer บางส่วนรับความร้อนผสมทั้งสองแบบ (รายละเอียดเต็มใน ch16)

ข้อควรระวังคือ radiation ไม่ได้หายไปเมื่ออุณหภูมิต่ำลง แม้ผิวฉนวนท่อไอน้ำที่อุณหภูมิเพียง 60°C ในห้องปกติก็ยังคงสูญเสียความร้อนผ่าน radiation ในปริมาณที่ใกล้เคียงกับที่สูญเสียผ่าน natural convection พอ ๆ กัน สำหรับกรณีผิวเล็ก ๆ ที่ล้อมรอบด้วยสิ่งแวดล้อมขนาดใหญ่ เช่นท่อร้อนในห้องกว้าง หรือ thermocouple ที่ติดตั้งใน duct แก๊สร้อน สามารถใช้สูตรง่าย ๆ ที่คิดเฉพาะ ε ของผิวชิ้นเล็กตัวเดียวได้ โดยไม่ต้องคำนึงถึง ε ของสิ่งแวดล้อมรอบข้าง

โดย \(\varepsilon\) คือ emissivity ของผิว (ไม่มีหน่วย 0–1), \(\sigma\) คือ Stefan-Boltzmann constant = 5.67×10⁻⁸ W/m²·K⁴, \(A\) คือพื้นที่ผิว (m²), \(T_s\) คืออุณหภูมิผิว (K — ต้องเป็น Kelvin เสมอ) และ \(T_{surr}\) คืออุณหภูมิสิ่งล้อมรอบ (K)

1. Upper furnace (radiant section) — โซนบนของเตาเผาที่อยู่เหนือกลุ่มเปลวไฟหลัก ยังคงเป็นส่วนหนึ่งของ radiant section ที่ waterwall รอบผนังรับความร้อนจากการแผ่รังสีเป็นหลัก แม้อุณหภูมิแก๊สในโซนนี้จะเริ่มลดลงกว่าบริเวณกลางเปลว
2. Waterwall tubes (membrane wall) — ท่อผนังเตาที่เรียงต่อกันเป็นแผ่นทึบ (membrane wall) ล้อมรอบ furnace ทั้งสี่ด้าน น้ำภายในท่อเหล่านี้รับความร้อนจากการแผ่รังสีของเปลวไฟโดยตรง ที่อุณหภูมิเปลว 1,300–1,600°C ความร้อนกว่า 90% ที่เข้าสู่ท่อกลุ่มนี้มาทาง radiation ไม่ใช่ convection ตามที่อธิบายในหัวข้อนี้
3. Burner flame — เปลวไฟหลักจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่หัวเผา (burner) สีส้มสว่างที่เห็นเกิดจากอนุภาคเขม่าและเถ้าที่ลุกจ้าและแผ่รังสีความร้อนแบบต่อเนื่องทุกความยาวคลื่น (luminous radiation) ทำให้เปลวเชื้อเพลิงแข็งอย่างถ่านหินแผ่รังสีได้ดีกว่าเปลวแก๊สธรรมชาติซึ่งไม่มีอนุภาคแขวนลอย
4. Burners — หัวเผาที่ติดตั้งเรียงเป็นแถวบนผนังเตาซึ่งเป็นจุดฉีดเชื้อเพลิงผสมอากาศเข้าสู่ furnace เพื่อจุดและรักษาเปลวไฟให้ต่อเนื่องตลอดการเดินเครื่อง จำนวนและตำแหน่งของ burner ถูกออกแบบให้กระจายความร้อนแผ่รังสีไปทั่วพื้นที่ waterwall อย่างสม่ำเสมอ ไม่กระจุกที่จุดใดจุดหนึ่งจนท่อร้อนเกิน
5. Lower furnace (radiant section) — โซนล่างของเตาเผาใกล้ระดับตะแกรงหรือก้นเตา ยังอยู่ในช่วง radiant section เช่นกัน เป็นบริเวณที่อุณหภูมิเปลวสูงที่สุดและ waterwall รับ heat flux จากการแผ่รังสีสูงที่สุดในทั้งเตา
6. Slag and ash on grate — เถ้าและตะกรัน (slag) ที่สะสมอยู่บนตะแกรงหรือก้นเตาหลังการเผาไหม้เชื้อเพลิงแข็ง อนุภาคเถ้าที่ยังร้อนแดงเหล่านี้เองก็เป็นแหล่งแผ่รังสีเพิ่มเติมให้กับ waterwall โดยรอบ นอกเหนือจากรังสีจากเปลวไฟหลัก

12.4 Overall Heat Transfer Coefficient U (Combined Modes)

อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนจริงในโรงไฟฟ้าแทบทุกชิ้นไม่ได้มีแค่กลไกเดียว แต่มี convection สองฝั่ง (ฝั่งในและฝั่งนอกท่อ) คั่นกลางด้วย conduction ผ่านผนังท่อ เมื่อรวมความต้านทานทั้งสามส่วนนี้เป็นอนุกรมแล้ว วิศวกรจะนิยามตัวแปรรวมตัวเดียวที่เรียกว่า overall heat transfer coefficient หรือ U ซึ่งทำให้สมการง่ายลงเหลือเพียง q = UAΔT โดยไม่ต้องแยกคำนวณแต่ละกลไก

หลักการสำคัญที่สืบเนื่องมาจากหัวข้อ 12.2 คือฝั่งที่มี h ต่ำจะเป็นตัวครองค่า U เกือบทั้งหมด ตัวอย่างเช่นในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างแก๊สกับน้ำ ค่า U จะใกล้เคียงกับ h ฝั่งแก๊สเสมอ แม้จะเพิ่ม h ฝั่งน้ำขึ้นเป็นสองเท่าก็แทบไม่ช่วยให้ U ดีขึ้นเลย เพราะความต้านทานฝั่งแก๊สที่ใหญ่กว่ามากยังคงเป็นคอขวดอยู่ดี — หลักการนี้คือรากฐานของเหตุผลที่ต้องติด fin ในหัวข้อ 12.8 ค่า U ทั่วไปที่พบในโรงไฟฟ้า (หน่วย W/m²·K) มีตั้งแต่ steam condenser สภาพสะอาด 2,000–4,000, FWH (Feedwater Heater — เครื่องอุ่นน้ำป้อน) 1,000–3,000, shell-and-tube แลกน้ำกับน้ำ 800–1,500, economizer ที่แลกความร้อนระหว่างแก๊สไอเสียกับน้ำ 30–70 ไปจนถึง air preheater เพียง 10–30 เท่านั้น — ตัวเลขต่างกันเกือบ 100 เท่าระหว่างอุปกรณ์ที่แลกของเหลว-ของเหลวกับที่แลกแก๊ส-ของเหลว

ข้อควรระวังในการอ้างอิงค่า U คือต้องระบุคู่กับพื้นที่อ้างอิงเสมอ (มักใช้พื้นที่ผิวด้านนอกท่อเป็นมาตรฐาน) เพราะพื้นที่ผิวในและนอกของท่อไม่เท่ากัน การรายงานค่า U โดยไม่บอกว่าอิงพื้นที่ไหนอาจทำให้ตีความผิดพลาดได้ นอกจากนี้ผนังท่อโลหะที่บางมักมีความต้านทาน conduction น้อยมากเมื่อเทียบกับความต้านทาน convection ทั้งสองฝั่ง จึงมักละทิ้งเทอมนี้ได้ในการประมาณคร่าว ๆ ยกเว้นเมื่อมีตะกรันหรือชั้นสกปรก (fouling) เกาะอยู่ ซึ่งจะกลับมาอธิบายในหัวข้อ 12.7

โดย \(U\) คือ overall heat transfer coefficient (W/m²·K), \(h_i, h_o\) คือ h ฝั่งในและนอกท่อ (W/m²·K), \(A_i, A_o\) คือพื้นที่ผิวในและนอกท่อ (m²), \(k\) คือ k ของผนังท่อ (W/m·K) และ \(L\) คือความยาวท่อ (m)

12.5 Heat Exchangers และวิธี LMTD (Heat Exchangers & LMTD Method)

เมื่อของไหลสองสายไหลเข้า HX (Heat Exchanger — เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน) จากด้านเดียวกันของอุปกรณ์ เรียกว่า parallel flow ผลต่างอุณหภูมิ ΔT ที่ต้นทางจะมีค่ามากแล้วหุบแคบลงอย่างรวดเร็วตลอดความยาว HX จนขาออกฝั่งเย็นไม่มีทางร้อนกว่าขาออกฝั่งร้อนได้เลย ในทางกลับกันถ้าของไหลสองสายไหลสวนทางกัน เรียกว่า counter flow ผลต่างอุณหภูมิจะสม่ำเสมอกว่าตลอดความยาว และยอมให้ขาออกฝั่งเย็นมีอุณหภูมิสูงกว่าขาออกฝั่งร้อนได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า temperature cross

ข้อเท็จจริงสำคัญคือ counter flow ให้ค่า LMTD (Log Mean Temperature Difference — ค่าเฉลี่ยลอการิทึมของผลต่างอุณหภูมิ) สูงกว่า parallel flow เสมอเมื่ออุณหภูมิเข้า-ออกทั้งสี่จุดเท่ากัน ซึ่งหมายความว่า counter flow ใช้พื้นที่ผิวน้อยกว่าในการถ่ายเทความร้อนปริมาณเท่ากัน ด้วยเหตุนี้ HX สมรรถนะสูงในโรงไฟฟ้า เช่น economizer และ FWH จึงถูกจัดวางให้ flow เข้าใกล้ counter flow แท้ให้มากที่สุดเท่าที่ทำได้ อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบ shell-and-tube คือม้างานหลักของการแลกเปลี่ยนความร้อนในโรงไฟฟ้าแทบทุกจุด โดยฝั่ง tube side (ในท่อ) มักออกแบบให้รับของไหลที่สกปรกหรือความดันสูงกว่า เพราะทำความสะอาดง่ายกว่าฝั่ง shell side ในขณะที่ shell side มีแผ่นกั้น (baffle) บังคับให้ของไหลไหลขวางแนวท่อ ซึ่งเพิ่มความปั่นป่วนและเพิ่ม h ได้มาก แบบที่พบมากที่สุดในทางปฏิบัติคือแบบหลาย tube pass เช่น 1-2 หรือ 2-4

LMTD คือค่าเฉลี่ยลอการิทึมของผลต่างอุณหภูมิที่ปลายทั้งสองด้านของ HX ใช้ได้เมื่อทราบอุณหภูมิเข้า-ออกครบทั้งสี่ค่า สำหรับ HX ที่มีหลาย pass หรือเป็นแบบ cross flow ซึ่งไม่ใช่ counter flow แท้ ต้องคูณด้วยตัวคูณแก้ไข F (correction factor) ที่อ่านได้จากแผนภูมิ โดยทั่วไปมีค่าอยู่ในช่วง 0.75–1.0 หาก F ที่ได้ต่ำกว่า 0.75 ในการออกแบบ มักเป็นสัญญาณว่าเลือก configuration ของ HX ผิดตั้งแต่ต้น มีกรณีพิเศษที่สำคัญคือเมื่อของไหลฝั่งหนึ่งเปลี่ยนเฟส เช่นใน condenser หรือ evaporator อุณหภูมิของฝั่งที่เปลี่ยนเฟสจะคงที่ตลอดความยาว HX ทำให้ parallel flow กับ counter flow ไม่ต่างกันเลย และ F = 1 พอดี

โดย \(\Delta T_1, \Delta T_2\) คือผลต่างอุณหภูมิระหว่างสองสายที่ปลายแต่ละด้านของ HX (K), \(\Delta T_{lm}\) คือ log mean temperature difference (K) และ \(F\) คือ correction factor สำหรับ configuration ที่ไม่ใช่ counter flow แท้ (ไม่มีหน่วย) — ในกรณีของ condenser ที่ไอน้ำควบแน่นที่อุณหภูมิคงที่ ผลต่างอุณหภูมิระหว่างไอกับน้ำหล่อเย็นขาออกที่แคบที่สุดตรงปลายทางเรียกว่า TTD (Terminal Temperature Difference — ผลต่างอุณหภูมิปลายทาง) ซึ่งเป็นตัวชี้วัดสมรรถนะสำคัญที่จะกลับมาพูดถึงอีกครั้งในหัวข้อ 12.7

1. Tube-side inlet nozzle — ท่อทางเข้าของไหลฝั่ง tube side ที่ต่อเข้าสู่ channel head ทางด้านหัวของ HX มักออกแบบให้รับของไหลที่สกปรกหรือความดันสูงกว่าตามหลักการที่อธิบายในหัวข้อนี้ เพราะทำความสะอาดฝั่งในท่อได้ง่ายกว่า
2. Shell-side inlet nozzle — ท่อทางเข้าของไหลฝั่ง shell side ที่ต่อเข้าตัวถังทรงกระบอกหลัก ของไหลที่เข้าทางนี้จะไหลปะทะและอ้อมผ่านมัดท่อภายในโดยมี baffle บังคับทิศทาง
3. Shell-side outlet nozzle — ท่อทางออกของไหลฝั่ง shell side หลังจากไหลผ่านมัดท่อและแลกความร้อนกับของไหลฝั่ง tube side จนครบตลอดความยาวเปลือกแล้ว
4. Channel head — หัวถังด้านซ้ายที่เป็นห้องกระจายของไหลฝั่ง tube side เข้าและออกจากมัดท่อ ฝาหน้ามีสลักเกลียวรอบวงให้ถอดเปิดตรวจสอบและทำความสะอาดท่อได้โดยไม่ต้องรื้อทั้งตัว shell
5. Insulated shell — เปลือกทรงกระบอกหลักที่หุ้มฉนวนไว้ด้านนอกเพื่อลดการสูญเสียความร้อนออกสู่บรรยากาศ ภายในบรรจุมัดท่อและ baffle ตามที่อธิบายในไดอะแกรมด้านบน
6. Saddle — ฐานรองรับรูปอานม้าที่วาง shell แนวนอนบนฐานคอนกรีต ออกแบบให้ปลายด้านหนึ่งยึดตายตัวและอีกด้านเลื่อนได้เล็กน้อยเพื่อรองรับการขยายตัวจากความร้อนของตัวเปลือกโลหะ
7. Tube-side outlet nozzle — ท่อทางออกของไหลฝั่ง tube side หลังไหลผ่านมัดท่อครบทุก pass แล้วออกจาก channel head

12.6 วิธี Effectiveness–NTU เบื้องต้น (Effectiveness–NTU Method)

วิธี LMTD ในหัวข้อก่อนหน้าใช้ได้ดีเมื่อรู้อุณหภูมิเข้า-ออกครบทั้งสี่ค่า แต่ในหลายสถานการณ์จริง วิศวกรรู้เพียงขนาดของ HX (ค่า UA) และอุณหภูมิขาเข้าของทั้งสองสาย แต่ไม่รู้อุณหภูมิขาออกเลย ถ้าใช้ LMTD ในกรณีนี้จะต้องเดาค่าอุณหภูมิขาออกแล้ววนคำนวณซ้ำไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะลงตัว วิธี effectiveness–NTU จึงถูกพัฒนาขึ้นเพื่อตอบคำถามแบบนี้ได้โดยตรงโดยไม่ต้องเดา

แนวคิดเริ่มจาก q_max ซึ่งเป็นความร้อนสูงสุดที่เป็นไปได้ในทางทฤษฎี เท่ากับ C_min คูณผลต่างอุณหภูมิเข้าของทั้งสองสาย โดย C คือ heat capacity rate ของแต่ละสาย (C = ṁc_p) และสายที่มีค่า C ต่ำกว่าคือสายที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงได้สุดก่อนเสมอ effectiveness หรือ ε นิยามเป็นอัตราส่วนของความร้อนที่ถ่ายเทได้จริงต่อ q_max มีค่าอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 ส่วน NTU (Number of Transfer Units — จำนวนหน่วยถ่ายเท) นิยามเป็น UA/C_min ซึ่งทำหน้าที่เป็น "ขนาดไร้มิติ" ของ HX ยิ่ง NTU สูง HX ยิ่งมีขนาดใหญ่เทียบกับความสามารถรับความร้อนของของไหล

ความสัมพันธ์ระหว่าง ε กับ NTU ขึ้นอยู่กับ configuration ของ HX แต่ในกรณีที่ของไหลฝั่งหนึ่งเปลี่ยนเฟส (เช่น condenser หรือ evaporator) ซึ่งทำให้ C_r = C_min/C_max = 0 พอดี ความสัมพันธ์จะง่ายลงเหลือ ε = 1 − e^(−NTU) ซึ่งเป็นสูตรที่ใช้บ่อยที่สุดในการประเมินอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนของโรงไฟฟ้า เพราะ condenser และ feedwater heater ส่วนใหญ่มีของไหลฝั่งหนึ่งเปลี่ยนเฟสอยู่แล้ว ตัวเลขที่ควรจำคือ NTU = 1 ให้ ε = 0.63, NTU = 2 ให้ ε = 0.86 และ NTU = 3 ให้ ε = 0.95 — เห็นได้ชัดว่าผลตอบแทนลดหลั่นลงเรื่อย ๆ การเพิ่มพื้นที่ผิว HX เป็นสองเท่าไม่ได้ทำให้ความร้อนที่ถ่ายเทได้เพิ่มเป็นสองเท่าตามไปด้วย ในทางปฏิบัติ วิธีนี้ถูกใช้ประเมินว่า condenser หรือ FWH เสื่อมสภาพไปมากแค่ไหนจากข้อมูลการเดินเครื่องจริง โดยไม่ต้องรออุณหภูมิที่ตรงกับเงื่อนไขออกแบบพอดี

โดย \(\varepsilon\) คือ effectiveness (ไม่มีหน่วย), \(C_{min}\) คือ heat capacity rate ที่ต่ำกว่าของสองสาย = ṁc_p (W/K), \(NTU\) คือ number of transfer units (ไม่มีหน่วย) และ \(C_r = C_{min}/C_{max}\) ซึ่งเท่ากับ 0 เมื่อฝั่งหนึ่งเปลี่ยนเฟส

12.7 Fouling และผลต่อสมรรถนะ (Fouling Factor & Performance)

Fouling คือชั้นสกปรกที่สะสมอยู่บนผิวแลกความร้อนตามกาลเวลา แบ่งได้หลายประเภท ได้แก่ ตะกรัน (scaling) จากแร่ธาตุในน้ำ ตะกอนหรือโคลน (sedimentation) ชีวภาพ (biofouling) ที่พบมากในระบบน้ำหล่อเย็น เขม่าหรือเถ้าฝั่งแก๊สไอเสีย และผลิตภัณฑ์จากการกัดกร่อน (corrosion product) ทุกชนิดของ fouling ล้วนคิดเป็นความต้านทานที่เพิ่มเข้ามาต่ออนุกรมกับความต้านทานเดิม เรียกว่า fouling factor หรือ R_f มีหน่วยเป็น m²·K/W ค่าที่ใช้อ้างอิงในอุตสาหกรรมมาจากมาตรฐาน TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association — สมาคมผู้ผลิต heat exchanger ที่กำหนดค่า fouling factor มาตรฐานสำหรับของไหลแต่ละชนิด) เช่นน้ำหล่อเย็นจาก cooling tower ที่ผ่านการปรับสภาพน้ำแล้วมี R_f ราว 0.00018–0.00035, น้ำทะเลมี R_f ราว 0.0001–0.0002 และ heavy fuel oil มี R_f สูงถึงราว 0.0009

ข้อสังเกตสำคัญคือยิ่ง U_clean (ค่า U ตอนสภาพสะอาด) สูงเท่าไร fouling ยิ่งส่งผลกระทบรุนแรงเท่านั้น เพราะ 1/U เดิมมีค่าน้อยมากอยู่แล้ว การเพิ่ม R_f เพียงเล็กน้อยจึงมีสัดส่วนสูงเมื่อเทียบกับค่าตั้งต้น เช่น condenser ที่มี U ~2,500 W/m²·K โดน R_f เพียง 0.0002 ก็ทำให้ U หายไปเกือบหนึ่งในสามแล้ว (ดูตัวอย่าง 12.3) ในขณะที่ economizer ที่มี U ~50 W/m²·K อยู่แล้วแทบไม่รู้สึกถึงผลของ R_f เดียวกันเลย อาการที่พบในโรงไฟฟ้าจริงเมื่อเกิด fouling ได้แก่ สุญญากาศของ condenser แย่ลงพร้อม TTD ที่กว้างขึ้น, ผลต่างอุณหภูมิฝั่งแก๊สของ economizer แคบลง และ pressure drop ฝั่งแก๊สของ air preheater เพิ่มขึ้น ซึ่งทุกอาการล้วนจบลงที่ heat rate ของโรงไฟฟ้าแย่ลงในที่สุด (รายละเอียดใน ch13 และ ch21)

แนวทางป้องกันและแก้ไข fouling ที่ใช้กันทั่วไปคือควบคุมเคมีน้ำหล่อเย็นร่วมกับการเติมคลอรีน (chlorination) เพื่อคุม biofouling, การทำความสะอาดท่อ condenser แบบออนไลน์ด้วยลูกบอลฟองน้ำ (online sponge ball cleaning) โดยไม่ต้องหยุดเดินเครื่อง, การใช้ sootblower ฝั่งแก๊สเพื่อเป่าเขม่าและเถ้าที่เกาะผิวท่อ และการล้างท่อครั้งใหญ่ในช่วงหยุดเดินเครื่อง (outage) (รายละเอียดใน ch18, ch22, ch28) ผู้ผลิตอุปกรณ์มักออกแบบเผื่อพื้นที่ผิวไว้ล่วงหน้าราว 10–25% สำหรับรองรับผลของ fouling ที่จะเกิดขึ้นตลอดอายุใช้งาน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไม HX ที่เพิ่งติดตั้งใหม่จึงมักทำสมรรถนะได้ดีกว่าค่าที่ระบุในสเปกเสมอ

โดย \(U_{fouled}, U_{clean}\) คือ overall coefficient หลังและก่อนเกิด fouling (W/m²·K) และ \(R_{f,total}\) คือผลรวม fouling factor ของทุกผิว (m²·K/W)

12.8 Extended Surfaces / Fins — Economizer และ Air Preheater

เมื่อ h ของสองฝั่งใน HX ต่างกันมาก เช่นฝั่งแก๊สไอเสียมี h เพียงราว 50 W/m²·K ในขณะที่ฝั่งน้ำมี h สูงถึงราว 5,000 W/m²·K ทางเดียวที่คุ้มค่าในการปรับปรุงสมรรถนะรวมคือการเพิ่มพื้นที่ผิวฝั่งที่ h ต่ำ นี่คือหน้าที่ของ fin (ครีบ) ตรงตามหลักการที่อธิบายไว้ในหัวข้อ 12.4 ว่าฝั่ง h ต่ำครองค่า U เกือบทั้งหมด — การติด fin ที่ฝั่งน้ำแทบไม่ได้อะไรเพิ่มขึ้นเลยเพราะฝั่งน้ำไม่ใช่คอขวดตั้งแต่ต้น

ข้อควรระวังคือ fin ไม่ได้ถ่ายเทความร้อนได้เต็มประสิทธิภาพ 100% เพราะปลาย fin ที่อยู่ไกลจากโคนจะเย็นกว่าโคนเสมอ ทำให้ค่าที่เรียกว่า fin efficiency หรือ η_fin ต่ำกว่า 1 โดยการออกแบบทั่วไปมักตั้งเป้าไว้ที่ 70–90% หาก fin ยาวเกินไป บางเกินไป หรือใช้วัสดุที่มี k ต่ำ ค่า η_fin จะยิ่งตกต่ำลง economizer ในทางปฏิบัติใช้ท่อแบบ spiral fin ทั้งชนิด solid และ serrated ที่มีความหนาแน่นราว 2–6 fins ต่อนิ้ว ซึ่งช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวฝั่งแก๊สได้มากถึง 5–12 เท่าเมื่อเทียบกับท่อเปล่า สำหรับเชื้อเพลิงที่มีเถ้าเยอะอย่างถ่านหิน มักเลือกใช้ fin ห่างขึ้นหรือใช้ท่อเปล่าแทนเพื่อป้องกันเถ้าอุดตันช่องว่างระหว่าง fin (รายละเอียดใน ch16, ch18) ส่วน HRSG (Heat Recovery Steam Generator — หม้อไอน้ำผลิตไอด้วยความร้อนทิ้งจาก gas turbine) ใช้ท่อแบบ finned tube ที่หนาแน่นกว่านี้อีกได้ เพราะแก๊สจาก gas turbine สะอาดกว่าแก๊สจากการเผาไหม้ถ่านหินมาก ซึ่งเป็นเหตุผลหนึ่งที่ HRSG สามารถอัดพื้นที่ผิวถ่ายเทความร้อนมหาศาลไว้ในกล่องเดียวได้ (รายละเอียดใน ch26)

air preheater แบ่งได้เป็นสองตระกูลหลัก ได้แก่ recuperative (แบบ tubular) ที่แลกความร้อนผ่านผนังท่อคงที่เหมือน HX ทั่วไป และ regenerative (แบบ Ljungström) ที่ใช้ rotor บรรจุแผ่นโลหะลูกฟูก (element) หมุนช้า ๆ ราว 1–3 rpm สลับรับความร้อนจากแก๊สร้อนแล้วหมุนไปปล่อยความร้อนนั้นให้อากาศเย็นในอีกซีกหนึ่งของตัวเรือน โดยธรรมชาติของการหมุนสลับซีกแบบนี้ทำให้มีอากาศรั่วข้ามฝั่งไปปนกับแก๊สไอเสียได้ราว 5–10% ผ่านช่องว่างระหว่าง seal ที่หมุน จุดที่ต้องระวังร่วมกันทั้ง economizer และ air preheater คืออุณหภูมิผิวโลหะฝั่งเย็นต้องไม่ต่ำกว่า acid dew point ซึ่งอยู่ราว 120–150°C สำหรับเชื้อเพลิงที่มีกำมะถันปนอยู่ เพราะต่ำกว่านั้นกรดซัลฟิวริก (H₂SO₄) ในแก๊สไอเสียจะกลั่นตัวเป็นหยดกัดกร่อนผิวโลหะ เรียกว่า cold-end corrosion ข้อจำกัดนี้เองที่กำหนดเพดานว่าจะดึงความร้อนจากแก๊สไอเสียลงไปได้ต่ำสุดเท่าไรก่อนปล่อยออกปล่อง (รายละเอียดใน ch17, ch18)

โดย \(\eta_{fin}\) คือ fin efficiency (ไม่มีหน่วย), \(A_{fin}\) คือพื้นที่ผิวของ fin (m²), \(T_b\) คืออุณหภูมิโคน fin (°C) และ \(T_\infty\) คืออุณหภูมิของไหล (°C)

1. Spiral finned economizer tube — ท่อ economizer ที่พัน fin เป็นเกลียวรอบท่อตลอดความยาว เพิ่มพื้นที่ผิวฝั่งแก๊สไอเสียได้ 5–12 เท่าเมื่อเทียบกับท่อเปล่า ตรงตามหลักการที่ว่าฝั่งแก๊สมี h ต่ำจึงต้องเพิ่มพื้นที่แทนการเพิ่ม h โดยตรง
2. Tube support plate (spacer) — แผ่นรองรับและกำหนดระยะห่างระหว่างท่อแต่ละแถวให้สม่ำเสมอ ป้องกันท่อสั่นหรือเบียดกันขณะแก๊สไอเสียไหลผ่านด้วยความเร็วสูง
3. Side/water box (panel) — แผงข้างที่เป็นกรอบยึดปลายท่อและปิดขอบด้านข้างของกลุ่มท่อ economizer ป้องกันแก๊สไอเสียไหลลัดผ่านช่องว่างข้างมัดท่อโดยไม่แลกความร้อน
4. Ash/deposit accumulation — คราบเถ้าและฝุ่นที่เริ่มสะสมอยู่บนผิว fin ซึ่งเป็นอาการเริ่มต้นของ fouling ฝั่งแก๊สที่กล่าวถึงในหัวข้อ 12.7 หากสะสมมากขึ้นจะลด effective area ของ fin และเพิ่ม pressure drop ฝั่งแก๊ส เป็นเหตุผลที่ต้องมี sootblower เดินเป็นระยะ
5. Upper header (outlet) — ท่อรวมด้านบนที่รับน้ำจากท่อ economizer ทุกแถวหลังรับความร้อนแล้วส่งต่อไปยัง steam drum
6. Backpass wall — ผนังของช่อง backpass ของ boiler ที่ท่อ economizer ติดตั้งอยู่ภายใน เป็นโซนที่แก๊สไอเสียไหลผ่านหลังออกจาก furnace แล้ว อุณหภูมิแก๊สในโซนนี้ต่ำกว่าใน furnace มากแล้ว ทำให้การถ่ายเทความร้อนที่นี่เป็น convection เป็นหลักไม่ใช่ radiation
7. Lower header (inlet) — ท่อรวมด้านล่างที่จ่ายน้ำป้อนเข้าสู่ท่อ economizer แต่ละแถวก่อนไหลขึ้นไปรับความร้อนจากแก๊สไอเสียที่ไหลสวนทางลงมา
8. Boiler backpass walkway — ทางเดินสำหรับช่างเข้าตรวจสอบสภาพท่อและคราบเถ้าในช่อง backpass ระหว่างหยุดเดินเครื่อง

1. Drive motor and gearbox — มอเตอร์และเกียร์ทดที่ขับให้ rotor หมุนช้า ๆ ราว 1–3 rpm ตลอดเวลาการเดินเครื่อง เป็นอุปกรณ์เดียวที่ต้องใช้ไฟฟ้าขับเคลื่อนใน air preheater แบบ regenerative นี้
2. Top plate — แผ่นปิดด้านบนของตัวเรือนที่ยึดโครงสร้างส่วนบนของ rotor และแบ่งช่องแก๊สทางเข้า-ออกไม่ให้ปนกัน
3. Flue gas inlet — ช่องทางเข้าของแก๊สไอเสียร้อนจาก furnace ที่ไหลเข้าสู่ซีกบนของ rotor เพื่อถ่ายเทความร้อนให้ heating element
4. Flue gas outlet — ช่องทางออกของแก๊สไอเสียหลังถ่ายเทความร้อนให้ element แล้ว อุณหภูมิแก๊สที่ออกจากจุดนี้ถูกจำกัดไม่ให้ต่ำกว่า acid dew point ตามที่อธิบายในหัวข้อนี้
5. Central shaft — เพลากลางแนวตั้งที่ยึด rotor ทั้งลูกและส่งกำลังหมุนจาก drive motor ผ่านเกียร์ทดมายัง rotor
6. Flue gas sector (upper half) — โซนครึ่งบนของตัวเรือนที่ถูกกันไว้ให้เฉพาะแก๊สไอเสียไหลผ่าน rotor ในซีกนี้เท่านั้น ขณะที่ rotor หมุนผ่าน element แต่ละส่วนจะสลับเข้าออกโซนนี้ตลอดเวลา
7. Rotor with corrugated heating elements — แกนกลางที่บรรจุแผ่นโลหะลูกฟูกเรียงเป็นตะกร้าจำนวนมาก ทำหน้าที่เก็บสะสมความร้อนจากแก๊สไอเสียขณะหมุนผ่านซีกแก๊ส แล้วปล่อยความร้อนนั้นคืนให้อากาศเผาไหม้ขณะหมุนผ่านซีกอากาศ เป็นหัวใจของหลักการ regenerative heat transfer
8. Sealing strips (air and gas seals) — แถบซีลที่ติดตั้งรอบขอบ rotor เพื่อกันไม่ให้แก๊สไอเสียกับอากาศปนกันข้ามซีก แต่ด้วยธรรมชาติของชิ้นส่วนหมุนที่ต้องมีช่องว่างเล็กน้อย จึงยังคงมีอากาศรั่วข้ามไปฝั่งแก๊สได้ราว 5–10% ตามที่อธิบายไว้ในเนื้อหา
9. Flue gas sector (upper half) — ป้ายนี้ปรากฏซ้ำในภาพเพื่อระบุขอบเขตของโซนแก๊สทางฝั่งขวาบนของตัวเรือนเช่นเดียวกับซีกซ้าย ยืนยันว่าโซนแก๊สครอบคลุมพื้นที่ครึ่งบนทั้งหมดของ rotor
10. Air sector (lower half) — โซนครึ่งล่างของตัวเรือนที่ถูกกันไว้ให้เฉพาะอากาศเผาไหม้ไหลผ่าน rotor ส่วนที่เพิ่งหมุนออกจากซีกแก๊สร้อนมา รับความร้อนที่สะสมไว้ใน element กลับคืนไป
11. Air inlet — ช่องทางเข้าของอากาศเย็นจากบรรยากาศก่อนถูกอุ่นโดย element แล้วส่งต่อไปเป็นอากาศเผาไหม้ที่ burner
12. Air outlet — ช่องทางออกของอากาศที่ถูกอุ่นแล้วจาก air preheater ก่อนส่งต่อไปยัง burner ของ furnace
13. Thrust bearing and support — แบริ่งรับแรงตามแนวแกนที่ฐานล่างของเพลากลาง รองรับน้ำหนักมหาศาลของ rotor ทั้งลูกพร้อมกับให้หมุนได้อย่างราบเรียบตลอดอายุใช้งาน

สรุปท้ายบท

ศัพท์เทคนิคในบทนี้

แบบทดสอบท้ายบท