การศึกษาพฤติกรรมการถ่ายเทความร้อนแบบคอนจูเกตและพฤติกรรมทางกลอันเนื่องมาจากความเค้นของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อด้วยระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์
Main Article Content
บทคัดย่อ
งานวิจัยนี้นำเสนอผลกระทบของระดับอุณหภูมิของไอน้ำที่ส่งผ่านอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อต่อความเค้นและการขยายตัวของวัสดุด้วยการวิเคราะห์ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์เพื่อแสดงให้เห็นถึงตำแหน่งที่อาจเป็นจุดอ่อนของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อระหว่างการใช้งานจริงซึ่งจะมีประโยชน์ให้เกิดความระมัดระวังในกระบวนการผลิต โดยกำหนดการไหลภายในอุปกรณ์ให้เป็นการไหลแบบปั่นป่วน ผลการศึกษาอิทธิพลของระดับอุณหภูมิของไอน้ำหรือของไหลทำงานที่ส่งผลต่อวัสดุพบว่า ที่สภาวะสมดุลทางความร้อนระหว่างไอน้ำและผิววัสดุ เมื่อระดับอุณหภูมิของบริเวณที่เรียกว่า Elliptical Head ของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเปลี่ยนแปลงจากระดับ 200 องศาเซลเซียส ไปยัง300 องศาเซลเซียส ส่งผลให้ความเค้น Von Mises รวมถึงการขยายตัวของวัสดุสูงขึ้น 380 เมกะปาสคาล และ 0.45 มิลลิเมตร ตามลำดับ งานวิจัยนี้ได้นำเสนอผลความเค้นและการขยายตัวของวัสดุพร้อมกันอย่างเป็นระบบจากอิทธิพลของอุณหภูมิของไหลหรืออาจกล่าวได้ว่าเป็นปัญหาการถ่ายเทความร้อนแบบคอนจูเกต (Conjugate Convective Heat Transfer) โดยตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ด้วยการเปรียบเทียบอุณหภูมิขาออกของของไหลฝั่งเปลือกและท่อรวมถึงความดันลดที่เกิดภายในท่อของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนกับโมเดลพื้นฐานของงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง ซึ่งพบว่า ผลลัพธ์เชิงตัวเลขมีความใกล้เคียงและสอดคล้องกันเป็นอย่างดีโดยมีเปอร์เซ็นต์ความแตกต่างของอุณหภูมิขาออกของไหลของฝั่งเปลือกและท่อเท่ากับ 3.7% และ 1.4% ตามลำดับ รวมถึงความแตกต่างของความดันลดอยู่ที่ 5% และงานวิจัยนี้สามารถต่อยอดในการวิเคราะห์ผลกระทบของของไหลที่มีต่ออุปกรณ์ในลักษณะอื่นได้ในอนาคต เช่น การขัดสี (Erosion) และ การกัดกร่อน (Corrosion) ภายในอุปกรณ์
Article Details
อนุญาตภายใต้เงื่อนไข Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
บทความที่ลงตีพิมพ์เป็นข้อคิดเห็นของผู้เขียนเท่านั้น
ผู้เขียนจะต้องเป็นผู้รับผิดชอบต่อผลทางกฎหมายใดๆ ที่อาจเกิดขึ้นจากบทความนั้น
เอกสารอ้างอิง
S. A. Marzouk, M. A. Sharaf, A. Aljabr, F. A. Almehmadi, T. Alam, and I. Malik, “Effects of baffles and springs in shell and multi-tube heat exchangers: Comparative approach,” Case Studies in Thermal Engineering, vol. 61, pp. 104996, Sep. 2024, doi: 10.1016/j.csite.2024.104996.
C. Nie, Z. Chen, X. Liu, H. Li, J. Liu, and Z. Rao, “Design of metal foam baffle to enhance the thermal-hydraulic performance of shell and tube heat exchanger,” International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 159, pp. 108005, Dec. 2024, doi: 10.1016/ j.icheatmasstransfer.2024.108005.
A. K. Kareem, A. H. Alabbasi, and A. M. Mohsen, “Simulation study of heat transfer behaviour of turbulent two-phase flow in a 3D cubic shell and tube heat exchanger using water and different nanofluids,” Results in Engineering, vol. 24, pp. 102851, Dec. 2024, doi: 10.1016/ j.rineng.2024.102851.
S. Saha and N. Hasan, “Numerical evaluation of thermohydraulic parameters for diverse configurations of shell-and-tube heat exchanger,” Results in Engineering, vol. 23, pp. 102509, Sep. 2024, doi: 10.1016/j.rineng.2024.102509.
A. M. Mohammadzadeh, B. Jafari, and K. Hosseinzadeh, “Comprehensive numerical investigation of the effect of various baffle design and baffle spacing on a shell and tube heat exchanger,” Applied Thermal Engineering, vol. 249, pp. 123305, Jul. 2024, doi: 10.1016/j.applthermaleng. 2024.123305.
S. Karuppusamy, P. Sambandam, M. Selvaraj, G. Kaliyaperumal, A. Mariadhas, and J. R. Deepak, “Enhancing heat transfer efficiency in shelland- tube heat exchangers with SiC and CNTinfused alkaline water nanofluids,” Desalination and Water Treatment, vol. 317, pp. 100157, Jan. 2024, doi: 10.1016/j.dwt.2024.100157.
A. M. Abdelmoety, M. W. Muhieldeen, W. Yen Tey, X. Yin, and N. E. Beit, “Numericalinvestigations on optimised shell designs of a U-tube heat exchanger,” Thermal Science and Engineering Progress, vol. 47, pp. 102327, Jan. 2024, doi: 10.1016/j.tsep.2023.102327.
Y. Duan, X. Zhang, Z. Han, Q. Liu, X. Li, and L. Li, “Numerical simulation of flow and heat transfer performance of tube-shell coupled helically coiled corrugated tube heat exchanger,” International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 153, pp. 107325, Apr. 2024, doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107325.
N. Sohrabi, K. A. Hammoodi, A.Hammoud, D. J. Jasim, S. H. H. Karouei, J, Kheyri, and H. Nabi, “Using different geometries on the amount of heat transfer in a shell and tube heat exchanger using the finite volume method,” Case Studies in Thermal Engineering, vol. 55, pp. 104037, Mar. 2024, doi: 10.1016/j.csite.2024.104037.
S. Liu, H. Wu, Q. Zhao, and Z. Liang, “Corrosion failure analysis of the heat exchanger in a hot water heating boiler,” Engineering Failure Analysis, vol. 142, pp. 106847, Dec. 2022, doi: 10.1016/j.engfailanal.2022.106847.
C. Subramanian, S. Zamindar, and P. Baneerjee, “Oxygen corrosion of reboiler tube served in production of dilution steam from heat exchanger of petrochemical refinery,” Engineering Failure Analysis, vol. 164, pp. 108664, Oct. 2024, doi: 10.1016/j.engfailanal.2024.108664.
Q. Liu, N. Li, J. Duan, M. Song, and F. Shi, “Enhancing corrosion resistance and heat transfer performance of fin-tube heat exchangers for closed-type heat-source towers by superhydrophobic coatings,” Journal of Building Engineering, vol. 96, pp. 110568, Nov. 2024, doi: 10.1016/j.jobe.2024.110568.
Y. Liu, R. Z. Li, Q. Z. Liu, Y. Lai, Y. F. Li, Y. K. Wang, and R. Luo, “Investigation on chloride corrosion of a new seamless steel-07CrCuAlMoTi for heat exchangers in bicarbonate-containing environments,” Materials Today Communications, vol. 43, pp. 111795, Feb. 2025, doi: 10.1016/ j.mtcomm.2025.111795.
H. S. Lee, Thermal Design: Heat Sinks, Thermoelectrics, Heat Pipes, Compact Heat Exchangers, and Solar Cells, 1st edition. Hoboken, N.J: Wiley, 2010.
J. Boussinesq, “Théorie de l’ecoulement tourbillant,” Mémoires présentés à l’Académie des Sciences, vol. 23, pp. 46, 1877.
A. Mathur and S. He, “Performance and implementation of the Launder–Sharma low-Reynolds number turbulence model,” Computers & Fluids, vol. 79, pp. 134–139, Jun. 2013, doi: 10.1016/j.compfluid.2013.02.020.
C. Serttikul, A. K. Datta, and P. Rattanadecho, “Effect of layer arrangement on 2-D numerical analysis of freezing process in double layer porous packed bed | IIETA,” International Journal of Heat and Technology, vol. 37, no. 1, pp. 273–284, Mar. 2019, doi: 10.18280/ijht. 370133.
S. Yu, X. Xu, Z. Du, Z. Chen, R. Lu, Z. Zou, and C. Peng, “Prediction of critical heat flux based on near-wall bubble dynamics and conjugate heat transfer,” Applied Thermal Engineering, vol. 275, pp. 126907, Sep. 2025, doi: 10.1016/ j.applthermaleng.2025.126907.
J. Štrucl, J. Marn, and M. Zadravec, “Numerical modelling of conjugate heat transfer inforce convective flow environment using a combined boiling model (CBM),” Results in Engineering, vol. 26, pp. 104958, Jun. 2025, doi: 10.1016/j.rineng.2025.104958.
Y. Dreze and L. di Mare, “Unsteady conjugate heat transfer effects on flow characteristics in transonic flow,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 246, pp. 127036, Aug. 2025, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer. 2025.127036.
E. J. Hearn, Mechcanics of Materials 1, 3rd edition. Butterworth-Heinemann, 1997.
