การออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในห้องเครื่อง

ประสิทธิภาพของห้องเครื่องได้ก้าวหน้าพ้นยุคที่วัดเพียงแค่ปริมาณเชื้อเพลิงที่ใช้ต่อนอติเคิลไมล์ไปแล้ว ปัจจุบัน ประสิทธิภาพของห้องเครื่องเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบอื่นๆ อีกมากมาย อาทิ การเพิ่มประสิทธิภาพด้านความร้อน การลดการใช้พลังงานของปั๊ม การลดเวลาหยุดซ่อมบำรุง และการผสานรวมเครื่องจักรเข้ากับระบบอัตโนมัติบนเรือซึ่งก้าวหน้าอย่างมาก ที่สำคัญยิ่ง ระบบระบายความร้อนถือเป็นองค์ประกอบหลักที่รองรับสมการเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดของห้องเครื่อง โดยมีแผ่นแลกเปลี่ยนความร้อน (Plate Heat Exchanger: PHE) เป็นหัวใจสำคัญ แผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีประสิทธิภาพจริงๆ นั้นสามารถถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิผล พร้อมทั้งใช้พลังงานส่วนเกิน (parasitic load) น้อยที่สุด มีความน่าเชื่อถือสูงสุด และสามารถปรับตัวให้เข้ากับโหมดการปฏิบัติงานที่หลากหลายได้ ด้วยประสบการณ์กว่าสองทศวรรษของกลุ่ม SME ในด้านวิศวกรรมทางทะเล รวมถึงพอร์ตโฟลิโอผลิตภัณฑ์ที่ครอบคลุม เช่น ระบบป้องกันการกัดกร่อนด้วยกระแสไฟฟ้า (ICCP), ระบบป้องกันการกัดกร่อนด้วยแมกนีเซียม (MGPS), ระบบกำจัดสิ่งมีชีวิตในน้ำ (SED) และอุปกรณ์แผ่นแลกเปลี่ยนความร้อน (PHE) ทำให้ทีมงานสามารถพัฒนาหลักการที่เหมาะสม เพื่อเปลี่ยนอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพอย่างแผ่นแลกเปลี่ยนความร้อน (PHE) ให้กลายเป็นส่วนประกอบสำคัญที่ขับเคลื่อนประสิทธิภาพโดยรวมของห้องเครื่องได้จริง

1. การปรับแต่งการออกแบบด้านความร้อนเพื่อให้การใช้พลังงานต่ำที่สุด

เกณฑ์หลักในการประเมินประสิทธิภาพของ PHE คือ ประสิทธิผลด้านความร้อน ซึ่งหมายถึง อัตราการถ่ายเทความร้อนจริงเมื่อเปรียบเทียบกับศักยภาพเชิงทฤษฎีสูงสุดที่เป็นไปได้ กระบวนการ SME ประกอบด้วยการออกแบบด้านความร้อนที่คำนวณภาระความร้อนอย่างแม่นยำ จึงไม่ทำให้อุปกรณ์มีขนาดใหญ่เกินจำเป็นซึ่งจะสิ้นเปลืองพื้นที่โรงงานที่มีค่าและก่อให้เกิดงานปั๊มที่ไม่จำเป็น หรือเล็กเกินไปจนลูกค้าประสบปัญหาในการระบายความร้อน ทั้งนี้ การเลือกใช้มุมแฉกและร่องบนแผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนที่เหมาะสมที่สุด ส่งผลให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วนสูงแม้ที่ความเร็วต่ำสัมพัทธ์ จึงได้สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงพร้อมแรงดันตกต่ำ

เป็นหลักการออกแบบขั้นพื้นฐานที่ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ทุก ๆ การลดลงของความดัน 1 กิโลพาสคาล (kPa) ที่เกิดขึ้นผ่านแผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (PHE) จะทำให้ปั๊มต้องจ่ายกำลังเพิ่มเติม ซึ่งส่งผลให้โหลดของเครื่องยนต์เสริมเพิ่มขึ้น และทำให้การเผาเชื้อเพลิงมากขึ้นตามไปด้วย กระบวนการออกแบบของ SME ใช้การจำลองกระแสไหลผ่านชุดแผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (PHE plate pack) ด้วยซอฟต์แวร์ CFD ระดับแนวหน้า ซึ่งช่วยให้สามารถกำหนดการกระจายความเร็วของกระแสไหลอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งชุดแผ่น กำจัดบริเวณที่ไม่มีการไหล (dead spots) ออกได้อย่างมีประสิทธิภาพ และลดโอกาสการสะสมคราบสิ่งสกปรก (fouling) ให้น้อยที่สุด ผลลัพธ์ที่ได้คือ PHE ที่สามารถปฏิบัติภารกิจที่ออกแบบไว้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยมีการสูญเสียความดันต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้ — ซึ่งประหยัดพลังงานสะสมได้ตลอดอายุการใช้งานของเรือ

2. ลดการสะสมคราบสิ่งสกปรก (fouling) และยืดระยะเวลาระหว่างการบำรุงรักษา

ขโมยที่มองไม่เห็นซึ่งทำลายประสิทธิภาพของระบบ PHE: การสะสมสิ่งสกปรก (ไบโอฟิล์ม คราบตะกรัน และอนุภาคที่ตกค้างบนพื้นผิวถ่ายเทความร้อน) เพิ่มความต้านทานความร้อนของแผ่น ทำให้ต้องใช้พลังงานปั๊มมากขึ้นและอุณหภูมิการทำงานของเครื่องยนต์สูงขึ้น โซลูชันของ SME ในการต่อต้านการสะสมสิ่งสกปรก: แผ่นของเราผ่านการปรับแต่งพื้นผิวให้เหมาะสมเป็นพิเศษ เพื่อลดแรงยึดเกาะของสิ่งสกปรกที่มีทั้งต้นกำเนิดจากสิ่งมีชีวิตและแร่ธาตุ รูปแบบร่องแบบเชฟรอง (chevron corrugated profile) ที่ออกแบบมาอย่างแม่นยำ สร้างแรงเฉือนเฉพาะจุดบริเวณทางเข้าแผ่น ซึ่งช่วยส่งเสริมการหลุดลอกของสิ่งสกปรก

ยิ่งไปกว่านั้น ระบบแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ PHE ที่ออกแบบโดยบริษัท SME ของเรา ได้ติดตั้งช่องสำหรับทำความสะอาดที่เข้าถึงได้ง่าย รวมทั้งหน้าต่างสังเกตเพื่อตรวจสอบการสะสมสิ่งสกปรกด้วยสายตา พร้อมด้วยขั้นตอนการทำความสะอาดอย่างละเอียดซึ่งใช้สารเคมีที่เข้ากันได้ (โดยคำนึงถึงวัสดุของแผ่นและซีล) เมื่อจับคู่กับระบบป้องกันการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตในทะเล (MGPS) แล้ว สิ่งมีชีวิตในทะเลจะไม่สามารถเกาะตัวภายในช่องรับน้ำทะเลอีกต่อไป ทำให้อัตราการสะสมสิ่งสกปรกลดลงเหลือเพียงน้อยที่สุด ส่งผลให้ช่วงเวลาในการทำความสะอาดแต่ละครั้งยาวนานขึ้น ระยะเวลาหยุดทำงานลดลง ต้นทุนการบำรุงรักษาต่ำลง และประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนเหนือกว่าในทุกช่วงอายุการใช้งานของเรือ

3. การจัดวางแบบโมดูลาร์เพื่อรองรับการปรับตัวตามภาระงาน

เรือสมัยใหม่ไม่ได้ทำงานที่ระดับกำลังเพียงระดับเดียวตลอดทั้งวัน โหลดของเครื่องยนต์หลักจะเพิ่มขึ้นอย่างมากขณะจัดการการเคลื่อนที่ ลดลงอย่างมากขณะแล่นช้า และปิดลงเมื่อจอดเทียบท่า ส่งผลให้แผงแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (PHE) ถูกออกแบบเกินความจำเป็นที่โหลดบางส่วน ซึ่งหมายความว่าการใช้พลังงานของปั๊มสูงเกินไป และเสถียรภาพทางความร้อนต่ำเมื่อทำงานที่โหลดลดลง ระบบ PHE ที่ประกอบด้วยแผ่นแต่ละแผ่นและ/หรือแบบแยกส่วน (modular) หรือที่เรียกว่า "ส่วนย่อย" สามารถให้ความยืดหยุ่นได้ ระบบของ SME จึงสามารถเชื่อมต่อได้ทั้งแบบใช้งานทุกส่วนย่อยพร้อมกัน หรือแยกบางส่วนย่อยออกจากการใช้งาน หรือเบี่ยงเบนการไหลรอบส่วนย่อยเหล่านั้น ตามภาระความร้อนในขณะนั้น โดยให้โซลูชันการระบายความร้อนที่คุ้มค่าและมีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากขึ้น

ตัวอย่างเช่น แผงแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (PHE) ที่จ่ายความเย็นให้ระบบทำความเย็นกลางอาจมีส่วนงานหลักและส่วนปรับแต่ง ขณะโหลดต่ำจะใช้งานเฉพาะส่วนปรับแต่งเพื่อตอบสนองความต้องการความร้อนด้วยอัตราการไหลของน้ำทะเลที่ลดลง แต่เมื่อโหลดเต็มที่ทั้งสองส่วนจะทำงานพร้อมกัน ความสามารถนี้ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของ PHE แต่ขึ้นอยู่กับตรรกะการควบคุมและการจัดเรียงวาล์วเท่านั้น ชุดอินเทอร์เฟซเอกสารฉบับสมบูรณ์ที่ SME จัดหาเพื่อผสานเข้ากับระบบอัตโนมัติของเรือ ทำให้มั่นใจได้ว่าระบบสามารถควบคุมและตรวจสอบจากระยะไกลได้ รวมถึงรองรับการโหลดแบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบ นอกจากนี้ เรายังเสนอระบบห้องเครื่องแบบบูรณาการ พร้อมอุปกรณ์ป้องกันกระแสไฟฟ้ารั่ว (SME SED) และระบบป้องกันการกัดกร่อนแบบ ICCP สำหรับตัวเรือ

4. การผสานรวมอย่างไร้รอยต่อกับระบบอัตโนมัติและการจัดการทรัพย์สิน

ห้องเครื่องยนต์ในปัจจุบันคือ ‘สภาพแวดล้อมแบบดิจิทัล’ ผู้ควบคุมระบบพลังงานไฮบริดปลั๊กอิน (PHE) ไม่ควรเป็นเพียงผู้ร่วมงานที่ไม่ลงมือทำอะไร แต่ต้องส่งข้อมูลเชิงรุกเข้าสู่ระบบอย่างต่อเนื่อง SME ออกแบบแล้วติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของเราให้พร้อมรูเปิดสำหรับติดตั้งอุปกรณ์ไว้ล่วงหน้า ซึ่งรวมถึงตัวแปลงวัดอุณหภูมิ เซ็นเซอร์วัดความดัน และสวิตช์วัดความต่างของความดัน ที่สามารถติดตั้งได้ที่โรงงานโดยตรง อุปกรณ์เหล่านี้จะรายงานค่าประสิทธิภาพต่าง ๆ เช่น สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน อุณหภูมิใกล้เคียง (approach temperatures) และค่าการสะสมสิ่งสกปรก (fouling factors) กลับไปยังระบบอัตโนมัติของเรือ

วิธีการให้บริการที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูลนี้ ทำให้ระบบเปลี่ยนจากการบำรุงรักษาตามกำหนดเวลาเป็นการบำรุงรักษาตามสภาพจริง ตัวอย่างเช่น หากประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนลดลงร้อยละ 10 ระบบอัตโนมัติสามารถสั่งการเรียกบริการบำรุงรักษาแบบเต็มรูปแบบโดยอัตโนมัติ พร้อมเสนอมาตรการบริการที่แนะนำและชิ้นส่วนอะไหล่ที่จำเป็น ข้อมูลที่เก็บรวบรวมไว้ในระยะยาวนี้ ช่วยให้วิศวกรผู้ควบคุมด้านเทคนิคสามารถวิเคราะห์แนวโน้มและเปรียบเทียบประสิทธิภาพเพื่อกำหนดแผนการทำความสะอาดหรือการฉีดสารเคมีที่เหมาะสมที่สุด หรือแม้แต่แผนการปรับปรุงระบบ SME สนับสนุนกระบวนการรวมระบบทั้งหมดเข้าด้วยกัน โดยรองรับมาตรฐานการสื่อสารแบบเปิดที่สำคัญที่สุดทุกมาตรฐาน และยังสามารถจัดเตรียมเอกสารทางเทคนิคฉบับสมบูรณ์ได้ กลุ่ม SME ดำเนินโครงการติดตั้งเพิ่มเติม (retrofit) และบำรุงรักษาเกิน 500 โครงการต่อปี โดยมีทีมช่างและวิศวกรกว่า 100 คน ซึ่งมอบโซลูชัน PHE ที่ไม่เพียงแต่ช่วยระบายความร้อนของเครื่องยนต์คุณเท่านั้น แต่ยังส่งเสริมประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และความพร้อมด้านดิจิทัลของเรืออีกด้วย ด้วย SME คุณจะก้าวไปสู่ระดับใหม่ที่เหนือกว่าความกังวลทั่วไป