การออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นสำหรับน้ำที่มีความเค็มสูง

น้ำทะเลที่มีความเค็มสูงเป็นหนึ่งในสภาพแวดล้อมที่ท้าทายที่สุดสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทางทะเลในการทำงาน ณ สถานที่ต่าง ๆ เช่น อ่าวอาหรับ ทะเลแดง และบางส่วนของทะเลเมดิเตอร์เรเนียน น้ำอาจมีความเค็มเกิน 40 พีพีที พร้อมอุณหภูมิน้ำสูง ปริมาณออกซิเจนที่ละลายได้สูง และกิจกรรมทางชีวภาพสูง ปัจจัยทั้งหมดนี้ร่วมกันทำให้อัตราการกัดกร่อนเพิ่มขึ้น การสะสมคราบตะกรันเพิ่มขึ้น และเกิดการอุดตันอย่างรุนแรงบนเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (PHE) ผู้ประกอบการเรือที่เดินเรือในบริเวณน้ำที่ท้าทายเช่นนี้ไม่สามารถพึ่งพาการออกแบบแบบดั้งเดิมได้ SME Group ซึ่งมีประสบการณ์ด้านวิศวกรรมทางทะเลมากกว่ายี่สิบปี สามารถเสนอแนวทางแก้ไขตามความต้องการนี้ได้ โดยใช้ผลิตภัณฑ์หลากหลายประเภทร่วมกัน ตั้งแต่ระบบป้องกันการกัดกร่อนด้วยกระแสไฟฟ้าแบบควบคุม (ICCP) ระบบป้องกันการกัดกร่อนด้วยโลหะเสียสละ (MGPS) ระบบกำจัดสิ่งมีชีวิตในน้ำ (SED) และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (PHE) ไปจนถึงการออกแบบ PHE ที่ปรับแต่งเฉพาะสำหรับสภาพน้ำที่มีความเค็มสูง

1. การเลือกวัสดุขั้นสูงสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีความเค็มสูง

การเลือกวัสดุเป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับแผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (PHE) ที่ออกแบบมาเพื่อใช้งานในสภาวะที่มีความเค็มสูง ซึ่งเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 316L อาจเหมาะสมภายใต้สภาวะน้ำทะเลทั่วไป แต่จะเกิดการกัดกร่อนแบบจุดและแบบรอยแยกได้อย่างรวดเร็วเมื่ออยู่ในสภาวะที่มีความเค็มสูง สมาคมวิศวกรเครื่องกลแห่งสหรัฐอเมริกา (SME) แนะนำให้ใช้ไทเทเนียมเป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแผ่น PHE ในการใช้งานที่มีความเค็มสูง แท้จริงแล้ว ฟิล์มออกไซด์แบบพาสซีฟบนผิวไทเทเนียมมีความเสถียรสูงมาก แม้ในสารประกอบคลอไรด์ที่มีอุณหภูมิสูง จึงทำให้สามารถใช้งานได้ตลอดอายุการใช้งานตามทฤษฎีในน้ำทะเล และยังรับประกันได้ว่าจะไม่เกิดการทะลุของท่ออย่างรุนแรง

ในกรณีที่ไทเทเนียมมีราคาสูงเกินไปสำหรับการใช้งานบางประเภท เราขอเสนอให้ใช้เหล็กกล้าไร้สนิมซูเปอร์ออสเทนิติก เช่น 254 SMO หรือโลหะผสมแบบนิกเกิล เช่น Alloy C-276 แม้ว่าจะช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนจากคลอไรด์แบบเฉพาะจุดได้ดีขึ้น แต่ก็จำเป็นต้องระมัดระวังทั้งอุณหภูมิและอัตราการไหลขณะใช้งาน วิศวกรของเราร่วมงานกับลูกค้าแต่ละรายอย่างใกล้ชิด เพื่อวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของแต่ละถัง เช่น ความเค็ม อุณหภูมิในการทำงาน และความเร็วของการไหล เพื่อเลือกวัสดุที่ให้ประสิทธิภาพต้นทุนสูงสุด โรงงานผลิตของเราตั้งอยู่ที่หนานทง มีพื้นที่ 5,000 ตารางเมตร ได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO 9001 และปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านวัสดุที่เข้มงวดที่สุดในการผลิต PHE เพื่อให้สามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงที่สุดบนเรือที่ปฏิบัติงานในพื้นที่ที่ท้าทายที่สุดของโลก

2. การป้องกันการสะสมของคราบสกปรกและการควบคุมอุณหภูมิ

เกลือที่มีปริมาณมากขึ้นในของไหลหมายถึงสัดส่วนของแคลเซียมคาร์บอเนตและแมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ที่ละลายอยู่สูงขึ้น รวมทั้งสารอื่นๆ ที่ก่อให้เกิดคราบตะกรัน เมื่อน้ำทะเลถูกทำให้ร้อนขึ้นทั้งสองด้านของ PHE สารเหล่านี้จะตกตะกอนออกมาจับตัวบนแผ่นโลหะจนเกิดเป็นชั้นคราบตะกรัน ซึ่งขัดขวางการถ่ายเทความร้อนและทำให้สูญเสียแรงดันเพิ่มขึ้น หากปล่อยให้คราบตะกรันสะสมโดยไม่มีการควบคุม จะเกิดการอุดตันขึ้นจริง

SME จัดการปัญหาคราบตะกรันด้วยแนวทางการออกแบบหลายประการ รูปแบบรอยนูนบนแผ่นโลหะถูกออกแบบให้เกิดการเคลื่อนที่แบบปั่นป่วนของของไหลสูง เพื่อเพิ่มแรงเฉือนที่ผิวถ่ายเทความร้อน ลดโอกาสที่คราบตะกรันจะยึดเกาะ แผ่นโลหะยังมีช่องทางไหลที่กว้างกว่าปกติในบริเวณที่ร้อนที่สุดของชุดแผ่นโลหะ เพื่อลดการร้อนเกินท้องถิ่นซึ่งอาจกระตุ้นให้เกิดการตกตะกอน SME ยังให้คำแนะนำเกี่ยวกับอุณหภูมิของน้ำหล่อเย็นที่เข้าระบบ โดยอิงจากอุณหภูมิที่แคลเซียมคาร์บอเนตเริ่มตกตะกอนในโซนการเดินเรือที่ใช้งาน

ในสภาพแวดล้อมที่มีน้ำทะเลรุนแรงเป็นพิเศษ SME สามารถระบุเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบทำความสะอาดตัวเอง (PHE) ได้ หรือเสนอขั้นตอนการล้างด้วยสารเคมีที่เหมาะสมซึ่งปลอดภัยต่อวัสดุแผ่นของบริษัทเรา ร่วมกับระบบป้องกันการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตในทะเล (MGPS) เพื่อควบคุมการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตซึ่งอาจทำให้ปรากฏการณ์การสะสมคราบเพิ่มมากขึ้น ผู้ปฏิบัติงานจึงมีวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการรักษาสมรรถนะการถ่ายเทความร้อนในสภาพแวดล้อมทางทะเลที่รุนแรง

3. ความเร็วของการไหลลดลงและการควบคุมการกัดเซาะ

ความเร็วของการไหลสูงเหล่านี้จะช่วยลดการสะสมของสิ่งสกปรกบางส่วน แต่ในอีกด้านหนึ่ง ก็จะทำให้อัตราการกัดกร่อนจากการเสียดสีเพิ่มขึ้น ซึ่งในน้ำที่มีความเค็มสูงที่ไอออนคลอไรด์ทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรง ปัญหานี้อาจรุนแรงเป็นพิเศษ SME ออกแบบระบบนี้ให้บรรลุสมดุลที่เหมาะสมระหว่างการถ่ายเทความร้อนได้ในระดับที่เพียงพอ กับการไม่ใช้งานจนเกินไปจนทำให้แผ่นโลหะสึกหรอเร็วเกินไป พารามิเตอร์ต่าง ๆ ที่สามารถปรับสมดุลระหว่างความเร็วสูงกับการกัดกร่อนจากการเสียดสีนั้นมีความยืดหยุ่นมากกว่าสำหรับแผ่นไทเทเนียม เมื่อเทียบกับแผ่นสแตนเลส

เราใช้การจำลองแบบ CFD ของรูปแบบการไหลผ่านชุดแผ่นเพื่อดูว่ามีบริเวณใดในชุดแผ่นที่อาจประสบกับความเร็วการไหลสูงที่จุดเฉพาะหรือไม่ จากนั้นผู้เชี่ยวชาญด้านเทคนิคจะใช้ประสบการณ์ของเราเกี่ยวกับเรขาคณิตของแผ่น ขนาดของพอร์ต และการจัดวางซีลยางเพื่อปรับแต่งการกระจายการไหลให้ลดการกัดกร่อนลง ขณะเดียวกันก็รักษาระดับความเร็วไว้ให้สูงพอที่จะควบคุมการสะสมของสิ่งมีชีวิตบนพื้นผิวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้จำนวนแผ่นที่ใช้ในถังบรรจุสำหรับเรือที่เดินเรือในเขตที่มีความเค็มสูง ซึ่งมักประสบปัญหาการสะสมของสิ่งมีชีวิตบนพื้นผิว ลดลง

4. การป้องกันการกัดกร่อนแบบบูรณาการเพื่อความน่าเชื่อถือของระบบทั้งระบบ

แม้แต่วัสดุแผ่นเกรดสูงสุดก็อาจเสียหายได้จากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่เกิดขึ้นบริเวณอื่นของเรือ โดยน้ำที่มีความเค็มสูงสัมผัสกับท่อ ข้อต่อ และจุดเชื่อมต่อ กระแสไฟฟ้ารั่วที่เกิดจากระบบป้องกันการกัดกร่อนแบบคาโทดิก ความผิดปกติของระบบไฟฟ้า หรือแม้แต่ศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเองจากเพลาขับเคลื่อน อาจไหลเข้าสู่ระบบท่อที่มีน้ำทะเลอยู่ และทำให้ชิ้นส่วนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนถูกกัดกร่อนอย่างรวดเร็ว ไม่ว่าวัสดุแผ่นจะเป็นชนิดใด

ความเสี่ยงที่ได้รับการจัดการด้วยแนวทางการป้องกันแบบบูรณาการของ SMEs การป้องกันโครงสร้างเรือ (hull protection) แบบแม่นยำเฉพาะจุดนี้ใช้ระบบ ICCP (Impressed Current Cathodic Protection) ซึ่งมั่นใจว่าจะไม่มีกระแสไฟฟ้ารั่วไหลจากโครงสร้างเรือไปถึง PHE และไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของ PHE ทั้งนี้ ประจุไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นบนเพลา (shafting) อันเนื่องมาจากการหมุน อาจทำให้เกิดระดับแรงดันไฟฟ้าที่ก่อให้เกิดการกัดกร่อนในวงจรระบายความร้อนด้วยน้ำทะเล ระบบ SED (Shaft Earthing Device) ทำหน้าที่ลดหรือกำจัดประจุไฟฟ้าสถิตบนเพลา จึงป้องกันกระแสไฟฟ้าที่อาจก่อให้เกิดการกัดกร่อนไม่ให้ไหลผ่านเพลาเข้าสู่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเพลา (shaft generator) แล้วไหลต่อไปยังน้ำทะเลผ่านเปลือกภายนอกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเพลา ทั้งนี้ เมื่อรวมระบบร่วมกับระบบ MGPS (ซึ่งป้องกันการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตบนพื้นผิว ซึ่งอาจก่อให้เกิดเซลล์การกัดกร่อนแบบความแตกต่างของออกซิเจน (differential aeration cell) บนพื้นผิวโลหะ) ระบบรวมนี้จึงสามารถต่อต้านภัยคุกคามทั้งจากตัวแทนกัดกร่อนและตัวแทนชีวภาพได้อย่างมีประสิทธิภาพภายใต้สภาวะที่มีความเค็มสูง

ทีมสนับสนุนทางเทคนิคของ SME ทำงานร่วมกับท่านเพื่อวิเคราะห์เรือทั้งลำของท่าน รวมถึงวัสดุท่อ การต่อเชื่อม (bonding) และระบบป้องกันที่มีอยู่แล้ว เพื่อออกแบบโซลูชันแบบครบวงจรที่จะยืดอายุการใช้งานของ PHE ให้ยาวนานที่สุด ด้วยประสบการณ์จากโครงการใหม่และโครงการที่ดำเนินอยู่มากกว่า 500 โครงการต่อปี และวิศวกรด้านไฟฟ้าและเครื่องกลกว่า 100 ท่าน SME Group จึงพร้อมอย่างยิ่งที่จะพัฒนาโซลูชัน PHE ที่ออกแบบเฉพาะสำหรับท่าน แม้ในสภาพแวดล้อมที่มีความเค็มสูงที่สุด และมอบความมั่นใจที่ท่านต้องการ ด้วย SME โซลูชันของท่านจะก้าวข้ามความกังวลทั้งหมด