เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นระบบที่ใช้ในการถ่ายเทความร้อนระหว่างแหล่งความร้อนกับของเหลวที่ใช้ในการทำงานเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนใช้ในกระบวนการทำความเย็นและทำความร้อน^{[ 1 ]}ของเหลวอาจถูกแยกออกจากกันด้วยผนังแข็งเพื่อป้องกันการผสม หรืออาจสัมผัสกันโดยตรง^{[ 2 ]}มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในการทำความร้อนในอาคารการทำความเย็น เครื่องปรับอากาศโรงไฟฟ้าโรงงานเคมีโรงงานปิโตรเคมีโรงกลั่นปิโตรเลียมการแปรรูปก๊าซธรรมชาติและการบำบัดน้ำเสีย ตัวอย่างคลาสสิ กของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนพบได้ในเครื่องยนต์สันดาปภายในซึ่งของเหลวหมุนเวียนที่เรียกว่าสารหล่อเย็นเครื่องยนต์ไหลผ่าน ขดลวด หม้อน้ำและอากาศไหลผ่านขดลวด ซึ่งจะทำให้สารหล่อเย็นเย็นลงและทำให้อากาศ ที่เข้ามาอุ่นขึ้น อีกตัวอย่างหนึ่งคือแผ่นระบายความร้อนซึ่งเป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพาสซีฟที่ถ่ายเทความร้อนที่เกิดจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรืออุปกรณ์เชิงกลไปยังตัวกลางที่เป็นของเหลว ซึ่งมักจะเป็นอากาศหรือสารหล่อเย็นที่เป็นของเหลว^{[ 3 ]}

ตามการจัดเรียงการไหล สามารถแบ่งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนออกเป็น 3 ประเภทหลัก ได้แก่:

1. ใน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน แบบไหลขนานของเหลวทั้งสองจะเข้าสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจากปลายด้านเดียวกัน และไหลขนานกันไปจนออกทางอีกด้านหนึ่ง การจัดเรียงแบบนี้เป็นที่นิยมมากกว่า แม้ว่าประสิทธิภาพจะลดลงบ้าง เมื่อต้องการให้ของเหลวทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากันอย่างแม่นยำ เนื่องจากช่วยลดความเครียดจากความร้อนและทำให้เกิดอัตราการถ่ายเทความร้อนที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้น
2. ใน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน แบบไหลสวนทางของเหลวจะเข้าสู่เครื่องแลกเปลี่ยนจากปลายด้านตรงข้าม^{[ 4 ]}การออกแบบแบบไหลสวนทางมีประสิทธิภาพมากที่สุด ประมาณ 70-90% ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลและความแตกต่างของอุณหภูมิ เนื่องจากสามารถถ่ายเทความร้อนจากตัวกลางถ่ายเทความร้อนได้มากที่สุดต่อหน่วยมวล เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยตามความยาวหน่วยใดๆสูงกว่า^{[ 5 ]}ดูการแลกเปลี่ยนแบบไหลสวนทาง
3. ใน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน แบบไหลข้ามหรือแบบแผ่นข้ามของเหลวจะเคลื่อนที่ ใน แนวตั้งฉากกันโดยประมาณ โดยมีประสิทธิภาพระหว่าง 50-70% ในอากาศ^{[ 5 ]}

• 
  รูปที่ 1: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือกแบบไหลผ่านครั้งเดียว (การไหลแบบขนาน 1 ต่อ 1)
• 
  รูปที่ 2: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือกหุ้ม ด้านท่อแบบ 2 ทาง (การไหลข้าม 1–2)
• 
  รูปที่ 3: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ ด้านเปลือก 2 ทาง ด้านท่อ 2 ทาง (แบบไหลสวนทาง 2-2)

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้รับการออกแบบให้มีพื้นที่ผิวของผนังระหว่างของเหลวสองชนิดให้มากที่สุด ในขณะเดียวกันก็ลดความต้านทาน (การลดลงของความดัน) ต่อการไหลของของเหลวผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนให้น้อยที่สุด ประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการเพิ่มคุณสมบัติการถ่ายเทความร้อน เช่น ครีบ ร่อง รอยบุ๋ม หรือบานเกล็ดในทิศทางเดียวหรือทั้งสองทิศทาง ซึ่งจะเพิ่มพื้นที่ผิวและอาจช่วยกำหนดทิศทางการไหลของของเหลวหรือทำให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วนอย่างไรก็ตาม ต้องระมัดระวังเมื่อเพิ่มคุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนที่อาจดักจับหรือดึงดูดอนุภาคเมื่อเวลาผ่านไป ส่งผลให้เกิดการอุดตันและเพิ่มความต้านทาน ซึ่งจะลดและอาจทำให้ประสิทธิภาพที่ได้เมื่อเทียบกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ไม่มีคุณสมบัติดังกล่าวหมดไป เพื่อฟื้นฟูประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนให้กลับสู่สภาพที่สะอาดเหมือนเดิม อาจจำเป็นต้องมีการบำรุงรักษาเชิงป้องกันเพื่อฟื้นฟูประสิทธิภาพตามที่ออกแบบไว้

อุณหภูมิที่กระทำต่อพื้นผิวถ่ายเทความร้อนจะแตกต่างกันไปตามตำแหน่ง แต่สามารถกำหนดอุณหภูมิเฉลี่ยโดยประมาณได้ ในระบบที่ง่ายที่สุดส่วนใหญ่ อุณหภูมิเฉลี่ยนี้คือ " ความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยแบบลอการิทึม " (LMTD) บางครั้งอาจไม่ทราบค่า LMTD โดยตรง จึงใช้วิธี NTU แทน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีดีไซน์ที่หลากหลาย แต่โดยทั่วไปแล้วจะแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ดังต่อไปนี้

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อคู่เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ง่ายที่สุด ทำให้มีต้นทุนและการบำรุงรักษาต่ำที่สุด ในอดีตมีการใช้งานอย่างแพร่หลาย แต่ปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้ในการสอนพื้นฐานการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแก่นักศึกษา เนื่องจากกฎทางฟิสิกส์พื้นฐานสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทุกประเภทเหมือนกัน ประสิทธิภาพที่ต่ำประกอบกับขนาดที่ค่อนข้างใหญ่ ทำให้ภาคอุตสาหกรรมสมัยใหม่หันไปใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากกว่า เช่น แบบท่อและเปลือก หรือแบบแผ่น

เมื่อของเหลวชนิดหนึ่งไหลผ่านท่อขนาดเล็กกว่า ของเหลวอีกชนิดหนึ่งจะไหลผ่านช่องว่างรูปวงแหวนระหว่างท่อทั้งสอง การไหลเหล่านี้อาจเป็นการไหลขนานหรือการไหลสวนทางกันในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อคู่

ภาพด้านบนแสดงทิศทางการไหลแบบขนานและแบบสวนทางของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของไหล

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือกประกอบด้วยท่อหลายชุดซึ่งบรรจุของเหลวที่ต้องได้รับความร้อนหรือความเย็น ของเหลวชนิดที่สองที่บรรจุอยู่ในเปลือกนอกจะไหลผ่านท่อที่กำลังได้รับความร้อนหรือความเย็น เพื่อให้สามารถให้ความร้อนหรือดูดซับความร้อนที่ต้องการได้ ชุดท่อเรียกว่ามัดท่อ และสามารถประกอบด้วยท่อหลายประเภท เช่น ท่อเรียบ ท่อมีครีบตามยาว เป็นต้น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือกมักใช้สำหรับงานที่มีแรงดันสูงและอุณหภูมิสูง (โดยมีแรงดันมากกว่า 30 บาร์ และอุณหภูมิมากกว่า 260  °C) ^{[ 9 ]}ทั้งนี้เนื่องจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือกมีความแข็งแรงทนทานเนื่องจากรูปร่างของมันคุณลักษณะการออกแบบทางความร้อนหลายประการต้องได้รับการพิจารณาเมื่อออกแบบท่อในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือก: การออกแบบท่อและเปลือกอาจมีหลายรูปแบบ โดยทั่วไป ปลายของแต่ละท่อจะเชื่อมต่อกับห้องเก็บน้ำ (บางครั้งเรียกว่ากล่องน้ำ) ผ่านรูในแผ่นท่อ ท่ออาจตรงหรือโค้งงอเป็นรูปตัว U เรียกว่าท่อรูปตัว U

• ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ: การใช้ท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประหยัดและมีขนาดกะทัดรัด อย่างไรก็ตาม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีแนวโน้มที่จะเกิดคราบสกปรกได้เร็วกว่า และขนาดที่เล็กทำให้การทำความสะอาดคราบสกปรกด้วยวิธีทางกลทำได้ยาก เพื่อแก้ปัญหาเรื่องคราบสกปรกและการทำความสะอาด สามารถใช้ท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้นได้ ดังนั้น ในการกำหนดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ ต้องพิจารณาถึงพื้นที่ว่าง ต้นทุน และลักษณะการเกิดคราบสกปรกของของเหลวด้วย
• รูปทรงท่อ: รูปทรงท่ออาจเป็นรูปวงรีหรือรูปทรงปีกเครื่องบินเพื่อปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนในขณะที่ลดการลดลงของความดัน^{[ 10 ]}
• ความหนาของท่อ: ความหนาของผนังท่อโดยทั่วไปจะถูกกำหนดเพื่อให้มั่นใจได้ว่า:
  • มีพื้นที่เพียงพอสำหรับการกัดกร่อน
  • การสั่นสะเทือนที่เกิดจากการไหลนั้นมีความต้านทาน
  • ความแข็งแรงตามแนวแกน
  • ความพร้อมของอะไหล่
  • ความแข็งแรงของห่วง (เพื่อทนต่อแรงดันภายในท่อ)
  • ความแข็งแรงในการโก่งงอ (เพื่อทนต่อแรงดันเกินในเปลือก)
• ความยาวท่อ: โดยทั่วไปแล้ว เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะมีราคาถูกกว่าเมื่อมีเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวเรือนที่เล็กกว่าและมีความยาวท่อที่ยาวกว่า ดังนั้น โดยทั่วไปแล้วจึงมีเป้าหมายที่จะทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีความยาวมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้โดยไม่เกินกำลังการผลิต อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดหลายประการสำหรับเรื่องนี้ รวมถึงพื้นที่ว่างในสถานที่ติดตั้ง และความจำเป็นที่จะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีท่อที่มีความยาวเป็นสองเท่าของความยาวที่ต้องการ (เพื่อให้สามารถถอดและเปลี่ยนได้) นอกจากนี้ ท่อที่ยาวและบางนั้นยากต่อการถอดและเปลี่ยน
• ระยะห่างระหว่างท่อ: ในการออกแบบท่อ ควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าระยะห่างระหว่างท่อ (เช่น ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของท่อที่อยู่ติดกัน) ไม่น้อยกว่า 1.25 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ ระยะห่างระหว่างท่อที่มากขึ้นจะทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางโดยรวมของเปลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนใหญ่ขึ้น ซึ่งจะทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีราคาแพงขึ้น
• ท่อลูกฟูก: ท่อประเภทนี้ส่วนใหญ่ใช้สำหรับท่อภายใน ช่วยเพิ่มความปั่นป่วนของของเหลว ซึ่งมีผลอย่างมากต่อการถ่ายเทความร้อน ทำให้ประสิทธิภาพดีขึ้น
• การจัดวางท่อ: หมายถึงวิธีการจัดวางท่อภายในตัวเรือน มีการจัดวางท่อหลักๆ สี่แบบ ได้แก่ แบบสามเหลี่ยม (30°), แบบสามเหลี่ยมหมุน (60°), แบบสี่เหลี่ยม (90°) และแบบสี่เหลี่ยมหมุน (45°) รูปแบบสามเหลี่ยมใช้เพื่อให้การถ่ายเทความร้อนดีขึ้น เนื่องจากบังคับให้ของเหลวไหลวนเป็นวงกลมมากขึ้นรอบๆ ท่อ รูปแบบสี่เหลี่ยมใช้ในบริเวณที่มีคราบสกปรกมากและต้องทำความสะอาดบ่อยกว่า
• การออกแบบแผ่นกั้น: แผ่นกั้นใช้ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือกเพื่อรองรับท่อและกำหนดทิศทางการไหลของของเหลวอย่างเป็นธรรมชาติ หรือเพื่อสร้างความปั่นป่วน (เพื่อเพิ่มการผสมของของเหลว) ทั่วทั้งกลุ่มท่อ แผ่นกั้นจะวางตั้งฉากกับเปลือกและยึดกลุ่มท่อไว้ ป้องกันไม่ให้ท่อหย่อนคล้อยเมื่อใช้งานเป็นเวลานาน นอกจากนี้ยังสามารถป้องกันการสั่นสะเทือนของท่อได้อีกด้วย แผ่นกั้นที่พบได้บ่อยที่สุดคือแผ่นกั้นแบบแบ่งส่วน แผ่นกั้นแบบแบ่งส่วนรูปครึ่งวงกลมจะวางทำมุม 180 องศา กับแผ่นกั้นที่อยู่ติดกัน บังคับให้ของเหลวไหลขึ้นและลงระหว่างกลุ่มท่อ ระยะห่างของแผ่นกั้นมีความสำคัญอย่างมากทางด้านอุณหพลศาสตร์ในการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือก ต้องพิจารณาถึงการแปลงค่าความดันตกและการถ่ายเทความร้อน เพื่อการเพิ่มประสิทธิภาพทางเศรษฐศาสตร์เชิงอุณหพลศาสตร์ แนะนำให้เว้นระยะห่างของแผ่นกั้นไม่น้อยกว่า 20% ของเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของเปลือก การเว้นระยะห่างของแผ่นกั้นที่ใกล้กันเกินไปจะทำให้เกิดความดันตกมากขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนทิศทางการไหล ดังนั้น การเว้นระยะห่างระหว่างแผ่นกั้นมากเกินไป อาจทำให้เกิดจุดเย็นในมุมระหว่างแผ่นกั้นได้ นอกจากนี้ยังสำคัญที่จะต้องแน่ใจว่าแผ่นกั้นมีระยะห่างใกล้กันพอที่ท่อจะไม่หย่อนคล้อย แผ่นกั้นอีกประเภทหลักคือแผ่นกั้นแบบจานและโดนัท ซึ่งประกอบด้วยแผ่นกั้นสองชั้นซ้อนกัน แผ่นกั้นด้านนอกที่กว้างกว่ามีลักษณะคล้ายโดนัท ในขณะที่แผ่นกั้นด้านในมีรูปร่างเหมือนจาน แผ่นกั้นประเภทนี้บังคับให้ของเหลวไหลผ่านแต่ละด้านของจานแล้วผ่านแผ่นกั้นโดนัท ทำให้เกิดการไหลของของเหลวในรูปแบบที่แตกต่างกัน แผ่นกั้นใช้เพื่อรองรับท่อ กำหนดทิศทางการไหลของของเหลวไปยังท่อในลักษณะที่เป็นธรรมชาติ และเพิ่มความปั่นป่วนของของเหลวภายในให้สูงสุด มีแผ่นกั้นหลายประเภท และการเลือกรูปทรง ระยะห่าง และรูปทรงเรขาคณิตของแผ่นกั้นขึ้นอยู่กับอัตราการไหลที่อนุญาตของแรงดันด้านเปลือก ความต้องการในการรองรับท่อ และการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการไหล มีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือกหลายแบบให้เลือกใช้ ความแตกต่างอยู่ที่การจัดเรียงรูปแบบการไหลและรายละเอียดของการก่อสร้าง
• การออกแบบท่อและครีบ: ในการใช้งานเพื่อระบายความร้อนอากาศด้วยเทคโนโลยีแบบท่อและเปลือก (เช่นอินเตอร์คูลเลอร์ / ตัวระบายความร้อนอากาศอัดสำหรับเครื่องยนต์สันดาป ) ความแตกต่างของการถ่ายเทความร้อนระหว่างอากาศและของเหลวเย็นอาจมีมากจนจำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่ถ่ายเทความร้อนด้านอากาศ เพื่อจุดประสงค์นี้ สามารถเพิ่มครีบเข้าไปในท่อเพื่อเพิ่มพื้นที่ถ่ายเทความร้อนด้านอากาศและสร้างโครงสร้างแบบท่อและครีบได้

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อคงที่ระบายความร้อนด้วยของเหลว ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในเรือเดินทะเลและสภาพแวดล้อมที่รุนแรง สามารถประกอบได้โดยใช้เปลือกทองเหลือง ท่อทองแดง แผ่นกั้นทองเหลือง และข้อต่อปลายแบบหล่อขึ้นรูปจากทองเหลือง(ดู: ทองแดงในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน )

เปลือกและท่อเกลียว

การปรับเปลี่ยนการไหลในแนวตั้งฉากของ HCHE ทั่วไปเกี่ยวข้องกับการแทนที่เปลือกด้วยท่อขดอีกอันหนึ่ง ทำให้ของเหลวทั้งสองไหลขนานกัน และต้องใช้การคำนวณการออกแบบที่แตกต่างกัน^{[ 15 ]} นี่คือ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน แบบเกลียว (SHE) ซึ่งอาจหมายถึง การกำหนดค่าท่อ แบบเกลียว (ขด) โดยทั่วไปแล้ว คำนี้หมายถึงพื้นผิวเรียบสองคู่ที่ขดเป็นเกลียวเพื่อสร้างช่องสองช่องในการจัดเรียงแบบไหลสวนทางกัน แต่ละช่องมีเส้นทางโค้งยาวหนึ่งเส้น พอร์ตของของเหลวคู่หนึ่งเชื่อมต่อแบบสัมผัสกับแขนด้านนอกของเกลียว และพอร์ตตามแนวแกนเป็นเรื่องปกติ แต่เป็นตัวเลือกเสริม^{[ 16 ]}

ข้อได้เปรียบหลักของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบโซลิดสเตท (SHE) คือการใช้พื้นที่อย่างมีประสิทธิภาพสูง คุณสมบัตินี้มักถูกนำมาใช้และจัดสรรใหม่บางส่วนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพด้านอื่นๆ ตามหลักการแลกเปลี่ยนที่รู้จักกันดีในการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (การแลกเปลี่ยนที่สำคัญอย่างหนึ่งคือต้นทุนการลงทุนเทียบกับต้นทุนการดำเนินงาน) อาจใช้ SHE ขนาดกะทัดรัดเพื่อให้มีพื้นที่ติดตั้งน้อยลงและลดต้นทุนการลงทุนโดยรวม หรืออาจใช้ SHE ขนาดใหญ่เกินไปเพื่อให้ แรง ดัน ตกน้อยลง พลังงานในการสูบน้ำน้อย ลง ประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงขึ้นและต้นทุนพลังงานต่ำลง

การก่อสร้าง

ระยะห่างระหว่างแผ่นในช่องเกลียวจะถูกรักษาไว้โดยใช้หมุดเว้นระยะที่เชื่อมไว้ก่อนการรีด เมื่อชุดเกลียวหลักถูกรีดเสร็จแล้ว ขอบบนและล่างสลับกันจะถูกเชื่อม และปลายแต่ละด้านจะถูกปิดด้วยฝาครอบแบนหรือทรงกรวยที่มีปะเก็นซึ่งยึดด้วยสลักเข้ากับตัว วิธีนี้ช่วยให้แน่ใจว่าไม่มีการผสมกันของของเหลวทั้งสองชนิด การรั่วไหลใดๆ จะเกิดขึ้นจากฝาครอบรอบนอกสู่บรรยากาศ หรือไปยังทางเดินที่มีของเหลวชนิดเดียวกัน^{[ 17 ]}

ระบบทำความสะอาดตัวเอง

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเกลียว (Spiral heat exchanger หรือ SHE) มักใช้ในการให้ความร้อนแก่ของเหลวที่มีของแข็งปนอยู่ ซึ่งอาจทำให้เกิดคราบสกปรกภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้ แรงดันตกคร่อมต่ำทำให้ SHE รับมือกับคราบสกปรกได้ง่ายกว่า SHE ใช้กลไก "ทำความสะอาดตัวเอง" โดยพื้นผิวที่มีคราบสกปรกจะทำให้ความเร็วของของเหลวเพิ่มขึ้นเฉพาะจุด ทำให้แรงต้าน (หรือแรงเสียดทาน ของของเหลว ) บนพื้นผิวที่มีคราบสกปรกเพิ่มขึ้น ช่วยให้สิ่งสกปรกหลุดออกและรักษาความสะอาดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน "ผนังภายในที่ประกอบเป็นพื้นผิวถ่ายเทความร้อนมักจะค่อนข้างหนา ทำให้ SHE มีความแข็งแรงทนทานและใช้งานได้นานในสภาพแวดล้อมที่ต้องการความทนทานสูง" นอกจากนี้ยังทำความสะอาดได้ง่าย โดยสามารถเปิดออกได้เหมือนเตาอบและสามารถกำจัดคราบสกปรกที่สะสมอยู่ได้ด้วยการฉีดน้ำแรงดันสูง

เครื่องกรองน้ำแบบทำความสะอาดตัวเองใช้เพื่อรักษาระบบให้สะอาดและทำงานได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องปิดระบบหรือเปลี่ยนตลับกรองและถุงกรอง

การจัดเรียงการไหล

ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเกลียว มีการไหลหลักๆ อยู่ 3 ประเภท ได้แก่:

• การไหลแบบสวนทาง : ของเหลวไหลในทิศทางตรงกันข้าม ระบบนี้ใช้สำหรับการใช้งานกับของเหลวสองชนิด การควบแน่น และการระบายความร้อนของก๊าซ โดยปกติแล้วจะติดตั้งเครื่องในแนวตั้งเมื่อต้องการควบแน่นไอน้ำ และติดตั้งในแนวนอนเมื่อต้องจัดการกับของแข็งที่มีความเข้มข้นสูง
• การไหลแบบเกลียว/การไหลแบบไขว้:ของเหลวชนิดหนึ่งไหลแบบเกลียว และอีกชนิดหนึ่งไหลแบบไขว้ ช่องทางการไหลแบบเกลียวจะถูกเชื่อมไว้ที่แต่ละด้านของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเกลียวชนิดนี้ การไหลแบบนี้เหมาะสำหรับการจัดการก๊าซที่มีความหนาแน่นต่ำ ซึ่งจะไหลผ่านการไหลแบบไขว้ ทำให้หลีกเลี่ยงการสูญเสียความดันได้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้กับงานแลกเปลี่ยนของเหลวสองชนิดได้ หากของเหลวชนิดหนึ่งมีอัตราการไหลมากกว่าอีกชนิดหนึ่งอย่างมาก
• ระบบระบายความร้อนแบบกระจายไอ/แบบเกลียว:การออกแบบนี้เป็นแบบคอนเดนเซอร์ และมักติดตั้งในแนวตั้ง ออกแบบมาเพื่อลดอุณหภูมิของทั้งคอนเดนเสทและสารที่ไม่ควบแน่น สารหล่อเย็นจะเคลื่อนที่ในลักษณะเกลียวและออกทางด้านบน ก๊าซร้อนที่เข้ามาจะออกเป็นคอนเดนเสทออกทางช่องระบายด้านล่าง

แอปพลิเคชัน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเกลียวเหมาะสำหรับงานต่างๆ เช่น การพาสเจอร์ไรซ์ การให้ความร้อนแก่ถังย่อยสลาย การกู้คืนความร้อน การอุ่นล่วงหน้า (ดู: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน แบบกู้คืน ) และการระบายความร้อนของน้ำเสีย สำหรับการบำบัดกากตะกอน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเกลียวมักจะมีขนาดเล็กกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทอื่นๆเครื่องเหล่านี้ใช้ในการถ่ายเทความร้อน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอีกประเภทหนึ่งคือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทนี้ประกอบด้วยแผ่นบางๆ จำนวนมากที่วางห่างกันเล็กน้อย ซึ่งมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่มากและมีช่องทางการไหลของของเหลวขนาดเล็กสำหรับการถ่ายเทความร้อน ปะเก็นจะปิดช่องว่างระหว่างแผ่นแต่ละคู่ที่อยู่ติดกัน ทำให้เกิดช่องทางการไหลอิสระสองช่อง การออกแบบนี้ช่วยให้ของเหลวสองชนิดที่แตกต่างกันสามารถไหลผ่านช่องทางสลับกันได้โดยไม่ผสมกัน แผ่นต่างๆ จะถูกยึดเข้าด้วยกันโดยใช้วิธีการเชื่อมและการขันน็อตเพื่อให้มั่นใจในความแข็งแรงของโครงสร้างและป้องกันการรั่วซึม ความก้าวหน้าใน เทคโนโลยี ปะเก็นและการบัดกรีทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นมีความเหมาะสมในการใช้งานมากขึ้น

ใน งานระบบ ปรับอากาศ (HVAC)เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่ประเภทนี้เรียกว่าแบบแผ่นและเฟรม (plate-and-frame ) เมื่อใช้ในวงจรเปิด เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเหล่านี้มักจะเป็นแบบมีปะเก็นเพื่อให้สามารถถอดประกอบ ทำความสะอาด และตรวจสอบได้เป็นระยะ มีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นที่ยึดติดถาวรหลายประเภท เช่น แบบเชื่อมด้วยการจุ่ม (dip-brazed), แบบเชื่อมด้วยสุญญากาศ (vacuum-brazed) และแบบเชื่อม (welded plate) และมักจะถูกกำหนดให้ใช้ในงานวงจรปิด เช่นระบบทำความเย็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นยังแตกต่างกันในประเภทของแผ่นที่ใช้ และในรูปทรงของแผ่นเหล่านั้น บางแผ่นอาจมีการปั๊มเป็นรูปตัว "เชฟรอน" (chevron) เป็นรอยบุ๋ม หรือลวดลายอื่นๆ ในขณะที่บางแผ่นอาจมีครีบและ/หรือร่องที่ผ่านการกลึง

เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือกหุ้ม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นเรียงซ้อนมักมีปริมาตรและต้นทุนต่ำกว่า ความแตกต่างอีกประการหนึ่งระหว่างทั้งสองแบบคือ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นมักใช้กับของเหลวที่มีความดันต่ำถึงปานกลาง ในขณะที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือกหุ้มใช้กับของเหลวที่มีความดันปานกลางและสูง ความแตกต่างที่สำคัญประการที่สามคือ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นใช้การไหลแบบสวนทางมากกว่าการไหลแบบขวาง ซึ่งช่วยให้ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทางเข้าและทางออกลดลง การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสูงขึ้น และประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น

ลวดลายร่องบนแผ่นโลหะมีหน้าที่สำคัญสองประการ คือ เพิ่มพื้นที่ผิวสำหรับการถ่ายเทความร้อน และสร้างการไหลแบบปั่นป่วนซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางความร้อน ในการจัดเรียงแบบไหลสวนทางกัน ของเหลวทั้งสองชนิดจะไหลในทิศทางตรงกันข้ามผ่านช่องทางที่อยู่ติดกัน ซึ่งจะเพิ่มความแตกต่างของอุณหภูมิที่ใช้สำหรับการแลกเปลี่ยนความร้อนให้สูงสุด และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ

ปะเก็นที่วางอยู่ระหว่างแผ่นเฟรมด้านนอกและแผ่นแรงดันด้านในสร้างซีลที่เชื่อถือได้ซึ่งป้องกันการปนเปื้อนข้าม การออกแบบการกระจายตัวช่วยให้ของเหลวไหลผ่านพื้นผิวการถ่ายเทความร้อนทั้งหมด ป้องกันบริเวณที่หยุดนิ่งซึ่งอาจมีคราบสะสม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นผลิตขึ้นในรูปแบบต่างๆ รวมถึงแบบแผ่นและเฟรม แบบแผ่นและเปลือก และแบบเกลียวที่มีความลึก ขนาด และรูปแบบร่องของแผ่นที่แตกต่างกัน เพื่อรองรับการใช้งานและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่เฉพาะเจาะจง

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทนี้ใช้ช่องทางแบบ "ประกบ" ที่มีครีบอยู่ภายในเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่อง การออกแบบมีทั้งแบบไหลข้ามและไหลสวนทางกัน ควบคู่กับการจัดเรียงครีบแบบต่างๆ เช่น ครีบตรง ครีบเฉียง และครีบหยัก

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นและครีบมักทำจากโลหะผสมอะลูมิเนียม ซึ่งให้ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูง วัสดุนี้ช่วยให้ระบบทำงานที่อุณหภูมิแตกต่างกันน้อยลงและลดน้ำหนักของอุปกรณ์ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นและครีบส่วนใหญ่ใช้ในงานที่อุณหภูมิต่ำ เช่น โรงงานผลิตก๊าซธรรมชาติฮีเลียมและออกซิเจนเหลวโรงงานแยกอากาศ และอุตสาหกรรมการขนส่ง เช่น เครื่องยนต์รถยนต์และเครื่องบิน

ข้อดีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นและครีบ:

• ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการบำบัดก๊าซ
• พื้นที่ถ่ายเทความร้อนที่ใหญ่ขึ้น
• มีน้ำหนักเบากว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือกประมาณ 5 เท่า
• สามารถทนต่อแรงดันสูงได้

ข้อเสียของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นและครีบ:

• อาจทำให้เกิดการอุดตันได้เนื่องจากทางเดินแคบมาก
• การทำความสะอาดทางเดินเป็นเรื่องยาก
• โลหะผสมอะลูมิเนียมมีความเสี่ยงต่อ การ แตกหักเนื่องจากปรอทเหลว

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นและเปลือกหุ้มถูกสร้างขึ้นโดยปราศจากปะเก็นโดยสิ้นเชิง ซึ่งช่วยป้องกันการรั่วไหลที่ความดันและอุณหภูมิสูง ภายในเปลือกหุ้มของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประกอบด้วยชุดแผ่นกลมที่เชื่อมติดกันอย่างสมบูรณ์ โดยการอัดและตัดแผ่นกลมแล้วเชื่อมเข้าด้วยกัน หัวฉีดทำหน้าที่นำของเหลวไหลเข้าและออกจากชุดแผ่น (ทางเดินของของเหลวด้าน 'แผ่น') ชุดแผ่นที่เชื่อมติดกันอย่างสมบูรณ์นี้ประกอบเข้ากับเปลือกหุ้มด้านนอกซึ่งสร้างทางเดินของของเหลวที่สอง (ด้าน 'เปลือกหุ้ม') เทคโนโลยีแผ่นและเปลือกหุ้มให้การถ่ายเทความร้อนสูง ความดันสูงอุณหภูมิการทำงาน สูง ขนาดกะทัดรัด การเกิดคราบสกปรกต่ำ และอุณหภูมิใกล้เคียงกัน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทที่สี่ใช้ของเหลวหรือของแข็งเป็นตัวกลางในการกักเก็บความร้อน จากนั้นจึงเคลื่อนย้ายความร้อนไปยังอีกด้านหนึ่งของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อปล่อยออกมา ตัวอย่างของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทนี้ ได้แก่ ล้ออะเดียแบติก ซึ่งประกอบด้วยล้อขนาดใหญ่ที่มีเกลียวละเอียดหมุนผ่านของเหลวร้อนและเย็น และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบใช้ของเหลว

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นหมอน (Pillow plate heat exchanger)นิยมใช้ในอุตสาหกรรมนมเพื่อทำความเย็นนมในถังสแตนเลสขนาดใหญ่แบบขยายตัวโดยตรง (direct-expansion stainless steel bulk tanks ) เกือบทุกพื้นที่ผิวของถังสามารถติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนี้ได้ โดยไม่มีช่องว่างเหมือนกับการเชื่อมท่อเข้ากับภายนอกถัง นอกจากนี้ แผ่นหมอนยังสามารถทำเป็นแผ่นเรียบที่วางซ้อนกันภายในถังได้ พื้นผิวที่ค่อนข้างเรียบของแผ่นทำให้ทำความสะอาดได้ง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานที่ต้องการความปลอดเชื้อ

แผ่นรองรับของเหลว (pillow plate) สามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้แผ่นโลหะบางๆ เชื่อมติดกับพื้นผิวที่หนากว่าของถังหรือภาชนะ หรือใช้แผ่นโลหะบางๆ สองแผ่นเชื่อมเข้าด้วยกัน พื้นผิวของแผ่นจะถูกเชื่อมด้วยรูปแบบจุดสม่ำเสมอหรือรูปแบบเส้นเชื่อมแบบคดเคี้ยว หลังจากเชื่อมแล้ว พื้นที่ปิดล้อมจะถูกอัดด้วยแรงดันที่มากพอที่จะทำให้โลหะบางๆ โป่งออกมาบริเวณรอยเชื่อม ทำให้เกิดช่องว่างสำหรับของเหลวแลกเปลี่ยนความร้อนไหลผ่าน และสร้างลักษณะเฉพาะที่ดูเหมือนหมอนที่บวมขึ้นจากโลหะ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบสัมผัสโดยตรงเกี่ยวข้องกับการถ่ายเทความร้อนระหว่างกระแสร้อนและเย็นของสองเฟสโดยไม่มีผนังกั้น^{[ 18 ]}ดังนั้นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนดังกล่าวจึงสามารถจำแนกได้ดังนี้:

• แก๊ส – ของเหลว
• ของเหลว ที่ไม่ผสมกัน – ของเหลว
• ของแข็ง-ของเหลว หรือ ของแข็ง-แก๊ส

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบสัมผัสโดยตรงส่วนใหญ่จัดอยู่ในประเภทก๊าซ-ของเหลว โดยความร้อนจะถูกถ่ายโอนระหว่างก๊าซและของเหลวในรูปแบบของหยด ฟิล์ม หรือสเปรย์^{[ 9 ]}

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทนี้ส่วนใหญ่ใช้ในเครื่องปรับอากาศการเพิ่มความชื้นการทำความร้อนน้ำร้อนในอุตสาหกรรมการทำความเย็นน้ำและโรงงานควบแน่น^{[ 19 ]}

การใช้ครีบในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อเป็นเรื่องปกติเมื่อของเหลวทำงานชนิดหนึ่งเป็นก๊าซความดันต่ำ และเป็นเรื่องปกติสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำงานโดยใช้อากาศแวดล้อม เช่นหม้อน้ำ รถยนต์ และคอนเดนเซอร์อากาศในระบบปรับอากาศครีบช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวในการแลกเปลี่ยนความร้อนได้อย่างมาก ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการนำความร้อนไปยังของเหลวที่มีค่าการนำความร้อน ต่ำมาก เช่น อากาศ โดยทั่วไปครีบจะทำจากอะลูมิเนียมหรือทองแดง เนื่องจากต้องนำความร้อนจากท่อไปตามความยาวของครีบ ซึ่งโดยปกติจะบางมาก

ประเภทโครงสร้างหลักของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อครีบ ได้แก่:

• แผ่นโลหะที่เรียงซ้อนกันอย่างสม่ำเสมอทำหน้าที่เป็นครีบระบายความร้อน และท่อจะถูกดันผ่านรูที่เจาะไว้ล่วงหน้าในครีบ การสัมผัสทางความร้อนที่ดีมักเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนรูปของครีบที่หุ้มรอบท่อ นี่คือโครงสร้างทั่วไปสำหรับคอยล์ปรับอากาศ และ คอนเดนเซอร์ทำความเย็น ขนาดใหญ่
• ครีบจะถูกพันเป็นเกลียวรอบท่อแต่ละท่อเป็นแถบต่อเนื่อง จากนั้นสามารถนำท่อเหล่านั้นมาประกอบเป็นกลุ่ม ดัดให้เป็นรูปทรงคดเคี้ยว หรือพันเป็นเกลียวขนาดใหญ่ได้
• แถบโลหะซิกแซกถูกประกบไว้ระหว่างท่อสี่เหลี่ยมแบน โดยมักจะเชื่อมหรือบัดกรีเข้าด้วยกันเพื่อให้มีความแข็งแรงทางความร้อนและทางกลที่ดี วิธีนี้ใช้กันทั่วไปในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแรงดันต่ำ เช่นหม้อน้ำ ระบายความร้อนด้วยน้ำ ท่อแบนทั่วไปจะขยายตัวและเสียรูปหากสัมผัสกับแรงดันสูง แต่ท่อ ไมโครแชนเนลแบนช่วยให้สามารถใช้โครงสร้างนี้สำหรับแรงดันสูงได้^{[ 21 ]}

สามารถใช้โครงสร้างแบบครีบเรียงซ้อนหรือแบบขดเกลียวสำหรับท่อภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือกเมื่อต้องการการถ่ายเทความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงไปยังก๊าซ

ในการระบายความร้อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แผ่นระบายความร้อนโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ใช้ท่อความร้อนสามารถออกแบบให้มีโครงสร้างเป็นครีบเรียงซ้อนกันได้

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้ระบบถ่ายเทความร้อนแบบสองเฟส ได้แก่ คอนเดนเซอร์ หม้อไอน้ำ และเครื่องระเหย คอนเดนเซอร์เป็นอุปกรณ์ที่รับและลดอุณหภูมิของก๊าซหรือไอน้ำร้อนจนถึงจุดควบแน่น และเปลี่ยนก๊าซให้เป็นของเหลว จุดที่ของเหลวเปลี่ยนเป็นก๊าซเรียกว่าการระเหย และในทางกลับกันเรียกว่าการควบแน่น คอนเดนเซอร์แบบพื้นผิวเป็นคอนเดนเซอร์ชนิดที่พบได้บ่อยที่สุด โดยมีอุปกรณ์จ่ายน้ำรวมอยู่ด้วย รูปที่ 5 ด้านล่างแสดงคอนเดนเซอร์แบบพื้นผิวสองทางผ่าน

ความดันไอน้ำที่ทางออกของกังหันจะต่ำ เนื่องจากความหนาแน่นของไอน้ำต่ำมากและมีอัตราการไหลสูงมาก เพื่อป้องกันไม่ให้ความดันลดลงในระหว่างที่ไอน้ำไหลจากกังหันไปยังคอนเดนเซอร์ จึงได้ติดตั้งคอนเดนเซอร์ไว้ด้านล่างและเชื่อมต่อกับกังหัน ภายในท่อ น้ำหล่อเย็นจะไหลขนานไปกับท่อ ในขณะที่ไอน้ำจะเคลื่อนที่ในแนวตั้งลงมาจากช่องเปิดกว้างด้านบนและไหลผ่านท่อ

นอกจากนี้ หม้อไอน้ำยังถูกจัดอยู่ในประเภทการใช้งานเบื้องต้นของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน คำว่าเครื่องกำเนิดไอน้ำมักใช้เพื่ออธิบายหน่วยหม้อไอน้ำที่ใช้ของเหลวร้อนเป็นแหล่งความร้อนแทนที่จะเป็นผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ หม้อไอน้ำถูกผลิตขึ้นโดยขึ้นอยู่กับขนาดและการกำหนดค่า หม้อไอน้ำบางชนิดสามารถผลิตได้เฉพาะของเหลวร้อน ในขณะที่บางชนิดผลิตขึ้นเพื่อผลิตไอน้ำ

นอกจากการให้ความร้อนหรือความเย็นแก่ของเหลวในเฟส เดียว แล้ว เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนยังสามารถใช้เพื่อให้ความร้อนแก่ของเหลวเพื่อระเหย (หรือต้ม) หรือใช้เป็นคอนเดนเซอร์เพื่อลดอุณหภูมิของไอน้ำและควบแน่นให้กลายเป็นของเหลว ในโรงงานเคมีและโรงกลั่น เครื่อง ต้มซ้ำที่ใช้ให้ความร้อนแก่สารป้อนเข้าสำหรับ หอ การกลั่นมักจะเป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน^{[ 27 ] [ 28 ]}โดยทั่วไปแล้ว ระบบการกลั่นจะใช้คอนเดนเซอร์เพื่อควบแน่นไอน้ำกลั่นกลับเป็นของเหลวโรงไฟฟ้าที่ใช้กังหันไอน้ำมักใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อต้มน้ำ ให้กลาย เป็นไอน้ำเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหรือหน่วยที่คล้ายกันสำหรับการผลิตไอน้ำจากน้ำมักเรียกว่าหม้อไอน้ำหรือเครื่องกำเนิดไอน้ำ ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่เรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่พิเศษจะส่งผ่านความร้อนจากระบบหลัก (โรงงานเครื่องปฏิกรณ์) ไปยังระบบรอง (โรงงานไอน้ำ) ทำให้เกิดไอน้ำจากน้ำในกระบวนการนี้ สิ่งเหล่านี้เรียกว่าเครื่องกำเนิดไอน้ำโรงไฟฟ้าพลังงานฟอสซิลและโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั้งหมดที่ใช้กังหันไอน้ำจะมีคอนเดนเซอร์พื้นผิวเพื่อแปลงไอน้ำเสียจากกังหันให้เป็นคอนเดนเสท (น้ำ) เพื่อนำกลับมาใช้ใหม่^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}เพื่อประหยัดพลังงานและความสามารถในการทำความเย็นในโรงงานเคมีและโรงงานอื่นๆ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบสร้างใหม่สามารถถ่ายเทความร้อนจากกระแสที่ต้องทำให้เย็นไปยังกระแสอื่นที่ต้องทำให้ร้อน เช่น การทำความเย็นของกลั่นและการอุ่นล่วงหน้าของสารป้อนเข้าหม้อต้ม

คำนี้ยังอาจหมายถึงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีวัสดุที่เปลี่ยนสถานะอยู่ภายในโครงสร้าง โดยปกติจะเป็นการเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลวเนื่องจากปริมาตรแตกต่างกันเล็กน้อยระหว่างสองสถานะนี้ การเปลี่ยนสถานะนี้ทำหน้าที่เสมือนตัวกันความร้อน เพราะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่ แต่ยังคงทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสามารถรับความร้อนเพิ่มเติมได้ ตัวอย่างหนึ่งที่ได้รับการศึกษาคือการนำไปใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงของเครื่องบิน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำงานในสภาวะการไหลแบบหลายเฟสอาจเสี่ยงต่อความไม่เสถียรของเลดิเนกก์ (Ledinegg instability )

หน่วยกู้คืนความร้อนเหลือทิ้ง (WHRU) คือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ดึงความร้อนจากกระแสแก๊สร้อนกลับมาใช้ใหม่ในขณะที่ถ่ายเทความร้อนนั้นไปยังตัวกลางทำงาน ซึ่งโดยทั่วไปคือน้ำหรือน้ำมัน กระแสแก๊สร้อนอาจเป็นก๊าซไอเสียจากกังหันแก๊สหรือเครื่องยนต์ดีเซล หรือก๊าซเสียจากอุตสาหกรรมหรือโรงกลั่น

ระบบขนาดใหญ่ที่มีปริมาณและอุณหภูมิสูงของกระแสแก๊ส ซึ่งพบได้ทั่วไปในภาคอุตสาหกรรม สามารถได้รับประโยชน์จากวงจรแรงไคน์ ด้วยไอน้ำ (SRC) ในหน่วยกู้คืนความร้อนเหลือทิ้งได้ แต่รอบการทำงานเหล่านี้มีราคาแพงเกินไปสำหรับระบบขนาดเล็ก การกู้คืนความร้อนจากระบบอุณหภูมิต่ำต้องใช้ของเหลวทำงานที่แตกต่างจากไอน้ำ

หน่วยกู้คืนความร้อนเหลือทิ้งแบบวงจรแรงไคน์อินทรีย์ (ORC) สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในช่วงอุณหภูมิต่ำ โดยใช้สารทำความเย็นที่มีจุดเดือดต่ำกว่าน้ำ สารทำความเย็นอินทรีย์ทั่วไป ได้แก่แอมโมเนีย เพนตาฟลูออโรโพรเพน (R-245fa และ R-245ca) และโทลูอีน

สารทำความเย็นจะถูกทำให้เดือดด้วยแหล่งความร้อนในเครื่องระเหยเพื่อสร้างไอน้ำร้อนยวดยิ่ง ของเหลวนี้จะขยายตัวในกังหันเพื่อแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานจลน์ ซึ่งจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้าในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระบวนการถ่ายโอนพลังงานนี้จะทำให้อุณหภูมิของสารทำความเย็นลดลงและควบแน่น วงจรจะปิดและเสร็จสมบูรณ์โดยใช้ปั๊มเพื่อส่งของเหลวกลับไปยังเครื่องระเหย

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอีกประเภทหนึ่งเรียกว่า " เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขูดผิว (แบบไดนามิก) " ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการทำความร้อนหรือทำความเย็นกับผลิตภัณฑ์ที่มีความหนืด สูง กระบวนการตกผลึกการระเหยและ การใช้งานที่มี การเกิดคราบสกปรก สูง สามารถใช้งานได้ยาวนานเนื่องจากการขูดผิวอย่างต่อเนื่อง จึงช่วยป้องกันการเกิดคราบสกปรกและรักษาอัตราการถ่ายเทความร้อนได้อย่างยั่งยืนตลอดกระบวนการ

หนึ่งในประโยชน์ที่แพร่หลายที่สุดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนคือการใช้งานในระบบทำความเย็นและเครื่องปรับอากาศเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทนี้มักเรียกว่าคอยล์อากาศหรือเรียกสั้น ๆ ว่าคอยล์เนื่องจากท่อภายในมักมีลักษณะคดเคี้ยว หรือ เรียกว่า คอนเดนเซอร์ในกรณีของระบบทำความเย็น และโดยทั่วไปจะเป็นแบบท่อมีครีบ คอยล์ HVACแบบของเหลวต่ออากาศ หรืออากาศต่อของเหลวมักมีการจัดเรียงแบบครอสโฟลว์ที่ดัดแปลงแล้ว ในยานยนต์ คอยล์ความร้อนมักเรียกว่าแกนฮีตเตอร์

ในด้านของเหลวของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเหล่านี้ ของเหลวที่ใช้กันทั่วไปคือน้ำ สารละลายน้ำ-ไกลคอล ไอน้ำ หรือสารทำความเย็นสำหรับคอยล์ทำความร้อนน้ำร้อนและไอน้ำเป็นสิ่งที่ใช้กันมากที่สุด และของเหลวที่ร้อนนี้จะถูกส่งมาจากหม้อไอ น้ำ เป็นต้น สำหรับคอยล์ทำความเย็นน้ำเย็นและสารทำความเย็นเป็นสิ่งที่ใช้กันมากที่สุด น้ำเย็นจะถูกส่งมาจากเครื่องทำความเย็นซึ่งอาจตั้งอยู่ไกลมาก แต่สารทำความเย็นจะต้องมาจากหน่วยควบแน่นที่อยู่ใกล้เคียง เมื่อใช้สารทำความเย็น คอยล์ทำความเย็นจะเป็นเครื่องระเหยและคอยล์ทำความร้อนจะเป็นเครื่องควบแน่นใน วงจร ทำความเย็นแบบอัดไอคอยล์ HVAC ที่ใช้การขยายตัวโดยตรงของสารทำความเย็นนี้มักเรียกว่าคอยล์ DX คอยล์ DXบางชนิดเป็นแบบ "ไมโครแชนเนล" ^{[ 21 ]}

ในส่วนของคอยล์ระบบปรับอากาศ (HVAC) นั้น มีความแตกต่างอย่างมากระหว่างคอยล์ที่ใช้สำหรับทำความร้อนและคอยล์ที่ใช้สำหรับทำความเย็น เนื่องจากคุณสมบัติทางความร้อนและความชื้นอากาศที่ถูกทำให้เย็นลงมักจะมีไอน้ำควบแน่นออกมา ยกเว้นในกรณีที่อากาศแห้งมาก การทำความร้อนให้กับอากาศบางส่วนจะเพิ่มความสามารถในการกักเก็บน้ำของอากาศนั้น ดังนั้นคอยล์ทำความร้อนจึงไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงการควบแน่นของความชื้นที่ด้านอากาศ แต่คอยล์ทำความเย็นจะต้องได้รับการออกแบบและเลือกอย่างเหมาะสมเพื่อรองรับภาระความร้อนแฝง (ความชื้น) และ ภาระ ความเย็น (ความร้อนสัมผัส) น้ำที่ถูกระบายออกไปเรียกว่าน้ำควบแน่น

ในสภาพภูมิอากาศหลายแห่ง คอยล์ของระบบปรับอากาศที่ใช้น้ำหรือไอน้ำอาจสัมผัสกับสภาวะเยือกแข็งได้ เนื่องจากน้ำจะขยายตัวเมื่อแข็งตัว คอยล์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบผนังบางที่มีราคาค่อนข้างสูงและเปลี่ยนได้ยากเหล่านี้จึงอาจเสียหายหรือถูกทำลายได้ง่ายจากการแข็งตัวเพียงครั้งเดียว ดังนั้น การป้องกันคอยล์จากการแข็งตัวจึงเป็นเรื่องสำคัญอย่างยิ่งสำหรับผู้ออกแบบ ติดตั้ง และผู้ใช้งานระบบปรับอากาศ

การนำร่องที่วางไว้ภายในครีบแลกเปลี่ยนความร้อนช่วยควบคุมการควบแน่น ทำให้โมเลกุลของน้ำยังคงอยู่ในอากาศที่เย็นลง^{[ 32 ]}

ใน เตาเผาแบบเผาไหม้โดยตรง ซึ่งพบได้ทั่วไปในบ้านเรือนหลายแห่งนั้น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไม่ใช่ "ขดลวด" แต่เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแก๊สต่ออากาศ ซึ่งโดยทั่วไปทำจากแผ่นเหล็กปั๊มขึ้นรูป ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้จะไหลผ่านด้านหนึ่งของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเหล่านี้ และอากาศจะถูกถ่ายเทความร้อนผ่านอีกด้านหนึ่ง ดังนั้น หาก เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแตกร้าวถือเป็นสถานการณ์อันตรายที่ต้องได้รับการแก้ไขโดยทันที เพราะผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้อาจเข้าไปในพื้นที่อยู่อาศัยได้

เนื่องจากมีตัวแปรหลายอย่างที่เกี่ยวข้อง การเลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกำลังการผลิตเป้าหมาย (kW) จึงอาจเป็นเรื่องท้าทาย การคำนวณด้วยมือเป็นไปได้ แต่โดยทั่วไปแล้วต้องใช้การคำนวณซ้ำหลายครั้ง ดังนั้น ส่วนใหญ่แล้วจึงทำการปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและจำลองด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์จนกว่าจะเลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ต้องการได้ ไม่ว่าจะเป็นโดยผู้ออกแบบระบบ ซึ่งโดยทั่วไปคือวิศวกรหรือโดยผู้จำหน่ายอุปกรณ์

โปรแกรมคอมพิวเตอร์สามารถปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์การจำลองเชิงมิติได้ดังต่อไปนี้

• จำนวนคอร์
• จำนวนรอบการผ่านและแผ่น/ท่อไมโครแชนเนลสำหรับแต่ละรอบ
• รัศมีท่อ
• ไมโครแชนเนล ความสูง / ความยาว / ความลึก จำนวนแชนเนลต่อแผ่น รัศมีหรือความกว้าง/ความสูงของแชนเนล ระยะห่างระหว่างแชนเนลและระยะห่างจากพื้นผิว
• รูปทรงครีบ, ประเภท, ความหนา, ความยาว, ระยะห่างของครีบ

ในการเลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เหมาะสม นักออกแบบระบบ (หรือผู้จำหน่ายอุปกรณ์) จะต้องพิจารณาข้อจำกัดด้านการออกแบบของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแต่ละประเภทเป็นอันดับแรก แม้ว่าต้นทุนมักจะเป็นเกณฑ์หลัก แต่ยังมีเกณฑ์การเลือกอื่นๆ ที่สำคัญอีกหลายประการ:

• ความสามารถในการแลกเปลี่ยนความร้อน (กิโลวัตต์)
• ขีดจำกัดความดันสูง/ต่ำ
• ประสิทธิภาพทางความร้อน
• ช่วงอุณหภูมิ
• ส่วนผสมของผลิตภัณฑ์ (ของเหลว/ของเหลว, อนุภาค หรือของเหลวที่มีปริมาณของแข็งสูง)
• ความดันลดลงทั่วเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน
• ความสามารถในการไหลของของเหลว
• ความสามารถในการทำความสะอาด การบำรุงรักษา และการซ่อมแซม
• วัสดุที่จำเป็นสำหรับการก่อสร้าง
• ความสามารถและความสะดวกในการขยายธุรกิจในอนาคต
• การเลือกวัสดุ เช่นทองแดงอะลูมิเนียมเหล็กกล้าคาร์บอนเหล็กกล้าไร้สนิม โลหะผสมนิก^เกล เซรามิกโพลิเมอร์และไทเทเนียม^{[ 35 ] [ 36} ]
• ขนาด^{[ 37 ]}

สามารถให้ข้อมูลประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสำหรับเครื่องระเหยได้ที่อัตราการไหลของอากาศต่างๆ โดยมีอุณหภูมิและความชื้นของอากาศผสม (อากาศใหม่และอากาศหมุนเวียน) ที่คงที่ในอุดมคติ สามารถใช้ปัจจัยแก้ไขเพื่อประมาณประสิทธิภาพที่อุณหภูมิหรือความชื้นของอากาศอื่นๆ ได้

การตรวจสอบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเชิงพาณิชย์แบบออนไลน์ทำได้โดยการติดตามค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม ซึ่งค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมมักจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากคราบสกปรก

ด้วยการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมเป็นระยะจากอัตราการไหลและอุณหภูมิของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เจ้าของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสามารถประเมินได้ว่าเมื่อใดจึงจะคุ้มค่าทางเศรษฐกิจที่จะทำความสะอาดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

การตรวจสอบความสมบูรณ์ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นและแบบท่อสามารถทดสอบได้ในสถานที่จริงโดยใช้วิธีการวัดค่าการนำความร้อนหรือวิธีการใช้ก๊าซฮีเลียม วิธีการเหล่านี้ยืนยันความสมบูรณ์ของแผ่นหรือท่อเพื่อป้องกันการปนเปื้อนข้าม และตรวจสอบสภาพของปะเก็น

การตรวจสอบความสมบูรณ์เชิงกลของท่อ แลกเปลี่ยนความร้อน สามารถดำเนินการได้โดยใช้วิธีการตรวจสอบแบบไม่ทำลายเช่นการทดสอบกระแสไหลวน

การฟาวล์

การเกิด คราบสกปรกเกิดขึ้นเมื่อสิ่งสกปรกสะสมอยู่บนพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อน การสะสมของสิ่งสกปรก เหล่านี้ สามารถลดประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนลงอย่างมากเมื่อเวลาผ่านไป และมีสาเหตุมาจาก:

• แรงเฉือนที่ผนังต่ำ
• ความเร็วของไหลต่ำ
• ความเร็วของไหลสูง
• การตกตะกอนของแข็งของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา
• การตกตะกอนของสิ่งเจือปนที่ละลายอยู่เนื่องจากอุณหภูมิผนังสูงขึ้น

อัตราการเกิดคราบสกปรกในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนั้นพิจารณาจากอัตราการสะสมของอนุภาคหักลบด้วยการพัดกลับ/การยับยั้ง แบบจำลองนี้ได้รับการเสนอครั้งแรกในปี 1959 โดย Kern และ Seaton

การเกิดคราบสกปรกในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของน้ำมันดิบในการกลั่นน้ำมันดิบเชิงพาณิชย์ น้ำมันดิบจะถูกให้ความร้อนจาก21 °C (70 °F)ถึง343 °C (649 °F)ก่อนที่จะเข้าสู่คอลัมน์การกลั่น โดยทั่วไปแล้ว ชุดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อจะแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างน้ำมันดิบและกระแสของน้ำมันอื่นๆ เพื่อให้ความร้อนแก่น้ำมันดิบถึง260 °C (500 °F)ก่อนที่จะให้ความร้อนในเตาเผา การเกิดคราบสกปรกเกิดขึ้นที่ด้านน้ำมันดิบของเครื่องแลกเปลี่ยนเหล่านี้เนื่องจากแอสฟัลทีนไม่ละลายน้ำ ลักษณะการละลายของแอสฟัลทีนในน้ำมันดิบได้รับการจำลองแบบอย่างประสบความสำเร็จโดย Wiehe และ Kennedy ^{[ 38 ]}การตกตะกอนของแอสฟัลทีนที่ไม่ละลายน้ำในระบบอุ่นน้ำมันดิบได้รับการจำลองแบบอย่างประสบความสำเร็จในฐานะปฏิกิริยาอันดับหนึ่งโดย Ebert และ Panchal ^{[ 39 ]}ซึ่งได้ขยายงานของ Kern และ Seaton      

การเกิดคราบสกปรกในระบบน้ำหล่อเย็นระบบน้ำหล่อเย็นมีความเสี่ยงต่อการเกิดคราบสกปรก น้ำหล่อเย็นมักมีปริมาณของแข็งที่ละลายทั้งหมดและของแข็งแขวนลอยในรูปคอลลอยด์สูง การตกตะกอนของของแข็งที่ละลายจะเกิดขึ้นเฉพาะจุดที่พื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อนเนื่องจากอุณหภูมิผนังสูงกว่าอุณหภูมิของของเหลวโดยรวม ความเร็วของของเหลวต่ำ (น้อยกว่า 3  ฟุต/วินาที) ทำให้ของแข็งแขวนลอยตกตะกอนบนพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อน น้ำหล่อเย็นมักอยู่ด้านท่อของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือกเนื่องจากทำความสะอาดได้ง่าย เพื่อป้องกันการเกิดคราบสกปรก นักออกแบบมักจะตรวจสอบให้แน่ใจว่าความเร็วของน้ำหล่อเย็นมากกว่า0.9 เมตร/วินาทีและอุณหภูมิของของเหลวโดยรวมรักษาไว้ต่ำกว่า60 องศาเซลเซียส (140 องศาฟาเรนไฮต์)แนวทางอื่นในการควบคุมการเกิดคราบสกปรก ได้แก่ การใช้สารฆ่าเชื้อและสารเคมีป้องกันตะกรันแบบ "สุ่ม" ร่วมกับการทดสอบในห้องปฏิบัติการเป็นระยะ  

การออกแบบและการผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีข้อกำหนดมากมาย ซึ่งแตกต่างกันไปตามภูมิภาคที่จะนำไปใช้งาน

รหัสการออกแบบและการผลิตประกอบด้วย: ASME Boiler and Pressure Vessel Code (สหรัฐอเมริกา); PD 5500 (สหราชอาณาจักร); BS 1566 (สหราชอาณาจักร); ^{[ 40 ]} EN 13445 (สหภาพยุโรป); CODAP (ฝรั่งเศส); Pressure Equipment Safety Regulations 2016 (PER) (สหราชอาณาจักร) ; Pressure Equipment Directive (สหภาพยุโรป); NORSOK (นอร์เวย์); TEMA ; ^{[ 41 ]} API 12; และ API 560

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม ทั้งสำหรับการทำความเย็นและการให้ความร้อนในกระบวนการอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ประเภทและขนาดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้สามารถปรับแต่งให้เหมาะสมกับกระบวนการได้ ขึ้นอยู่กับชนิดของของเหลว สถานะ อุณหภูมิ ความหนาแน่น ความหนืด ความดัน องค์ประกอบทางเคมี และคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกส์ต่างๆ

ในกระบวนการทางอุตสาหกรรมหลายแห่งมีการสูญเสียพลังงานหรือความร้อนที่ไม่ได้ใช้ประโยชน์ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสามารถนำมาใช้เพื่อดึงความร้อนนี้กลับมาใช้ในการให้ความร้อนแก่กระแสความร้อนอื่นในกระบวนการ วิธีนี้ช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายในอุตสาหกรรมได้มาก เนื่องจากความร้อนที่ส่งไปยังกระแสความร้อนอื่นจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนั้น หากไม่ใช้วิธีนี้จะต้องมาจากแหล่งภายนอกซึ่งมีราคาแพงกว่าและเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมหลายประเภท รวมถึง:

• การบำบัดน้ำเสีย
• การทำความเย็น
• การผลิตไวน์และเบียร์
• การกลั่นปิโตรเลียม
• พลังงานนิวเคลียร์

ในกระบวนการบำบัดน้ำเสีย เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีบทบาทสำคัญในการรักษาระดับอุณหภูมิที่เหมาะสมภายในถังย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนเพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ที่ช่วยกำจัดสารมลพิษ ประเภทของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้กันทั่วไปในงานนี้ ได้แก่ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อคู่ และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นและเฟรม

ในเครื่องบินพาณิชย์จะใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อนำความร้อนจากระบบน้ำมันของเครื่องยนต์ไปทำให้เชื้อเพลิงเย็นร้อนขึ้น^{[ 48 ]}ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและลดโอกาสที่น้ำที่ติดอยู่ในเชื้อเพลิงจะแข็งตัวในส่วนประกอบต่างๆ^{[ 49 ]}

คาดการณ์ว่าความต้องการเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทั่วโลกจะมีมูลค่าประมาณ 17.5 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2021 และคาดว่าจะเติบโตอย่างแข็งแกร่งประมาณ 5% ต่อปีในอีกหลายปีข้างหน้า มูลค่าตลาดคาดว่าจะสูงถึง 27 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2030 ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและการพัฒนาที่เพิ่มขึ้นของสำนักงาน ภาคค้าปลีก และอาคารสาธารณะ การขยายตัวของตลาดจึงมีแนวโน้มที่จะเติบโต^{[ 50 ]}

การแลกเปลี่ยนความร้อนแบบง่าย^{[ 51 ] [ 52 ]}อาจคิดได้ว่าเป็นท่อตรงสองท่อที่มีการไหลของของเหลว ซึ่งเชื่อมต่อกันทางความร้อน ให้ท่อมีความยาวเท่ากันLโดยมีของเหลวที่มีความจุความร้อน${\displaystyle C_{i}}$(พลังงานต่อหน่วยมวลต่อหน่วยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ) และให้ค่าอัตราการไหลของมวลของของเหลวผ่านท่อทั้งสองในทิศทางเดียวกันเป็น${\displaystyle j_{i}}$(มวลต่อหน่วยเวลา) โดยที่ตัวห้อยiหมายถึงท่อที่ 1 หรือท่อที่ 2

โปรไฟล์อุณหภูมิสำหรับท่อมีดังนี้${\displaystyle T_{1}(x)}$และ${\displaystyle T_{2}(x)}$โดยที่xคือระยะทางตามท่อ สมมติว่าอยู่ในสภาวะคงที่ ดังนั้นโปรไฟล์อุณหภูมิจึงไม่ขึ้นอยู่กับเวลา สมมติด้วยว่าการถ่ายเทความร้อนจากของเหลวปริมาณน้อยในท่อหนึ่งไปยังของเหลวในอีกท่อหนึ่งที่ตำแหน่งเดียวกันเท่านั้น กล่าวคือ ไม่มีการถ่ายเทความร้อนตามท่อเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิในท่อนั้น ตามกฎการทำความเย็นของนิวตันอัตราการเปลี่ยนแปลงพลังงานของของเหลวปริมาณน้อยจะเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวนั้นกับของเหลวที่สอดคล้องกันในอีกท่อหนึ่ง:

${\displaystyle {\frac {du_{1}}{dt}}=\gamma (T_{2}-T_{1})}$

${\displaystyle {\frac {du_{2}}{dt}}=\gamma (T_{1}-T_{2})}$

(นี่คือสำหรับการไหลแบบขนานในทิศทางเดียวกันและความแตกต่างของอุณหภูมิที่ตรงข้ามกัน แต่สำหรับการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางการแลกเปลี่ยนแบบสวนทางเครื่องหมายจะตรงข้ามในสมการที่สองข้างหน้า)${\displaystyle \gamma (T_{1}-T_{2})}$ ), ที่ไหน${\displaystyle u_{i}(x)}$คือพลังงานความร้อนต่อหน่วยความยาว และ γ คือค่าคงที่การเชื่อมต่อความร้อนต่อหน่วยความยาวระหว่างท่อทั้งสอง การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในนี้ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของของเหลว อัตราการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของของเหลวที่ถูกพัดพาไปตามการไหลเทียบกับเวลาคือ:

${\displaystyle {\frac {du_{1}}{dt}}=J_{1}{\frac {dT_{1}}{dx}}}$

${\displaystyle {\frac {du_{2}}{dt}}=J_{2}{\frac {dT_{2}}{dx}}}$

ที่ไหน${\displaystyle J_{i}={C_{i}}{j_{i}}}$คือ "อัตราการไหลของมวลความร้อน" สมการเชิงอนุพันธ์ที่ควบคุมเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสามารถเขียนได้ดังนี้:

${\displaystyle J_{1}{\frac {\partial T_{1}}{\partial x}}=\gamma (T_{2}-T_{1})}$

${\displaystyle J_{2}{\frac {\partial T_{2}}{\partial x}}=\gamma (T_{1}-T_{2}).}$

เนื่องจากระบบอยู่ในสภาวะคงที่ จึงไม่มีอนุพันธ์ย่อยของอุณหภูมิเทียบกับเวลา และเนื่องจากไม่มีการถ่ายเทความร้อนตามท่อ จึงไม่มีอนุพันธ์อันดับสองของxดังที่พบในสมการความร้อน สมการเชิงอนุพันธ์อันดับหนึ่งที่เชื่อมโยงกันสองสมการนี้สามารถแก้ได้เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ดังนี้:

${\displaystyle T_{1}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}}\,e^{-kx}}$

${\displaystyle T_{2}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}}\,e^{-kx}}$

ที่ไหน${\displaystyle k_{1}=\gamma /J_{1}}$,${\displaystyle k_{2}=\gamma /J_{2}}$,

${\displaystyle k=k_{1}+k_{2}}$

(อันนี้ใช้สำหรับการไหลแบบขนาน แต่ถ้าเป็นการไหลแบบสวนทาง เครื่องหมายข้างหน้าจะแตกต่างออกไป) ${\displaystyle k_{2}}$ เป็นค่าลบ ดังนั้นถ้า ${\displaystyle k_{2}=k_{1}}$สำหรับ "อัตราการไหลของมวลความร้อน" ที่เท่ากันในทิศทางตรงกันข้ามทั้งสองทิศทาง ความชันของอุณหภูมิจะคงที่ และอุณหภูมิจะแปรผันตามตำแหน่งxโดยมีความแตกต่างคงที่${\displaystyle (T_{2}-T_{1})}$ตลอดกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งอธิบายว่าเหตุใดการออกแบบแบบไหลสวนทาง ( การแลกเปลี่ยนแบบไหลสวนทางจึงมีประสิทธิภาพมากที่สุด)

และAกับBเป็นค่าคงที่ของการอินทิเกรตสองค่าที่ยังไม่ทราบค่า ให้${\displaystyle T_{10}}$และ${\displaystyle T_{20}}$ให้ เป็นอุณหภูมิที่ x=0 และให้${\displaystyle T_{1L}}$และ${\displaystyle T_{2L}}$ให้ x=L เป็นอุณหภูมิที่ปลายท่อ กำหนดอุณหภูมิเฉลี่ยในแต่ละท่อดังนี้:

${\displaystyle {\overline {T}}_{1}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{L}T_{1}(x)dx}$

${\displaystyle {\overline {T}}_{2}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{L}T_{2}(x)dx.}$

เมื่อใช้สูตรข้างต้น อุณหภูมิที่ได้จะเป็นดังนี้:

${\displaystyle T_{10}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}}}$	${\displaystyle T_{20}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}}}$
${\displaystyle T_{1L}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}}e^{-kL}}$	${\displaystyle T_{2L}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}}e^{-kL}}$
${\displaystyle {\overline {T}}_{1}=A-{\frac {Bk_{1}}{k^{2}L}}(1-e^{-kL})}$	${\displaystyle {\overline {T}}_{2}=A+{\frac {Bk_{2}}{k^{2}L}}(1-e^{-kL}).}$

การเลือกอุณหภูมิสองค่าใดๆ จากค่าข้างต้นจะช่วยขจัดค่าคงที่ของการอินทิเกรต ทำให้เราสามารถหาอุณหภูมิอีกสี่ค่าที่เหลือได้ เราหาพลังงานทั้งหมดที่ถ่ายโอนโดยการอินทิเกรตนิพจน์สำหรับอัตราการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในต่อหน่วยความยาวเทียบกับเวลา:

${\displaystyle {\frac {dU_{1}}{dt}}=\int _{0}^{L}{\frac {du_{1}}{dt}}\,dx=J_{1}(T_{1L}-T_{10})=\gamma L({\overline {T}}_{2}-{\overline {T}}_{1})}$

${\displaystyle {\frac {dU_{2}}{dt}}=\int _{0}^{L}{\frac {du_{2}}{dt}}\,dx=J_{2}(T_{2L}-T_{20})=\gamma L({\overline {T}}_{1}-{\overline {T}}_{2}).}$

ตามหลักการอนุรักษ์พลังงาน ผลรวมของพลังงานทั้งสองจึงเป็นศูนย์ ปริมาณดังกล่าว${\displaystyle {\overline {T}}_{2}-{\overline {T}}_{1}}$ค่านี้เรียกว่าค่าความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยแบบลอการิทึมและเป็นตัววัดประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในการถ่ายโอนพลังงานความร้อน

• ซอฟต์แวร์ออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อและเปลือกสำหรับใช้ในการศึกษา (PDF)
• เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น – วิธีการทำงาน
• แนวทางปฏิบัติเกี่ยวกับอุปกรณ์รับแรงดันของสหภาพยุโรป
• แนวคิดการจัดการความร้อนสำหรับระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้าในเครื่องบิน (PDF)