ผลรวมของการเปลี่ยนแปลงขนาดกลางต่อสภาพการออกแบบในการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแผ่น

บทคัดย่อ: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (PHE) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านอุตสาหกรรม เช่น วิศวกรรมเคมี การแปรรูปอาหาร HVAC และปิโตรเคมี เนื่องจากมีโครงสร้างที่กะทัดรัด ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูง และความสามารถในการปรับขนาดที่ยืดหยุ่น การออกแบบ PHE มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับคุณสมบัติทางกายภาพ เคมี และความร้อนของตัวกลางแลกเปลี่ยนความร้อน การเปลี่ยนแปลงในตัวกลาง (รวมถึงการเปลี่ยนแปลงประเภท องค์ประกอบ และพารามิเตอร์สถานะ) จะส่งผลโดยตรงต่อเงื่อนไขการออกแบบหลักของ PHE เช่น ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน แรงดันตกคร่อม การเลือกวัสดุ โครงสร้างแผ่น และความเสถียรในการทำงาน บทความนี้วิเคราะห์ประเภทของการเปลี่ยนแปลงสื่อในการออกแบบ PHE อย่างเป็นระบบ สำรวจกลไกของการเปลี่ยนแปลงสื่อที่ส่งผลต่อพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญ ผสมผสานกรณีทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติเพื่อตรวจสอบกฎผลกระทบ และนำเสนอกลยุทธ์การปรับการออกแบบที่สอดคล้องกัน การวิจัยแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงระดับกลางจะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ในระบบการออกแบบของ PHE: การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพ (ความหนืด ความหนาแน่น การนำความร้อน) ส่งผลต่อค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนและความดันลดลง การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเคมี (การกัดกร่อน ปฏิกิริยา) เป็นตัวกำหนดการเลือกวัสดุแผ่นและปะเก็น การเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์สถานะ (อุณหภูมิ ความดัน เฟส) ส่งผลต่อการเลือกประเภทแผ่นและการออกแบบช่องการไหล และการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบปานกลาง (สิ่งเจือปน ส่วนประกอบผสม) จะเพิ่มความเสี่ยงของการเปรอะเปื้อนและส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานในระยะยาว การศึกษานี้ให้พื้นฐานทางทฤษฎีและแนวทางปฏิบัติสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ การปรับการปฏิบัติงาน และการบำรุงรักษา PHE ภายใต้สภาวะการเปลี่ยนแปลงปานกลาง ซึ่งช่วยปรับปรุงความสามารถในการปรับตัวและความน่าเชื่อถือของ PHE ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่ซับซ้อน

คำสำคัญ: แผ่นแลกเปลี่ยนความร้อน; การเปลี่ยนแปลงปานกลาง เงื่อนไขการออกแบบ ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน แรงดันตก; การเลือกใช้วัสดุ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นเป็นอุปกรณ์ถ่ายเทความร้อนประสิทธิภาพสูงประเภทหนึ่งที่ประกอบด้วยชุดแผ่นลูกฟูก ปะเก็น แผ่นเฟรม และแท่งผูก กระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนเกิดขึ้นได้จากการไหลสลับของตัวกลางร้อนและเย็นบนทั้งสองด้านของเพลต และโครงสร้างลูกฟูกของเพลตช่วยเพิ่มความปั่นป่วนของตัวกลาง ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อแบบดั้งเดิม PHE มีข้อดีคือมีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูง (3000–7000 W/m²·K สำหรับการใช้งานของเหลว-ของเหลว) โครงสร้างที่กะทัดรัด (ความหนาแน่นของพื้นผิว-พื้นที่ 100–200 ตร.ม./ลบ.ม. สูงกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ 4–5 เท่า) ถอดประกอบและบำรุงรักษาได้ง่าย และปรับพื้นที่ถ่ายเทความร้อนได้อย่างยืดหยุ่นโดยการเพิ่มหรือลดแผ่น ข้อดีเหล่านี้ทำให้ PHE ใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาอุตสาหกรรมต่างๆ และความสมเหตุสมผลในการออกแบบจะกำหนดประสิทธิภาพการทำงาน การใช้พลังงาน และอายุการใช้งานของระบบแลกเปลี่ยนความร้อนทั้งหมดโดยตรง

ในการผลิตทางอุตสาหกรรม ตัวกลางแลกเปลี่ยนความร้อนมักได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ เช่น การเปลี่ยนวัตถุดิบ การปรับกระบวนการ การปรับเปลี่ยนสูตรผลิตภัณฑ์ และการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อม ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในประเภท องค์ประกอบ คุณสมบัติทางกายภาพและเคมี และพารามิเตอร์สถานะ ตัวอย่างเช่น ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ปริมาณน้ำในน้ำมันดิบอาจเพิ่มขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขการแสวงหาประโยชน์จากแหล่งน้ำมัน ในอุตสาหกรรมแปรรูปอาหาร ความหนืดของนมหรือน้ำเชื่อมอาจมีการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากความแตกต่างในแหล่งวัตถุดิบ ในอุตสาหกรรมเคมี การกัดกร่อนของตัวกลางอาจเพิ่มขึ้นเนื่องจากมีการเพิ่มส่วนประกอบใหม่ เมื่อตัวกลางเปลี่ยนแปลง พารามิเตอร์การออกแบบดั้งเดิมของ PHE (เช่น พื้นที่การถ่ายเทความร้อน ประเภทของแผ่น วัสดุ และอัตราการไหล) จะไม่ตรงกับสภาพการทำงานจริงอีกต่อไป ซึ่งนำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนลดลง แรงดันตกมากเกินไป การใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้น การกัดกร่อนของวัสดุ และแม้กระทั่งความล้มเหลวของอุปกรณ์

ปัจจุบัน งานวิจัยที่มีอยู่ส่วนใหญ่เกี่ยวกับการออกแบบ PHE มุ่งเน้นไปที่การปรับโครงสร้างเพลทให้เหมาะสม การคำนวณการถ่ายเทความร้อน และการควบคุมการเปรอะเปื้อน แต่ยังขาดการวิเคราะห์อย่างเป็นระบบเกี่ยวกับผลกระทบโดยรวมของการเปลี่ยนแปลงตัวกลางต่อเงื่อนไขการออกแบบ ในงานวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ องค์กรหลายแห่งมักเพิกเฉยต่อผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงระดับกลาง ส่งผลให้ PHE ไม่สามารถดำเนินการตามประสิทธิภาพที่เหมาะสมได้ และอาจก่อให้เกิดความสูญเสียทางเศรษฐกิจด้วยซ้ำ ตัวอย่างเช่น เมื่อน้ำที่ตัดในน้ำมันดิบเพิ่มขึ้น อุณหภูมิทางออกของตัวกลางจะลดลง และหาก PHE ไม่ได้ออกแบบใหม่ ก็จำเป็นต้องเพิ่มหัวเผาเพื่ออุ่นเครื่อง ซึ่งจะทำให้ต้นทุนการดำเนินงานต่อปีเพิ่มขึ้น 390,000 ยูโร ในขณะที่การขยายแผ่นแพ็คของ PHE สามารถคืนอุณหภูมิทางออกและบรรลุการฟื้นตัวของการลงทุนภายในเวลาไม่ถึงสามเดือน ดังนั้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งทั้งทางทฤษฎีและปฏิบัติในการศึกษาผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงระดับกลางต่อเงื่อนไขการออกแบบของ PHE ชี้แจงกลไกผลกระทบ และเสนอกลยุทธ์การปรับเปลี่ยน

บทความนี้จะแยกประเภทประเภทของการเปลี่ยนแปลงตัวกลางในการออกแบบ PHE ก่อน จากนั้นจึงวิเคราะห์ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงตัวกลางประเภทต่างๆ ต่อเงื่อนไขการออกแบบที่สำคัญ (ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน แรงดันตก การเลือกวัสดุ โครงสร้างแผ่น ฯลฯ) จากกลไก รวมกรณีปฏิบัติจริงเพื่อตรวจสอบ และสุดท้ายนำเสนอวิธีการปรับแต่งการออกแบบและข้อเสนอแนะในการเพิ่มประสิทธิภาพ โดยให้การสนับสนุนการออกแบบที่มีเหตุผลและการทำงานที่มั่นคงของ PHE ภายใต้สภาวะการเปลี่ยนแปลงปานกลาง

ตัวกลางใน PHE หมายถึงของไหลร้อนและเย็นที่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนความร้อน และการเปลี่ยนแปลงของสารนั้นมีความหลากหลาย แต่สามารถแบ่งออกเป็นสี่ประเภทตามลักษณะของการเปลี่ยนแปลง ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพ การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเคมี การเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์สถานะ และการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบตัวกลาง การเปลี่ยนแปลงทั้งสี่ประเภทนี้ไม่ได้แยกจากกัน และอาจมีอิทธิพลซึ่งกันและกัน (เช่น การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในความหนืดและความหนาแน่น และการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในการกัดกร่อน)

คุณสมบัติทางกายภาพของตัวกลางที่ส่งผลต่อการออกแบบ PHE ส่วนใหญ่ได้แก่ ความหนืด ความหนาแน่น การนำความร้อน ความจุความร้อนจำเพาะ และแรงตึงผิว การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพเหล่านี้จะส่งผลโดยตรงต่อสถานะการไหลของตัวกลางในช่องการไหลและกระบวนการถ่ายเทความร้อน การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพทั่วไปได้แก่: การเพิ่มหรือลดความหนืด (เช่น การเพิ่มความหนืดของน้ำมันหล่อลื่นหลังการเสื่อมสภาพ ความหนืดของน้ำเชื่อมลดลงหลังการให้ความร้อน) ความหนาแน่นเพิ่มขึ้นหรือลดลง (เช่น การผสมของน้ำมันเบาและน้ำมันหนัก) และการเปลี่ยนแปลงของการนำความร้อน (เช่น การเติมสารเติมแต่งการถ่ายเทความร้อนไปยังตัวกลาง) ความหนืดและการนำความร้อนเป็นคุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญที่สุดสองประการ ซึ่งมีผลกระทบที่สำคัญที่สุดต่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนและแรงดันตกคร่อม

คุณสมบัติทางเคมีของตัวกลางส่งผลต่อการเลือกใช้วัสดุของ PHE เป็นหลัก ซึ่งรวมถึงการกัดกร่อน การเกิดปฏิกิริยา ความสามารถในการออกซิไดซ์ และความสามารถในการลดได้ การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเคมีมักเกิดขึ้นเนื่องจากการทดแทนวัตถุดิบ การเติมส่วนประกอบใหม่ หรือปฏิกิริยาทางเคมีในระหว่างกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อน ตัวอย่างเช่น ในอุตสาหกรรมเคมี ตัวกลางอาจเปลี่ยนจากเป็นกลางเป็นกรดหรือด่างเนื่องจากการปรับกระบวนการ ในอุตสาหกรรมอาหาร ตัวกลางอาจผลิตสารที่เป็นกรดเนื่องจากการหมัก เพิ่มการกัดกร่อน ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ปริมาณซัลเฟอร์ในตัวกลางอาจเพิ่มขึ้น ส่งผลให้วัสดุโลหะสึกกร่อนมากขึ้น นอกจากนี้ สื่อบางชนิดอาจทำปฏิกิริยาซึ่งกันและกันหรือกับวัสดุแผ่น/ปะเก็น ส่งผลให้วัสดุเสียหายและอุปกรณ์ขัดข้อง

พารามิเตอร์สถานะของตัวกลางอ้างอิงถึงอุณหภูมิ ความดัน และสถานะเฟส (ของเหลว ก๊าซ ส่วนผสมของแข็ง-ของเหลว) ในระหว่างการแลกเปลี่ยนความร้อน การเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์สถานะเป็นเรื่องปกติในการผลิตทางอุตสาหกรรม เช่น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิทางเข้า/ทางออกของตัวกลางเนื่องจากการปรับโหลดของกระบวนการ การเปลี่ยนแปลงความดันในการทำงานของระบบเนื่องจากการอุดตันของท่อหรือความล้มเหลวของปั๊ม และการเปลี่ยนเฟสของตัวกลางในระหว่างการแลกเปลี่ยนความร้อน (เช่น การควบแน่นของไอน้ำ การกลายเป็นไอของของเหลว) การเปลี่ยนแปลงเฟสมีผลกระทบที่สำคัญที่สุดต่อการออกแบบ PHE เนื่องจากจะเปลี่ยนกลไกการถ่ายเทความร้อน และต้องใช้แผ่นชนิดพิเศษและการออกแบบช่องการไหล

การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของสื่อหมายถึงการเพิ่มสิ่งเจือปน ส่วนประกอบที่ผสม หรือการเปลี่ยนแปลงสัดส่วนของส่วนประกอบในสื่อดั้งเดิม ตัวอย่างเช่น ตัวกลางอาจมีอนุภาคของแข็ง (เช่น ตะกอนในน้ำ อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาเคมี) เนื่องจากมลพิษจากวัตถุดิบ การผสมตัวกลางตั้งแต่สองตัวขึ้นไป (เช่น การผสมน้ำและน้ำมัน) จะเปลี่ยนคุณสมบัติโดยรวมของตัวกลาง สัดส่วนของส่วนประกอบในตัวกลางเปลี่ยนแปลงไป (เช่น การเปลี่ยนแปลงการตัดน้ำของน้ำมันดิบ) การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของตัวกลางไม่เพียงแต่ส่งผลต่อคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของตัวกลางเท่านั้น แต่ยังเพิ่มความเสี่ยงของการเปรอะเปื้อนและการอุดตันของช่องทางการไหล ซึ่งส่งผลต่อการดำเนินงานในระยะยาวของ PHE

การออกแบบ PHE ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ของสื่อดั้งเดิม และการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในสื่อจะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ในระบบการออกแบบ ต่อไปนี้จะวิเคราะห์ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงปานกลางต่อเงื่อนไขการออกแบบหลักจากห้าด้าน: ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน แรงดันตก การเลือกวัสดุ โครงสร้างแผ่นและการออกแบบช่องทางการไหล และความเปรอะเปื้อนและความเสถียรในการทำงาน

ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนเป็นดัชนีหลักของการออกแบบ PHE ซึ่งวัดโดยค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน (U) และอัตราการถ่ายเทความร้อน (Q) เป็นหลัก กระบวนการถ่ายเทความร้อนของ PHE มีสามส่วนที่เกี่ยวข้อง: การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนจากตัวกลางร้อนไปยังผนังแผ่น การถ่ายเทความร้อนแบบนำผ่านผนังแผ่น และการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนจากผนังแผ่นไปยังตัวกลางเย็น การเปลี่ยนแปลงระดับปานกลางส่งผลต่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนโดยการเปลี่ยนประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนและความต้านทานความร้อนของตัวกลาง

ความหนืดเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน ยิ่งความหนืดของตัวกลางสูง ความต้านทานการไหลก็จะยิ่งมากขึ้น ความปั่นป่วนก็จะยิ่งยากขึ้น และค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนของการพาความร้อนก็จะยิ่งต่ำลง ตัวอย่างเช่น เมื่อความหนืดของตัวกลางร้อนเพิ่มขึ้น 50% หมายเลข Reynolds (Re) ของตัวกลางในช่องการไหลจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ (Re เป็นสัดส่วนผกผันกับความหนืด) และสถานะการไหลจะเปลี่ยนจากการไหลแบบปั่นป่วนเป็นการไหลแบบราบเรียบ ในเวลานี้ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนจะลดลง 30%–50% ส่งผลให้อัตราการถ่ายเทความร้อนลดลงอย่างมาก ในทางตรงกันข้าม ความหนืดที่ลดลงจะเพิ่มเลขเรย์โนลด์ส เพิ่มความปั่นป่วน และปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนของการพาความร้อน

การนำความร้อนส่งผลโดยตรงต่อความสามารถในการถ่ายเทความร้อนของตัวกลาง ยิ่งค่าการนำความร้อนของตัวกลางสูง การถ่ายเทความร้อนระหว่างตัวกลางกับผนังแผ่นก็จะเร็วขึ้น และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนก็จะยิ่งสูงขึ้น ตัวอย่างเช่น เมื่อตัวกลางเปลี่ยนจากน้ำ (ค่าการนำความร้อน 0.6 W/(m·K)) เป็นน้ำมันเครื่อง (ค่าการนำความร้อน 0.14 W/(m·K)) ค่าการนำความร้อนจะลดลง 77% และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ โดยต้องเพิ่มพื้นที่ถ่ายเทความร้อนเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการถ่ายเทความร้อนที่ออกแบบ นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงของความหนาแน่นและความจุความร้อนจำเพาะจะส่งผลต่ออัตราการไหลของความจุความร้อน (m·cp) ของตัวกลาง ซึ่งส่งผลต่อความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทางเข้าและทางออกของตัวกลางและอัตราการถ่ายเทความร้อน

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนในสองวิธี: ในด้านหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในคุณสมบัติทางกายภาพของตัวกลาง (เช่น ความหนืด การนำความร้อน) ซึ่งส่งผลต่อค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนแบบพาความร้อน ในทางกลับกัน การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิทางเข้า/ออกของตัวกลางจะเปลี่ยนค่าความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยล็อก (LMTD) ซึ่งเป็นแรงผลักดันของการถ่ายเทความร้อน ตัวอย่างเช่น หากอุณหภูมิทางเข้าของตัวกลางร้อนลดลง 20°C LMTD จะลดลง และอัตราการถ่ายเทความร้อนจะลดลงตามไปด้วย เพื่อรักษาข้อกำหนดการถ่ายเทความร้อนแบบเดิม จำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่การถ่ายเทความร้อนหรือปรับอัตราการไหลของตัวกลาง

การเปลี่ยนแปลงเฟส (เช่น การควบแน่นของไอน้ำ การกลายเป็นไอของของเหลว) จะเปลี่ยนกลไกการถ่ายเทความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อตัวกลางผ่านการเปลี่ยนเฟส ความร้อนแฝงของการเปลี่ยนเฟสจะถูกปล่อยหรือดูดซับ ซึ่งสามารถปรับปรุงอัตราการถ่ายเทความร้อนได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น เมื่อตัวกลางร้อนเปลี่ยนจากน้ำอิ่มตัว (การถ่ายเทความร้อนสัมผัส) เป็นไอน้ำอิ่มตัว (การถ่ายเทความร้อนแฝง) ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจะเพิ่มขึ้น 2–3 เท่า อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงเฟสยังทำให้เกิดข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับประเภทเพลตและการออกแบบช่องการไหล ตัวอย่างเช่น การควบแน่นด้วยไอน้ำต้องใช้แผ่นเพลทที่มีประสิทธิภาพการแยกก๊าซและของเหลวที่ดี เพื่อหลีกเลี่ยงการสะสมฟิล์มของเหลวที่ส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อน การกลายเป็นไอของของเหลวต้องใช้ช่องทางการไหลที่มีการกระจายสม่ำเสมอเพื่อให้แน่ใจว่าตัวกลางได้รับความร้อนอย่างเท่าเทียมกัน

เมื่อตัวกลางประกอบด้วยอนุภาคของแข็งหรือสิ่งเจือปน อนุภาคจะก่อตัวเป็นชั้นที่เปรอะเปื้อนบนพื้นผิวแผ่น ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานความร้อนของชั้นที่เปรอะเปื้อน ซึ่งจะช่วยลดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม ยิ่งอนุภาคมีปริมาณมาก อัตราการเปรอะเปื้อนก็จะเร็วขึ้น และประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด ตัวอย่างเช่น เมื่อน้ำที่ใช้เป็นตัวกลางเย็นมีไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมจำนวนมาก การเกิดตะกรันจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวแผ่นหลังจากการทำงานในระยะยาว และค่าการนำความร้อนของชั้นการปรับขนาดจะอยู่ที่ 1/10–1/5 ของแผ่นโลหะเท่านั้น ซึ่งจะลดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนลง 20%–40% หลังจากการปรับขนาด นอกจากนี้ การผสมตัวกลางที่แตกต่างกันอาจนำไปสู่การละลายหรือการแบ่งชั้นร่วมกัน การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพโดยรวมของตัวกลาง และส่งผลต่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนเพิ่มเติม

แรงดันตกคร่อมเป็นเงื่อนไขการออกแบบที่สำคัญอีกประการหนึ่งของ PHE ซึ่งหมายถึงการสูญเสียแรงดันของตัวกลางเมื่อไหลผ่านช่องการไหลของ PHE แรงดันตกส่งผลโดยตรงต่อการใช้พลังงานของปั๊ม (หรือพัดลม) และความเสถียรในการทำงานของระบบ แรงดันตกคร่อมของ PHE ส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยความต้านทานการไหลของตัวกลางในช่องการไหล ซึ่งสัมพันธ์กับคุณสมบัติทางกายภาพของตัวกลาง อัตราการไหล โครงสร้างช่องการไหล และปัจจัยอื่น ๆ การเปลี่ยนแปลงระดับปานกลางจะส่งผลต่อแรงดันตกโดยการเปลี่ยนความต้านทานการไหลของตัวกลาง

ความหนืดเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อแรงดันตกคร่อม ยิ่งความหนืดของตัวกลางสูง ความต้านทานการไหลก็จะยิ่งมากขึ้น และแรงดันตกก็จะยิ่งสูงขึ้น ตามสูตรกลศาสตร์ของไหล แรงดันตกคร่อมจะเป็นสัดส่วนกับความหนืดของตัวกลางภายใต้อัตราการไหลและโครงสร้างช่องทางการไหลเดียวกัน ตัวอย่างเช่น เมื่อความหนืดของตัวกลางเพิ่มขึ้น 100% แรงดันตกคร่อมจะเพิ่มขึ้นประมาณ 80%–100% ภายใต้อัตราการไหลเดียวกัน นอกจากนี้ ความหนาแน่นของตัวกลางยังส่งผลต่อความดันตกคร่อมด้วย ยิ่งความหนาแน่นของตัวกลางสูง แรงเฉื่อยของของไหลก็จะยิ่งมากขึ้น และแรงดันตกคร่อมก็จะยิ่งสูงขึ้นภายใต้อัตราการไหลเดียวกัน

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิส่งผลต่อความดันลดลงโดยการเปลี่ยนความหนืดและความหนาแน่นของตัวกลาง ตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิของตัวกลางเพิ่มขึ้น ความหนืดจะลดลง และความดันลดลงตามไปด้วย ในทางตรงกันข้าม เมื่ออุณหภูมิลดลง ความหนืดจะเพิ่มขึ้น และความดันลดลงจะเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงความดันจะส่งผลต่อความหนาแน่นและสถานะเฟสของตัวกลาง ตัวอย่างเช่น เมื่อความดันใช้งานต่ำกว่าความดันอิ่มตัวของตัวกลาง ตัวกลางจะระเหยกลายเป็นไอ ทำให้เกิดการไหลแบบสองเฟสของก๊าซ-ของเหลว ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานการไหลและแรงดันตกคร่อมอย่างมาก นอกจากนี้ แรงดันตกคร่อมของ PHE ยังสัมพันธ์กับอัตราการไหลของตัวกลางด้วย หากอัตราการไหลของตัวกลางเพิ่มขึ้นเนื่องจากการปรับกระบวนการ แรงดันตกคร่อมจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (แรงดันตกคร่อมจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของอัตราการไหล)

เมื่อตัวกลางประกอบด้วยอนุภาคของแข็งหรือสิ่งเจือปน อนุภาคจะชนกับผนังแผ่นและกันและกันในระหว่างกระบวนการไหล เพิ่มความต้านทานการไหลและแรงดันตก นอกจากนี้ อนุภาคจะสะสมในช่องการไหล ทำให้หน้าตัดของช่องการไหลแคบลง ส่งผลให้อัตราการไหลและแรงดันลดลงอีก ตัวอย่างเช่น เมื่อตัวกลางประกอบด้วยอนุภาคของแข็ง 5%–10% (ขนาดอนุภาค 10–50 μm) แรงดันตกคร่อมจะเพิ่มขึ้น 30%–50% เมื่อเทียบกับตัวกลางที่สะอาด หากอนุภาคมีขนาดใหญ่เกินไป (มากกว่า 100 μm) อนุภาคเหล่านั้นอาจปิดกั้นช่องทางการไหล ส่งผลให้ PHE ไม่สามารถทำงานตามปกติได้

การเลือกวัสดุของ PHE (รวมถึงวัสดุแผ่นและวัสดุปะเก็น) ส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยคุณสมบัติทางเคมีและพารามิเตอร์สถานะของตัวกลาง ข้อกำหนดหลักของการเลือกวัสดุคือความต้านทานการกัดกร่อน ตามด้วยการนำความร้อน ความแข็งแรงทางกล และความคุ้มค่า การเปลี่ยนแปลงระดับกลางจะนำไปสู่ความไม่ตรงกันโดยตรงระหว่างวัสดุเดิมและวัสดุใหม่ ส่งผลให้เกิดการกัดกร่อนของวัสดุ อายุของปะเก็น และปัญหาอื่นๆ ที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของ PHE

การกัดกร่อนเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดวัสดุแผ่น วัสดุแผ่นทั่วไปได้แก่ สเตนเลส (304, 316L) ไทเทเนียม ฮาสเตลลอย และโลหะผสมทองแดง สแตนเลส 316L ใช้กันอย่างแพร่หลายในสื่อที่เป็นกลางและมีฤทธิ์กัดกร่อนเล็กน้อย (เช่นน้ำ น้ำมันพืช) แต่ไม่สามารถทนต่อกรดแก่ ด่างแก่ และสื่อที่ประกอบด้วยคลอไรด์ ไทเทเนียมทนต่อการกัดกร่อนที่รุนแรง (เช่น น้ำทะเล กรดไฮโดรคลอริก) และเหมาะสำหรับสภาพการทำงานที่รุนแรง Hastelloy ทนทานต่อกรดและด่างแก่ส่วนใหญ่ และใช้ในอุตสาหกรรมเคมีที่มีสารกัดกร่อนรุนแรง หากตัวกลางเปลี่ยนจากเป็นกลางเป็นกรด (เช่น ค่า pH จาก 7 เป็น 3) แผ่นเหล็กสแตนเลส 304 เดิมจะสึกกร่อน ส่งผลให้แผ่นทะลุและรั่วซึม ในเวลานี้จำเป็นต้องเปลี่ยนแผ่นด้วยไทเทเนียมหรือ Hastelloy

วัสดุปะเก็นยังได้รับผลกระทบจากคุณสมบัติทางเคมีของตัวกลางด้วย วัสดุปะเก็นทั่วไป ได้แก่ ยางไนไตรล์ (NBR), โมโนเมอร์เอทิลีน-โพรพิลีน-ไดอีน (EPDM) และยางฟลูออรีน (Viton) NBR เหมาะสำหรับตัวกลางที่ใช้น้ำมันแต่ไม่ทนต่อกรดและด่างแก่ EPDM เหมาะสำหรับสื่อที่เป็นกลางและมีฤทธิ์กัดกร่อนเล็กน้อยและมีความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงได้ดี ไวตันทนทานต่อกรดแก่ ด่างแก่ และตัวทำละลายอินทรีย์ แต่มีต้นทุนสูง หากตัวกลางเปลี่ยนจากน้ำมันเป็นกรดแก่ ปะเก็น NBR เดิมจะสึกกร่อนและมีอายุมากขึ้น ทำให้เกิดการรั่วไหลของตัวกลาง และจำเป็นต้องแทนที่ด้วยปะเก็น Viton

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดันส่งผลต่อการเลือกใช้วัสดุโดยการเปลี่ยนอัตราการกัดกร่อนของตัวกลางและคุณสมบัติทางกลของวัสดุ อุณหภูมิสูงจะเร่งอัตราการกัดกร่อนของตัวกลางและลดความแข็งแรงเชิงกลและอายุการใช้งานของวัสดุ ตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิในการทำงานเพิ่มขึ้นจาก 100°C เป็น 150°C อัตราการกัดกร่อนของตัวกลางกับแผ่นสเตนเลสจะเพิ่มขึ้น 2-3 เท่า และจำเป็นต้องเลือกวัสดุที่มีความต้านทานการกัดกร่อนในอุณหภูมิสูงได้ดีกว่า (เช่น Hastelloy) แรงดันสูงต้องการให้วัสดุมีความแข็งแรงเชิงกลสูงขึ้นเพื่อหลีกเลี่ยงการเสียรูปหรือความเสียหายของแผ่นเพลท ตัวอย่างเช่น เมื่อแรงดันใช้งานเพิ่มขึ้นจาก 1.6 MPa เป็น 4.0 MPa แผ่นสแตนเลสธรรมดาแบบเดิม (ความหนา 0.5 มม.) จะไม่สามารถทนต่อแรงดันสูงได้ และจำเป็นต้องเพิ่มความหนาของแผ่นหรือเลือกวัสดุที่มีความแข็งแรงสูงกว่า

เมื่อตัวกลางประกอบด้วยคลอไรด์ไอออน ซัลเฟอร์ไอออน หรือไอออนที่มีฤทธิ์กัดกร่อนอื่นๆ มันจะเร่งการกัดกร่อนของวัสดุแผ่น ตัวอย่างเช่น แม้แต่คลอไรด์ไอออนในปริมาณเล็กน้อย (มากกว่า 200 ppm) ก็อาจทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูพรุนของแผ่นเหล็กสเตนเลส ส่งผลให้แผ่นเสียหายได้ ในเวลานี้จำเป็นต้องเลือกวัสดุที่ทนต่อคลอไรด์ (เช่น ไทเทเนียม) นอกจากนี้ หากตัวกลางมีตัวทำละลายอินทรีย์ มันจะละลายวัสดุปะเก็น ส่งผลให้ปะเก็นเสียหาย ตัวอย่างเช่น สารที่มีอะซิโตนจะละลายปะเก็น NBR และจำเป็นต้องแทนที่ด้วยปะเก็น Viton

โครงสร้างแผ่น (ประเภทแผ่น มุมลอน ความหนาของแผ่น) และการออกแบบช่องการไหล (ความกว้างของช่องการไหล ทิศทางการไหล จำนวนรอบ) ของ PHE ได้รับการออกแบบตามสถานะการไหลและข้อกำหนดการถ่ายเทความร้อนของตัวกลางดั้งเดิม การเปลี่ยนแปลงระดับปานกลางจะส่งผลต่อสถานะการไหลและข้อกำหนดการถ่ายเทความร้อนของตัวกลาง ดังนั้นจึงต้องมีการปรับเปลี่ยนโครงสร้างแผ่นและการออกแบบช่องการไหล

สำหรับตัวกลางที่มีความหนืดสูง ช่องการไหลแคบแบบเดิมจะทำให้แรงดันตกมากเกินไปและการถ่ายเทความร้อนไม่ดี จำเป็นต้องเลือกประเภทเพลทที่มีช่องการไหลกว้างกว่า (เช่นเพลทที่มีมุมลอน 30°) เพื่อลดความต้านทานการไหลและปรับปรุงสถานะการไหลของตัวกลาง ตัวอย่างเช่น เมื่อตัวกลางเปลี่ยนจากน้ำ (ความหนืดต่ำ) เป็นน้ำมันหนัก (ความหนืดสูง) ความกว้างของช่องการไหลจะต้องเพิ่มจาก 2–3 มม. เป็น 4–5 มม. เพื่อลดแรงดันตกคร่อม นอกจากนี้ สื่อที่มีความหนืดสูงจำเป็นต้องใช้ประเภทแผ่นที่มีผลกระทบจากความปั่นป่วนที่รุนแรงกว่า (เช่น แผ่นลูกฟูกรูปแฉกแนวตั้ง) เพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน

สำหรับสื่อที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ จำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่การถ่ายเทความร้อนโดยการเพิ่มจำนวนแผ่นหรือเลือกแผ่นที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะที่มากขึ้น ตัวอย่างเช่น เมื่อตัวกลางเปลี่ยนจากน้ำเป็นน้ำมันเครื่อง (การนำความร้อนต่ำ) จำนวนเพลตจะต้องเพิ่มขึ้น 30%–50% เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการถ่ายเทความร้อน นอกจากนี้ มุมลอนของแผ่นยังส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อนและแรงดันตกด้วย มุมลอนที่ใหญ่ขึ้น (60°) สามารถปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนได้ แต่แรงดันตกคร่อมจะมีมากขึ้น มุมลอนที่เล็กลง (30°) สามารถลดแรงดันตกคร่อมได้ แต่ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจะต่ำกว่า การเปลี่ยนแปลงระดับปานกลางจำเป็นต้องปรับสมดุลการถ่ายเทความร้อนและแรงดันตกโดยการปรับมุมลอน

เมื่อตัวกลางผ่านการเปลี่ยนเฟส (เช่น การควบแน่นของไอน้ำ) จำเป็นต้องเลือกประเภทเพลตที่เหมาะสมสำหรับการถ่ายเทความร้อนด้วยการเปลี่ยนเฟส ตัวอย่างเช่น การถ่ายเทความร้อนจากการควบแน่นต้องใช้แผ่นที่มีพื้นผิวเรียบและช่องการไหลขนาดใหญ่ เพื่ออำนวยความสะดวกในการปล่อยของเหลวที่ควบแน่น และหลีกเลี่ยงการสะสมฟิล์มของเหลว การถ่ายเทความร้อนจากการกลายเป็นไอต้องใช้แผ่นที่มีช่องทางการไหลสม่ำเสมอเพื่อให้แน่ใจว่าตัวกลางได้รับความร้อนอย่างสม่ำเสมอและป้องกันความร้อนสูงเกินไปในท้องถิ่น นอกจากนี้ สื่อการเปลี่ยนเฟสจำเป็นต้องมีการออกแบบช่องทางการไหลแบบหลายรอบเพื่อขยายเวลาการคงอยู่ของตัวกลางใน PHE และปรับปรุงประสิทธิภาพการเปลี่ยนเฟส

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดันยังส่งผลต่อความหนาของแผ่นอีกด้วย อุณหภูมิสูงและความดันสูงต้องใช้แผ่นที่หนาขึ้นเพื่อให้มั่นใจถึงความแข็งแรงทางกล ตัวอย่างเช่น เมื่อแรงดันใช้งานเพิ่มขึ้นจาก 1.6 MPa เป็น 4.0 MPa ความหนาของแผ่นเพลทจะต้องเพิ่มจาก 0.5 มม. เป็น 0.8–1.0 มม. นอกจากนี้ ตัวกลางที่มีอุณหภูมิสูงจำเป็นต้องใช้เพลตที่มีค่าการนำความร้อนที่ดี เพื่อลดความเครียดจากความร้อน เช่น แผ่นโลหะผสมทองแดงหรือแผ่นไทเทเนียม

เมื่อตัวกลางประกอบด้วยอนุภาคของแข็งหรือสิ่งเจือปน จำเป็นต้องเลือกประเภทเพลตที่มีช่องการไหลกว้างและทำความสะอาดง่ายเพื่อหลีกเลี่ยงการอุดตันของช่องการไหล ตัวอย่างเช่น สื่อที่มีอนุภาคของแข็งควรเลือกแผ่นที่มีความกว้างของช่องการไหลมากกว่า 4 มม. และพื้นผิวแผ่นควรเรียบเพื่อลดการสะสมของอนุภาค นอกจากนี้ควรออกแบบทิศทางการไหลของตัวกลางให้เป็นกระแสทวนเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนและลดการสะสมของอนุภาค สำหรับสื่อที่มีแนวโน้มเกิดการเปรอะเปื้อนอย่างรุ