Counter current Heat Exchanger ในสิ่งมีชีวิต
ใน chemical process นั้น unit operation นึงที่สำคัญมากๆเลยก็คือ heat exchanger (HX) หน้าที่ของมันคือควบคุมอุณหภูมิของ process stream ให้เป็นไปอย่างที่เราต้องการ นั่นคืออุ่นสายเย็นให้ร้อนขึ้น หรือหล่อเย็นสายร้อนให้เย็นลง ปรับอุณหภูมิของสารเพื่อให้เหมาะสมกับการทำงานของ downstream unit ถัดไป
หลักการทำงานของ Heat exchanger นั้น มีความต่างของอุณหภูมิ (temp difference; ΔT) เป็นตัวขับเคลื่อน (driving force) พูดง่ายๆก็คือถ้าอุณหภูมิสายร้อนกับอุณหภูมิสายเย็นที่มาแลกเปลี่ยนความร้อนกันต่างกันมากๆ ความร้อนก็จะถ่ายโอนจากสายร้อนเข้าสู่สายเย็นได้เร็วด้วย (พูดถึงปริมาณความร้อนที่ถูกถ่ายโอนต่อพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อน 1 หน่วยในหนิ่งหน่วยเวลา, Q= UAΔT)
counter current flow and co-current flow heat transfer
Heat exchanger นั้นแบ่งหยาบๆเป็น
(1) counter current flow กับ
(2) co-current flow
Counter current flow คือสายร้อนกับสายเย็นวิ่งสวนทางกัน สายนึงวิ่งเข้า อีกสายนึงวิ่งออก ขณะที่ co-current flow คือทั้งสายร้อนและสายเย็นวิ่งเข้ามาแล้วไหลไปในทิศเดียวกัน
โดยทั่วไปแล้วในโรงงานอุตสาหกรรมมักจะเจอ HX แบบ counter current flow เสียเป็นส่วนใหญ่เหตุผลก็คือ counter current flow จะให้ ΔT ที่มากตลอดทั้งช่วงที่ของไหลสองสายแลกเปลี่ยนความร้อนกัน ดังนั้นเมื่อ ΔT มาก ความร้อนก็จะถูกดันส่งไปได้มากด้วย
ทำให้ counter current HX ได้เปรียบแบบ co-current เพราะ co-current นั้นแม้จะมี ΔT ที่ใหญ่กว่ามากในตอนแรก แต่เมื่อสายไหลไปได้ไม่นาน ΔT นั้นจะหดลงอย่างรวดเร็ว และปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอนได้หลังจากนั้นก็จะลดลงฮวบฮาบ ทำให้เราใช้ประโยชน์จากพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนในช่วงท้ายๆ (exchange surface area; A) ได้ไม่เต็มที่นัก
จึงทำให้ขนาดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ counter current มีขนาดที่เล็ก (compact) กว่าแบบ co-current
ในสิ่งมีชีวิตเองก็พบว่ามีระบบหมุนเวียนเลือดที่ทำงานในลักษณะ counter current HX เหมือนกัน ทว่าเหตุผลเบื้องหลังนั้นแตกต่างกัน
ในโรงงานอุตสาหกกรรมนั้น ที่เราชอบใช้เป็น counter current HX ก็เพราะมันใช้พื้นที่แลกเปลี่ยน (A) ที่น้อยกว่าแบบ co-current ในการถ่ายโอนความร้อนปริมาณที่เท่าๆกัน พื้นที่น้อยกว่าก็คือขนาดอุปกรณ์ที่กะทัดรัดกว่า กินพื้นที่จัดวางน้อยกว่า ราคาสั่งทำก็ถูกกว่าด้วย
แต่ในสิ่งมีชีวิตนั้น เหตุผลที่ระบบไหลเวียนเลือดเป็นแบบ counter current นั่นก็เพราะ..!! เป็นธรรมชาติของการที่เลือดไหลออกจากหัวใจ ไปหล่อเลี้ยงแขนขาอวัยวะ แล้วก็ต้องไหลกลับสู่หัวใจ.. มันเลยหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะเป็น counter current โดยปริยาย... //แป่ววว(“ .__.)q
แต่การที่มันเป็น counter current นี้เองก็มีคุณูปการใหญ่หลวงแถมมาด้วย นั่นก็คือออ.. ช่วย“ลดการสูญเสียความร้อนสู่สิ่งแวดล้อม” นั่นเองง!!
เพื่อให้เห็นภาพลองมาดูตัวอย่างของคุณวาฬกันดีกว่า
วาฬนั้นเป็นสัตว์เลือดอุ่น นั่นคือวาฬต้องพยายามรักษาอุณหภูมิแกนกลางของร่างกายให้คงที่ตลอดเวลาเพื่อให้ร่างกายทำงานได้อย่างปกติสุข แต่วาฬนั้นดันอาศัยอยู่ในมหาสมุทรที่เย็นเฉียบ วาฬซึ่งตัวใหญ่ (มีพื้นที่ผิวเยอะ) ก็จะเสียความร้อนให้น้ำทะเลอย่างรวดเร็ว วาฬจึงต้องมีชั้นไขมันหนาๆใต้ผิวเพื่อเป็นฉนวน คอยเก็บกักรักษาความร้อนไว้
อย่างไรก็ตามส่วนกระโดงของวาฬนั้นไม่มีชั้นไขมัน แถมยังมีลักษณะเป็น fin ซึ่งจะทำให้เสียความร้อนง่ายมากๆ ดังนั้นหากไม่ทำอะไร วาฬก็จะ (1) เสียความร้อนให้กับน้ำทะเลผ่านกระโดงเยอะมากๆ และ (2) เลือดเย็นๆที่ไหลเข้าสู่หัวใจ จะทำให้ร่างกายช็อคเอาได้
แต่ทีนี้พอมีระบบเส้นเลือดที่เป็น counter current ปุ๊บ มันช่วยแก้ปัญหาทั้งสองข้อนี้ได้ดังนี้ คือ เลือดอุ่นที่กำลังจะวิ่งไปที่กระโดงจะไหลสวนกับเลือดเย็นที่วิ่งกลับจากปลายกระโดง แล้วความร้อนบางส่วนก็จะถูก recovery ไปที่เลือดที่เย็น ทำให้ (1) อุณหภูมิของเลือดอุ่นเมื่อไปถึงปลายกระโดงแล้วจะมีอุณหภูมิต่ำลงเป็นการลด ΔT ของเลือดอุ่นกับน้ำทะเล ส่งผลให้ heat loss เกิดน้อย และ (2) เลือดดำที่วิ่งกลับสู่หัวใจถูกอุ่นให้มีอุณหภูมิพอเหมาะ ทำให้แกนกลางของร่างกายวาฬรักษาให้อุ่นไว้ได้เหมือนเดิม คุณวาฬจึงอาศัยอยู่ได้ในน้ำเย็นโดยแฮปปี้ดี :’)
Heat Recovery ที่เกิดขึ้นที่เส้นเลือดบริเวณกระโดงของวาฬ
โดยสรุป แม้จะเป็นหลักการพื้นฐานเดียวกัน แต่ในบริบทที่ต่างกัน (อุตสาหกรรม กับ สิ่งมีชีวิต) ก็ให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกัน อันนึงช่วยประหยัดเรื่องขนาดอุปกรณ์ อีกอันช่วยเรื่องการเก็บรักษาความร้อนของร่ายกาย
** ภาพหลอดเลือดในกระโดงวาฬวาดใหม่จากหนังสือ < วิทยาศาสตร์สร้างสรรค์ การใช้พลังงาน> โดย แซลลี และเอเดรียน มอร์แกน, องค์การค้าของคุรุสภา
** สามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกการแลกเปลี่ยนความร้อนในสิ่งมีชีวิตเพิ่มเติมได้จากหนังสือ < เหตุผลของธรรมชาติ > โดยชัชพล เกียรติขจรธาดา เกี่ยวกับหูช้าง ขานกกระเรียน และเหงือกปลาแซลมอน
#เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน #สิ่งมีชีวิตรักษาความร้อนไว้ได้อย่างไร
- 2
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
