ท่อ PTFE แบบบุ๋มหรือแบบลูกฟูกปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนโดยไม่ต้องแทรกเพิ่มเติมได้อย่างไร

รอยบุ๋ม ลอน หรือเกลียวสามารถผลิตได้โดยตรงบนตัวท่อ แทนที่จะต้องเพิ่มอุปกรณ์แยกต่างหาก องค์ประกอบที่ผสานรวมกันเหล่านี้ช่วยขัดขวางการไหลและเพิ่มการส่งผ่านความร้อน โดยไม่เสี่ยงที่เม็ดมีดจะหลวมหรือสร้างสิ่งกีดขวาง

เหตุใดจึงต้องพิจารณาการปรับปรุงแบบพาสซีฟด้วยเรขาคณิตของท่อ
ในกระบวนการทางเคมีและเภสัชกรรมหลายๆ กระบวนการ ความน่าเชื่อถือของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีความสำคัญพอๆ กับประสิทธิภาพการระบายความร้อน วิธีการปรับปรุงแบบดั้งเดิม เช่น เทปพันเกลียวหรือขดลวดแทรก มีส่วนประกอบภายในที่เสี่ยงต่อการเคลื่อนตัว ความล้า หรือบริเวณที่เปรอะเปื้อน อีกวิธีหนึ่งคือการปรับเปลี่ยนผนังท่อเอง ท่อ PTFE แบบบุ๋มหรือลูกฟูกมีความขรุขระของพื้นผิวหรือเป็นคลื่นซึ่งอยู่ภายในท่อ การไม่มีชิ้นส่วนที่ชัดเจนหมายความว่าโอกาสที่จะเกิดความล้มเหลวทางกลไก การติดกับดักของเม็ดมีด หรือการอุดตันของการไหลจะลดลงเกือบหมด

วิธีการนี้น่าสนใจเป็นพิเศษในการจัดการกับของเหลวที่มีของแข็งแขวนลอย สารละลายที่เป็นผลึก หรือตัวกลางที่มีแนวโน้มที่จะเกิดปฏิกิริยาโพลีเมอร์ไรเซชัน สำหรับการใช้งานที่มีความต้องการสูงดังกล่าว จะใช้ท่อภายในเรียบที่มีรอยบุ๋มหรือลูกฟูกเพื่อสร้างความปั่นป่วนโดยไม่มีรอยแยกที่อาจสะสมเศษซากได้

รอยบุ๋มและรอยย่นมายุ่งกับการไหลอย่างไร
ท่อ PTFE แบบบุ๋มหรือลูกฟูกเป็นท่อที่มีการเยื้องหรือรอยบุ๋มเป็นระยะ ๆ หรือการสลับของการขยายและการหดตัวหรือการลอนตามความยาว เมื่อของไหลไหลผ่านความแตกต่างทางเรขาคณิตเหล่านี้ ชั้นขอบเขตที่อยู่ติดกับผนังจะหยุดชะงักอย่างต่อเนื่องและ-ถูกสร้างขึ้นใหม่ กระแสน้ำวนหมุนวนจะถูกหลั่งออกมาด้านหลังรอยบุ๋มหรือสันลอนแต่ละอันเพื่อกระตุ้นให้เกิดการผสมในแนวรัศมีระหว่างของเหลวในแกนกลางและบริเวณผนัง การผสมจะทำให้ชั้นขอบเขตความร้อนบางลงอย่างมีประสิทธิภาพ และด้วยเหตุนี้จึงช่วยเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน

กลไกการเสริมประสิทธิภาพแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากกลไกการแทรกเทปบิด เทปพันเกลียวให้การหมุนวนแบบขดคงที่ แต่รอยบุ๋มและรอยย่นทำให้เกิดความปั่นป่วนเป็นระยะเฉพาะที่ ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของท่อ PTFE แบบลูกฟูกรอยบุ๋มโดยทั่วไปจะอยู่ในระดับปานกลางมากกว่า - ในช่วงการปรับปรุง 20‐60% เมื่อเทียบกับท่อแบบเรียบ - แต่มีแรงดันตกคร่อมเพิ่มขึ้นเล็กน้อยตามสัดส่วน โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 30‐100%

ในทางปฏิบัติ คุณสามารถตั้งค่าพารามิเตอร์ทางเรขาคณิต (ความลึกของรอยบุ๋ม ระยะพิทช์ของรอยลอน และความสูงของลอน) ให้เปลี่ยน-ระหว่างค่าการถ่ายเทความร้อนและการสูญเสียแรงเสียดทาน ลอนที่มีระยะพิทช์สั้นกว่าหรือรอยบุ๋มที่ลึกกว่าจะทำให้เกิดความปั่นป่วนที่ทรงพลังกว่า แต่ยังให้ความต้านทานที่มากกว่าอีกด้วย รูปแบบที่ยาวขึ้นและตื้นขึ้นจะทำให้กระแสน้ำนุ่มนวลขึ้นพร้อมกับมีแรงขับปานกลางมากขึ้น

ข้อดีของเม็ดมีดแบบแยก
ท่อ PTFE แบบบุ๋มหรือลูกฟูกมีข้อดีในทางปฏิบัติหลายประการเหนือเทปบิดหรือส่วนที่หลวมอื่นๆ:

การก่อตัวของรูปทรงเม็ดมีดอย่างต่อเนื่องในผนังท่อ ไม่มีความเสี่ยงที่เม็ดมีดจะเคลื่อนตัว: ไม่มีโอกาสที่เม็ดมีดจะเลื่อนไปตามกระแสน้ำ ทำให้ปลายท่อได้รับบาดเจ็บ หรือสัมผัสกับแผ่นท่อ

ไม่มีความต้านทานการสัมผัสเพิ่มเติม: เมื่อใช้เม็ดมีดแยกต่างหาก ความต้านทานการสัมผัสความร้อนจะอยู่ระหว่างเม็ดมีดกับผนังท่อ ไม่มีการต้านทานเพิ่มเติมเนื่องจากไม่มีส่วนต่อประสานกับรอยบุ๋มหรือรอยย่นในตัว

ตรวจสอบและทำความสะอาดได้ง่าย ภายในท่อลูกฟูกยังคงเป็นช่องเปิดที่ไม่มีสิ่งกีดขวาง โดยปกติแล้ว หมูหรือแปรงทำความสะอาดก็เพียงพอแล้ว การทำความสะอาดท่อด้วยเทปพันเกลียวอาจจำเป็นต้องถอดเม็ดมีดออก

อันตรายจากการสึกหรอทางกลลดลง: เม็ดมีดที่หมุนวนอาจทำให้เกิดการสั่นสะเทือนและการเสียดสีของผนังท่อ PTFE เมื่อเวลาผ่านไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความเร็วการไหลที่สูงขึ้น รูปทรงอินทิกรัลไม่มีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างท่อและคุณลักษณะเสริม

It should be pointed out that even for very high heat transfer enhancement objectives (>100%) การแทรกเทปแบบบิดจะดีกว่าแบบรอยบุ๋มหรือท่อลูกฟูก อย่างไรก็ตาม การออกแบบท่อรวมเป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับการใช้งานที่ยอมรับการปรับปรุงเล็กน้อยได้ และความน่าเชื่อถือถือเป็นสิ่งสำคัญสูงสุด

การประมวลผลของ PTFE
ท่อลูกฟูกและรอยบุ๋มมักใช้ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เป็นโลหะ (เช่น สแตนเลส คูเปอร์) ขั้นตอนการอัดขึ้นรูปหรือเทอร์โมฟอร์มเฉพาะบางอย่างจำเป็นสำหรับการใช้งานกับ PTFE PTFE ไม่สามารถหลอมผ่านกระบวนการเหมือนเทอร์โมพลาสติกได้ โดยทั่วไปแล้ว PTFE จะถูกอัดแบบ ram extruded หรือแบบ paste extruded สามารถใช้วิธีเจาะแบบหมุน-กับ PTFE หลังจากการเผาผนึกเพื่อให้เกิดรอยบุ๋มหรือรอยย่นที่แน่นอน หรือใช้แม่พิมพ์ที่ให้ความร้อนต่อเนื่องกันเพื่อดึงท่อ ท่อ PTFE ลูกฟูกต่อเนื่องมีจำหน่ายในท้องตลาดจากผู้ผลิตผู้เชี่ยวชาญสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็ก (ปกติคือ 6-25 มม.)

การควบคุมความหนาของผนังต้องเข้มงวดมาก ผนังอาจบางเกินไปและอาจพังทลายลงภายใต้แรงกดดันภายในที่ด้านบนของลอน ผนังอาจหนาเกินไปและความสอดคล้องของการดัดงอที่จำเป็นในการสร้างลอนที่แน่นก็ลดลง ความหนาของผนังของท่อแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE แบบลูกฟูกโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 0.8 ถึง 2.0 มม. ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางและระดับแรงดัน

ผลกระทบของระบบการไหลและการสูญเสียแรงดัน
ในการไหลแบบราบเรียบ (Re < 2000) การมีอยู่ของรอยบุ๋มและรอยย่นมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญ แม้แต่ที่ตัวเลขเรย์โนลด์สที่ต่ำ พวกมันยังกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงตั้งแต่เนิ่นๆ ไปสู่รูปแบบการไหลที่มีการควบคุม-ที่ไม่เสถียรและผสมปนเปกัน ซึ่งจะเพิ่มจำนวนนัสเซลต์ 40-80% เมื่อเทียบกับท่อเรียบ นอกจากนี้โทษของการสูญเสียแรงดันยังมีความสำคัญเนื่องจากการไหลถูกบังคับให้เร่งและลดความเร็วอย่างต่อเนื่อง

ในการไหลเชี่ยว (Re > 4000) การปรับปรุงสัมพัทธ์จะน้อยลง - บ่อยครั้ง 20-40% - เนื่องจากความปั่นป่วนตามธรรมชาติทำให้แน่ใจได้ว่าการผสมจะมีประสิทธิภาพอยู่แล้ว อย่างไรก็ตามเปอร์เซ็นต์การเพิ่มขึ้นของแรงดันที่ลดลงมีแนวโน้มที่จะลดลง ท่อที่มีรอยบุ๋มที่สร้างอย่างเหมาะสมอาจมีปัจจัยด้านประสิทธิภาพทางความร้อน (อัตราส่วนของการปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนต่อแรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้นเป็น 1/3 กำลัง) ดีกว่า 1.2 ซึ่งบ่งชี้ถึงการประหยัดพลังงานสุทธิเมื่อเปรียบเทียบกับท่อเรียบสำหรับกำลังปั๊มเท่ากัน

ตารางด้านล่างสรุปช่วงประสิทธิภาพโดยทั่วไปสำหรับท่อ PTFE แบบบุ๋มหรือลูกฟูกที่สัมพันธ์กับท่อ PTFE แบบเรียบโดยอิงตามน้ำเช่นของเหลวที่ Re=2000-5000.

พารามิเตอร์ ช่วงการปรับปรุงทั่วไป การปรับปรุงหมายเลขนัสเซลท์ (สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน) ++20% ถึง +60%
ปัจจัยแรงเสียดทาน (ความดันลดลง) เพิ่มขึ้น +30% เป็น +100%
ปัจจัยประสิทธิภาพการระบายความร้อน (η) 1.1-1.3 สรุป
ท่อ PTFE แบบบุ๋มหรือลูกฟูกเป็นวิธีง่ายๆ ในการปรับปรุงการส่งผ่านความร้อนและไว้วางใจได้ดีมาก ท่อได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อสร้างรูปทรงเรขาคณิตของพื้นผิวที่ทำลายชั้นขอบเขตและส่งเสริมการผสมในแนวรัศมี ส่งผลให้มีการถ่ายเทความร้อนเพิ่มขึ้นเล็กน้อย (20{4}}60%) โดยไม่มีโอกาสเกิดการเคลื่อนตัวของเม็ดมีด ความต้านทานต่อการสัมผัส หรือปัญหาการทำความสะอาด รูปร่างนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการใช้งานที่มีอนุภาค ผลึก หรือของเหลวที่เปรอะเปื้อน ซึ่งเม็ดมีดที่แยกจากกันอาจเป็นปัญหาได้ รูปทรงของท่อยังคงเป็นส่วนสำคัญในการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อน และด้วย PTFE รูปร่างที่มีรอยบุ๋มหรือลูกฟูกจึงให้การผสมผสานที่น่าดึงดูดระหว่างประสิทธิภาพ ความสามารถในการทำความสะอาด และความยืดหยุ่นที่ยาวนาน