อัตราส่วนพิทช์ของเม็ดมีดเทปบิดเกลียวส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อนในท่อ PTFE อย่างไร

เทปพันเกลียวที่วางอยู่ภายในท่อ PTFE จะสร้างกระแสน้ำวนซึ่งจะเป็นการเพิ่มการส่งผ่านความร้อน ระดับของการหมุนวนนี้และข้อดีข้อเสียด้านประสิทธิภาพที่ได้รับจะถูกควบคุมโดยตรงโดยอัตราส่วนพิทช์ของการบิด ซึ่งแสดงเป็นความแน่นของการบิด

Pitch Ratio ในส่วนแทรกเทปบิดคืออะไร
อัตราส่วนระยะพิทช์คืออัตราส่วนของความยาวที่จำเป็นในการบิด 360 องศาเต็มหนึ่งครั้ง (ความยาวระยะพิทช์) กับความกว้างของเทป ตัวอย่างเช่น เทปที่หมุนครบหนึ่งรอบในระยะทางเท่ากับความกว้างของเทป จะมีอัตราส่วนของระดับเสียงที่ 1 หากเทปพันจนสุดความยาวห้าเท่าของความกว้าง อัตราส่วนของระดับเสียงจะเท่ากับ 5 อัตราส่วนของระดับเสียงที่ต่ำ=การหมุนที่แน่นและรุนแรงมาก อัตราส่วนพิตช์สูง=บิดหลวมและนุ่มนวลกว่า

ในความเป็นจริง เทปพันเกลียวสำหรับท่อ PTFE ถูกสร้างขึ้นจาก PTFE หรือ PFA (เปอร์ฟลูออโรอัลคอกซีอัลเคน) เพื่อให้มั่นใจถึงความเข้ากันได้ทางเคมีอย่างสมบูรณ์กับของเหลวในกระบวนการที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง สิ่งนี้รับประกันว่าจะไม่มีการปนเปื้อนของโลหะหรือปัญหาการกัดกร่อนของกัลวานิก แม้ว่าจะมีกรด ตัวทำละลาย หรือตัวกลางบริสุทธิ์พิเศษก็ตาม

ผลกระทบของอัตราส่วนพิทช์ต่อการหมุนวนและการถ่ายเทความร้อน
เมื่อของไหลไหลผ่านท่อที่มีเทปพันเกลียว เทปจะดันกระแสน้ำให้เป็นไปตามรูปแบบเกลียว การหมุนวนนี้สร้างแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ที่ขับเคลื่อนของไหลที่หนักกว่าเข้าหาผนังท่อ ดังนั้นจึงทำให้ชั้นขอบเขตความร้อนบางลงอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งสอดคล้องกับค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนที่มากขึ้นหรือค่า Nusselt ที่สูงขึ้น

อัตราส่วนของระยะพิทช์มีหน้าที่โดยตรงต่อความแรงของการหมุนวน องค์ประกอบความเร็ววงสัมผัสที่แรงกว่านั้นเกิดจากการบิดตัวที่แน่นขึ้น (อัตราส่วนพิทช์ที่ต่ำกว่า เช่น . 2) การปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนมักจะแสดงเป็นอัตราส่วนของตัวเลข Nusselt ที่มีส่วนแทรกต่ออัตราส่วนของท่อธรรมดาสามารถสูงถึง 150% หรือมากกว่า อย่างไรก็ตาม การหมุนอย่างรวดเร็วนี้ยังนำไปสู่แรงเสียดทานของของไหลที่สูงขึ้นอย่างมาก ซึ่งนำไปสู่แรงดันตกที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งมักจะอยู่ในช่วง 200-600 % เมื่อเทียบกับท่อเปล่า

ในทางกลับกัน การบิดแบบหลวมๆ (อัตราส่วนระดับเสียงที่สูงกว่า เช่น . 5 หรือ 6) จะให้เสียงวนที่นุ่มนวลยิ่งขึ้น การปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนค่อนข้างปานกลาง-โดยทั่วไปจะสูงกว่าค่าท่อธรรมดาถึง 50-80% แต่ค่าปรับแรงดันตกจะน้อยกว่าตามสัดส่วน ซึ่งมักจะสูงกว่าเพียง 100-200%

อัตราส่วนพิทช์ของเทปบิดและประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของ PTFE ไม่มีความสัมพันธ์เชิงเส้น{0}} การลดอัตราส่วนพิทช์จาก 6 เป็น 2 ส่งผลให้ทั้งการถ่ายเทความร้อนและแรงเสียดทานเพิ่มขึ้นอย่างไม่เป็นสัดส่วน ดังนั้นอัตราส่วนพิทช์ที่เหมาะสมจึงไม่ใช่ตัวเลขที่กำหนดไว้ แต่ขึ้นอยู่กับกำลังสูบที่ยอมรับได้และหน้าที่ระบายความร้อนที่ต้องการ

คำแนะนำการออกแบบเชิงปฏิบัติสำหรับท่อ PTFE
ในกรณีของท่อ PTFE มักจะเลือกอัตราส่วนพิทช์ที่ 3 ถึง 5 หากแรงดันตกคร่อมไม่ใช่ปัจจัยจำกัด ช่วงนี้แสดงถึงการประนีประนอมที่ดี: การเพิ่มขึ้นของค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนประมาณ 80-120% โดยมีแรงดันตกคร่อมเพิ่มขึ้น 200-350% โดยทั่วไปค่าเหล่านี้สามารถยอมรับได้ในการใช้งานกระบวนการทางเคมีส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อท่อมีความยาวปานกลาง (เช่น เปลือกและท่อ หรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์แบบจุ่ม)

ควรสังเกตว่าตัวท่อ PTFE เองมีค่าการนำความร้อนค่อนข้างต่ำ (ca. 0.25 W/mK) โดยทั่วไปความต้านทานความร้อนหลักจะอยู่ที่ผนังท่อหรือฟิล์มของเหลวด้านใน การใช้เทปพันเกลียวที่มีอัตราส่วนพิทช์เพียงพอสามารถลดความต้านทานของฟิล์มภายในได้อย่างมาก และด้วยเหตุนี้จึงย้ายความต้านทานการควบคุมไปยังอีกด้านหนึ่งของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ทำให้การออกแบบเต็มรูปแบบมีความสมดุลและคุ้มค่ามากขึ้น

อาจเลือกอัตราส่วนพิทช์สูงที่ 6 ถึง 8 สำหรับการใช้งานที่แรงดันตกคร่อมมีข้อจำกัดสูง เช่น ระบบป้อนแรงโน้มถ่วง-หรือเครื่องทำความร้อนแก๊สแรงดันต่ำ- ซึ่งให้การหมุนวนที่เพียงพอเพื่อจำกัดการไหลแบบราบเรียบและเพิ่มการผสมในแนวรัศมี แต่ค่าปรับจากการเสียดสียังคงสามารถทนได้

อีกทางหนึ่ง อาจเลือกอัตราส่วนพิทช์ที่ 2 ต่อ 3 หากจำเป็นต้องมีการถ่ายเทความร้อนสูงสุด โดยไม่คำนึงถึงการสูญเสียแรงดัน (เช่น ในการให้ความร้อนที่มีความหนืดสูง หรือในกรณีที่ต้นทุนการสูบไม่มีนัยสำคัญ) ในกรณีเช่นนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสามารถเพิ่มขึ้นได้มากถึง 150% ผู้ออกแบบต้องแน่ใจว่าปั๊มหรือโบลเวอร์สามารถให้แรงดันที่สูงกว่าได้

ข้อควรพิจารณาทางวิศวกรรมเพิ่มเติม
ความยาวทางเข้าการระบายความร้อนจะลดลงอีกด้วยการใส่เทปบิดเกลียวในท่อ PTFE ทำให้เกิดพฤติกรรมที่คล้ายกับกระแสปั่นป่วน-อย่างสมบูรณ์แม้ที่ตัวเลข Reynolds ต่ำ (Re < 2000) สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการไหลที่ซบเซาหรือในท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กซึ่งความปั่นป่วนที่แท้จริงจะต้องใช้ความเร็วการไหลที่ไม่สามารถทำได้

คุณต้องพิจารณาเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนในการผลิต สาร PTFE มีความยืดหยุ่นมากกว่า ซึ่งทำให้ยากต่อการพันเทปให้แน่น (อัตราส่วนพิทช์ต่ำ) สำหรับอัตราส่วนพิทช์ที่ต่ำมาก (ต่ำกว่า 2.5) โดยทั่วไป PFA มักนิยมใช้เนื่องจากมีความแข็งสูงกว่าและคงรูปทรงบิดได้ดีกว่าที่อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

อัตราส่วนระยะห่างยังส่งผลต่อการทำความสะอาดและบำรุงรักษาอีกด้วย เทปที่มีอัตราส่วนพิทช์ต่ำมาก (บิดแน่น) มีแนวโน้มที่จะสะสมอนุภาคได้ง่ายกว่าและยากต่อการถอดเพื่อทำความสะอาด โดยส่วนใหญ่ อัตราส่วนพิทช์ที่ 4 ขึ้นไปจะทำให้มีเส้นทางตามแนวแกนเปิดเพียงพอสำหรับของเสียจะผ่านหรือสำหรับใส่พิกทำความสะอาด

สรุป
อัตราส่วนพิทช์ของส่วนแทรกเทปบิดเป็นคันโยกการออกแบบหลักในการควบคุมการส่งผ่านความร้อนจากการแลกเปลี่ยนแรงดันตก-ในท่อ PTFE การหมุนวนที่รุนแรงและการปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนสูง-นั้นได้มาจากอัตราส่วนพิตช์ที่ต่ำกว่า (การบิดที่แน่นขึ้น) ในราคาที่สูญเสียแรงเสียดทานเพิ่มขึ้นอย่างมาก อัตราส่วนระดับเสียงที่สูงขึ้น (การบิดที่หลวมกว่า) ส่งผลให้มีความนุ่มนวลและประหยัดพลังงานมากขึ้น- อัตราส่วนพิทช์ระหว่าง 3 ถึง 5 ให้ความสมดุลที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานการจัดการของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนส่วนใหญ่ การปรับปรุงรูปร่างของเม็ดมีดให้เหมาะสม รวมถึงอัตราส่วนพิทช์ยังคงเป็นปัจจัยสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน โดยไม่กระทบต่อความเข้ากันได้ทางเคมีหรือความสมบูรณ์ของวัสดุ