การใช้ส่วนแทรกเทปบิดที่ทำจากวัสดุนำไฟฟ้า (เช่น โลหะ) ส่งผลต่อประสิทธิภาพเทียบกับส่วนแทรก PTFE อย่างไร

เป็นเทปตีเกลียว PTFE แบบธรรมดาที่ส่งเสริมการถ่ายเทความร้อนโดยการหมุนการไหล เทปโลหะก็ทำเช่นเดียวกัน แต่ยังส่งความร้อนจากผนังท่อเข้าสู่ตัวมันเองด้วย โดยทำหน้าที่เป็นครีบภายในเป็นหลัก สิ่งนี้นำไปสู่การเพิ่มประสิทธิภาพการหมุนเวียนมากกว่าสื่อกระแสไฟฟ้า

กลไกสองประการของการแทรกเทปบิด
การใส่เทปพันเกลียวในวัสดุใดๆ ก็ตามจะสร้างช่องทางการไหลแบบขดลวดภายในท่อ การหมุนวนที่เกิดขึ้นจะทำให้เกิดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ที่ดันของไหลเข้าหาผนังท่อ ส่งผลให้ชั้นขอบเขตความร้อนบางลง และเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนของการพาความร้อน กลไกการหมุนเพียงอย่างเดียวนี้สามารถเพิ่มจำนวน Nusselt ได้ 100-150% เหนือท่อเปล่า ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของพิทช์

เอฟเฟกต์ครีบเพิ่มเติมจะปรากฏขึ้นหากตัวเทปเป็นวัสดุนำความร้อน (เช่น สแตนเลส, ฮาสเตลลอย, ไทเทเนียม, โลหะผสมทองแดง) เทปสัมผัสโดยตรงกับผนังท่อ (โดยปกติจะเป็นแบบสปริงหรือแบบที่มีการรบกวนเล็กน้อย) ความร้อนจะไหลเข้าสู่เทปจากผนังร้อน และตัวเทปทั้งหมดจะถูกให้ความร้อน จากนั้นเทปจะส่งพลังงานที่เก็บไว้ไปยังของไหลที่ไหลผ่านจากพื้นผิวกว้างทั้งสอง ซึ่งจะทำให้ส่วนตัดขวางของท่อ-มีพื้นที่ถ่ายเทความร้อนเพิ่มขึ้น เช่น ครีบตามยาวภายใน

ประสิทธิภาพของเทปนำไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้า
เทปบิดเกลียวของวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้า- เช่น PTFE หรือ PFA สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการหมุนวนของการพาความร้อนเพียงอย่างเดียว PTFE มีค่าการนำความร้อนต่ำมาก (ประมาณ. 0.25 W/mK) ดังนั้นจึงแทบไม่มีการถ่ายเทความร้อนจากผนังไปยังเทป เทปจะคงอยู่ที่อุณหภูมิของเหลวในพื้นที่โดยประมาณ และไม่ส่งผลต่อครีบ

ในทางกลับกัน เทปพันเกลียวโลหะอาจมีค่าการนำความร้อนตามลำดับความสำคัญที่สูงกว่า เหล็กกล้าไร้สนิม (~15 วัตต์/เมตร·K) แฮสเตลลอย (~10 วัตต์/เมตร·K) หรือทองแดง (~400 วัตต์/เมตร·K) ด้วยการรักษาหน้าสัมผัสความร้อนที่ดีระหว่างเทปและผนังท่อ ข้อได้เปรียบด้านสื่อไฟฟ้าจึงช่วยเพิ่มการถ่ายเทความร้อนโดยรวมได้อย่างมาก ในการจัดเรียงท่อ PTFE ที่มีเทปพันเกลียวนำไฟฟ้า เอฟเฟกต์หมุนวนบวกครีบมักจะเพิ่มการถ่ายเทความร้อนเพิ่มเติมที่ 20-30% เหนือเทปที่ไม่นำไฟฟ้าภายใต้สถานการณ์การไหลเดียวกัน

สำหรับเทปตีเกลียว PTFE เลขนัสเซลท์จะเพิ่มขึ้น 120% (2.2 เท่าของค่าในท่อเปล่า) แต่เทปโลหะที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีในรูปทรงเดียวกันอาจเพิ่มค่าได้ 150-170% (2.5-2.7 เท่า) อัตราขยายที่แท้จริงขึ้นอยู่กับความหนาของเทป ค่าการนำไฟฟ้าสัมผัสความร้อน และคุณลักษณะของของไหล ข้อได้เปรียบในการนำไฟฟ้าจะดีที่สุดเมื่อค่าสัมประสิทธิ์ของฟิล์มบนผนังท่อมีขนาดใหญ่อยู่แล้ว ซึ่งผลกระทบจากครีบไม่ได้ถูกจำกัดด้วยความต้านทานของส่วนต่อประสานของเทปติดผนัง

ประเด็นสำคัญ: หน้าสัมผัสความร้อนที่ดี
เทปโลหะควรสัมผัสความร้อนอย่างใกล้ชิดกับผนังด้านในของท่อ PTFE เพื่อให้เกิดเอฟเฟกต์ครีบ โดยทั่วไปทำได้โดยการทำให้ความกว้างของเทปใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อเล็กน้อย เพื่อให้สอดเข้ากับสปริงได้พอดี ความยืดหยุ่นที่แท้จริงของเทปโลหะ (หรือการบิดขนาดใหญ่พิเศษเล็กน้อย) จะดันขอบเทปเข้ากับผนังท่อ อย่างไรก็ตาม การที่รัดแน่นเกินไป-อาจทำให้ท่อ PTFE เสียหายหรือทำให้ไม่สามารถใส่เข้าไปได้ ความพอดีที่หลวมเกินไปทำให้เกิดช่องว่างอากาศซึ่งเป็นฉนวนความร้อนที่ดีและช่วยลดผลกระทบของครีบ

ในทางปฏิบัติ เทปพันเกลียวโลหะสำหรับท่อ PTFE มักผลิตขึ้นโดยมีความกว้าง 0.95 ถึง 1.00 ของ ID ของท่อ โดยใช้รูปทรงเกลียวเพื่อให้หน้าสัมผัสแบบจุด แทนที่จะเป็นหน้าสัมผัสแบบเต็มเส้น พื้นที่สัมผัสจริงมีจำกัด และประสิทธิภาพครีบลดลง แต่แม้ในขณะที่หน้าสัมผัสเป็นเพียงบางส่วน ค่าการนำไฟฟ้าก็เพิ่มขึ้นเล็กน้อย เนื่องจากเทปจะรับความร้อนที่บริเวณหน้าสัมผัสและพาไปตามความยาว การออกแบบที่ซับซ้อนมากขึ้นใช้เทปที่หนาขึ้นหรือขอบพับเพื่อปรับปรุงพื้นที่สัมผัส

ความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนและการปนเปื้อน
ความเสี่ยงหลักประการหนึ่งที่ต้องควบคุมคือการกัดกร่อนของกัลวานิกและการปนเปื้อนของโลหะ แม้ว่าตัวเทปโลหะจะถูกเลือกให้เข้ากันได้กับของเหลวในกระบวนการ (เช่น Hastelloy C-276 สำหรับคลอไรด์ที่มีฤทธิ์รุนแรง หรือไทเทเนียมสำหรับกรดออกซิไดซ์) การใส่ส่วนประกอบที่เป็นโลหะภายในท่อ PTFE ทำให้เกิดความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้นได้สองสถานการณ์

ขั้นแรก หากของเหลวในกระบวนการกัดกร่อนโลหะที่อุณหภูมิใช้งาน เทปก็จะสึกกร่อนอย่างช้าๆ ผลิตภัณฑ์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (ไอออนของโลหะหรืออนุภาค) สามารถซึมเข้าไปในของเหลวและปนเปื้อนในผลิตภัณฑ์ได้ สิ่งนี้ไม่เหมาะสมในการใช้งานทางเภสัชกรรม อาหาร หรือสารเคมีบริสุทธิ์พิเศษ- จุดรวมของท่อ PTFE มักจะหลีกเลี่ยงการสัมผัสกับโลหะเลย การใช้เทปโลหะขัดต่อจุดประสงค์ดังกล่าว

ประการที่สอง แม้ว่าเทปจะทนทานต่อการกัดกร่อน แต่ก็ยังสามารถสร้างกัลวานิกคูเปอร์ได้หากมีส่วนประกอบที่เป็นโลหะอื่นอยู่ในระบบ (เช่น แผ่นท่อโลหะ ใบพัดปั๊ม หรือวาล์วดาวน์สตรีม) ตราบใดที่ไม่สัมผัสกับวัตถุที่เป็นโลหะภายนอกใดๆ เทปก็จะถูกหุ้มฉนวนไฟฟ้า - ท่อ PTFE ก็เป็นฉนวนไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม หากเทปสัมผัสกับข้อต่อปลายที่เป็นโลหะ หรือหากของไหลที่ใช้เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า (เช่น อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำ) วงจรกัลวานิกอาจถูกสร้างขึ้นผ่านของไหล โลหะมีตระกูลมากกว่า (เช่น ไทเทเนียม) อาจส่งเสริมการกัดกร่อนของโลหะมีตระกูลน้อยกว่า (เช่น เหล็กกล้าคาร์บอน) ที่บริเวณอื่นๆ ในระบบ

เมื่อใดจึงควรใช้เทปโลหะกับเทปบิดเกลียว PTFE
ขึ้นอยู่กับลำดับความสำคัญของการใช้งาน ทางเลือกคือระหว่างเทปโลหะนำไฟฟ้าหรือเทป PTFE ที่ไม่{0}}นำไฟฟ้า

เมื่อใดควรใช้เทปพันเกลียวโลหะ:

ของไหลในกระบวนการไม่-กัดกร่อนโลหะที่เลือก (เช่น น้ำปราศจากไอออน ตัวทำละลายอินทรีย์ชนิดอ่อน น้ำเกลือที่เป็นกลาง)

ต้องการการส่งผ่านความร้อนสูงสุดต่อหน่วยความยาว กำลังสูบมีจำกัดอยู่แล้ว

อนุญาตให้ใช้ความเข้ากันได้ของของไหลและการปนเปื้อนของผลิตภัณฑ์ไม่เป็นปัญหา (เช่น ที่ไม่ใช่-เคมีอุตสาหกรรมทางเภสัชกรรม)

สามารถสัมผัสความร้อนได้ดีโดยไม่ทำให้ท่อ PTFE เสียหาย

เลือกเทปบิดเกลียว PTFE หรือ PFA สำหรับ:

ของเหลวในกระบวนการมีฤทธิ์กัดกร่อนมาก (กรดแก่ ด่าง ฮาโลเจน สารออกซิไดซ์)

หลีกเลี่ยงการปนเปื้อนด้วยไอออนของโลหะ (การสังเคราะห์ API ทางเภสัชกรรม, การทำความเย็นเซมิคอนดักเตอร์, การแปรรูปอาหาร)

อุณหภูมิในการทำงานเกินขีดจำกัดการกัดกร่อนของโลหะผสมที่มีอยู่ แต่ต่ำกว่า 110 องศา (PTFE) หรือ 260 องศา (PFA)

ความเรียบง่ายและความเฉื่อยทางเคมีที่ได้รับการพิสูจน์แล้วมีมากกว่าการปรับปรุงประสิทธิภาพของเทปโลหะถึง 20-30%

สำหรับบริการที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง แม้ว่าการสูญเสียผลกระทบจากครีบ เทป PTFE หรือ PFA จะถูกนำมาใช้เนื่องจากความน่าเชื่อถือและความบริสุทธิ์ที่มอบให้นั้นไม่สามารถ-ต่อรองได้

สรุปประสิทธิภาพของเทปแบบนำไฟฟ้าและแบบไม่นำไฟฟ้า-
พารามิเตอร์ เทป PTFE (ไม่{0}}นำไฟฟ้า) เทปโลหะ (นำไฟฟ้า)
กลไกการถ่ายเทความร้อนเพียงแค่หมุน Swirl + ครีบกระแทก
การเสริม Nu ทั่วไป (เหนือหลอดเปล่า)100‑150% 130‑180%
ได้พิเศษจากการนำไฟฟ้า - +20-30 % เมื่อเทียบกับเทป PTFE
ข้อกำหนดด้านการสัมผัสความร้อน ไม่มีข้อมูล (ไม่มีการกระแทกที่ครีบ) จำเป็นต้องมีสปริง - ที่สำคัญ
ความเสี่ยงต่อการกัดกร่อน ไม่มี (เฉื่อยกับสารเคมีทุกชนิดได้ถึง 110 องศา ) ขึ้นอยู่กับความเข้ากันได้ของของไหล-ของโลหะ
ความเสี่ยงของการปนเปื้อนของโลหะไม่มีความเป็นไปได้ (การกัดกร่อนหรือการสึกหรอ)
อุณหภูมิสูงสุด 110 องศา (PTFE); 260 องศา (PFA) ขึ้นอยู่กับโลหะผสม (เช่น สแตนเลส 400 องศา)
ต้นทุนปานกลาง (PTFE อัด) สูงกว่า (กลึงโลหะหรือประทับตรา)
ตัวอย่างการทำงาน: การให้ความร้อนแก่กระแสน้ำที่เป็นกลาง
สมมติว่าใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE เพื่อให้ความร้อนแก่กระแสน้ำที่ปราศจากคลอไรด์{0}}ที่เป็นกลางตั้งแต่ 20 องศาถึง 60 องศา การหมุนวนเพียงอย่างเดียวจะปรับปรุงการส่งผ่านความร้อนด้วยการใส่เทปพันเกลียว PTFE สามารถใช้เอฟเฟ็กต์ครีบได้โดยแทนที่ด้วยเทปบิดเกลียวที่ทำจากสแตนเลส 316 ซึ่งติดตั้งให้เข้ากับผนังท่ออย่างเหมาะสม ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมสามารถเพิ่มจาก 150 W/m²·K เป็น 190 W/m²·K (27%) ของเหลวไม่-กัดกร่อนสแตนเลสที่ 60 องศา และไม่ทำให้เกิดการชะล้างโลหะมากนัก การเพิ่มประสิทธิภาพทำให้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนลดลงหรืออัตราการไหลลดลงสำหรับหน้าที่เดียวกัน

ในการใช้งานเดียวกัน แต่น้ำเกลือที่เป็นกรดเล็กน้อย (pH 4, 1,000 ppm คลอไรด์) สแตนเลส 316 อาจเกิดการกัดกร่อนแบบรูพรุน ค่าใช้จ่ายจะสูงมาก โดยต้องใช้เทป Hastelloy C-276 อีกทางเลือกหนึ่งคือเลือกใช้เทป PTFE ที่มีประสิทธิภาพถูกกว่าซึ่งหลีกเลี่ยงปัญหาการกัดกร่อนโดยสิ้นเชิง

สรุป
ด้วยการใช้เทปบิดเกลียวโลหะบนเทปพลาสติก อาจได้รับเอฟเฟกต์ครีบที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนได้ประมาณ 20-30% อย่างไรก็ตาม ประโยชน์นี้จะเกิดขึ้นเมื่อรักษาการสัมผัสทางความร้อนกับผนังท่อได้ดีเท่านั้น และที่สำคัญกว่านั้นคือถ้าโลหะเข้ากันได้อย่างสมบูรณ์กับของไหลในกระบวนการ สำหรับการปฏิบัติงานที่ละเอียดอ่อน เช่น การสังเคราะห์ทางเภสัชกรรมหรือกระบวนการทางเคมีที่มีความบริสุทธิ์สูง ประโยชน์ของความร้อนจะถูกบดบังด้วยความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนหรือการปนเปื้อนของโลหะ การเลือกวัสดุสำหรับอุปกรณ์เพิ่มประสิทธิภาพควรระมัดระวังเช่นเดียวกับตัวแลกเปลี่ยน สำหรับบริการที่ไวต่อการกัดกร่อนหรือความบริสุทธิ์ ความเฉื่อยของเทป PTFE หรือ PFA ยังคงเป็นตัวเลือกที่เหนือกว่า แม้ว่าจะไม่เกิดผลกระทบจากครีบก็ตาม