ในการผลิตอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนในปัจจุบันนั้น  บริษัทผู้ผลิตได้หันมาให้ความสนใจในการเพิ่มประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน เพื่อสามารถแข่งขันและมีส่วนแบ่งการตลาด ตลอดจนทำกำไรให้ได้สูงสุด ในการผลิตอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนนั้นท่อที่ใช้มีอย่างผลมากในกระบวนการถ่ายโอนความร้อน จะเห็นได้จากผลของการศึกษาค้นคว้าด้านการถ่ายโอนความร้อนของนักวิจัยทั้งในและนอกประเทศ โดยเฉพาะในต่างประเทศได้มีการศึกษาค้นคว้ากันอย่างจริงจังทำให้เกิดบริษัทผู้ผลิตท่อที่ใช้ในงานด้านความร้อนมากมาย

.

ส่วนใหญ่ในท้องตลาดเรามักจะเห็นท่อที่มีลักษณะผิวเรียบๆ ตรงๆ แม้กระทั่งท่อทองแดงที่วางขายก็มีลักษณะเป็นท่อผิวเรียบ จึงไม่คุ้นเคยกับท่อที่มีลักษณะเป็นร่องหรือมีครีบ แต่สำหรับผู้ที่ปฏิบัติงานเกี่ยวกับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน บริษัทผู้ผลิตหรือตัวแทนจำหน่ายอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ท่อที่มีลักษณะผิวไม่เรียบ เป็นร่องหรือมีครีบก็ไม่ใช่เรื่องแปลกใหม่ แต่สำหรับช่างเทคนิค วิศวกร ตลอดจนผู้สนใจทั่วไปนั้น การทำความเข้าใจเบื้องต้นเกี่ยวกับลักษณะทางกายภาพของท่อที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมมีความสำคัญมาก เนื่องจากจะได้นำไปเป็นข้อมูลเบื้องต้นในการศึกษาหรือการทำงานต่อไปในอนาคต  ดังนั้นบทความนี้จึงจะได้กล่าวถึงลักษณะของท่อชนิดต่างๆ ที่พบบ่อย  ในการใช้งานกับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนในงานอุตสาหกรรม  เรามาติดตามกันว่าท่อลักษณะผิวที่ต่างไปจากท่อที่มีผิวเรียบที่เราคุ้นเคยนั้นมีลักษณะอย่างไรบ้าง

การถ่ายโอนความร้อนในท่อที่ใช้ในงานอุตสาหกรรม

ส่วนใหญ่ท่อที่ใช้ในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่ต้องการประสิทธิภาพสูง  บริษัทผู้ผลิตนิยมใช้ท่อที่มีการเพิ่มพื้นที่ผิว การเพิ่มพื้นที่ผิวของครีบนี้  มักนำมาใช้เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวประสิทธิผลสำหรับการถ่ายเทความร้อนด้วยการพาความร้อน  ในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนในเครื่องยนต์หรือเครื่องระบายความร้อนในโรงงานอุตสาหกรรม  ครีบจัดเป็นอุปกรณ์ที่มีบทบาทสำคัญมากอย่างหนึ่งในงานที่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน  เพราะว่าครีบจะทำหน้าที่ในการเพิ่มพื้นที่ในการระบายความร้อนให้กับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน  ทำให้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนสามารถระบายความร้อนได้มากขึ้น    ทำให้มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นมากด้วยแต่ในการติดตั้งครีบในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเป็นเรื่องที่ค่อนข้างยุ่งยากพอสมควร  เพราะว่าจำนวนครีบที่ใช้นั้นจำนวนมากและครีบมีขนาดเล็ก จากปัญหาดังกล่าวจึงมีความเหมาะสมอย่างยิ่งที่จะใช้ท่อที่มีการเพิ่มพื้นที่ผิวในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับความเหมาะสมของการใช้งานของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนว่าเป็นงานชนิดใดและจะใช้ท่อลักษณะใด

จากการศึกษาเกี่ยวกับการถ่ายโอนความร้อนตลอดจนการเพิ่มความสามารถในการถ่ายโอนความร้อน  พบว่า สำหรับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนทีมีการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางกันของของไหลหรือสารทำงานนั้น  พื้นที่ผิวในการถ่ายโอนความร้อนในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนนั้นไม่ว่าจะเป็นเป็น แบบแผ่นเรียบ(Plain heat transfer surface) หรือ แบบไม่เรียบ(Augmented heat transfer surface) ก็ตาม การถ่ายโอนความร้อนระหว่างสารทำงานกับผนังสามารถคำนวณ  ได้จากสมการดังนี้

จากสมการที่ (1) และ (2) จะเห็นได้ว่าอัตราการถ่ายเทความร้อน

จะขึ้นอยู่กับค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนระหว่างพื้นที่ผิวและสารทำงาน  แสดงให้เห็นว่าตัวแปรที่สำคัญอย่างหนึ่งในการถ่ายโอนความร้อน ก็คือ พื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างสารทำงานหรือของไหลกับผนัง

ทำให้เกิดแนวคิดในการเพิ่มความสามารถในการถ่ายโอนความร้อน เช่น

ในกรณีการเพิ่มพื้นที่ผิวนี้นั้นจะมีผิวส่วนที่มีลักษณะเรียบกับส่วนที่ไม่เรียบหรือพื้นที่ของครีบนั้นเอง  สัดส่วนระหว่างของ Plain surface กับ Augmented surface เรียกว่า อัตราส่วนการเพิ่มสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนความร้อน  สามารถคำนวณได้ดังนี้

เมื่อพิจารณาการถ่ายโอนความร้อน  ในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่สารทำงานไหลคนละช่องการไหล  อัตราการถ่ายโอนความร้อนรวม ระหว่างสารทำงานสามารถคำนวณได้ดังนี้

จากการศึกษาเกี่ยวกับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน  พบว่าการเพิ่มขีดความสามารถในการถ่ายโอนความร้อนให้กับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนนั้นทำได้โดยการทำให้ ค่า สูงขึ้น นั้นก็ต้องคือต้องทำให้เกิดพื้นที่ในการถ่ายโอนความร้อนให้มากขึ้นนั้นเอง

ชนิดและลักษณะของท่อที่มีผลต่อการถ่ายโอนความร้อน

1.ท่อแบบมีครีบด้านใน(Inner Groove Tube) ท่อชนิดนี้จะผิวด้านนอกเรียบเหมือนกับท่อทองแดงที่ใช้ในงานปรับอากาศทั่วไป  แต่จะแตกต่างตรงที่ด้านในของท่อจะมีครีบเล็กๆ เรียงชิดๆ กัน กล่าวคือมีส่วนที่ยื่นออกมาจากผิวด้านในของท่อ สามารถเห็นด้วยตาเปล่าได้ ดังแสดงในรูปที่ 1 และ 2

.

.

รูปที่ 1 แสดงลักษณะท่อทีมีครีบด้านใน

.

รูปที่ 2  รูปหน้าตัดของท่อแบบมีครีบด้านใน

2.ท่อที่ผิวร่องเกลียวหรือท่อที่ผิวเป็นลักษณะเป็นลูกฟูก (Corrugate Tube) ท่อชนิดนี้มีลักษณะที่ผิวด้านนอกเหมือนกับเกลียว ส่วนผิวด้านในมีส่วนที่ยื่นออกมาคล้ายกับท่อชนิดที่มีครีบภายใน(Inner groove Tube) แต่จะไม่ถี่เหมือนกับท่ออย่างแรก ทั้งนี้เนื่องจากนิยมนำไปใช้กับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่มีขนาดใหญ่กว่า ดังรูปที่ 3

.

รูปที่ 3 แสดงลักษณะและรูปหน้าตัดท่อที่มีร่องเกลียว

3.ท่อที่มีผิวเป็นเกลียว (Spiral Tube) ท่อชนิดนี้นั้นมีลักษณะผิวเป็นเกลียวอย่างชัดเจนทั้งภายในและภายนอกท่อ ลักษณะของเกลียวเหมือนกับสกรู ดังรูปที่ 4

.

รูปที่ 4  แสดงลักษณะและรูปหน้าตัดของท่อที่มีผิวเป็นเกลียว

4.ท่อที่ผิวเป็นร่องนูนตรงตลอดทั้งเส้น (Floral Tube)  ท่อชนิดนี้มีลักษณะของผิวที่แตกต่างไปจากท่อที่ร่องแบบอื่นๆ เนื่องจากว่าแทนที่จะมีร่องที่เอียงทำมุมกับเส้นผ่านศูนย์กลาง แต่กลับทำให้เกิดร่องนูนที่ผิวและเป็นร่องยาวไปตลอดแนวความยาวของท่อดังรูปที่ 5

.

รูปที่ 5 แสดงลักษณะและรูปหน้าตัดของท่อแบบมีผิวเป็นร่องตรง

5.ท่อที่มีผิวด้านในเป็นร่องเกลียวและมีผิวด้านนอกเป็นครีบสำหรับเครื่องควบแน่น (Turbo Fin for Evaporator) ท่อแบบที่ผิวด้านในเป็นร่องเกลียวและผิวด้านนอกนี้ส่วนมากใช้กับอุปกรณ์ควบแน่นในระบบทำความเย็น

.

รูปที่ 6 แสดงลักษณะและรูปหน้าตัดของท่อที่มีผิวด้านในเป็นร่องเกลียวและมีผิวด้านนอกเป็นครีบสำหรับอุปกรณ์ควบแน่น

6. ท่อที่มีผิวด้านในเป็นร่องเกลียวและมีผิวด้านนอกเป็นครีบสำหรับอุปกรณ์ระบายความร้อน (Turbo Fin for Condenser) เพียงท่อชนิดนี้ก็มีลักษณะเช่นเดียวกับท่อในรูปที่ 6 แตกต่างกันเพียงความถี่ของครีบด้านนอก ดังแสดงใน รูปที่ 7

.

รูปที่ 7 แสดงลักษณะและรูปหน้าตัดของท่อที่ผิวด้านในเป็นร่องเกลียวและผิวด้านนอกเป็นครีบสำหรับอุปกรณ์ระบายความร้อน

ท่อทั้ง6แบบที่กล่าวแล้วข้างต้นนั้นเป็นท่อที่มีการเพิ่มพื้นที่ในถ่ายโอนความร้อน การเพิ่มพื้นที่ผิวของท่อนี้  มักนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิผลสำหรับการถ่ายโอนความร้อน และเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้กับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน

สรุป

การใช้ท่อทั้ง 6 แบบ ในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนนั้น มีข้อดีคือ ทำให้การถ่ายโอนความร้อนเป็นไปอย่างรวดเร็ว เกิดการสูญเสียความร้อนน้อย ถึงแม้ว่าจะเกิดความดันตกคร่อมสูงกว่าท่อที่มีผิวเรียบก็ตาม แต่ก็มีความคุ้มค่าในการเลือกใช้งาน ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับว่าจะใช้กับงานประเภทใด

เอกสารอ้างอิง

1. Sadik K&Hongtan L. Heat Exchangers Selection Rating and Thermal Design.CRC Press; 1998.

2. James R.W & Charles E.W, Fundamentals of momentum/ Heat transfer andMass Transfer/3rd ed. New York.John Wiley & Sons, Inc.,

3. Wang L, Sun D, Liang P, Zhuang L&Tan Y. Heat Transfer Characteristics of Carbon Steel Spirally fluted tube for  high pressure Preheaters, Energy Convartion & Management 2000; 29: 993-1005  

6. http://www.daeryungco.com

7. http://www.furukawa.co.jp/copper/cat_e/fmgt_e.htm