ท่อนำทางในส่วน: ประเภทประสิทธิภาพ และคู่มือการเลือก

ท่อร่องด้านในคืออะไร?

อ ท่อร่องด้านใน เป็นท่อถ่ายเทความร้อนที่ผนังภายในประกอบด้วยชุดร่องไมโครแบบเกลียวหรือแนวแกนที่เพิ่มพื้นที่ผิวและความปั่นป่วนอย่างมาก ส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงกว่าท่อเจาะเรียบ 1.5 ถึง 3 เท่า การปรับปรุงนี้สามารถทำได้โดยไม่ต้องเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก ทำให้ท่อร่องด้านในเป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประสิทธิภาพสูงขนาดกะทัดรัดในระบบปรับอากาศ เครื่องทำความเย็น และระบบระบายความร้อนทางอุตสาหกรรม

โดยทั่วไปร่องจะถูกกลึงหรือรีดเป็นท่อทองแดง อลูมิเนียม หรือสแตนเลสในระหว่างการผลิต รูปทรงของร่อง รวมถึงมุมเกลียว ความลึกของร่อง จำนวนร่อง และรูปร่างของปลายครีบ ได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มการสัมผัสของของไหลสูงสุด และลดแรงดันตกคร่อมพร้อมกัน

ท่อร่องด้านในทำงานอย่างไร: ฟิสิกส์ของการถ่ายเทความร้อนที่เพิ่มขึ้น

ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นจากร่องด้านในมาจากกลไกเสริมสองประการ:

• พื้นที่ผิวขยาย: ร่องจะเพิ่มพื้นผิวที่เปียกภายใน 50–80% เมื่อเทียบกับท่อธรรมดาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเดียวกัน ทำให้ของเหลวมีพื้นที่สัมผัสในการแลกเปลี่ยนความร้อนมากขึ้น
• ทำให้เกิดความปั่นป่วน: ร่องเกลียวบังคับให้สารทำความเย็นหรือของเหลวที่ไหลไหลหมุนวน ขัดขวางชั้นชั้นเคลือบลามิเนตที่ปกติจะป้องกันผนังท่อจากของไหลเทกอง และเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน (h) อย่างมีนัยสำคัญ

ในการใช้งานการไหลแบบสองเฟส เช่น การระเหยหรือการควบแน่นของสารทำความเย็น ร่องยังส่งเสริมการเดือดของนิวเคลียสและเพิ่มการระบายน้ำของฟิล์ม ช่วยลดความต้องการความร้อนยวดยิ่งที่ผนัง การตรวจวัดในห้องปฏิบัติการบนท่อร่องด้านในทองแดงที่มี 60 ร่องที่มุมเกลียว 18° แสดงค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของการควบแน่นเกินกว่า 12,000 วัตต์/ตรม.·K เมื่อเทียบกับประมาณ 6,000 วัตต์/ตร.ม.K สำหรับท่อเรียบภายใต้สภาวะที่เหมือนกัน

พารามิเตอร์ทางเรขาคณิตที่สำคัญและผลกระทบ

สมรรถนะทางความร้อนและไฮดรอลิกของท่อร่องด้านในถูกควบคุมโดยรูปทรงของร่อง การทำความเข้าใจพารามิเตอร์เหล่านี้ช่วยให้วิศวกรเลือกท่อที่เหมาะสมสำหรับแต่ละการใช้งาน

ความลึกของร่อง (e)

โดยทั่วไปความลึกของร่องจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 0.10 มม. ถึง 0.25 มม ในท่อทำความเย็นเชิงพาณิชย์ ร่องลึกจะเพิ่มพื้นที่ผิวและความปั่นป่วน แต่ยังเพิ่มปัจจัยเสียดสีอีกด้วย สำหรับระบบ R-410A และ R-32 ความลึก 0.15–0.18 มม. ถือเป็นการแลกเปลี่ยนที่เหมาะสมที่สุด

มุมเกลียว (β)

มุมเกลียวจะอธิบายว่าร่องหมุนวนไปตามแกนท่อสูงชันเพียงใด มุมระหว่าง 15° และ 25° เป็นเรื่องธรรมดาที่สุด มุมที่สูงขึ้นจะทำให้การหมุนวนและการถ่ายเทความร้อนรุนแรงขึ้น แต่ความดันลดลงอย่างรวดเร็วมากขึ้น ดังนั้นวงจรแรงดันตกคร่อมต่ำจึงนิยมทำมุมใกล้ 15°

จำนวนร่อง (N)

จำนวนร่องในท่อทองแดงมาตรฐานมีตั้งแต่ 40 ถึง 80 . จำนวนที่สูงกว่าจะแบ่งพื้นผิวออกเป็นครีบที่แคบลง เพิ่มพื้นที่แต่ลดความลึกของการไหลต่อร่อง ท่อที่มีร่อง 60–70 ช่วยให้ความเป็นไปได้ในการผลิตสมดุลกับประสิทธิภาพการระบายความร้อนสำหรับท่อสารทำความเย็น OD ขนาด 7 มม.

มุมปลายครีบ (γ)

มุมยอดของครีบระหว่างร่องส่งผลต่อการระบายคอนเดนเสท มุมปลายแคบ (30–40°) ปรับปรุงการระบายน้ำในคอนเดนเซอร์ มุมที่กว้างขึ้น (50–60°) ปรับปรุงการเกิดนิวเคลียสในเครื่องระเหย

วัสดุที่ใช้ในการผลิตท่อร่องภายใน

การเลือกใช้วัสดุส่งผลต่อการนำความร้อน ความต้านทานการกัดกร่อน ความสามารถในการขึ้นรูป และต้นทุน วัสดุที่โดดเด่นสามประการคือ:

ทองแดง (พบมากที่สุด)

ค่าการนำความร้อนของทองแดง 385–400 วัตต์/เมตร·เค ทำให้เป็นวัสดุมาตรฐานสำหรับท่อร่องภายในระบบ HVAC และท่อทำความเย็น ความเหนียวสูงช่วยให้สร้างร่องได้ลึกถึง 0.10 มม. โดยไม่แตกร้าว และเข้ากันได้กับสารทำความเย็นทั่วไปทั้งหมด รวมถึง HFCs, HFO และสารทำความเย็นธรรมชาติ เช่น R-290 (โพรเพน) ท่อร่องด้านในเป็นทองแดงมีอายุการใช้งานมากกว่า 70% ของปริมาตรท่อแลกเปลี่ยนความร้อนทั่วโลก

อลูมิเนียม

อลูมิเนียม inner grooved tubes offer a น้ำหนักลดลง 65% เมื่อเทียบกับทองแดงที่เทียบเท่ากัน และมีการใช้มากขึ้นในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของยานยนต์และคอยล์ชนิดไมโครช่องสัญญาณ ค่าการนำความร้อนต่ำกว่าที่ 150–205 W/m·K ดังนั้นรูปทรงของร่องจึงต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมมากขึ้นเพื่อชดเชย ท่ออะลูมิเนียมยังมีการแข่งขันด้านต้นทุนด้วย โดยต้นทุนวัตถุดิบต่ำกว่าทองแดงประมาณ 40–50% ต่อกิโลกรัม

สแตนเลส

แม้จะมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ (14–17 วัตต์/เมตร·เคลวิน) แต่ท่อร่องด้านในที่ทำจากสเตนเลสสตีลก็ถูกกำหนดไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนหรือแรงดันสูง เช่น โรงงานแยกเกลือ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทางเภสัชกรรม และอุปกรณ์ในกระบวนการทางเคมี ซึ่งทองแดงอาจสึกกร่อนหรือเสียหายได้ ความลึกของร่องถูกจำกัดโดยความสามารถในการขึ้นรูป ดังนั้นท่อร่องสแตนเลสจึงต้องอาศัยความปั่นป่วนมากกว่าการขยายพื้นที่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

การใช้งานเบื้องต้นของท่อร่องใน

ท่อร่องด้านในถูกฝังอยู่ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนประสิทธิภาพสูงแทบทุกตัว โดยที่ขนาดกะทัดรัดและประสิทธิภาพมีความสำคัญ:

• เครื่องปรับอากาศที่อยู่อาศัยและเชิงพาณิชย์: เครื่องระเหยและคอนเดนเซอร์ระบบแยกและหลายแยกใช้ท่อทองแดงร่องด้านในขนาด 5–9.52 มม. OD ในระดับสากล การออกแบบร่องทำให้ผู้ผลิตสามารถลดขนาดคอยล์ได้สูงสุดถึง 30% ในขณะที่ยังคงรักษาระดับความจุไว้ได้
• ระบบทำความเย็น: ตู้โชว์ในซุปเปอร์มาร์เก็ต ห้องเย็น และเครื่องทำความเย็นอุตสาหกรรมใช้ท่อร่องด้านในในเครื่องระเหยทั้งแบบขยายโดยตรงและแบบน้ำท่วม โดยมักใช้สารทำความเย็น GWP ต่ำ เช่น R-449A และ R-454B
• เครื่องทำน้ำอุ่นปั๊มความร้อน: เครื่องทำน้ำอุ่นปั๊มความร้อน CO₂ (R-744) ต้องใช้ท่อที่มีร่องด้านใน แรงดันระเบิด 14 MPa ทำให้เกิดความต้องการทองแดงร่องผนังหนาและเหล็กกล้าไร้สนิม
• การจัดการความร้อนของยานยนต์และ EV: แผ่นทำความเย็นแบตเตอรี่และวงจรเครื่องทำความเย็นในยานพาหนะไฟฟ้าใช้ท่อร่องด้านในอะลูมิเนียมเพื่อควบคุมอุณหภูมิของเซลล์ภายในช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุด 20–35°C ในระหว่างการชาร์จอย่างรวดเร็ว
• เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในกระบวนการอุตสาหกรรม: เครื่องแลกเปลี่ยนแบบเปลือกและท่อในโรงงานปิโตรเคมีและเภสัชกรรมใช้ท่อร่องด้านในที่ทำจากสแตนเลสเพื่อลดการเปรอะเปื้อนและเพิ่มการนำความร้อนกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งช่วยลดต้นทุนด้านพลังงานได้ 15–25% เมื่อเทียบกับมัดรวมท่อเรียบ

ท่อในร่องกับท่อเรียบ: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพโดยตรง

กรณีการใช้ท่อร่องในจะชัดเจนที่สุดเมื่อเปรียบเทียบกับท่อเจาะเรียบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากันภายใต้สภาวะการทำงานที่เหมือนกัน

การลงโทษการลดแรงดันในขณะที่เป็นจริง โดยทั่วไปจะถูกชดเชยด้วยขนาดและการลดประจุ ผู้ออกแบบระบบใช้ตัวแยกวงจรและตัวกระจายการไหลที่ได้รับการปรับปรุงเพื่อป้องกันไม่ให้แรงดันตกที่เพิ่มขึ้นกลายเป็นผลเสียต่อประสิทธิภาพระดับระบบ

กระบวนการผลิตท่อร่องใน

ท่อร่องในเชิงพาณิชย์ผลิตผ่านกระบวนการขึ้นรูปเย็นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งรักษาความตรงของท่อและความแม่นยำของมิติ วิธีการหลักคือ:

1. วาดบนแมนเดรลที่มีร่อง: ท่อเปล่าที่มีรูเรียบจะถูกลากไปบนปลั๊กที่มีร่องและหมุนอยู่ (แมนเดรล) ในขณะที่รีดไปด้านนอกพร้อมกัน การสัมผัสแรงอัดระหว่างม้วนด้านนอกและแกนหมุนจะไล่ทองแดงเข้าไปในโปรไฟล์ร่อง โดยมีความคลาดเคลื่อนโดยทั่วไปอยู่ภายใน ±0.01 มม.
2. การเซาะร่องม้วนความเร็วสูง: สำหรับผนังที่บางมาก (ต่ำกว่า 0.25 มม.) หัวกลิ้งของดาวเคราะห์ภายนอกจะหมุนไปรอบ ๆ ท่อ ในขณะที่แมนเดรลประทับตราไว้ภายใน ทำให้ได้ความเร็วในการผลิตที่ 150–300 ม./นาที .
3. อnealing: หลังจากการขึ้นรูป ท่อจะผ่านเตาหลอมที่มีบรรยากาศควบคุมเพื่อคืนความเหนียวสำหรับการโค้งงอและการขยายตัวระหว่างการประกอบคอยล์ โดยไม่สูญเสียรูปทรงของร่อง
4. การตรวจสอบในสาย: ระบบกระแสวนและการวัดโปรไฟล์ด้วยเลเซอร์ตรวจสอบความลึกของร่อง มุมเกลียว และความหนาของผนังในแนว 100% เพื่อให้แน่ใจว่าท่อที่ชำรุดจะไม่ไปถึงมือลูกค้า

การเลือกท่อร่องด้านในด้านขวา: แนวปฏิบัติ

ด้วยรูปทรงร่องหลายสิบแบบ การเลือกท่อที่เหมาะสมจึงจำเป็นต้องมีรูปทรงที่ตรงกันในการใช้งาน:

สำหรับหน้าที่คอยล์เย็น

จัดลำดับความสำคัญของท่อที่มีร่องลึก (0.18–0.22 มม.) และมุมเกลียวที่สูงขึ้น (20–25°) เพื่อเพิ่มจุดเดือดของนิวเคลียสและการสัมผัสผนังเปียกให้สูงสุด มุมปลายครีบ 50–60° ปรับปรุงการกักเก็บฟิล์มของเหลวและความหนาแน่นของบริเวณนิวเคลียส

สำหรับหน้าที่คอนเดนเซอร์

ระบุมุมปลายครีบที่แคบลง (30–40°) เพื่อระบายคอนเดนเสทอย่างรวดเร็วและเผยให้เห็นผนังท่อใหม่ ความลึกของร่องสามารถลดลงได้เล็กน้อย (0.12–0.16 มม.) เนื่องจากการถ่ายเทความร้อนจากการควบแน่นมีความไวต่อความลึกน้อยกว่าการระเหย

สำหรับระบบประจุไฟต่ำที่ใช้สารทำความเย็น A2L หรือ A3 (R-32, R-290)

ใช้ท่อที่มีจำนวนร่องสูง (60–80 ร่อง) ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า (OD 5–7 มม.) เพื่อรักษาการถ่ายเทความร้อนสูงที่มวลสารทำความเย็นที่ต่ำกว่า ช่วยลดปริมาณประจุไวไฟคงเหลือ ความหนาของผนังทองแดงควรเป็นไปตาม EN 12735 หรือ ASTM B743 ความต้องการระเบิดสำหรับแรงดันสูงสุดของระบบ

สำหรับระบบ CO₂ แรงดันสูง

เลือกท่อที่มีพิกัดอย่างน้อย แรงดันการออกแบบ 14 MPa โดยมีความหนาของผนัง 0.5–0.8 มม. แรงดันใช้งานที่สูงของ CO₂ จำกัดความลึกของร่องไว้ที่ 0.08–0.12 มม. แต่ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนที่สูงจากภายในจะชดเชยได้อย่างมีประสิทธิภาพ

มาตรฐานอุตสาหกรรมและข้อกำหนดด้านคุณภาพ

ท่อร่องด้านในสำหรับ HVAC&R ต้องเป็นไปตามมาตรฐานสากลที่ควบคุมความคลาดเคลื่อนของมิติ คุณสมบัติทางกล และพิกัดแรงดัน:

• มาตรฐาน ASTM B743 / ASTM B68: มาตรฐานสหรัฐอเมริกาสำหรับท่อทองแดงไร้ตะเข็บในบริการทำความเย็น ครอบคลุมถึงอุณหภูมิ ความทนทานต่อ OD (±0.05 มม.) และการเปลี่ยนแปลงความหนาของผนัง
• EN 12735-1 (ยุโรป): ระบุท่อทองแดงสำหรับวงจรสารทำความเย็น รวมถึงโปรโตคอลการวัดรูปทรงร่องและข้อกำหนดในการทดสอบไฮโดรสแตติก
• JIS H3300 (ญี่ปุ่น): มาตรฐานอุตสาหกรรมของญี่ปุ่น ครอบคลุมถึงท่อทองแดงร่องในที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในหน่วย HVAC ที่ผลิตในญี่ปุ่นซึ่งส่งออกไปทั่วโลก
• GB/T 17791 (จีน): มาตรฐานแห่งชาติของจีนที่ระบุความลึกของร่อง มุมเกลียว และความสูงของครีบสำหรับการผลิตในประเทศและตลาดส่งออก ครอบคลุมภูมิภาคการผลิตที่ใหญ่ที่สุดในโลก

มาตรฐานทั้งหมดจำเป็นต้องมีการทดสอบการรั่วไหลของอากาศใต้น้ำหรือกระแสไหลวน 100% และระบุความเยื้องศูนย์สูงสุดที่อนุญาต เพื่อป้องกันจุดบางเฉพาะจุดที่อาจล้มเหลวภายใต้แรงดันสารทำความเย็นแบบวน

แนวโน้มที่เกิดขึ้นใหม่: ท่อร่องภายในเจเนอเรชั่นใหม่

ท่อร่องด้านในไม่ใช่สินค้าคงที่ การวิจัยเชิงรุกและความกดดันของตลาดกำลังผลักดันการปรับปรุงที่วัดผลได้:

• รูปแบบก้างปลาและร่องขวาง: รูปแบบร่องที่ไม่เป็นเกลียวซึ่งตัดกันที่มุม 30–60° จะทำให้เกิดการผสมตามแนวแกนเพิ่มเติม และได้แสดงให้เห็นแล้ว การถ่ายเทความร้อนสูงขึ้น 15–20% กว่าร่องเกลียวเดี่ยวในการทดสอบในห้องปฏิบัติการด้วย R-32
• ท่อเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กพิเศษ (OD 3–5 มม.): ขับเคลื่อนด้วยสารทำความเย็น GWP ต่ำที่ติดไฟได้ซึ่งจำเป็นต้องลดประจุให้เหลือน้อยที่สุด ท่อที่มีร่องขนาดเล็กเหล่านี้ช่วยให้เครื่องปรับอากาศในห้องยุคถัดไปที่มี R-290 น้อยกว่า 150 กรัม
• ท่อร่องด้านในวัสดุคอมโพสิต: ท่อร่องด้านในอะลูมิเนียมบุโพลีเมอร์หรือทองแดงหุ้มอยู่ในการนำร่องในระบบ HVAC ทางทะเลและการทำความเย็นของศูนย์ข้อมูล ผสมผสานความต้านทานการกัดกร่อนเข้ากับการลดน้ำหนัก
• การเพิ่มประสิทธิภาพร่องด้วย AI: เครื่องมือแมชชีนเลิร์นนิงที่ขับเคลื่อนด้วย CFD ช่วยให้ผู้ผลิตจำลองการผสมผสานรูปทรงเรขาคณิตของร่องได้หลายล้านรายการ และระบุการกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสารทำความเย็นและสภาวะการไหลเฉพาะในเวลาไม่กี่ชั่วโมง แทนที่จะเป็นเดือน

ตลาดท่อร่องภายในทั่วโลก ซึ่งมีมูลค่าประมาณ 3.2 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2567 คาดว่าจะเติบโตที่ CAGR 5.8% ไปจนถึงปี 2573 โดยได้แรงหนุนจากการขยายตลาด HVAC ในเอเชียใต้และเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ การเพิ่มกฎระเบียบด้านสารทำความเย็นที่กระตุ้นให้เกิดการออกแบบคอยล์ใหม่ และการใช้ไฟฟ้าในการขนส่งและการทำความร้อนทางอุตสาหกรรม