Vai spirālveida PFA sildītājs ar ne{0}}vienmērīgu spoles diametru var samazināt termisko noslāņošanos augstā šaurā tvertnē?

Termiskā noslāņošanās ir problēma ar augstām, šaurām tvertnēm (augstuma: diametra attiecība > 3:1), ko silda, izmantojot vertikālos iegremdējamos sildītājus, kuros karsts šķidrums uzkrājas augšpusē un atdzesēts šķidrums apakšā. Spirālveida PFA sildītājs ar nevienmērīgu spoles diametru, ti, lielāka diametra spoles apakšā un mazāka diametra spoles augšpusē, var samazināt noslāņošanos par 50–70%. Lielākas apakšējās spoles nodrošina spēcīgas konvekcijas strāvas, kas sajauc apakšējo reģionu, un mazākās augšējās spoles novērš šķidruma virsmas pārmērīgu uzkaršanu. Mainīgs diametrs rada sūknēšanas efektu: siltais šķidrums paceļas no platajām apakšējām spirālēm, piesaista vēsāku šķidrumu un vienmērīgāk sadala siltumu. 3 m augstas un 0,8 m diametra tvertnes CFD modelēšana norāda, ka vienmērīga spirāle rada 12 grādu gradientu no augšas uz leju, un nevienmērīga spirāle (300 mm diametrs apakšējā spolē un 150 mm augšējā spolē) to samazina līdz 4-5 grādiem. Nevienmērīgi spirālveida sildītāji ir norādīti tvertnēm ar augstuma/diametra attiecību > 4:1 bez mehāniskas maisīšanas.

Spirālveida plūsma un stratifikācijas mehānisms
Gar sildītāja virsmu paceļas strūklas dabiskās konvekcijas dēļ no vertikāla sildītāja augstā šaurā tvertnē. Plūme stiepjas līdz augšai un izplatās, veidojot apsildāmu slāni. Peldspējas spēki ir pieticīgi, novēršot turpmāku sajaukšanos un uzkarsētu slāni. Tipisks spirālveida sildītājs (pastāvīgs spoles diametrs) rada vienu griežamu plūsmas šūnu, kas efektīvi neapmaina augšējo un apakšējo šķidrumu.

Nevienmērīga spirāle, kuras spoles diametrs pakāpeniski kļūst šaurāks no apakšas uz augšu, rada mainīgu-sūknēšanas kustību. Apakšējās spoles, būdamas platas, nodrošina ievērojamu griezes momentu, izmetot šķidrumu uz āru. Šķidrumam paceļoties, tas saskaras ar mazāka diametra spolēm, kas palielina plūsmas ātrumu (leņķiskā momenta saglabāšanās: v*r=konstante). Ātrais šķidrums no tvertnes centra izvada aukstāku šķidrumu, salaužot silto slāni. Tas rada recirkulācijas šūnu visā tvertnes augstumā, kas nepārtraukti apmainās ar augšējo un apakšējo šķidrumu.

Spoles konstrukcija Stratifikācijas samazināšana
Tvertnes H:D attiecība Sildītāja tipa spoles diametri (apakšā → augšā) 3:1 Taisns stienis (bez spirāles) N/A 14–18 Pamatlīnija (0%) Stratifikācijas samazināšanas samaisīšanas mehānismsVāja dabiskā konvekcija
3:1 Vienmērīga spirāle Konstante 200 mm 8 līdz 10 40 līdz 45% Viena recirkulācijas šūna 3:1 Nevienmērīga spirāle 250→150 mm 3–4 75–80% Mainīga sūknēšana 4:1 Vienmērīga spirāle 200% 200 mm konstante1}0%) 4:1 Nevienmērīga spirāle 300-150 mm 4-6 60-70%Divu šūnu cirkulācija
5:1 spirāle nevienmērīga 350–120 mm 5–7 55–65% vairāku{8}}šūnu apgrozījums
5:1 Nevienmērīga spirāle ar spurām 350→120 mm + spuras 2-4 75-85% Optimizēta sajaukšana Labākie spoles dizaina parametri
Labākajai nevienmērīgajai spirālei augstai šaurai tvertnei (H/D > 4) ir:

Apakšējās spoles diametrs: 0,6–0,8 x tvertnes diametrs (bet nesaskaras ar tvertnes sienu; saglabājiet 50 mm atstarpi)

Augšējā spoles diametrs: 0,3-0,4 * tvertnes diametrs

Konusveida pakāpe: lineārs konuss no apakšas uz augšu virs 60-80% no apsildāmā garuma

Spoles solis: nemainīgs (50-100 mm) vai viegli augošs (augšpusē platāks)

Spolei jāsākas 100–200 mm no tvertnes dibena un jābeidzas 200–300 mm attālumā no šķidruma virsmas. Apakšējās spoles veic lielāko daļu sūknēšanas. Augšējās spoles ir paredzētas siltuma sadalei, nevis primārajai apkurei.

CFD simulācijas rezultāti 3 m augstai un 0,8 m diametra tvertnei ar 6 kW sildītāju:

Dizains Apakšējā spole OD (mm) Augšējā spole OD (mm) Maksimālais ātrums (m/s) vidējā -augstumā ΔT (grāds) augšā-apakšā
Taisns stienis N/AN/A 0.08 16
Vienveidīga spirāle 200 200 0.12 9.5
Viegli konusveida 250 180 0.18 5.5
Agresīvs konuss 300 150 0.25 3.8
Agresīvs + spuras 300 150 0.32 2.5 Praktiski ierobežojumi
Nevienmērīgi spirālveida sildītāji ir dārgāki (par 30–50 % augstāku cenu salīdzinājumā ar taisniem stieņiem), un tiem ir nepieciešams lielāks attālums tvertnes apakšā (liels spoles diametrs). Ieguvums mazs (stratifikācija jau tā zema) tankiem ar H:D < 3:1. Tvertnēm ar mehāniskiem maisītājiem spirāle nodrošina minimālu labumu, jo sajaukšana jau ir nodrošināta.

Spirāle ir arī neviendabīga un rada ievērojamu spiediena kritumu, ja tvertnei ir piespiedu plūsma. Lielākas apakšējās spoles var ierobežot plūsmu recirkulācijas sistēmās. Pirms precizēšanas pārbaudiet spiediena kritumu.

Lauku piemēri
Viskozas eļļas (Pr=150) sildīšanai ķīmiskajā rūpnīcā izmantoja reaktoru ar 4,5 m augstumu un 1,0 m diametru. Taisna stieņa PFA sildītājs radīja 22 grādu gradientu (apakšā 68 grādi, augšā 90 grādi). Iekārta ir pārveidota par nevienmērīgu spirāli (apakšējā spole 380 mm, augšējā spole 160 mm, nemainīgs solis 80 mm). Pēc uzstādīšanas gradients samazinājās līdz 6 grādiem (apakšā 82 grādi, maksimums 88 grādi). Eļļa apakšā uzsildīja līdz reakcijas temperatūrai par 40% ātrāk, un partijas laiks samazinājās no 8 līdz 5 stundām. 2000 ASV dolāru ekskluzīvs sildītājs atmaksājās 3 mēnešos.

Secinājums: ne{0}}vienotā spirāle samazina stratifikāciju par 50–70%
Spirālveida PFA sildītājs ar nevienmērīgu spirāles diametru (platāks apakšā, šaurāks augšpusē) samazina termisko noslāņošanos augstās šaurās tvertnēs (augstums:diametrs > 4:1) par 50–70%, salīdzinot ar vienmērīgiem sildītājiem. Šis mainīgais spoles diametrs izraisa sūknēšanas darbību, kas maisa augšējo un apakšējo šķidrumu. Tātad nav apsildāmu slāņu. Tvertnēm bez mehāniskas maisīšanas un ar augstām temperatūras vienmērīguma prasībām (farmaceitiskie reaktori, kristalizācijas tvertnes) norādiet nevienmērīgu spirāli. H:D < 3:1 vai piespiedu plūsmas tvertnēm ieguvums ir minimāls. Stratifikācija ir vienmērīgas apkures pretinieks. Sūknēšanas spirāles pārtrauc stratifikāciju. Uzkarsē vienmērīgi. Samaisiet tvertni. Konusveida spoles. Apakšā trūkst siltuma; augšpusē ir pārāk daudz. Konusveida spirāles izlīdzināšana. Jūsu process būs pateicīgs.