Môže špirálový ohrievač PFA s-rovnomerným priemerom cievky znížiť tepelné rozvrstvenie vo vysokej úzkej nádrži?

Tepelná stratifikácia je problémom vysokých úzkych nádrží (pomer výška:priemer > 3:1) vyhrievaných pomocou vertikálnych ponorných ohrievačov, v ktorých sa horúca kvapalina zhromažďuje na vrchu a chladená kvapalina na dne. Špirálový ohrievač PFA s nerovnomerným priemerom špirály, tj špirály s väčším priemerom naspodku a s menším priemerom navrchu, môže znížiť stratifikáciu o 50 až 70 %. Väčšie spodné cievky poskytujú silné konvekčné prúdy, ktoré miešajú spodnú oblasť, a menšie horné cievky zabraňujú nadmernému zahrievaniu povrchu kvapaliny. Variabilný priemer vytvára čerpací efekt: teplá tekutina stúpa zo širokých spodných cievok, strháva chladnejšiu tekutinu a distribuuje teplo rovnomernejšie. CFD modelovanie nádrže s výškou 3 m a priemerom 0,8 m naznačuje, že rovnomerná špirála poskytuje gradient 12 stupňov zhora nadol a nerovnomerná špirála (priemer 300 mm na spodnom zvitku a 150 mm na hornom zvitku) ho znižuje na 4-5 stupňov . Nerovnomerné špirálové ohrievače sú určené pre nádrže s pomerom výška/priemer > 4:1 bez mechanického miešania.

Špirálový tok a stratifikačný mechanizmus
Oblak stúpa pozdĺž povrchu ohrievača v dôsledku prirodzenej konvekcie z vertikálneho ohrievača vo vysokej úzkej nádrži. Oblak sa rozprestiera na vrch a rozprestiera sa, aby vytvoril vyhrievanú vrstvu. Vztlakové sily sú malé a bránia ďalšiemu miešaniu a zahrievaniu vrstvy. Typický špirálový ohrievač (konštantný priemer cievky) vytvára jedinú rotačnú prietokovú bunku, ktorá účinne nevymieňa hornú a spodnú tekutinu.

Nerovnomerná skrutkovica s priemermi cievok, ktoré sa postupne zužujú zdola nahor, generuje pumpovací pohyb s premenlivým -rozstupom. Spodné cievky, ktoré sú široké, poskytujú značný krútiaci moment a vrhajú kvapalinu smerom von. Ako kvapalina stúpa, naráža na cievky s menším priemerom, čo zvyšuje rýchlosť prúdenia (zachovanie momentu hybnosti: v*r=konštanta). Rýchla tekutina strháva chladnejšiu tekutinu zo stredu nádrže a rozbíja teplú vrstvu. To vytvára recirkulačný článok po celej výške nádrže, ktorý neustále vymieňa hornú a spodnú tekutinu.

Návrh cievky Zníženie stratifikácie
Nádrž Pomer H:D Typ ohrievača Priemery cievky (dole→hore) 3:1 Rovná tyč (bez špirály) N/A 14–18 Základná línia (0%) Stratifikácia Redukcia Miešací mechanizmus Slabá prirodzená konvekcia
3:1 Rovnomerná špirála Konštantná 200 mm 8 až 10 40 až 45 %Jedna recirkulačná bunka 3:1-Nerovnomerná špirála 250→150 mm 3–4 75–80%Variabilné čerpanie 4:1 Rovnomerná špirála 200 mm Konštanta 200 mm (14}12{101} Nerovnomerná špirála 300-150 mm 4-6 60-70% Cirkulácia dvoch buniek
5:1 špirála nerovnomerné-rovnomerné 350–120 mm 5–7 55–65 %Multi-článkov obrat
Nerovnomerná špirála 5:1{2}}s rebrami 350→120 mm + rebrá 2-4 75-85%Optimalizované miešanie Najlepšie parametre konštrukcie cievky
Najlepšia-jednotná špirála pre vysokú úzku nádrž (H/D > 4) má:

Priemer spodnej cievky: 0,6 – 0,8 x priemer nádrže (ale nedotýka sa steny nádrže, ponechajte vzdialenosť 50 mm)

Priemer hornej cievky: 0,3-0,4 * priemer nádrže

Miera zúženia: lineárne zúženie zdola nahor nad 60-80% zahriatej dĺžky

Rozstup cievok: konštantný (50-100 mm) alebo mierne rastúci (širší hore)

Cievka by mala začínať 100–200 mm od dna nádrže a končiť 200–300 mm od povrchu kvapaliny. Spodné cievky vedú väčšinu čerpania. Horné výmenníky slúžia na rozvod tepla, nie na primárny ohrev.

Výsledky CFD simulácie 3 m vysokej a 0,8 m priemeru nádrže s 6 kW ohrievačom:

Dizajn Spodný vonkajší priemer cievky (mm) Horný vonkajší priemer cievky (mm) Maximálna rýchlosť (m/s) v strednej-výške ΔT (stupeň) hore-dole
Rovná tyč N/AN/A 0.08 16
Rovnomerná špirála 200 200 0.12 9.5
Mierne zúženie 250 180 0.18 5.5
Agresívne zúženie 300 150 0.25 3.8
Agresívne + plutvy 300 150 0.32 2.5 Praktické obmedzenia
Nerovnomerné špirálové ohrievače sú drahšie na výrobu (o 30 – 50 % viac ako rovné tyče) a vyžadujú väčší voľný priestor na dne nádrže (veľký priemer cievky). Prínos je malý (stratifikácia je už nízka) pre tanky s H:D < 3:1. Pre nádrže s mechanickými miešadlami poskytuje špirála minimálnu výhodu, pretože miešanie je už zabezpečené.

Špirála je tiež nerovnomerná a vytvára významný pokles tlaku, ak má nádrž nútený prietok. Väčšie spodné cievky môžu obmedziť prietok v recirkulačných systémoch. Pred špecifikovaním skontrolujte pokles tlaku.

Príklady polí
Chemický závod využíval reaktor s výškou 4,5 ma priemerom 1,0 m na ohrev viskózneho oleja (Pr=150). Rovný tyčový ohrievač PFA vytvoril gradient 22 stupňov (spodný 68 stupňov, vrch 90 stupňov). Zariadenie bolo prerobené na nerovnomernú špirálu (spodný zvitok 380 mm, horný zvitok 160 mm, konštantné stúpanie 80 mm). Po inštalácii sklon klesol na 6 stupňov (dolný 82 stupňov, vrchol 88 stupňov). Olej na dne sa zahrial na reakčnú teplotu o 40 % rýchlejšie a čas vsádzky sa skrátil z 8 na 5 hodín. Ohrievač na mieru v hodnote 2 000 dolárov sa zaplatil za 3 mesiace.

Záver: Nejednotná špirála- znižuje stratifikáciu o 50 – 70 %
Špirálový ohrievač PFA s-rovnomerným priemerom špirály (širší dole, užší hore) znižuje tepelné rozvrstvenie vo vysokých úzkych nádržiach (výška:priemer > 4:1) o 50 – 70 % v porovnaní s jednotnými ohrievačmi. Tento premenlivý priemer cievky spôsobuje pumpovanie, ktoré mieša hornú a spodnú tekutinu. Takže neexistujú žiadne vyhrievané vrstvy. Pre nádrže bez mechanického miešania a s vysokými požiadavkami na rovnomernosť teplôt (farmaceutické reaktory, kryštalizačné nádrže) špecifikujte -nerovnomernú špirálu. Pre H:D < 3:1 alebo nádrže s núteným prietokom je prínos minimálny. Stratifikácia je protivníkom rovnomerného ohrevu. Závitnice v čerpaní prerušujú stratifikáciu. Zahrejte rovnomerne. Nádrž premiešajte. Zúžte cievky. Dnu chýba teplo; vrch má príliš veľa. Vyrovnanie kužeľovej špirály. Váš proces bude vďačný.