Voiko kierukkamainen PFA-lämmitin, jossa on epätasainen käämin halkaisija{0}}vähentää lämpökerrosta korkeassa kapeassa säiliössä?

Lämpökerrostuminen on ongelma korkeissa, kapeissa säiliöissä (korkeus:halkaisija-suhde > 3:1), joita lämmitetään pystysuorilla uppolämmittimillä, joissa kuuma neste kerääntyy yläosaan ja jäähdytetty neste pohjaan. Kierteinen PFA-lämmitin, jossa on epätasainen kelan halkaisija- eli halkaisijaltaan suuremmat kelat alaosassa ja halkaisijaltaan pienemmät kelat ylhäällä, voi vähentää kerrostumista 50–70 %. Suuremmat pohjakäämit tuottavat voimakkaita konvektiovirtoja, jotka sekoittavat alemman alueen, ja pienemmät yläkelat estävät nestepinnan liiallisen kuumenemisen. Muuttuva halkaisija luo pumppausvaikutuksen: lämmin neste nousee leveistä pohjakierukoista, kuljettaa mukanaan viileämpää nestettä ja jakaa lämmön tasaisemmin. 3 m korkean ja 0,8 m halkaisijaltaan olevan säiliön CFD-mallinnus osoittaa, että tasainen kierre tuottaa 12 asteen gradientin ylhäältä alas, ja epätasainen kierre (halkaisija 300 mm alakelassa ja 150 mm yläkelassa) laskee tämän 4-5 asteeseen. Epätasaiset kierrelämmittimet on tarkoitettu tankeille, joiden korkeus/halkaisija-suhde > 4:1 ilman mekaanista sekoitusta.

Helical Flow ja Stratification Mechanism
Pylväs nousee lämmittimen pintaa pitkin luonnollisen konvektion ansiosta pystysuorasta lämmittimestä korkeassa kapeassa säiliössä. Pilvi ulottuu yläosaan ja leviää muodostaen lämmitetyn kerroksen. Nostevoimat ovat vaatimattomat, mikä estää sekoittumisen ja kuumenemisen. Tyypillinen kierukkamainen lämmitin (vakiokäämin halkaisija) tuottaa yhden pyörivän virtauskennon, joka ei vaihda tehokkaasti ylä- ja alanestettä.

Epätasainen kierre, jonka kelojen halkaisijat kapenevat vähitellen alhaalta ylöspäin, synnyttää vaihtelevan-pituuden pumppausliikkeen. Leveät pohjakäämit tarjoavat huomattavan vääntömomentin ja heittävät nesteen ulospäin. Nesteen noustessa se osuu halkaisijaltaan pienempiin keloihin, mikä lisää virtauksen nopeutta (kulmamomentin säilyminen: v*r=vakio). Nopea neste kuljettaa mukanaan kylmempää nestettä säiliön keskeltä rikkoen lämpimän kerroksen. Tämä tuottaa säiliön koko korkeudelle kierrätyskennon, joka vaihtaa jatkuvasti ylä- ja alaosaa.

Kelan suunnittelu Stratifikaatioiden vähentäminen
Säiliön H:D Suhde Lämmittimen tyyppi Kierukan halkaisijat (alhaalta→ylhäältä) 3:1 Suora sauva (ei heliksiä) N/A 14–18 Perustaso (0 %) kerrostumisen vähentäminen sekoitusmekanismiHeikko luonnollinen konvektio
3:1 Tasainen kierre Vakio 200 mm 8 - 10 40 - 45 % Yksi kierrätyskenno 3:1 Epätasainen kierre 250→150 mm 3-4 75-80 % Muuttuva pumppaus 4:1 Tasainen kierre 200 % 1}0 %){0 mm2 vakio1}0 %) 4:1 Epätasainen helix 300-150 mm 4-6 60-70%Kahden solun kierto
5:1 Helix epätasainen 350–120 mm 5–7 55–65 % Multi-solun vaihtuvuus
5:1 Epätasainen kierre rivoilla 350→120 mm + rivat 2-4 75-85%Optimoitu sekoitus parhaat kelan suunnitteluparametrit
Paras epätasainen kierre korkealle kapealle tankille (H/D > 4) on:

Pohjakelan halkaisija: 0,6-0,8 x säiliön halkaisija (mutta ei kosketa säiliön seinämää; säilytä 50 mm välys)

Yläkelan halkaisija: 0,3-0,4 * säiliön halkaisija

Kapenemisnopeus: Lineaarinen kartio alhaalta ylöspäin yli 60-80 % lämmitetystä pituudesta

Kelan nousu: vakio (50-100 mm) tai hitaasti kasvava (leveä ylhäältä)

Kierukan tulee alkaa 100-200 mm säiliön pohjasta ja päättyä 200-300 mm nestepinnasta. Pohjakelat johtavat suurimman osan pumppauksesta. Yläpatterit ovat lämmönjakoa, eivät ensiölämmitystä.

CFD-simulaatiotulokset 3 m korkeasta ja halkaisijaltaan 0,8 m säiliöstä, jossa on 6 kW lämmitin:

Suunnittelu Alakelan ulkohalkaisija (mm) Yläkelan ulkohalkaisija (mm) Suurin nopeus (m/s) keski-korkeudessa ΔT (aste) ylhäällä-alhaalla
Suora sauva N/AN/A 0.08 16
Tasainen helix 200 200 0.12 9.5
Lievä kartio 250 180 0.18 5.5
Aggressiivinen kartio 300 150 0.25 3.8
Aggressiivinen + evät 300 150 0.32 2.5 Käytännön rajoituksia
Epätasaiset kierteiset lämmittimet ovat kalliimpia rakentaa (30–50 % korkeampi kuin suoriin tankoihin) ja vaativat suuremman välyksen säiliön pohjassa (suuri käämin halkaisija). Hyöty on pieni (kerrostuminen on jo alhainen) tankeissa, joissa H:D < 3:1. Säiliöissä, joissa on mekaaniset sekoittimet, helix tarjoaa minimaalisen hyödyn, koska sekoitus on jo olemassa.

Kierre on myös epätasainen ja aiheuttaa merkittävän painehäviön, jos säiliössä on pakkovirtaus. Suuremmat pohjakäämit voivat rajoittaa virtausta kierrätysjärjestelmissä. Tarkista painehäviö ennen määrittelyä.

Esimerkkejä kentistä
Kemiantehdas käytti viskoosin öljyn (Pr=150) lämmittämiseen reaktoria, jonka korkeus oli 4,5 m ja halkaisija 1,0 m. Suora sauva PFA-lämmitin tuotti 22 asteen gradientin (ala 68 astetta, ylhäältä 90 astetta). Laitos on muutettu epätasaiseksi kierteeksi (alakäämi 380 mm, yläkela 160 mm, vakiokierre 80 mm). Asennuksen jälkeen gradientti laski 6 asteeseen (ala 82 astetta, huippu 88 astetta). Pohjalla oleva öljy lämpeni reaktiolämpötilaan 40 % nopeammin ja eräaika lyheni 8 tunnista 5 tuntiin. 2 000 dollarin mittatilaustyönä valmistettu lämmitin maksoi itsensä takaisin 3 kuukaudessa.

Johtopäätös: Epä{0}}yhtenäinen helix vähentää kerrostumista 50–70 %
Kierukkamainen PFA-lämmitin, jossa on epätasainen käämin halkaisija- (leveämpi pohjasta, kapeampi ylhäältä), alentaa lämpökerrostumista korkeissa kapeissa säiliöissä (korkeus:halkaisija > 4:1) 50–70 % tasaisiin lämmittimiin verrattuna. Tämä muuttuva kelan halkaisija saa aikaan pumppauksen, joka sekoittaa ylä- ja alaosaa. Joten lämmitettyjä kerroksia ei ole. Säiliöt, joissa ei ole mekaanista sekoitusta ja joilla on korkeat lämpötilan tasaisuusvaatimukset (farmaseuttiset reaktorit, kiteytyssäiliöt), määritä epätasainen kierre. H:D < 3:1 tai pakkovirtaussäiliöille hyöty on minimaalinen. Kerrostuminen on tasaisen lämmityksen vastustaja. Heliksit pumppaamisessa katkaisevat kerrostumisen. Kuumenna tasaisesti. Sekoita säiliötä. Kartioi kelat. Pohjasta puuttuu lämpö; yläosassa on liikaa. Suippeneva Helix Equalisation. Prosessi on kiitollinen.