Може ли спираловиден PFA нагревател с не-равномерен диаметър на намотката да намали топлинното разслояване във висок тесен резервоар?

Термичната стратификация е проблем при високи, тесни резервоари (съотношение височина:диаметър > 3:1), нагрявани с помощта на вертикални потапящи нагреватели, в които гореща течност се събира в горната част и охладена течност в дъното. Спирален PFA нагревател с не-равномерен диаметър на намотката, т.е. намотки с по-голям диаметър в долната част и намотки с по-малък диаметър в горната част, може да намали стратификацията с 50 до 70%. По-големите долни намотки осигуряват мощни конвекционни токове, които смесват долната област, а по-малките горни намотки предотвратяват прекомерното нагряване на повърхността на течността. Променливият диаметър създава ефект на изпомпване: топла течност се издига от широките долни намотки, увлича по-хладна течност и разпределя топлината по-равномерно. CFD моделирането на резервоар с височина 3 m и диаметър 0,8 m показва, че равномерната спирала дава градиент от 12 градуса отгоре надолу, а не-равномерната спирала (300 mm диаметър при долната намотка и 150 mm при горната намотка) намалява това до 4-5 градуса. Неравномерните спирални нагреватели са показани за резервоари със съотношение височина/диаметър > 4:1 без механично разбъркване.

Спирално течение и механизъм на стратификация
По повърхността на нагревателя се издига струя поради естествена конвекция от вертикален нагревател във висок тесен резервоар. Шлейфът се простира до върха и се разпространява, за да образува нагрят слой. Силите на плаваемост са умерени, предотвратявайки по-нататъшно смесване и нагрятия слой. Типичен спирален нагревател (постоянен диаметър на намотката) произвежда една въртяща се проточна клетка, която не обменя ефективно горния и долния флуид.

Не-равномерна спирала с диаметри на бобината, които постепенно се стесняват отдолу нагоре, генерира променливо-наклонно изпомпващо движение. Долните намотки, тъй като са широки, осигуряват значителен въртящ момент, изхвърляйки течността навън. Докато течността се издига, тя удря намотки с по-малък диаметър, което увеличава скоростта на потока (запазване на ъгловия момент: v * r=константа). Бързата течност увлича по-студена течност от центъра на резервоара, разрушавайки топлия слой. Това създава рециркулационна клетка по цялата височина на резервоара, която непрекъснато обменя горната и долната течност.

Конструкция на бобината Намаляване на стратификацията
Резервоар H:D Съотношение Тип нагревател Диаметри на бобината (отдолу→отгоре) 3:1 Прав прът (без спирала) Няма 14–18 Базово ниво (0%) Намаляване на стратификацията Смесващ механизъмСлаба естествена конвекция
3:1 Равномерна спирала Постоянна 200 mm 8 до 10 40 до 45% Единична рециркулационна клетка 3:1 Не-равномерна спирала 250→150 mm 3–4 75–80% Променливо изпомпване 4:1 Равномерна спирала 200 mm постоянна 12-15 Базова линия (0%) Стратифицирана 4:1 Неравномерна спирала 300-150 mm 4-6 60-70%Двуклетъчна циркулация
5:1 Helix не-равномерно 350–120 mm 5–7 55–65%Много-клетъчно обръщане
5:1 Не-равномерна спирала с ребра 350→120 mm + ребра 2-4 75-85% Оптимизирано смесване Най-добри параметри на дизайна на намотката
Най-добрата не-равномерна спирала за висок тесен резервоар (H/D > 4) има:

Диаметър на долната намотка: 0,6-0,8 x диаметър на резервоара (но без контакт със стената на резервоара; поддържайте разстояние от 50 mm)

Диаметър на горната намотка: 0,3-0,4 * диаметър на резервоара

Скорост на скосяване: линейно скосяване отдолу нагоре над 60-80% от нагрята дължина

Стъпка на бобината: постоянна (50-100 mm) или леко нарастваща (по-широка отгоре)

Намотката трябва да започва на 100–200 mm от дъното на резервоара и да завършва на 200–300 mm от повърхността на течността. Долните бобини провеждат по-голямата част от изпомпването. Горните намотки са за разпределение на топлината, а не за основно отопление.

Резултати от CFD симулация на резервоар с височина 3 m и диаметър 0,8 m с нагревател 6 kW:

Дизайн Долна намотка OD (mm) Горна намотка OD (mm) Максимална скорост (m/s) на средна-височина ΔT (градуси) отгоре-отдолу
Прав прът N/AN/A 0.08 16
Еднаква спирала 200 200 0.12 9.5
Леко изтъняване 250 180 0.18 5.5
Агресивен конус 300 150 0.25 3.8
Агресивен + перки 300 150 0.32 2.5 Практически ограничения
Не-равномерните спирални нагреватели са по-скъпи за изграждане (30–50% премия спрямо правите пръти) и изискват по-голямо пространство на дъното на резервоара (голям диаметър на намотката). Ползата е малка (стратификацията вече е ниска) за резервоари с H:D < 3:1. За резервоари с механични бъркалки спиралата осигурява минимална полза, тъй като смесването вече е осигурено.

Спиралата също е неравномерна и генерира значителен спад на налягането, ако резервоарът има принудителен поток. По-големите долни намотки могат да ограничат потока при рециркулационни системи. Проверете спада на налягането, преди да уточните.

Полеви примери
Химическият завод използва реактор с височина 4,5 m и диаметър 1,0 m за нагряване на вискозно масло (Pr=150). PFA нагревател с прав прът произвежда градиент от 22 градуса (отдолу 68 градуса, отгоре 90 градуса). Инсталацията е преобразувана в неравномерна спирала (долна намотка 380 mm, горна намотка 160 mm, постоянна стъпка 80 mm). След инсталирането градиентът падна до 6 градуса (долната част 82 градуса, пиковата 88 градуса). Маслото на дъното се нагрява до реакционна температура с 40% по-бързо и времето на партидата намалява от 8 на 5 часа. Изработеният по поръчка нагревател на стойност $2000 се изплати за 3 месеца.

Заключение: Не-равномерната спирала намалява стратификацията с 50-70%
Спиралният PFA нагревател с не-равномерен диаметър на намотката (по-широк отдолу, по-тесен отгоре) намалява термичното разслояване във високите тесни резервоари (височина:диаметър > 4:1) с 50–70% в сравнение с равномерните нагреватели. Този променлив диаметър на бобината предизвиква изпомпващо действие, което разбърква горната и долната течност. Така че няма нагрети слоеве. За резервоари без механично разбъркване и с високи изисквания за еднородност на температурата (фармацевтични реактори, резервоари за кристализация) посочете не-равномерна спирала. За H:D < 3:1 или резервоари с принудителен поток ползата е минимална. Стратификацията е противник на равномерното нагряване. Спиралите в изпомпването нарушават стратификацията. Загрейте равномерно. Разбъркайте резервоара. Стеснете намотките. Дъното няма топлина; горната част има твърде много. Изравняване на заострена спирала. Процесът ви ще бъде благодарен.