Termiskā stratifikācija{0}}karsts šķidrums, kas uzkrājas augšpusē, vēsāks šķidrums apakšā-ir pastāvīga problēma augstās šaurās tvertnēs (augstuma: diametra attiecība > 3:1), ko silda ar vertikāliem iegremdēšanas sildītājiem. Spirālveida PFA sildītājs ar nevienmērīgu spoles diametru (lielāka diametra spoles apakšā, mazākas augšpusē) var samazināt noslāņošanos par 50–70%. Lielākas apakšējās spoles rada spēcīgas konvekcijas strāvas, kas sajauc apakšējo reģionu, savukārt mazākās augšējās spoles novērš šķidruma virsmas pārkaršanu. Mainīgais diametrs rada sūknēšanas efektu: uzkarsēts šķidrums paceļas no platajām apakšējām spirālēm, piesaista vēsāku šķidrumu un vienmērīgāk sadala siltumu. 3 m augstas un 0,8 m diametra tvertnes CFD modelēšana parāda, ka vienmērīga spirāle rada 12 grādu slīpumu no augšas{14}}līdz{15}}apakšai; nevienmērīga spirāle (apakšējā spoles diametrs 300 mm, augšējais 150 mm) samazina gradientu līdz 4–5 grādiem. Tvertnēm ar augstumu:diametrs > 4:1 un bez mehāniska maisītāja ir ieteicami nevienmērīgi spirālveida sildītāji.
Stratifikācijas mehānisms un spirālveida plūsma
Augstā šaurā tvertnē dabiskā konvekcija no vertikālā sildītāja rada augšupejošu strūklu gar sildītāja virsmu. Plūme sasniedz augšpusi un izplatās uz sāniem, veidojot siltu slāni. Siltais slānis kavē turpmāku sajaukšanos, jo peldspējas spēki ir vāji. Standarta spirālveida sildītājs (pastāvīgs spoles diametrs) rada vienu rotējošu plūsmas šūnu, kas efektīvi neapmainās ar augšējo un apakšējo šķidrumu.
Nevienmērīga spirāle-pakāpeniski mazāka spoles diametrs no apakšas uz augšu-izveido mainīgu-sūknēšanas darbību. Apakšējās (platās) spoles rada lielu griezes momentu, griežot šķidrumu uz āru. Šķidrumam paceļoties, tas saskaras ar mazāku -diametra spolēm, kas palielina plūsmas ātrumu (leņķiskā impulsa saglabāšana: konstante v × r =). Paātrinātais šķidrums izvelk vēsāku šķidrumu no tvertnes centra, salaužot silto slāni. Rezultāts ir recirkulācijas šūna, kas aptver visu tvertnes augstumu, nepārtraukti apmainoties ar augšējo un apakšējo šķidrumu.
Stratifikācijas samazināšana ar spoles dizainu
| Tvertnes H:D attiecība | Sildītāja veids | Spoles diametri (apakšā → augšā) | Augšpuse-līdz-Apakšā ΔT ( grāds ) pie 80 grādu iestatītās vērtības | Stratifikācijas samazināšana | Sajaukšanas mehānisms |
|---|---|---|---|---|---|
| 3:1 | Taisns stienis (bez spirāles) | N/A | 14–18 | Sākumlīnija (0%) | Vāja dabiskā konvekcija |
| 3:1 | Vienveidīga spirāle | 200 mm konstante | 8–10 | 40–45% | Viena recirkulācijas šūna |
| 3:1 | Nevienmērīga{0}}spirāle | 250→150 mm | 3–4 | 75–80% | Mainīga sūknēšana |
| 4:1 | Vienveidīga spirāle | 200 mm konstante | 12–15 | Sākumlīnija (0%) | Stratificēts |
| 4:1 | Nevienmērīga{0}}spirāle | 300→150 mm | 4–6 | 60–70% | Divu-šūnu cirkulācija |
| 5:1 | Nevienmērīga{0}}spirāle | 350→120 mm | 5–7 | 55–65% | Vairāku{0}}šūnu cirkulācija |
| 5:1 | Nevienmērīga{0}}spirāle ar spurām | 350→120 mm + spuras | 2–4 | 75–85% | Uzlabota sajaukšana |
Optimālie spoles dizaina parametri
Augstai šaurai tvertnei (H/D > 4) optimālajai nevienmērīgajai spirālei ir:
Apakšējās spoles diametrs: 0,6–0,8 × tvertnes diametrs (bet nepieskaroties tvertnes sienai; saglabājiet 50 mm atstarpi)
Augšējā spoles diametrs: 0,3–0,4 × tvertnes diametrs
Konusa ātrums: lineāra samazināšana no apakšas uz augšu virs 60–80% no apsildāmā garuma
Spoles solis: nemainīgs (50–100 mm) vai nedaudz pieaugošs (augšpusē platāks)
Spolei jāsākas 100–200 mm virs tvertnes dibena un jābeidzas 200–300 mm zem šķidruma virsmas. Apakšējās spoles veic lielāko daļu sūknēšanas; augšējās spoles ir paredzētas siltuma sadalei, nevis primārajai apkurei.
CFD simulācijas rezultāti 3 m augstai, 0,8 m diametra tvertnei ar 6 kW sildītāju:
| Dizains | Apakšējā spole OD (mm) | Augšējā spole OD (mm) | Maksimālais ātrums (m/s) vidējā{0}}augstumā | ΔT (grāds) augšā-apakšā |
|---|---|---|---|---|
| Taisns stienis | N/A | N/A | 0.08 | 16 |
| Vienveidīga spirāle | 200 | 200 | 0.12 | 9.5 |
| Viegla konusveida | 250 | 180 | 0.18 | 5.5 |
| Agresīvs konusveida | 300 | 150 | 0.25 | 3.8 |
| Agresīvs + spuras | 300 | 150 | 0.32 | 2.5 |
Praktiski ierobežojumi
Nevienmērīgu spirālveida sildītāju ražošana ir dārgāka (par 30–50% augstāka nekā taisniem stieņiem), un tiem ir nepieciešams lielāks tvertnes klīrenss apakšā (liels spoles diametrs). Tvertnēm ar H:D < 3:1 ieguvums ir minimāls (stratifikācija jau tā ir zema). Tvertnēm ar mehāniskiem maisītājiem spirāle rada nelielu pievienoto vērtību, jo sajaukšana jau ir nodrošināta.
Nevienmērīgā spirāle rada arī lielāku spiediena kritumu, ja tvertnei ir piespiedu plūsma. Recirkulācijas sistēmās lielāki apakšējās spoles var ierobežot plūsmu. Pirms precizēšanas pārbaudiet spiediena kritumu.
Lauka piemērs
Ķīmiskajā rūpnīcā bija 4,5 m augsts, 1,0 m diametra reaktors viskozas eļļas (Pr=150) sildīšanai. Taisna stieņa PFA sildītājs radīja 22 grādu gradientu (apakšā 68 grādi, augšā 90 grādi). Iekārta pārgāja uz ne-vienmērīgu spirāli (380 mm apakšējā spole, 160 mm augšējā spole, nemainīgs solis 80 mm). Pēc uzstādīšanas gradients samazinājās līdz 6 grādiem (apakšā 82 grādi, augšējais 88 grādi). Eļļa apakšā sasniedza reakcijas temperatūru par 40% ātrāk, un partijas laiks samazinājās no 8 līdz 5 stundām. 2000 ASV dolāru pielāgotais sildītājs atmaksājās 3 mēnešos.
Secinājums: ne{0}}vienveidīga spirāle samazina stratifikāciju par 50–70%
Augstās šaurās tvertnēs (augstums:diametrs > 4:1) spirālveida PFA sildītājs ar nevienmērīgu spoles diametru (platāks apakšā, šaurāks augšpusē) samazina termisko noslāņošanos par 50–70%, salīdzinot ar vienmērīgiem sildītājiem. Mainīgais spoles diametrs rada sūknēšanas darbību, kas sajauc augšējo un apakšējo šķidrumu, novēršot siltos slāņus. Tvertnēm bez mehāniskiem maisītājiem un stingrām temperatūras vienmērīguma prasībām (farmaceitiskie reaktori, kristalizācijas tvertnes) norādiet nevienmērīgu spirāli. H:D < 3:1 vai tankiem ar piespiedu plūsmu ieguvums ir niecīgs. Stratifikācija ir vienmērīgas apkures ienaidnieks. Sūknēšanas spirāles pārtrauc stratifikāciju. Savelciet spoles, samaisiet tvertni, vienmērīgi uzkarsējiet. Apakšā ir nepieciešams siltums; augšpusē ir pārāk daudz. Izlīdziniet ar konusveida spirāli. Jūsu process būs jums pateicīgs.
