क्या गैर-समान कुंडल व्यास वाला हेलिकल पीएफए ​​हीटर एक लंबे संकीर्ण टैंक में थर्मल स्तरीकरण को कम कर सकता है?

थर्मल स्तरीकरण लंबे, संकीर्ण टैंकों (ऊंचाई: व्यास अनुपात > 3:1) के साथ एक समस्या है, जिन्हें ऊर्ध्वाधर विसर्जन हीटर का उपयोग करके गर्म किया जाता है, जिसमें गर्म तरल शीर्ष पर और ठंडा तरल नीचे इकट्ठा होता है। गैर-समान कुंडल व्यास वाला एक पेचदार पीएफए ​​हीटर, यानी नीचे बड़े व्यास वाले कुंडल और शीर्ष पर छोटे व्यास वाले कुंडल, स्तरीकरण को 50 से 70% तक कम कर सकते हैं। बड़ी निचली कुंडलियाँ शक्तिशाली संवहन धाराएँ प्रदान करती हैं जो निचले क्षेत्र को मिलाती हैं, और छोटी ऊपरी कुंडलियाँ तरल सतह को अत्यधिक गर्म होने से रोकती हैं। परिवर्तनीय व्यास एक पंपिंग प्रभाव पैदा करता है: गर्म तरल पदार्थ चौड़े तल वाले कॉइल से ऊपर उठता है, ठंडे तरल पदार्थ में प्रवेश करता है और गर्मी को अधिक समान रूप से वितरित करता है। 3 मीटर ऊंचे और 0.8 मीटर व्यास वाले टैंक की सीएफडी मॉडलिंग इंगित करती है कि एक समान हेलिक्स ऊपर से नीचे तक 12 डिग्री का ग्रेडिएंट उत्पन्न करता है, और एक गैर-समान हेलिक्स (निचली कुंडल पर 300 मिमी व्यास और शीर्ष कुंडल पर 150 मिमी व्यास) इसे 4 - 5 डिग्री तक नीचे लाता है। गैर-समान हेलिकल हीटरों को यांत्रिक हलचल के बिना ऊंचाई/व्यास अनुपात > 4:1 वाले टैंकों के लिए दर्शाया गया है।

पेचदार प्रवाह और स्तरीकरण तंत्र
एक लम्बे संकीर्ण टैंक में ऊर्ध्वाधर हीटर से प्राकृतिक संवहन के कारण हीटर की सतह के साथ एक प्लम ऊपर उठता है। प्लम शीर्ष तक फैला हुआ है और एक गर्म परत बनाने के लिए फैल गया है। उछाल बल मामूली होते हैं जो आगे मिश्रण और गर्म परत को रोकते हैं। एक विशिष्ट पेचदार हीटर (निरंतर कुंडल व्यास) एक एकल कताई प्रवाह सेल का उत्पादन करता है जो ऊपर और नीचे के तरल पदार्थ का कुशलतापूर्वक आदान-प्रदान नहीं करता है।

एक गैर {{0}समान हेलिक्स, कुंडल व्यास के साथ धीरे-धीरे नीचे से ऊपर तक संकीर्ण होता है, एक चर {{1}पिच पंपिंग गति उत्पन्न करता है। नीचे की कुंडलियाँ चौड़ी होने के कारण पर्याप्त टॉर्क प्रदान करती हैं और द्रव को बाहर की ओर फेंकती हैं। जैसे ही द्रव ऊपर उठता है यह छोटे व्यास की कुंडलियों से टकराता है जिससे प्रवाह का वेग बढ़ जाता है (कोणीय गति का संरक्षण: v * r=स्थिरांक)। तेज़ तरल पदार्थ गर्म परत को तोड़ते हुए, टैंक के केंद्र से ठंडे तरल में प्रवेश करता है। यह टैंक की पूरी ऊंचाई पर एक रीसर्क्युलेशन सेल का निर्माण करता है जो लगातार ऊपर और नीचे के तरल पदार्थ का आदान-प्रदान करता है।

कुंडल डिजाइन स्तरीकरण में कमी
टैंक एच:डी अनुपात हीटर प्रकार कुंडल व्यास (नीचे→ऊपर) 3:1 सीधी छड़ (कोई हेलिक्स नहीं) एन/ए 14-18 बेसलाइन (0%) स्तरीकरण कटौती मिश्रण तंत्र कमजोर प्राकृतिक संवहन
3:1 यूनिफ़ॉर्म हेलिक्स कॉन्स्टैंट 200 मिमी 8 से 10 40 से 45% सिंगल रीसर्क्युलेशन सेल 3:1 नॉन{8}} यूनिफ़ॉर्म हेलिक्स 250→150 मिमी 3–{12}}–80% वेरिएबल पंपिंग 4:1 यूनिफ़ॉर्म हेलिक्स 200 मिमी कॉन्स्टेंट 12{21}}15 बेसलाइन (0%) स्तरीकृत 4:1 नॉन-यूनिफ़ॉर्म हेलिक्स 300-150 मिमी 4-6 60-70%दो सेल परिसंचरण
5:1 हेलिक्स नॉन-यूनिफ़ॉर्म 350–120 मिमी 5–{6}}–65%मल्टी-सेल टर्नओवर
5:1 350→120 मिमी + पंखों के साथ गैर -समान हेलिक्स 2-4 75-85%अनुकूलित मिश्रण सर्वोत्तम कुंडल डिजाइन पैरामीटर्स
एक लम्बे संकीर्ण टैंक (H/D > 4) के लिए सर्वोत्तम गैर-{0}}समान हेलिक्स में है:

बॉटम कॉइल व्यास: 0.6-0.8 x टैंक व्यास (लेकिन टैंक की दीवार से संपर्क नहीं; 50 मिमी निकासी बनाए रखें)

शीर्ष कुंडल व्यास: 0.3-0.4 * टैंक व्यास

टेपर दर: गर्म लंबाई के 60-80% से अधिक नीचे से ऊपर तक रैखिक टेपर

कुंडल पिच: स्थिर (50-100 मिमी) या धीरे-धीरे बढ़ रही है (शीर्ष पर व्यापक)

कुंडल को टैंक के तल से 100-200 मिमी शुरू करना चाहिए और तरल सतह से 200-300 मिमी तक समाप्त करना चाहिए। निचली कुंडलियाँ अधिकांश पम्पिंग का संचालन करती हैं। ऊपरी कॉइल्स गर्मी वितरण के लिए हैं, प्राथमिक हीटिंग के लिए नहीं।

6 किलोवाट हीटर के साथ 3 मीटर लंबे और 0.8 मीटर व्यास वाले टैंक के सीएफडी सिमुलेशन परिणाम:

डिज़ाइन बॉटम कॉइल OD (मिमी) टॉप कॉइल OD (मिमी) अधिकतम वेग (m/s) मध्य {{0}ऊंचाई ΔT (डिग्री ) शीर्ष -बॉटम पर
सीधी छड़ एन/एएन/ए 0.08 16
एकसमान हेलिक्स 200 200 0.12 9.5
हल्का टेपर 250 180 0.18 5.5
आक्रामक टेपर 300 150 0.25 3.8
आक्रामक + पंख 300 150 0.32 2.5 व्यावहारिक सीमाएँ
गैर-समान हेलिकल हीटर बनाना अधिक महंगा है (सीधी छड़ों की तुलना में 30-50% प्रीमियम) और टैंक के निचले हिस्से (बड़े कुंडल व्यास) में अधिक निकासी की आवश्यकता होती है। H:D <3:1 वाले टैंकों के लिए लाभ छोटा है (स्तरीकरण पहले से ही कम है)। यांत्रिक आंदोलनकारी वाले टैंकों के लिए हेलिक्स न्यूनतम लाभ प्रदान करता है क्योंकि मिश्रण पहले से ही प्रदान किया जाता है।

हेलिक्स भी असमान है और यदि टैंक में मजबूर प्रवाह हो तो महत्वपूर्ण दबाव में गिरावट उत्पन्न करता है। बड़े बॉटम कॉइल रीसर्क्युलेटिंग सिस्टम पर प्रवाह को सीमित कर सकते हैं। निर्दिष्ट करने से पहले दबाव ड्रॉप की जाँच करें।

फ़ील्ड उदाहरण
रासायनिक संयंत्र ने चिपचिपे तेल (Pr=150) को गर्म करने के लिए 4.5 मीटर की ऊंचाई और 1.0 मीटर के व्यास वाले एक रिएक्टर का उपयोग किया। स्ट्रेट रॉड पीएफए ​​हीटर ने 22 डिग्री (नीचे 68 डिग्री, शीर्ष 90 डिग्री) का ग्रेडिएंट उत्पन्न किया। संयंत्र को गैर-समान हेलिक्स (निचला कुंडल 380 मिमी, शीर्ष कुंडल 160 मिमी, निरंतर पिच 80 मिमी) में परिवर्तित किया गया है। स्थापना के बाद ढाल 6 डिग्री (नीचे 82 डिग्री, शिखर 88 डिग्री) तक गिर गई। नीचे का तेल 40% तेजी से प्रतिक्रिया तापमान तक गर्म हो गया और बैच का समय 8 से घटकर 5 घंटे हो गया। $2,000 के विशेष हीटर ने 3 महीने में अपना भुगतान कर दिया।

निष्कर्ष: गैर -समान हेलिक्स स्तरीकरण को 50-70% तक कम कर देता है
गैर-समान कुंडल व्यास (नीचे चौड़ा, ऊपर संकरा) वाला हेलिकल पीएफए ​​हीटर, समान हीटरों की तुलना में लंबे संकीर्ण टैंकों (ऊंचाई: व्यास> 4:1) में थर्मल स्तरीकरण को 50-70% कम करता है। यह परिवर्तनशील कुंडल व्यास एक पंपिंग क्रिया का कारण बनता है जो ऊपर और नीचे के तरल पदार्थ को हिलाता है। इसलिए कोई गर्म परतें नहीं हैं। यांत्रिक हलचल के बिना और तापमान एकरूपता (फार्मास्युटिकल रिएक्टर, क्रिस्टलीकरण टैंक) के लिए उच्च आवश्यकताओं वाले टैंकों के लिए गैर-समान हेलिक्स निर्दिष्ट करें। एच:डी <3:1 या मजबूर प्रवाह टैंक के लिए लाभ न्यूनतम है। स्तरीकरण सम तापन का विरोधी है। पम्पिंग में हेलिक्स स्तरीकरण को तोड़ते हैं। समान रूप से गरम करें. टैंक हिलाओ. कॉइल्स को टेपर करें. तली में गर्मी का अभाव है; शीर्ष पर बहुत अधिक है. पतला हेलिक्स समकरण। आपकी प्रक्रिया आभारी रहेगी.