Кожухотрубный холодильник и дефлегматор своими руками

Также используются однопроходные теплообменники с теплоносителями с поперечным потоком (c). Но наиболее эффективной и часто применяемой для многотрубных теплообменников является многопоточная схема (г).

При такой схеме поток жидкости или пара движется по трубам, а второй теплоноситель движется к нему зигзагообразно, многократно пересекая трубы. Это гибрид противотока и поперечного потока, который позволяет теплообменнику быть максимально компактным и эффективным.

Принцип работы кожухотрубных теплообменников и сфера их применения

В домашнем производстве многопроходные холодильники с поперечным потоком обычно называют кожухотрубными охладителями (КНТ), а их однотрубные версии — прямоточными или противоточными холодильниками. Следовательно, при использовании этих конструкций в качестве дефлегматоров — кожухотрубные и курточные дефлегматоры.

В бытовых перегонных кубах, пивных и ректификационных колоннах пар подается в эти теплообменники по внутренним трубкам, а охлаждающая вода подается в кожух. Любой промышленный проектировщик-инженер по отоплению возмутился бы, так как именно в трубах может создаваться высокая скорость теплоносителя, значительно увеличивая теплоотдачу и КПД системы. Однако у кубов есть свои цели, и они не всегда нуждаются в высокой эффективности.

Например, в обратных холодильниках для паровых колонн, наоборот, требуется смягчить градиент температуры, максимально расширить зону конденсации по высоте и после конденсации необходимой части пара избежать переохлаждения паров рефлюкс. Кроме того, чтобы отладить этот процесс. На первый план выходят самые разные критерии.

Среди холодильников, используемых в домашнем производстве, наиболее распространены змеевики, прямоточные и трубчатые трубы. У каждого из них своя сфера применения.

Для аппаратов с низкой производительностью (до 1,5-2 л / ч) наиболее рационально использование небольших проточных змеевиков. При отсутствии проточной воды змеевики дают фору и другим вариантам. Классический вариант — змеевик в ведре с водой. При наличии водопровода и производительности устройства до 6-8 л / ч, прямоточные магистрали, построенные по принципу «труба в трубе», но с очень маленьким кольцевым зазором (около 1 — 1,5 мм), имеют преимущество. На паровую трубку наматывается проволока с шагом 2-3 см, которая центрирует паровую трубку и расширяет путь охлаждающей воды. При мощности нагрева до 4-5 кВт это самый дешевый вариант. Кожух и труба, безусловно, могут заменить проходной, но стоимость производства и потребление воды будут выше.

Кожух и трубка выходят на первый план в автономных системах охлаждения, так как совершенно нетребовательны к давлению воды. Как правило, для хорошей работы достаточно обычной аквариумной помпы. Кроме того, при тепловой мощности 5-6 кВт и выше кожухотрубный холодильник практически не становится альтернативой, так как длина однопроходного холодильника для использования больших мощностей будет нерациональной.

Для диаметров 40-60 мм дефлемматор Dimroth становится лидером. Это высокоточный охладитель с точным регулированием мощности и абсолютным сопротивлением воздуху. Димрот позволяет корректировать режимы с минимальным переохлаждением мокроты. При работе с насадочными колоннами, благодаря своей конструкции, он позволяет центрировать возврат отлива, оптимально орошая упаковку.

Кожух и трубка выходят на первый план в автономных системах охлаждения. Отлив насадки происходит не по центру колонны, а по всей плоскости. Это менее эффективно, чем у Димрота, но вполне приемлемо. Расход воды в этом режиме для оболочки и трубки будет значительно выше, чем для Димрота.

Если вам нужен конденсатор для колонны отвода жидкости, то Dimroth вне конкуренции благодаря точности регулирования и низкому обратному охлаждению. Кожух и трубка также используются для этих целей, но переохлаждения мокроты трудно избежать, и потребление воды будет больше.

Основная причина популярности кожухотрубных узлов среди производителей бытовой техники заключается в том, что они более универсальны в использовании, а их части легко соединяются. Кроме того, использование кожухотрубных дефлекторов в устройствах типа «строительный» или «изменяющий форму» не имеет себе равных.

Расчет параметров кожухотрубного дефлегматора

Расчет необходимой площади теплообмена можно произвести по упрощенной методике.

1. Определите коэффициент теплопередачи.

Формулы расчета:

R = ч /, (м2 · К) / Вт;

Rs = R1 + R2 + R3 + R4, (м2 · К) / Вт;

K = 1 / Rs, Вт / (м2 · К).

2. Определите среднюю разницу температур пара и охлаждающей воды.

Температура насыщенного спиртового пара Tp = 78,15 ° C.

Максимальная мощность обратного конденсатора необходима в режиме работы самой колонны, который сопровождается максимальной подачей воды и минимальной ее температурой на выходе. Поэтому предположим, что температура воды на входе в кожух (15-20) составляет Т1 = 20 ° C, на выходе (25-40) — Т2 = 30 ° C.

 Tvx = Tp — T1;

Thv = TP — T2;

Средняя температура (Tav) рассчитывается по формуле:

Тав = (Твх — Твых) / Лн (Твх / Твых).

То есть в нашем случае с округлением:

Tvx = 58 ° C;

Tv = 48 ° С.

Тср = (58 — 48) / Ln (58/48) = 10 / Ln (1,21) = 53 ° С.

3. Рассчитайте площадь теплообмена. На основе известного коэффициента теплопередачи (K) и средней температуры (Tav) определяем поверхность, необходимую для теплопередачи (St) для требуемой тепловой мощности (N), W.

St = N / (Tav * K), м2;

Например, если мы используем 1800 Вт, то St = 1800 / (53 * 1493) = 0,0227 м2 или 227 см2.

4. Геометрический расчет. Определяемся с минимальным диаметром труб. В дефлегматоре мокрота уходит в пар, поэтому необходимо соблюдать условия для ее свободного истечения в сопло без чрезмерного переохлаждения. Если вы сделаете трубы слишком маленького диаметра, вы можете вызвать затопление или выделение мокроты в области над дефлемматором и далее в выделении, так что о хорошей очистке от примесей можно просто забыть.

Минимальное полное сечение труб при заданной мощности рассчитывается по формуле:

Сечение = Н * 750 / В, мм2, где

N — мощность (кВт);

750 — паропроизводительность (см3 / с кВт);

V — скорость пара (м / с);

Ssection — минимальная площадь поперечного сечения труб (мм2)

При расчете кубиков колонны мощность нагрева выбирается исходя из максимальной скорости пара в колонне 1-2 м / с. Считается, что если скорость превышает 3 м / с, пар будет направлять отлив вдоль колонны и отбрасывать ее на взлет.

Если вам необходимо утилизировать дефлегматор мощностью 1,8 кВт:

 Сечение = 1,8 * 750/3 = 450 мм2.

При изготовлении обратного конденсатора с 3 трубками площадь поперечного сечения трубы не менее 450/3 = 150 мм2, внутренний диаметр — 13,8 мм. Ближайший стандартный размер трубки — 16 x 1 мм (внутренний диаметр 14 мм).

Зная диаметр труб d (см), находим их минимально необходимую общую длину:

L = St / (3,14 * d);

L = 227 / (3,14 * 1,6) = 45 см.

Если сделать 3 трубы, длина орошения конденсатора должна быть около 15 см.

Длина регулируется с учетом того, что расстояние между дефлекторами должно быть примерно равно внутреннему радиусу корпуса. При четном количестве перегородок трубы для подачи воды и слива будут с противоположных сторон, а при нечетном — с одной стороны дефлемматора.

Увеличение или уменьшение длины труб в радиусе бытовых колонн не создаст проблем с управляемостью или мощностью обратного конденсатора, так как соответствует погрешностям расчета и может быть компенсировано дополнительными конструктивными решениями. Вы можете рассмотреть варианты с 3, 5, 7 и более трубками, а затем выбрать лучшую, с вашей точки зрения.

Конструктивные особенности кожухотрубного теплообменника

Перегородки

Расстояние между дефлекторами примерно равно радиусу корпуса. Чем короче это расстояние, тем больше расход и меньше вероятность застойных участков.

Перегородки направляют поток по трубам, что значительно увеличивает эффективность и мощность теплообменника. Кроме того, дефлекторы предотвращают изгиб трубок под действием тепловых нагрузок и увеличивают жесткость дефлектора пучка труб.

Сегменты врезаются в перегородки для прохода воды. Сегменты должны быть не меньше площади поперечного сечения водопроводных труб. Обычно это значение составляет около 25-30% площади дефлектора. В любом случае сегменты должны гарантировать равенство скорости воды по всей траектории движения, как в пучке труб, так и в зазоре между пучком и корпусом.

Для обратного конденсатора, несмотря на небольшую длину (150-200 мм), имеет смысл сделать несколько перегородок. Если их количество четное, штуцеры будут на противоположных сторонах, если нечетное — на одной стороне обратного конденсатора.

При установке поперечных перегородок важно, чтобы зазор между корпусом и перегородкой был как можно меньше.

Трубки

Толщина стенок труб особого значения не имеет. Разница в коэффициенте теплопередачи для толщины стенок 0,5 и 1,5 мм незначительна. На самом деле трубки термопрозрачны. Выбор между медью и нержавеющей сталью по теплопроводности тоже не имеет смысла. При выборе нужно исходить из эксплуатационных или технологических свойств.

При разметке трубной решетки руководствуются тем, что расстояния между осями трубок должны быть одинаковыми. Обычно их размещают в вершинах и сторонах правильного треугольника или шестиугольника. По этим схемам на одном шаге можно разместить максимальное количество труб. Центральная труба в большинстве случаев становится проблемой, если расстояния между трубками в пучке не одинаковы.

На рисунке показан пример правильной схемы расположения отверстий.

Для удобства сварки расстояние между трубами должно быть не менее 3 мм. Чтобы обеспечить прочность соединений, материал трубной решетки должен быть тверже материала трубки, а зазор между листом и трубами не должен превышать 1,5% диаметра трубки.

При сварке концы труб должны выступать над сеткой на расстояние, равное толщине стены. В наших примерах — 1 мм, это позволит сделать качественный шов путем сплавления трубки.

Расчет параметров кожухотрубного холодильника

Основное различие между кожухотрубным холодильником и обратным конденсатором заключается в том, что обратный поток в холодильнике течет в одном направлении с паром, поэтому слой орошения в зоне конденсации увеличивается от минимального до максимального более равномерно, а его средняя толщина составляет меньше немного больше.

Для расчетов рекомендуется установить толщину 0,8 мм. В дефлегматоре все наоборот: сначала толстый слой мокроты, растаявший со всей поверхности, встречает пар и практически не дает ему полностью конденсироваться. Затем, как только этот барьер будет преодолен, пар попадает в зону с минимальной пленкой флегмы толщиной примерно 0,5 мм. Это толщина на уровне его динамического удержания; конденсация происходит в основном в этой области.

Принимая среднюю толщину флегмы равной 0,8 мм, на конкретном примере рассмотрим особенности расчета параметров кожухотрубного охладителя по упрощенной методике.

Максимальные требования к мощности для холодильника представлены по первой перегонке, для которой произведен расчет. Полезная тепловая мощность — 4,5 кВт. Температура воды на входе — 20 ° C, на выходе — 30 ° C, пара — 92 ° C.

Tvx = 92 — 20 = 72 ° С;

Tv = 92 — 30 = 62 ° С;

Тср = (72 — 62) / Ln (72/62) = 67 ° С.

Площадь теплообмена:

Ст = 4500 / (67 * 855,6) = 787 см².

Минимальная общая площадь поперечного сечения труб:

Сечение S = 4,5 * 750/10 = 338 мм²;

Выбираем 7-трубный холодильник. Площадь сечения трубы: 338/7 = 48 мм или внутренний диаметр 8 мм. Из стандартного ассортимента труб подойдет 10х1 мм (при внутреннем диаметре 8 мм).

Внимание! При расчете длины холодильника потребуется внешний диаметр 10 мм.

Определите длину труб холодильника:

L = 787 / 3,14 / 1 = 250 см, следовательно, длина трубки: 250/7 = 36 см.

Уточним длину: если корпус холодильника состоит из трубы с внутренним диаметром 50 мм, то между перегородками должно быть 25 мм.

36 / 2,5 = 14,4.

Таким образом, можно сделать 14 перегородок и получить трубы входа-выхода воды в разные стороны, либо 15 перегородок и трубы будут смотреть в одну сторону, мощность тоже немного увеличится. Подбираем 15 перегородок и регулируем длину труб до 37,5 мм.

Чертежи кожухотрубных дефлегматоров и холодильников

Производители не спешат делиться своими конструкциями кожухотрубных теплообменников, и домашним мастерам они действительно не нужны, но некоторые схемы все еще находятся в открытом доступе.

Послесловие

Не следует забывать, что все вышесказанное является теоретическим расчетом по упрощенной методике. Тепловые расчеты намного сложнее, но в реальном бытовом диапазоне изменения тепловой мощности и других параметров методика дает правильные результаты.

На практике коэффициент теплоотдачи может быть разным. Например, из-за повышенной шероховатости внутренней поверхности труб слой отлива станет выше расчетного или холодильник будет размещен не вертикально, а под углом, что изменит его характеристики. Есть много вариантов.

Расчет позволяет точно определить размер теплообменника, проверить, как изменение диаметра труб повлияет на характеристики и без дополнительных затрат отбросить все худшие непригодные или гарантированные варианты.

Автор статьи — Игорь Гор.