Вертикальний кожухотрубний дефлегматор або холодильник

Найпоширеніший в промисловості тип теплообмінника - кожухотрубнік. Варіант його конструктивного виконання залежить від завдань, що стоять перед користувачами. Кожухотрубнік не обов`язково повинен бути многотрубний - звичайний сорочковий дефлегматор, прямоточний (а) або протиточний (б) холодильник типу «труба в трубі» - це теж кожухотрубнікі.

Застосовуються і одноходові теплообмінники з перекрестноточним рухом теплоносіїв (в). Але найбільш ефективна і часто використовувана для многотрубний теплообмінників - багатоходова перекрестноточная схема (г).

При цій схемі один потік рідини або пара рухається по трубах, а назустріч йому зигзагоподібно, багаторазово перетинаючи труби, рухається другий теплоносій. Це гібрид противоточного і перехресного варіантів, який дозволяє зробити теплообмінник максимально компактним і ефективним.

Принцип роботи кожухотрубних теплообмінників і сфера їх застосування

У самогоноваріння багатоходові перекрестноточние холодильники прийнято називати кожухотрубнікамі (КХТ), а їх однотрубний варіант - проти- або прямоточним холодільніком.Соответственно, при використанні цих конструкцій в якості дефлегматорів - кожухотрубні і сорочкового дефлегматорами.

У домашніх самогонних апаратах, бражної і ректифікаційних колонах подачу пара здійснюють в ці теплообмінники по внутрішнім трубам, а охолоджуючої води - в кожух. Будь-якого промислового конструктора-теплотехніка це б обурило, так як саме в трубах можна створити високу швидкість теплоносія, значно збільшивши тепловіддачу і ККД установки. Однак у винокурів свої цілі і не завжди потрібен високий ККД.

Наприклад, в дефлегматор для парових колон, навпаки, потрібно пом`якшити градієнт температур, розмазати зону конденсації якомога більше по висоті, і, Сконденсована необхідну частину пара, не допустити переохолодження флегми.Да ще й точно регулювати цей процес. На перший план виходять зовсім інші критерії.

Серед застосовуваних в самогоноваріння холодильників найбільшого поширення набули змійовики, прямоточнікі і кожухотрубнікі. Кожен з них має свою сферу використання.

Для апаратів з низькою (до 1,5-2 л / год) продуктивністю найбільш раціонально застосування невеликих проточних змійовиків. При відсутності проточної води змеевики теж дають фору іншим варіантам. Класичний варіант - змійовик в відрі з водою. Якщо є водопровід і продуктивність апарату до 6-8 л / ч, то перевагу мають прямоточнікі, сконструйовані за принципом «труба в трубі», але з дуже малим кільцевим зазором (близько 1-1,5 мм). На парову трубу спиралевидно навивають дріт з кроком 2-3 см, яка центрує парову трубу і подовжує шлях охолоджуючої води. При потужностях нагріву до 4-5 кВт це найекономічніший варіант. Кожухотрубнік, безумовно, може замінити прямоточнік, але вартість виготовлення і витрата води буде вище.

Кожухотрубнік виступає на перший план при автономних системах охолодження, оскільки абсолютно невимогливий до тиску води. Як правило, звичайного акваріумного насоса вистачає для успішної роботи. Крім того, при потужностях нагріву від 5-6 кВт і вище кожухотрубний холодильник стає практично безальтернативним варіантом, так як довжина прямоточного холодильника для утилізації високих потужностей буде нераціональної.

Для дефлегматорів бражної колон ситуація дещо інша. При малих, до 28-30 мм, діаметрах колон найбільш раціональний звичайний рубашечнік (в принципі той же кожухотрубнік).

Для діаметрів 40-60 мм лідером стає дефлегматор Дімрота. Це високоточний охолоджувач з чіткою регульованою потужністю і абсолютною несхильністю до завоздушіванію. Дімрот дозволяє налаштувати режими з найменшим переохолодженням флегми. При роботі з насадочними колонами він, завдяки своїй конструкції, дає можливість центрувати повернення флегми, найкращим чином зрошуючи насадку.

Кожухотрубнік виходить на передній план при системах автономного охолодження. Зрошення насадки флегмою відбувається не в центрі колони, а по всій площині. Це менш ефективно ніж у Дімрота, але цілком допустимо. Витрата води при такому режимі у кожухотрубніка буде відчутно вище ніж у Дімрота.

Якщо потрібен конденсатор для колони з рідинним відбором, то Дімрот поза конкуренцією за рахунок точності регулювання і малого переохолодження флегми. Кожухотрубнік також застосовують для цих цілей, але переохолодження флегми важко уникнути і витрата води буде вище.

Основною причиною популярності кожухотрубніков у виробників побутових апаратів є те, що вони більш універсальні у використанні, а їх деталі легко уніфікуються. Крім того, застосування кожухотрубних дефлегматорів в апаратах типу «конструктор» або «перевертень» поза конкуренцією.

Розрахунок параметрів кожухотрубного дефлегматора

Розрахунок необхідної площі теплообміну можна виконати за спрощеною методикою.

1. Визначити коефіцієнт теплопередачі.

Найменування	Товщина шару h, м	питома теплопровідність λ, Вт / (м * К)	термічний опір R, (м2К) / Вт
Зона контакту металу з водою (R1)	0,00001
Метал трубок (нержавейка λ = 17, мідь - 400), (R2)	0,001	17	0,00006
Флегма (середня товщина плівки в зоні конденсації для дефлегматора 0,5 мм, для холодильника - 0,8 мм), (R3)	0,0005	1	0,0005
Зона контакту металу з парою, (R4)	0,0001
Сумарне термічний опір, (Rs)	0,00067
Коефіцієнт теплопередачі, (К) Вт / (м2К)	тисячі чотиреста дев`яносто три

Формули для розрахунків:

R = h / λ, (м2 К) / Вт-

Rs = R1 + R2 + R3 + R4, (м2 К) / Вт-

К = 1 / Rs, Вт / (м2 К).

2. Визначити середню різницю температур між парою і охолоджуючої водою.

Температура насиченого спиртового пара Тп = 78,15 ° C.

Максимальна потужність від дефлегматора потрібна в режимі роботи колони на себе, що супроводжується максимальною подачею води і мінімальної її температурою на виході. Тому приймемо, що температура води на вході в кожухотрубнік (15 - 20) - Т1 = 20 ° C, на виході (25 - 40) - Т2 = 30 ° C.

 Твх = Тп - Т1-

Твих = Тп - Т2-

Середню температуру (ТСР) порахуємо за формулою:

ТСР = (Твх - Твих) / Ln (Твх / Твих).

Тобто, в нашому випадку округлено:

Твх = 58 ° C-

Твих = 48 ° C.

ТСР = (58 - 48) / Ln (58/48) = 10 / Ln (1,21) = 53 ° C.

3. Розрахувати площу теплообміну. Виходячи з відомого коефіцієнта теплопередачі (К) і середньої температури (ТСР), визначаємо необхідну площу поверхні для теплообміну (Sт) для необхідної теплової потужності (N), Вт.

Sт = N / (Tср * К), м²-

Якщо нам, наприклад, потрібно утилізувати 1800 Вт, то Sт = 1800 / (53 * 1493) = 0,0227 м², або 227 см².

4. Геометричний розрахунок. Визначимося з мінімальним діаметром трубок. У дефлегматоре флегма йде назустріч пару, тому необхідно дотримати умови для її вільного стікання в насадку без зайвого переохолодження. Якщо зробити трубки занадто малого діаметра, можна спровокувати захлеб або викид флегми в зону над дефлегматором і далі в відбір, тоді про гарному очищенню від домішок можна буде просто забути.

Мінімальна сумарна перетин трубок при заданій потужності порахуємо за формулою:

Sсеч = N * 750 / V, мм², де

N - потужність (кВт)-

750 - пароутворення (див³ / С кВт)-

V - швидкість пара (м / с)-

Sсеч - мінімальна площа поперечного перерізу трубок (мм²)

При розрахунках дистиляторів колонного типу потужність нагріву вибирають виходячи з максимальної швидкості пара в колоні 1-2 м / с. Вважається, що якщо швидкість перевищить 3 м / с, то пар буде гнати флегму вгору по колоні і закидати в відбір.

Якщо потрібно утилізувати в дефлегматоре 1,8 кВт:

 Sсеч = 1,8 * 750/3 = 450 мм².

Якщо робити дефлегматор з 3 трубками, значить, площа перетину однієї трубки не менше 450/3 = 150 мм², внутрішній діаметр - 13,8 мм. Найближчий більший зі стандартних розмірів труб - 16 х 1 мм (внутрішній діаметр 14 мм).

При відомому діаметрі труб d (см) знаходимо мінімально необхідну їх сумарну довжину:

L = S т / (3,14 * d)-

L = 227 / (3,14 * 1,6) = 45 см.

Якщо зробимо 3 трубки, то довжина дефлегматора повинна бути близько 15 см.

Довжину коректують враховуючи, що відстань між перегородками має приблизно дорівнювати внутрішньому радіусу корпусу. Якщо число перегородок буде парним, то патрубки для подачі і зливу води опиняться на протилежних сторонах, а якщо непарних - на одній стороні дефлегматора.

Збільшення або зменшення довжини труб в межах величини радіуса побутових колон не створить проблем з керованістю або потужністю дефлегматора, так як відповідає погрішностей при розрахунку і може бути компенсовано подальшими конструктивними рішеннями. Можна розглянути варіанти з 3, 5, 7 і більше трубками, потім вибрати зі своєї точки зору оптимальний.

Конструктивні особливості кожухотрубного теплообмінника

перегородки

Відстань між перегородками орієнтовно дорівнює радіусу корпусу. Чим менший цей період, тим більше швидкість потоку і менше можливість виникнення застійних зон.

Перегородки направляють потік поперек трубок, це відчутно збільшує ККД і потужність теплообмінника. Також перегородки перешкоджають прогину трубок під впливом теплових навантажень і збільшують жорсткість кожухотрубного дефлегматора.

У перегородках вирізають сегменти для проходу води. Сегменти повинні бути не менше площі перетину патрубків для подачі води. Зазвичай ця величина складає близько 25-30% від площі перегородки. У будь-якому випадку, сегменти повинні забезпечити рівність швидкості води по всій траєкторії руху, як в трубному пучку, так і зазорі між пучком і корпусом.

Для дефлегматора, незважаючи на його невелику (150-200 мм) довжину, є сенс зробити кілька перегородок. Якщо їх число буде парним, штуцери виявляться на протилежних сторонах, якщо непарних - на одній стороні дефлегматора.

При установці поперечних перегородок важливо забезпечити якомога менший зазор між корпусом і перегородкою.

трубки

Товщина стінок трубок особливого значення не має. Різниця коефіцієнта теплопередачі для товщини стінки 0,5 і 1,5 мм мізерно мала. За фактом трубки є термічно прозорими. Вибір між міддю і нержавейкой, з точки зору теплопровідності, також втрачає сенс. При виборі потрібно виходити з експлуатаційних або технологічних властивостей.

При розмітці трубної дошки керуються тим, що відстані між осями трубок повинно бути однаковим. Зазвичай їх розміщують в вершинах і по сторонам правильного трикутника або шестикутника. За цими схемами при одному і тому ж етапі можна розмістити максимальну кількість трубок. Центральна трубка найчастіше стає проблемною, якщо відстані між трубками в пучку не однакові.

На малюнку показаний приклад правильного розташування отворів.

Для зручності зварювання відстань між трубками не варто робити менше 3 мм. Для забезпечення міцності з`єднань матеріал трубної решітки повинен бути більш твердим, ніж матеріал труб, а зазор між гратами і трубами - не більше 1,5% від діаметра труб.

При зварюванні кінці труб повинні виступати над гратами на відстань рівну товщині стінки. У наших прикладах - на 1 мм, це дозволить зробити якісний шов, оплавився трубу.

Розрахунок параметрів кожухотрубного холодильника

Головна відмінність кожухотрубного холодильника від дефлегматора полягає в тому, що флегма в холодильнику тече в одному напрямку з парою, тому шар флегми в зоні конденсації збільшується від мінімального до максимального більш плавно, а середня його товщина трохи більше.

Для розрахунків рекомендуємо задавати товщину, рівну 0,8 мм. У дефлегматоре же все навпаки - спочатку товстий шар флегми, що злилася з усією поверхні, зустрічає пар і практично не дає йому повноцінно конденсуватися. Потім, подолавши цей бар`єр, пара потрапляє в зону з мінімальної, близько 0,5 мм завтовшки, плівки флегми. Це товщина на рівні її динамічного утримання, конденсація відбувається, в основному, в цій зоні.

Прийнявши середню товщину шару флегми рівній 0,8 мм, на конкретному прикладі розглянемо особливості розрахунку параметрів кожухотрубного холодильника за спрощеною методикою.

Найменування	Товщина шару h, м	питома теплопровідність λ, Вт / (м * К)	термічний опір R, (м2К) / Вт
Зона контакту металу з водою, (R1)	0,00001
Метал трубок (нержавейка λ = 17, мідь - 400), (R2)	0,001	17	0,00006
Флегма, (R3)	0,0008	1	0,001
Зона контакту металу з парою, (R4)	0,0001
Сумарне термічний опір, (Rs)	0,00117
Коефіцієнт теплопередачі, (К) Вт / (м2К)	855,6

Максимальні вимоги по потужності до холодильника пред`являє першими перегонка, для якої і роблять розрахунок. Корисна потужність нагріву - 4,5 кВт. Температура води на вході - 20 ° C, на виході - 30 ° C, пара - 92 ° C.

Твх = 92 - 20 = 72 ° C-

Твих = 92 - 30 = 62 ° C-

ТСР = (72 - 62) / Ln (72/62) = 67 ° C.

Площа теплообміну:

Sт = 4500 / (67 * 855,6) = 787 см².

Мінімальна сумарна площа перетину труб:

S січ = 4.5 * 750/10 = 338 мм ²-

Вибираємо 7-ми трубний холодильник. Площа перетину однієї труби: 338/7 = 48 мм або внутрішній діаметр 8 мм. З стандартного асортименту труб підходить 10х1 мм (з внутрішнім діаметром 8 мм).

Увага! При розрахунку довжини холодильника потрібен зовнішній діаметр - 10 мм.

Визначаємо довжину трубок холодильника:

L = 787 / 3,14 / 1 = 250 см, отже, довжина однієї трубки: 250/7 = 36 см.

Проводимо уточнення довжини: якщо корпус холодильника виконаний з труби з внутрішнім діаметром 50 мм, то між перегородками має бути 25 мм.

36 / 2,5 = 14,4.

Отже, можна зробити 14 перегородок і отримати патрубки введення-виведення води в різні боки, або 15 перегородок і патрубки будуть дивитися в одну сторону, також злегка підросте потужність. Вибираємо 15 перегородок і коригуємо довжину трубок до 37,5 мм.

Креслення кожухотрубних дефлегматорів і холодильників

Виробники не поспішають ділитися своїми кресленнями кожухотрубних теплообмінників, а домашні майстри не особливо в них потребують, але все ж деякі схеми є в публічному доступі.

Післямова

Не слід забувати, що все вищесказане - теоретичний розрахунок за спрощеною методикою. Теплотехнічні розрахунки набагато складніше, але в реальному побутовому діапазоні зміни потужностей нагріву та інших параметрів методика дає коректні результати.

На практиці коефіцієнт теплопередачі може виявитися іншим. Наприклад, через підвищену шорсткості внутрішньої поверхні труб шар флегми стане вище розрахункового, або холодильник буде розташований не вертикально, а під кутом, що змінить його характеристики. варіантів багато.

Розрахунок дозволяє досить точно визначити розміри теплообмінника, перевірити як вплине на характеристики зміна діаметра труб і без зайвих витрат відкинути всі негідні або гарантовано гірші варіанти.