Pionowy deflegmator płaszczowo-rurowy lub chłodnica

Najpopularniejszym typem wymiennika ciepła w przemyśle jest płaszcz i rura. Wersja jego projektu zależy od zadań stojących przed użytkownikami. Płaszcz-rura nie musi być wielorurowa - konwencjonalny chłodnica zwrotna z płaszczem, z przepływem bezpośrednim (a) lub przeciwprądowym (b) chłodnica typu „rura w rurze” jest również płaszczem i -rura.

Stosowane są również jednobiegowe wymienniki ciepła z płynami przenoszącymi ciepło o przepływie krzyżowym (c). Jednak najbardziej efektywnym i często używanym w przypadku wielorurowych wymienników ciepła jest wieloprzepływowy schemat przepływu krzyżowego (d).

W tym schemacie jeden strumień cieczy lub pary przepływa przez rury, a drugi płyn chłodzący przesuwa się w jego kierunku zygzakiem, wielokrotnie przecinając rury. Jest to hybryda opcji przepływu przeciwprądowego i krzyżowego, co pozwala na wykonanie możliwie kompaktowego i wydajnego wymiennika ciepła..

Zasada działania płaszczowo-rurowych wymienników ciepła i ich zakres

W piwowarstwie domowym lodówki wieloprzepływowe z przepływem krzyżowym są zwykle nazywane lodówkami płaszczowo-rurowymi (KHT), a ich wersja z pojedynczą rurą nazywana jest lodówką z przepływem przeciwprądowym lub bezpośrednim..

W domowych alembikach, kolumnach piwnych i rektyfikacyjnych para jest dostarczana do wymienników ciepła przez wewnętrzne rury, a woda chłodząca jest dostarczana do obudowy. Każdy inżynier zajmujący się ogrzewaniem przemysłowym byłby oburzony, ponieważ w rurach można wytworzyć dużą prędkość chłodziwa, znacznie zwiększając przenoszenie ciepła i wydajność instalacji. Jednak destylatorzy mają swoje własne cele i nie zawsze potrzebują wysokiej wydajności..

Na przykład w chłodnicach zwrotnych do kolumn parowych, przeciwnie, wymagane jest złagodzenie gradientu temperatury, rozłożenie strefy kondensacji na jak największą wysokość i po skropleniu niezbędnej części pary, zapobieganie przechłodzeniu refluksu , a także precyzyjnie regulować ten proces. Na pierwszy plan wysuwają się bardzo różne kryteria.

Wśród lodówek stosowanych w piwowarstwie domowym najbardziej rozpowszechnione są cewki, rury o przepływie bezpośrednim oraz rury płaszczowo-rurowe. Każdy z nich ma swój własny zakres.

W przypadku urządzeń o niskiej (do 1,5-2 l / h) wydajności najbardziej racjonalne jest zastosowanie małych wężownic przepływowych. W przypadku braku bieżącej wody cewki dają również szanse na inne opcje. Wersja klasyczna to cewka w wiadrze z wodą. Jeśli istnieje system wodociągowy, a wydajność urządzenia wynosi do 6-8 l / h, to linie o przepływie bezpośrednim, zaprojektowane zgodnie z zasadą „rura w rurze”, ale z bardzo małą szczeliną pierścieniową ( około 1-1,5 mm), mają przewagę. Drut jest spiralnie nawinięty na rurę parową z krokiem 2-3 cm, który wyśrodkowuje rurę parową i wydłuża ścieżkę wody chłodzącej. Przy mocach grzewczych do 4-5 kW jest to najbardziej ekonomiczna opcja. Płaszcz i rura mogą oczywiście zastąpić przelotkę prostą, ale koszt produkcji i zużycie wody będą wyższe.

Płaszcz i rura wysuwają się na pierwszy plan w autonomicznych systemach chłodzenia, ponieważ są całkowicie niewymagające ciśnienia wody. Z reguły zwykła pompa akwariowa jest wystarczająca do pomyślnej pracy. Ponadto, przy mocy grzewczej 5-6 kW i większej, lodówka płaszczowo-rurowa praktycznie nie jest alternatywą, ponieważ długość lodówki z jednorazowym przejściem do wykorzystania dużych wydajności będzie nieracjonalna..

W przypadku chłodnic zwrotnych kolumn zacierowych sytuacja jest nieco inna. Przy małych, dochodzących do 28-30 mm średnicach kolumn, najbardziej racjonalne są koszule konwencjonalne (w zasadzie te same koszule).

Dla średnic 40-60 mm liderem jest Dephlegmator Dimrotha. Jest to bardzo precyzyjna chłodnica z precyzyjną kontrolą mocy i absolutną niechęcią do powietrza. Dimroth pozwala ustawić tryby z najniższą hipotermią flegmy. Podczas pracy z kolumnami z wypełnieniem, dzięki swojej konstrukcji, umożliwia centrowanie powrotu zwrotnego, najlepiej nawadniając wypełnienie.

Płaszcz i rura wysuwają się na pierwszy plan w autonomicznych systemach chłodzenia. Nawadnianie zwrotne wypełnienia odbywa się nie w środku kolumny, ale na całej płaszczyźnie. Jest to mniej skuteczne niż Dimrotha, ale całkowicie akceptowalne. Zużycie wody w tym trybie przez powłokę i rurkę będzie znacznie wyższe niż w przypadku Dimrotha.

Jeśli potrzebujesz skraplacza do kolumny z poborem cieczy, to Dimroth nie ma konkurencji ze względu na dokładność regulacji i niskie dochłodzenie refluksu. Do tych celów używa się również muszli i rurki, ale trudno jest uniknąć hipotermii flegmy, a zużycie wody będzie większe..

Głównym powodem popularności zespołów płaszczowo-rurowych wśród producentów sprzętu AGD jest to, że są one bardziej wszechstronne w zastosowaniu, a ich części można łatwo ujednolicić. Poza tym bezkonkurencyjne jest zastosowanie deflegmatorów płaszczowo-rurowych w aparatach typu „konstruktor” lub „zmiennokształtny”..

Obliczanie parametrów deflegmatora płaszczowo-rurowego

Obliczenie wymaganej powierzchni wymiany ciepła można przeprowadzić metodą uproszczoną..

1. Określić współczynnik przenikania ciepła.

Nazwa	Grubość warstwy h, m	Specyficzna przewodność cieplna λ, W / (m * K)	Odporność termiczna R, (m2K) / W
Powierzchnia kontaktu metalu z wodą (R1)	0,00001
Rury metalowe (stal nierdzewna λ = 17, miedź - 400), (R2)	0,001	17	0,00006
Refluks (średnia grubość filmu w strefie kondensacji dla chłodnicy zwrotnej wynosi 0,5 mm, dla lodówki - 0,8 mm), (R3)	0,0005	jeden	0,0005
Powierzchnia kontaktu oparów metalu, (R4)	0,0001
Całkowity opór cieplny (Rs)	0,00067
Współczynnik przenikania ciepła, (K) W / (m2DO)	1493

Formuły obliczeniowe:

R = h / λ, (m2 K) / W-

Rs = R1 + R2 + R3 + R4, (m2 K) / W-

K = 1 / Rs, W / (m2 K).

2. Określić średnią różnicę temperatur między parą a wodą chłodzącą.

Temperatura nasyconych par alkoholu Tp = 78,15 ° C.

Maksymalna moc z chłodnicy zwrotnej jest potrzebna w trybie pracy kolumny względem siebie, czemu towarzyszy maksymalny dopływ wody i jej minimalna temperatura na wylocie. Dlatego zakładamy, że temperatura wody na wlocie do płaszcza i rurki (15 - 20) wynosi T1 = 20 ° C, na wylocie (25 - 40) - T2 = 30 ° C.

 Tvx = Tp - T1-

Thv = TP - T2-

Średnia temperatura (Tav) jest obliczana według wzoru:

Tav = (Tvx - Tvh) / Ln (Tvh / Tvh).

To znaczy w naszym przypadku zaokrąglone:

Tvh = 58 ° C-

Tv = 48 ° C.

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

3. Obliczyć powierzchnię wymiany ciepła. Na podstawie znanego współczynnika przenikania ciepła (K) i średniej temperatury (Tav) określamy wymaganą powierzchnię wymiany ciepła (St) dla wymaganej mocy cieplnej (N), W.

St = N / (Tav * K), m²-

Jeśli np. Musimy poddać recyklingowi 1800 W, to St = 1800 / (53 * 1493) = 0,0227 m², lub 227 cm².

4. Obliczenia geometryczne. Zdecydujmy się na minimalną średnicę rur. W deflegmatorze flegma kieruje się w stronę pary, dlatego konieczne jest przestrzeganie warunków jej swobodnego wpływania do dyszy bez nadmiernej hipotermii. Jeśli zrobisz rurki o zbyt małej średnicy, możesz sprowokować powódź lub uwolnienie flegmy do obszaru nad deflegmatorem i dalej w selekcji, możesz po prostu zapomnieć o dobrym oczyszczeniu zanieczyszczeń.

Minimalny całkowity przekrój rur przy danej mocy oblicza się ze wzoru:

Przekrój = N * 750 / V, mm², Gdzie

N - moc (kW)-

750 - wytwarzanie pary (cm³ / s kW)-

V - prędkość pary (m / s)-

Przekrój - minimalne pole przekroju poprzecznego rur (mm²)

Przy obliczaniu destylatorów kolumnowych moc grzewczą dobiera się na podstawie maksymalnej prędkości pary w kolumnie 1-2 m / s. Uważa się, że jeśli prędkość przekroczy 3 m / s, para będzie napędzać refluks w górę kolumny i wrzucić go do ekstrakcji.

Jeśli musisz usunąć w deflegmatorze 1,8 kW:

 Przekrój = 1,8 * 750/3 = 450 mm².

Jeśli wykonasz chłodnicę zwrotną z 3 rurkami, wówczas pole przekroju poprzecznego jednej rurki jest nie mniejsze niż 450/3 = 150 mm², średnica wewnętrzna - 13,8 mm. Najbliższy większy ze standardowych rozmiarów rur to 16 x 1 mm (średnica wewnętrzna 14 mm).

Przy znanej średnicy rur d (cm) znajdujemy ich minimalną wymaganą długość całkowitą:

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

L = 227 / (3,14 * 1,6) = 45 cm.

Jeśli wykonamy 3 rurki, długość chłodnicy zwrotnej powinna wynosić około 15 cm.

Długość dobiera się biorąc pod uwagę, że odległość między przegrodami powinna być w przybliżeniu równa wewnętrznemu promieniowi korpusu. Jeśli liczba przegród jest parzysta, rury do dostarczania i odprowadzania wody będą po przeciwnych stronach, a jeśli nieparzyste - po jednej stronie deflegmatora.

Zwiększenie lub zmniejszenie długości rur w promieniu kolumn domowych nie spowoduje problemów ze sterowalnością lub mocą skraplacza zwrotnego, ponieważ odpowiada to błędom w obliczeniach i można je skompensować dalszymi rozwiązaniami projektowymi. Możesz rozważyć opcje z 3, 5, 7 lub więcej lampami, a następnie wybrać optymalną z punktu widzenia..

Cechy konstrukcyjne płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła

Partycje

Odległość między przegrodami jest w przybliżeniu równa promieniu korpusu. Im mniejsza odległość, tym większe natężenie przepływu i mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia stref stagnacji..

Przegrody kierują przepływ przez rury, co znacznie zwiększa sprawność i moc wymiennika ciepła. Przegrody zapobiegają również wyginaniu się rur pod wpływem obciążeń termicznych i zwiększają sztywność deflegmatora płaszczowo-rurowego..

W przegrodach wycina się segmenty do przepuszczania wody. Segmenty muszą być co najmniej tak duże, jak pole przekroju poprzecznego rur doprowadzających wodę. Zwykle ta wartość wynosi około 25-30% powierzchni przegrody. W każdym przypadku segmenty muszą zapewniać równość prędkości wody na całej trajektorii ruchu, zarówno w wiązce rur, jak iw szczelinie między wiązką a korpusem..

W przypadku deflegmatora, pomimo jego małej (150-200 mm) długości, sensowne jest wykonanie kilku przegród. Jeśli ich liczba jest parzysta, kształtki będą po przeciwnych stronach, jeśli nieparzyste - po jednej stronie chłodnicy zwrotnej.

Podczas instalowania przegród poprzecznych ważne jest, aby zapewnić jak najmniejszy odstęp między korpusem a przegrodą..

Rury

Grubość ścianek rur tak naprawdę nie ma znaczenia. Różnica we współczynniku przenikania ciepła dla ścian o grubości 0,5 i 1,5 mm jest pomijalna. W rzeczywistości rury są przezroczyste termicznie. Wybór między miedzią a stalą nierdzewną pod względem przewodności cieplnej również nie ma sensu. Wybierając, musisz przejść od właściwości operacyjnych lub technologicznych.

Podczas oznaczania arkusza rury kierują się faktem, że odległości między osiami rur muszą być takie same. Zwykle są umieszczane na wierzchołkach i bokach regularnego trójkąta lub sześciokąta. Zgodnie z tymi schematami na tym samym kroku można umieścić maksymalną liczbę rur. Rura środkowa najczęściej staje się problemem, jeśli odległości między rurami w wiązce nie są takie same.

Rysunek przedstawia przykład prawidłowego układu otworów.

Dla wygody spawania odległość między rurami nie powinna być mniejsza niż 3 mm. Aby zapewnić wytrzymałość połączeń, materiał arkusza rurowego musi być twardszy niż materiał rur, a szczelina między arkuszem a rurami nie może przekraczać 1,5% średnicy rury.

Podczas spawania końce rur powinny wystawać ponad kratkę na odległość równą grubości ścianki. W naszych przykładach - o 1 mm pozwoli to na wykonanie wysokiej jakości szwu poprzez stopienie rury.

Obliczanie parametrów chłodnicy płaszczowo-rurowej

Główna różnica między lodówką płaszczowo-rurową a chłodnicą zwrotną polega na tym, że refluks w lodówce płynie w tym samym kierunku, co para, dlatego warstwa refluksu w strefie kondensacji zwiększa się płynniej od minimum do maksimum, a jej średnia grubość jest nieco większa..

Do obliczeń zalecamy ustawienie grubości równej 0,8 mm. W deflegmatorze jest odwrotnie - na początku gruba warstwa flegmy, która połączyła się z całą powierzchnią, spotyka się z parą i praktycznie nie pozwala jej w pełni skondensować. Następnie, pokonując tę ​​barierę, para wchodzi do strefy z filmem refluksowym o minimalnej grubości około 0,5 mm. Jest to miąższość na poziomie jego dynamicznej retencji, w tej strefie występuje głównie kondensacja.

Przyjmując średnią grubość warstwy refluksu na 0,8 mm, dla konkretnego przykładu rozważymy cechy obliczania parametrów chłodnicy płaszczowo-rurowej przy użyciu uproszczonej procedury.

Nazwa	Grubość warstwy h, m	Specyficzna przewodność cieplna λ, W / (m * K)	Odporność termiczna R, (m2K) / W
Powierzchnia kontaktu metalu z wodą, (R1)	0,00001
Rury metalowe (stal nierdzewna λ = 17, miedź - 400), (R2)	0,001	17	0,00006
Flegma (R3)	0,0008	jeden	0,001
Powierzchnia kontaktu oparów metalu, (R4)	0,0001
Całkowity opór cieplny (Rs)	0,00117
Współczynnik przenikania ciepła, (K) W / (m2DO)	855,6

Maksymalne zapotrzebowanie mocy lodówki przedstawia pierwsza destylacja, dla której dokonywane są obliczenia. Użyteczna moc grzewcza - 4,5 kW. Temperatura wody na wlocie - 20 ° C, wylot - 30 ° C, para - 92 ° C.

Tvh = 92 - 20 = 72 ° C-

Tv = 92 - 30 = 62 ° C-

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

Obszar wymiany ciepła:

St = 4500 / (67 * 855,6) = 787 cm².

Minimalna całkowita powierzchnia przekroju rur:

Przekrój S = 4,5 * 750/10 = 338 mm²-

Wybieramy lodówkę 7-rurową. Pole przekroju jednej rury: 338/7 = 48 mm lub średnica wewnętrzna 8 mm. Ze standardowego asortymentu rur nadaje się 10x1 mm (o średnicy wewnętrznej 8 mm).

Uwaga! Przy obliczaniu długości lodówki potrzebna jest średnica zewnętrzna 10 mm.

Określ długość rur lodówki:

L = 787 / 3,14 / 1 = 250 cm, a więc długość jednej tuby: 250/7 = 36 cm.

Wyjaśnimy długość: jeśli korpus lodówki jest wykonany z rury o średnicy wewnętrznej 50 mm, to między przegrodami powinno być 25 mm.

36 / 2,5 = 14,4.

Dlatego możliwe jest wykonanie 14 przegród i doprowadzenie rur wlotowo-wylotowych wody w różnych kierunkach lub 15 przegród i rur będzie wyglądać w jednym kierunku, moc również nieznacznie wzrośnie. Dobieramy 15 przegród i dostosowujemy długość rurek do 37,5 mm.

Rysunki płaszczowo-rurowych skraplaczy zwrotnych i lodówek

Producenci nie spieszą się, aby udostępniać swoje rysunki płaszczowo-rurowych wymienników ciepła, a rzemieślnicy domowi tak naprawdę ich nie potrzebują, ale nadal niektóre schematy są w domenie publicznej..

Posłowie

Nie należy zapominać, że wszystkie powyższe są teoretycznymi obliczeniami przy użyciu metody uproszczonej. Obliczenia termiczne są znacznie bardziej skomplikowane, ale w rzeczywistym gospodarczym zakresie zmian mocy grzewczej i innych parametrów technika daje prawidłowe wyniki..

W praktyce współczynnik przenikania ciepła może być inny. Na przykład ze względu na zwiększoną chropowatość wewnętrznej powierzchni rur warstwa refluksowa stanie się wyższa niż obliczona lub lodówka zostanie umieszczona nie pionowo, ale pod kątem, co zmieni jej charakterystykę. Opcji jest wiele.

Obliczenia pozwalają dokładnie określić wymiary wymiennika ciepła, sprawdzić, jak zmiana średnicy rur wpłynie na charakterystykę i odrzucić wszystkie bezużyteczne lub gwarantowane najgorsze opcje bez dodatkowych kosztów..