Вертикален корпус и тръбен дефлегматор или охладител

Най-често срещаният тип топлообменник в индустрията е черупката и тръбата. Версията на неговия дизайн зависи от задачите, пред които са изправени потребителите. Кожухът и тръбата не е задължително да е многотръбен - конвенционален рефлуксен кондензатор от тип обвивка, охладител с директен поток (а) или противопоток (б) от типа "тръба в тръбата" също са черупки и -тръба.

Използват се и еднопроходни топлообменници с течности за пренос на ток с напречен поток (c). Но най-ефективният и често използван за многотръбни топлообменници е многопроходна схема с кръстосан поток (d).

При тази схема един поток от течност или пара се движи през тръбите, а вторият охлаждащ агент се движи към него зигзагообразно, като многократно пресича тръбите. Това е хибрид от опции за противопоток и напречен поток, който ви позволява да направите топлообменника възможно най-компактен и ефективен..

Принципът на действие на топлообменниците с черупки и техния обхват

В домашното пивоварство многоходовите хладилници с кръстосан поток обикновено се наричат ​​хладилници с черупки и тръби (KHT), а тяхната еднотръбна версия се нарича хладилник с обратен или директен поток..

В домашните самоходни фотоапарати, бира и коригиращи колони парата се подава към тези топлообменници по вътрешни тръби, а охлаждащата вода се подава към корпуса. Всеки индустриален дизайнер-инженер по отопление би бил възмутен, тъй като именно в тръбите може да се създаде висока скорост на охлаждащата течност, значително увеличавайки топлопредаването и ефективността на инсталацията. Дестилаторите обаче имат свои собствени цели и не винаги се нуждаят от висока ефективност..

Например, в кондензаторите за обратен хладник за парни колони, напротив, се изисква да се смекчи температурният градиент, да се разнесе зоната на кондензация възможно най-високо и след кондензиране на необходимата част от парата да се предотврати преохлаждането на обратния хладник , а също така точно регулира този процес. На преден план излизат много различни критерии.

Сред хладилниците, използвани за домашно пивоварство, най-широко разпространени са намотки, тръби с директен поток и черупки. Всеки от тях има свой обхват.

За устройства с ниска (до 1,5-2 l / h) производителност, най-рационално е използването на малки проточни намотки. При липса на течаща вода намотките също дават шанс на други опции. Класическата версия е намотка в кофа с вода. Ако има водоснабдителна система и производителността на устройството е до 6-8 l / h, тогава линиите с директен поток, проектирани съгласно принципа "тръба в тръба", но с много малка пръстеновидна междина ( около 1-1,5 мм), имат предимство. Върху паропровода спирално се навива тел със стъпка 2-3 см, която центрира парната тръба и удължава пътя на охлаждащата вода. С мощности на отопление до 4-5 kW, това е най-икономичният вариант. Черупката и тръбата, разбира се, могат да заменят директния, но производствените разходи и консумацията на вода ще бъдат по-високи.

Черупката и тръбата излизат на преден план в автономните охладителни системи, тъй като са напълно неизискващи към налягането на водата. Като правило конвенционалната аквариумна помпа е достатъчна за успешна работа. В допълнение, с мощности на отопление от 5-6 kW и повече, хладилникът с черупки и тръби практически не е алтернатива, тъй като дължината на проходния хладилник за използване на голям капацитет ще бъде нерационална.

При рефлуксните кондензатори на каша за каша ситуацията е малко по-различна. При малки, до 28-30 мм, диаметър на колони, най-рационален е конвенционалният риза (по принцип същият риза).

За диаметри от 40-60 мм водещият е Димрот дефлегматор. Това е високо прецизен охладител с прецизен контрол на мощността и абсолютна нежеланост за въздух. Dimroth ви позволява да настроите режими с най-ниска хипотермия на храчките. Когато работите с опаковани колони, благодарение на своя дизайн, той дава възможност за центриране на обратния хладник по най-добрия начин напояване на опаковката.

Черупката и тръбата излизат на преден план в автономните охладителни системи. Рефлуксното напояване на опаковката се извършва не в центъра на колоната, а по цялата равнина. Това е по-малко ефективно от това на Dimroth, но е напълно приемливо. Консумацията на вода в този режим за черупката и тръбата ще бъде значително по-висока от тази на Dimroth.

Ако имате нужда от кондензатор за колона с изтегляне на течност, тогава Dimroth е извън конкуренцията поради точността на регулиране и ниското подохлаждане на обратния хладник. Черупката и тръбата също се използва за тези цели, но хипотермията на храчките е трудна за избягване и консумацията на вода ще бъде по-висока..

Основната причина за популярността на сглобките от черупки и тръби сред производителите на домакински уреди е, че те са по-гъвкави в употреба и техните части лесно се унифицират. В допълнение, използването на дефлегматори с черупки и тръби в апарати от типа "конструктор" или "промяна на формата" е извън конкуренцията..

Изчисляване на параметрите на дефлегматора с черупки и тръби

Изчисляването на необходимата площ за топлообмен може да се извърши по опростен метод..

1. Определете коефициента на топлопреминаване.

Име	Дебелина на слоя h, m	Специфична топлопроводимост λ, W / (m * K)	Термична устойчивост R, (m2K) / W
Площ на контакт метал-вода (R1)	0,00001
Метални тръби (неръждаема стомана λ = 17, медни - 400), (R2)	0,001	17	0,00006
Обратен хладник (средната дебелина на филма в зоната на кондензация за обратен хладник е 0,5 mm, за хладилника - 0,8 mm), (R3)	0,0005	един	0,0005
Площ на контакт с метални пари, (R4)	0,0001
Общо термично съпротивление, (Rs)	0,00067
Коефициент на топлопреминаване, (K) W / (m2ДА СЕ)	1493

Формули за изчисление:

R = h / λ, (m2 K) / W-

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

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

2. Определете средната температурна разлика между парата и охлаждащата вода.

Температура на наситените алкохолни пари Tp = 78,15 ° C.

Максималната мощност от обратния хладник е необходима в режима на работа на колоната към себе си, който е придружен от максималното подаване на вода и нейната минимална температура на изхода. Следователно приемаме, че температурата на водата на входа на черупката и тръбата (15 - 20) е T1 = 20 ° C, на изхода (25 - 40) - T2 = 30 ° C.

 Tvx = Tp - T1-

Thv = TP - T2-

Средната температура (Tav) се изчислява по формулата:

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

Това е, в нашия случай, закръглено:

Tvh = 58 ° С-

Tv = 48 ° C.

Tav = (58 - 48) / Ln (58/48) = 10 / Ln (1.21) = 53 ° C.

3. Изчислете площта на топлопреминаване. Въз основа на известния коефициент на топлопреминаване (K) и средната температура (Tav), определяме необходимата повърхност за топлопреминаване (St) за необходимата топлинна мощност (N), W.

St = N / (Tav * K), m²-

Ако например трябва да рециклираме 1800 W, тогава St = 1800 / (53 * 1493) = 0,0227 m², или 227 см².

4. Геометрично изчисление. Нека да вземем решение за минималния диаметър на тръбите. В дефлегматора храчката се насочва към парата, следователно е необходимо да се спазват условията за нейното свободно протичане в дюзата без прекомерна хипотермия. Ако направите тръби с твърде малък диаметър, можете да провокирате наводнение или пускане на храчки в областта над дефлегматора и по-нататък в селекцията, тогава можете просто да забравите за доброто почистване на примесите.

Минималното общо напречно сечение на тръбите при дадена мощност се изчислява по формулата:

Сечение = N * 750 / V, mm², Където

N - мощност (kW)-

750 - генериране на пара (cm³ / s kW)-

V - скорост на парата (m / s)-

Разрез - минималната площ на напречното сечение на тръбите (mm²)

Когато се изчисляват дестилатори от колонен тип, мощността на нагряване се избира въз основа на максималната скорост на парата в колоната от 1-2 m / s. Смята се, че ако скоростта надвишава 3 m / s, тогава парата ще изкара рефлукса нагоре по колоната и ще го хвърли в екстракцията.

Ако трябва да изхвърлите дефлегматор с мощност 1,8 kW:

 Сечение = 1,8 * 750/3 = 450 мм².

Ако направите обратен хладник с 3 тръби, тогава площта на напречното сечение на една тръба е не по-малка от 450/3 = 150 mm², вътрешен диаметър - 13,8 мм. Най-близкият по-голям от стандартните размери на тръбите е 16 x 1 mm (вътрешен диаметър 14 mm).

С известен диаметър на тръбата d (cm) намираме тяхната минимално необходима обща дължина:

L = St / (3.14 * d)-

L = 227 / (3,14 * 1,6) = 45см.

Ако направим 3 тръби, тогава дължината на обратния хладник трябва да бъде около 15 cm.

Дължината се регулира, като се има предвид, че разстоянието между преградите трябва да бъде приблизително равно на вътрешния радиус на тялото. Ако броят на преградите е четен, тогава тръбите за подаване и източване на вода ще бъдат от противоположните страни, а ако нечетен - от едната страна на дефлегматора.

Увеличаването или намаляването на дължината на тръбите в радиуса на битовите колони няма да създаде проблеми с управляемостта или мощността на рефлуксния кондензатор, тъй като това съответства на грешки в изчислението и може да бъде компенсирано чрез допълнителни проектни решения. Можете да разгледате варианти с 3, 5, 7 или повече тръби, след което да изберете оптималната от вашата гледна точка..

Дизайнерски характеристики на топлообменника с черупки и тръби

Прегради

Разстоянието между преградите е приблизително равно на радиуса на тялото. Колкото по-кратко е това разстояние, толкова по-голям е дебитът и по-малка е възможността за зони на застой..

Преградите насочват потока през тръбите, което значително увеличава ефективността и мощността на топлообменника. Също така преградите предотвратяват огъването на тръбите под въздействието на топлинни натоварвания и увеличават твърдостта на дефлегматора на черупката и тръбата..

В преградите се изрязват сегменти за преминаване на вода. Сегментите трябва да са поне толкова големи, колкото площта на напречното сечение на водопроводните тръби. Обикновено тази стойност е около 25-30% от площта на дяла. Във всеки случай сегментите трябва да осигуряват еднаквостта на скоростта на водата по цялата траектория на движение, както в снопа на тръбата, така и в процепа между снопа и тялото..

За дефлегматор, въпреки малката му (150-200 мм) дължина, има смисъл да се направят няколко прегради. Ако броят им е четен, фитингите ще бъдат от противоположните страни, ако нечетен - от едната страна на обратния хладник.

Когато инсталирате напречни прегради, е важно да осигурите възможно най-малък хлабина между тялото и преградата..

Тръби

Дебелината на стената на тръбите всъщност няма значение. Разликата в коефициента на топлопреминаване за дебелини на стените от 0,5 и 1,5 mm е незначителна. Всъщност тръбите са термично прозрачни. Изборът между мед и неръждаема стомана по отношение на топлопроводимостта също няма смисъл. Когато избирате, трябва да изхождате от експлоатационните или технологичните свойства.

Когато маркират тръбния лист, те се ръководят от факта, че разстоянията между осите на тръбите трябва да бъдат еднакви. Те обикновено се поставят в върховете и страните на правилен триъгълник или шестоъгълник. Съгласно тези схеми на една и съща стъпка е възможно да се поставят максималният брой тръби. Централната тръба най-често се превръща в проблем, ако разстоянията между тръбите в снопа не са еднакви.

Фигурата показва пример за правилния модел на отвора.

За удобство на заваряването разстоянието между тръбите не трябва да бъде по-малко от 3 мм. За да се осигури здравина на съединенията, материалът на тръбния лист трябва да е по-твърд от материала на тръбите, а разстоянието между листа и тръбите трябва да бъде не повече от 1,5% от диаметъра на тръбата.

При заваряване краищата на тръбите трябва да излизат над решетката на разстояние, равно на дебелината на стената. В нашите примери - с 1 мм, това ще ви позволи да направите висококачествен шев чрез топене на тръбата.

Изчисляване на параметрите на охладител с черупки и тръби

Основната разлика между хладилника с черупки и тръби с обратен хладник е, че обратният хладник в хладилника тече в същата посока като парата, следователно, обратният слой в зоната на кондензация се увеличава от минимум до максимум по-плавно и неговата средната дебелина е малко по-голяма..

За изчисления препоръчваме да зададете дебелината на 0,8 mm. При дефлегматора е точно обратното - отначало дебел слой храчки, който се е слял от цялата повърхност, среща пара и практически не позволява да се кондензира напълно. След това, преодолявайки тази бариера, парите навлизат в зоната с минимален, около 0,5 mm дебел, филм с обратен хладник. Това е дебелината на нивото на нейното динамично задържане, кондензът се появява главно в тази зона.

Като вземем средната дебелина на обратния слой да бъде 0,8 mm, за конкретен пример ще разгледаме характеристиките на изчисляване на параметрите на охладител с черупки и тръби, използвайки опростена процедура.

Име	Дебелина на слоя h, m	Специфична топлопроводимост λ, W / (m * K)	Термична устойчивост R, (m2K) / W
Площ на контакт метал-вода, (R1)	0,00001
Метални тръби (неръждаема стомана λ = 17, медни - 400), (R2)	0,001	17	0,00006
Храчки, (R3)	0,0008	един	0,001
Площ на контакт с метални пари, (R4)	0,0001
Общо термично съпротивление, (Rs)	0,00117
Коефициент на топлопреминаване, (K) W / (m2ДА СЕ)	855,6

Максималните изисквания за мощност на хладилника са представени при първата дестилация, за която се прави изчислението. Полезна отоплителна мощност - 4,5 kW. Температура на входа на водата - 20 ° C, изхода - 30 ° C, пара - 92 ° C.

Tvh = 92 - 20 = 72 ° C-

Tv = 92 - 30 = 62 ° C-

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

Топлообменна зона:

St = 4500 / (67 * 855,6) = 787 cm².

Минимална обща площ на напречното сечение на тръбите:

S сечение = 4,5 * 750/10 = 338 mm²-

Избираме 7-тръбен хладилник. Площ на секцията на една тръба: 338/7 = 48 mm или вътрешен диаметър 8 mm. От стандартния асортимент на тръбите е подходящ 10x1 mm (с вътрешен диаметър 8 mm).

Внимание! При изчисляване на дължината на хладилника е необходим външен диаметър 10 mm.

Определете дължината на тръбите на хладилника:

L = 787 / 3,14 / 1 = 250 cm, следователно дължината на една тръба: 250/7 = 36 cm.

Уточняваме дължината: ако корпусът на хладилника е направен от тръба с вътрешен диаметър 50 mm, тогава между преградите трябва да има 25 mm.

36 / 2,5 = 14,4.

Следователно е възможно да се направят 14 прегради и да се получат входящи и изходящи тръби за вода в различни посоки или 15 прегради и тръби ще гледат в една посока, мощността също леко ще се увеличи. Избираме 15 дяла и настройваме дължината на тръбите на 37,5 мм.

Чертежи на кондензатори и хладилници с обратен хладник

Производителите не бързат да споделят своите чертежи на топлообменници с черупки и тръби, а домашните майстори всъщност нямат нужда от тях, но все пак някои схеми са публично достояние..

Послеслов

Не трябва да се забравя, че всичко по-горе е теоретично изчисление, използващо опростен метод. Термичните изчисления са много по-сложни, но в реалния диапазон от промени в мощността на отопление и други параметри, техниката дава коректни резултати..

На практика коефициентът на топлопреминаване може да е различен. Например, поради увеличената грапавост на вътрешната повърхност на тръбите, рефлуксният слой ще стане по-висок от изчисления или хладилникът ще бъде разположен не вертикално, а под ъгъл, което ще промени характеристиките му. Има много опции.

Изчислението ви позволява точно да определите размерите на топлообменника, да проверите как промяната в диаметъра на тръбите ще повлияе на характеристиките и да отхвърлите всички неизползваеми или гарантирани най-лоши опции без допълнителни разходи..