Dephlegmator sau cooler vertical de înveliș și tub

Cel mai comun tip de schimbător de căldură din industrie este carcasa și tubul. Versiunea designului său depinde de sarcinile cu care se confruntă utilizatorii. Carcasa și tubul nu trebuie să fie multitube - un condensator de reflux convențional de tip manta, răcitorul cu flux direct (a) sau contracurent (b) de tipul „țeavă în țeavă” sunt, de asemenea, carcase și -tub.

Sunt utilizate, de asemenea, schimbătoare de căldură cu o singură trecere cu fluide de transfer de căldură cu flux transversal (c). Dar cel mai eficient și adesea folosit pentru schimbătoarele de căldură cu mai multe tuburi este o schemă cu flux transversal cu mai multe treceri (d).

Cu această schemă, un flux de lichid sau vapori se deplasează prin conducte, iar al doilea lichid de răcire se deplasează spre el în mod zigzag, traversând în mod repetat conductele. Acesta este un hibrid de opțiuni contra-flux și cross-flow, care vă permite să faceți schimbătorul de căldură cât mai compact și eficient posibil..

Principiul de funcționare al schimbătoarelor de căldură tip coajă și tuburi și domeniul lor de aplicare

În fabricarea de bere la domiciliu, frigiderele cu flux transversal cu mai multe treceri sunt de obicei numite frigidere cu coajă și tuburi (KHT), iar versiunea lor cu un singur tub este numită frigider cu flux direct sau contra..

În coloanele de lumină de lună de acasă, berea și coloanele de rectificare, aburul este furnizat acestor schimbătoare de căldură prin conducte interne, iar apa de răcire este furnizată carcasei. Orice proiectant industrial-inginer de încălzire ar fi revoltat, deoarece în conducte se poate crea o viteză mare a lichidului de răcire, crescând semnificativ transferul de căldură și eficiența instalației. Cu toate acestea, distilatoarele au propriile lor obiective și nu au întotdeauna nevoie de o eficiență ridicată..

De exemplu, în condensatoarele de reflux pentru coloanele de abur, dimpotrivă, este necesar să se înmoaie gradientul de temperatură, să se răspândească zona de condensare cât mai mult posibil în înălțime și, după ce a condensat partea necesară a aburului, să se prevină răcirea excesivă a refluxului și, de asemenea, reglementează cu precizie acest proces. Criterii foarte diferite vin în prim plan.

Printre frigiderele utilizate la fabricarea berii la domiciliu, cele mai răspândite sunt bobinele, conductele cu flux direct și țevile de tip coajă și tub. Fiecare dintre ele are propriul scop.

Pentru dispozitive cu productivitate scăzută (până la 1,5-2 l / h), utilizarea cea mai rațională a bobinelor mici de curgere. În absența apei curgătoare, bobinele dau cote și altor opțiuni. Versiunea clasică este o bobină într-o găleată de apă. Dacă există un sistem de alimentare cu apă și productivitatea dispozitivului este de până la 6-8 l / h, atunci liniile de curgere directă, proiectate conform principiului „țeavă în țeavă”, dar cu un spațiu inelar foarte mic ( aproximativ 1-1,5 mm), au un avantaj. Un fir este înfășurat în spirală pe conducta de abur cu un pas de 2-3 cm, care centrează conducta de abur și prelungește calea apei de răcire. Cu puteri de încălzire de până la 4-5 kW, aceasta este cea mai economică opțiune. Învelișul și tubul, desigur, pot înlocui elementul direct, dar costul de fabricație și consumul de apă vor fi mai mari.

Învelișul și tubul apar în prim plan în sistemele de răcire autonome, deoarece nu sunt complet solicitate la presiunea apei. De regulă, o pompă de acvariu convențională este suficientă pentru o funcționare cu succes. În plus, cu puteri de încălzire de 5-6 kW și mai mult, un frigider cu coajă și tub nu devine practic o alternativă, deoarece lungimea unui frigider unic pentru utilizarea capacităților mari va fi irațională.

Pentru condensatoarele de reflux ale coloanelor amestecate, situația este oarecum diferită. Cu diametre mici, de până la 28-30 mm, ale coloanelor, cel mai rațional este o cămașă convențională (în principiu, aceeași cămașă).

Pentru diametre de 40-60 mm, liderul este Deflegmator Dimroth. Este un răcitor de înaltă precizie, cu control precis al puterii și reticență absolută față de aer. Dimroth vă permite să configurați moduri cu cea mai mică hipotermie a flegmei. Când lucrați cu coloane împachetate, datorită designului său, face posibilă centrarea returului de reflux, în cel mai bun mod irigând ambalajul.

Carcasa și tubul apar în prim plan în sistemele de răcire autonome. Irigarea prin reflux a ambalajului are loc nu în centrul coloanei, ci pe întregul plan. Acest lucru este mai puțin eficient decât al lui Dimroth, dar perfect acceptabil. Consumul de apă în acest mod pentru coajă și tub va fi semnificativ mai mare decât cel al lui Dimroth.

Dacă aveți nevoie de un condensator pentru o coloană cu retragere de lichid, atunci Dimroth este în afara concurenței datorită acurateței reglării și a subrăcirii reduse a refluxului. Coaja și tubul sunt, de asemenea, utilizate în aceste scopuri, dar hipotermia flegmei este dificil de evitat, iar consumul de apă va fi mai mare..

Motivul principal al popularității ansamblurilor tubulare în rândul producătorilor de aparate de uz casnic este că acestea sunt mai versatile în utilizare, iar piesele lor sunt ușor unificate. În plus, utilizarea deflegmatoarelor de tip coajă și tub în aparate de tip „constructor” sau „schimbare de formă” este dincolo de concurență..

Calculul parametrilor deflegmatorului de tip coajă și tub

Calculul suprafeței necesare de schimb de căldură poate fi efectuat folosind o metodă simplificată..

1. Determinați coeficientul de transfer de căldură.

Nume	Grosimea stratului h, m	Conductivitate termică specifică λ, W / (m * K)	Rezistenta termica R, (m2K) / W
Zona de contact metal-apă (R1)	0,00001
Tuburi metalice (oțel inoxidabil λ = 17, cupru - 400), (R2)	0,001	17	0,00006
Reflux (grosimea medie a filmului în zona de condensare pentru un condensator de reflux este de 0,5 mm, pentru un frigider - 0,8 mm), (R3)	0,0005	unu	0,0005
Zona de contact cu vapori de metal, (R4)	0,0001
Rezistență termică totală, (Rs)	0,00067
Coeficient de transfer termic, (K) W / (m2LA)	1493

Formule de calcul:

R = h / λ, (m2 K) / W-

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

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

2. Determinați diferența medie de temperatură dintre abur și apa de răcire.

Temperatura vaporilor de alcool saturat Tp = 78,15 ° C.

Puterea maximă din condensatorul de reflux este necesară în modul de funcționare al coloanei către sine, care este însoțit de alimentarea maximă cu apă și temperatura minimă a acesteia la ieșire. Prin urmare, presupunem că temperatura apei la intrarea în carcasă și tub (15 - 20) este T1 = 20 ° C, la ieșirea (25 - 40) - T2 = 30 ° C.

 Tvx = Tp - T1-

Thv = TP - T2-

Temperatura medie (Tav) este calculată prin formula:

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

Aceasta este, în cazul nostru, rotunjită:

Tvh = 58 ° C-

TV = 48 ° C.

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

3. Calculați aria de transfer de căldură. Pe baza coeficientului de transfer de căldură cunoscut (K) și a temperaturii medii (Tav), determinăm suprafața necesară pentru transferul de căldură (St) pentru puterea termică necesară (N), W.

St = N / (Tav * K), m²-

Dacă, de exemplu, trebuie să reciclăm 1800 W, atunci St = 1800 / (53 * 1493) = 0,0227 m², sau 227 cm².

4. Calcul geometric. Să decidem cu privire la diametrul minim al tuburilor. În deflegmator, flegma se îndreaptă spre abur, prin urmare, este necesar să se respecte condițiile pentru curgerea liberă a acesteia în duză fără hipotermie excesivă. Dacă faceți tuburi cu un diametru prea mic, puteți provoca o inundație sau eliberare de flegmă în zona de deasupra deflegmatorului și mai departe în selecție, atunci puteți uita pur și simplu de o bună curățare a impurităților.

Secțiunea transversală totală minimă a tuburilor la o putere dată este calculată prin formula:

Secțiunea = N * 750 / V, mm², Unde

N - putere (kW)-

750 - generarea aburului (cm³ / s kW)-

V - viteza aburului (m / s)-

Secțiunea - aria secțiunii transversale minime a tuburilor (mm²)

La calcularea distilatoarelor de tip coloană, puterea de încălzire este selectată pe baza vitezei maxime de abur din coloană de 1-2 m / s. Se crede că, dacă viteza depășește 3 m / s, atunci aburul va conduce refluxul în sus pe coloană și îl va arunca în extracție.

Dacă trebuie să aruncați într-un deflegmator de 1,8 kW:

 Secțiunea = 1,8 * 750/3 = 450 mm².

Dacă faceți un condensator de reflux cu 3 tuburi, atunci secțiunea transversală a unui tub nu este mai mică de 450/3 = 150 mm², diametru interior - 13,8 mm. Cea mai apropiată dimensiune standard a țevii este de 16 x 1 mm (diametru interior 14 mm).

Cu un diametru cunoscut al țevii d (cm), găsim lungimea totală minimă necesară:

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

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

Dacă facem 3 tuburi, atunci lungimea condensatorului de reflux ar trebui să fie de aproximativ 15 cm.

Lungimea este ajustată luând în considerare faptul că distanța dintre deflectoare trebuie să fie aproximativ egală cu raza interioară a corpului. Dacă numărul pereților despărțitori este par, atunci conductele pentru alimentarea și scurgerea apei vor fi pe laturile opuse, iar dacă sunt impare - pe o parte a deflegmatorului.

O creștere sau o scădere a lungimii conductelor în raza coloanelor de uz casnic nu va crea probleme cu controlabilitatea sau puterea condensatorului de reflux, deoarece corespunde erorilor de calcul și poate fi compensată prin soluții ulterioare de proiectare. Puteți lua în considerare opțiuni cu 3, 5, 7 sau mai multe tuburi, apoi alegeți-o pe cea optimă din punctul dvs. de vedere..

Caracteristici de proiectare ale unui schimbător de căldură cu coajă și tub

Partiții

Distanța dintre deflectoare este aproximativ egală cu raza corpului. Cu cât această distanță este mai mică, cu atât este mai mare debitul și cu atât mai puține posibilități de zone de stagnare..

Deflectoarele direcționează fluxul peste tuburi, ceea ce crește semnificativ eficiența și puterea schimbătorului de căldură. De asemenea, deflectoarele împiedică îndoirea tuburilor sub influența sarcinilor termice și măresc rigiditatea deflegmatorului înveliș și tub..

Segmente sunt tăiate în partițiile pentru trecerea apei. Segmentele trebuie să fie cel puțin la fel de mari ca suprafața secțiunii transversale a conductelor de alimentare cu apă. De obicei, această valoare este de aproximativ 25-30% din suprafața partiției. În orice caz, segmentele trebuie să asigure egalitatea vitezei apei de-a lungul întregii traiectorii de mișcare, atât în ​​fasciculul de tuburi, cât și în spațiul dintre fascicul și corp..

Pentru un deflegmator, în ciuda lungimii sale mici (150-200 mm), este logic să faci mai multe partiții. Dacă numărul lor este par, armăturile vor fi pe părți opuse, dacă sunt impare - pe o parte a condensatorului de reflux.

La instalarea deflectoarelor transversale, este important să se asigure cât mai puțin spațiu posibil între corp și deflector..

Tuburi

Grosimea peretelui tuburilor nu contează cu adevărat. Diferența de coeficient de transfer de căldură pentru grosimile pereților de 0,5 și 1,5 mm este neglijabilă. De fapt, tuburile sunt transparente termic. Alegerea dintre cupru și oțel inoxidabil, din punct de vedere al conductivității termice, nu are nici un sens. Atunci când alegeți, trebuie să treceți de la proprietățile operaționale sau tehnologice.

La marcarea foii de tuburi, acestea sunt ghidate de faptul că distanțele dintre axele tuburilor trebuie să fie aceleași. Acestea sunt de obicei plasate la vârfurile și laturile unui triunghi regulat sau hexagon. Conform acestor scheme, la același pas, este posibil să se plaseze numărul maxim de tuburi. Tubul central devine cel mai adesea o problemă dacă distanțele dintre tuburile din pachet nu sunt aceleași.

Figura arată un exemplu al modelului corect al găurilor.

Pentru confortul sudării, distanța dintre tuburi nu trebuie să fie mai mică de 3 mm. Pentru a asigura rezistența îmbinărilor, materialul foii tubului trebuie să fie mai dur decât materialul țevilor, iar spațiul dintre foaie și țevi nu trebuie să depășească 1,5% din diametrul țevii.

La sudare, capetele țevilor trebuie să iasă deasupra grătarului la o distanță egală cu grosimea peretelui. În exemplele noastre - cu 1 mm, acest lucru vă va permite să realizați o cusătură de înaltă calitate prin topirea țevii.

Calculul parametrilor unui răcitor de tuburi

Principala diferență între un frigider cu tub și un condensator de reflux este că refluxul din frigider curge în aceeași direcție ca aburul, prin urmare, stratul de reflux din zona de condensare crește de la minim la maxim mai ușor, iar grosimea medie este ceva mai mare..

Pentru calcule, vă recomandăm să setați grosimea egală cu 0,8 mm. La un deflegmator, se întâmplă opusul - la început, un strat gros de flegmă, care s-a contopit de pe întreaga suprafață, se întâlnește cu abur și practic nu îi permite să se condenseze complet. Apoi, după ce a depășit această barieră, vaporii intră în zonă cu o peliculă de reflux de minimum 0,5 mm grosime. Aceasta este grosimea la nivelul reținerii sale dinamice, condensul apare în principal în această zonă.

Luând grosimea medie a stratului de reflux la 0,8 mm, pentru un exemplu specific, vom lua în considerare caracteristicile de calculare a parametrilor unui cooler cu tub și tub folosind o procedură simplificată.

Nume	Grosimea stratului h, m	Conductivitate termică specifică λ, W / (m * K)	Rezistenta termica R, (m2K) / W
Zona de contact metal-apă, (R1)	0,00001
Tuburi metalice (oțel inoxidabil λ = 17, cupru - 400), (R2)	0,001	17	0,00006
Flegm, (R3)	0,0008	unu	0,001
Zona de contact cu vapori de metal, (R4)	0,0001
Rezistență termică totală, (Rs)	0,00117
Coeficient de transfer termic, (K) W / (m2LA)	855,6

Cerințele de putere maximă pentru frigider sunt prezentate de prima distilare, pentru care se face calculul. Putere utilă de încălzire - 4,5 kW. Temperatura de intrare a apei - 20 ° C, ieșirea - 30 ° C, abur - 92 ° C.

Tvh = 92 - 20 = 72 ° C-

TV = 92 - 30 = 62 ° C-

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

Zona de schimb de căldură:

St = 4500 / (67 * 855,6) = 787 cm².

Secțiunea transversală minimă totală a conductelor:

Secțiunea S = 4,5 * 750/10 = 338 mm²-

Alegem un frigider cu 7 țevi. Suprafața secțională a unei țevi: 338/7 = 48 mm sau diametru interior 8 mm. Din sortimentul standard de țevi, 10x1 mm este potrivit (cu un diametru interior de 8 mm).

Atenţie! La calcularea lungimii frigiderului este necesar un diametru exterior de 10 mm.

Determinați lungimea tuburilor frigiderului:

L = 787 / 3,14 / 1 = 250 cm, prin urmare, lungimea unui tub: 250/7 = 36 cm.

Clarificăm lungimea: dacă corpul frigiderului este format dintr-o țeavă cu un diametru interior de 50 mm, atunci ar trebui să existe 25 mm între pereți despărțitori.

36 / 2,5 = 14,4.

Prin urmare, este posibil să faceți 14 partiții și să obțineți țevi de intrare-ieșire a apei în direcții diferite, sau 15 partiții și țevi vor arăta într-o singură direcție, puterea va crește, de asemenea, ușor. Selectăm 15 partiții și ajustăm lungimea tuburilor la 37,5 mm.

Desene ale condensatoarelor de reflux cu tuburi și frigidere

Producătorii nu se grăbesc să-și împărtășească desenele de schimbătoare de căldură cu coajă și tuburi, iar meșterii casnici nu au nevoie de ele, dar totuși unele scheme aparțin domeniului public..

Postfaţă

Nu trebuie uitat că toate cele de mai sus sunt un calcul teoretic folosind o metodă simplificată. Calculele termice sunt mult mai complicate, dar în gama reală de modificări ale puterii de încălzire și a altor parametri, tehnica oferă rezultate corecte..

În practică, coeficientul de transfer de căldură poate fi diferit. De exemplu, datorită rugozității crescute a suprafeței interioare a țevilor, stratul de reflux va deveni mai mare decât cel calculat sau frigiderul va fi amplasat nu vertical, ci la un unghi, ceea ce îi va schimba caracteristicile. Există multe opțiuni.

Calculul vă permite să determinați cu acuratețe dimensiunile schimbătorului de căldură, să verificați modul în care schimbarea diametrului conductelor va afecta caracteristicile și să respingă toate cele mai neutilizabile sau cele mai slabe opțiuni garantate fără costuri suplimentare..