Vertikální deflegmátor nebo chladič trubek

Nejběžnějším typem výměníku tepla v průmyslu je plášť a trubka. Verze jeho designu závisí na úkolech, kterým uživatelé čelí. Shell-and-tube nemusí být multitube - běžný zpětný kondenzátor plášťového typu, přímý (a) nebo protiproudý (b) chladič typu „pipe-in-pipe“ jsou také shell-and -trubka.

Používají se také jednoprůchodové výměníky tepla s kapalinami pro přenos tepla s křížovým tokem (c). Ale nejúčinnějším a často používaným pro vícetrubkové výměníky tepla je víceprůchodové schéma křížového toku (d).

U tohoto schématu se jeden tok kapaliny nebo páry pohybuje trubkami a druhá chladicí kapalina se k ní pohybuje klikatým způsobem a opakovaně trubkami prochází. Jedná se o hybrid možností protiproudu a příčného proudění, který vám umožní vytvořit výměník tepla co nejkompaktnější a nejúčinnější..

Princip činnosti trubkových výměníků tepla a jejich rozsah

V domácím vaření se vícepropustné chladničky s křížovým tokem obvykle nazývají chladničky typu „shell-and-tube“ (KHT) a jejich verze s jednou trubkou se nazývá chladnička s protiběžným nebo přímým tokem..

V domácích destilačních zařízeních, pivních a rektifikačních kolonách se do těchto výměníků tepla dodává vnitřní trubkou pára a do skříně se dodává chladicí voda. Každý průmyslový designér-topenář by byl pobouřen, protože právě v potrubí lze vytvořit vysokou rychlost chladicí kapaliny, což významně zvyšuje přenos tepla a účinnost instalace. Lihovarníci však mají své vlastní cíle a ne vždy potřebují vysokou účinnost..

Například u zpětných kondenzátorů pro parní kolony je naopak nutné změkčit teplotní gradient, co nejvíce rozšířit kondenzační zónu na výšku a po kondenzaci potřebné části páry zabránit přehřátí zpětného toku , a také přesně regulovat tento proces. Do popředí vystupují velmi odlišná kritéria.

Mezi ledničkami používanými při domácím vaření jsou nejrozšířenější cívky, přímé proudění a trubkové trubky. Každý z nich má svůj vlastní rozsah.

Pro zařízení s nízkou produktivitou (až 1,5-2 l / h) je nejracionálnější použití malých průtokových cívek. Při absenci tekoucí vody dávají cívky šanci i na další možnosti. Klasická verze je cívka v kbelíku s vodou. Pokud je k dispozici systém zásobování vodou a produktivita zařízení je až 6-8 l / h, pak přímá vedení, navržená podle principu „potrubí v potrubí“, ale s velmi malou prstencovou mezerou ( asi 1-1,5 mm), mají výhodu. Drát je spirálovitě navinut na parní potrubí s krokem 2-3 cm, který centruje parní potrubí a prodlužuje cestu chladicí vody. S topnými výkony do 4–5 kW je to nejekonomičtější volba. Plášť a trubka samozřejmě mohou nahradit přímou cestu, ale výrobní náklady a spotřeba vody budou vyšší.

Plášť a trubice se dostávají do popředí v autonomních chladicích systémech, protože jsou zcela nenáročné na tlak vody. Pro úspěšný provoz zpravidla postačuje běžné akvarijní čerpadlo. Navíc s topnými výkony 5–6 kW a více se chladnička typu „shell-and-tube“ nestane prakticky žádnou alternativou, protože délka průchozí chladničky pro využití vysokých výkonů bude iracionální.

U zpětných chladičů kašovitých kolon je situace poněkud odlišná. S malými průměry sloupů do 28-30 mm je nejracionálnější konvenční shirting (v zásadě stejný shirting).

U průměrů 40-60 mm je návazec Dimroth dephlegmator. Jedná se o vysoce přesný chladič s přesnou regulací výkonu a absolutní nechutí ke vzduchu. Dimroth vám umožňuje nastavit režimy s nejnižší hypotermií hlenu. Při práci s naplněnými kolonami díky své konstrukci umožňuje vycentrovat zpětný tok zpětného toku, tím nejlepším způsobem zavlažovat ucpávku.

Plášť a trubice se dostávají do popředí v autonomních chladicích systémech. Zpětné zavlažování ucpávky probíhá nikoli ve středu sloupu, ale po celé rovině. To je méně účinné než Dimrothovo, ale naprosto přijatelné. Spotřeba vody v tomto režimu pro plášť a trubku bude výrazně vyšší než spotřeba Dimroth.

Pokud potřebujete kondenzátor pro kolonu s odběrem kapaliny, Dimroth je mimo konkurenci kvůli přesnosti regulace a nízkému podchlazení zpětného toku. K těmto účelům se také používá skořápka a trubice, je však obtížné vyhnout se podchlazení hlenu a spotřeba vody bude vyšší..

Hlavním důvodem popularity sestav z trubek a trubek mezi výrobci domácích spotřebičů je jejich univerzálnější použití a jejich části jsou snadno sjednoceny. Kromě toho je použití deflegmátorů typu shell-and-tube v přístrojích typu „konstruktér“ nebo „posunutí tvaru“ mimo soutěž..

Výpočet parametrů deflegmátoru typu shell-and-tube

Výpočet požadované oblasti výměny tepla lze provést zjednodušenou metodou..

1. Určete součinitel přestupu tepla.

název	Tloušťka vrstvy h, m	Specifická tepelná vodivost λ, W / (m * K)	Teplotní odolnost R, (m2K) / Ž
Kontaktní oblast kov-voda (R1)	0,00001
Kovové trubky (nerezová ocel λ = 17, měď - 400), (R2)	0,001	17	0,00006
Reflux (průměrná tloušťka filmu v kondenzační zóně pro zpětný chladič je 0,5 mm, pro lednici - 0,8 mm), (R3)	0,0005	jeden	0,0005
Oblast kontaktu kovových par, (R4)	0,0001
Celkový tepelný odpor, (Rs)	0,00067
Součinitel prostupu tepla, (K) W / (m2NA)	1493

Výpočtové vzorce:

R = h / λ, (m2 K) / W-

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

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

2. Určete průměrný teplotní rozdíl mezi párou a chladicí vodou.

Teplota par nasyceného alkoholu Tp = 78,15 ° C.

Maximální výkon ze zpětného chladiče je potřebný v režimu provozu kolony směrem k sobě samému, což je doprovázeno maximální dodávkou vody a její minimální teplotou na výstupu. Proto předpokládáme, že teplota vody na vstupu do pláště a trubky (15 - 20) je T1 = 20 ° C, na výstupu (25 - 40) - T2 = 30 ° C.

 Tvx = Tp - T1-

Thv = TP - T2-

Průměrná teplota (Tav) se vypočítá podle vzorce:

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

To je v našem případě zaoblené:

Tvh = 58 ° C-

Tv = 48 ° C.

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

3. Vypočítejte plochu přenosu tepla. Na základě známého součinitele prostupu tepla (K) a průměrné teploty (Tav) určíme požadovanou plochu pro přenos tepla (St) pro požadovaný tepelný výkon (N), W.

St = N / (Tav * K), m²-

Pokud například potřebujeme recyklovat 1800 W, pak St = 1800 / (53 * 1493) = 0,0227 m², nebo 227 cm².

4. Geometrický výpočet. Rozhodneme se o minimálním průměru trubek. V deflegmátoru jde hlen směrem k páře, proto je nutné dodržovat podmínky pro jeho volný tok do trysky bez nadměrného podchlazení. Pokud děláte trubky příliš malého průměru, můžete vyvolat povodeň nebo uvolnění hlenu do oblasti nad deflektorem a dále do výběru, pak můžete jednoduše zapomenout na dobré čištění nečistot.

Minimální celkový průřez trubek při daném výkonu se vypočítá podle vzorce:

Sekce = N * 750 / V, mm², Kde

N - výkon (kW)-

750 - výroba páry (cm³ / s kW)-

V - rychlost páry (m / s)-

Sekce - minimální plocha průřezu trubek (mm²)

Při výpočtu destilačních zařízení kolonového typu se topný výkon volí na základě maximální rychlosti páry ve sloupci 1–2 m / s. Předpokládá se, že pokud rychlost překročí 3 m / s, pak bude pára pohánět zpětný tok nahoru po koloně a vrhat jej do extrakce.

Pokud potřebujete zlikvidovat deflegmátor 1,8 kW:

 Řez = 1,8 * 750/3 = 450 mm².

Pokud vyrábíte zpětný chladič se 3 trubicemi, pak průřez jedné trubky není menší než 450/3 = 150 mm², vnitřní průměr - 13,8 mm. Nejbližší větší ze standardních velikostí trubek je 16 x 1 mm (vnitřní průměr 14 mm).

Se známým průměrem potrubí d (cm) zjistíme jejich minimální požadovanou celkovou délku:

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

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

Pokud vyrobíme 3 zkumavky, měla by být délka zpětného chladiče asi 15 cm.

Délka se upravuje s ohledem na to, že vzdálenost mezi přepážkami by měla být přibližně stejná jako vnitřní poloměr karoserie. Pokud je počet oddílů sudý, pak potrubí pro přívod a odvod vody bude na opačných stranách, a pokud bude liché - na jedné straně deflegmátoru.

Zvětšení nebo zmenšení délky trubek v poloměru sloupů pro domácnost nezpůsobí problémy s ovladatelností nebo výkonem zpětného chladiče, protože odpovídá chybám ve výpočtu a může být kompenzováno dalšími konstrukčními řešeními. Můžete zvážit možnosti s 3, 5, 7 nebo více trubicemi, poté vyberte optimální z vašeho pohledu..

Konstrukční vlastnosti výměníku tepla typu shell-and-tube

Příčky

Vzdálenost mezi přepážkami je přibližně stejná jako poloměr tělesa. Čím kratší je tato vzdálenost, tím větší je průtok a menší možnost stagnačních zón..

Přepážky usměrňují tok trubkami, což výrazně zvyšuje účinnost a výkon tepelného výměníku. Přepážky také zabraňují ohýbání trubek vlivem tepelného zatížení a zvyšují tuhost deflegmátoru skořepiny a trubice..

Segmenty jsou řezány v přepážkách pro průchod vody. Segmenty musí být minimálně stejně velké jako průřez vodovodních potrubí. Obvykle je tato hodnota přibližně 25–30% plochy oddílu. V každém případě musí segmenty zajišťovat rovnost rychlosti vody po celé trajektorii pohybu, a to jak ve svazku trubek, tak v mezeře mezi svazkem a tělesem..

Pro deflegmátora má navzdory své malé délce (150-200 mm) smysl vytvořit několik oddílů. Pokud je jejich počet sudý, budou armatury na opačných stranách, pokud liché - na jedné straně zpětného chladiče.

Při instalaci příčných přepážek je důležité zajistit co možná nejmenší vzdálenost mezi tělesem a přepážkou..

Trubky

Tloušťka stěny trubek ve skutečnosti nezáleží. Rozdíl v součiniteli přestupu tepla pro tloušťky stěn 0,5 a 1,5 mm je zanedbatelný. Trubky jsou ve skutečnosti tepelně průhledné. Volba mezi mědí a nerezovou ocelí z hlediska tepelné vodivosti také nedává smysl. Při výběru je třeba vycházet z provozních nebo technologických vlastností.

Při značení trubkovnice se řídí skutečností, že vzdálenosti mezi osami trubek musí být stejné. Obvykle jsou umístěny na vrcholech a stranách pravidelného trojúhelníku nebo šestiúhelníku. Podle těchto schémat je ve stejném kroku možné umístit maximální počet zkumavek. Středová trubice se nejčastěji stává problémem, pokud vzdálenosti mezi trubkami ve svazku nejsou stejné.

Obrázek ukazuje příklad správného vzoru díry.

Pro usnadnění svařování by vzdálenost mezi trubkami neměla být menší než 3 mm. Aby byla zajištěna pevnost spojů, musí být materiál trubkového plechu tvrdší než materiál trubek a mezera mezi plechem a trubkami nesmí být větší než 1,5% průměru trubky.

Při svařování by konce trubek měly vyčnívat nad rošt ve vzdálenosti rovnající se tloušťce stěny. V našich příkladech - o 1 mm, to vám umožní vytvořit vysoce kvalitní šev roztavením trubky.

Výpočet parametrů chladiče typu shell-and-tube

Hlavní rozdíl mezi ledničkou typu shell-and-tube a refluxním kondenzátorem spočívá v tom, že reflux v chladničce proudí ve stejném směru jako pára, proto se refluxní vrstva v kondenzační zóně plynuleji zvyšuje z minima na maximum a její průměrná tloušťka je o něco větší..

Pro výpočty doporučujeme nastavit tloušťku rovnou 0,8 mm. U deflegmátora je opak pravdou - zpočátku se silná vrstva hlenu, která splývá z celého povrchu, setkává s párou a prakticky jí nedovoluje, aby plně kondenzovala. Poté, co překoná tuto bariéru, pára vstupuje do zóny s minimálním, asi 0,5 mm silným, zpětným filmem. Jedná se o tloušťku na úrovni jejího dynamického zadržování, ke kondenzaci dochází hlavně v této zóně.

Vezmeme-li průměrnou tloušťku refluxní vrstvy 0,8 mm, pro konkrétní příklad budeme uvažovat o vlastnostech výpočtu parametrů chladiče typu shell-and-tube pomocí zjednodušeného postupu.

název	Tloušťka vrstvy h, m	Specifická tepelná vodivost λ, W / (m * K)	Teplotní odolnost R, (m2K) / Ž
Kontaktní oblast kov-voda, (R1)	0,00001
Kovové trubky (nerezová ocel λ = 17, měď - 400), (R2)	0,001	17	0,00006
Hlen, (R3)	0,0008	jeden	0,001
Oblast kontaktu kovových par, (R4)	0,0001
Celkový tepelný odpor, (Rs)	0,00117
Součinitel prostupu tepla, (K) W / (m2NA)	855.6

Maximální požadavky na výkon chladničky jsou prezentovány první destilací, pro kterou je proveden výpočet. Užitečný topný výkon - 4,5 kW. Teplota vody na vstupu - 20 ° C, výstup - 30 ° C, pára - 92 ° C.

Tvh = 92 - 20 = 72 ° C-

Tv = 92 - 30 = 62 ° C-

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

Oblast výměny tepla:

St = 4500 / (67 * 855,6) = 787 cm².

Minimální celková plocha průřezu trubek:

S profil = 4,5 * 750/10 = 338 mm²-

Vybrali jsme 7-trubkovou ledničku. Průřez jedné trubky: 338/7 = 48 mm nebo vnitřní průměr 8 mm. Ze standardního sortimentu trubek je vhodný 10x1 mm (s vnitřním průměrem 8 mm).

Pozornost! Při výpočtu délky chladničky je zapotřebí vnější průměr 10 mm.

Určete délku trubek chladničky:

L = 787 / 3,14 / 1 = 250 cm, délka jedné trubky: 250/7 = 36 cm.

Objasníme délku: pokud je tělo chladničky vyrobeno z trubky o vnitřním průměru 50 mm, pak by mělo být mezi přepážkami 25 mm.

36 / 2,5 = 14,4.

Proto je možné vytvořit 14 přepážek a získat potrubí pro přívod a odvod vody v různých směrech, nebo 15 přepážek a potrubí bude vypadat v jednom směru, výkon se také mírně zvýší. Vybereme 15 přepážek a délku trubek upravíme na 37,5 mm.

Výkresy zpětných chladičů a chladniček typu shell-and-tube

Výrobci nespěchají, aby se podělili o své výkresy výměníků tepla z trubek a trubek, a domácí řemeslníci je opravdu nepotřebují, přesto jsou některá schémata ve veřejné doméně..

Doslov

Nemělo by se zapomínat, že vše výše uvedené je teoretický výpočet pomocí zjednodušené metody. Tepelné výpočty jsou mnohem komplikovanější, ale ve skutečném rozsahu změn topného výkonu a dalších parametrů v domácnosti poskytuje technika správné výsledky..

V praxi se může koeficient přenosu tepla lišit. Například kvůli zvýšené drsnosti vnitřního povrchu trubek bude refluxní vrstva vyšší než vypočítaná nebo bude chladnička umístěna ne svisle, ale pod úhlem, což změní její vlastnosti. Existuje mnoho možností.

Výpočet umožňuje přesně určit rozměry tepelného výměníku, zkontrolovat, jak změna průměru trubek ovlivní charakteristiky a odmítnout všechny nepoužitelné nebo zaručeně nejhorší možnosti bez dalších nákladů..