Vertikálny deflektor alebo rúrka na ochladzovanie

Najbežnejším typom výmenníka tepla v priemysle sú plášť a rúrka. Verzia jeho dizajnu závisí od úloh, ktorým čelia používatelia. Škrupina a trubica nemusí byť multitrubičková - klasický škrupinový spätný chladič, priamy (a) alebo protiprúdový (b) chladič typu „potrubie v potrubí“ sú tiež plášťové a -trubica.

Používajú sa aj jednopriechodové výmenníky tepla s kvapalinami na prenos tepla s priečnym tokom (c). Ale najefektívnejším a často používaným pre viacrúrkové výmenníky tepla je viacpriepustná krížová schéma toku (d).

Pri tejto schéme sa jeden prúd kvapaliny alebo pary pohybuje cez potrubie a druhé chladivo sa k nemu pohybuje cikcakovo a opakovane prechádza cez potrubie. Toto je hybrid možností protiprúdového a priečneho prúdenia, ktorý umožňuje dosiahnuť, aby bol výmenník tepla čo najkompaktnejší a najefektívnejší..

Princíp činnosti škrupinových výmenníkov tepla a ich rozsah

Pri domácom varení sa viacprechodové chladničky s priečnym tokom zvyčajne nazývajú škrupinové chladničky (KHT) a ich jednorúrková verzia sa nazýva chladnička s protiprúdom alebo priamym prúdom..

V domácich lievikoch, pive a rektifikačných kolónach sa para dodáva do týchto výmenníkov tepla vnútornými rúrkami a chladiaca voda sa dodáva do plášťa. Každý priemyselný konštruktér-kúrenár by bol pobúrený, pretože práve v potrubiach je možné vytvoriť vysokú rýchlosť chladiacej kvapaliny, čo výrazne zvyšuje prenos tepla a účinnosť zariadenia. Avšak liehovarníci majú svoje vlastné ciele a nie vždy potrebujú vysokú účinnosť..

Napríklad pri spätných chladičoch pre parné kolóny sa naopak vyžaduje zmäkčenie teplotného gradientu, čo najväčšie rozšírenie kondenzačnej zóny na výšku a po kondenzácii potrebnej časti pary zabrániť prechladeniu spätného toku. , a tiež presne regulovať tento proces. Do popredia sa dostávajú veľmi odlišné kritériá.

Z chladničiek používaných pri domácom varení piva sú najrozšírenejšie špirály, priame potrubie a rúrkové rúrkové rúry. Každý z nich má svoj vlastný rozsah.

Pre zariadenia s nízkou produktivitou (do 1,5-2 l / h) je najracionálnejšie použitie malých prietokových cievok. Pri absencii tečúcej vody dávajú cievky šance aj na ďalšie možnosti. Klasická verzia je cievka vo vedre s vodou. Ak je k dispozícii systém zásobovania vodou a produktivita zariadenia je až 6 - 8 l / h, potom sú vedenia s priamym prietokom navrhnuté podľa princípu „potrubie v potrubí“, ale s veľmi malou prstencovou medzerou ( asi 1-1,5 mm), majú výhodu. Na parné potrubie je špirálovito navinutý drôt s krokom 2 - 3 cm, ktorý vycentruje parné potrubie a predĺži cestu chladiacej vody. S vykurovacími výkonmi do 4 až 5 kW je to najhospodárnejšia voľba. Plášť a trubica, samozrejme, môžu nahradiť priame, ale výrobné náklady a spotreba vody budú vyššie.

Plášť a trubica sa dostávajú do popredia v autonómnych chladiacich systémoch, pretože sú úplne nenáročné na tlak vody. Pre úspešnú prevádzku je spravidla postačujúce bežné akváriové čerpadlo. Navyše, s vykurovacím výkonom od 5 do 6 kW a viac sa škrupinová chladnička nestane prakticky žiadnou alternatívou, pretože dĺžka priechodnej chladničky na využitie vysokých kapacít bude iracionálna..

U spätných chladičov kašovitých stĺpov je situácia trochu iná. S malými, do 28 - 30 mm, priemermi stĺpov je najracionálnejšie konvenčné radenie (v zásade rovnaké radenie).

Pre priemery 40-60 mm je náväzcom Dimroth deflegmator. Jedná sa o vysoko presný chladič s presnou reguláciou výkonu a absolútnou nechuťou k vzduchu. Dimroth vám umožňuje nastaviť režimy s najnižšou hypotermiou hlienu. Pri práci s naplnenými stĺpikmi umožňuje vďaka svojej konštrukcii vycentrovať spätný tok spätného toku, najlepším spôsobom zavlažovať náplň..

Plášť a trubica sa dostávajú do popredia v autonómnych chladiacich systémoch. Spätné zavlažovanie náplne sa uskutočňuje nie v strede kolóny, ale po celej rovine. To je menej účinné ako Dimrothovo, ale úplne prijateľné. Spotreba vody v tomto režime pre škrupinu a trubicu bude výrazne vyššia ako spotreba Dimroth.

Ak potrebujete kondenzátor pre kolónu s odberom kvapaliny, je Dimroth mimo konkurencie kvôli presnosti regulácie a nízkemu podchladeniu spätného toku. Na tieto účely sa používa aj škrupina a trubica, je však ťažké vyhnúť sa podchladeniu hlienu a spotreba vody bude vyššia..

Hlavným dôvodom obľúbenosti zostáv typu trubka-trubica medzi výrobcami domácich spotrebičov je ich univerzálnejšie použitie a ich časti sú ľahko zjednotiteľné. Okrem toho je použitie deflegmátorov typu shell-and-tube v prístrojoch typu „konštruktér“ alebo „s posunom tvaru“ mimo konkurencie..

Výpočet parametrov deflegmátora typu shell-and-tube

Výpočet požadovanej oblasti výmeny tepla je možné vykonať zjednodušenou metódou..

1. Stanovte koeficient prestupu tepla.

názov	Hrúbka vrstvy h, m	Merná tepelná vodivosť λ, W / (m * K)	Tepelná odolnosť R, (m2K) / Ž
Kontaktná oblasť kov-voda (R1)	0,00001
Kovové rúry (nehrdzavejúca oceľ λ = 17, meď - 400), (R2)	0,001	17	0,00006
Reflux (priemerná hrúbka filmu v kondenzačnej zóne pre spätný chladič je 0,5 mm, pre chladničku - 0,8 mm), (R3)	0,0005	jeden	0,0005
Kontaktná oblasť kovových pár, (R4)	0,0001
Celkový tepelný odpor, (Rs)	0,00067
Súčiniteľ prestupu tepla, (K) W / (m2TO)	1493

Výpočtové vzorce:

R = h / λ, (m2 K) / W-

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

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

2. Určte priemerný teplotný rozdiel medzi parou a chladiacou vodou.

Teplota nasýtených alkoholových pár Tp = 78,15 ° C.

Maximálny výkon zo spätného chladiča je potrebný v režime činnosti kolóny smerom k sebe, čo sprevádza maximálny prívod vody a jej minimálna teplota na výstupe. Preto predpokladáme, že teplota vody na vstupe do plášťa a rúry (15 - 20) je T1 = 20 ° C, na výstupe (25 - 40) - T2 = 30 ° C.

 Tvx = Tp - T1-

Thv = TP - T2-

Priemerná teplota (Tav) sa vypočíta podľa vzorca:

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

To je v našom prípade zaokrúhlené:

Tvh = 58 ° C-

Tv = 48 ° C.

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

3. Vypočítajte plochu prenosu tepla. Na základe známeho súčiniteľa prechodu tepla (K) a priemernej teploty (Tav) určíme potrebnú plochu pre prenos tepla (St) pre požadovaný tepelný výkon (N), W.

St = N / (Tav * K), m²-

Ak napríklad potrebujeme recyklovať 1 800 W, potom St = 1 800 / (53 * 1493) = 0,0227 m², alebo 227 cm².

4. Geometrický výpočet. Rozhodneme sa o minimálnom priemere rúrok. V deflegmátore ide hlien smerom k pare, preto je potrebné dodržiavať podmienky jeho voľného prúdenia do dýzy bez nadmerného podchladenia. Ak vyrábate trubice príliš malého priemeru, môžete vyvolať povodeň alebo uvoľnenie hlienu v oblasti nad deflektorom a ďalej vo výbere, potom môžete jednoducho zabudnúť na dobré čistenie nečistôt..

Minimálny celkový prierez rúrok pri danom výkone sa vypočíta podľa vzorca:

Prierez = N * 750 / V, mm², Kde

N - výkon (kW)-

750 - tvorba pary (cm³ / s kW)-

V - rýchlosť pary (m / s)-

Sekcia - minimálna plocha prierezu rúrok (mm²)

Pri výpočte destilátora stĺpcového typu sa vykurovací výkon volí na základe maximálnej rýchlosti pary v kolóne 1 - 2 m / s. Predpokladá sa, že ak rýchlosť prekročí 3 m / s, bude para poháňať spätný tok hore po kolóne a vrhať ju do extrakcie..

Ak potrebujete zlikvidovať v 1,8 kW deflegmátore:

 Sekcia = 1,8 * 750/3 = 450 mm².

Ak vyrábate spätný chladič s 3 trubicami, potom plocha prierezu jednej trubice nie je menšia ako 450/3 = 150 mm.², vnútorný priemer - 13,8 mm. Najbližšia väčšia zo štandardných veľkostí rúrok je 16 x 1 mm (vnútorný priemer 14 mm).

Pri známom priemere rúry d (cm) nájdeme ich minimálnu požadovanú celkovú dĺžku:

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

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

Ak vyrobíme 3 trubice, potom by mala byť teplota spätného chladiča asi 15 cm.

Dĺžka sa upravuje s prihliadnutím na to, že vzdialenosť medzi usmerňovačmi by mala byť približne rovnaká ako vnútorný polomer karosérie. Ak je počet priečok párny, potom budú potrubia na prívod a odvod vody na opačných stranách, a ak sú nepárne, na jednej strane deflegmátora.

Zväčšenie alebo zmenšenie dĺžky rúr v okruhu radiálnych stĺpov pre domácnosť nespôsobí problémy s ovládateľnosťou alebo výkonom spätného chladiča, pretože zodpovedá chybám vo výpočte a môže byť kompenzované ďalšími konštrukčnými riešeniami. Môžete zvážiť možnosti s 3, 5, 7 alebo viac rúrkami, potom si vyberte tú najlepšiu z vášho pohľadu..

Konštrukčné vlastnosti výmenníka tepla typu shell-and-tube

Priečky

Vzdialenosť medzi ozvučnicami je približne rovnaká ako polomer tela. Čím je táto vzdialenosť kratšia, tým väčší je prietok a tým menšia je možnosť stagnácie zón..

Usmerňovače usmerňujú tok cez rúrky, čo výrazne zvyšuje účinnosť a výkon výmenníka tepla. Usmerňovače tiež zabraňujú ohýbaniu rúrok vplyvom tepelného zaťaženia a zvyšujú tuhosť deflegmátora škrupiny a rúrok..

V priečkach na priechod vody sú vyrezané segmenty. Segmenty musia byť minimálne také veľké ako plocha prierezu vodovodných potrubí. Zvyčajne je táto hodnota asi 25-30% plochy priečky. V každom prípade musia segmenty zabezpečiť rovnosť rýchlosti vody pozdĺž celej trajektórie pohybu, a to tak vo zväzku rúrok, ako aj v medzere medzi zväzkom a telom..

Pre deflegmátora má napriek svojej malej (150 - 200 mm) dĺžke zmysel vytvoriť niekoľko priečok. Ak je ich počet párny, armatúry budú na opačných stranách, ak nepárne - na jednej strane spätného chladiča.

Pri inštalácii priečnych usmerňovačov je dôležité zabezpečiť čo najmenší voľný priestor medzi telom a usmerňovačom..

Rúry

Na hrúbke steny rúrok vlastne nezáleží. Rozdiel v koeficiente prestupu tepla pre hrúbky steny 0,5 a 1,5 mm je zanedbateľný. Rúry sú v skutočnosti tepelne priehľadné. Voľba medzi meďou a nehrdzavejúcou oceľou z hľadiska tepelnej vodivosti tiež nedáva zmysel. Pri výbere je potrebné vychádzať z prevádzkových alebo technologických vlastností.

Pri označovaní tabúľ rúrok sa riadia skutočnosťou, že vzdialenosti medzi osami rúrok musia byť rovnaké. Zvyčajne sú umiestnené na vrcholoch a stranách pravidelného trojuholníka alebo šesťuholníka. Podľa týchto schém je v rovnakom kroku možné umiestniť maximálny počet rúrok. Stredová trubica sa najčastejšie stáva problémom, ak vzdialenosti medzi rúrkami vo zväzku nie sú rovnaké.

Na obrázku je príklad správneho vzoru otvoru.

Pre pohodlie zvárania by vzdialenosť medzi rúrkami nemala byť menšia ako 3 mm. Na zaistenie pevnosti spojov musí byť materiál rúrového plechu tvrdší ako materiál rúr a medzera medzi plechom a rúrkami nesmie byť väčšia ako 1,5% priemeru potrubia..

Pri zváraní by mali konce rúrok vyčnievať nad mriežku vo vzdialenosti rovnajúcej sa hrúbke steny. V našich príkladoch - o 1 mm, to vám umožní urobiť vysoko kvalitný šev roztavením rúrky.

Výpočet parametrov škrupinového chladiča

Hlavný rozdiel medzi škrupinovou chladničkou a spätným chladičom je v tom, že spätný tok v chladničke prúdi rovnakým smerom ako para, preto sa spätná vrstva v kondenzačnej zóne zvyšuje z minima na maximum plynulejšie a jej priemerná hrúbka je o niečo väčšia..

Pre výpočty odporúčame nastaviť hrúbku rovnú 0,8 mm. U deflegmátora je opak pravdou - spočiatku sa silná vrstva hlienu, ktorá sa zlúčila z celého povrchu, stretáva s parou a prakticky neumožňuje, aby úplne kondenzovala. Potom, čo prekoná túto bariéru, para vstupuje do zóny s minimálnym, asi 0,5 mm hrubým, refluxným filmom. Ide o hrúbku na úrovni jej dynamického zadržania, ku kondenzácii dochádza hlavne v tejto zóne.

Ak vezmeme priemernú hrúbku refluxnej vrstvy na 0,8 mm, pre konkrétny príklad zvážime vlastnosti výpočtu parametrov škrupinového chladiča pomocou zjednodušeného postupu..

názov	Hrúbka vrstvy h, m	Merná tepelná vodivosť λ, W / (m * K)	Tepelná odolnosť R, (m2K) / Ž
Kontaktná oblasť kov-voda, (R1)	0,00001
Kovové rúry (nehrdzavejúca oceľ λ = 17, meď - 400), (R2)	0,001	17	0,00006
Hlien (R3)	0,0008	jeden	0,001
Kontaktná oblasť kovových pár, (R4)	0,0001
Celkový tepelný odpor, (Rs)	0,00117
Súčiniteľ prestupu tepla, (K) W / (m2TO)	855,6

Maximálne požiadavky na výkon chladničky predstavuje prvá destilácia, pre ktorú sa vykonáva výpočet. Užitočný vykurovací výkon - 4,5 kW. Vstupná teplota vody - 20 ° C, výstup - 30 ° C, para - 92 ° C.

Tvh = 92 - 20 = 72 ° C-

Tv = 92 - 30 = 62 ° C-

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

Výmenná plocha tepla:

St = 4500 / (67 * 855,6) = 787 cm².

Minimálna celková plocha prierezu rúr:

S časť = 4,5 * 750/10 = 338 mm²-

Vyberáme 7-trubkovú chladničku. Prierezová plocha jednej rúry: 338/7 = 48 mm alebo vnútorný priemer 8 mm. Zo štandardného sortimentu rúr je vhodný 10x1 mm (s vnútorným priemerom 8 mm).

Pozor! Pri výpočte dĺžky chladničky je potrebný vonkajší priemer 10 mm.

Určite dĺžku rúrok chladničky:

L = 787 / 3,14 / 1 = 250 cm, dĺžka jednej trubice: 250/7 = 36 cm.

Objasňujeme dĺžku: ak je telo chladničky vyrobené z rúry s vnútorným priemerom 50 mm, potom by medzi priečkami malo byť 25 mm.

36 / 2,5 = 14,4.

Preto je možné vyrobiť 14 priečok a získať prívodné a odtokové potrubie vody v rôznych smeroch, alebo 15 priečok a potrubí bude vyzerať jedným smerom, výkon sa tiež mierne zvýši. Vyberieme 15 priečok a dĺžku rúrok upravíme na 37,5 mm.

Výkresy refluxných kondenzátorov a chladničiek

Výrobcovia sa neponáhľajú so zdieľaním svojich výkresov tepelných výmenníkov typu „shell-and-tube“ a domáci remeselníci ich skutočne nepotrebujú, niektoré schémy sú však stále verejné..

Doslov

Nemalo by sa zabúdať, že všetko uvedené je teoretickým výpočtom pomocou zjednodušenej metódy. Tepelné výpočty sú oveľa komplikovanejšie, ale v skutočnom rozsahu zmien vykurovacieho výkonu a ďalších parametrov pre domácnosť poskytuje technika správne výsledky..

V praxi sa môže koeficient prestupu tepla líšiť. Napríklad kvôli zvýšenej drsnosti vnútorného povrchu rúr bude refluxná vrstva vyššia ako vypočítaná alebo bude chladnička umiestnená nie zvisle, ale pod uhlom, ktorý zmení jej vlastnosti. Možností je veľa.

Výpočet umožňuje presne určiť rozmery výmenníka tepla, skontrolovať, ako zmena priemeru rúrok ovplyvní charakteristiky, a bez ďalších nákladov odmietnuť všetky nepoužiteľné alebo zaručene najhoršie možnosti..