Как сделать кожухотрубный холодильник своими руками

Кожухотрубный теплообменник (Кожухотрубник)

К сожалению, информация по кожухотрубникам разбросана по разным темам.
Систематизированной информации и внятных отзывов мало.
По этому, пришлось открыть отдельную ветку и самостоятельно, без подсказок, проходить все этапы проектирования и сборки.

Попытки форумчан обсудить конструкцию кожухотрубного теплообменника обычно сводится к предложению сделать прямоточник и успокоиться.
Дескать, это очень сложно и малоэффективно для нашего дела.
Да, сделать сложно. Но могу сказать, что результат стоит приложенных усилий.
Просьба ко всем заинтересованным, если на просторах нашего необъятного форума встретите информацию по данной теме, кидайте ссылки сюда.
В общем, пишите, делитесь, советуйте.
Не все участники нашего форума ищут «лёгкие» пути…
[сообщение #11586161]
[сообщение #11388247]

Устройство мне показалось интересным.
Сделано по принципу промышленных трубчатых теплообменников.

Teploobm3. Кожухотрубный теплообменник (Кожухотрубник). Оборудование для перегонки и ректификации.

В прямоточных холодильниках, высокая скорость потока жидкости является главным условием высокой производительности.
Скорость необходимая для срыва «теплового одеяла» достигается за счет малых зазоров и иных приспособлений.
При наличии только одной трубки, сделать это не сложно.
Но для увеличения производительности приходится наращивать длину холодильника, а это бывает не всегда удобным.
В кожухотрубном теплообменнике, при больших площадях поперечного сечения, невозможно добиться больших скоростей при малом протоке жидкости.
Компенсируют этот недостаток перегородки, разделяющие внутреннюю полость теплообменника. Они предназначены для изменения направления потока и тем самым вызывают интенсивное перемешивание среды.
Чем больше перегородок, тем выше эффективность теплообмена. За счет этого, устройство можно сделать довольно компактным и весьма производительным.
На мой взгляд, делать кожухотрубник без перегородок, занятие малоэффективное.
Расход воды будет велик, а теплообмен недостаточным. Сводятся на нет преимущества устройства – компактность, высокая производительность и экономичность.

Идея застряла в голове, как назойливая заноза.
Ни чего не оставалось делать, как воплотить её в металле.
Проект пилотный, и не всё получилось в плане технологии сборки.

Устройство в изготовлении действительно не простое.
Но это только если не знать последовательности действий.
Скажу так – если вы собрали кожухотрубник, остальные узлы Вам, как семечки.

Схема, компоновка и всё остальное будет ясно из картинок…

Kojyhotrybnii_teploobmennik. Кожухотрубный теплообменник (Кожухотрубник). Оборудование для перегонки и ректификации. _dsc9402. Кожухотрубный теплообменник (Кожухотрубник). Оборудование для перегонки и ректификации. _dsc9403. Кожухотрубный теплообменник (Кожухотрубник). Оборудование для перегонки и ректификации. _dsc9406. Кожухотрубный теплообменник (Кожухотрубник). Оборудование для перегонки и ректификации.
_dsc9468. Кожухотрубный теплообменник (Кожухотрубник). Оборудование для перегонки и ректификации. _dsc9469. Кожухотрубный теплообменник (Кожухотрубник). Оборудование для перегонки и ректификации. _dsc9481. Кожухотрубный теплообменник (Кожухотрубник). Оборудование для перегонки и ректификации. _dsc9483. Кожухотрубный теплообменник (Кожухотрубник). Оборудование для перегонки и ректификации.

Первый прогон проводил на воде.
При подаваемой мощности ТЭНа 2 кВт. Счетчик показал – 1780 Вт.
Учитывая потери не утеплённого куба 15% имеем скромных 1500 ватт мощности.
Температура в кубе – 100°С.
Температура конденсата на выходе – 15.8°С.
Температура охлаждающей воды на входе в конденсатор – 5.6°С.
Температура охлаждающей воды на выходе из конденсатора – 38.5°С.
При расходе воды 750 мл/мин.

Данный проект воплощен в металле благодаря освоению технологии пайки твёрдыми припоями –
[сообщение #11847252]

Источник

Инструкция по изготовлению кожухотрубного охладителя для самогонного аппарата

Сегодняшнюю статью прислал мне читатель Владимир Ельзов. Он представляет свою конструкцию охладителя для самогонного аппарата. Примечательно, что изначально автор изготовил теплообменник для других целей, а уже затем приспособил его в качестве дистиллятора для перегонки самогона. Почитайте историю об этом в конце статьи.

Также надо отметить, что такая конструкция известна в кругах винокуров и называется кожухотрубный холодильник. Она не столь популярна, как прямоточник или змеевик, но в то же время объединяет в себе их преимущества.

Содержание

Особенность конструкции

Кожухотрубный охладитель является разновидностью прямоточного. Только у него внутри кожуха вместо одной трубы находится сразу несколько. В данном случае 6.

В результате мы имеем положительные стороны прямоточного дистиллятора – отсутствие конденсатных пробок, высокую производительность и экономичность. И при этом добавляется такое достоинство змеевика, как компактность.

Из минусов могу отметить более дорогое и сложное изготовление.

Производительность такого охладителя при перегонке браги — 2,2 л/час при расходе воды 50 л/час.

Инструкция по изготовлению

Ниже приведены чертежи деталей для изготовления. Материал — нержавеющая сталь Х18Н9Т или 12Х18Н9Т.

• Варить штуцер 7 к фланцу 3
• Варить сливной патрубок 10 к крышке 5
• Варить катушку:
  а) варить трубы 6 к фланцу 3
  б) варить трубы 6 к фланцу 4
• Вставить катушку в кожух 1 до упора и варить с 2-х сторон
• Варить гайку 8 к кожуху 1
• Варить штуцер 9 к кожуху 1
• Заглушить штуцер 9, залить воду через штуцер 7 и проверить на герметичность
• Варить фланец 2 к кожуху 1
• Варить крышку 5 с сливом 10 к кожуху 1
• Заглушить гайку 8, через слив 10 залить воду и проверить на герметичность.

Спиртосодержащие пары подаются через гайку 8, проходят через трубы 6 конденсируясь и сливаются через слив 10. Движение паров и воды в противотоке. Вода подаётся через штуцер 9, а выходит через штуцер 7.

От автора

Изначально конструкция была изготовлена для подогрева холодной воды в отопительный сезон т.к. горячей воды в моём жилье не было. За основу конструкции взято устройство скоростного бойлера. В качестве нагревателя предполагался теплоноситель из батареи центрального отопления.

Из-за сложности использования и подключения конструкция была не одобрена домашними и долгое время оказалась не удел. И только во времена Горбачёва я о ней вспомнил. Если можно греть, значит можно и охлаждать. В этом качестве конструкция была испытана как охладитель (при большой конспирации) и оказалась удачной, т.к. в охладителе со змеевиком пары проходили через одну трубку, а здесь через 6-ть.

Кстати о скороварке: в те далёкие нелегальные времена она была эталоном конспирации. Весь аппарат состоял из скороварки (вместо клапана вворачивался штуцер), куска гибкого шланга, тазика с водой. Всё это не вызывало ни у кого никаких подозрений.
Второй клапан нужно заглушить или использовать под термометр, т.к. если процесс протекает при использовании открытого огня, то при его срабатывании (случайно может быть всё) произойдёт выброс спиртосодержащих паров и как результат возгорание и возможно пожар.

Когда в магазинах уже не было водки, а сухое вино ещё продавалось, то из 3-х бутылок вина типа Фетяска, Рислинг, Ркацетели и т.д. (стоимость вина — 90 коп. — 1,02 руб.) получалась бутылка хорошей виноградной водки.

Источник

Вертикальный кожухотрубный дефлегматор или холодильник

Самый распространенный в промышленности тип теплообменника – кожухотрубник. Вариант его конструктивного исполнения зависит от задач, стоящих перед пользователями. Кожухотрубник не обязательно должен быть многотрубным – обычный рубашечный дефлегматор, прямоточный (а) или противоточный (б) холодильник типа «труба в трубе» — это тоже кожухотрубники.

Применяются и одноходовые теплообменники с перекрестноточным движением теплоносителей (в). Но наиболее эффективна и часто используемая для многотрубных теплообменников – многоходовая перекрестноточная схема (г).

При этой схеме один поток жидкости или пара движется по трубам, а навстречу ему зигзагообразно, многократно пересекая трубы, движется второй теплоноситель. Это гибрид противоточного и перекрестного вариантов, который позволяет сделать теплообменник максимально компактным и эффективным.

Принцип работы кожухотрубных теплообменников и сфера их применения

В самогоноварении многоходовые перекрестноточные холодильники принято называть кожухотрубниками (КХТ), а их однотрубный вариант – противо- или прямоточным холодильником. Соответственно, при использовании этих конструкций в качестве дефлегматоров — кожухотрубными и рубашечными дефлегматорами.

В домашних самогонных аппаратах, бражных и ректификационных колоннах подачу пара осуществляют в эти теплообменники по внутренним трубам, а охлаждающей воды – в кожух. Любого промышленного конструктора-теплотехника это бы возмутило, так как именно в трубах можно создать высокую скорость теплоносителя, значительно увеличив теплоотдачу и КПД установки. Однако у винокуров свои цели и не всегда нужен высокий КПД.

Например, в дефлегматорах для паровых колонн, наоборот, требуется смягчить градиент температур, размазать зону конденсации как можно больше по высоте, и, сконденсировав необходимую часть пара, не допустить переохлаждения флегмы. Да еще и точно регулировать этот процесс. На первый план выходят совсем другие критерии.

Среди применяемых в самогоноварении холодильников наибольшее распространение получили змеевики, прямоточники и кожухотрубники. Каждый из них имеет свою сферу использования.

Для аппаратов с низкой (до 1,5-2 л/час) производительностью наиболее рационально применение небольших проточных змеевиков. При отсутствии проточной воды змеевики тоже дают фору другим вариантам. Классический вариант – змеевик в ведре с водой. Если есть водопровод и производительность аппарата до 6-8 л/ч, то преимущество имеют прямоточники, сконструированные по принципу «труба в трубе», но с очень малым кольцевым зазором (около 1-1,5 мм). На паровую трубу спиралевидно навивают проволоку с шагом 2-3 см, которая центрирует паровую трубу и удлиняет путь охлаждающей воды. При мощностях нагрева до 4-5 кВт это самый экономичный вариант. Кожухотрубник, безусловно, может заменить прямоточник, но стоимость изготовления и расход воды будет повыше.

Кожухотрубник выступает на первый план при автономных системах охлаждения, поскольку совершенно нетребователен к давлению воды. Как правило, обычного аквариумного насоса хватает для успешной работы. Кроме того, при мощностях нагрева от 5-6 кВт и выше кожухотрубный холодильник становится практически безальтернативным вариантом, так как длина прямоточного холодильника для утилизации высоких мощностей будет нерациональной.

Кожухотрубный дефлегматор

Для дефлегматоров бражных колонн ситуация несколько иная. При малых, до 28-30 мм, диаметрах колонн наиболее рационален обычный рубашечник (в принципе тот же кожухотрубник).

Для диаметров 40-60 мм лидером становится дефлегматор Димрота. Это высокоточный охладитель с четкой регулируемостью мощностью и абсолютной несклонностью к завоздушиванию. Димрот позволяет настроить режимы с наименьшим переохлаждением флегмы. При работе с насадочными колоннами он, благодаря своей конструкции, дает возможность центрировать возврат флегмы, наилучшим образом орошая насадку.

Кожухотрубник выходит на передний план при системах автономного охлаждения. Орошение насадки флегмой происходит не в центре колонны, а по всей плоскости. Это менее эффективно чем у Димрота, но вполне допустимо. Расход воды при таком режиме у кожухотрубника будет ощутимо выше нежели у Димрота.

Если нужен конденсатор для колонны с жидкостным отбором, то Димрот вне конкуренции за счет точности регулировки и малого переохлаждения флегмы. Кожухотрубник также применяют для этих целей, но переохлаждения флегмы трудно избежать и расход воды будет выше.

Основной причиной популярности кожухотрубников у производителей бытовых аппаратов является то, что они более универсальны в использовании, а их детали легко унифицируются. Кроме того, применение кожухотрубных дефлегматоров в аппаратах типа «конструктор» или «перевертыш» вне конкуренции.

Расчет параметров кожухотрубного дефлегматора

Расчет необходимой площади теплообмена можно выполнить по упрощенной методике.

1. Определить коэффициент теплопередачи.

Наименование

Толщина слоя h, м

Удельная теплопроводность

λ, Вт/(м*К) Термическое сопротивление

R, (м 2 К)/Вт Зона контакта металла с водой (R1) 0,00001 Металл трубок (нержавейка λ=17, медь – 400), (R2) 0,001 17 0,00006 Флегма (средняя толщина пленки в зоне конденсации для дефлегматора 0,5 мм, для холодильника – 0,8 мм), (R3) 0,0005 1 0,0005 Зона контакта металла с паром, (R4) 0,0001 Суммарное термическое сопротивление, (Rs) 0,00067 Коэффициент теплопередачи, (К)

Вт/(м 2 К) 1493

Формулы для расчетов:

Rs = R1 + R2 + R3 + R4, (м2 К)/ Вт;

К = 1 / Rs, Вт/ (м2 К).

2. Определить среднюю разницу температур между паром и охлаждающей водой.

Температура насыщенного спиртового пара Тп = 78,15 °C.

Максимальная мощность от дефлегматора нужна в режиме работы колонны на себя, что сопровождается максимальной подачей воды и минимальной её температурой на выходе. Поэтому примем, что температура воды на входе в кожухотрубник (15 — 20) — Т1 = 20 °C, на выходе (25 — 40) — Т2 = 30 °C.

Среднюю температуру (Тср) посчитаем по формуле:

Тср = (Твх — Твых) / Ln (Твх / Твых).

То есть, в нашем случае округленно:

Тср = (58 — 48) / Ln (58 / 48) = 10 / Ln(1,21) = 53 °C.

3. Рассчитать площадь теплообмена. Исходя из известного коэффициента теплопередачи (К) и средней температуры (Тср), определяем необходимую площадь поверхности для теплообмена (Sт) для требуемой тепловой мощности (N), Вт.

Sт = N / (Tср * К), м 2 ;

Если нам, к примеру, нужно утилизировать 1800 Вт, то Sт = 1800 / (53 * 1493) = 0,0227 м 2 , или 227 см 2 .

4. Геометрический расчет. Определимся с минимальным диаметром трубок. В дефлегматоре флегма идет навстречу пару, поэтому необходимо соблюсти условия для её свободного стекания в насадку без излишнего переохлаждения. Если сделать трубки слишком малого диаметра, можно спровоцировать захлеб или выброс флегмы в зону над дефлегматором и дальше в отбор, тогда о хорошей очистке от примесей можно будет просто забыть.

Минимальное суммарное сечение трубок при заданной мощности посчитаем по формуле:

Sсеч = N * 750 / V, мм 2 , где

N – мощность (кВт);

750 – парообразование (см 3 / с кВт);

V – скорость пара (м/с);

Sсеч – минимальная площадь поперечного сечения трубок (мм 2 )

При расчетах дистилляторов колонного типа мощность нагрева выбирают исходя из максимальной скорости пара в колонне 1-2 м/с. Считается, что если скорость превысит 3 м/с, то пар будет гнать флегму вверх по колонне и забрасывать в отбор.

Если нужно утилизировать в дефлегматоре 1,8 кВт:

Sсеч = 1,8 * 750 / 3 = 450 мм 2 .

Если делать дефлегматор с 3 трубками, значит, площадь сечения одной трубки не меньше 450 / 3 = 150 мм 2 , внутренний диаметр – 13,8 мм. Ближайший больший из стандартных размеров труб – 16 х 1 мм (внутренний диаметр 14 мм).

При известном диаметре труб d (см) находим минимально необходимую их суммарную длину:

L= 227/ (3,14* 1,6) = 45 см.

Если сделаем 3 трубки, то длина дефлегматора должна быть около 15 см.

Длину корректируют учитывая, что расстояние между перегородками должно примерно равняться внутреннему радиусу корпуса. Если число перегородок будет четным, то патрубки для подачи и слива воды окажутся на противоположных сторонах, а если нечетным – на одной стороне дефлегматора.

Увеличение или уменьшение длины труб в пределах величины радиуса бытовых колонн не создаст проблем с управляемостью или мощностью дефлегматора, так как соответствует погрешностям при расчете и может быть компенсировано дальнейшими конструктивными решениями. Можно рассмотреть варианты с 3, 5, 7 и более трубками, затем выбрать со своей точки зрения оптимальный.

Конструктивные особенности кожухотрубного теплообменника

Перегородки

Расстояние между перегородками ориентировочно равно радиусу корпуса. Чем меньше это расстояние, тем больше скорость потока и меньше возможность возникновения застойных зон.

Перегородки направляют поток поперек трубок, это ощутимо увеличивает КПД и мощность теплообменника. Также перегородки препятствуют прогибу трубок под воздействием тепловых нагрузок и увеличивают жесткость кожухотрубного дефлегматора.

В перегородках вырезают сегменты для прохода воды. Сегменты должны быть не меньше площади сечения патрубков для подачи воды. Обычно эта величина составляет около 25-30% от площади перегородки. В любом случае, сегменты должны обеспечить равенство скорости воды по всей траектории движения, как в трубном пучке, так и зазоре между пучком и корпусом.

Для дефлегматора, несмотря на его небольшую (150-200 мм) длину, есть смысл сделать несколько перегородок. Если их число будет четным, штуцеры окажутся на противоположных сторонах, если нечетным – на одной стороне дефлегматора.

При установке поперечных перегородок важно обеспечить как можно меньший зазор между корпусом и перегородкой.

Трубки

Толщина стенок трубок особого значения не имеет. Разность коэффициента теплопередачи для толщины стенки 0,5 и 1,5 мм ничтожно мала. По факту трубки являются термически прозрачными. Выбор между медью и нержавейкой, с точки зрения теплопроводности, также теряет смысл. При выборе нужно исходить из эксплуатационных или технологических свойств.

При разметке трубной доски руководствуются тем, что расстояния между осями трубок должно быть одинаковым. Обычно их размещают в вершинах и по сторонам правильного треугольника или шестиугольника. По этим схемам при одном и том же шаге возможно разместить максимальное количество трубок. Центральная трубка чаще всего становится проблемной, если расстояния между трубками в пучке не одинаковы.

На рисунке показан пример правильного расположения отверстий.

Для удобства сварки расстояние между трубками не стоит делать меньше 3 мм. Для обеспечения прочности соединений материал трубной решетки должен быть более твердым, чем материал труб, а зазор между решеткой и трубами – не более 1,5% от диаметра труб.

При сварке концы труб должны выступать над решеткой на расстояние равное толщине стенки. В наших примерах – на 1 мм, это позволит сделать качественный шов, оплавив трубу.

Расчет параметров кожухотрубного холодильника

Главное отличие кожухотрубного холодильника от дефлегматора состоит в том, что флегма в холодильнике течет в одном направлении с паром, поэтому слой флегмы в зоне конденсации увеличивается от минимального до максимального более плавно, а средняя его толщина несколько больше.

Для расчетов рекомендуем задавать толщину, равную 0,8 мм. В дефлегматоре же все наоборот – вначале толстый слой флегмы, слившейся со всей поверхности, встречает пар и практически не дает ему полноценно конденсироваться. Затем, преодолев этот барьер, пар попадает в зону с минимальной, порядка 0,5 мм толщиной, пленки флегмы. Это толщина на уровне её динамического удержания, конденсация происходит, в основном, в этой зоне.

Приняв среднюю толщину слоя флегмы равной 0,8 мм, на конкретном примере рассмотрим особенности расчета параметров кожухотрубного холодильника по упрощенной методике.

Наименование

Толщина слоя h, м

Удельная теплопроводность

λ, Вт/(м*К) Термическое сопротивление

R, (м 2 К)/Вт Зона контакта металла с водой, (R1) 0,00001 Металл трубок (нержавейка λ=17, медь – 400), (R2) 0,001 17 0,00006 Флегма, (R3) 0,0008 1 0,001 Зона контакта металла с паром, (R4) 0,0001 Суммарное термическое сопротивление, (Rs) 0,00117 Коэффициент теплопередачи, (К)

Вт/(м 2 К) 855,6

Максимальные требования по мощности к холодильнику предъявляет первая перегонка, для которой и делают расчет. Полезная мощность нагрева – 4,5 кВт. Температура воды на входе – 20 °C, на выходе – 30 °C, пара – 92 °C.

Твх = 92 — 20 = 72 °C;

Твых = 92 — 30 = 62 °C;

Тср = (72 — 62)/ Ln (72 / 62) = 67 °C.

Sт = 4500 / (67 * 855,6) = 787 см².

Минимальная суммарная площадь сечения труб:

S сеч = 4.5*750/10= 338 мм²;

Выбираем 7-ми трубный холодильник. Площадь сечения одной трубы: 338 / 7 = 48 мм или внутренний диаметр 8 мм. Из стандартного ассортимента труб подходит 10х1 мм (с внутренним диаметром 8 мм).

Внимание! При расчете длины холодильника нужен внешний диаметр – 10 мм.

Определяем длину трубок холодильника:

L= 787 / 3,14 / 1 = 250 см, следовательно, длина одной трубки: 250 / 7 = 36 см.

Проводим уточнение длинны: если корпус холодильника выполнен из трубы с внутренним диаметром 50 мм, то между перегородками должно быть 25 мм.

Следовательно, можно сделать 14 перегородок и получить патрубки ввода-вывода воды в разные стороны, или 15 перегородок и патрубки будут смотреть в одну сторону, также слегка подрастет мощность. Выбираем 15 перегородок и корректируем длину трубок до 37,5 мм.

Чертежи кожухотрубных дефлегматоров и холодильников

Производители не спешат делиться своими чертежами кожухотрубных теплообменников, а домашние мастера не особо в них нуждаются, но всё же некоторые схемы есть в публичном доступе.

Послесловие

Не следует забывать, что всё вышесказанное – теоретический расчет по упрощенной методике. Теплотехнические расчеты намного сложней, но в реальном бытовом диапазоне изменения мощностей нагрева и других параметров методика дает корректные результаты.

На практике коэффициент теплопередачи может оказаться другим. Например, из-за повышенной шероховатости внутренней поверхности труб слой флегмы станет выше расчетного, или холодильник будет расположен не вертикально, а под углом, что изменит его характеристики. Вариантов много.

Расчет позволяет достаточно точно определить размеры теплообменника, проверить как повлияет на характеристики изменение диаметра труб и без лишних затрат отвергнуть все негодные или гарантированно худшие варианты.

Источник