Ювелирное обозрение

Когда мы первый раз покупаем самогонный аппарат, нас привлекает в первую очередь его внешний вид: блеск, наличие круглого термометра, маленький размер, округлые формы. Мы не задумываемся о его производительности, не гонимся за большим объёмом перегонного куба, не думаем о том какой именно у него холодильник и есть ли возможность нагрева на индукционной плите, нас не впечатляет ширина горловины и возможность разборки аппарата. Мы просто берём и покупаем “кота в мешке” по низкой цене.

Позже, у всех по разному, приходит понимание, что мы купили по большей части сувенир, а не самогонный аппарат. Аппетит приходит во время еды, а желание перегонять весь объём браги, без постоянных переливаний – увеличивается и прогрессирует. И только тогда, мы понимаем, что хотим совершенно другое оборудование и ищем конкретные примеры, читаем отзывы и только тогда покупаем.

Но из всех покупателей, мало кто обращает внимание на холодильник – самый важный узел в самогонном аппарате. О холодильниках для самогонного аппарата я и хочу поговорить в этой статье.

Начинающие винокуры считают, что если установить на свой самогонный аппарат, с небольшой ёмкостью, мощную модель холодильника, то они будут на “КОНЕ”. Были прецеденты.

Вот один из них…

Один из наших покупателей, приобрёл мощный кожухотрубный холодильник для перегонного куба 20 литров, а при перегоне не мог нагреть перегонный куб, так как холодильник не давал ему нагреться.

А бывает и наоборот.

Покупают перегонный куб большого объёма. Позже покупают отдельно самогонный аппарат, не думая о том, справится ли его холодильник с заданным объёмом. Так как холодильник должен соответствовать объёму пара и мощности нагрева. Если эти параметры не совпадут – холодильник "захлебнётся".

1. Проточный змеевик – (у моего прадеда был такой стеклянный и он им очень дорожил). Сам змеевик опускался в ёмкость с холодной водой, шланг с парами браги подключался к змеевику, с другого конца которого, выходил готовый продукт. Существуют модели с цилиндрической ёмкостью, внутрь цилиндра помещают змеевик.
2. Проточный прямоточный холодильник – то же что и первый вариант, но вместо змеевика прямая трубка или несколько.
3. Непроточный холодильник – применяется для мест где нет возможности подключить проточную холодную воду. Выглядит как спираль из меди или нержавейки, бывают и стеклянные варианты. Такой холодильник помещают в ёмкость с водой или снегом.
4. Кожухотрубный холодильник – современная конструкция выполнена из цилиндра внутрь которого помещены одна большая или несколько прямых трубок меньшего размера (диаметра).

Не буду рассказывать вам, о старых холодильниках, лабораторного типа – стеклянных, их производительность оставляет желать лучшего, когда мы говорим о перегоне сахарной браги с помощью перегонного куба объёмом 20 – 40 литров.

Какой холодильник лучше

Выбирайте модель и длину холодильника исходя из объёма перегонного куба. Для перегонного куба объёмом 12 литров подойдёт и змеевик, а для кубов 20 литров и более, нужно выбирать производительные модели.

Чем выше производительность холодильника, тем большую мощность нагрева вы сможете задать. Чем мощнее последняя – тем быстрее вы выгоните заданный объём браги. А при первом перегоне скорость перегона – очень важна.

На современном рынке самогонных аппаратов, кожухотрубные разновидности холодильников – более производительные.

О кламп соединениях

Благодаря соединению типа “кламп”, у пользователей самогонного оборудования, появилась возможность устанавливать холодильники любой (длины) мощности и производительности. Также как и дефлегматоры – последние те же самые холодильники, только меньшего размера.

Чем больше диаметр основной трубы, чем больше трубок в ней, чем длиннее вся конструкция – тем мощнее холодильник.

Ниже приведена таблица мощности холодильников согласно величине нагрева и объёма перегонного куба.

Блог о домашнем винокурении

• / Дистилляция или хороший самогонный аппарат /
• Кожухотрубник

Кожухотрубник

Прямоточные холодильники очень эффективны при правильной конструкции охлаждающей рубашки, но иногда мощностные требования диктуют необходимость увеличения длины прямоточника. На сверхдлинных прямоточниках обеспечение хорошего теплообмена становится нетривиальной задачей, да и общая длина такого холодильника выходит за рамки разумного. Для решения подобных задач существуют другие конструкции, например, кожухотрубный теплообменник или «кожухотрубник». Как видно из иллюстрации, он представляет собой несколько трубок, заключенных в единый кожух охлаждения. На представленной иллюстрации удерживающие перегородки выполнены в качестве сегментов, образующих подобие завихрителя, это сделано для лучшего перемешивания теплоносителя в кожухе аппарата и, как следствие этого, — для повышения эффективности теплообмена. Пар (в нашем случае) идет по прямым трубкам, а в кожухе циркулирует охлаждающая жидкость. По эффективности данный теплообменник идентичен прямоточнику с паропроводом диаметром, равным диаметру одной трубки, и длиной, равной сумме длин трубок. Т.е. при сохранении производительности, удалось достичь «компактизации» длины конденсатора в N раз (где N — число трубок).

Конечно, конструктивно и технологически данный теплообменник намного сложнее и затратней обычного прямоточника или холодильника Димрота. Однако, такие конструкции нашли себе применение не только в промышленности (на больших мощностях и объемах), но и в домашнем винокурении и пивоварении. На их основе делают :

1. Конденсаторы и дефлегматоры.

2. Различные охладители жидких продуктов (сусла, например). В отличие от змеевиков, кожухотрубники создают гораздо меньшее гидравлическое сопротивление.

3. Тепловые фильтры. Если вместо воды в кожухе будет работать теплоноситель с другой температурой кипения (например, азеотроп изопропилового спирта), то такой фильтр будет конденсировать все высококипящие фракции, пропуская через себя только более «легкие» спирты — обеспечивая, например, отсечение сивухи при дистилляции. К сожалению, конструктив пока довольно сложный для самостоятельного повторения.

5 Комментарии к записи “Кожухотрубник”

1. 

Sevaliz

Здравствуйте! Эффективнее большее кол-во трубок меньшего диаметра или меньшее кол-во ,но большего диаметра?

fat_admin

Смотря для чего. В тонких трубках сильнее выражен пленочный эффект — это важно для тепловых фильтров. Там лучше ставить трубки 8мм или около того.
Для охлаждения жидких сред может оказаться важным возможность мытья — лучше трубки потолще.
А вообще — считайте площадь поверхности охлаждения суммарную. Где выйдет больше, там и лучше. От диаметра ведь и расстановка трубок зависит.

.юрий беларусь

Мне кажется, что это очень удачная конструкция вместо классического змеевика.. В связи с тем, что тонкие трубки можно разместить в трубе относительно меньшего (чем для змеевика) диаметре- упрощается поиск и выполнение внешней рубашки. Ее можно изготовить из медной трубы водопроводной разумного диаметра , а легкость пайки меди решает задачу спайки блока тонких трубок, впайки трубок ввода входа-выхода воды и входа пара-выхода сэма. я сейчас применяю обычный змеевик, который впаян в обычную консервную банку диаметром около 80 мм. (меньше трудно было навить змеевик, учитывая нежелательность его касания стенок кожуха ). «холодильник» работает, но часто протекает из- за коррозии, надоело паять дыры. а вставить змеевик в пластиковую сантехническую трубу- сложно обеспечить герметичность входа-выхода змеевика. Так что спасибо за «кожухотрубник» сделаю медным, будет промываться паром и сэмом (все равно первым идут головы- будут мыть холодильник)

Александр

Расскажите подробнее про тепловой фильтр.Есть метровый КТ Ду 60,16 трубок 10х1.0, с переходом с 2х сторон на Ду 50 кламп.

Админ Сергей ответил:
Март 8th, 2017 at 00:03

Что конкретно вас интересует?

Leave a Reply

Оцените статью, это поможет развитию блога. Просто нажмите на соответствующую звездочку

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.