Экономичный дефлегматор и холодильник...

[Игорь]

каким ты видишь максимальный зазор

На разных конкретных примерах получается одно и то-же. Оптимальный зазор - 1 мм.

Давай разберем конкретный пример. У меня уже 2 года валяется 2.5-киловаттный ТЭН, типа аристоновского. Вот и посчитаю для него прямоточник.

Полезная мощность будет меньше 2.5 кВт, но считать буду 2.5 - пусть будет запас.

1. Внутренний диаметр паровой трубы.
Если взять трубу Двн 16 м, скорость пара будет 10 м/с, если 12 - 17 м/с. Возьму трубу 16х1, у которой Двн14 - скорость пара будет 13 м/с.
2. Внутренний диаметр рубашки.
Для рубашки использую трубу 20х1. У неё внутренний диаметр 18, кольцевой зазор составит 1 мм.
Считаю скорость воды. Мне её нужно 10 см2/с, при зазоре 18х16 мм это будет 19 см/с - нормально.
3. Теперь высота рубашки. На 2.5 кВт нужно 250 см2 наружной поверхности трубы д. 16. Это 50 см.

По зазору. Если он будет 1.5 мм, скорость воды упадет до 12 см/с - еще нормально. Но 2 миллиметра
- уже плохо - номинальный расход воды создаст скорость в рубашке 8,8 см/с, а это уже меньше 11 - придется давать воду больше, чем это необходимо.

Давай мощность своего куба, я посчитаю прямоточник.


Только что сделал замеры на 4-киловаттном прямоточнике.
Мощность нагрева - полная (4.5 кВт), в кубе - вода.
Отрегулировал минимальный поток воды, при котором конденсат течет с температурой 30-35 градусов.

Поток конденсата - 50 мл за 32 секунды (5,625 л/час). Значит полезная мощность 3525 ватт.
Поток охлаждающей воды - 500 мл за 30 секунд, или 16,7 мл/сек, или 60 литров в час. Удельный расход воды - 4,74 мл/с на киловатт нагрева. Температура воды на входе - 20 , на выходе - 75 градусов.
Вода уносит 3,85 кВт, немножко больше полезной мощности нагрева. Всё верно, ведь кроме конденсации, она еще охлаждает дистиллят со 100 до 30 градусов. Ну и погрешность...

[m16]

Игорь спасибо , всё доходчиво

Давай мощность своего куба, я посчитаю прямоточник.

методика понятна , я о другом  - найти такие такие трубы с зазором в 1мм трудно

[Игорь]

найти такие такие трубы с зазором в 1мм трудно

Вроде нет. Пары 10х1 - 14х1, 12х1 - 16х1, 14х1 - 18х1, 16х1 - 20х1 и 20х1 - 25х1.5 вполне доступны. Они перекрывают весь диапазон мощностей, применимых в домашнем применении прямоточника.

[m16]

вполне доступны

но не в моей деревне , москве навалом  http://stellberg.ru/catalog/13/39.php

[Игорь]

У нас с этим проблем нет. Если есть необходимость, могу выслать почтой.

[m16]

спасибо, через границу дорого обойдётся , поробую в москве заказать

[Игорь]

Обрати внимание на трубки с толщиной стенки 0,5 мм. Идеально для внутренней трубы!
Одно плохо - поставка от 4 метров...

[Илья]

Игорь, а можно тебя попросить сделать калькулятор для расчета прямоточника?

[Игорь]

Могу, Илья. Вечером.
Это будет в таком виде. Ты вводишь мощность нагрева, диаметры труб и длину рубашки. Получаешь удельную площадь обмена и скорости воды и пара. Сравниваешь с проверенными значениями, делаешь выводы.

[Владимир М.]

m16,  трубы кой какие  у нас есть, купить не проблема, так же нержовые краны, американки (молочные), если что  давай по  скайпу обсудим, проблема  одна, как их  тебе  доставить.  Так же  если тебе нужно можно продумать и сварку аргоновую...

[Владимир М.]

Игорь,  мой  опыт показал, что Т воды на  выходе желательно делать 60 - 70 С, так как в  условиях нашей воды образуется накипь...
И еще... я тут к такому  выводу пришел, что  для получения спирта (теоретически) воды примерно  должно  уйти столько, сколько на погашение пара самогона при  обычной  дистилляции.
ТО есть, если часть  воды "перенести" в трубу  (д52) , скажем  две трети, то мы получим при тех же  затраченных  условиях (вода Нагрев  время) более  крепкий  самогон, а  значит  более чистый, чем при обычной дистилляции. В этом  я убедился экспериментируя на  своей БК...
Например, если ты в трубу 52 внесешь 2 метра шестерки, растянув ее спиралью по трубе, то на  выходе  получишь за тоже  время и нагрев (прим 3 кВт), вместо, скажем двух литров 40% - один 80%.  Примерно так

[m16]

Владимир М., вот нашёл липецкую контору http://steelner.ru/about/ , но ни прайса  ни цен. с доставкой не проблема , со сваркой - сам варю. как только баблос появится метнусь за покупками. если знаешь другие конторы скинь координаты.

[Игорь]

Игорь, а можно тебя попросить сделать калькулятор для расчета прямоточника?

Колдуя над разработкой калькулятора, решил вывести алгоритм, позволяющий сделать это правильно, чтобы соблюдались все необходимые параметры.
Эффективный холодильник - это такой холодильник, который отвечает ряду противречащих друг другу требований. Он должен иметь малый  диаметр паровой линии для турбулизации потока пара, и в то-же время иметь большой диаметр для предотвращения создания большого избыточного давления в кубе. Другими словами, диаметр холодильника должен попасть в "золотую середину" размера, удовлетворяющего эти два противоположных условия.
Если удастся обеспечить турбулентный режим движения пара, на каждый киловатт нагрева достаточно будет иметь всего 80-100 см2 поверхности теплообмена и получить действительно эффективный экономичный холодильник. Если же турбулентность будет недостаточной, придется увеличивать поверхность теплообмена, теряя эффективность.

Остановимся сначала на обеспечении турбуленции пара.

скучные обоснования, рассуждения и расчеты

Режим движения пара (газа или жидкости) в трубе может быть ламинарным, турбулентным и переходным от ламинарного к турбулентному. Я буду говорить сейчас только о паре.

Ламинарный режим имеет место тогда, когда скорость пара настолько низкая, а трение между паром и стенкой настолько мало, что не оказывает заметного влияния на поток.
В холодильнике такой режим нам не подходит, потому что пар, находящийся в середине трубы, имеет шанс вылететь из холодильника, так и не прикоснувшись к холодной стенке и не сконденсировавшись.

При увеличении скорости пара, трение его крайних слоев о трубу начинает оказывать влияние на характер движения, замедляя движение этих крайних слоев. Поток пара начинает закручиваться подобно кольцу сигаретного дыма, однако ядро потока продолжает прямолинейное движение. Этот режим называют переходным. Он тоже не совсем устраивает нас по то-же причине, что и ламинарный.

Дальнейшее увеличение скорости потока приводит к тому, что центральная зона с прямолинейным движением пара вовлекается во вращательный процесс, и уже весь поток принимает форму вихрей, непрерывно вращающихся от центра трубы к её периметру. Этоот режим движения называется турбулентным. Это наиболее подходящий режим движение пара для теплообменника, так как весь пар имеет возможность быстро войти в контакт с охлаждаемой стенкой и сконденсироваться.

Количественной мерой характера движения является показатель (или число) Рейнольдса. Это величина определяется исходя из диаметра трубы (Dвн), скорости (V)пара и от коэффициента его динамической вязкости (η).
Re = Dвн х V / η

Если число Рейнольдса меньше 2000, имеет место ламинарный режим, если находится в пределах 2000-4000, наблюдается переходный режим, если больше 4000 - турбулентный.

Так как пар в дефлегматоре конденсируется и скорость его по мере движения падает, при проектировании трубчатых холодильников выбирают такую скорость пара на входе в холодильник, чтобы показатель Рейнольдса был не меньше 10 тысяч.

Теперь конкретика.
Не буду вдаваться в подробности... Мне удалось выяснить, что коэффициент кинематической вязкости самогонных паров в диапазоне спиртуозности от 60% до 0 изменяется от 0,000008 при содержании спирта 60% до 0,000016, когда спирта в парах всего 10%. Так как показатель Рейнольдса обратно пропорционален вязкости, а нам важно не выходить из турбулентного режима,  расчет буду вести для наименее "турбулизируемого" режима - для спиртуозности 10%.

Итак,
Re = Dвн х V / η
Re = Dвн х V / 0,000016

В нашем случае скорость пара зависит от мощности нагрева (P) и диаметра трубы Dвн. Они связаны таким соотношением (снова опускаю подробности)
V = P х 0,000981 / Dвн²
Вставляем в формулу
Re = Dвн х P х 0,00098 / (Dвн² х 0,000016)
или после сокращений
Re = P х 61 / Dвн.

Число Re должно быть не меньше 10000, значит диаметр паровой трубы должен быть не больше такого значения:
Dвн= P х 0.0061, где мощность - в киловаттах.
Переведу в миллиметры.

[close]

Для того, чтобы в трубе поддерживался турбулентный режим движения пара, достаточно, чтобы внутренний её диаметр (в миллиметрах)  был не больше 6-кратной мощности нагрева (в киловаттах).

Это максимальный диаметр. Минимальный диаметр определяет гидравлический расчет. От производися из условия, чтобы избыточное давление в кубе при длине зоны конденсации, условно принятой за 300 мм, не превышало 50 мм в.ст.

Таким образом, для высокоэффективной работы холодильника, внутренний диаметр его паровой трубы должен находится в следующих пределах:

для мощности 1.5 кВт - от 8 до 9 мм,
для 2 кВт - от  9 до 12 мм
для 2.5 кВт - от  10 до 15 мм
Для 3 кВт - от 10,5 до 18мм
Для 4 кВт - от  11,5 до 24 мм
Для 5 кВт - от  12,5 до 30 мм.

При выполнении этих условий, в кубе не будет создаваться чрезмерное давление, и в то-же время движение пара будет турбулентным, что обеспечит интенсивность теплопередачи не менее 10 ватт/см2. Исходя из этого параметра, можно определить необходимую длину охлаждаемой части паровой трубы по формуле:

L = 3183 х P / Dвн (мощность  в киловаттах, размеры в миллиметрах).
Можно пойти обратным путем - выбрать желательную длину рубашки холодильника, и определить необходимый диаметр по формуле
Dвн = 3183 х P / L , а затем проверить диаметр на соответствие условиям максимума и минимума.

На этом расчет паровой трубы заканчивается.
Чтобы интенсивность теплообмена составляла не менее 10 ватт /см2, нужно соблюсти некоторые условия, предъявляемые к потоку воды в рубашке.

Поговорим об этом потоке.
Ма проектируем эффективный экономичный холодильник, поэтому большого избытка площади контакта мы не предусматриваем. Значит очень важно обеспечить равномерное омывание паровой (если точнее - пароконденсатной) трубы водой охлаждения.  Добиться этого можно с помощью центровки пароканденсатной трубы внутри рубашки и создания условий для спирального движения воды. Намотка на трубку проволочной спирали с шагом 2-3 её диаметра решает сразу обе этих задачи. Диаметр проволоки нужно подбирать на 0,2-0,3 мм меньше размера кольцевого зазора.

Количество охлаждающей воды.
Мы строим эффективный теплообменник, подтягивая все его параметры к оптимуму. Поэтому и расход воды предусматриваем минимальным, с разумным запасом.
Было бы логичным предусмотреть прогрев воды в холодильнике до 80-85 градусов (на 5-10 градусов меньше средней температуры входящего пара), но лучше несколько снизить расчетную температуру выходящей воды. Дело в том, что интенсивное отложение солей жесткости на поверхностях теплообмена происходит при температурах выше 70 градусов. Этой температурой и ограничим максимальный нагрев. Учитывая летнюю температуру воды 20 градусов, имеем прогрев воды на 70-20=50 градусов. Зимой воды можно будет дать немного меньше.

Если вода прогревается на 50 градусов, то для отвода 1 киловатта тепла нужно создать поток воды
4.8 мл/с , или 290 мл/минуту, или 17 литров в час. Это максимально необходимые потоки. Увеличение количества воды сделает наш холодильник неэкономичным.

Есть два варианта режима движения воды в эффективных теплообменных устройствах. Это либо турбулентный режим, либо тонкослойный ламинарный.

Продолжу позже.

[Borbos]

В холодильнике такой режим нам не подходит, потому что пар, находящийся в середине трубы, имеет шанс вылететь из холодильника, так и не прикоснувшись к холодной стенке и не сконденсировавшись.

В холодильнике возле стенки идёт конденсация и пар притягивается к стенкам.Поэтому говорить о ламинарности или турбулентности горячего пара в холодной трубе не корректно. Там намного более сложные процессы.

[Игорь]

Там намного более сложные процессы.

Я излагаю методику, по которой уже много лет рассчитывают промышленные кожухобрубные теплообменники, так что все корректно. Первый раз я видел её в немецком справочнике Hutte, изданном еще на заре промышленного использования пара и паровозостроения. Так что все корректно, методика проверена временем.

Интрига для меня заключается в том, что я опытным путем определил скорости пара в 10 - 15 - 20 м/с для труб 10-14-18 мм. Результатов расчета не знаю, сейчас увидим.