Прямоточный Аппараты: принцип работы, особенности

ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ

Выпариванием называется процесс кон­центрирования растворов, заключающийся в частичном или полном удалении растворителя путем его испарения при кипении. При выпа­ривании удаляют часть растворителя, так как конечный продукт должен оставаться в теку­чем состоянии. Полное удаление растворителя в таких аппаратах возможно тогда, когда рас­творенное вещество является жидким (напри­мер, при выпаривании растворов глицерина) или при температуре процесса находится в расплавленном состоянии (например, при вы­паривании растворов аммиачной селитры или едкого натра).

В ряде случаев при выпаривании раство­ров твердых веществ достигается насыщение раствора. При дальнейшем удалении раствори­теля происходит его кристаллизация, т. е. выде­ление растворенного твердого вещества из раствора.

Выпаривание широко применяется для концентрирования разбавленных растворов в производстве минеральных солей, органиче­ских полупродуктов, белково-витаминных концентратов, кормовых дрожжей и других продуктов, для выделения из разбавленных растворов различных растворенных веществ путем кристаллизации, для выделения раство­рителя (например, при получении технической или питьевой воды в выпарных опреснитель­ных установках), а также для регенерации раз­личных растворов (с целью возврата их в тех­нологический цикл) и термического обезвре­живания промышленных стоков.

Можно выделить три способа выпарива­ния: поверхностное, адиабатное, при непосред­ственном контакте с теплоносителем (рис. 4.3.1). При поверхностном выпаривании кипение раствора происходит на поверхности теплооб­мена выпарного аппарата У. В процессе адиа­батного выпаривания перегретый раствор по­ступает в выпарной аппарат 2, в котором про­исходит его испарение при давлении ниже дав­ления насыщения, соответствующего темпера­туре поступающего раствора. Выпаривание при непосредственном контакте раствора с теплоносителем осуществляется за счет пред­варительного подогрева этого теплоносителя.

Процессы выпаривания проводятся под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлении. Выбор способа выпаривания связан со свойствами раствора и возможностью ис­пользования теплоты вторичного пара.

Выпарные аппараты классифицируются [40] по принципу действия. В зависимости от характера движения кипящей жидкости в вы­парном аппарате различают выпарные аппара­ты: с естественной циркуляцией; с принуди­тельной циркуляцией; пленочные и роторно – пленочные аппараты.

4.3.1. ВИДЫ ВЫПАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Рис. 4.3.2. Схема естественной циркуляции:

1 – циркуляционная труба; 2 – кипятильная труба

Исходный раствор Теплоно –

У паренный раствор

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Естественная циркуляция воз­никает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной трубы 1 и обогреваемых кипятильных труб 2 (рис. 4.3.2). Если жидкость в кипятильных трубах нагрета до кипения, то в результате испарения ее части в этой трубе образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности жидко­сти. Таким образом, масса столба жидкости в циркуляционной трубе будет больше, чем в кипятильных трубах, вследствие чего произой­дет упорядоченная циркуляция кипящей жид­кости по пути: кипятильные трубы – паровое

Пространство – циркуляционная труба – кипя­тильные трубы и т. д.

Для упаривания маловязких некристалли – зующихся и неагрессивных растворов получил распространение вертикальный выпарной ап­парат с внутренней греющей камерой и цен­тральной циркуляционной трубой.

Выпарной аппарат с центральной цирку­ляционной трубой типа В В является одной из широко распространенных конструкций. Греющая камера состоит из ряда вертикальных кипятильных трубок У, обогреваемых снаружи паром (рис. 4.3.3). По оси греющей камеры расположена циркуляционная труба 2 значи­тельно большего диаметра, чем кипятильные трубки. В аппаратах большой производитель­ности вместо одной циркуляционной трубы устанавливают несколько труб меньшего диа­метра. Аппарат с центральной циркуляционной трубой отличается простотой конструкции и легко доступен для ремонта и очистки. В то же время наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность циркуляции.

Рис. 4.3.1. Схемы одноступенчатых выпарных аппаратов:

У – поверхностного; 2 – адиабатного; 3 – контактного

Теплоно­ситель ^паренныЙ іраствор

Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой имеет греющую камеру, снабженную кожухом 2 (рис. 4.3.4). Роль циркуляционной трубы в нем выполняет кольцевой зазор между корпусом аппарата и кожухом камеры. Грею­щий пар подводится в камеру по трубе 4. Греющая камера может быть извлечена из ап­парата для очистки и ремонта. В аппарате соз­даются благоприятные условия для организа-

Рис. 4.3.3. Схема выпарного вертикального аппарата (типа ВВ) с центральной

Циркуляционной трубой: У – греющие трубки; 2 – центральная циркуляционная труба; 3 – греющая камера; 4 – сепаратор

Ции циркуляции, поскольку кольцевое про­странство со стороны корпуса не обогревается. Недостатками аппарата являются усложнение конструкции и большие габаритные размеры, так как часть площади сечения аппарата не используется из-за наличия кольцевого канала.

Выпарной аппарат с выносным кипя­тильником широко применяется для выпарки кристаллизующихся и пенящихся растворов и постепенно вытесняет аппараты других типов. Он имеет выносной кипятильник У и сепара­тор 3 (рис. 4.3.5). В кипятильнике, состоящем из пучка труб, обогреваемых снаружи паром, образуется парожидкостная смесь, поступаю­щая в сепаратор по трубе 2. В сепараторе про­исходит отделение вторичного пара от жидко­сти, которая по циркуляционной трубе 4 воз­вращается в кипятильник.

Трубы кипятильника могут достигать значительной длины (до 7 м), что способствует интенсивной циркуляции. Расположение кипя­тильника отдельно от сепаратора удобно для ремонта и очистки труб.

Вторичный 4 паР

Рис. 4.3.5. Схема выпарного аппарата с выносным кипятильником

Выпарной аппарат для выпаривания кон­центрированных растворов (рис. 4.3.6) состоит из греющей камеры У, над которой расположе­на камера вскипания 2, в верхней части кото-

Рис. 4.3.4. Схема выпарного аппарата с подвесной греющей камерой:

1 – корпус; 2 – кожух греющей камеры; 3 – кипятильные трубы; 4 – труба для подвода пара к греющей камере

Рой размещены концентрические перегородки 3, образующие кольцевые каналы. Из камеры вскипания парожидкостная смесь поступает в сепаратор 5, откуда жидкость возвращается в греющую камеру по циркуляционной трубе 4

ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ

Рис. 4.3.6. Схема выпарного аппарата для концентрированных растворов

Через приемник 6 для кристаллов. В греющей камере происходит только подогрев раствора, а кипит он в каналах между перегородками 3, которые упорядочивают поток вскипающей жидкости и препятствуют образованию пуль­саций и вредных циркуляционных токов в зоне кипения.

В этом аппарате достигается большая ско­рость циркуляции (до 3,5 м/с вместо 1. 1,5 м/с в обычных аппаратах с естественной циркуля­цией), что наряду с отсутствием кипения в трубах приводит к значительному уменьшению выделений накипи на поверхности теплообме­на. Такой аппарат наиболее пригоден для вы­паривания концентрированных, кристалли­зующихся и вязких растворов.

Конструкции выпарных вертикальных трубчатых аппаратов общего назначения с паровым обогревом с естественной и прину­дительной циркуляцией, выпускаемые оте­чественной промышленностью. Обозначение штуцеров к этим аппаратам дано в табл. 4.3.1.

Вход греющего пара

Выход вторичного пара

Рис. 4.3.7. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой

Выпарной аппарат с естественной цир­куляцией, соосной греющей камерой, вынесен­ной зоной кипения и солеотделением (тип I) состоит из греющей камеры /, сепаратора с трубой вскипания 2, циркуляционной трубы 3 и солеотделителя 4 (рис. 4.3.7). Греющая каме­ра 1 представляет собой одноходовой кожухо- трубчатый теплообменник, сепаратор – цилиндрический сосуд с верхним эллиптиче­ским и нижним коническим днищами. Внутри сепаратора установлен первичный каплеотбой- ник, а в верхней части закреплен брызгоотде – литель.

Раствор, подлежащий упариванию, пода­ется в аппарат через один из штуцеров III. При работе аппарата уровень раствора должен под­держиваться по верхней кромке трубы вскипа­ния. Снижение уровня приводит к уменьше – нию производительности, а повышение – вы­зывает гидравлические удары и повышенный унос раствора вторичным паром.

Циркуляция раствора в аппарате осущест­вляется по замкнутому контуру сепаратор – циркуляционная труба – солеотделитель – греющая камера – сепаратор. Образовавшаяся при упаривании часть кристаллов осаждается в солеотделителе и выводится с упаренным рас­твором через нижний штуцер IV. Греющий пар I подается в межтрубное пространство греющей камеры. В аппаратах этого исполнения кипение раствора происходит в трубе вскипания, ввиду чего отложение кристаллов на внутренней по­верхности греющих труб уменьшается, а рабо­та аппарата улучшается.

Выпарной аппарат с естественной цир­куляцией, вынесенной греющей камерой и кипе­нием раствора в трубках (тип И) состоит из греющей камеры /, сепаратора 2 с брызгоотде – лителем, циркуляционной трубы 3, нижней и верхней камер 4, 5 (рис. 4.3.8).

Конструкция греющей камеры аналогич­на конструкции греющей камеры аппарата типа I. Сепаратор 2 – цилиндрический сосуд с коническим днищем и верхней эллиптической крышкой, в верхней части которого установлен брызгоотделитель.

Рис. 4.3.8. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией, вынесенной греющей камерой

В циркуляционном контуре выпарного аппарата совершается многократная циркуля­ция выпариваемого раствора. Из сепаратора по циркуляционной трубе раствор поступает в нижнюю часть греющих трубок, в которых по мере продвижения вверх нагревается и вскипа­ет. Образующаяся парожидкостная смесь из греющих гр>б поступает в сепаратор, в кото­ром разделяется на жидкую и паровую фазы. Вторичный пар, проходя сепаратор и брызго­отделитель, очищается от брызг и выходит из аппарата. Аппарат обогревается конденси­рующимся в межтрубном пространстве грею­щей камеры водяным паром, а конденсат уда­ляется из него. Уровень раствора в сепараторе поддерживается постоянным, соответствую­щим нижней образующей штуцера для ввода парожидкостной смеси в сепаратор.

Аппарат рассчитан на непрерывную и пе­риодическую работу.

Выпарные аппараты другого исполнения рассмотрены в специальной литературе [41].

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией. Для повышения интенсивности циркуляции и коэффициента теплопередачи применяют аппараты с принудительной цирку­ляцией. В аппарате с наружной циркуляцион­ной трубой 3 циркуляция раствора обеспечива­ется пропеллерным или центробежным насо­сом 2 (рис. 4.3.9). Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего среза кипятильных труб. Давле­ние нижней части кипятильных труб больше, чем верхней на сумму давления столба жидко­сти в трубах и гидравлического сопротивления на прокачивание парожидкостной смеси. Вви­ду этого на большей части высоты кипятиль­ных труб жидкость не кипит, а перегревается по сравнению с температурой кипения, соот­ветствующей давлению в сепараторе. Закипа­ние происходит только на небольшом участке верхней части трубы.

Принудительную циркуляцию применя­ют также в аппаратах с выносным кипятильни­ком и в аппаратах других типов.

Скорость циркуляции жидкости в кипя­тильных трубах (1.5. 3;5 м/с), определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от уровня жидкости и парообразо­вания в кипятильных трубах. Поэтому аппара­ты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур
между греющим паром и раствором (3. 5 °С) и при выпаривании растворов с большой вязко­стью, естественная циркуляция которых за­труднена.

Достоинствами аппаратов с принуди­тельной циркуляцией являются высокие коэф­фициенты теплопередачи (в 3 – 4 раза больше, чем при естественной циркуляции), а также отсутствие загрязнений поверхности теплооб­мена при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при неболь­ших разностях температур.

Недостаток этих аппаратов – необходи­мость расхода энергии на работу насоса. При­менение принудительной циркуляции целесо­образно при изготовлении аппарата из дорого­стоящего материала, при выпаривании кри­сталлизующихся и вязких растворов.

Прямоточный реактивный двигатель

Реактивный двигатель – устройство, создающее требуемую для движения силу тяги, преобразовывая внутреннюю энергию горючего в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Классы реактивных двигателей:

Все реактивные двигатели подразделяют на 2 класса:

  • Воздушно-реактивные – тепловые двигатели, использующие энергию окисления воздуха, получаемого из атмосферы. В этих двигателях рабочее тело представлено смесью продуктов горения с остальными элементами отобранного воздуха.
  • Ракетные – двигатели, которые на борту содержат все необходимые компоненты и способны работать даже в безвоздушном пространстве.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель – самый простой в классе ВРД по конструкции. Требуемое для работы устройства повышение давления образуется путем торможения встречного воздушного потока.

Прямоточный реактивный двигатель 2

Рабочий процесс ПВРД можно кратко описать следующим образом:

  • Во входное устройство двигателя поступает воздух со скоростью полета, кинетическая его энергия преобразуется во внутреннюю, давление и температура воздуха повышаются. На входе в камеру сгорания и по всей длине проточной части наблюдается максимальное давление.
  • Нагревание сжатого воздуха в камере сгорания происходит путем окисления подаваемого воздуха, при этом внутренняя энергия рабочего тела увеличивается.
  • Далее поток сужается в сопле, рабочее тело достигает звуковой скорости, а вновь при расширении – сверхзвуковой. За счет того, что рабочее тело движется со скоростью, превышающей скорость встречного потока, внутри создается реактивная тяга.

В конструктивном плане ПВРД является предельно простым устройством. В составе двигателя есть камера сгорания, внутрь которой горючее поступает из топливных форсунок, а воздух – из диффузора. Камера сгорания заканчивается входом в сопло, которое является суживающейся-расширяющимся.

Развитие технологии смесевого твердого топлива повлекло за собой использование этого горючего в ПВРД. В камере сгорания располагается топливная шашка с центральным продольным каналом. Проходя по каналу, рабочее тело постепенно окисляет поверхность топлива и нагревается само. Применение твердого горючего еще более упрощает состоящую конструкцию двигателя: топливная система становится ненужной.

Смесевое топливо по своему составу в ПВРД отличается от применяемого в РДТТ. Если в ракетном двигателе большую часть состава топлива занимает окислитель, то в ПВРД он используется в небольших пропорциях для активирования процесса горения.

Наполнитель смесевого топлива ПВРД преимущественно состоит из мелкодисперсного порошка бериллия, магния или алюминия. Их теплота окисления существенно превосходит теплоту сгорания углеводородного горючего. В качестве примера твердотопливного ПВРД можно привести маршевый двигатель крылатой противокорабельной ракеты «П-270 Москит».

Прямоточный реактивный двигатель 3434

Тяга ПВРД зависит от скорости полета и определяется исходя из влияния нескольких факторов:

  • Чем больше показатель скорости полета, тем большим будет расход воздуха, проходящего через тракт двигателя, соответственно, большее количество кислорода будет проникать в камеру сгорания, что увеличивает расход топлива, тепловую и механическую мощность мотора.
  • Чем больше расход воздуха сквозь тракт двигателя, тем выше будет создаваемая мотором тяга. Однако существует некий предел, расход воздуха сквозь тракт мотора не может увеличиваться неограниченно.
  • При возрастании скорости полета увеличивается уровень давления в камере сгорания. Вследствие этого увеличивается термический КПД двигателя.
  • Чем больше разница между скоростью полета аппарата и скоростью прохождения реактивной струи, тем больше тяга двигателя.

Зависимость тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя от скорости полета можно представить следующим образом: до того момента, пока скорость полета намного ниже скорости прохождения реактивной струи, тяга будет увеличиваться вместе с ростом скорости полета. Когда скорость полета приближается к скорости реактивной струи, тяга начинает падать, миновав определенный максимум, при котором наблюдается оптимальная скорость полета.

В зависимости от скорости полета выделяют такие категории ПВРД:

  • дозвуковые;
  • сверхзвуковые;
  • гиперзвуковые.

Прямоточный реактивный двигатель 2323

Каждая из групп имеет свои отличительные особенности конструкции.

Дозвуковые ПВРД

Эта группа двигателей предназначена для обеспечения полетов на скоростях, равных от 0,5 до 1,0 числа Маха. Сжатие воздуха и торможение в таких двигателях происходит в диффузоре – расширяющемся канале устройства на входе потока.

Данные двигатели имеют крайне низкую эффективность. При полетах на скорости М= 0,5 уровень увеличения давления в них равен 1,186, из-за чего идеальный термический КПД для них – всего 4,76%, а если еще и учитывать потери в реальном двигателе, эта величина будет приближаться к нулю. Это значит, что при полетах на скоростях M

Но даже на предельной скорости для дозвукового диапазона при М=1 уровень увеличения давления равен 1,89, а идеальный термический коэффициент – всего 16, 7%. Эти показатели в 1,5 раза меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания, и в 2 раза меньше, нежели у газотурбинных двигателей. Газотурбинные и поршневые двигатели к тому же эффективны для использования при работе в стационарном положении. Поэтому прямоточные дозвуковые двигатели в сравнении с другими авиационными двигателями оказались неконкурентоспособными и в настоящее время серийно не выпускаются.

Сверхзвуковые ПВРД

Сверхзвуковые ПВРД рассчитаны на осуществление полетов в диапазоне скоростей 1 < M < 5.

Торможение газового сверхзвукового потока всегда выполняется разрывно, при этом образуется ударная волна, которая называется скачком уплотнения. На дистанции ударной волны процесс сжатия газа не является изоэнтропийным. Следовательно, наблюдаются потери механической энергии, уровень увеличения давления в нем меньший, нежели в изоэнтропийном процессе. Чем мощнее будет скачок уплотнения, тем больше изменится скорость потока на фронте, соответственно, больше потери давления, иногда достигающие 50%.

Прямоточный реактивный двигатель 4545

Для того чтобы минимизировать потери давления, организуется сжатие не в одном, а нескольких скачках уплотнения с меньшей интенсивностью. После каждого из таких скачков наблюдается снижение скорости потока, которая остается сверхзвуковой. Это достигается, если фронт скачков расположен под углом к направлению скорости потока. Параметры потока в интервалах между скачками остаются постоянными.

В последнем скачке скорость достигает дозвукового показателя, дальнейшие процессы торможения и сжатия воздуха происходят непрерывно в канале диффузора.

Если входное устройство мотора расположено в области невозмущенного потока (например, впереди летательного аппарата на носовом окончании или на достаточном отдалении от фюзеляжа на крыльевой консоли), оно выполняется асимметричным и комплектуется центральным телом – острым длинным «конусом», выходящим из обечайки. Центральное тело предназначено для создания во встречном воздушном потоке косых скачков уплотнения, которые обеспечивают сжатие и торможение воздуха до момента его поступления в специальный канал входного устройства. Представленные входные устройства получили название устройств конического течения, воздух внутри них циркулирует, образуя коническую форму.

Читайте также:  Аппараты Меркурий - отличный подарок мужчине

Центральное коническое тело может быть оснащено механическим приводом, который позволяет ему двигаться вдоль оси двигателя и оптимизировать торможение потока воздуха на разных скоростях полета. Данные входные устройства называются регулируемыми.

При фиксации двигателя под крылом или снизу фюзеляжа, то есть в области аэродинамического влияния элементов конструкции самолета, используют входные устройства плоской формы двухмерного течения. Они не оснащаются центральным телом и имеют поперечное прямоугольное сечение. Их еще называют устройствами смешанного или внутреннего сжатия, поскольку внешнее сжатие здесь имеет место только при скачках уплотнения, образующихся у передней кромки крыла или носового окончания летательного аппарата. Входные регулируемые устройства прямоугольного сечения способны менять положение клиньев внутри канала.

В сверхзвуковом скоростном диапазоне ПВРД более эффективен, нежели в дозвуковом. К примеру, на скорости полета М=3 степень увеличения давления составляет 36,7, что приближается к показателю турбореактивных двигателей, а расчетный идеальный КПД достигает 64,3 %. На практике эти показатели меньшие, но на скоростях в диапазоне М=3-5 СПВРД по эффективности превосходят все существующие типы ВРД.

При температуре невозмущенного воздушного потока 273°K и скорости самолета М=5 температура рабочего заторможенного тела равна 1638°К, при скорости М=6 — 2238°К, а в реальном полете с учетом скачков уплотнения и действия силы трения становится еще выше.

Дальнейшее нагревание рабочего тела является проблематичным из-за термической неустойчивости конструкционных материалов, входящих в состав двигателя. Поэтому предельной для СПВРД считается скорость, равная М=5.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель

К категории гиперзвуковых ПВРД относится ПВРД, который работает на скоростях более 5М. По состоянию на начало XXI века существование такого двигателя было только гипотетическим: не собрано ни единого образца, который бы прошел летные испытания и подтвердил целесообразность и актуальность его серийного выпуска.

На входе в устройство ГПВРД торможение воздуха выполняется только частично, и на протяжении остального такта перемещение рабочего тела является сверхзвуковым. Большая часть кинетической исходной энергии потока при этом сохраняется, после сжатия температура относительно низкая, что позволяет освободить рабочему телу значительное количество тепла. После входного устройства проточная часть двигателя по всей своей длине расширяется. За счет сгорания топлива в сверхзвуковом потоке происходит нагрев рабочего тела, оно расширяется и ускоряется.

Этот тип двигателя предназначен для проведения полетов в разреженной стратосфере. Теоретически такой двигатель можно использовать на многоразовых носителях космических аппаратов.

Одной из главных проблем конструирования ГПВРД является организация сгорания топлива в сверхзвуковом потоке.

В разных странах начаты несколько программ по созданию ГПВРД, все они находятся на стадии теоретических изысканий и предпроектных лабораторных исследований.

Где применяются ПВРД

ПВРД не работает при нулевой скорости и низких скоростях полета. Летательный аппарат с таким двигателем требует установки на нем вспомогательных приводов, в роли которых может выступать твердотопливный ракетный ускоритель или самолет-носитель, с которого производится запуск аппарата с ПВРД.

По причине неэффективности ПВРД на малых скоростях его практически неуместно использовать на пилотируемых самолетах. Такие двигатели предпочтительно использовать для беспилотных, крылатых, боевых ракет одноразового применения благодаря надежности, простоте и дешевизне. ПВРД также применяют в летающих мишенях. Конкуренцию по характеристикам ПВРД составляет только ракетный двигатель.

Ядерный ПВРД

В период холодной войны между СССР и США создавались проекты прямоточных воздушных реактивных двигателей с ядерным реактором.

В таких агрегатах в качестве источника энергии выступала не химическая реакция сжигания топлива, а тепло, которое вырабатывал ядерный реактор, установленный вместо камеры сгорания. В таком ПВРД воздух, поступающий сквозь входное устройство, проникает в активную область реактора, охлаждает конструкцию и сам нагревается до 3000 К. Далее происходит его истекание из сопла двигателя со скоростью, приближенной к скорости совершенных ракетных двигателей. Ядерные ПВРД предназначались для установки в межконтинентальных крылатых ракетах, несущих ядерный заряд. Конструкторы в обеих странах создали малогабаритные ядерные реакторы, которые поместились в габариты крылатой ракеты.

В 1964 году в рамках программ исследования ядерных ПВРД Tory и Pluto провели стационарные огневые испытания ядерного ПВРД Tory-IIC. Программа испытаний была закрыта в июле 1964 г., летные испытания двигателя не проводили. Предположительной причиной сворачивания программы могло послужить совершенствование комплектации баллистических ракет ракетными химическими двигателями, которые позволяли реализовать боевые задачи без привлечения ядерных ПВРД.

Бронебойные снаряды с прямоточным воздушно- реактивным двигателем

В настоящее время в качестве бронебойных боеприпасов широкое применение получили бронебойные оперенные подкалиберные снаряды (БОПС), обладающие высокой проникающей способностью.

Это достигается за счет высокой начальной скорости боеприпаса (1650 – 1840 м/с) и малого поперечного сечения (d = 20-30 мм). Для компенсации силы сопротивления воздуха применяют придание боеприпасу реактивной тяги.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), прост по конструкции, имеет высокий коэффициент полезного действия при больших числах Маха компактен, поскольку не требует наличие окислителя в составе топлива, так как использует кислород окружающей среды [1].

Принцип работы ПВРД

Воздух со скоростью полёта поступает во входное устройство двигателя затормаживается до 0,1-0,2 Маха, при этом кинетическая энергия воздуха преобразуется во внутреннею энергию повышается его давление и температура. Воздух можно считать идеальным газом, поэтому отношение его статического давления к атмосферному определяется соотношением:

(1)

где p – давление в полностью заторможенном потоке; po – атмосферное давление; Mn – число Маха; k– Показатель адиабаты равный 1,4.

Сжатый воздух попадая из входного устройства в камеру сгорания нагревается за счёт окисления подаваемого в неё топлива. Образующаяся из смеси воздуха с продуктами горения газовая смесь – рабочее тело в сопле достигает звуковой скорости, а на его выходе расширяясь до сверхзвуковой.

Рабочее тело вытекает со скоростью большей скорости встречного потока воздуха что и создаёт реактивную тягу.

Когда скорость полёта значительно меньше скорости реактивной струи, тяга растёт. С приближением скорости полёта к скорости реактивной струи тяга падает, проходя некий максимум, соответствующий оптимальной скорости полёта. Схемы работы прямоточного реактивного двигателя на жидком и твёрдом топливе приведены соответственно на рисунках 1,2:

Сила тяги ПВРД определяется из соотношения:

(2)

где: P– сила тяги; v– скорость полёта; ve – скорость реактивной струи относительно двигателя; dmf/dt – секундный расход топлива.

Секундный расход воздуха определяется по формуле:

(3)

где – плотность воздуха (зависит от высоты); dV/dt– объём воздуха, который поступает в воздухозаборник ПВРД в единицу времени; S – площадь сечения входа воздухозаборника; v – скорость полёта.

Чтобы определить секундный расход рабочего тела для идеального случая, когда горючее полностью сгорает и полностью используется кислород воздуха в процессе горения, воспользуемся формулой:

(4)

где: L – стехиометрический коэффициент горючего и воздуха.

С развитием технологии смесевого твёрдого топлива оно стало применяться в ПВРД. Топливная шашка с продольным центральным каналом размещается в камере сгорания. Рабочее тело проходя по камере сгорания окисляет топливо с его поверхности и нагревается само.

Использование твёрдого топлива ещё больше упрощает конструкцию ПВРД поскольку становиться не нужной камера сгорания.

Основную часть наполнителя смесевого топлива ПВРД составляет мелкодисперсный порошок алюминия, магния или бериллия теплота сгорания, которых значительно превосходит теплоту сгорания углеводородных горючих.

Примером твердотопливного ПВРД может служить маршевый двигатель противокорабельной ракеты П-270 Москит.

В зависимости от скорости полёта ПВРД разделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые. Это разделение обусловлено конструктивными особенностями каждой из этих групп.

В сверхзвуковом диапазоне ПВРД значительно более эффективен чем в дозвуковом. Например, при скорости М=3 степень повышения давления у ПВРД составляет 37, что сравнимо с самыми высоконапорными компрессорами турбореактивных двигателей.

Конструкция БОПС с ПВРД

Одним из главных параметров, который позволяет оценить конструкцию снаряда — это низкая сила сопротивления воздуха. Рассмотрим один из известных бронебойных оперенных подкалиберных снарядов БМ-9 с твёрдотопливным двигателем.

Конструкция БМ-9 и результаты её аэродинамических исследований в программе Solidworks, полученные в работе [2], приведены на следующих рисунках 3,4,5. Конечна скорость БМ-9 составляет 1500 м/с в момент прибытия на расстоянии 2120 м.

Рисунок 3. – Бронебойный подкалиберный снаряд БМ-9

Рисунок 4 –Распределение давления воздушного потока, создаваемое при полёте БМ-9.

Рисунок 5 –Распределение скоростей воздушного потока, создаваемое при полёте БМ-9

Расчет силы сопротивления воздуха при движении БОПС

Для построения закона силы сопротивления воздуха, требуется обработать экспериментальные данные полученные в работе [2] (см. таблицу) для формы снаряда (рис.3) и выразить зависимость между скоростью и силой сопротивления воздуха.

Привожу листинг программы на Python, который демонстрирует возможности решения задачи получения функции Rc(V) в удобном для дальнейшего использования виде:

Данный график нам показывает, что если при вылете из ствола скорость снаряда в идеальном случае, достигает 1800 м/с, то этой скорости соответствует значение силы сопротивления воздуха 1102 Н.

При снижении скорости на траектории сила сопротивления падает по закону, который изображён на графике. Далее при скорости примерно 1200 м/с сила сопротивления начинает расти. Такое явление связано с геометрией конфузора на входе воздухозаборника ПВРД.

На реактивных самолётах для борьбы с указанным явлением применяют регулируемый конус воздухозаборника. Для рассматриваемого снаряда это невозможно из-за более высоких скоростей полёта в пределах (1300. 1800) м/c. Поэтому диапазон экспериментальных данных нужно ограничить для получения рабочего графика:

Функцию Rc(v) для любого набора экспериментальных можно получить из следующего короткого листинга:

Расчет внешней баллистики БОПС

Поскольку выстрел с прицеливание производится из определённого ствола нас будет интересовать дальность с учётом силы тяги.

Определение силы тяги

Пользуясь всеми формулами (2)÷(4) можно определить силу тяги. Для начала определим секундный расход воздуха:

где =1.205 кг/м3 (Плотность воздуха из уравнения Клапейрона при T=0℃); V=1800 м /с − скорость движения снаряда (по условию).

Секундный расход горючего, которое будет соответствовать секундному расходу воздуха:

где L = 14,7; что соответствует реактивному топливу «РТ» (таблица)

Таблица − Стехиометрический состав горючей смеси, выраженный как отношение окислителя к горючему.

По данным [2] скорость реактивной струи для приведенных параметров равна V=1840 м/с. Определяем силу тяги из соотношения (2):

Система уравнений внешней баллистики

Рассмотрим схему сил действующих на центр масс неуправляемого в полёте снаряда:

Система уравнений проймёт вид:

(5)

Численные значения параметров:

(6)

(7)

Систему дифференциальных уравнений (5) с учётом (6) и (7) будем решать средствами Python, переопределив переменные как y1,y2,y3,y4:

Баллистические характеристики приведены на графиках, отрицательные области сохранены для наглядности перехода через ноль.

Выводы

Рассмотрены особенности бронебойных снарядов с прямоточным воздушно- реактивным двигателем, основные расчёты выполнены с применение средств высокоуровневого языка программирования Python.

1. Артёмов О.А. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (расчет характеристик): Монография. — М: Компания Спутник+, 2006. — 374 с.
2. Гаврилов К.С. Проектирование бронебойного подкалиберного снаряда с прямоточным воздушно-реактивным двигателем.

Холодильник для самогона из полипропиленовых труб. Изготовление простого прямоточного холодильника (змеевика) для дистиллятора

Сегодня я буду рассказывать, как сделать холодильник для самогонного аппарата своими руками. Наконец-то я сел за написание этой статьи. Все обещал-обещал ее написать, но постоянно откладывал. И вот все же я это сделал.

Большая часть статьи посвящена холодильнику-прямоточнику, т.к. я пользуюсь именно им и считаю его более прогрессивным что ли. Почему? Читайте ниже. Про то, как сделать змеевик для самогонного аппарата я также расскажу, но более кратко.

Холодильник предлагаемой мной конструкции собирается примерно за час. Затраты на детали составят около 650 рублей.

Если не хотите работать руками, то можно сразу купить недорогой и хороший холодильник вот здесь.

Разновидности холодильников

Всего есть два вида холодильников для самогонного аппарата – прямоточный и змеевик. Нет, конечно наше с вами хобби подразумевает обширное поле для творчества, и наверняка народные умельцы изготовили уже великое множество холодильников различных конструкций и форм.

Но мы будем рассматривать только классические варианты.

Итак, прямоточный холодильник представляет собой прямую трубку из меди или нержавейки, на которую сверху одет кожух (например, другая труба). По внутренней трубке идет самогон, а по внешней – охлаждающая жидкость (вода). Схема такого холодильника приведена ниже.

Змеевик представляет собой ту же трубку, только завитую в спираль, которая помещена в корпус с охлаждающей водой. Схема змеевика:

Подробные чертежи и инструкции по изготовлению приведены в следующих разделах.

Да, чуть не забыл. Есть еще стеклянный холодильник, который можно купить в магазинах для лабораторного оборудования. Но применять его я не рекомендую, т.к. этот очень хрупкий прибор имеет свойство разбиваться при любой удачной возможности.

Особенно это очень опасно во время перегонки, ведь пары и конденсат самогона легко воспламеняемые вещества!



Дистиллятор с проточным холодильником

Без сухопарника

Довольно бюджетная модель, которая на выходе даёт самогон крайне невысокого качества.

Прямоточный самогонный аппарат: принцип работы, особенности

Иваныч эконом.

Отсутствие отстойников и систем очистки сказывается на вкусе и запахе продукта, поэтому особой популярностью этот агрегат не пользуется. Но стоит он реально недорого, поэтому и спрос на него есть.

Брагу обязательно нужно перегонять дважды и во второй раз не жалейте головы и хвосты. Отсекайте все вредные и вонючие фракции, чтобы сделать самогон максимально вкусным и качественным (насколько это позволяет оборудование).

С одним сухопарником

Самая популярная модель, которая завоевала рынок своей простой и эффективностью.

Прямоточный самогонный аппарат: принцип работы, особенности

Внешний вид классического дистиллятора с сухопарником.

Сухопарник (отстойник) необходим для частичного очищения продукта от вредных примесей. Он не способен сделать самогон прозрачным и идеальным на вкус, но эффективность этого устройства бесспорна.

Мы всегда рекомендуем покупать оборудование именно с сухопарником. Он может быть сделан как из нержавеющей стали, так и обычной стеклянной банки. Принципиального отличия в этом нет, главное, чтобы он был чистым и герметичным.

С двумя или тремя сухопарниками

Эффективность более одного отстойника крайне сомнительна. Мы считаем, что нецелесообразно использовать более одного сухопарника в своём аппарате. В любом случае нужно будет совершать двойную перегонку.

Учитывайте, что каждый отстойник увеличивает время перегонки примерно на 20–30 минут. Спиртовым парам необходимо преодолеть большее расстояние, поэтому и времени тратится больше.

Можно рассмотреть вариант с двумя сухопарниками (Локомотив на фото), так как сделаны они из нержавейки и имеют кран для слива. Но если вопрос финансов стоит остро, то переплачивать смысла нет. Берите что-то попроще.

С барботером

Барботер представляет из себя банку, в котором одна из трубок погружена в воду. За счёт этого происходит очистка спирта прямо через воду. Лучше или хуже эта система по сравнению с сухопарником никто не знает, поэтому выбирают то, что больше по душе.

Прямоточный самогонный аппарат: принцип работы, особенности

Аппарат от Уральского Дистиллята

Их тоже иногда ставят два, три и ещё больше. По аналогии с сухопарником, мы не видим смысла переплачивать. Вполне достаточно одного отстойника, который очистит большую часть «сивухи».

Они ещё довольно хлипкие и периодически ломаются, теряют герметичность или выгибаются. С ними всегда есть какие-то проблемы, а когда их 2, 3 или даже 4 это повышенный риск. Замучаетесь ухаживать за своей системой очистки.



Что лучше, змеевик или прямоточник

Как я уже говорил в начале статьи, я пользуюсь прямоточным холодильником. Могу выделить следующие его преимущества:

  1. В нем не образуется конденсатных пробок, которые приводят к колебаниям давления в перегонном кубе. Перепады давления приводят к резкому вскипанию браги и ее выбросу в холодильник (брызгоунос). При использовании змеевика такое явление возникает довольно часто, а в прямоточнике – исключено.
  2. В прямоточном холодильнике легко регулировать температуру отбора самогона. Он мгновенно реагирует на изменение подачи воды. У змеевика же реакция очень замедленная.
  3. Его КПД выше. Следовательно ниже расход воды и затраты на нее.
Читайте также:  Шланг для самогонного аппарата лучше выбрать силиконовый

Из плюсов змеевика могу назвать только:

  1. Более компактные размеры (далеко не всегда).
  2. При определенной конструкции можно обойтись без проточной воды.

Из чего состоит дистиллятор (классический самогонный аппарат)

Устройство подобного агрегата известно с незапамятных времен, так как наши ближайшие предки из деревень и сёл пользовались именно им. Мы рассмотрим наиболее популярный вариант самогонного аппарата с сухопарником, на котором гонят как новички, так и профессионалы домашнего самогоноварения.

Внешний вид классического дистиллятора с сухопарником.

  1. Перегонный куб. Именно сюда заливается брага и впоследствии нагревается. Объём этой ёмкости варьируется от 10 до 50 литров, причём заполнять её рекомендуется не более, чем на 70% (чтобы избежать брызгоуноса).
  2. Паропровод. Это может быть как тоненькая, так и толстая трубка, по которой движутся насыщенные спиртом пары.
  3. Сухопарник. Именно сюда сначала попадают пары, которые частично очищаются за счет конденсации. Вредные примеси оседают на дне отстойника, а этиловый спирт продолжает свое движение по самогонному аппарату.
  4. Холодильник. В этом устройстве пары охлаждаются и конденсируются в самогон, который дальше капает в приёмную ёмкость. Холодильник может быть подключен к водопроводу, в этом случае он называется проточным (все современные аппараты). У сельских же аппаратов он выглядел просто как ёмкость с холодной водой, которую периодически меняли на новую.

Прямоточный самогонный аппарат: принцип работы, особенности

Принцип работы дистиллятора.

Инструкция по изготовлению прямоточного холодильника

Я рассмотрел много различных конструкций и остановился на варианте из полипропиленовой трубы и фитингов. Это один из самых дешевых материалов, который можно купить практически в любом магазине сантехники или строительном супермаркете.

Мои суммарные затраты составили в одном случае 678 рублей (вариант №1) и 610 рублей в другом (вариант №2).

Сама идея использования полипропиленовой трубы принадлежит не мне, но предлагаемую здесь конструкцию и технологические решения я придумал сам и уже неоднократно испытал. Предлагаю два варианта исполнения, которые легко сделать самому.

Для изготовления нам не потребуются специальные инструменты, а вся работа займет не больше часа.

Итак, я использовал:

  1. Трубка медная 12×1 – 1 метр (цена – 300 рублей)
  2. Труба полипропиленовая Ø25 мм – 1 метр (68 рублей)
  3. Тройник с переходом на внутреннюю резьбу 25×½» – 2 шт (по 71 руб.)
  4. Муфта переходная 25-20мм – 2 шт. (по 6 руб.)
  5. Заглушка с резьбой ½» – 2 шт. (по 6 руб.)
  6. Штуцер с резьбой ½» для присоединения шланга Ø12 мм – 2 шт. (по 62 руб.)
  7. Лента ФУМ – 20 рублей

Собирал я все это по чертежу приведенному ниже. Забегая вперед сразу вам покажу фото того, что получилось.

Обратные холодильники и трубки Грэхема

Что касается обратных змеевиков, то они существуют в нескольких разновидностях. Шариковые воздушные камеры можно отнести к обратным змеевикам. Они обладают большой площадью теплообмена, что обеспечивает их высокой производительностью. Такие охладители применяются к жидкостям, имеющим низкую температуру кипения.

Камеры Либиха могут выполнять функции как обратных, так и прямоточных холодильников. Конструкция камеры Либиха представлена одной медной или стеклянной трубкой. У самогонных аппаратов камеры Либиха имеют вид трубок, крепящихся при помощи саморезов или методом пайки.

Все обратные змеевики отличаются от прямоточных тем, что подача хладреагента в них осуществляет снизу вверх. Эта особенность считается преимуществом такой конструкции, позволяющая вводить дополнительные вещества в камеру с испарениями самогона.

Чаще всего в самогонных аппаратах можно встретить охладители, представляющие собой извивистую трубку, и такие холодильники называются трубками Грэхема. Такой элементы устанавливают вертикально, что позволяет дистилляту свободно стекать в подставленную емкость. Такие змеевики отличаются друг от друга количеством спиралей. Чем больше объем браги, тем больше должно быть таких спиралей на холодильнике Грэхема.

Холодильник со спиралями также можно изготовить самостоятельно, однако перед тем, как приступить к выполнению этой задачи, с помощью специальных расчётов следует сделать точный чертеж конструкции змеевика. Все дело в том, что диаметр спиралей такого приспособления должен быть одинаковым, независимо от их количества. Выполнение схемы будущего змеевика позволит с точностью определить параметры спиралей и воссоздать их в готовом изделии.

Для собственноручного изготовления трубки-змеевика следует подготовить медную (как вариант — алюминиевую или латунную) трубку длиной до двух метров, сечением от 8 до 12 миллиметров и толщиной металла до 1,1 миллиметра. Также следует подготовить корпус будущего холодильника, ведь от его размеров будут зависеть параметры спиралей трубки. В качестве корпуса можно выбрать пластиковую канализационную трубу диаметром 80 миллиметров.

Как изготавливать самостоятельно холодильник Грэхема:

  1. Сперва медную (латунную, алюминиевую) трубку следует хорошо набить мелким песком, что позволит избежать деформации материала при выполнении завивания конструкции.
  2. На концы трубки крепят колышки из древесины. Можно также плотно зажать концы или вовсе спаять их.
  3. Далее следует взять гладкий предмет с круглым сечением требуемого диаметра и накрутить на него трубку. При выборе шага между витками следует обращать внимание на схему и выполненный расчет.
  4. Концы почти готового змеевика следует открыть и высыпать из них наполнитель. После трубку следует тщательно промыть.
  5. Корпус змеевика следует оснастить патрубками для отвода и подачи воды.
  6. Сам змеевик следует вставить в корпус, установить с двух концов заглушки. Все соединения должны обладать идеальной герметичностью, и добиться этого можно за счет использования суперклея.

Перед применением такой холодильник также лучше протестировать при слабом напоре воды в дистилляторе.

Все змеевики охлаждаются ото льда, воздуха или воды. Последний вариант считается самым простым и удобным с точки зрения винокурения. Охладители, работающие от воды, могут быть как открытыми, так и закрытыми. Открытые холодильники требуют подачи проточной воды, а закрытые — наполняются жидкостью вручную.

Сегодня все предлагаемые в продаже готовые самогонные аппараты комплектуются холодильниками. Поэтому если нет желания изготавливать охладитель своими руками, можно отдать предпочтение готовому дистиллятору.

Конструкция, предназначенная для охлаждения и конденсации паров спирта за счёт находящихся в её стенках воды или воздуха, называется холодильник для самогонного аппарата

. Изготовить её своими руками достаточно просто, несмотря на кажущуюся сложность. Он работает автономно непосредственно при самой перегонке самогона.

Пар от браги из перегонного куба поступает по трубке в охладитель. В нём он охлаждается, конденсируя на выходе чистый спирт. Поэтому холодильник для перегонного куба является его одной из самых важных частей. От исполнения конструкции зависит быстрота процесса и качество получаемого напитка. Сделать охладитель для самогонного аппарата своими руками просто. Перед тем, как приступать к изготовлению необходимо разобраться в различиях существующих конструкций и выбрать подходящий для себя.

Существует множество конструкций, обеспечивающих автономное охлаждение паров спирта для самогонного аппарата. Среди простых в домашнем исполнении выделяют 2 конструкции: прямоточный холодильник

и . Несмотря на одинаковый принцип действия и способ охлаждения пара, их исполнение немного отличается.

Прямоточный холодильник состоит из 2 трубок, выполненных из меди или нержавеющей стали. Они имеют разный диаметр и плотно соединены друг с другом. По внутренней проходит непосредственно сам спиртовой пар. В пространстве между внешней и внутренней трубкой находится вода. На кожухе находятся 2 отверстия, для ввода и вывода охлаждающей воды. Спиртовой пар, охлаждаясь за счёт протекаемой в кожухе воды, конденсируется на стенках трубки и выходит в виде спирта.

Змеевик тоже является медной трубкой, только она выполняется в форме спирали. Она помещена в корпус, по которому циркулирует холодная вода. По змеевику протекает пар от кипящей браги и, аналогично предыдущему случаю, конденсируется на выходе в чистый спирт.

Выпарные установки. Виды, устройство, принцип действия выпарных установок.

На современных крупных предприятиях выпарные процессы ведут преимущественно в многоступенчатых (многокорпусных) установках непрерывного действия с аппаратами поверхностного типа с использованием образующегося над раствором так называемого «вторичного пара» каждой ступени в последующих ступенях с более низким давлением или с передачей части вторичного пара (экстрапара) другим тепловым потребителям. часто встречаются термины «многокорпусные» или «многоступенчатые» выпарные установки. «Ступени» отличаются одна от другой по параметрам раствора в аппаратах (давлению, температуре, концентрации раствора) (рис. 1, а, б и др.) и могут состоять из одного, двух и более корпусов с одинаковыми параметрами, т. е. если одна или несколько ступеней выполнены из двух параллельно включенных корпусов (аппаратов), то выпарная установка может иметь четыре корпуса, а должна называться трехступенчатой.

Для производства веществ с резко выраженными агрессивными свойствами используют выпарные установки контактного типа, работающие по принципу непосредственного соприкосновения выпариваемого раствора с продуктами сгорания топлива или горячими газами, или погружного горения. Корпуса таких аппаратов изготовляют из углеродистой стали, а для избежания коррозии их внутри футеруют кислотоупорными материалами. Внутренние элементы аппарата — вытяжные трубы, сепараторы, сливные трубы — изготовляют из коррозионно-стойких материалов.

На рис. 1 изображены принципиальные схемы промышленных выпарных установок непрерывного действия.

Схемы выпарных установок

Рис. 1. Схемы выпарных установок: а — прямоточная с конденсатором; б — прямоточная с противодавлением; в — с ухудшенным вакуумом; г — с нуль-корпусом; д — двухстадийная с обогревом аппарата второй стадии свежим паром; е — двухстадийная с обогревом аппарата второй стадии вторичным паром первой ступени; ж — противоточная; з — с параллельным током пара и раствора; и — с отбором экстрапаров посторонним потребителем; к — со смешанным током раствора; л — трехступенчатая с двумя корпусами в первой ступени: 1 — выпарной аппарат; 2 — конденсатор; 3 — солеотделитель; 4 — насос; 5 — водосборник; 6 — вход первичного и выход вторичного пара; 7 — вход охлаждающей воды; 8 — вход и выход раствора; 9 — выход конденсата

2. Классификация выпарных установок

Непрерывный процесс выпаривания растворов может производиться как в одноступенчатых, так и в двух-, трех- и многоступенчатых выпарных установках с использованием вторичного пара каждой ступени в последующих ступенях с более низким давлением или с передачей части вторичного пара некоторых ступеней другим тепловым потребителям.

По теплотехнологическим признакам промышленные выпарные установки непрерывного действия разделяют на несколько групп:

1. По числу ступеней: одноступенчатые и, многоступенчатые; при этом в одной ступени могут быть один, два и более параллельно включенных аппаратов выпарной установки.

2. По давлению вторичного пара в последней ступени:

а) выпарные установки с достаточно глубоким вакуумом в последней ступени (до 90 %) и следующим за ней конденсатором для поддержания этого вакуума, соответствующего температуре охлаждающей воды. Такая схема встречается наиболее часто (рис. 1, а); в ней обеспечивается наибольшая разность температур между первичным греющим теплоносителем и вторичным паром последней ступени, поступающим в конденсатор. Однако при работе установки по такой схеме вся теплота пара последней ступени теряется с охлаждающей водой конденсатора;

б) выпарные установки с повышенным давлением в последней ступени (рис. 1, б). Такая схема может быть более экономичной, если вторичный пар последней ступени может быть использован в других теплоиспользующих установках (при бытовом потреблении теплоты, в отоплении, и т. д.);

в) выпарные установки с ухудшенным вакуумом (рис. 1, в). По такой схеме установка может работать или на конденсатор, или на потребителя низкопотенциальной теплоты со сбросом излишков пара в конденсатор с ухудшенным вакуумом.

3. По подводу первичной теплоты:

а) выпарные установки с одним источником первичной теплоты;

б) выпарные установки с двумя источниками теплоты. Например, пар с большим давлением обогревает предвключенную ступень установки, называемую в такой схеме нуль-корпусом, а пар с меньшим давлением подается в следующую ступень, получившую название первого корпуса (рис. 1, г);

в) выпарные установки с тепловыми насосами.

4. По технологии обработки раствора:

а) одностадийные выпарные установки (рис. 1, а, г, ж), в которых раствор проходит при выпаривании последовательно все ступени и не отводится для других промежуточных операций обработки;

б) двух- и более стадийные выпарные установки, в которых раствор после одной из промежуточных ступеней может быть направлен для дополнительной обработки (для осветления, центрифугирования и т. п.), а затем снова поступает на довыпаривание в следующую ступень (вторая стадия, рис. 1, д).

5. По относительному движению греющего пара и выпариваемого раствора:

а) прямоточные выпарные установки для растворов, обладающих высокой температурной депрессией (рис. 1, а, е, з);

б) противоточные выпарные установки для растворов с быстро растущей вязкостью при повышении их концентрации (рис. 1, ж); в этих схемах между ступенями ставят насосы;

в) выпарные установки с параллельным питанием корпусов раствором при склонности его к кристаллизации (рис. 1, з);

г) выпарные установки с отпуском части вторичных паров (экстрапаров) посторонним потребителям (рис. 1, и);

д) выпарные установки со смешанным питанием корпусов для растворов с повышенной вязкость (рис. 1, к).

3. Основные схемы выпарных установок

Выпарная установка включает следующие основные элементы: выпарные аппараты с трубчатыми (внутренними) или рубашечными (наружными) паровыми обогревателями, с трубчатыми электрическими нагревателями (ТЭН) или с погружными горелками для контактной передачи теплоты непосредственно от газов к раствору, сепараторы и брызгоотделители, конденсатоотводчики, подогреватели раствора, конденсаторы, сборные баки и емкости, насосы, запорную и предохранительную арматуру, регулирующие и контрольно-измерительные приборы.

Выпарные аппараты с поверхностью нагрева представляют собой теплообменники-испарители, как правило, с паровым обогревом. В большинстве из них предусматривается значительное надрастворное пространство для сепарации из вторичного пара жидкой и твердой фаз (сепараторы). По движению раствора в греющих трубах различают аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, а также аппараты пленочного типа, в которых раствор проходит по поверхности нагрева однократно в виде тонкой пленки. На рис. 2. 5 представлены основные типы выпарных аппаратов. Греющая камера выпарного аппарата с трубчатой поверхностью нагрева представляет собой пучок труб с двумя трубными решетками, вставленный в кожух-обечайку. В аппаратах жесткой конструкции греющая камера встраивается между фланцами днища и парового пространства, в аппаратах с подвесной греющей камерой она свободно подвешена или опирается на кронштейны внутри растворного пространства. Греющий пар подается в межтрубное пространство, а раствор циркулирует в трубах. Такое направление тока теплоносителей благоприятствует условиям для очистки труб от отложения солей и накипи. Для выпаривания маловязких некристаллизующихся и неагрессивных растворов получил применение выпарной аппарат типа ВВ с внутренней греющей камерой и с центральной циркуляционной трубой (рис. 2, а).

Устойчивая циркуляция раствора в аппарате обеспечивается большой удельной поверхностью нагрева на единицу объема раствора в трубах малого диаметра (подъемных) (d = 32 мм) в сравнении с центральной трубой большого диаметра (опускной). Большая скорость циркуляции раствора в трубах (до 2,0 м/с) обеспечивает высокие коэффициенты теплопередачи. Аппараты компактны и имеют небольшую металлоемкость. Номинальная площадь поверхности нагрева — до 400 м2.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией

Рис. 2. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией: а — с центральной циркуляционной трубой; б — с совмещенной зоной нагрева и кипения; в — с вынесенной зоной кипения; г — с вынесенной греющей камерой: 1 — вход слабого раствора; 2 — выход концентрированного раствора; 3 — вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — выход неконденсирующихся газов; 7 — греющая камера; 8 — паровое пространство; 9 — брызгоотделитель; 10 — зона парообразования —стабилизатор; 11 — сливная труба

Выпарные аппараты с подвесной греющей камерой применяют для выпаривания кристаллизующихся, химически агрессивных и умеренно вязких растворов.

Выпарные аппараты с совмещенной зоной нагрева и кипения раствора и вынесенной опускной трубой обладают лучшей циркуляцией раствора. Такой аппарат с длиной труб до 4000 мм изображен на рис. 2, б. Устанавливаемый над верхней трубной решеткой конический раструб-стабилизатор (рис. 2, в) предназначен для увеличения статического давления за счет столба жидкости в трубах и вынесения таким путем зоны кипения раствора выше труб. Такое приспособление способствует снижению солеобразования внутренней поверхности греющих труб. Выпаривание кристаллизующихся растворов затрудняется выпадением на поверхности нагрева кристаллов (инкрустацией). Очистка поверхности нагрева вызывает необходимость частых остановок и вскрытия аппарата.

В выпарных аппаратах с вынесенной греющей камерой и вынесенной за пределы аппарата опускной циркуляционной трубой (рис. 2, г) конструктивно более выгоден для выпаривания таких растворов. В опускной трубе раствор охлаждается, увеличивается его плотность, что способствует увеличению динамического напора для циркуляции раствора. В аппарате установлены удлиненные до 5. 7 м трубы. Возникающая в связи с этим повышенная скорость циркуляции раствора затрудняет отложение кристаллов на стенках труб. Имеются конструкции аналогичных аппаратов с вынесенными горизонтальными и наклонными присоединенными к одному аппарату тремя-четырьмя греющими камерами, позволяющими быстро частично демонтировать отдельные камеры для чистки труб.

Читайте также:  Аппараты Машковского Магарыч: описание, разновидности

Устранить инкрустацию поверхности нагрева при выпаривании кристаллизующихся растворов можно повышением до 2. 3 м/с скорости движения раствора. Если такую скорость нельзя получить температурным перепадом между теплоносителями при естественной циркуляции, проектируют выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора, создаваемой насосами, устанавливаемыми снаружи или внутри аппарата (рис. 3). Аппараты с принудительной циркуляцией применяют также для упаривания растворов с повышенной вязкостью.

Для упаривания пенящихся растворов применяют пленочные (с опускающейся или поднимающейся пленкой) аппараты. На рис. 4 представлен выпарный аппарат с поднимающейся пленкой раствора. Раствор вводится в аппарат снизу под трубную решетку и заполняет трубы на 1/4. 1/5 их высоты. Образующиеся при кипении паровые пузырьки увлекают за собой вверх раствор, распределяют его тонким слоем по внутренней поверхности труб и движутся с ним в виде парожидкостной эмульсии со скоростью до 15. 20 м/с. Из труб эмульсия поступает в центробежный разделитель-отбойник, где происходит отделение жидкости от пара. Вторичный пар, минуя отбойный зонт, поступает в выводящий паропровод, а концентрированный раствор сливается в «карманы» и через сливные патрубки выводится в следующую ступень выпаривания или на склад.

Выпарный аппарат с принудительной циркуляцией

Рис. 3. Выпарный аппарат с принудительной циркуляцией: 1 — вход слабого раствора; 2 — выход концентрированного раствора; 3 — вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — греющая камера ; 7 — паровое пространство; 8 — брызгоотделитель; 9 — насос

Выпарный аппарат с поднимающейся пленкой

Рис. 4. Выпарный аппарат с поднимающейся пленкой: 1 — вход слабого раствора; 2 — выход концентрированного раствора; 3 — вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — греющая камера; 7—паровое пространство; 8 — брызгоотделитель; 9 — сливная труба

Выпарный аппарат роторного типа со скребками

Рис. 5. Выпарный аппарат роторного типа со скребками: 1 — вход слабого раствора; 2 — выход концентрированного раствора; 3 — вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — греющая камера; 7 — паровое пространство; 8 — брызгоотделитель; 9 — ротор со скребками

В таком аппарате благодаря высокой скорости движения раствора достигается повышение интенсивности теплообмена в трубах. Раствор только один раз проходит по поверхности греющих труб, т. е. рециркуляция в аппарате отсутствует. Готовность или выходная концентрация раствора может регулироваться отношением длин затопленной раствором части трубы и ее верхней части, где происходит интенсивное испарение растворителя из пленки. чем больше длина этой части, тем выше концентрация раствора, сливающегося из труб в приемный карман. Существует оптимальная высота заполнения трубок раствором, которая определяется свойствами и конечной концентрацией раствора. Конструкция аппарата с поднимающейся пленкой отличается повышенной длиной труб (до 7. 9 м), что усложняет монтажные и ремонтные работы. В выпарных аппаратах с опускающейся пленкой раствор поступает в трубы сверху через специальные насадки, предназначенные для равномерного распределения его в виде тонкой пленки на стенках труб и закручивания. Пройдя по трубе сверху вниз один раз, раствор достигает нужной концентрации. При недостаточной плотности орошения в таких аппаратах возможно оголение и инкрустация нижних концов труб. Очень вязкие, пастообразные и термолабильные растворы выпаривают в роторных аппаратах со скребками (рис. 5). Раствор, подаваемый в роторный аппарат посредством дозировочного насоса, распределяется вращающимися, посаженными на общий вал скребками по стенке, которая обогревается паром. По мере выпаривания растворителя на стенке образуется твердый продукт или паста, которые соскабливаются и выводятся из аппарата через нижний патрубок и шлюзовой затвор.

Холодильник для самогона из полипропиленовых труб. Изготовление простого прямоточного холодильника (змеевика) для дистиллятора

Сегодня я буду рассказывать, как сделать холодильник для самогонного аппарата своими руками. Наконец-то я сел за написание этой статьи. Все обещал-обещал ее написать, но постоянно откладывал. И вот все же я это сделал.

Большая часть статьи посвящена холодильнику-прямоточнику, т.к. я пользуюсь именно им и считаю его более прогрессивным что ли. Почему? Читайте ниже. Про то, как сделать змеевик для самогонного аппарата я также расскажу, но более кратко.

Холодильник предлагаемой мной конструкции собирается примерно за час. Затраты на детали составят около 650 рублей.

Если не хотите работать руками, то можно сразу купить недорогой и хороший холодильник вот здесь.

Разновидности холодильников

Всего есть два вида холодильников для самогонного аппарата – прямоточный и змеевик. Нет, конечно наше с вами хобби подразумевает обширное поле для творчества, и наверняка народные умельцы изготовили уже великое множество холодильников различных конструкций и форм.

Но мы будем рассматривать только классические варианты.

Итак, прямоточный холодильник представляет собой прямую трубку из меди или нержавейки, на которую сверху одет кожух (например, другая труба). По внутренней трубке идет самогон, а по внешней – охлаждающая жидкость (вода). Схема такого холодильника приведена ниже.

Змеевик представляет собой ту же трубку, только завитую в спираль, которая помещена в корпус с охлаждающей водой. Схема змеевика:

Подробные чертежи и инструкции по изготовлению приведены в следующих разделах.

Да, чуть не забыл. Есть еще стеклянный холодильник, который можно купить в магазинах для лабораторного оборудования. Но применять его я не рекомендую, т.к. этот очень хрупкий прибор имеет свойство разбиваться при любой удачной возможности.

Особенно это очень опасно во время перегонки, ведь пары и конденсат самогона легко воспламеняемые вещества!



Дистиллятор с проточным холодильником

Без сухопарника

Довольно бюджетная модель, которая на выходе даёт самогон крайне невысокого качества.

Прямоточный самогонный аппарат: принцип работы, особенности

Иваныч эконом.

Отсутствие отстойников и систем очистки сказывается на вкусе и запахе продукта, поэтому особой популярностью этот агрегат не пользуется. Но стоит он реально недорого, поэтому и спрос на него есть.

Брагу обязательно нужно перегонять дважды и во второй раз не жалейте головы и хвосты. Отсекайте все вредные и вонючие фракции, чтобы сделать самогон максимально вкусным и качественным (насколько это позволяет оборудование).

С одним сухопарником

Самая популярная модель, которая завоевала рынок своей простой и эффективностью.

Прямоточный самогонный аппарат: принцип работы, особенности

Внешний вид классического дистиллятора с сухопарником.

Сухопарник (отстойник) необходим для частичного очищения продукта от вредных примесей. Он не способен сделать самогон прозрачным и идеальным на вкус, но эффективность этого устройства бесспорна.

Мы всегда рекомендуем покупать оборудование именно с сухопарником. Он может быть сделан как из нержавеющей стали, так и обычной стеклянной банки. Принципиального отличия в этом нет, главное, чтобы он был чистым и герметичным.

С двумя или тремя сухопарниками

Эффективность более одного отстойника крайне сомнительна. Мы считаем, что нецелесообразно использовать более одного сухопарника в своём аппарате. В любом случае нужно будет совершать двойную перегонку.

Учитывайте, что каждый отстойник увеличивает время перегонки примерно на 20–30 минут. Спиртовым парам необходимо преодолеть большее расстояние, поэтому и времени тратится больше.

Можно рассмотреть вариант с двумя сухопарниками (Локомотив на фото), так как сделаны они из нержавейки и имеют кран для слива. Но если вопрос финансов стоит остро, то переплачивать смысла нет. Берите что-то попроще.

С барботером

Барботер представляет из себя банку, в котором одна из трубок погружена в воду. За счёт этого происходит очистка спирта прямо через воду. Лучше или хуже эта система по сравнению с сухопарником никто не знает, поэтому выбирают то, что больше по душе.

Прямоточный самогонный аппарат: принцип работы, особенности

Аппарат от Уральского Дистиллята

Их тоже иногда ставят два, три и ещё больше. По аналогии с сухопарником, мы не видим смысла переплачивать. Вполне достаточно одного отстойника, который очистит большую часть «сивухи».

Они ещё довольно хлипкие и периодически ломаются, теряют герметичность или выгибаются. С ними всегда есть какие-то проблемы, а когда их 2, 3 или даже 4 это повышенный риск. Замучаетесь ухаживать за своей системой очистки.



Что лучше, змеевик или прямоточник

Как я уже говорил в начале статьи, я пользуюсь прямоточным холодильником. Могу выделить следующие его преимущества:

  1. В нем не образуется конденсатных пробок, которые приводят к колебаниям давления в перегонном кубе. Перепады давления приводят к резкому вскипанию браги и ее выбросу в холодильник (брызгоунос). При использовании змеевика такое явление возникает довольно часто, а в прямоточнике – исключено.
  2. В прямоточном холодильнике легко регулировать температуру отбора самогона. Он мгновенно реагирует на изменение подачи воды. У змеевика же реакция очень замедленная.
  3. Его КПД выше. Следовательно ниже расход воды и затраты на нее.

Из плюсов змеевика могу назвать только:

  1. Более компактные размеры (далеко не всегда).
  2. При определенной конструкции можно обойтись без проточной воды.

Из чего состоит дистиллятор (классический самогонный аппарат)

Устройство подобного агрегата известно с незапамятных времен, так как наши ближайшие предки из деревень и сёл пользовались именно им. Мы рассмотрим наиболее популярный вариант самогонного аппарата с сухопарником, на котором гонят как новички, так и профессионалы домашнего самогоноварения.

Внешний вид классического дистиллятора с сухопарником.

  1. Перегонный куб. Именно сюда заливается брага и впоследствии нагревается. Объём этой ёмкости варьируется от 10 до 50 литров, причём заполнять её рекомендуется не более, чем на 70% (чтобы избежать брызгоуноса).
  2. Паропровод. Это может быть как тоненькая, так и толстая трубка, по которой движутся насыщенные спиртом пары.
  3. Сухопарник. Именно сюда сначала попадают пары, которые частично очищаются за счет конденсации. Вредные примеси оседают на дне отстойника, а этиловый спирт продолжает свое движение по самогонному аппарату.
  4. Холодильник. В этом устройстве пары охлаждаются и конденсируются в самогон, который дальше капает в приёмную ёмкость. Холодильник может быть подключен к водопроводу, в этом случае он называется проточным (все современные аппараты). У сельских же аппаратов он выглядел просто как ёмкость с холодной водой, которую периодически меняли на новую.

Прямоточный самогонный аппарат: принцип работы, особенности

Принцип работы дистиллятора.

Инструкция по изготовлению прямоточного холодильника

Я рассмотрел много различных конструкций и остановился на варианте из полипропиленовой трубы и фитингов. Это один из самых дешевых материалов, который можно купить практически в любом магазине сантехники или строительном супермаркете.

Мои суммарные затраты составили в одном случае 678 рублей (вариант №1) и 610 рублей в другом (вариант №2).

Сама идея использования полипропиленовой трубы принадлежит не мне, но предлагаемую здесь конструкцию и технологические решения я придумал сам и уже неоднократно испытал. Предлагаю два варианта исполнения, которые легко сделать самому.

Для изготовления нам не потребуются специальные инструменты, а вся работа займет не больше часа.

Итак, я использовал:

  1. Трубка медная 12×1 – 1 метр (цена – 300 рублей)
  2. Труба полипропиленовая Ø25 мм – 1 метр (68 рублей)
  3. Тройник с переходом на внутреннюю резьбу 25×½» – 2 шт (по 71 руб.)
  4. Муфта переходная 25-20мм – 2 шт. (по 6 руб.)
  5. Заглушка с резьбой ½» – 2 шт. (по 6 руб.)
  6. Штуцер с резьбой ½» для присоединения шланга Ø12 мм – 2 шт. (по 62 руб.)
  7. Лента ФУМ – 20 рублей

Собирал я все это по чертежу приведенному ниже. Забегая вперед сразу вам покажу фото того, что получилось.

Обратные холодильники и трубки Грэхема

Что касается обратных змеевиков, то они существуют в нескольких разновидностях. Шариковые воздушные камеры можно отнести к обратным змеевикам. Они обладают большой площадью теплообмена, что обеспечивает их высокой производительностью. Такие охладители применяются к жидкостям, имеющим низкую температуру кипения.

Камеры Либиха могут выполнять функции как обратных, так и прямоточных холодильников. Конструкция камеры Либиха представлена одной медной или стеклянной трубкой. У самогонных аппаратов камеры Либиха имеют вид трубок, крепящихся при помощи саморезов или методом пайки.

Все обратные змеевики отличаются от прямоточных тем, что подача хладреагента в них осуществляет снизу вверх. Эта особенность считается преимуществом такой конструкции, позволяющая вводить дополнительные вещества в камеру с испарениями самогона.

Чаще всего в самогонных аппаратах можно встретить охладители, представляющие собой извивистую трубку, и такие холодильники называются трубками Грэхема. Такой элементы устанавливают вертикально, что позволяет дистилляту свободно стекать в подставленную емкость. Такие змеевики отличаются друг от друга количеством спиралей. Чем больше объем браги, тем больше должно быть таких спиралей на холодильнике Грэхема.

Холодильник со спиралями также можно изготовить самостоятельно, однако перед тем, как приступить к выполнению этой задачи, с помощью специальных расчётов следует сделать точный чертеж конструкции змеевика. Все дело в том, что диаметр спиралей такого приспособления должен быть одинаковым, независимо от их количества. Выполнение схемы будущего змеевика позволит с точностью определить параметры спиралей и воссоздать их в готовом изделии.

Для собственноручного изготовления трубки-змеевика следует подготовить медную (как вариант — алюминиевую или латунную) трубку длиной до двух метров, сечением от 8 до 12 миллиметров и толщиной металла до 1,1 миллиметра. Также следует подготовить корпус будущего холодильника, ведь от его размеров будут зависеть параметры спиралей трубки. В качестве корпуса можно выбрать пластиковую канализационную трубу диаметром 80 миллиметров.

Как изготавливать самостоятельно холодильник Грэхема:

  1. Сперва медную (латунную, алюминиевую) трубку следует хорошо набить мелким песком, что позволит избежать деформации материала при выполнении завивания конструкции.
  2. На концы трубки крепят колышки из древесины. Можно также плотно зажать концы или вовсе спаять их.
  3. Далее следует взять гладкий предмет с круглым сечением требуемого диаметра и накрутить на него трубку. При выборе шага между витками следует обращать внимание на схему и выполненный расчет.
  4. Концы почти готового змеевика следует открыть и высыпать из них наполнитель. После трубку следует тщательно промыть.
  5. Корпус змеевика следует оснастить патрубками для отвода и подачи воды.
  6. Сам змеевик следует вставить в корпус, установить с двух концов заглушки. Все соединения должны обладать идеальной герметичностью, и добиться этого можно за счет использования суперклея.

Перед применением такой холодильник также лучше протестировать при слабом напоре воды в дистилляторе.

Все змеевики охлаждаются ото льда, воздуха или воды. Последний вариант считается самым простым и удобным с точки зрения винокурения. Охладители, работающие от воды, могут быть как открытыми, так и закрытыми. Открытые холодильники требуют подачи проточной воды, а закрытые — наполняются жидкостью вручную.

Сегодня все предлагаемые в продаже готовые самогонные аппараты комплектуются холодильниками. Поэтому если нет желания изготавливать охладитель своими руками, можно отдать предпочтение готовому дистиллятору.

Конструкция, предназначенная для охлаждения и конденсации паров спирта за счёт находящихся в её стенках воды или воздуха, называется холодильник для самогонного аппарата

. Изготовить её своими руками достаточно просто, несмотря на кажущуюся сложность. Он работает автономно непосредственно при самой перегонке самогона.

Пар от браги из перегонного куба поступает по трубке в охладитель. В нём он охлаждается, конденсируя на выходе чистый спирт. Поэтому холодильник для перегонного куба является его одной из самых важных частей. От исполнения конструкции зависит быстрота процесса и качество получаемого напитка. Сделать охладитель для самогонного аппарата своими руками просто. Перед тем, как приступать к изготовлению необходимо разобраться в различиях существующих конструкций и выбрать подходящий для себя.

Существует множество конструкций, обеспечивающих автономное охлаждение паров спирта для самогонного аппарата. Среди простых в домашнем исполнении выделяют 2 конструкции: прямоточный холодильник

и . Несмотря на одинаковый принцип действия и способ охлаждения пара, их исполнение немного отличается.

Прямоточный холодильник состоит из 2 трубок, выполненных из меди или нержавеющей стали. Они имеют разный диаметр и плотно соединены друг с другом. По внутренней проходит непосредственно сам спиртовой пар. В пространстве между внешней и внутренней трубкой находится вода. На кожухе находятся 2 отверстия, для ввода и вывода охлаждающей воды. Спиртовой пар, охлаждаясь за счёт протекаемой в кожухе воды, конденсируется на стенках трубки и выходит в виде спирта.

Змеевик тоже является медной трубкой, только она выполняется в форме спирали. Она помещена в корпус, по которому циркулирует холодная вода. По змеевику протекает пар от кипящей браги и, аналогично предыдущему случаю, конденсируется на выходе в чистый спирт.

Ссылка на основную публикацию