Лабораторный чиллер: ротационный испаритель и приборы

Лабораторный чиллер считают по теплу, которое в лаборатории уходит в воду: от конденсаторов ротационных испарителей, аналитических приборов, реакторов и вакуумных насосов. Для ротационного испарителя это теплота конденсации паров растворителя, для прибора — тепловая нагрузка на воду из его паспорта. Калькулятор складывает их, добавляет запас и показывает расход воды.

Откуда берётся тепло

• Ротационные испарители. Растворитель кипит в колбе, а его пары конденсируются в холодильнике испарителя и отдают воде теплоту испарения. Тепло зависит от того, сколько литров в час испаряется и какой это растворитель: литр воды отдаёт в несколько раз больше тепла, чем литр гексана.
• Аналитические приборы. Спектрометры, рентгеновские установки, электронные микроскопы и лазеры охлаждают водой генераторы, трубки и линзы. Тепловую нагрузку на воду и нужный расход указывают в паспорте прибора; если нагрузки там нет, берут потребляемую мощность — так надёжнее.
• Реакторы и термостаты. Рубашки стеклянных реакторов, циркуляционные термостаты, вакуумные насосы и дистилляторы с водяным охлаждением добавляют свою нагрузку; если чиллер должен ещё и греть воду до уставки, в бак ставят нагреватель — справочник о ТЭНах для чиллера. Реакторы с тепловыделением реакции считают отдельно — в задаче о химическом реакторе, климатические камеры с водяным конденсатором — в задаче о чиллере для климатической камеры, биореакторы и ферментеры — в задаче об охлаждении ферментера.
• Бани и сосуды. Жидкостные бани и сосуды охлаждают погружным охладителем — змеевиком, который опускают в жидкость, — или проточным охладителем на линии. Нагрузка у них обычно сотни ватт; если такие точки подключают к одному чиллеру, их тепло вводят вместе с приборами.

Формула

Q_и = V × r / 3600

Q = (Q_и + N) × (1 + k / 100)

G = Q × 60 / (4,19 × 5)

Q_и — тепло конденсации паров во всех испарителях, кВт; V — сколько растворителя испаряется, л/ч; r — теплота испарения на литр растворителя, кДж/л; N — тепловая нагрузка приборов на воду, кВт; k — запас, %; Q — холодопроизводительность чиллера, кВт; G — расход воды, л/мин, при нагреве на 5 °C; 4,19 — теплоёмкость воды, кДж/(кг·°C).

Скорость испарения берут из паспорта испарителя или по опыту работы и складывают для всех испарителей, которые работают одновременно. Хладоноситель для конденсатора обычно на 20–30 °C холоднее паров: если пары конденсируются при 40 °C, хватает воды 10 °C. Для низкокипящих растворителей нужен хладоноситель около 0 °C и ниже — это уже гликоль и индивидуальный подбор. Если в помещении работают с горючими растворителями, проверяют требования к взрывозащите — справочник о взрывозащищённом чиллере.

Пример расчёта

Два ротационных испарителя вместе испаряют 3 л этанола в час, приборы по паспортам отдают воде 1,5 кВт, вода 10 °C, запас 15 %.

1. Конденсация паров: Q_и = 3 × 720 / 3600 = 0,60 кВт.
2. Холодопроизводительность: Q = (0,60 + 1,50) × 1,15 = 2,415, округлённо 2,4 кВт.
3. Расход воды: G = 2,415 × 60 / (4,19 × 5) = 6,9 л/мин.

Как выглядит установка на 2,4 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 2 кВт; температуру воды там задают свою.

Типовые ошибки

• Охлаждать испарители водопроводной водой. Вода уходит в канализацию литрами в минуту, а летом она теплее, растворитель не успевает сконденсироваться и уходит в вакуумный насос и вытяжку.
• Брать воду 10 °C для низкокипящих растворителей. Пары ацетона или дихлорметана при глубоком вакууме конденсируются плохо, и растворитель теряется; для них нужен хладоноситель около 0 °C и ниже.
• Не проверить расход и давление для прибора. Приборы требуют минимальный расход воды и давление на входе; если насос чиллера их не даёт, прибор останавливается по аварии. Напор проверяют в расчёте насоса для чиллера.
• Залить водопроводную воду. Многим приборам нужна вода определённого качества, иногда деионизированная, — требования собраны в справочнике о воде для чиллера.