185549. lajstromszámú szabadalom • Növelt hatékonyságú hő- és anyagátadó készülék
185 549 2 A találmány tárgya növelt hatékonyságú anyagátadó készülék folyadék és gáz vagy gőz halmazállapotú közegek közötti hő- és/vagy anyagátadásra, amelyekben a bevezetett közegek — legalább részben — közvetlenül érintkeznek egymással. Az ilyen készülékek különböző típusait az energiaiparban (erőművekben és kazántelepeken) termikus gáztalanítóként alkalmazzák, azonban mind az energiaiparban, mind más iparágakban is alkalmaznak hasonló elven működő készülékeket (például a vegyipar, a vízgazdálkodás, stb. különböző készülékei, kolonnái), ahol folyadék és gáz vagy gőz halmazállapotú közegek között hő- vagy anyagátadás a feladat olyan feltételek mellett, hogy a bevezetett közegek legalább részben érintkeznek egymással. Az anyagátadást vagy hő- és anyagátadást együttesen végző hagyományos készülékek működését hátráltató két fő probléma a folyadékfázis felszínén fellépő felületi feszültség és a folyadékáramlás lamiláris jellege. A felületi feszültség az általa okozott nyomáskülönbség révén akadályozza a folyadékból történő gázdiffúziót, a lamináris áramlás pedig a hosszú diffúziós és hővezetési utak révén mind a gázdiffúziót, mind a hőközlést késlelteti. Hő- és/vagy anyagátadást végző készülékek, például termikus gáztalanítók jellegzetes típusa az, amelyben egymás fölött tálcák vannak elhelyezve, ezeken folyadékréteg van és a tálcák nyílásain, például furatain keresztül folyik ki a folyadék; a gőz (vagy gáz) pedig általában a folyadék áramlásával ellentétesen, felfelé, vagy keresztirányban áramlik. Ezeknek az elterjedten alkalmazott úgynevezett kaszkád rendszerű készülékeknek illetve gáztalanítóknak az előnye a viszonylag nagy „felületsűrűség”, azaz hogy egy adott készüléktérfogaton belül viszonylag nagy folyadékfelszín érhető el és így a készülék mérete aránylag kedvező lehet. Az ilyenfajta készülékek aránylag kis alapterületet is igényelnek, mert általában álló hengeres kivitelben készülhetnek. Ezen készülékeknél is hátrányos azonban, hogy a tálcanyílásokon átfolyó vízsugár legtöbbször lamináris, mert a kedvezőbb felületsűrűség érdekében kis nyílásméreteket, például furatátmérőket alkalmaznak és ezáltal a folyadéksugár Reynolds száma (továbbiakban Re szám) is kicsi lesz. Ezért a készülékméretet növelni kell. Ennek ellenére sokszor nem érhető el a kívánt hatékonyság, például a gáztalanítás előírt mértéke. Ez utóbbi esetben egy külön pótlólagos készüléket, az úgynevezett útóforralót alkalmaznak. A felsorolt hátrányok csökkentésére már korábban is alkalmaztak különböző megoldásokat. így például a készülékbe juttatott folyadékot finoman szétporlasztották. Ezzel a megoldással ugyan a diffúziós, illetve a hővezetési utakat csökkentették és a folyadékfelszínét is növelték azonban a felületi feszültség az apró cseppeken jelentő sen növekedett és a lamináris jelleg is megmaradt. To vábbi problémaként jelentkezett, hogy a folyadék szétporlasztásához többletenergia (túlnyomás létesítése) is szükséges volt. így a porlasztási eljárással sem lehetett lényeges javulást elérni, sőt az utóforraló alkalmazását sem lehetett sok esetben elkerülni. A találmány célja a gázdiffúziót és a hőközlést akadályozó — fent leírt — tényezők kiküszöbölése, illetve lényeges csökkentése, ezáltal, hogy a tálcanyílásokon kifolyó folyadéksugarakat, sőt ezen túlmenően is a tálca feletti vízréteget nagymértékben turbulenssé tesszük. így a készüléken belül totális turbulencia biztosítható, optimális „felületsűrűség” mellett. Turbulens áramlásban a folyadéksugár belsejében és g felületén elhelyezkedő vízrészecskék gyakran és gyorsan cserélődnek, ezáltal a hőközlés jellege megváltozik, mert a lassan hővezetési folyamat helyett a lényegesen hatásosabb konvekciós (felületmenti) hőátadás lép fel. A fenti okok miatt a gázkiválás is sokkal hatásosabbá válik, mert a lassú diffúzió helyett felületi gázkiválás történik. A fenti cél érdekében végzett kísérletek azt mutatták, hogy a hagyományos készülékek furatos tálcáin kifolyó folyadéksugarak — különösen a tálca közelében — még messze a kritikus Re szám (2320) felett is laminárisak 1 g maradtak. Ennek a jelenségnek a magyarázata a furatokban fellépő konfúzoros átfolyás áramlásrendező hatása. Ezzel magyarázható, hogy a hagyományos készülékeknél csak körülbelül 7000—9000 Re számnál vált át az áramlás határozottan turbulenssé. 2Q A találmány azon a felismerésen, majd az azt követő — kísérleti igazolást nyert — eredményen alapul, hogy ha a tálc a feletti folyadékréteget — az eddigi megoldással merőben ellentétesen — nem hagyjuk nyugvó állapotban, hanem határozott irányú és sebességű mozgásra késztet- 25 jük, akkor az áramlás energiájával megfelelő módon (később részletezve) turbulencia hozható létre. Az áramlás létrehozása már önmagában is turbulenssé tette a tálca feletti vízréteget, azonban még nem tette a kifolyó vízsugarakat is turbulenssé. A kísérleti eredmények 3Q szerint a tálca feletti vízréteg áramlása a kifolyó vízsugarak jellegét — az áramlás saját turbulenciája ellenére — még nem változtatta meg. Azonnal kedvező változás mutatkozott azonban, és a kifolyó folyadéksugarak is nyomban nagyfokban turbu- 35 lenssé váltak, amint közvetlenül a tálca kifolyó nyílásai elé, az áramlás útjába a tálca síkjából kiemelkedő turbulenciaképző elemeket helyeztünk. Ekkor — a konfúzoros áramlás rendező hatása ellenére — a kifolyó nyílás felett mesterségesen felerősített turbulenciájú alapáramlás mi- 40 att nemcsak a kritikus Re számtól (2320) vált turbulenssé az áramlás, hanem már jóval ezen szám alatt is, kb. 1000 Re számtól kezdődően. A találmány tárgya növelt hatékonyságú hő- és anyagátadó készülék, folyadékok és (gázlégnemű vagy gőz) hal- 45 mazállapotú közegek közötti hő- és/vagy anyagátadásra legalább részbeni közvetlen érintkezés útján, amelyben legalább egy folyadékfázist áramoltató tálca (és/vagy nyitott csatorna) van elhelyezve. A találmány lényege abban van, hogy a tálcán és/vagy 50 a nyitott csatornán legalább egy, a folyadékfázist átvezető olyan nyílás van kiképezve, amely előtt — a folyadékfázis áramlási irányát tekitve — a tálca síkjából kiemelkedő — prizmatikus és/vagy hengeres kialakítású — turbulenciát kis áltó elem van elhelyezve. A tálca és/vagy nyitott csa- 55 torna felett azzal párhuzamos vagy hegyesszögű tengellyel legalább egy a folyadékfázist rávezető vezetékvég — előnyösen csővég — helyezkedik el. A tálca — és/vagy nydott csatorna — a folyadék áramlási irányában a vízszintessel oly módon zár be hegyesszöget, hogy a turbu- 60 lenciát kiváltó elem a hozzá tartozó nyílás magasabban elhelyezkedő részénél van kialakítva. A folyadékréteget hordozó tálcán és/vagy nyitott csatornán (a továbbiakban tálcán) áramlás létrehozzása a turbulencia képzés fontos feltétele; az áramlás Iétrehozá-2
