199979. lajstromszámú szabadalom • Eljárás, valamint hőcserélő-betét hőcserélő csöveiben áramló inhomogén összetételű és/vagy inhomogén fizikai állapotú közegek hőátadásának javítására
1 HU 199979 B A találmány tárgya eljárás valamint hőcserélő betét hőcserélő csöveiben áramló inhomogén összetételű és/vagy inhomogén fizikai állapotú közegek hőátadásának javítására* amely végső fokon a hőcserélő méretének és áramának csökkentését eredményezi. A találmány tárgya előnyösen alkalmazható olyan esetben is, amikor a csőben áramló közeg összetétele homogén ugyan, de fizikai állapota a cső keresztmetszete mentén erősen változó (pl. nagy viszkozitású közegek esetében). Ismeretes, hogy a kétfázisú áramlás során különböző áramlási képek alakulhatnak ki. Ezek közül találmányunk szempontjából a hullámos és a gyűrűs áramlásnak van jelentősége. Az első esetberj pl. az X jelű folyadékfázis a vízszintes vagy ferde cső alsó részében áramlik, az Y jelű gözfázis pedig fölötte halad el. A második példa szerinti esetben viszont a fol.vadékfázis a cső falához tapadva burokként veszi körül a középen áramló gőzfázist. Mindkét esetre jellemző, hogy a két fázis nem együtt halad, hanem egymástól elkülönült áramlási csatornákat képez, ahogyan ezt a leírás további részében a rajzok kapcsán ismertetni fogjuk. Az ipar egyes területein, pl. bizonyos típusú hőszivattyúknál és hűtőgépeknél olyan közegeket kell hűteni és fűteni, amelyek két különböző illékonyságú alkotó keverékei. (Megfontolásaink akkor is helytállóak, ha a komponensek száma kettőnél több, csupán akkor a fizikai kép bonyolultabb). A két fázis nemcsak halmazállapotában, hanem az egyes alkotók koncentrációjában is különbözik. Ilyen esetben a két fázis egymástól független áramlása kedvezőtlenül befolyásolja a hőátadási viszonyokat, ahogyan ezt leírásunk további részében a 2. ábra kapcsán mutatjuk be. A 2a ábra egy olyan hőcserefolyamat hőmérséklet-felfutását (t) ábrázolja az átvitt hő (Q) függvényében, amelynél homogén közeg (pl. viz) hűti a kétkomponensű, kétfázisú munkaközeget. A munkaközeg hőmérséklete csökken, miközben egyidejűleg oldódás és kondenzáció következik be. A viz felmelegedését a W görbe, a munkaközeg lehűlését az oldatok termodinamikája alapján számított ideális esetben a Z görbe mutatja be. Amenynyiben a két fázis különváltan áramlik, s igy az áramlás során nincs állandó termodinamikai egyensúlyban, akkor a kevésbé illékony komponens nagy része gyorsabban kondenzálódik, a kondenzátum hamarabb lehűl, és a gözfázis túlnyomó részét kitevő illékonyabb komponens csak később oldódik be a folyadékfázisba. Ennek következtében az elméletitől jelentősen eltérő Z’ jelű hőmérséklet-felfutás adódik. A 2a ábrán látható, hogy hőcserélőben a két közeg hőmérséklet-különbsége jelentősen csökken (a veszteséget a függőlegesen csíkozott terület mutatja), ezért ugyanahhoz a feladathoz nagyobb, tehát di'ágább hőcserélő szükséges, vagy pedig tudomásul kell venni a folyamat hosszabb termodinamikai hatásfokát (pl. romlik a hűtőgép teljesítménytényezője 1. A 2b ábra olyan hőcserélő-folyamatot mutat be, amelynél vízzel melegítjük a munkaközeget. A víz hőmérséklet-lefutását a W görbe, a munkakózeg elméleti hómérséklet-lefutását az elpárolgás és kiűzés során a Z görbe, a két fázis szétválása következtében kialakuló valóságos lefutást a V jelű görbe ábrázolja. Itt is a függőleges csikozású terület mutatja a termodinamikai veszteséget. A technika állásához tartozó hátrányokat a fent elmondottak alapján értelmezzük. Célkitűzésűnk, hogy a hőátadási viszonyokban lényeges javulást érjünk el, oly módon, hogy a két fázis áramlását úgy irányítjuk, hogy azok állandó intenzív kapcsolatban legyenek egymással és ily módon közelítsék meg a termodinamikai egyensúlyt. Találmányunk alapgondolata szeiünt ezt a következő módon érjük el. Minthoigy hullámos áramlás esetén a folyadék a cső alsó részében gyűlik össze, gyűrűs áramlás esetén pedig a cső fala mentén elegendő a két fázist megcserélni. Ez azt jelenti, hogy hullámos áramlásnál a folyadékot a cső felső részébe, gyűrűs áramlásnál pedig a cső közepébe kell vezetni. Az eredeti feltételek között a fázisok igyekeznek elfoglalni eredeti helyüket a csőben, ez azonban a fázisok felcserélése miatt csak úgy lehetséges, ha egymáson keresztüláramlanak, azaz intenzív kapcsolatba kerülnek egymással, ennek során lényegesen jobban megközelítik az egyensúlyi állapotot, mint a különvált áramlás esetén. Fontos célkitűzésünk még, hogy a találmányt megvalósító szerkezet ne igényeljen túl sok anyagot, ne legyen drága, továbbá ne okozzon nagy nyomásesést. Ezért a cső hossztengelye mentén szakaszosan elhelyezkedő kis méretű betéteket kell alkalmazni, amelyek éles iránytörések nélküli, folyamatos görbületű kényszerpályán terelik át a közegeket a megfelelő helyre. A betétek közötti optimális távközt esetenkénti gazdaságossági számítással lehet eldönteni. A találmányunkkal még egy további problémát is meg kívánunk oldani. A kétkomponensű kétfázisú közegekkel kapcsolatban ismertetett kedvezőtlen hatáshoz kondenzátorok esetén még egy másik is járul, amely egykomponensü közegek (pl. vízgőz) kondenzációjánál is fellép. Itt ugyanis'a már lekondenzált folyadékfázisú közeg a cső falán maradva hóáramlási ellenállást képez a még le nem kondenzálódott gázfázisú közeg és a cső fala között. Ha tehát olyan megoldást találunk (és találmányunk ilyen), amely alkalmas a folyadékfázisnak a faltól való eltávolítására, akkor az az egykomponensü közegek kondenzátoraiban is hasznosítható. Találmányunk alkalmas egy további probléma megoldására is. A gyűrűs áramlás esetével ugyanis bizonyos értelemben hason-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
