183112. lajstromszámú szabadalom • Lemez hőcserélő
1 183 112 2 A legáltalánosabb hőcserélő az, amikor csőben vagy zárt csatornában folyadék áramlik és a hő a cső yagy csatorna falán áramlik a folyadék felé, vagy a folyadéktól a fal felé aszerint, hogy a folyadék például fűtés céljából hőt ad le, vagy hűtés céljából hőt von el. A hőcsere további útján a cső vagy csatorna falából a hőt át kell adni vagy át kell venni egy másik közegnek vagy másik közegtől. Amennyiben a másik közeg gáz, például levegő, úgy célszerű bordákat alkalmazni. A folyadék és fal közötti hőátadási tényező ugyanis — mint általában közismert — egy nagyságrenddel nagyobb, mint a gáz és fal közötti hőátadási tényező, emiatt a gáz oldalon nagyobb felületet célszerű kialakítani, mint a cső oldalán. Síklemez hőcserélő alatt olyan szerkezetet értünk, ahol a gáz felől, például a levegő felőli oldali sík felületeken történik a hőleadás, a folyadék pedig például a lemezre erősített forrasztott vagy hegesztett csőben áramlik, ahol a csövek haladhatnak egymással párhuzamosan vagy folyamatosan, hullámszerűen vagy szükség szerint váltakozó keresztmetszetekkel. Ismeretesek az olyan kivitelű síklemez hőcserélők, ahol például réz csőkígyót forrasztanak egy sík vaslemez egyik oldalára. Újabban úgynevezett alumínium csőjáratos lemezeket alkalmaznak, ahol magából a síklemezből alakítják ki a csatornákat olymódon, hogy két lemezt hengerelés útján oldhatatlanul kötnek össze, de a hengerlést megelőzően a két alumínium lemez összehegedését gátló festékkel megrajzolják a leendő csövek, csőjáratok tervezett helyét. Ezután a két lemezt hengerlésnek vetik alá, eközben azok elvékonyodnak és összehegednek, kivéve az előzetesen befestett szakaszokat. Ezután a leendő esősorokba folyadékot vagy gázt préselnek, ennek hatására a lemezből az előre kijelölt cső, illetve csőjárat domborodik ki. így tulajdonképpen csőjáratból és lemezből álló hőcserélőt kapnak. Több ilyen lemezből, síklemez hőcserélő rendszert, fűtőtestet vagy hűtőbatériát lehet kialakítani. Az említett csőjáratos hőcserélőknek előnyei — cső és lemez egy anyagból készül stb. — mellett számos hátránya van. Ennek a szerkezetnek elsősorban a gyártása igen bonyolult: a csőjárat festése, lemezek hengerlése, felfújatása stb. A gyártási technológia nem teszi lehetővé a hőtechnikailag optimális geometria kialakítását. Nem lehet ugyanis megoldani, hogy például a síklemez rész vékonyabb legyen, mint a csőjárat fala. A csőjárat falvastagságát a csövön belüli nyomás szabja meg. A lemez vastagságát viszont a hővezetés, az optimális bordahatásfok szabja meg. A technológiailag szükséges „összehegedési hossz” szintén korlátozza a hőtechnikailag legkedvezőbb bordahossz, illetve sík felület biztosítását. Nem lehet megoldani azt sem, hogy a két lemezből álló szerkezet egyik lemeze lényegesen vékonyabb legyen, mint a másik. A csőjáratos lemez további hátrányai közé tartozik, hogy a járatok keresztmetszete a felfúvás eredményeképpen bizonyos fokig spontán jön létre, megközelítőleg kör alakú keresztmetszetű lesz és így méretei a gyártás során nagy szórást mutatnak. Ez viszont igen hátrányos a hűtőipari alkalmazásnál, ahol a csőjárat keresztmetszetének minden egyes lemeznél teljesen azonosnak kell lenni, a csőjárat űrtartalma — a töltet — mennyisége az egyes síklemez hőcserélőnél pontosan meg kell egyezni. Hátrány még az is, hogy a létrejövő csatornák nem pontosan a lemez előre kijelölt helyén jönnek létre, a hengerlés művelete alatt kissé eltolódnak, nem kapjuk az optimális arányt, a cső és a hozzá tartozó sima bordaszakaszok között. A csőjáratos lemez hátránya továbbá, hogy itt a járat keresztmetszete nem lehet körtől eltérő alakú, például nem lehet szögletes, négyzet vagy téglalap, kör keresztmetszetű csatorna. Lemez hőcserélő kialakítására a részletesen ismertetetten kívül más megoldások is ismertek. Ezek egy része azonban a találmányitól eltérő funkciójuk miatti lényeges kialakítási eltérések következtében a kitűzött feladatra nem adhatnak megoldást. Ilyen pl. az 506.041 lsz. svájci szabadalmi leírásból megismerhető hőcserélő, amelynél a hőcserélőt körülvevő levegő áramlásának felgyorsításával kívánják a hatásfokot növelni, vagy az 1.357.137 lsz. angol leírásból megismerhető, amely két egymás melletti csőben folyó folyadék közötti hőcserét javítja. \ megoldások másik része, így például a 2.518.683 lsz. és a 2.044.817 lsz. NSZK szabadalmi leírás szerinti ugyancsak rendelkezik az említett hátrányokkal. Fenti hátrányok kiküszöbölésére szolgál a találmány szerinti megoldás, amely kidolgozása során a technológiailag és hőtechnikailag megvalósítható optimális geometriát, valamint a célszerű gyártási technológiát is sikerült megtalálni. A hőcsere a síklemez hőcserélőnél úgy zajlik le, hogy a hő ,.a csőből” a lemezbe jut, onnan hővezetés útján terjed el a síklemez felületében, a lemez felületéről pedig a másik közegbe adódik át. A lemezfelület itt bordának számít, ugyanis a hővezetés miatt hőesés van a lemezen belül. \ fűtés esetében a csőközeiben nagyobb, attól távolodva kisebb a lemez felületének hőmérséklete, hűtés esetén pedig a cső közelében hidegebb, a csőtől távolodva melegebb szakaszok lépnek fel. A hőmérséklet-esés miatt in. borda hatásfokról kell beszélni. A borda hatásfok azt mondja meg, hogy a borda tövének hőmérséklete hogyan viszonylik a borda átlagos hőmérsékletéhez. A borda hatásfok elsősorban magának a borda anyagának hővezetési tényezőjétől függ. Egy olyan ideális anyag esetében, amelynek a hővezetési tényezője végtelen volna, ott a borda hatásfok 100 % lenne. A borda hatásfok függ természetesen a borda hosszától, a borda lemez vastagságától. A különböző hőátadási feladatokhoz egy bizonyos optimális borda hatásfokot adó geometriát kell megvalósítani. Meg kell határozni, hogy a szóban forgó lemez hőcserélőnél a cső, illetve csőjárat mérete, a borda - tehát a síklemez vastagsága, illetve hossza — tehát terjedelme a csőhöz képest mekkora legyen. A találmány tehát lemez hőcserélő zárt közegvezető csatornákkal, amelyek a két egymáshoz kapcsolódó leme/fél egyikében vagy mindkettőben vannak kialakítva a hőcserében résztvevő másik közeg részére nyitott felületekkel, illetve csatornákkal, ahol a csatornák az önmagában ismert módon egymással párhuzamosan vagy hullámvonalban vannak elhelyezve úgy, hogy a szomszédos csatornarészek középvonalai közötti távolságnak és a lemezek vastagsága összegének a hányadosa a csatornák átmérőjének, illetve az ezzel arányos hidraulikus átmérőjének egy-négyszerese, előnyösen háromszorosa. A találmányt részletesebben kiviteli példa kapcsán, rajzok alapján ismertetjük. Az 1. ábra az ismert csőjáratos lemez egyik kiviteli formájának felülnézeti képe. A 2. ábra a találmány szerinti síklemez hőcserélő egy-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
