BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék Lemezeshőcserélő mérés Hallgatói mérési segédlet Budapest, 2014
1. A hőcserélők típusai A hőcserélőket a következő szempontrendszerek szerint csoportosíthatjuk: kialakítás és működés (rekuperatív, regeneratív, keverő) a hőcserében résztvevő közegek áramlási irányai (egyenáramú, ellenáramú, keresztáramú) a hőátvitel mechanizmusa (hősugárzás, hővezetés, kombinált) kompaktság (hőátadó felület/térfogat) hőátadás direkt (keverő hőcserélő) vagy indirekt (regenerátorok és rekuperátorok) A hőcserélők kialakítását és működését tekintve az alábbi három fő típust különböztethetjük meg: Rekuperatív működésű az a hőcserélő, amelyben a különböző hőmérsékletű közegek egyidejűleg vannak jelen. Regeneratív működésű az a berendezés, melyben a különböző hőmérsékletű közegek felváltva érintkeznek a hőátadó felülettel. Keverő hőcserélőkben a különböző hőmérsékletű közegek hőátadó felület közbeiktatása nélkül, közvetlenül érintkeznek. [2] 1.1 Rekuperatív működésű hőcserélők A mérés során vizsgált Sondex S8AIT1016TL típusú hőcserélő rekuperatív működésű, így tekintsük először ezeknek a jellemzőit! A rekuperatív hőcserélők szerkezetének kettős feladata van: egyrészt az áramló közegek megfelelő elválasztása egymástól és a környezettől, másrészt az energia egyik közegből a másikba való terjedéséhez megfelelő körülmények (legfőképp az elegendő hőátadó felület) megteremtése. A hőátvitelnél a hőáram nagyságát döntően befolyásoló három tényező a felület, a hőmérséklet-különbség és a hőátviteli tényező nagysága. A megfelelő feltételeknek eleget tevő hőcserélő megtervezéséhez e három tényező közötti összefüggés ismeretére van szükségünk. A rekuperatív hőcserélőket a közegek egymáshoz viszonyított áramlási viszonyai alapján egyenáramúnak, ellenáramúnak vagy keresztáramúnak tekinthetjük. [2] 1.2 Regeneratív működésű hőcserélők A regeneratív hőcserélők olyan berendezések, melyekben a különböző hőmérsékletű közegek felváltva érintkeznek a hőátadó felülettel. Ezeket a készülékeket a nagy tömegű és felületű ún. mátrix vagy töltet jellemzi. A töltetnek a melegebb közeggel való érintkezése a hőfelvétel (töltés) szakasza, a hidegebb közegnek ugyankezekkel a felületekkel való érintkezése a hőleadás (kisütés) szakasza. A működés során e két folyamat (a töltet szempontjából) periodikusan ismétlődik. [2] -1-
1.3 Keverő hőcserélők A keverőkészülékekben a közegek hőátadó felület közbeiktatása nélkül, közvetlenül érintkeznek. Az ilyen típusú készülékeket főként gázoknak folyadékkal (pl. vízzel) való lehűtésére és gőzöknek saját folyadékfázisukkal való kondenzáltatására használják. [ ] A keverő hőcserélőkben a szétporlasztott cseppek felületén játszódik le a hőátadás. [2] 2. A mérés célja A mérés célja egy lemezes hőcserélő tulajdonságainak megismerése, fő mérési paramétereinek meghatározása a laboratóriumi mérőberendezés segítségével. A mérés során a meghatározzuk a hőveszteséget és ezáltal a hőcserélő hatásfokát. A hőcserélők méretezésére szolgáló hőátbocsátási tényező (k), illetve a Bosnjakovic-féle Φ tényező meghatározása számítással. 3. A berendezés és mérési módszer bemutatása A méréshez egy 1 m 3 -es tartályban lévő kb. 70 C-os vizet használunk fel. Egy keringtető szivattyú csővezetéken keresztül juttatja el a melegvizet az E-3-as jelű hőcserélőbe. Egy másik csővezetéken keresztül hálózati hidegvizet áramoltatunk a hőcserélőbe. A hőcserélőből a primer oldalon kilépő lehűlt vizet visszajuttatjuk a tartályba, a felmelegedett szekunder oldali vizet pedig a csatornába vezetjük el. A mérés elindítása előtt gondoskodunk róla, hogy a szelepek a megfelelő állásban legyenek, hogy biztosítsuk a víz útját. A beérkező primer oldali meleg víz (1-es közeg) térfogatáramát az Sz1-jelű szeleppel szabályozzuk, melyet az F1-es jelű rotaméterről olvasunk le ( ). A szekunder oldali 2-es közeg térfogatárama ( ) állandó értékű, melyet az F2-es jelű rotaméterről olvasunk le, és a Sz2-es jelű szeleppel állítjuk be a kívánt értékre. A mérés folyamán regisztráljuk a primer oldalon belépő víz hőmérsékletét (T 1be ), a primer oldalon kilépőét (T 1ki ), a szekunder oldalon belépő vízét (T 2be ) és a kilépőt (T 2k ). A hőmérők által regisztrált értékeket egy adatgyűjtőn keresztül olvassuk le. -2-
3. A mérés kiértékelésének módja A mérés célja a felhasznált lemezes hőcserélő hatásfokának (η), az eredő hőátbocsátási tényezőjének (k), valamint a Bosnjakovic-féle hatásosságának (Φ) meghatározása több mérési pontban. A számítás során először kiszámoljuk az egyes közegek átlagos hőmérsékletét: Ezen értékek alapján meg kell határoznunk az átlagos sűrűséget (, ), valamint az átlagos izobár fajhőt (, mindkét közegre. A sűrűség és a térfogatáram alapján kiszámítjuk a közegek tömegáramát (. Ezután meghatározzuk a felvett és leadott hőmennyiségeket: A hőmennyiségek ismeretében megkapjuk a hőcserélő hatásfokát az adott üzemállapotra: A hőcserélők méretezése a logaritmikus hőmérséklet-különbség alapján Először kiszámoljuk az átlagos hőmennyiséget: A hőcserélők méretezésére szolgáló képlet pedig: Ahol: A méretezés során felhasznált képletben ismerjük a felület (A) értékét, az ugyanis katalógusadat a hőcserélőre, melynek értéke A=1,51 m 3. A hőcserélők méretezése a hőcserélők hatásossága alapján A logaritmikus közepes hőmérséklet-különbség mellett a hőcserélők méretezésének másik módja a hőcserélő hatásosság alapján történő méretezés. A fogalmat Bosnjakovic vezette be, ezért is nevezik Bosnjakovic-féle Φ tényezőnek is, ami a kisebb hőkapacitás-áramú közeg hőmérséklet-változásának és a közegek belépéskori hőmérséklet-különbségének a hányadosa. A Φ hőcserélő hatásosság a definíciójából adódóan 0 és 1 közötti értékeket vehet fel, és azt mutatja, hogy az elvileg lehetséges hőcserének (hőmérséklet-változásnak) mekkora hányada valósul meg az adott konstrukció és feltételek (ka,, ) esetében. [2] -3-
Kiszámítjuk a Bosnjakovic-féle hatásosságot az általános képlettel, majd tisztán az egyenáramú, és tisztán az ellenáramú változatokkal, és megnézzük, hogy a vizsgált hőcserélő melyikhez áll közelebb. A hatásosság számításához szükség van a két közeg hőkapacitás-áramára (vízérték áramára). (Definíció szerint a kisebbik kap 1-es, a nagyobbik 2-es indexet.) Tiszta egyenáram esetén a Bosnjakovic-tényező: Tiszta ellenáram esetén a Bosnjakovic-tényező: Ezután diagramban ábrázolni kell a hőátbocsátási tényezőt (k) az 1-es közeg tömegáramának ( ) függvényében, k=f( ). Felhasznált és egyben ajánlott irodalom: [1] Dr. Örvös Mária: Termikus eljárások és berendezések kézirat, 1. rész, Budapest, 2001. [2] Dr. Gróf Gyula: Hőközlés, ideiglenes jegyzet, Budapest, 1999, 109-120. oldal. -4-