5. Hőcsere és berendezései

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban

5. Hőcsere és berendezései Ipari berendezések egyik leggyakrabban előforduló készüléke a hőcserélő. Ennek segítségével tudjuk elvonni egy bizonyos közeg entalpia többletét, vagy tudjuk a megfelelő hőmérsékletre fűteni a reakcióelegyet. A hőcserélő lehet:  közvetlen közeg érintkeztetésű vagy  közvetett-indirekt közeg érintkeztetésű. A hőcserélőkre jellemző a folytonos üzemű működés, ami azt jelenti, hogy mindkét közeg egyidejűleg van átvezetve a hőcserélőn. Vannak azonban szakaszosan működő hőcserélők is, amelyeket a közegek fűtésekor vagy hűtéskor alkalmazzuk. Nagy hőmérsékletű közegek entalpiatöbbletét váltóüzemű hőcserélőkben vagyis regenerátorokban végzik. Itt, először a meleg közeget vezetik be. Ez leadja a hőmennyisége nagyobb részét a hőcserélőben lévő anyagnak, majd a hidegközeg bevezetésével ez átveszi a hőmennyiséget, lehűtve a regenerátor töltetét. Vannak esetek, amikor a hőcsere fázisváltozással megy végbe, ilyen például a vízhűtésű vagy léghűtésű kondenzátor vagy a gőzfűtésű elgőzölögtetők más néven a bepárlók. Vannak még háromfázisú hőcserélők is, igaz kis számban alkalmazzák őket. Ami a szerkezeti anyagokat jelenti, a hőcserélők lehetnek fémes szerkezetűek, üveg, grafit vagy teflonból készítve. A kivitelezés szempontjából beszélhetünk csöves, csőköteges, lemezes, spirállemezes és bordázott hőcserélőkről. Ezek közül a legelterjedtebbek a csőköteges és a lemezes hőcserélők.

5.1. A felületi hőcserélők alapegyenletei 

A felületi hőcserélő alapegyenlete az átadott hőáram ( Q ), felület (A), hőmérséklet-különbség ( Tátl  Tm ) közötti összefüggés: 

Q  K  A  Tm , W

(5.1)

ahol a K nem más, mint a hőátbocsátási tényező, W/(m K) kifejezve. Az átvett vagy átadott hőmennyiséget az energiamérleg segítségével számítjuk, vagyis: 2

- 87 -

Hőcserélők Leadott hőáram: 



Q  Q leadott  m1  c p1 (T1  T2 )

(5.2)

Felvett hőáram: 



Q  Q felvett  m2  c p 2 (T2'  T1' )

(5.3)

ahol: m1 illetve m2- a két közeg, a meleg illetve a hideg tömegárama, kg/s, T1 és T2 a melegközeg belépő illetve kilépő hőmérséklete, K, cp1 illetve cp2 – a meleg illetve hideg közeg fajhője, J/(kgK), T2' ,T1' a hideg közeg kilépő illetve belépő hőmérséklete, K. Ha a tömegáram (vagy a szakaszosan működő hőcsere esetében a tömeg) és fajhő szorzatokat W illetve W’ jelöljük, a következő összefüggéseket tudjuk felírni:

Q  W (T1  T2 )

(5.4)

Q  W ' (T2'  T1' )

(5.5)

5.1. ábra. A hőcserélőben áramló közegek viszonya. A hőátadás hajtóerejének a Tm nek a meghatározására szükséges a hőmérséklet lefutás ismerete. Ez, mint ahogy az 5.1. ábra is mutatja, függ a közegek áramlásától, mely lehet egyenáramú, ellenáramú, keresztáramú vagy ezek kombinációinak egyike. Az 5.2. ábrán az egyenáramú hőcserélő hőfoklefutása van feltüntetve. Jól látható, hogy a hőcsere következtében a közegek hőmérséklete 5.2. ábra. Az egyenáramú hőcserélő közeledik egymáshoz, de a különbség hőmérséklet lefutási görbéi. mindég pozitív marad. Ez csak a végtelen nagy felületű hőcserélő esetén közeledik a nullához. Az 5.3. és 5.4. ábrán a felületi ellenáramú fázisváltozás nélküli és fázisváltozásos hőcserélők hőmérséklet lefutási görbéi vannak feltüntetve. Míg a fázisváltozás - 88 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban nélküli ellenáramú hőcsere esetén beszélhetünk állandó hőmérséklet különbségről (5.3. b) vagy változó (növekvő vagy csökkenő), a fázisváltozással végbemenő hőátadás esetén lehetséges három különböző lefutás. Az 5.4.a. a hidegvízzel való kondenzálási hőcsere lefutási görbéje, az 5.4 b. a forralási hőátadást szemlélteti, míg az 5.4 c. az állandó hőmérsékleten történő kondenzációs hőátadást és ugyancsak állandó hőmérsékleten történő forralási hőmérséklet lefutást jelképezi.

5.3. ábra. Ellenáramú hőcserélő hő-lefutása

5.4. ábra. Fázisváltozással történő hőcsere hőmérséklet lefutási görbéi.

A közepes hőmérséklet különbséget általában az ismert logaritmikus közepes hőmérséklet különbség összefüggésével számoljuk. Ez természetesen abban az esetben tudjuk elhanyagolni, amikor a két oldalon fellépő hőmérséklet megközelítés, kevésbé különbőzik egymástól. Ilyenkor az átlag hőmérsékletet a számtani középértékkel helyettesítjük. Megfigyelhető, hogy, leszámítva az állandó

- 89 -

Hőcserélők hőmérséklet különbségen történő hőcsere esetét, úgy az ellen, mint az egyenáramú hőcserélők alkalmával, a hőmérséklet megközelítési értékeket összehasonlítva beszélhetünk egy nagyobb (Tn ) és egy kisebb (Tk ) értékről. Ezek figyelembe vételével felírható az átlagos logaritmikus hőmérséklet különbség:

Tm 

Tn  Tk T ln n Tk

(5.6)

Vagy, ha fennáll a következő helyzet: Tn  Tk , akkor:

Tm  Tn  Tk  / 2

(5.7)

A nagy és kis hőmérsékletkülönbség segítségével kiszámítható a logaritmikus közepes hőmérséklet különbség értéke. A gyors számítást segíti az 5.5. ábrán feltüntetett nomogram. A hőátbocsátási tényező értékét az ismert síkfalra vagy hengeres falra jellemző összefüggésekkel számítjuk:

K

K

1

 1   1  fal  2 1

(5.8)

, W/(m 2 K)

1 d d 1 dk 1  k ln k   b d b 2 fal d b  k

, W/(m 2 K)

(5.9)

ahol: 1 - a hőcserélő egyik oldalán áramló közeg hőátadási tényezője, W/(m2K),

 2 - a hőcserélő másik oldalán áramló közeg hőátbocsátási tényezője, W/(m2K),  b - a csövön belüli közeg hőátadási tényezője, W/(m2K),  k - a csövön belüli közeg hőátadási tényezője, W/(m2K),

 -a fal vastagsága, m, d k , db - a külső

illetve a belső átmérő,  fal - a fal, illetve a csőfal hővezetési együtthatója, W/(mK). A hőátadási tényezőket az alábbi általános összefüggés segítségével számoljuk:

   Nu , W/(m2 K)

(5.10)

x

- 90 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban ahol: Nu- a Nusselt szám, x- a karakterisztikus geometriai méret (csövön belüli áramló közegre x=d, csőköteg esetén az egyenértékű átmérővel dolgozunk),  - az áramló közeg hővezetési tényezője, W/(mK). A Nu-szám általában mint hasonlósági kritériumból felépített hatvány függvény van megadva, vagyis: Kényszer konvekcióra:

Nu  C1 Rem Prm

(5.11)

Természetes konvekcióra:

Nu  C2 Gr p Pr q

5.5. ábra. A közepes logaritmikus hőmérséklet különbség meghatározása grafikus módszerrel.

Pr 

 a

(5.12)

ahol az m,n,p és q kísérletileg meghatározott hatványkitevők, a Re-szám, a Pr-Prandtl szám, GrGrasshoff szám dimenziómentes kritériumok. Ezeket az ismert összefüggések segítségével határozzuk

meg

( Re 

wd



, Gr  x3 V (T  T fal ) / 2 ).

A kényszer konvekció esetén többféle összefüggést alkalmazunk, attól függően, hogy milyen a hőcserélő típusa, milyen közeg áramlik, és milyen az áramlás jellege. Ilyen összefüggésekre ad betekintést az 5.1. táblázat, mely a csőben áramló közeg hőátadási tényezőjének meghatározására szolgáló összefüggéseket tartalmazza. Amikor a cső nem egyenes, hanem csigamenetű, azaz csőkígyó, akkor a kapott értéket beszorozzuk a következő szorzótényezővel: s  1  1,77 d a csőátmérője és R a kígyócső görbületi sugara.

- 91 -

d , ahol a R

Hőcserélők 5.1. 5áblázat. Hőátadás kényszer konvekcióval csőben áramló közeg esetén. Az áramlás jellege Lamináris

Összefüggés

Megjegyzés

    Nu  3,66   fal  

Felfűtésnél C=15 Lehűtésnél C=11,5

0,5

d  Nu  CPe 0, 23    L

 Pe  d  Nu  1,62   L 

  

Nu  0,037 1  d L 

2/3

 Re 0,75  180 Pr 0, 42      fal



  d 2 / 3  Nu  0,0231     Re 0.8 Pr 0.4 f T   L  

Turbulens

Turbulens vízáramlás

d  0,1 L

Pe

d  L

0 , 33

0 ,8    d 0 ,.14 0,19 Pe      L     Nu  3,66  0 , 467       d fal   1  0 , 117 Pe      L  

Átmeneti

Pe

0 ,14

   

0,14

Hausen képlet

0,6  Pe  600 2300  Re  10 5 Kutaladze képlete, ahol 0,6  Pr  100 20000  Re  2  10 6

w 0,87 d 0,15  0,1t fal

  20401  0,015  ahol 

 0,9t viz

Ha a cső nem kör keresztmetszetű, akkor a d belső átmérő helyett a hidraulikus átmérőt használjuk A csőköteges hőcserélők köpenyterében az áramlást a terelőlemezek is befolyásolják, így a hőátadás is befolyásolva van. A csövek közötti térben fellépő hátadási tényezőt az általános Nusselt képlettel számoljuk:

Nu  C Re

0, 6

Pr

0 , 33

        fal 

n

(5.13) - 92 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban ahol: C- állandó, mely függ a terelőlemezek kialakításától, Re- a Reynolds szám, Pr- Prandtl szám. A terelőlemez nélküli hőcserélő esetén az n kitevő értéke nulla. Akkor, amikor a hideg közeg áramlására szolgáló külső csövek közel vannak a köpeny belső palástjához, a C értéke:

C  1,15  d h0,6 , ha Re=200…..20000 és dh 0,012…..0,05 m

(5.14)

A Re-szám számításához szükséges sebesség értékét a következő összefüggés írja le:

w

V V  Ae 0,785 D 2  N  d k2





(5.15)

Körtárcsa és körgyűrű típusú hőcserélő esetén (lásd az 5.6. ábrát) a C értéket az alábbi összefüggéssel írjuk le:

C  2,08  d h0,6

(5.16)

A legszűkebb Ae keresztmetszet a következő összefüggés írja le:

Ae 

Al  Aq , ahol az első jel a hosszirányú, míg a második a

keresztirányú áramlás keresztmetszetét jelképezi.

5.6. ábra. Csőköteges hőcserélő körtárcsa-körgyűrű terelőlemezekkel ellátva [Fonyó-Fábry]. A hosszirányú áramlási keresztmetszet, egyrészt a körgyűrű által szabadon hagyott terület ( 0,785D12 ) mínusz a keresztmetszetbe eső csövek területe, másrészt





a körtárcsa által szabadon hagyott terület ( 0,785 D 2  D22 ) mínusz a

- 93 -

Hőcserélők keresztmetszetbe eső csövek területe. Az Aq meghatározásához, először kiszámítjuk a közepes átmérőt: (5.17) Dm  0,5D1  D2  Figyelembe véve a közepes átmérőhöz legközelebb eső csövek közti a összes nyílást, felírható: (5.18) Aq  S  a Szegmens terelőlemezekkel ellátott csőköteges hőcserélő esetén az n értéke 0,14 a C=0,23, míg a mértékadó keresztmetszet pedig:

Ae 

Al  Aq

ahol: Al 

(5.19)

Db  S   2Sh , Aq  Sa 4

(5.20...5.21)

Az S, b, h és a értékek az 5.7. ábrának megfelelők.

7. ábra. Csőköteges hőcserélő szegmens terelőlemezekkel [Fonyó-Fábry]. Gyakorlat: Legyen egy terelőlemez nélküli csőköteges hőcserélő, mely 121 darab 38 mm külső átmérőjű csövet tartalmaz és köpenyének belső átmérője 600 mm. A köpenytérben 458 K hőmérsékletű 0,253 10-4 Pa.s viszkozitású, 0,0382 W/(mK) hővezetési együtthatójú és 1030 J/(kgK) fajhőjű levegő áramlik 36,1 kg/m2s tömeg áramsűrűséggel. Határozzuk meg a közeg hőátadási tényezőjét. Kiszámítjuk a Re számot:

Re 

w  dk





  wd k G  d k 36,1  0,038    54200   0,253  10 4

Kiszámítjuk a Pr számot: - 94 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban

Pr 

 a



c p





1030  0,253  10 4  0,68 0,0382

Kiszámítjuk a hidraulikus átmérőt:

dh 









0,785 D 2  N  d k2 4F 0,785 0,6 2  121  0,038 2 4 4  0,036 m  D  N  dk 0,6  121  0,038

Kiszámítjuk a C értékét:

C  1,15d h0,6  1,15  0,036 0,6  0,15648 Kiszámítjuk a Nu értékét:

Nu  C Re 0,6 Pr 0,33  0,15647  54200 0,6 0,680,33  95,412 Kiszámítjuk az  értékét:



  Nu

dk

 95,41

0.0382  95,91 0.038

W/m 2 K

Bordáscsöves hőcserélők esetén a hőátadási tényezőt az (5.22) összefüggéssel számítjuk:



   0     bb 

AR A  AR    A A 

(5.22)

ahol:  0 - a bordázat nélküli cső hőátadási tényezője, W/(m2K),  - a bordamagasságtól (h) és bordák közti távolságtól ( tb ) függő tényező 0 , 63

h (   1  0,18  ) (5.23),  tb  A - a bordázott csőfelület, m2, AR - a bordák felülete, m2, bb - bordázati hatásfok melyet az 5.8. ábra segítségével határozunk meg az X függvényében. Az X –et a spirál bordákra a kővetkező összefüggéssel számítjuk:

X h

2 0

(5.24)

R R

ahol: R ,  R - a borda anyagának hővezetési tényezője illetve közepes vastagsága. Körbordák, lamellák és négyzetbordák esetén az X értékét a kővetkező összefüggés írja le:

X  r 

2 0

(5.25)

R R - 95 -

Hőcserélők ahol r- a bordázat cső sugara, R a borda sugara és  az 5.9. ábráról olvassuk le.

5.9. ábra. A  értékének meghatározása az R/r függvényében. Ismerve a bordázott cső hőátadási tényezőjét kiszámítható a hőátbocsátási tényező értéke, vagyis: 5.8. ábra. A bordahatásfok értéke

1 1 A  1       K  A1    1 

(5.26)

ahol: A, A1, a teljes bordázott felület illetve a belső csőfelület, m2,  - a cső falvastagsága, m,  - csőanyagának hővezetési együtthatója W/(mK),  1 - a cső belsejében áramló közeg hőátadási tényezője, W/(m2K).

5.2. Hőcserélők Az iparban nagyon sokféle hőcserélőt használnak. Ezek egymástól különbőznek, nemcsak a formájukban és működésükben, hanem még a szerkezeti anyaguk is különleges lehet. Üzemmódjuk szempontjából lehetnek szakaszos-, váltó- vagy folyamatos üzeműek. Az iparban legelterjedtebb a folyamatos üzemmód. A közegek szempontjából a hőcserélők lehetnek folyadék-folyadék, folyadék-gáz és gáz-gáz típusúak, úgy halmazállapot változás, mint halmazállapot - 96 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban változás nélküliek. Ami minden hőcserélőtől elvárt az következőkben fogalmazható meg: - nagy fajlagos felület, ami azt jelenti, hogy 1 m3 térben minél nagyobb hőátadási felület biztosítása; - minél nagyobb és állandóbb hőátbocsátási tényező biztosítása; - kis nyomásesés, vagy másképp fogalmazva kevés áramlási energia használat; - kis beruházási, működtetési és karbantartási költség; - egyszerű tisztíthatóság; - nagy korrózióállóság és biztonság; - hosszú élet. Szerkezetüket véve figyelembe, a hőcserélők lehetnek egyszerű kivitelezésűek vagy bonyolult hőcserélők. E kritérium függvényében lássunk néhány iparilag használt hőcserélő típust. 5.2.1. Locsolt hőcserélő A legegyszerűbb kivitelezésű hőcserélő a locsolt cső vagy a locsolt kígyócső. Mint az 5.10. ábrán is jól látható a jobb felület kihasználás érdekében egymásra helyezett csövek (könyökkel összekapcsolva, vagy görbített szerelésben) belső terében a hűtendő közeg áramlik, a külső térben, a csövek felületén pedig a lecsurgó víz. A jobb vízkihasználás végett, a használt vizet levegővel, toronyba hűtve vissza vezetik a folyamatba.

5.10. ábra. Locsolt csőkígyós hőcserélő.

- 97 -

Hőcserélők 5.2.2. A csőkígyó A csőkígyó lehet beépített is, ilyenkor egy bizonyos térbe vagy hőt viszünk be, vagy hőt veszünk ki. A beépített csőkígyó nagyon elterjedt a keverő berendezésekben, ahol a jobb hőátadás biztosításáért a külsőtérben a közeget keverjük, így megnő a keverési Re-szám s nagyobb a hőátadási tényező értéke. Kivitelezés szempontjából lehetséges kúpos, hengeres, egyszeri vagy több menetű csőkígyó is (lásd az 5.11. ábrát.). Minél nagyobb 5.11. ábra. Beszerelt csőkígyók: vízszintes síkban hőátbocsátás elérésére jó (balról), kétmenetű hengeres (jobbról). hővezető képességgel rendelkező anyagokat alkalmazunk. Amit még szem előtt kell tartani, az hogy a csőanyaga jó közegálló legyen, így biztosítva a keverőben lévő közeg vegytisztaságát. Annak ellenére, hogy olcsó, nem ajánlott olyan közegek esetén mely lerakodást okoznak, mert a cső belsőterét nem lehet könnyen tisztítani. Kis fajlagos felületű, tehát elég nagy térigényű. Még hátránya, hogy a hőátbocsátási tényezőt a csőkígyó külsőtéri hőátadási tényezője határozza meg, melyben az áramlás jellege sokszor technológiailag kötött. 5.2.3. A cső a csőben típusú hőcserélő A iparban gyakran használt hőcserélő a cső a csőben típusú. Ezt úgy melegítésre, mint hűtésre használhatják. Kivitelezés szempontjából két koncentrikus csőből áll. A belső csőben áramlik az egyik közeg (mindenkor a nagyobb nyomású és lerakodást okozó, hisz könnyebb tisztítani), a külső csőben pedig a másik közeg (kondenzálandó gőzök, gázok általában a külső, köpenytérben áramolnak). Az ilyen típusú hőcserélőben a tökéletes ellenáram elvét lehet megvalósítani, ami az intenzív hőátadás feltétele. Lehet egyenáramban is használni, de ilyenkor alkalmazása nem gazdaságos. Mivel gyártási hossza függ a rendelkezésre álló csövek hosszától, a nagyobb felület elérésére több egyedi - 98 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban hőcserélőt kapcsolunk össze. A helykihasználás végett nem vízszintes kapcsolást használunk, bár kevesebb áramlási ellenállást nyújtana, hanem a függőleges síkban való kapcsolási rendszert, mint ahogy az 5.12. ábrán is láthatjuk. Ily módon való szerelése lehetővé teszi csőtéri tisztítását is. Mivel elég nagy a helyigénye, és kizárt a köpenytér tisztítási lehetősége, sok esetben elkerülik használatát. Olyan közegek esetén, ahol a csőtéri részen könnyen képződhet lerakodás a cső a csőben típusú hőcserélő egy másik változatát alkalmazzuk, éspedig a kapart falú hőcserélőt. Itt a belső csőben egy tengelyre szerelt kaparókések (lásd az 5.13. ábrát) mozognak elég nagy fordulatszámmal (300-2000 5.12. ábra. Cső a csőben típusú hőcserélők: ford/perc), felújítva a felületet, 1-belépőcsonk, 2-egyenes csőszakasz, megakadályozva ezzel a 3- könyökcső, 4 –kilépőcsonk, 5- köpenytéri kilépőcsonk, 6-összekötőcsonk, 7- köpenytéri lerakodást, vagy annak belépőcsonk [Fonyó-Fábry]. vastagodást. Ilyen készüléket alkalmaznak a konzerviparban pasztaszerű anyagok bepárlására vagy kristályosítására. Egy ilyen hőcserélő hőátadási felülete kb. 0,6-1 m2, míg hőátbocsátási tényezője 3700 W/(m2K) is lehet. Amikor a csőkígyó beszerelés valamilyen okokból nem lehetséges (lerakodás veszély, korróziós állapot, anyagproblémák), akkor a keverő edények hőelvonását vagy hő bevitelét a külső falra szerelt- hegesztett vagy préselt - csőkígyóval oldhatjuk meg (lásd az 5.14. c és d ábrákat). Minél jobban érintkezik a csőkígyó a tartály külsőfalával annál jobb a hőátbocsátási tényező. A hőátvitel jobbik változata a külső falra hegesztett fél csövek (5.14. e-g), vagy köpenyek -duplikaturák (5.14. a-b). A köpenyfűtéses készülékeket a technológiai folyamat – homogénezés, oldás, emulgálás, polimerizálás, melegítés, kristályosítás, stb.- gyorsítására

- 99 -

Hőcserélők keverőkkel látják el, így a hőátadási együttható értékét növelve. A hőátadási felület mindenesetben magába foglalja a két szerkezeti anyag érintkezési felületét is, a hegesztési varratot beleértve. Amikor az érintkezési felület nagyon kicsi, akkor ajánlott a jó hővezetési tényezővel rendelkező anyag használata, mint például a rézalátét alkalmazása az 5.14. d esetében. Mint minden bonyolult szerkezet esetében, mivel a tisztítási lehetőség korlátozott, jó minőségű hőhordozókra van szükség.

5.13. ábra. Kapartfalú hőcserélő [Fonyó-Fábry]. A csőkígyó nagyon sok változatban fordul elő, úgy a laboratóriumi üvegberendezésekben, mint a hűtőtechnika több területén. Itt találkozunk például a Linde típusú cső a csőben csőkígyóval is (lásd az 5.15. ábrát). Ennek ez egyik változata a Hampson féle hőcserélő (5.15b) és a többszörösen tekercselt csőspirál. A nagyobb nyomású gáz a csőkígyó belsejében áramlik a kisebb nyomású a köpenytérben. A csőátmérő kb. 10-25 mm, a hőcserélő többszörösen keresztáramlású. Egy ilyen modernebb hőcserélő, amely 175 db., 87,5 m hosszú 19 mm átmérőjű csőből készült 915 m2 hőátbocsátási felülettel rendelkezik. Mivel az ilyen hőcserélő tisztítása elég sok nehézségbe ütközik, a beáramló közegek tisztaságát szűréssel biztosítják.

- 100 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban Amikor a hő-átbocsátásban az egyik közeg hőátadási együtthatója a másikhoz képest nagyon kicsi, például a folyadék-gáz hőcsere esetén, akkor a csövek külsőfelületét célszerű növelni. A bordázás segítségével a felület 10-20 szorosra is megnövekszik. A külső bordázat általában akkor célszerű, ha

5.14. ábra. Külső csőkígyó megoldások és duplikaturák [FonyóFábry]: a- folytonos köpeny- duplikátor, b- szakaszos Samkaköpeny, c- hegesztett csőkígyó, d- rézalátétre préselt csőkígyó, e-ghegesztett fél csőkígyók, h- feltágított csőrendszer.

1

k 1

b

 Rk 2

(5.27)

 Rb

Vagyis, ha a külső oldali hőátadási ellenállás és a belső oldali hőátadási ellenállás aránya nagyobb kettőnél. A bordázás különböző típusú lehet: - külső vagy belső; - hossz vagy haránt; - álló vagy forgó.

- 101 -

Hőcserélők A bordázat elkészítési módja is változó. Lehet rátekercselt (5.16. a),

horonyba tekercselt (5.16. b), csőre húzott (5.16. c) vagy csőfalba hengerelt típusú (5.16. d).

5.15. ábra. Mélyhőmérsékletű technikában használatos hőcserélők [Fonyó és Fábri után]: a- Linde –típusú, bHampson féle, c- többszörösen tekercselt [Fonyó-Fábry]. 5.2.4. Csőköteges hőcserélők A nagy felületet igénylő hőcsere és a jó térkihasználás megkövetelte a csőköteges hőcserélők kifejlesztését. E megoldás lehetővé tette, hogy ugyanolyan csőhossz esetén, mint a cső a csőben típusú hőcserélőknél, sokkal nagyobb fajlagos

- 102 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban felületet érjünk el. A csőköteges hőcserélő (lásd az 5.17. ábrát) főbb elemei a következők: - a két csőköteg falba szerelt csövek; - köpenytér; - beömlő kamra; - kiömlő vagy fordulókamra; - beömlő és kiömlő csonkok; - szellőztető csapok - és gyakran használatos terelőlemezek. Kivitelezés szempontjából a csőkötegek lehetnek: - merev; - úszófejes; - U- csöves- hajtűcsöves. Ami az elhelyezésüket illeti, a csőköteges hőcserélők lehetnek vízszintes, függőleges vagy dőlt állásúak. A vízszintes elhelyezés kerülendő a nagyon kis átmérőjű és könnyen behajló csövek esetén (ilyenkor a függőleges állás ajánlott). A vízszintes 16 ábra. Bordázottcsöves hőcserélő. elhelyezés mindég kötelező a kondenzációs hőcsere alkalmával, ezzel küszöbölve ki a lecsurgó hártya hőátbocsátási ellenállását, mely kitevő a függőleges cső esetében.

5.17. ábra. Merev csőköteges hőcserélő: 1, 7– meleg közeg csonkja, 2,5 hideg közeg csonkja, 3- csőköteg fal, 4-forduló kamra, 6-csőköteg, 8 elválasztó lemez.

- 103 -

Hőcserélők Ha a hőcserében mindkét közeg folyadék, akkor, mint az álló, mint a fekvő elhelyezés használatos. Ilyenkor a telepítésükre fennálló hely szabja meg a pozíciójukat. A vízszintes elhelyezésű hőcserélők könnyebben takaríthatók, akkor is, ha helyszűke miatt, a köpenyükre helyezett nyergek segítségével, egymásra vannak helyezve. A csőköteges hőcserélők esetén a sok cső, megszabott elosztásban tömören illeszkedik a csőfalban. Az illesztés lehet hegesztve, sajtolva vagy sajtolva és hegesztve is. Az elosztás lehet háromszögosztás, négyzetosztás vagy hexagonális csőkiosztás (lásd az 5.18. ábrát). A csőköteges hőcserélők sokrétű kialakítási lehetősége ellenére gyártási célok figyelembe vétele s, nem utolsó sorban, áruk csökkentésére szabványosítást vezettek be.

c)

5.18. ábra. Csőelrendezés: háromszög, b- négyszög, c- hatszög. Az USA csőköteges hőcserélők gyártóinak a szabványa a TEMA. E szerint, egy hőcserélő kód megnevezése tartalmaznia kell a köpeny, beömlő és fordulókamra típusait (lásd az 5.19. ábrát). Az 5.17. ábrán látható, merev, csőköteges hőcserélő kódja BEM. A csövek elrendezése olyan, hogy minimumra csökkentse a csőköteg kikerülésének lehetőségét. A sajtolt csőköteges hőcserélőt csak 80 atm nyomásig alkalmazzuk, a más megoldással beillesztett csövek esetén a nyomás határt a cső határozza meg. A sajtolási hossz kb. 50 mm. A sajtolt rész nem nyúlhat túl a csőköteg fal köpenyoldali homloklapján. A csövek közötti teret külső köpenylemez zárja, kialakítva a köpenyteret. A köpenytérhez csatlakozik a két kamra, a beömlő és kiömlő. Az ilyen egyjáratúnak nevezett hőcserélőnek a legkisebb a közegellenállása. Mivel a csövek hossza korlátozott, nagyobb hőcserélő felület - 104 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban létrehozására a csőkötegeket több párhuzamos csoportra osztjuk, kialakítva a több járatot (lehet 2-8 járatig el). Ilyenkor a kiömlő és beömlő kamra mellett forduló kamrákat alakítunk ki. A járatok számát nem tanácsos növelni, hisz a kamrákból való ki és beömlés elég nagy helyi ellenállást jelent.

5.19. ábra. A csőköteges hőcserélők TEMA kódjai [Fonyó-Fábry].

- 105 -

Hőcserélők A csőköteges hőcserélő esetében a köpenytér áramlási keresztmetszete nagyobb mint a csőtéri keresztmetszet. A jó hőátvitel céljából arra kell törekedni, hogy a két közeg minél nagyobb sebességgel áramoljon, de ez ne eredményezze az energia fogyasztás túlzott növelését. A folyadék-folyadék hőcsere alkalmával arra kell törekedni, hogy a két térben áramló közeg sebessége megegyező legyen és kb. 0,5 – 2,0 m/s között mozogjon. Gázok esetén a tömeg áramsűrűség kb. 6000-80000 kg/(m2s) között mozoghat. A merev csőköteges hőcserélő egyik nagy hátránya, hogy nem képes nagy hőmérséklet különbséggel dolgozni (kb. 50 K ajánlott). Ennek oka a hő-kitágulási tényező. Épp e helyzet kiküszöbölésre szolgálnak a tágulást kompenzáló megoldások. Ilyen megoldás például a lencse alakú kompenzáció, a hajtűcsöves vagy az úszófejes hőcserélő. A lencse 5.20. ábra. Lencse alakú alakú kompenzátor (lásd az 5.20. ábrát) a kompenzátor. köpenybe beépített tágulást elésegítő rész, mely megóvja a csövek csőfalból való kilazulását, s ezzel a két közeg érintkezését, vagy a csövek elhajlását.

5.21. ábra. U-csöves hőcserélő: 1, 6- fűtőközeg csonkok, 2,3 –hidegközeg csonkok, 4- csőköteg foglaló, 5-csökötegfal, 7- U csövek Az U - csöves vagy hajtűcsöves hőcserélő esetében a csőfalba beépített U csövek hőtágulásának nem lehet káros hatása, hisz a köpenytérben elég nagy helyet hagynak, ahol a csőköteg szabadon mozoghat (lásd az 5.21. ábrát.). Az ilyen kivitelezés elősegíti a könnyű szerelést, a köteg külső felének egyszerű tisztítását. - 106 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban A belső tisztítást, a beömlő s kiömlő kamra könnyű leszerelése ellenére, megakadályozza a 180 fokos fordulat. Az úszófejes hőcserélők esetében a fordulókamra közösen mozoghat a csőköteggel a külső állófejen, megoldva így a hőtágulás kompenzációját. A külső fej leszerelése után a forduló kamra is leszerelhető, sőt a beömlő és kiömlő kamra leszerelésével a csőköteg kiemelhető a köpenytérből, így csövek mind kívül, mint belől tisztíthatók. Az 5.22 ábrán bemutatott kétjáratú úszófejes hőcserélő köpenyterében való áramlás szabályzására terelő lemezeket használnak. Ezek

5.22. ábra. Úszófejes hőcserélő [Fonyó-Fábry]: 1-köpeny, 2- külső állófej, 3, 4- - szerelési karima, 5, 20- köpenyoldali csonk, 6- úszófej csőkötegfal, 7-úszófej, 8-úszófejkarima, 9-gyürű, 10mervcsőkötegfal, 11- beömlő illetve kiömlő kamra, 12-elosztókamra fedele, 13- elosztókamra csonk, 14-terelőlemez, 15- terelőlemez tartó rúd, 16védőterelő lemez, 17-elosztólemez, 18-légtelenitő csonk, 19-cső, 21 – tartóláb. különböző kivitelezésűek lehetnek, kezdve az egyes szegmens, kettős szegmens és hármas szegmens típusúakig (lásd az 5.23. ábrát). A terelőlemezek beszerelésével elősegítik a keresztáramlás kialakulását, és az áramlási sebesség növelését. Ahhoz, hogy az áramlási sebesség elősegítse a hőátadást, a legkisebb osztástávolság a köpenytéri átmérő 1/5-e, de nem kisebb mint 50 mm. A terelőlemezek elosztása egyenletes kell legyen, s ügyelni kell arra hogy a ki és beömlő csonkokhoz ne kerüljön ilyen lemez. A terelőkben a hőcserélő csövek részére lyukakat fúrunk, melynek átmérője, 900 mm osztástávolságig és 32 mm csőátmérőn felül 0,8 mm-el haladja túl a csőátmérőt, vagy ha a csőátmérő 32 mm kisebb, akkor a lyuk és

- 107 -

Hőcserélők csőátmérő közötti különbség 0,4 mm. A terelők távolságtartására, valamint a csőköteg ki és beszerelésének könnyítésére távtartó rudakat vagy csúszó léceket alkalmazunk. A terelőket és a csúszó léceket hegesztéssel kapcsolják össze. Minden hőcserélő köpenyterének legmagasabb pontján légtelenítő csonkot vagy menetes dugót/szelepet kell beszerelni, légtelenítés céljából. A legalacsonyabb ponton vakkarimával lezárt csonkot kell alkalmazni leürítés céljából. A hőcserélő működése megköveteli a rendszeres karbantartást. Ez főleg akkor érvényes, ha az 5.23- ábra. Terelőlemez típusok: a- egyes- , áramló közegekből b- kettős- c- hármas-szegmens [Fonyó-Fábry]. lerakodások képződnek, melyek egy év után kb. 2 0,0004 Km /W hőellenállást okoznak. Ilyenkor a hőcserélő tisztítása kötelezővé válik. Tisztításra ajánlott a meleg víz, mosóolaj, párlat nagy sebességű áramoltatása, nagynyomású vízsugár, vegyszeres vízkő eltávolítás vagy legvégső esetben csőgörények, forgó drótkefék vagy egyéb mechanikus módszerek alkalmazása. Mechanikus tisztításkor vigyázni kell a megrongálódás lehetőségére. Nem tanácsolt a gőz fúvatás alkalmazása, mert a cső túlhevülését okozhatja. 5.2.5. Lamellás hőcserélők A csőköteges hőcserélőhőz nagyon hasonló kivitelezésű a lemellás, Ramén – hőcserélő. Itt a közegek a páronként 5.24 ábra. Lamellás hőcserélő. összehegesztett, lamellákból kialakított csatornák és ezek kötegének köpenybe való helyezésekor kialakult külső terében - 108 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban áramolnak (lásd az 5.24. ábrát). A lamellaköteg és köpeny különböző hőtágulását tömszelence alkalmazásával kompenzálják. Az ilyen típusú hőcserélő nagy felületű (kb. 1000 m2) és nagy térkihasználású (170 m2/m3). Ez a hőcserélő is megtartja a csőköteges hőcserélő hátrányát, vagyis jó minőségű fluidumokat igényel, főleg a köpenytérben. 5.2.6. Lemezes hőcserélők Ennek a hátránynak a kiküszöbölésére vezették be még a 19. század végén (az első szabadalom 1878-ból származik) a lemezes hőcserélőket. A hőcserélő rendszerint téglalap alakú, azonos méretű hullámosított lemezek sokaságából áll. A lemezek közti távolság kb. 1,6….6 mm. A lemezek négy sarkán lévő lyukak képezik az átömlő nyílásokat, ezekből alakítván ki a csatornákat.

5.25. ábra. Lemezes hőcserélő [Fonyó-Fábry]: a) lemezei és b) elvi működése.

- 109 -

Hőcserélők

5.26. ábra. Lemezes hőcserélő szerkezeti felépítése: 1- tartórúd, 2- nyílások, 3- állványlap, 4- feszítő csavar, 5, 7- lemez, 6lemezcsomag, 8- nyomófedél [Fonyó-Fábry]. A redőzött lemezekből, tömítő anyag használatával, több sávot alakítanak ki, megelőzve ezzel a holttér kialakulását. A közegek keveredésének megelőzésére csak minden második kamrarész van kapcsolatba egymással, mint ahogy az 5.25. ábrán bemutatott áramlási séma is ábrázolja. A lemezek vastagsága 0,5-1,2 mm, ami magyarázza a hullámosítás szükségességét, hisz így formaálló lesz a vékony fémlemez. Ami a szerkezeti anyagot illeti, leginkább a nemesacélt alkalmazzák. Tömítésre rugalmas polimereket, szilikon anyagokat használnak. A lemezek elhelyezése lehet párhuzamos, ferde vagy két párhuzamos hullámlemez közé ékelt lyukacsos betétlemez. Az ilyen típusú hőcserélő nagyon nagy fajlagos felületű, tehát jó helykihasználó, könnyen szét és összeszerelhető, ami a tisztítását könnyíti. Fő hátránya, hogy tömítő anyaga révén nagyon pontos összeállítást követel, kiküszöbölvén így a folyadék veszteséget (a sírást). - 110 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban A hőátadási tényező számítására Boehm a következő összefüggést ajánlja:

s Nu  0,273 Re 0,65 Pr 0,3 / 0, 4   l

0 , 36

(5.28)

ahol s-lemez szélesség, l - lemez hossz. Egy ilyen lemezes hőcserélőt mutat be az 5.26. ábra. Mint látható a hőcserélő állványból, állvány-lapokból, tartó rudakból, lemezekből, tömítő kaucsukból és szorító-nyomó csavarokból tevődik össze. Az élelmiszeriparban főleg a kis hőmérsékletű tartományban használják folyadék-folyadék hűtésre-fűtésre, de alkalmas a gőz-folyadékfőtésre is. 5.2.7. Spirállemezes hőcserélő A lemezes hőcserélő egy másik változata a spirállemezes hőcserélő. Ezeknél a hőátadó felületet a csigavonalban meghajlított fémlemezek alkotják. A kialakított téglalap keresztmetszetű csatornákat alul felül fedéllel zárják. Az egyik közeg belép a fedél csonkján és a spirál belsejében haladva, kilép a kerületen lévő csonkon. A másik közeg a spirál szabad terében áramlik, egyen vagy ellenáramlásban az előbbivel (lásd az 5.27. ábrát).

5.27. ábra. Spirállemezes hőcserélő [Fonyó-Fábry].

5.28. ábra. Grafit lapokból készült. hőcserélő

- 111 -

Hőcserélők A relatív nagy sebességgel áramló közegek, a kis folyadékréteg nagy hőátbocsátási tényezőt biztosít. Egyszerű kivitelezése lehetővé teszi a folyadékok, sőt az iszapok hűtésére, illetve fűtésére. A spirális áramlásnak köszönhetően kis lerakodásra lehet számítani. Üzemi nyomása kb. 10 atmoszféra. A legkényesebb része ezen hőcserélőnek is a tömítés, ahol szivárgás és keveredés állhat be. A lemezes hőcserélők egyik iparilag alkalmazott rokona a grafitlapos vagy grafit tömbős hőcserélő. Itt a hőcserélő felületet vagy impregnált grafit lapokból alakítják ki (lásd az 5.28. ábrát), vagy pedig a grafittömbbe váltakozó haránt irányú furatokat alakítanak, melyek képezik az áramló közegek csatornáit. A legnagyobb falhőmérséklet 428 K. A 100-150 W/(mK) hővezetési együtthatójú grafit hőcserélő hőátbocsátási tényezőjének értéke 800-2200 W/(m2K) között mozog. Annak ellenére, hogy a titán alapú anyagok hátérbe szorították, klórral szembeni jó ellenálló képessége lehetővé teszi alkalmazását a klór és klórozott termékek gyártásban. Különleges korrózió állóságot követelő szerkezeti anyagok esetén célszerű a fluorozott műanyag használata. Ilyen termék például az 5.29. ábrán bemutatott teflon csőpászmás hőcserélő. A kb. 2-8 m2/elem hőátbocsátási felülettel rendelkező hőcserélőt 10 mm belsőátmérőjű 1 mm falvastagságú rugalmas, spirálison felcsavart, tefloncsövekből készítik. Ennek egy rugalmasabb változata a DuPont cég 2,5 mm átmérőjű, 0,25 mm falvastagságú tefloncsőből készített hőcserélőeleme, melynek csatlakoztatására gyűrűket használnak. Ilyen elemekből különböző hőcserélőket lehet kivitelezni (1 méter hosszú hőcserélő felülete kb. 1,2 m2).

5.29. ábra. Teflon hőcserélő [Fonyó-Fábry].

- 112 -

5.30. Ábra. A regenerátor működési elve.

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban 5.2.8. Regenerátor A nagyon nagy és nagyon alacsony hőmérséklet zónában alkalmas a váltóüzemű hőcserélő, más néven a regeneratív hőcserélő. A regenerátor két hőhalmozó / hideghalmozó töltettel teli kamrából áll. Az 5.30. ábra szerint az A közeg belép a balfelőli kamrába, és ott leadja hőtöbbletét, felmelegítve a töltetet. Közbe a másik kamrában a B közeg áramlik, mely átveszi a töltet hőenergiáját, lehűtvén azt. Egy bizonyos t idő múlva, a tolattyú elfordításával, a felmelegített kamrába áramlik a B, és a lehűtött kamrába az A közeg. Az ilyen hőcserélő főleg nagy átáramló gázmennyiségek esetén előnyős, mint például az üvegipari levegő előmelegítésére szolgáló hőállótéglával töltött regenerátorok. A regenerátor töltetbe még csőkígyót is be lehet szerelni, így jobban hasznosítva az égési gázok entalpiáját. Ugyancsak jól működnek a regenerátorok az alacsony hőmérsékleten. Például a gázcseppfolyósítási technikában kvarcit őrleménnyel, bordázott alumíniumszalag, vagy finom huzalszövettel töltött regenerátor kamrákat alkalmaznak. Az ilyen kamrák kis nyomásesés mellett nagy fajlagos felülettel rendelkeznek (általában ez meghaladja az 1000 m2/m3). Az 5.31.a. ábra egy belsőcsöves töltetes regenerátort mutat be.

5.31. ábra. Belsőcsöves regenerátor (a ) és Revex hőcserélő (b-c-d).

- 113 -

Hőcserélők 5.2.9. Revex hőcserélő A gáz és levegő cseppfolyósításban bevezetett rendkívül kompakt hőcserélő a vékony alumínium lemezekből készült Revex. Mint az 5.31. b ábrán is látható, az alsó és felső 0,8-1,2 mm vastagságú síklemez és a két oldalt záró léc között egy nagyon vékony (0,2 mm vastag) hullámlemez van. Az összeépített és előmelegített hőcserélőt só fürdőbe merítik, ahol a plattírozás megolvad és összeforrnak az elemek, kialakítva egy hőcserélőegységet. A főjáratok és a váltójáratok felváltva, hol a levegőt hűtik, hol pedig a hideg nitrogént vezetik át rajtuk. Míg a regenerátor váltóüzemű hőcserélő a Revex váltójáratú hőcserélő, hisz itt egymás mellet egyidejűleg halad át a levegő és a kifúvató gáz. 5.2.10. Hő cső Egy nagyon egyszerű és biztonságos hőátviteli szerkezet a hő cső. A mindkét végén zárt csőből készült szerkezet belső munkaközeget és folyadékáramlást biztosító porózus töltetet tartalmaz. Mint, ahogy az 5.32. ábrán is látható, a hő cső ügy működik, mint egy termoszifon.

5.32. A hő cső és a termoszifon működésének hasonlósága [Fonyó-Fábry]. A fűtés alkalmával a közeg gőzhalmazállapotba tér át, elvonva a fűtőközeg entalpiáját. A cső felsőfelébe áramló gőz lehűl, kondenzálva, átadja a felvett latens hőt, és a kondenzátum lecsorog a cső aljába, és újra fellép a hő felvevés. A termoszifon csak függőleges állában működőképes. Ettől eltérően a hő cső a porózus töltetnek köszönhetően bármely, sőt fordított irányba, azaz fentről lefelé, is képes hőt szállítani. Az ábrán feltüntetett hő csőben a fűtés felül van és a hűtés pedig alul. A hűtőrészen keletkezet kondenzátum kapilláris effektusnak - 114 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban köszönhetően képes újra a gravitáció ellenében a cső felső felébe kerülni, ahol újra gőzzé alakulva bezárja a ciklust. Az 5.33. ábrán a vízszintes helyzetű hő cső szerkezeti felépítése látható. A lítium töltetű hő cső esetén a 1773 K hőmérsékleten a szállított hőáramsűrűség 2 108 W/m2. A tartályanyag megválasztásával 4-2300 K hőmérséklet között lehet hő csövet készíteni. Épp ezért egyre több területen használják, kezdve a metallurgiától, az elektronikáig, a főzéstől a hő visszanyerésig és energiatakarékos technológiákig.

5.33. ábra. A vízszintes hő cső szerkezete és működési zónái [Fonyó-Fábry]. 5.2.11. Közvetlen hőcserélők A közvetlen hőcserélők egyik legtöbbet használt típusa a barometrikus keverő kondenzátor. A hűtővíz és a gőzök intimebb érintkezése céljából a hűtővizet a gőzbe fecskendezik. A felület növelése céljából a kondenzátor gyűrűs vagy szitatányéros szerelésű. A kondenzátumot a megfelelően méretezett ejtőcső vezeti el. Amint az 5.34. ábrán is látható a belépő pára ellenárama a kondenzátor felső részén adagolt hűtővíz. A nem kondenzált levegő szállítására szivattyút alkalmazunk, mely a cseppleválasztó után van bekötve. Az adagolt hűtővíz és kondenzátum adja az ejtőcsőben lévő folyadék mennyiségét. A szükséges vízmennyiséget a hőmérleg segítségével határozzuk meg. A kondenzációs berendezés számításánál ismert a belépő páragőz mennyisége (G), entalpiája (i), a hűtővíz hőmérséklete ( t0 ), fajhője ( c 0p ). Az ejtő-víz hőmérsékletét általában 10 fokkal kisebbnek vesszük, mint a pára hőmérséklete. Ezen adatok tudatában kiszámíthatjuk a szükséges hűtővíz mennyiségét és az elszívandó gáz mennyiségét. A pára és a levegő hőenergiája plusz a hűtővíz hőenergiája egyenlő a kondenzátum hőenergiája, levegő hőenergiája és az ejtő víz hőenergiájának összegével, vagyis:

- 115 -

Hőcserélők

G  i  L c plevegő t Lö  Vb c pvízt 0  Vc p t ev  L  c plevegő t L

(5.29)

Tudva, hogy az ejtő víz tömegárama egyenlő a hűtővíz és a kondenzátum tömegáramainak összegével, felírható: (5.30) V  Vb  G A hűtővíz tömegárama:

Vb  G

i  c pviz t 0

(5.31)

c pviz (t ev  t 0 )

Az elszívandó gáz mennyisége, pedig:

Tl 0 L'  C L G 0 pL

(5.32)

ahol: C L = (6,75....9,18)10-5, TL0 - a levegő hőmérséklete, K,

pL0 - a

levegő parciális nyomása, K. Általában a hőcserélő számításakor adottak a közegek anyagáramai és hőmérsékletei. Ezekből kell meghatározni a hőátadási felületet, a főbb geometriai méreteket és legfontosabb üzemi jellemzőket. Mint ismeretes, a közegek tulajdonságait a közegek átlag hőmérsékletén számítjuk. Miután eldöntöttük a hőcserélő típusát, az áramlás jellegét, megrajzoltuk a hőlefutást és kiszámítottuk a végeken mért hőmérséklet megközelítést, kiszámítjuk a közepes hőmérséklet különbséget. Ezután kiszámítjuk a cserélendő hőmennyiséget:

5.34. ábra. A barometrikus kondenzátor: 1- tányéros kondenzátor, 2- cseppleválasztó, 3- ejtőcső ( H 0  10 m ,

h  s  0,5 m ), 4- medence. [Fonyó-Fábry].



Q  m1c p1 T1  T2   m2 c p 2 (T1'  T2' )

- 116 -

(5.33)

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban Figyelembe véve a hőátbocsátási összefüggést, kiszámítjuk a hőátbocsátási 

Q felületet: A  K  Tm

(5.34)

Mivel nincs semmi információnk a két tér méretéről, a hőátadási tényezőket ( 1 , 2 ), s így a hőátbocsátási tényezőt se ismerjük. Épp ezért megbecsült értékekkel dolgozunk. Ezeket a közegek minőségétől függően választjuk ki a tapasztalt átlagértékek közül (lásd az 5.2. táblázatot). 5.2. Táblázat. Tapasztalatra alapozott K értékek. Közeg minősége K, W/(m2K) Köpenyoldali Csőbeli Víz Víz 1300-2800 Gőz Tej 1000-1200 Gőz Híg cukor-lé 550-850 Szerves Szerves oldószer 100-350 oldószer A megbecsült értéket finomíthatjuk, ha figyelembe vesszük a hőcserélő évi átlag lerakodások okozta hőellenállását, vagyis:

1 1   Rsz K sz Ktiszta

(5.35)

A szennyeződés okozta hőellenállás értékét a tapasztalati adatok segítségével határozzuk meg (lásd az 5.3. táblázatot). Ezek után kiválasztva a technológiai érveknek megfelelő hosszúságot, kiszámítjuk a szükséges csőszámot és annak elrendezésével, megkapjuk a bel és kültéri szabad felületeket. A hosszúság függvényében, ugyancsak tapasztalati értékek figyelembe vételével meghatározzuk a terelőlemezek/szegmensek számát és elosztását (lásd az 5.4. táblázatot). Most már meghatározott a geometriai tér és rátérhetünk a hőátadási tényezők és végül a hőátbocsátási tényező számítására. Végül összehasonlítjuk a megbecsült és a számított hőátbocsátási tényező értékeket, s ha a különbség nagy, akkor újra kezdjük a számítást, egy újabb csőelrendezést használva. Addig fojtatjuk a számítást, míg a két érték közötti különbség megfelel az kitűzött pontosságnak.

- 117 -

Hőcserélők 5.3. Táblázat Szennyeződési hőellenállás tapasztalati értékei Közeg Rsz, m2K/W Csőköteges hőcserélő Desztillált víz 0,00008 Tengervíz 0,00008-0,0002 Folyóvíz 0,00036-0,0009 Szennyvíz 0,0011-0,0015 Tiszta vízgőz 0,00004 Fáradt gőz 0,0025-0,0036 Földgáz 0,0017-0,0022 Levegő 0,0017-0,0027 Sólé 0,00086 Lemezes hőcserélő Szennyvíz 0,00009-0,00017 Cukor lé, présvíz 0,00013-0,00017 Sólé 0,000086 Folyóvíz 0,00004-0,00009 Tisztavíz 0,000017-0,000043 Ferment lé 0,000043 Sör 0,00001-0,00003 Tej 0,00001-0,00003 5.4. Táblázat. Az alátámasztás nélküli megengedett csőhossz. A cső külső átmérője, A megengedett cső hossz, mm mm Acél, nikkel, króm- Alumínium és ötvözetei, réz és nikkel-vas ötvözetei, titán, cirkon 20 1500 1300 25 1800 1600 30 2200 1900 38 2500 2200 57 3100 2800

- 118 -