A hőátadás fokozásának passzív módszerei

Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság

BME OMIKK

ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 44. k. 2. sz. 2005. p. 58–64.


A hőátadás fokozásának passzív módszerei A hőátadás nagyon sok gyakorlati folyamatban döntő szerepet játszik: fűtés, hevítés, hűtés, párologtatók, hőcserélők, légkondicionálás stb. A nagyobb hőátadási tényező kisebb hőátadó felületek alkalmazását teszi lehetővé, ezzel anyagmegtakarítást és kisebb méreteket lehet elérni. A hőcserélőkben a leggyakoribb elem a csővezeték, amelyben áramolva adja át a folyadék a hőt a cső falán kívüli közegnek. A csövekben különféle betéteket elhelyezve a hőátadás fokozható, ennek viszont a nagyobb nyomásesés és áramoltatási energiaigény az ára. Az optimális megoldást lamináris áramlásnál a csavart szalag, turbulens áramlásnál a huzaltekercs behelyezése eredményezi. Az összeállítás elemzi az egyes megoldások előnyeit és hátrányait és a jellemző tényezőket, mérőszámokat (Nusselt-szám, Reynolds-szám, Prandtl-szám).

Tárgyszavak: hőcserélő; hőátadás; passzív; csavart szalag; huzaltekercs.

A hőcserélők, hőleadók az élet számtalan terü-

korlátozni kell. Ez a hőátadási tényező növelé-

letén megtalálhatóak a lakástól (pl. központi

sével érhető el, amit viszont a fizikai (tömeg-

melegvízellátás többlakásos házban) a sze-

szállítási és hőtani) folyamatok határoznak

mélygépkocsin át (hűtő) az ipari létesítménye-

meg. Bármennyire is elterjedt és hétköznapi

kig (pl. bejövő levegő előmelegítése kazánok-

eszközökről van szó, tervezésük és méretezé-

nál, hulladék hő visszanyerése stb.). Sok eset-

sük nem egyszerű feladat, mivel a tömegáram-

ben a méretek korlátosak, illetve a felhasznált

lás lehet lamináris és turbulens is, a hőátadás

anyagmennyiséget mind a takarékosság, mind

leírása pedig igen bonyolult és erős kölcsönha-

a tömeg lehető legkisebb értéken tartása miatt

tásban van a tömegáramlással. A kísérleti ta-

58


pasztalatok azt mutatták, hogy ha a cső belse-

viszkozitás) és a hő molekuláris diffuzivi-

jébe különféle akadályokat, betéteket helyez-

tásának (α) hányadosa. Ez tulajdonképpen az

nek el, az jelentősen képes javítani a hőátadást.

áramló folyadék mechanikai és hőtani viselke-

Mivel a betétek valamilyen mértékben akadá-

dését veti össze.

lyozzák az áramlást, hatásukra a nyomásesés, és emiatt az áramoltatási energiaigény nő. Ti-

A Reynolds-szám az áramló anyagban fellépő

pikus optimumkeresési feladat ez, és jelentős

tehetetlenségi erők és belső súrlódási erők há-

tudományos, valamint gyakorlati kísérleti ku-

nyadosa: v·d/ν, ahol v az áramlási sebesség, d

tatómunkát végeztek el számos kutatóhelyen a

a cső átmérője és ν (görög nű) a kinematikai

jelenségek vizsgálata és elemzése céljából. A

viszkozitás.

cél egyértelmű: a lehető legkisebb energiaveszteséggel a lehető legnagyobb javulást el-

Betétek, áramlások

érni a hőátadásban. Mivel az alkalmazott betétek igen egyszerűek, jó esély van arra, hogy minimális ráfordítással jelentős termikus javu-

Habár a hőátadás fokozásának vannak aktív

lást lehessen elérni.

módszerei is, amelyek külső energiaforrás alkalmazásával működnek, ezek felépítése bonyolult, megvalósításuk drága, és az általuk

A folyamatokat leíró számok

elérhető javulás nem áll arányban a ráfordításokkal. Ezért a továbbiak a passzív módszerekkel foglalkoznak.

A folyamatokat különféle, általában dimenzió nélküli viszonyszámokkal lehet leírni, amelyek felfedezőjük, az áramlástan nagy tudósainak

Általánosságban úgy lehet megfogalmazni a

nevét viselik.

jelenséget, hogy a cső belsejébe valamilyen akadályt helyezve az csökkenti az áramlás

A Nusselt-számot a h·d/k képlet írja le, ahol h

számára rendelkezésre álló keresztmetszetet,

a konvektív hőátadási tényező, d a cső átmérő-

ami a nyomásesés növekedését okozza. Álta-

je és k a hővezetési tényező. Minél nagyobb ez

lában az áramlási sebesség csökken, a fő áram

a szám, annál jobb a hőátadás.

mellett másodlagos áramlás is kialakul, amely hasznos a hőátadás szempontjából, mert meg-

A Prandtl-szám az impulzus molekuláris

keveri a csőben áramló folyadékot, ez növeli a

diffuzivitásának (ν [görög nű], kinematikai

hőmérsékleti gradienst és ezáltal a hőátadást. 59


Sokféle változat

A betétek, akadályok sokfélék lehetnek: • csavart szalag, • spirális huzaltekercs,

A csavart szalag esetén a cső belsejébe egy

• bordák,

megcsavart lemezt helyeznek el (1. ábra).

• háló.

Bármennyire is egyszerű megoldásnak néz ki elsőre, számos változatát dolgozták ki és vizs-

A betétek mellett szóba jöhet még a cső belső

gálták a kutatók:

felének megmunkálása is, például érdesítés

• egyenletes menetemelkedés a cső egész hosszában,

kaparással, hornyolás stb. Ezek a megoldások

• egyenletes menetemelkedés, csak a cső egy

viszonylag drágák az elérhető hatáshoz képest.

részében van szalag,

A bordák és hálók behelyezésére ugyanez

• egyenletes menetemelkedés, több szakasz-

mondható el, a hálók ezen felül kedveznek a

ban van szalag,

szilárd részecskék lerakódásának is, ami szintén hátrányos. A vizsgálatok eredményeként a csa-

• változó menetemelkedés a cső egész hosz-

vart szalag és a spirális huzaltekercs kecsegtet-

szában: általában nő az áramlás irányában,

nek viszonylag jó eredmények mellett egyszerű

• változó menetemelkedés több szakaszban: általában nő az áramlás irányában.

és olcsó technikai kivitelezhetőséggel.

H

A

szalag

folyásirány A

a cső metszetben, a szalag nézetben ábrázolva

1. ábra Csavart szalag elhelyezése kör keresztmetszetű csőben

60

A-A keresztmetszet


A huzaltekercs esetén (2. ábra) a cső belső

hőleadást. Sok vizsgálat irányult arra, hogy a

felszínére huzalt fektetnek spirális alakban. A

cső keresztmetszete mentén hogyan vesznek

csavart szalag esetén felsorolt összes kialakítá-

részt az anyagrétegek a hőleadásban. Az adó-

si változatot itt is meg lehet valósítani. A hu-

dott, hogy a fontos szerepet betöltő termikus

zaltekercs jellegénél fogva csak a cső falának

ellenállásban lamináris áramlás esetén a cső

közvetlen közelében fejti ki hatását, a cső bel-

falától távolabb eső rétegek is szerepet játsza-

sejében zajló áramlásra alig van, vagy egyálta-

nak, vagyis egy vastag külső réteg viselkedése

lán nincs hatása.

határozza meg a folyamatokat. A turbulens áramlásnál ezzel szemben csak egy, a cső falával érintkező vékony réteg játszik szerepet. Ebből az következik, hogy a vékony huzallal operáló huzaltekercses módszer csak turbulens d

áramlásnál hatásos, míg a csavart szalag a lamináris áramlás esetén alkalmazható jó eredménnyel.

H

Tapasztalatok csavart szalagos betétekkel lamináris áramlásnál

2. ábra Spirális huzaltekercs elhelyezése kör keresztmetszetű csőben

Szót kell ejteni az áramlás két alaptípusáról is,

A sokféle lehetséges elrendezés közül számos

ezek a lamináris és a turbulens áramlás. A la-

kísérlet és elméleti számítás bizonyította, hogy

mináris esetben az áramlás nyugodt, egyenle-

egy a teljes csőhossznál rövidebb szakaszon

tes, szabályos rétegek alakulnak ki, állandó

elhelyezett csavart szalag is kielégítő mérték-

jellemzőkkel. Turbulens áramlás esetén az

ben javítja lamináris áramlás esetén a hőátadá-

áramlási kép nem ilyen nyugodt, örvények,

si viszonyokat. A betétet értelemszerűen az

keveredések alakulnak ki. A turbulenciák sok

áramlás iránya felől a csőszakasz elején kell

áramlási feladatnál nem kívánatosak, a hőcse-

elhelyezni. A szalag által az áramló kötegben

rélők azonban kivételt képeznek: itt a turbu-

keltett örvények a további csőszakaszban las-

lencia kifejezetten hasznos, mert a keveredés

san ülnek el, és ez növeli a hőátadást. A rövid

és

betét a nyomásesés, és így a szivattyú teljesít-

a

másodlagos

áramlások

javítják

a 61


Tapasztalatok csavart szalagos betétekkel turbulens áramlásnál

ményének csak kismértékű növekedését okozza. A hatás viszkózus közegeknél, nagy Prandtl-szám esetén (kb. 200 és 500 között)

A turbulens áramlás esetén a csavart szalagos

jelentkezik jelentős mértékben. A kísérletek

betéteknek kisebb a hatásuk, mivel az általuk

eredményei szerint a csőszakasz fele hosszán

keltett örvények az áramlásban eleve, betét

elhelyezett csavart szalag adja az optimális

nélkül is jelenlevő örvényekhez adódnak, sőt

megoldást (vízszintes helyzetű csővezeték és

azok hatását esetleg le is ronthatják. Ehhez

egyenletes hőáramlás esetén).

járul az a jelenség is, hogy a hőátadást ebben az esetben főleg a cső fala mentén elhelyezke-

Érdekes módon a több rövidebb csavart sza-

dő határréteg folyamatai határozzák meg.

lagdarab egymás utáni, egyenlő távolságokra való elhelyezése nem javítja, hanem

Több vizsgálat is kimutatta, hogy a turbulens

rontja a viszonyokat: a súrlódás nő, az áram-

áramlás esetén is a kisebb menetemelkedésnek

lás mentén elhelyezett újabb szalagdarabok

(sűrűbb menetnek) nagyobb hatása van, mint a

lerontják az örvények kialakulásának lehe-

nagyobbnak, mivel ez többlet-örvényeket kelt

tőségét.

a határrétegben. A szalagdarab hosszát illetően is számos vizsgálat zajlott le, eredményük az

A szalagok menetemelkedése is változtatható

volt, hogy turbulens áramlás esetén egyetlen

tényező: a vizsgálatok azt mutatták, hogy a

rövidebb, a csőszakasz 25–45%-ára kiterjedő

kisebb menetemelkedésnek (sűrűbb menetnek)

csavart szalagos betét javítja a legjobban a

nagyobb hatása van, mint a nagyobbnak. Az is

hőátadást.

fontos szerepet játszik, hogy a behelyezett lemez mennyire szorosan illeszkedik a cső

A turbulens áramlásnál a szalag által keltett

falához. Olyan konstrukció is megvalósítható

hősugárzás is szerepet játszik, mivel a szalag

ugyanis, hogy nagy rés van a cső belső fala és

mint sugárzó felület által a cső falára sugárzott

a lemez széle között. A kísérletek azt mutatták,

hő növeli a hőátadást. Ennek ellenére nem talál-

hogy a szoros illesztés hatékonyabb hőtani

tak jelentős különbséget ugyanolyan elrendezés

szempontból.

szempontból

esetén acélszalag és teflonszalag behelyezése

ugyanakkor a laza illesztés kedvezőbb, mivel

között. Részben a sugárzási, részben az áramlá-

könnyebb a szalag eltávolítása a szükséges

si viszonyok befolyásolása miatt viszont a sza-

rendszeres tisztítás céljából.

lag felszínének érdessége jelentős szerepet

Üzemeltetési

játszhat, és az érdesítés javíthatja a hőleadást. 62


Tapasztalatok spirális huzaltekercs betétekkel lamináris áramlásnál

hogy milyen távol helyezkedik el a huzaltekercs a cső falától: egyes elrendezésekben a közvetlenül a csőfalra helyezett huzal volt hatásosabb, más vizsgálatok szerint a viszonylag

Viszonylag kevés kutatást végeztek ezzel a

nagy térköz a menetek és a cső között adták az

kombinációval a korábban említett hátrányai

optimumot. Valószínűsíthető, hogy az áramlás

miatt. Voltak ugyanakkor olyan eredmények

eleve turbulens jellege miatt minden egyes

is, amelyek szerint spirális huzaltekercs behe-

elrendezésben más jellemzőjű huzaltekercs

lyezése javította a hőátadást, a csavart szalag-

adja a legjobb megoldást, és az elméleti leírást

hoz hasonlóan örvények keltésével. Különösen

is megnehezíti a turbulencia, ezért csak kísér-

olyan elrendezések esetén jelentkezett ez a

leti úton lehet az optimumot megtalálni.

hatás, ahol a cső belépő keresztmetszeténél léptek fel a turbulenciák a tekercs hatására. A

Egyéb betétek

huzaltekercs csak kis növekedést okoz a nyomásesésben, ezért amennyiben el lehet a kívánt hatást érni vele, az csak nagyon kis

Számos kísérletet folytattak az eddig tárgyal-

energiabefektetéssel jár. Egyes speciális elren-

taktól eltérő geometriájú betétekkel is. Például

dezéseknél a spirális huzaltekercs behelyezése

45o-os szögű bordák elhelyezése négyzetes

minden más betétnél jobb eredményeket ho-

keresztmetszetű légcsatornákban két egymás-

zott.

sal szemben fekvő falon 260–300%-kal megnövelte a hőátadási tényezőt. Természetesen a bordák számos geometriai elrendezése szóba

Tapasztalatok spirális huzaltekercs betétekkel turbulens áramlásnál

jöhet, a vizsgálatok a 45o-os szöget mutatták optimálisnak. A bordák keresztmetszetének formája ugyanakkor nem játszott lényeges szerepet.

A huzal vastagsága több vizsgálat szerint viszonylag kis hatással van a folyamatokra. A

Hatékony a hőátadás szempontjából a csatorna

menetemelkedés változtatása ugyanakkor el-

belső felületének érdesítése és mélyedések,

lentétes hatásokat vált ki, ezért egymásnak

hornyok kialakítása is. Az érdesség mértéke,

ellentmondó kísérleti eredmények születtek.

illetve a hornyoknak a csatorna belméretéhez

Hasonlóan nem egyértelmű annak a hatása,

viszonyított nagysága adott elrendezésnél op63


timumot mutat, vagyis az optimumnál kisebb

ris áramlásnál a csavart szalagos betét minden

és nagyobb mértékű beavatkozás egyaránt

más betétfajtánál jobb eredményeket ad, ele-

lerontja a hatást.

gendő a csőnek csak egy rövidebb szakaszán, a közeg belépése felőli csővégnél elhelyezni a

Az érdesítésnek és a hornyolásnak speciális

szalagot. Turbulens áramlásnál a spirális hu-

kombinációja az az eljárás, amelynek során

zaltekercs betétek adják a legjobb megoldást.

félgömb alakú bemélyedéseket hoztak létre a

Ez utóbbi esetben a betétek hatása kevésbé

csatorna falában. Turbulens áramlásnál ez az

számítható és jósolható, ezért az optimális

elrendezés megfelelő geometria mellett gya-

elrendezés csak kísérleti úton határozható meg.

korlatilag nem befolyásolta az áramlást, viszont 30–40%-kal javította a hőátadást.

Összeállította: Kis Miklós

Összefoglalás

Irodalom

Egyszerű passzív módszerekkel, megfelelő

[1] Dewan, A.; Mahanta, P. stb.: Review of passive

betétek behelyezésével a hőcserélők hatékony-

heat transfer augmentation techniques. = Journal of

sága jelentősen fokozható. A fizetendő ár vi-

Power and Energy, 218. k. A rész, 7. sz. 2004. nov. p. 509–527.

szonylag csekély: az egyszerűen gyártható és behelyezhető betétek költsége, valamint a

[2] Ujhidy, A.; Nemeth, J. stb.: Fluid flow in tubes with

nyomásesés és emiatt a szükséges szivattyú-

helical elements. = Chemical Engineering and

teljesítmény kismértékű növekedése. Laminá-

Processing, 2003. 42. k. 1. sz. p. 1–7.

64

A hőátadás fokozásának passzív módszerei

Recommend Documents