MISKOLCI EGYETEM Gépészmérnöki és Informatikai Kar Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Tanszéke
LDV LÉZER HŰTŐRENDSZER TERVEZÉS
DIPLOMAMUNKA MSc. szintű energetikai mérnök
Készítette:
HORVÁTH GÁBOR Neptun kód: Q7SI24
Miskolc – Egyetemváros
2014
EREDETISÉGNYILATKOZAT Alulírott HORVÁTH GÁBOR; Neptun-kód: Q7SI24 a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős MSc szintű energetikai mérnök szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy LDV LÉZER HŰTŐRENDSZER TERVEZÉS című szakdolgozatom saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy szakdolgozat esetén plágiumnak számít: szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén szakdolgozatom visszautasításra kerül.
Miskolc, 2014. december 12. …….…………………………… Hallgató
ÖSSZEFOGLALÁS
I.
Dolgozatomban egy argon-ion lézer vízhűtésének tervezését hajtottam végre. Ehhez először az irodalom feldolgozásban összefoglaltam a legfontosabb elméleti ismereteket. Az összegyűjtött irodalmak egy része a hűteni kíván lézer megismeréséhez nyújtott segítséget. Először is bemutattam a lézerek típusait, és részletesebben is foglalkoztam a feladatban szereplő lézer fajtájával. Ezek után bemutattam a lézerek hűtési módjait, a kiválasztás szempontjait. Az irodalom feldolgozás másik része a hűtőrendszer tervezéséhez szükséges alapismereteket foglalja össze, külön tárgyalva a fő elemeket: a hőcserélőt, a szivattyúkat, a csővezeték rendszert. A
megismert
és
feldolgozott
ismeretek
nyújtottak
segítséget
a
feladat
elvégzésében. A rendszernek van néhány már meglévő eleme: a hűtendő lézerberendezés, a hőcserélő és a hűtővizet szolgáltató tartály. Ezekhez választottam ki a többi fő elemet: a szivattyúkat, a csővezetéket, valamint a mellékelemeket, úgy minta a csatlakozásokat, a víztisztító berendezést. A hőcserélő berendezés hivatalos adatainak és a lézer hűtésigényének ismeretében ellenőriztem a rendelkezésre álló berendezés feladatra való alkalmasságát a legnagyobb igénybevétel esetére, valamint ezek után elvégeztem a számításokat az eddigi üzemközbeni tapasztalatok alapján. Az elkészült elrendezés működésének becslésére számításokat végeztem, elemezve a szükséges működési jellemzőket. Valamint meghatároztam a munkapontot, amelynek ismeretében biztosítható az optimális működés. A számítások másik rész a tételjegyzék összeállítása, valamint a rendszer elemeinek összköltségének kiszámítása.
II.
SUMMARY The aim of my thesis is to design the cooling of a LDV laser, which takes place
at Department of Fluid and Heat Engineering. There are two other given parts of that system: the heat exchanger and receptacle of the cooling water, my project was to prepare the detailed design of a cooling system for the laser, using all given parts, taking into consideration the layout of the working area where the given equipment takes place. The first part of the thesis contains the summary of the literature related to the topic. The main themes are: the types and the operation of lasers, cooling methods of the laser equipment, the types and operation of heat exchangers, the basics of design of heat exchangers and cooling systems. Heat exchangers are essential equipment of fluid systems, which can be found in industrial and domestic application. After the research work I designed the desired cooling system, which contains all given and all necessary parts. The operation manual of the laser, heat exchanger, and additional elements of the system contains some data which help the preliminary design of the system. The department made some tests to measure the properties of the heat exchanger. These data help to me clarify the operation of the designed system. During the design I used online sources to select all of the elements of the system: circulation and submersible pump, pipe, valve, water softener, pipe connections, pipe clamps. It was possible to calculate the estimated material costs of construction of the designed system. During the design I used Creo software to visualize my system: the place of the heat exchanger in the laboratory of the Department of Fluid and Heat Engineering, and the main points of the designed system.
1. TARTALOMJEGYZÉK 1. Tartalomjegyzék ................................................................................................ 2 2. Jelölések és indexek jegyzéke ......................................................................... 4 3. Bevezetés........................................................................................................... 6 4. Az argon-ion lézer bemutatása ........................................................................ 8 4.1. A lézer fogalma ..................................................................................................................... 8 4.2. A lézerek fajtái ....................................................................................................................... 9 4.3. Argon-ion lézer .................................................................................................................... 10 4.4. Lézerek hűtése .................................................................................................................... 11
5. A hőcserélők.................................................................................................... 13 5.1. A hőcserélők általános jellemzői ...................................................................................... 13 5.2. Alapegyenletek .................................................................................................................... 16 5.3. Hűtési rendszerek tervezése ............................................................................................. 20 5.3.1. Hőcserélők tervezése .................................................................................................... 20 5.3.2. Csővezeték .................................................................................................................... 21 5.3.3. Szelepek ........................................................................................................................ 23 5.3.4. Szivattyú ........................................................................................................................ 24 5.4. Hűtési rendszerek tervezésének irányelvei ..................................................................... 28 5.4.1. A hűtési rendszer elemeinek kiválasztása .................................................................... 28 5.4.2. Környezetvédelem ......................................................................................................... 29 5.4.3. Hűtővíz kezelése ........................................................................................................... 30 5.4.4. Víztisztítás ..................................................................................................................... 31
6. A hűtési rendszer tervezése ........................................................................... 34 6.1. A rendszer rendelkezésre álló elemei ............................................................................... 34 6.1.1. A lézer adatai ................................................................................................................. 34 6.1.2. A hőcserélő adatai ......................................................................................................... 35 6.1.3. A hűtött és a hűtő kör adatai ......................................................................................... 37 6.2. Tervezés ............................................................................................................................... 37 6.2.1. Hőátbocsátási tényező számítása a berendezés alapadatai alapján ........................... 38 6.2.2. Szükséges tömegáram számítása a berendezés alapadatai alapján ........................... 39 6.2.3. Szükséges tömegáram számítása a berendezés tapasztalati adatai alapján .............. 41 6.2.4. Szabályozási görbe a berendezés adatai alapján ......................................................... 42
2
6.2.5. A hűtőrendszer elemeinek kiválasztása ........................................................................ 45 6.2.6. Elrendezés tervezése .................................................................................................... 49 6.2.7. Segédelemek kiválasztása ............................................................................................ 52 6.2.8. Csővezeték jelleggörbe ................................................................................................. 56 6.2.9. Keveredés/melegedés számítása a hűtővíztartályban .................................................. 58 6.2.10. Munkapont számítása ................................................................................................. 60 6.2.11. Áramtechnikai jellemzők a munkapontban .................................................................. 61 6.2.12. Tételjegyzék ................................................................................................................ 63
7. Összegzés........................................................................................................ 64 8. Köszönetnyilvánítás ....................................................................................... 65 9. Irodalomjegyzék .............................................................................................. 66
3
2. JELÖLÉSEK ÉS INDEXEK JEGYZÉKE Jelölések: Q
K A
T Q m
cp
W
hőmennyiség
W / (m2 K ) m2
hőátadási tényező
C
hőmérsékletkülönbség
J kg / h kg / s J / kgK
T
C
Qv
kg / m
J
tömegáram a közeg fajhője a hőcserélő hővesztesége
3
V
m3 / h; l / s
dH
hőáram
közeg hőmérséklete
m m Pa s
h
hőcserélési felület
a közeg sűrűsége veszteségmagasság a hőcserélő csonkjainak belső átmérője kinetikai viszkozitási tényező térfogatáram áramlási sebesség a szállításhoz szükséges fajlagos energia, manometrikus szállítómagasság magasságkülönbség
v
m / s m m Pa m m m m / s
es
J
energiaveszteség
q H h2 h 1 p2 p 1 hv
li d
i
p
h L Re pSZ
Pa m m Pa
nyomáskülönbség veszteségmagasság csősúrlódási tényező csőhossz csőátmérő az egyes elemek veszteségtényezője áramlási sebesség nyomásveszteség geodetikus magasság távolság Reynolds szám szelep nyomásveszteség
Ph
W
hasznos teljesítmény
g
m / s 2
nehézségi gyorsulás 4
P H cső hg
hsz hny hc hv le
hatásfok
W
teljesítmény
J / N m m m m m m
cső manometrikus szállítómagassága geodéziai magasság szívómagasság nyomómagasság a hálózatban jelentkező sebességmagasság veszteségmagasság egyenértékű csőhossz
Indexek: m n k
' " 1 2 h ö ny t mp
közepes nagyobb kisebb belépési állapot kilépési állapot meleg közeg hideg közeg hasznos érték összes érték nyári időszakra jellemző érték téli időszakra jellemző érték munkapontra jellemző érték
5
3. BEVEZETÉS Diplomatervem célja, hogy a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának Energetikai és Vegyipari Gépészeti Intézetében az Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Intézeti Tanszéken használt lézer berendezés hűtését tervezzem meg, a rendelkezésre álló hőcserélőt használva a hűtésre. Dolgozatom első részében röviden bemutatom a lézereket, azok fajtáit és lehetséges hűtési módjaikat. A lézerek alapvető működés és fajtái után az argonion lézerrel foglalkozom részletesen, mivel a Tanszéken ez található meg. Mivel munkám célja e lézerfajta vízhűtésének megtervezése, ezért külön foglalkozom a lézerek hűtési módjaival. Ezek közül részletesebben a vízhűtéssel foglalkozom, mivel a későbbi munkám során a lézer vízhűtését fogom megtervezni. Szakirodalom feldolgozásom másik fő témaköre a hőcserélők bemutatása és a berendezések hűtésének tervezési szempontjainak felvázolása. Ezen belül részletesen bemutatom a hőcserélők alapfajtáit, azok áramlási viszonyait, a működésük elemzéséül szolgáló összefüggéseket. Ezek után következik a méretezéshez használandó alapegyenletek elemző bemutatása. A fejezet további részében részletesen foglalkozom a hűtési rendszerek tervezésével, az ott alkalmazandó technológiai és egyéb irányelvekkel. Az irodalom-feldolgozásban ismertetett szükséges alapismeretek összegyűjtése után megterveztem a Tanszéken lévő lézer hűtését a már meglévő hőcserélő beépítésével. Ennek első lépése a meglévő hőcserélő feladatra való alkalmasságának ellenőrzése. A hőcserélő elhelyezkedése, a hűtővíztől való távolsága és az üzemeltetés helyének felépítése adott volt, így ezek után a rendszer fizikai kiépítésének megtervezése volt a feladat. Ennek egyik eleme a hűtőrendszer fő- és mellékelemeinek megtervezése. A rendszer tervezése során a hőcserélő berendezése adatlapján rendelkezésre álló jellemzőket vettem figyelembe. Azonban a tanszéken a lézerberendezés használata közben megfigyelt tapasztalati értékek figyelembe vételével is elvégeztem az áramlástechnikai számításokat, mivel azok jelentős eltéréseket mutatnak a berendezés alapadatihoz képest.
6
A hőcserélő részletese elemzése után a rendszer további elemeinek kiválasztása következezik: a közegek keringését biztosító szivattyúk és csővezetékek kiválasztása mellett javaslatot teszek a kiegészítő elemek, mint a szelepek, csőcsatlakozások, víztisztító készülék beszerzésére is. A rendszer elemeinek kiválasztása után a szivattyúhoz tartozó jelleggörbe ismeretében
és
a
csővezeték
valamint
a
szerelvények
jelleggörbéjének
meghatározása után kijelölöm a munkapontot, amely a rendszer optimális működését biztosítja. A dolgozat végén egy tételjegyzéket állítok és egy internetes keresésen alapuló anyagköltség becslést végzek el.
7
4. AZ ARGON-ION LÉZER BEMUTATÁSA Ebben a fejezetben szeretném röviden bemutatni a hűtendő lézerrel kapcsolatos legfontosabb alapfogalmakat.
4.1. A lézer fogalma A "LASER" kifejezés egy mozaikszó, amely a következő szavak kezdőbetűiből származik [1]: Light - fény Amplification - erősítés Stimulated- gerjesztett Emission- kisugárzott, kibocsátott Radiation – sugárzás Magyar jelentése fényerősítés a sugárzás indukált emissziójával. A lézer működéséhez tehát az szükséges, hogy domináljon az indukált emisszió, és a fény általa erősödjön. A lézerberendezések speciális tulajdonságokkal rendelkező optikai sugárzást (lézersugárzást) - közeli (NUV) és távoli (FUV) ultraviola, látható fény, a közeli (NIR) és távoli (FIR) infravörös tartományokban - (4.1. ábra) állítanak elő.
4.1. ábra Optikai sugárzások spektrális felosztása és az iparban alkalmazott jelölő lézerberendezések által kibocsátott lézersugárzások hullámhossza nm-ben [2]
A lézer speciális tulajdonságai a következők [2]:
8
A lézersugár nagyon kis divergenciájú (széttartású) nyaláb, amely a forrástól való távolság növekedésével csak nagyon kis mértékben terül szét (divergál). Nagy energia- vagy teljesítménysűrűség a nyalábban. A lézerberendezések nagyon keskeny hullámhossztartományban állítanak elő optikai sugárzást, ezért a lézersugárzás monokromatikus (egyszínű). A lézersugárzást tér- és időbeli koherencia jellemzi. A lézersugárzásban egyszerre több, párhuzamosan és együtt rezgő fényhullámok vannak jelen. Lézerberendezés: olyan eszköz, amely a 170 nm-től 1 mm-ig terjedő hullámhossztartományban elektromágneses sugárzást képes létrehozni indukált emisszió révén.
4.2. A lézerek fajtái A lézerek legjellemzőbb csoportosítási módja a fényt előállító anyag szerinti felosztás. e szerint a lézerek típusai [3]: gázlézerek: a legelterjedtebbek és legjellemzőbbek a gázlézerek, melynek sugárzó anyaga gáz halmazállapotú. típusai o hélium-neon gázlézer, jellemzői: könnyen előállíthatók, legjobb tulajdonságú lézerek, piros fényük van, hullámhosszuk 0,63 μm o A legnagyobb teljesítményű elterjedt lézerfajta a széndioxid-lézer, mely az infravörös sávban kb. 10 μm hullámhosszúságú fényt bocsát ki /ez már a hősugárzás tartománya, amely hullámhosszat a legtöbb anyag, pl. a víz igen intenzíven elnyeli/ gyógyászatban operáló lézerként használatos! Ionlézerek: az ionlézerekben a lézernívókat a gerjesztett ionállapotok jelentik. o Argon-ion lézer, melyben argongáz van és több különböző, kék és zöld hullámhosszon sugároznak /szemészetben használatos/. szilárdtest lézerek 9
o rubin-lézer, o neodínium-yag (NdYag) lézer a legelterjedtebb,kb.1μ hullámhosszú /infravörös közeli tartományban fényt bocsát ki, o kisebb
teljesítménynél
bioregulációs
kezeléseknél,
nagyobb
teljesítmény esetén operálásra is használhatók. félvezető lézerek: a lézer aktív anyaga egy félvezető, a félvezetőkből készült kis színes lámpácskák a LED-ek, melyek ott vannak mindenhol. A LED-ek fejlesztésének eredménye a dióda-lézer, melynek előnye a rendkívül kis méret és a korlátlan élettartam /félvezető lézer dolgozik minden CD, DVD olvasóban, lejátszóban, íróban is/. Az
4.1.
táblázatban
a
különböző
lézerek
legfontosabb
jellemzőinek
összehasonlítása látható. Ebből egyértelműen kiderül, hogy az új lézerek hatásfokban, tartósságban, teljesítményben, nagyon komoly kihívást jelentenek a szén-dioxid lézerek számára. 4.1. táblázat Ipari lézerek összehasonlítása [4]
4.3. Argon-ion lézer Az Argon-ion lézert 1946-ben fejlesztette ki William Bridges (a Hughes Aircraft nevű cégnél). Ez az egyik olyan családja a lézereknek, amely nemesgázt használ.
10
Főbb felhasználási területei [5]: retinán keresztüli fényterápia (cukorbetegeknek) litográfia más lézerek pumpálása Az argon-ion lézer 13 hullámhosszon bocsájt ki sugarakat a látható, ultraviola és a közel látható tartományban. Gyakran az argon és kripton lézerek folyamatosas kibocsátani hullámokat néhány miliwatt és több tíz watt tartományban.
4.4. Lézerek hűtése A lézereket általában kétféleképpen lehet hűteni: léghűtéssel vagy vízhűtéssel. Léghűtés: Külső hűtő nélküli változat, mely hűtőventillátorral és hűtőbordákkal (integrált léghűtés) biztosítja a lézer működéséhez szükséges környezeti hőmérséklet stabilitást. Integrálási feladatokhoz létezik olyan kialakítás is, ahol a már kiépített léghűtést lehet felhasználni a lézerforrás hűtéséhez, így nem szükséges a beépített ventillátor (alapkiépítés) [6]. A léghűtéses lézergépek esetében a megelőző karbantartáskor mindig a légszűrőket kell tisztán tartani. Ha nagyon poros a környezet, akkor a gyártási körülményektől függően lehet naponta egyszer, illetve hetente vagy havonta 1-2-szer le kell porszívózni a porréteget a légszűrők felületéről. A légszűrőn keresztül ventillátor(ok) szívja be a levegőt a lézergép, mellyel a lézerforrást hűti. Majd a meleg levegőt ventillátor(ok) segítségével a gép alján vagy oldalán távolítja el. A ventillátorok állapotát is ellenőrizni kell. Ezeken a nyílásokon nem szabad szennyeződésnek maradnia, vagy eltakarni. Ha nem megfelelő a lézerforrás hűtése, akkor a lézergép megáll. A lézerforrás élettartama nagyban függ a lézergép tisztántartásától és az üzemi hőmérséklettől. A lézergép gyártók mindig megadják, milyen üzemi hőmérséklet tartományban üzemelnek megfelelően a lézergépek. Legtöbbször az optimális üzemi hőmérséklet a léghűtéses lézergépek esetében 10 és 35 °C között van. [7]
11
Vízhűtés: Abban az esetben, ha a környezeti hőmérséklet ingadozás meghaladja az előírt értékeket, ezáltal nehezen lehetne tartani a gyártó által előírt hőmérsékletet, javasolt a vízhűtés alkalmazása. A vízhűtéses lézergépek esetében a lézerforrás körül vizet keringetnek, ezáltal a víz vezeti el lézergép működése során keletkező hőt. Ennél a kivitelnél a lézerforrás belső csövezése biztosítja a hatékony hűtést, szabványos (3/8”-s) be- és kimeneti vízcsatlakozás kiépítésével. A hűtőfolyadék szabványos desztillált víz [6]. A hűtő folyadék mennyiségét a lézergép szoftvere kijelzi. Ha túl kevés a víz mennyisége, illetve túl magas a hőmérséklete, automatikusan leáll a lézergép. A víz utántöltését kell biztosítani. Legtöbbször a nagy teljesítményű CO2 lézergépeket (60W felett) vízhűtéssel ajánlják, ennek oka, hogy ha zárt munkaállomásba építik a lézergépet, akkor kevesebb tér marad a lézergép körül, így kevesebb az áramoltatható levegő a lézerforrás hűtésére. Továbbá a vízhűtéses lézergépek minden esetben drágább kivitelűek és a lézerforrás újratöltése és cseréje is költségesebb. Azonban előnyük, hogy állandó üzemi hőmérsékletet biztosítanak a lézerforrásnak. A CO2 lézergépek hűtésének létezik egy harmadik megoldása is, mely során nagy nyomású sűrített levegőt használnak a lézercső hűtésére. Ezeket a kialakítású lézer berendezéseket
olyan
környezetben
használják,
ahol
naponta
tisztítani,
fertőtleníteni kell a gyártósorokat (pl. élelmiszeripar), illetve a lézergépek olajos, poros környezetben dolgoznak. A lézercső hűtése sűrített levegővel történik, mivel teljesen zárt a lézergép burkolata, hogy ne jusson be nedvesség. A sűrített levegőnek nagy tisztaságúnak kell lennie, mert különben a szennyeződések rárakódhatnak az elektronikai egységekre. Ha központi sűrített levegőt használnak a lézergéphez, akkor annak tisztaságát szűrőkkel oldják meg, illetve ha nincs megfelelő levegőnyomás, akkor egy speciális szűrő és sűrítő egységet csatlakoztatnak a lézergéphez. Léteznek erre külön hűtő és levegősűrítő egységek is, melyek előállítják a hűtött nagy nyomású levegőt. [7]
12
5. A HŐCSERÉLŐK 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.
5.1. A hőcserélők általános jellemzői A hőcserélőket többféleképpen csoportosíthatjuk. A hőcserélő lehet a hőcsere módja szerint: közvetlen közeg érintkeztetésű vagy közvetett-indirekt közeg érintkeztetésű. A hőcserélő működése szerint lehet: folytonos üzemű, ami azt jelenti, hogy mindkét közeg egyidejűleg van átvezetve a hőcserélőn, vagy szakaszosan működő, amelyeket a közegek fűtésekor vagy hűtéskor alkalmazzuk. Ami a szerkezeti anyagokat jelenti, a hőcserélők készülhetnek: fémből, üvegből, grafitból vagy teflonból. A kivitelezés szempontjából beszélhetünk: csöves o csőkígyós, o kettős csöves (cső a csőben) csőköteges, lemezes, 13
spirállemezes és bordázott hőcserélőkről. A csőkígyós hőcserélőkben (5.1. ábra) – ahogy arra a nevük is utal – egy fém cső van adott formára feltekerve (például egy hengercsőre). Ezek a hőcserélők legegyszerűbb, könnyen gyártható fajtái. [8] Hátrányai: a cső belül nehezen tisztítható, aránylag nagy a helyszükséglete (a felülethez viszonyítva), ha nagyobb felületre van szükség, akkor több csőkígyót kell párhuzamosan kapcsolni, ami nehezíti kívülről a tisztítását, a
csőkígyót
körülvevő
folyadék
igen
lassú
áramlása
miatt
a
hőátszármaztatásuk gyenge.
5.1. ábra Csőkígyós hőcserélő [8]
A cső a csőben (vagy kettős csöves) hőcserélő a legegyszerűbb kivitelű berendezésfajta. Ezzel valósítható meg (szinte) teljesen az ellenáramú hőcserélő. Ebben az esetben egy hosszú egyenes csövet egy nagyobb átmérőjű csőben helyeznek el, és azokat ívcsövekkel kötnek össze. A külső csöveket merőleges csonkokkal kapcsoljál össze. Az egyes elemek ívekkel való összekötése révén hőcserélő blokk építhető (5.2. ábra).
14
Az ilyen típust elsősorban nagy nyomásoknál alkalmazzák, mert elég nagy a helyigényük és a tömegük is.
5.2. ábra Cső a csőben hőcserélő [8]
Nagy hőmennyiségek esetében csőköteges hőcserélőket használnak (5.3. ábra). A csőköteg sok (akár több száz) csőből áll, amelyeket csőkötegfalba erősítenek (behengerléssel vagy hegesztéssel). A csőköteg –amiben az egyik közeg áramlik – a köpenyben helyezkedik el, míg a másik közeg a csövekben áramlik (5.4. ábra). A hőátadás az áramlási sebességgel javítható. A csőköteges hőcserélő kivitele lehet: álló: általában akkor alkalmazzák, ha az egyik közeg gáz, illetve bepárlók esetében elterjedt; fekvő: gőzzel való forraláskor, kodenzátoroknál vagy fűtéskor használják. Az ásványolajoknál csak ezt a típust használják. Mindkét típusnál problémákat okoz a tisztítás.
5.3. ábra Fekvő csőköteges hőcserélő képe [9]
15
5.4. ábra Csőköteges hőcserélő keresztmetszete [8]
5.5. ábra Álló elrendezésű csőköteges hőcserélő szerkezete [10] 1) köpenytér; 2) cső; 3) csőkötegfal; 4) kamra
A felsorolt típusok közül a legelterjedtebbek a csőköteges és a lemezes hőcserélők.
5.2. Alapegyenletek A felületi hőcserélő alapegyenlete az átadott hőáram ( Q ), felület ( A ), hőmérséklet-különbség közötti összefüggés [11] [12] [13] [14] [15] [16]:
Q K A Tm
(5.1)
Az átvett vagy átadott hőmennyiséget az energiamérleg segítségével számítjuk, vagyis: Leadott hőáram: Q Qleadott m1 c p1 (T1 T1)
16
(5.2)
Felvett hőáram: Q Q felvett m2 c p 2 (T2 T2)
(5.3)
A hőátadás hajtóerejének a Tm -nek a meghatározására szükséges a hőmérsékletlefutás ismerete. Ez függ a közegek áramlásától, amely lehet [12] [17] [18] [19]: egyenáramú, ellenáramú, vagy ezek kombinációja.
5.6. ábra Egyenáramú hőcserélő vázlata [12]
5.7. ábra Ellenáramú hőcserélő vázlata [12]
Az 5.8. ábra az egyenáramú hőcserélő hőfoklefutását mutatja. Jól látható, hogy a hőcsere következtében a közegek hőmérséklete közeledik egymáshoz, de a különbség mindig pozitív marad. Ez csak a végtelen nagy felületű hőcserélő esetén közeledik a nullához. 17
5.8. ábra Egyenáramú hőcserélő hőfoklefutása [20]
Az 5.9. ábra és 5.10. ábra a felületi ellenáramú fázisváltozás nélküli és fázisváltozásos hőcserélők hőmérséklet lefutási görbéit mutatja. Míg a fázisváltozás nélküli ellenáramú hőcsere esetén beszélhetünk állandó hőmérséklet különbségről (b) vagy változó (növekvő vagy csökkenő), a fázisváltozással végbemenő hőátadás esetén lehetséges három különböző lefutás. A 5.10. ábra a része mutatja a hidegvízzel való kondenzálási hőcsere lefutási görbéje, a b. rész a forralási hőátadást szemlélteti, míg az c. rész az állandó hőmérsékleten történő kondenzációs hőátadást és ugyancsak állandó hőmérsékleten történő forralási hőmérséklet lefutást jelképezi.
5.9. ábra Ellenáramú hőcserélő hőmérséklet-lefutása (fázisváltozás nélküli) [21]
18
5.10. ábra Fázisváltozással történő hőcsere hőmérséklet lefutási görbéi [21]
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 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 ) hőmérséklet – különbség értékről. Ezek figyelembe vételével felírható az átlagos logaritmikus hőmérséklet különbség [21] [22]: Tm
Tn Tk T ln n Tk
(5.4)
19
Vagy ha fennáll, hogy Tn Tk , akkor Tm
Tn Tk 2
(5.5)
5.3. Hűtési rendszerek tervezése 5.3.1. Hőcserélők tervezése A továbbiakban a hőcserélők tervezésének szempontjait mutatom be. A hőcserélők méretezése kétféle feladat formájában fordul elő és ez egyidejűleg kétféle kérdésfelvetést is jelent [23]: mekkora hőcserélő-felület szükséges adott teljesítmény biztosításához, ill. adott közeghőmérséklet eléréséhez, adott, meglevő hőcserélő-berendezés milyen teljesítmény, ill. milyen közeghőmérséklet biztosítására képes. A feladatok megoldásához alapvetően a teljesítmény meghatározására szolgáló (5.1) összefüggést alkalmazzuk. A hőcserélő felületét több geometriai jellemző együttesen határozza meg. A höátbocsátási tényező meghatározásához ismernünk kell: a hővezetés törvényszerűségeit a hőmérséklet-eloszlást sík falban, hengeres falban (esetleg gömbfalban), valamint a különféle közegek és felületek közötti hőátadási tényezőket. A hőcserélő-méretezés csak addig viszonylag egyszerűen megoldható feladat, amíg a hőátbocsátási tényező a hőcserélő felülete mentén állandó. A gyakorlat legtöbb esetében ez így, vagy közel így is alakul, nem szabad megfeledkeznünk azonban arról az esetről sem, amikor a hőátbocsátási tényező a közepes hőmérséklet különbség függvénye: K=f( Tm )
(5.6)
20
A közepes hőmérséklet-különbség a felület menti hőmérsékletelosztás, valamint a felület
bizonyos
metszeteihez
tartozó
hőmérséklet-különbség
ismeretében
meghatározható, értékét az (5.4) egyenlettel számíthatjuk. A
gyakorlatban
a
közepes
hőmérséklet-különbség
meghatározásakor
leggyakrabban a számtani középhőmérsékletet veszik figyelembe (a logaritmikus középhőmérséklet helyett), az (5.5) egyenlet szerint. Az eddig bemutatott általános méretezési elvek után szeretnék kitérni a folyamatos működésű hőcserélők speciális egyenleteire. A folyamatos működésű hőcserélők alapegyenlete: Q A K Tm m1c1(T1 T1) m2c2 (T2 T2)
(5.7)
Ha bevezetjük a W m c szorzatot, mint vízértékáramot, akkor a (5.7) egyenlet az alábbiak szerint alakítható át: Q A K Tm W1 (T1 T1) W2 (T2 T2)
(5.8)
5.3.2. Csővezeték A csővezetékekben történik a közegek áramlása. Bár ezeket mellékelemeknek tekinthetjük e rendszerben, azonban áramlástechnikai szerepük nem elhanyagolható. A csővezeték jelleggörbe mutatja meg a térfogatáram függvényében a szállításhoz szükséges fajlagos energiát. H, J/N h'
Hszükséges
hg
Vüzemi
V,m3 /s
5.11. ábra A csővezeték jelleggörbe [24] 21
A csövekben nem elhanyagolható a súrlódás mértéke, ennek hatására a folyadék fajlagos energiája az áramlás irányában folyamatosan csökken. Állandó keresztmetszetű csőben két pont (1 és 2) között az energiaveszteség [25]. es
p
p1 p2
g (h1 h2 )
(5.9)
Ez az egyenlet a J esés bevezetésével más alakra hozható: es
p
JL
(5.10)
A súrlódási sebesség definciója: JR 2
vX
(5.11)
A (5.11) egyenletből kifejezve J -t és behelyettesítve a (5.10) egyenletbe kapjuk az alábbi összefüggést: 2
v 2 L c2 L es 2 v X2 8 X R c D 2 p
(5.12)
Az ellenállástényező definícója: v 8 X c
2
(5.13)
Az ellenállástényező bevezetésével a (5.12) az alábbi alakra hozható: es
L c2 D 2
(5.14)
A (5.10) és a (5.14) egyenlet alapján a nyomásveszteség (az egyenes cső súrlódási vesztesége) [28]: p
2
v2
l d
(5.15)
Lamináris áramlásra vonatkozóan a csősúrlódási tényező [26][27]: lam
64 Re
(5.16)
22
A Reynolds szám turbulens áramlás esetén [28]: Re
vd
(5.17)
A csővezeték jelleggörbe megrajzolásához az emelőmagasság a következőképpen számítható:
H cső hg hc hv
(5.18)
A képletben szereplő geodéziai magasság:
hg hsz hny
(5.19)
A hálózatban jelentkező sebességmagasság értéke:
8 qv2 v2 hc 2 g d4 2 g
(5.20)
A hálózatban keletkező veszteségmagasság:
hv
le 8 qv2 d 5 2 g
(5.21)
Az egyenértékű csőhossz használatával figyelembe vehetőek a csőszerelvények veszteségei. 5.3.3. Szelepek Az áramló közegek sebességének szabályozásának eszközei a szelepek.
5.12. ábra Szelep sematikus ábrája [28]
23
A szelepek elmozdítható elemei leszűkítik az áramlási keresztmetszetet, így hirtelen keresztmetszet növekedés jön létre utána. A szelepek (tolózárak, csappantyúk) áramlási veszteségét a veszteségtényezővel lehet jellemezni, amely a pSZ
veszteség és valamely jellemző sebességgel számolt dinamikus nyomás hányadosa. pSZ
v v 1 1 2 v2
2
2 2
(5.22)
A szelep átáramlási keresztmetszeteivel kifejezve: A2 1 A1
SZ
(5.23)
A fenti képletből is leolvasható, hogy a szelep és a szeleptányér közötti rés ( A1 ) változtatásával változik a veszteségtényező értéke is. 5.3.4. Szivattyú A hűtési rendszerek egyik fontos eleme a közegek áramlását biztosító szivattyú. Ebben a pontban ezeknek az elemeknek a tervezési/kiválasztási módját, szempontjait szeretném bemutatni. A szállítás során a veszteségeket is fedezni kell, így a szállításhoz szükséges energia részei: a szintkülönbség legyőzéséhez szükséges energia a nyomáskülönbség legyőzéséhez szükséges energia a vesztességek legyőzéséhez szükséges energia. Ennek megfelelően a szükséges energia az alábbi módon számítható ki : H (h2 h1 )
p2 p1 hv g
(5.24)
Az egyenletben a hv jelöli a veszteségeke, mely az alábbi módon számítható: hv (
li v2 i 1) d 2g
(5.25)
24
A szivattyú működésére, üzemeltetéséhez használjuk a jelleggörbéket. Négy jelleggörbével lehet jellemezni a szivattyúk üzemét [24]: a szállítási jelleggörbe, a szivattyú hasznos teljesítmény jelleggörbéje, a szivattyú összes teljesítmény jelleggörbéje, a hatásfok jelleggörbe. A szivattyú legfontosabb jelleggörbéje a szállítási görbe. A szivattyúval közölt energia a lapátkerekeken keresztül adódik át a folyadéknak. Az egységnyi folyadékmennyiséggel közölt fajlagos energia az un. szállítómagasság vagy más néven
manometrikus
szállítómagasság.
A
centrifugál-szivattyú
szállítási
jelleggörbéje a szivattyú által a folyadékkal közölt fajlagos energiát, a manometrikus szállítómagasságot ábrázolja a szállított folyadékmennyiség függvényében. A manometrikus szállítómagasság értéke a kerületi sebességtől, a lapátok számától, a lapátok alakjától és a hidraulikai hatásfoktól függ. A szállítási jelleggörbe alakját az 5.13. ábra mutatja.
5.13. ábra Szivattyú szállítási jelleggörbe [24]
A szivattyú hasznos teljesítménye a folyadék szállításához szükséges teljesítményt jelenti. Ha ismert a manometrikus szállítómagasság (amely az egységnyi súlyú folyadék szállításához szükséges energiát, munkát jelenti), a hasznos teljesítmény ennek és a szállított anyagmennyiség súlya szorzataként kapható. A szállított anyagmennyiséget általában térfogatáramban adjuk meg. A hasznos teljesítmény az (5.26) szerint számítható.
25
Ph V g H
(5.26)
A szivattyúk kiválasztásánál figyelembe kell venni a különböző veszteségeket, amelyeket a hatásfokkal fejezünk ki. A hatásfok a hasznos teljesítmény és az összes teljesítmény hányadosa (5.27).
Ph Pö
(5.27)
A szivattyú hatásfoka függ a térfogatáramtól, az összefüggés jellegét a mutatja.
5.14. ábra A szivattyú hatásfoka [24]
A szivattyú összes teljesítménye a hatásfok ismeretében számítható. Az áramlástechnikai rendszerek optimális működése a szivattyút tartalmazó rendszer
munkapontjának
kijelölésével
biztosítható.
A
munkapont
az
áramlástechnikai gép és a gépet tartalmazó berendezés (csővezeték) egyensúlyi üzemállapota. [29] Azonos átáramló tömeg-, ill. térfogatáram mellett az áramlástechnikai gép által létrehozott fajlagos munka éppen annyi, mint amekkora a berendezés igénye. A szivattyú szállítási jelleggörbéje a szivattyú által közölt fajlagos energiát mutatja. A folyadék szállításához szükséges fajlagos energiát pedig a csővezeték jelleggörbe szemlélteti.
Geometriailag
jelleggörbéjének
és
a
a
munkapont
berendezés
az
áramlástechnikai
jelleggörbéjének
gépek
metszéspontja.
A
munkapontban a folyadék szállításához szükséges fajlagos energia megegyezik a szivattyú által a folyadékkal közölt fajlagos energiával
26
5.15. ábra A munkapont geometriai értelmezése
A munkapont lehet stabilis vagy labilis. A munkapont stabilis, ha az üzemet a munkapontból kitérítve (megzavarva) visszaáll az eredeti munkapont. A szivattyú indításának van egy úgynevezett belső feltétele, a szivattyú üresjárási szállítómagassága legyen nagyobb a csővezeték statikus szállítómagasság igényénél (5.16. ábra).
5.16. ábra A szivattyú belső indítási feltételének teljesülése
27
Ha az indítás belső feltétele nem teljesül (5.17. ábra), akkor az indítás a tolózár nyitásával a névleges n motorfordulatszám mellett nem lehetséges, bár a munkapontban lehetséges az üzemelés.
5.17. ábra A szivattyú belső indítási feltételének nem teljesülése
Az indítás belső feltételének nem teljesülése esetén a megoldás: indítóvezeték, ennek révén a munkapontot a nagy térfogatáramok felől közelítjük meg. A szivattyúindítás további feltételei: gépészeti (csapágyak, tömítések, stb. állapota), villamos hajtás (csillag vagy csillag/delta kapcsolásban indítjuk a motort), ha a szivattyú nem „önfelszívó”, akkor indítás előtt vízzel fel kell tölteni, radiális átömlésű gépet zárt, axiális átömlésű gépet nyitott tolózárral kell indítani.
5.4. Hűtési rendszerek tervezésének irányelvei 5.4.1. A hűtési rendszer elemeinek kiválasztása A hűtési rendszerek megtervezésénél fontos a megfelelő elemek kiválasztása. Mivel esetemben a hőcserélő és a hűtővíztartály adott volt, így a továbbiakban a munkám során alkalmazott elveket szeretném bemutatni. A hűtőrendszer egyik kulcseleme a közegek áramlását biztosító szivattyú(k) kiválasztása, melynek szempontjai [29]: 28
Felhasználási terület (pl. öntözés, szennyvíz átemelés, vízellátás, ipari nyomásfokozás, stb..) Szállítandó anyag jellemzői (fajta, pH, szennyezettség, sűrűség, viszkozitás, stb..) Teljesítmény
adatok
(szállító
képesség,
nyomás,
emelőmagasság,
teljesítmény, jelleggörbe alak, hatásfok, szívóképesség, fordulatszám, energia hatékonyság, stb..) Működési elv és szerkezeti felépítés (dugattyús-, csiga-, örvény-, aprító, stb..) Járókerék anyaga és szerkezeti anyagok (műanyag, öv, acél, KO-acél, bronz, stb..) Forgalmazó Garanciák 5.4.2. Környezetvédelem A környezetvédelmi előírások további feltételt jelentenek az új hűtőrendszer kiválasztásakor, illetve a meglévő optimalizálásakor. Általában a következő, egymással kölcsönhatásban álló szempontokat szükséges figyelembe venni [30] [31]: minimális energiafelhasználás minimális hőkibocsátás minimális fáklyaképződés minimális szennyvíz-kibocsátás minimális zajkibocsátás minimális talaj szennyezés A megfelelő hűtőrendszer és anyagok kiválasztása a környezetszennyezés megelőzésének alapvető tényezője, amelyet azonban a beruházási költségek függvényében és az alábbi szempontok figyelembevételével kell vizsgálni: 29
működés típusa (pl. átfolyó vagy recirkulációs) a hűtőrendszer típusa (közvetlen vagy közvetett) nyomás (kondenzátorban) a hűtővíz összetétele és korrózivitása a hűtendő anyag összetétele és korrózivitása a rendszer tervezett élettartama és költségei. 5.4.3. Hűtővíz kezelése A hűtővizet kezelni szükséges a hatékonyság növelése és az energiafogyasztás csökkentése érdekében. A hűtővíz káros hatása elsősorban a víz összetételétől és a hűtőrendszer működtetésének módjától (pl. a koncentrációs tényezőtől) függ. A vízminőségből eredő általános problémák [31]: a hűtőberendezés korróziója, amely szivárgáshoz illetve kondenzátorok esetében a vákuum csökkenéséhez vezethet vízkőképződés, elsősorban kalcium-karbonát, szulfátok és foszfátok, valamint cink és magnézium lerakódása a vezetékek, hőcserélők (biológiai) szennyeződése, amely a csövek eltömődéséhez
vezethet,
illetve
hűtőtorony
esetében
nagyméretű
szennyeződések juthatnak a levegőbe A leggyakrabban alkalmazott anyag a szénacél. a galván-bevonatos acél. alumínium sárgaréz, vörösréz nikkel, rozsdamentes acél és titán. Az anyagoknak elsősorban
a
korrózióval,
mechanikai
sérülésekkel
és
a
biológiai
szennyeződésekkel szemben kell ellenállóknak lenniük. A víz kezelésére az alábbi vegyi anyagokat alkalmazzák: korróziógátlók (korábban fémek, ma inkább azol. foszfonátok. polifoszfátok és polimerek)
30
keménység-stabilizálók és vízkőképződés-gátlók (polifoszfátok. foszfonátok és egyes polimerek) diszpergálószerek
(kopolimerek.
gyakran
felületaktív
anyagokkal
kombinálva) oxidáló biocidok (klór. klór és bróm kombinációja és monoklóramin) nem-oxidáló
biocidok
(izotiazolon.
glutaraldehid
és
negyedrendű
ammóniumvegyületek) 5.4.4. Víztisztítás Vízhűtő rendszerekben elengedhetetlen a víz tisztítása. A víztisztítási technológia függ a tisztítandó nyersvíz fizikai, vegyi, bakteriológiai és biológiai tulajdonságaitól. 5.1. táblázat Víztisztító eljárások [32]
Tisztítási eljárás
Eltávolítandó szennyező
gerebek
úszó, szilárd mechanikai
dobszűrök
szalagszűrők
lebegő, durva
homokfogók
lebegő, finom
ülepítők szűrők
lebegő, igen finom
derítők szűrők
mechanikai kémiai
savtalanító, vastalanító
oldott kémiai
Berendezés
magántalanító lágyító
baktériumok
klórozó
A leggyakrabban alkalmazott víztisztító eljárásokat a 5.1. táblázat foglalja össze. Mint a táblázatban is látható a szennyeződések az alábbi módon lehetnek a vizekben: úszó lebegő
31
oldott kellemetlen szagok és ízek baktériumok Ezek közül a továbbiakban csak a mechanikai szennyeződések eltávolításával foglalkozom.
5.18. ábra A víztisztítás alapelve [33]
A vízben úszó szennyeződések eltávolítására annak mérete és fajtája alapján az alábbi eljárásokat különíthetjük el (5.18. ábra): Durva tisztítás esetén a vízben úszó, lebegő nagyobb, szilárd szennyeződést vonjuk ki a vízből. A kivonandó szennyeződés nagysága alapján - a nagyobb méretűtől a kisebb méretű felé haladva - a következő tisztítási eljárások lehetségesek [34]: rácsok (gerebek): egymás mellett, lévő, párhuzamos fémpálcák közös keretbe foglalva. A rács lehet álló (fix), de lehet- mozgó, végtelenített szalagra szerelve, az utóbbi nagyobb teljesítményű. A fémpálcák közötti hézag nagysága határozza meg a felfogott illetve áteresztett szennyeződés nagyságát. A hézag nagyságának megválasztásánál 1,5- 30 mm közötti érték a szokásos.
32
szitaszűrők: lyuggatott lemezekből, fém vagy műanyag huzalszövetekből készülnek. A kisebb szilárd szennyeződések megfogására alkalmasak. A szűrőfelületet rendszerint egy forgó dobra szerelik (dobszűrő) és így a teljesítményét fokozzak. A vízszintes dobtengely felől érkezik a tisztítandó és a szűrőpaláston keresztül távozik a tisztított víz. A vízben lebegő szennyező anyagok nagy része szervetlen, eltávolításuk a gravitáció hatására bekövetkező ülepítéssel végezhető. Az ülepítés után a szennyeződés iszap formájában marad vissza. A nagyon finom szennyezőanyagok nem ülepednek le, ezeket csak vegyszer hozzáadásával lehet ülepíteni. Az ilyen tisztítást hívják derítésnek. A vízszűrés a legelterjedtebb eljárás az ülepítés mellett a folyadékok tisztítására. Két fő eszköze van az alkalmazási cél függvényében: rácsok a víz és szennyvíz tisztítására, szöveten való szűrés zagyok, szuszpenziók. A szűrők valamilyen tartályba helyezett szemcsés anyagból állnak. A szemcsék a közöttük átáramló vízből a kisebb szemcséjű (nem oldott) szennyeződéseket kivonják, mely a felületükön megtapad. A szűrőanyagon átáramló víz sebessége alapján megkülönböztetünk : lassú és gyors szűrőt. A lassú szűrők esetén kb. 0,5 m/h, míg a gyors szűrőknél legalább 2,5 m/h a szűrőrétegen átáramló víz sebessége.
33
6. A HŰTÉSI RENDSZER TERVEZÉSE A feladatom az, hogy egy meglévő lézerberendezéshez tervezzek hűtési rendszert.
Ennek
megfelelően
először
ismertetem
a
rendelkezésre
álló
berendezéseket, majd megtervezem a hűtőrendszert.
6.1. A rendszer rendelkezésre álló elemei 6.1.1. A lézer adatai A hűtendő álló lézer típusa: Innova 70C-2 ionlézer (6.1. ábra). A Tanszéken LDV méréshez használják.
6.1. ábra A Tanszéken lévő lézerberendezés
A berendezés főbb jellemzői: Lézerfény jellemzői Hullámhossz (nm): többsoros kék/zöld: 2,00 többüzemű kék/zöld: 3,00 Típus: argon Sugárátmérő: 1,5 mm Sugárszéttartás: 0,5 mrad Hűtési követelmények Áramlási sebesség: 8,5 l/min
34
Nyomás: 1,8-4,23 kg/cm2 Beáramlási hőmérséklet: 10-35°C, ajánlott: 20°C 6.1.2. A hőcserélő adatai A Tanszéken rendelkezésre álló hőcserélő egy kétkörös csöves hőcserélő (6.2. ábra). A hőcserélő rajzát a legfontosabb mértekkel a 6.3. ábra mutatja, 3D modelljét pedig a 6.4. ábra mutatja.
6.2. ábra A Tanszéken lévő hőcserélő
6.3. ábra A hőcserélő 2D rajza 35
6.4. ábra A hőcserélő 3D modellje (Creo 2.0 modell)
A hőcserélő technológiai adatai az oldalán vannak feltüntetve az alábbiak szerint: Közeg a csövek körül: termálvíz o Belépés: 40°C o Kilépés: 35°C o Mennyiség: 2600 kg/h o Nyomásveszteség: 1 mbar o Maximális üzemi nyomás: 7 bar 40°C-nál o Nyomáspróba: 10 bar 15°C-nál Közeg a csöven belül: fűtővíz o Belépés: 25°C o Kilépés: 30°C o Mennyiség: 2600 kg/h 36
o Nyomásveszteség: 28 mbar o Maximális üzemi nyomás: 7 bar 40°C-nál o Nyomáspróba: 10 bar 15°C-nál o Teljesítmény: 15kW o Anyaga: PE-D o Hőcserélési felület: 4 m2 A Tanszéken egy mérőberendezés lett kialakítva a hőcserélő áramlástechnikai jellemzőinek és veszteségeinek mérésére [35]. A méréssorozat tapasztalatait összegezve megállapították, hogy a hőcserélő: a vizsgálatok időtartama alatt végig hibátlanul, minden üzemzavar nélkül működött, a hőtechnikai jellemzői megfelelnek a tervezettnek, illetve annál valamivel jobbak, áramlási veszteségei a tervezettnél valamivel nagyobbak. 6.1.3. A hűtött és a hűtő kör adatai A hűtéshez rendelkezésre áll a padló szintje alatt egy 80 m 3-es tartály. Feltételezhetően a tartályban a közeg hőmérséklete megegyezik a környezet hőmérsékletével, vagyis 20C . A berendezésen szereplő adatok alapján a lézerből távozó közeg hőmérséklete maximum 70°C.
6.2. Tervezés A tervezés első lépése egy sematikus ábra elkészítése a fő elemek és jelölések feltüntetésével, azt mutatja a 6.5. ábra.
37
5 2 1
T”1 LDV lézer
T”2 M H 3
4
T’1 T’2
6.5. ábra A tervezett hűtési rendszer sematikus ábrája
Az ábra jelölései: 1: hőcserélő 2: hűtendő lézer 3: hűtővíz tartály H: hideg kör (hűtőkör) M: meleg kör (hűtendő kör) 6.2.1. Hőátbocsátási tényező számítása a berendezés alapadatai alapján A számítások során ez első fontos teendő, hogy a rendelkezésre álló hőcserélő alkalmas-e a hűtési feladatra. A modellből (6.3. ábra) látható, hogy ellenáramú hőcserélőről van szó. A berendezésen található adatokból kiszámítható a hőcserélőre jellemző hőátadási együttható. A leadott hőmennyiség az (5.2) alapján számítható, az alábbi adatokkal: a közeg tömegárama: m1 2600 kg / h 0,7222 kg / s a hűtőközegként alkalmazott víz fajhője: c p1 c p 2 4181,3 J / (kg K ) . 38
a közeg belépési hőmérséklete: T1 40C 313,15K a közeg kilépési hőmérséklete: T1 35C 308,15K A fenti adatokkal a leadott hőmérséklet: Q Qleadott 0,7222 kg / s 4181,3J / (kg K ) (313,15K 308,15K )
(6.1)
15098,6743 W
Belátható, hogy a felvevő oldalon lévő víz azonos tulajdonságai és a meggyező hőmérsékletkülönbség miatt a: Q Qleadott Q felvett
(6.2)
egyenlet teljesül. A hőmennyiségek ismeretében még a közepes hőmérséklet különbséget kell kiszámítani, amely meghatározásakor lehet használni az egyszerűbb – (5.5) – egyenletet, mivel Tn Tk 10K Tm . A fenti adatok ismeretében a (5.1) egyenletből számítható a hőcserélő hőátbocsátási tényezője:
K
Q 15098, 6743 W W 377, 4669 2 2 A Tm 4 m 10 K mK
(6.3)
6.2.2. Szükséges tömegáram számítása a berendezés alapadatai alapján A tervezendő rendszer több eleme adott, így a meghatározandó jellemzők a két körben áramló közegek áramlási sebessége. Nem számolva a csőrendszerben való lehűléssel a lézerből kiáramló meleg (hűtendő) víz által leadandó (leadott) hőmennyiség a (5.2) egyenlettel számítható. Az egyenletváltozói: a közeg áramlási sebessége: m1 8,5 l / min 0,1417 kg / s a víz fajhője ugyanaz, mint korábban: cp1 4181,3 J / (kg K ) a belépő hőmérséklet: T1 70C 343,15K a kilépő hőmérséklet T2 20C 293,15K 39
A fenti adatok alapján a leadott (leadandó hőmennyiség): Qleadott 0,1417 kg / s 4181,3 J / (kg K ) (343,15K 293,15K ) 29616,65 W
(6.4)
Az adott tartályhoz és hőcserélőhöz a hűtéshez szükséges tömegáram a felvett és leadott tömegáram egyenlősége alapján számítható. Ehhez azonban szükség van a hőcserélőben fellépő hőmérséklet különbségekre, amelyhez az (5.1) egyenletet kell használni. Az ismert adatok: a (6.3) alapján a hőcserélő hőátbocsátási tényezője K 377,4669 W / (m2K ) a hőátadási felület: A 4 m2 leadandó hőmennyiség télen: Q Qleadott 29616,65 W A kiszámított adatok alapján látható, hogy a leadott (leadandó) hőmennyiség kisebb, mint a hőcserélő teljesítménye, így a feladat teljesíthető. A fenti adatok alapján a szükséges közepes hőmérséklet különbség:
Tm
Qt 29616, 65 W 17,83 K K A 377, 4669 W / (m2 K ) 4m2
(6.5)
A kiszámított érték azt jelenti, hogy megadott adatok alapján 18 K közepes hőmérséklet-különbség is elegendő a hűtés elvégzéséhez. A leadó közeg adatai alapján kiszámítható a felvevő közeg kilépési hőmérséklete. A számításhoz szükséges adatok: a felvett hőmennyiség: Q felvett Qleadott 26616,65 W a közeg áramlási sebessége legyen azonos a másik körben lévővel:
m2 m1 8,5 l / min 0,1417 kg / s a víz fajhője ugyanaz, mint korábban: cp2 cp1 4181,3 J / (kg K ) A fenti adatok ismeretében a közeg kilépési hőmérséklete ( T2 ) a (5.3) egyenlet alapján számítható. 40
Figyelembe kell venni, hogy a tartályban lévő víz hőmérséklete nem állandó egész évben. Így a belépési hőmérséklet értéke: nyáron: T1,ny 25C egyéb időszakban (télen): T1,t 20C A fenti adatokkal a hideg kilépési hőmérséklet értéke nyáron: T2, ny
Qfelvett 29616,65 W T1,ny 298,15 K m2 c p 2 0,1417 kg / s 4181,3 J / (kg K )
(6.6)
348,60 K 75,45C
A hideg közeg kilépési hőmérséklet télen: T2, t
Qfelvett 29616,65 W T1,t 293,15 K m2 c p 2 0,1417 kg / s 4181,3 J / (kg K )
(6.7)
343,15 K 70,45C
6.2.3. Szükséges tömegáram számítása a berendezés tapasztalati adatai alapján A Tanszéken már hosszabb ideje használják a hűtendő lézert. Tapasztalatok alapján a hűtővíz hőmérséklete nem haladja meg a 35-40°C-ot, így a számításokat, az esetleges túlméretezés miatt célszerű ezzel az adattal is elvégezni, vagyis a (6.4) egyenletbe a lézerből kilépő víz hőmérsékletét 40°C-nak véve az alábbi eredményt kapjuk a leadandó hőmennyiségre: Qleadott ,tapasztalat 0,1417 kg / s 4181,3 J / (kg K ) (313,15K 293,15K ) 11846,66 W
(6.8)
A szükséges közepes hőmérséklet-különbség:
Tm,tapasztalat
Qt 11846, 66 W 7,85 K K A 377, 4669 W / (m2 K ) 4m2
A hűtővíz kilépési hőmérséklete télen:
41
(6.9)
T2, ny ,tapasztalat
Qfelvett 11846,66 W T1,ny 298,15 K m2 c p 2 0,1417 kg / s 4181,3 J / ( kg K )
318,14 K 44,99C
(6.10) A hűtővíz kilépési hőmérséklete nyáron: T2, t ,tapasztalat
Qfelvett 11846,66 W T1,t 293,15 K m2 c p 2 0,1417 kg / s 4181,3 J / ( kg K )
293,14 K 39,99C
(6.11) 6.2.4. Szabályozási görbe a berendezés adatai alapján Mivel a környezet hőmérséklete sem állandó, így a pontbeli számítás helyett jóval hasznosabb, ha egy olyan görbét adunk meg, ahol a hűtővíz belépési hőmérsékletének függvényében látható a kilépési hőmérséklet, állandó áramlási sebességek, és a hideg közeg állandó hőmérsékleti értékei mellett.
6.6. ábra A hűtővíz hőmérsékletének változása
Mivel a gyakorlatban gyors beavatkozásra van szükség, fontos tudni, hogy állandó áramlási sebességek mellett milyen kilépési hőmérséklet várható a belépési hőmérsékletek mellett. Ezt mutatja a 6.7. ábra. 42
6.7. ábra A hűtővíz hőmérsékletének változása meleg víz belépési hőmérsékletének függvényében
A hűtendő (meleg) közeg hőmérséklete a lézer működésének szempontjából kritikus. Így egy olyan szabályozási görbe segíthet a lézert hűtő víz hőmérsékletének
állandó
értéken
tartásában,
amely
a
lézer
működési
teljesítményének változásából adódó hőmérsékletváltozásokhoz alkalmazkodóan lehetővé teszi a hideg víz áramlásának gyors megváltoztatását. Erre mutat példát a 6.8. ábra a hűtővíz téli hőmérsékletét alapul véve. Ezen az ábrán a lézert hűtő közeg áramlási sebességét és hőcserélőből való kilépésnek elvárt hőmérsékletét vettem adottnak. Az ábra a lézerből kijövő víz hőmérsékletének függvényében a hideg víz áramlásának gyors szabályozását teszi lehetővé.
43
6.8. ábra A hideg közeg áramlási sebességének beállítása a meleg közeg hőmérsékletváltozásának függvényében – téli hűtővíz
6.9. ábra A hideg közeg áramlási sebességének beállítása a meleg közeg hőmérsékletváltozásának függvényében – nyári hűtővíz
44
6.2.5. A hűtőrendszer elemeinek kiválasztása A hűtőrendszerrel kapcsolatos legfontosabb megfontolások: A lézert hűtő primer körnek zártnak kell lennie. A szekunder kör nyílt. A rendszer megfelelő működése szempontjából fontos a hűtővizek minősége. A legjobb megoldás desztillált víz használata lenne. o A primer körben ez megoldható. o A szekunder körben nem biztos, hogy ez megoldható. Ha nem lehetséges a desztillált víz használata, akkor megfontolandó egy víztisztító berendezés beszerzése (6.2.7 fejezet) A korábbi számítások alapján a szivattyúk szükséges lehetséges szállítási teljesítménye: m1 2600 kg / h 0,7222 kg / s 43 l / min . Internetes keresés alapján a primer körbe választott szivattyú: "A" energiaosztályos cirkulációs szivattyú, típusa: GRUNDFOS ALPHA2 L 25-40Keringető szivattyú (6.10. ábra). Itt a szükséges szállítási magasság 1-1,5m.
6.10. ábra GRUNDFOS ALPHA2 L 25-40 Keringető szivattyú [36]
A választott szivattyú jellemzői: Csőcsatlakozása: 1 1/2", menetes 45
Tömeg: 2,32 kg Szállítási teljesítmény: 55 l/perc Teljesítmény: (230V) 5 W - 45 W Fordulatszám: változó és állandó (1-3) Beépítési hossz: 130-180 mm Közeg hőmérséklet: +2°C - +110°C Rendszer nyomás: Max 1,0 MPa (10bar) Gyártó: GRUNDFOS szivattyútest: öntöttvas, rozsdamentes acél Ár (2014. szeptember 16.): 31.530 Ft [37] A szivattyút a hőcserélő elé kell beépíteni. Jelleggörbéjét a 6.11. ábra mutatja. Az ábrából leolvasható, hogy a szivattyú a szükséges emelőmagasságot tudja teljesíteni.
6.11. ábra Grundfos keringető szivattyúk jelleggörbéje [38] 46
Internetes keresés alapján a szekunder körbe választott szivattyú: műanyag házas búvárszivattyú, amely lengő úszókapcsolóval van ellátva, típusa: IP250 Merülő búvárszivattyú (6.12. ábra).
6.12. ábra IP250 Merülő búvárszivattyú [39]
A választott szivattyú jellemzői: Csőcsatlakozása: 25mm/32mm Emelő magasság: 6 m Szállítási teljesítmény: 84 l/perc Teljesítmény: (230V) 250 W Szivattyú magassága: 28 cm Szivattyú átmérője: 22 cm Kábel: 10 m Súlya: 5 kg Gyártó: IBO Lengyelország A gyártó által megadott jelleggörbét a mutatja.
47
6.13. ábra IP szivattyúk jelleggörbéje [40]
További kiválasztandó elem a csővezeték, amelyre internetes keresés alapján egy KPE csövet választottam (KPE cső DN25/6bar). Főbb jellemzői
6.14. ábra A választott cső képe [41]
Főbb jellemzői: Külső átmérő: 25 mm Falvastagság: 2,3 mm
48
Max. üzemi nyomás: 6bar A nyomásesés értékét 100 m-en az 6.1. táblázat tartalmazza. 6.1. táblázat KPE cső nyomásesése 100 méteren [42]
Vízhozam (m3/h)
Vízhozam Sebességesés (l/perc) (m/s)
0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
3,30 6,70 10,00 13,30 16,70
Nyomásesés (bar)
0,17 0,34 0,51 0,68 0,85
0,03 0,09 0,19 0,33 0,49
A fenti táblázat alapján üzemelés közben a nyomásveszteség 0,09-0,19 bar. 6.2.6. Elrendezés tervezése A
dolgozat
elkészítése
során
nemcsak
a
hőcserélő
feladatra
való
alkalmasságának ellenőrzése volt a feladat, hanem a hűtőkör elrendezésének megtervezése. Először lefényképeztem a csarnok megfelelő részét, majd elkészítettem a térrész 2D-s vázlatát, és ez alapján a 3D-s egyszerűsített modelljét.
49
6.15. ábra Az elhelyezésre rendelkezésre álló csarnokrész 2D-s vázlata
50
6.16. ábra Az elhelyezésre rendelkezésre álló csarnokrész (Creo 2.0 modell)
6.17. ábra A hőcserélő elhelyezkedése
A fenti elrendezésbe az arányok miatt jól láthatóan nem rajzolhatóak bele a csövek, azonban azok elhelyezését az alábbiakba részletezem: 51
A hűtővizet szállító cső o a vízfelvételi ponttól a padló szintjén megy a falig, majd ott fel a gerendán a plafonig (a többi csővezeték is ott fut) – a magasság a szivattyú helyétől a csővezeték futási helyéig 4,0 m) o ezek után a betonfal menten halad a tartóoszlopig, o innen merőlegesen tovább megy az tartógerendák mentén, o majd a mesterséges falon át jut el a hőcserélőig. A lézer zárt hűtőkörének csövei a mesterséges fal mentén futnának a hőcserélőig. A fenti megfontolások alapján kiszámítható, hogy mennyi csőre van szükség a rendszer kiépítéséhez: A primer kör esetében: 32 m A szekunder kör esetében: 54 m 6.2.7. Segédelemek kiválasztása A teljes rendszer kiépítéséhez további elemek kiválasztására is szükség van. Az egyik fontos elem a térfogatáram szabályozhatóságát biztosító szelep. A kiválasztott szelepet a 6.18. ábra mutatja.
6.18. ábra VR300 térfogatáram szabályozó szelep [43]
A katalógus szerint: „A VR300 térfogatáram szabályzó, térfogatáram korlátozóként is alkalmazható. A készülék a beállított térfogatáram értéket tartja függetlenül az indulási térfogatáram és a nyomásviszonyok ingadozásától. Meggátolja a szivattyúk 52
túl nagy teljesítményen történő futását, vagy szabályozza a vízhálózat teljesítményét.” Jellemzői: Nagy áteresztő képesség Alacsony tömeg Nagy pontosságú szabályzás Porszórt külső és belső felület – az alkalmazott bevonat fiziológiailag és toxikológiailag ártalmatlan Integrált szabályzó kör és golyóscsapok Működése külső energiaforrást nem igényel Műszaki adatok Közeg: Víz Belépő nyomás: Max. 16 bar Üzemi hőmérséklet: Max. 80 °C Minimális nyomás: 0,7 bar Névleges méret: DN 50-450 Részek: PN 16 karimás ház ISO7005-2, EN1092-2 alapján Segédszelep CX-FR Szabályzó kör golyóscsapokkal Szabályzókör integrált, öblíthető szűrővel Integrált mérőperem a belépő oldalon Anyagok: Gömbgrafitos öntöttvas ház, fedél és membrán tányérok (ISO 1083), porszórt kivitelben 53
Bronz/rozsdamentes acél szabályzóelem Rozsdamentes acélrugó és szelepszár Szálerősítéses NBR membrán NBR és EPDM tömítések Rozsdamentes acél szelepülék Csúcsminőségű, szintetikus szabályzó kör Réz csatlakozó csavarzatok Réz pilot szelep ház Rozsdamentes acél szűrőbetét Működés: „A térfogatáram szabályzó szelep automatikusan tartja a beállított térfogatáram értéket függetlenül az ingadozó nyomásviszonyoktól, az előre méretezett mérőperem és a segédszelep segítségével. A szelep maximálisan kinyit, ha a fogyasztás kisebb, mint a beállított térfogatáram érték, vagy a rendszer kevesebb közeget szállít, mint a beállított érték. A három járatú segédszelep érzékeli a mérőperem két oldalán kialakuló nyomások különbségét és ez alapján szabályozza a membrános szelepet.”
6.19. ábra VR300 szelep karakterisztikája [44]
54
A szelep áramlási karakterisztikáját a 6.19. ábra mutatja. Az ábrából leolvasható, hogy a nyomásesés a maximális 8,5 l/min térfogatáramnál 0,01-0,02 bar. Az irodalom-feldolgozásban bemutatott elvek alapján a rendszerben a szekunder körben szükséges lehet a víz tisztítására. Ez lehet egy vízlágyító berendezés, vagy egy durva szűrő.
6.20. ábra Ipari vízlágyító berendezés [45]
Mivel a kiválasztott KPE cső átmérője nem egyezik meg a hőcserélő csőcsatlakozásának méretével, ennek megfelelően kell kiválasztani a csatlakozást. A kiválasztott csatlakozót a 6.21. ábra mutatja. Típusa: KPE átmenet 32x1"BM (maximális nyomás 16 bar). A 4 hőcserélő csatlakozás mellet ugyanez alkalmazható a primer oldali szivattyúnál is. A szekunder oldali szivattyúnál a csatlakozási méret kissé eltér (~38mm), ezért oda 1 db másik kategóriájú csatlakozó kell: KPE átmenet 40x1"BM
6.21. ábra A kiválasztott csőcsatlakozás [41]
A csövek rögzítéséhez csőbilincs szükséges, a kiválasztott elemet a mutatja. Elhelyezése M8-as csavarral történhet a falak mentén. A biztonságos üzemelés 55
érdekében a csőbilincsek távolsága nem lehet több 1m-énl, így a kiválasztott csővezetékhez 77 db kell, ára 144Ft/db
6.22. ábra CONCEPT egycsavaros gumis csőbilincs [46]
6.2.8. Csővezeték jelleggörbe A munkapont kijelöléséhez azonban nem elég a nyomásesés ismerete, hanem szükség van a csővezeték jelleggörbéjére. Ehhez a primer körben alábbi adatokat használom fel: szállítómagasság: 1,5 m csőhossz: 32 m csőátmérő: 22,7 mm =0,0227m a felhasznált szelep figyelembe vételével [47] az egyenértékű csőhossz: 37 m csősúrlódási tényező: 0,015 A fenti adatokkal a sebességmagasság egyenlete:
hc , primer
8 qv2 8 qv2 4 1535633qv2 4 d 2 g 0,0227 2 9,81
(6.12)
A veszteségmagasság egyenlete:
hv , primer
le 8 qv2 37 8 qv2 0,015 7608252qv2 5 2 5 2 d g 0,0227 9,81 56
(6.13)
A csővezeték jelleggörbéjének egyenlete:
H primer 1,5 9143886qv2
(6.14)
6.23. ábra Csővezeték és szerelvény jelleggörbe a primer körben
A szekunder körben alábbi adatokat használom fel: szállítómagasság: 4 m csőhossz: 54 m csőátmérő: 22,7 mm =0,0227m a felhasznált szelep figyelembe vételével [47] az egyenértékű csőhossz: 50 m csősúrlódási tényező: 0,015 A fenti adatokkal a sebességmagasság egyenlete ugyanaz, mint a primer körben:
hc ,szekunder
8 qv2 8 qv2 4 1535633qv2 4 d 2 g 0,0227 2 9,81
A veszteségmagasság egyenlete: 57
(6.15)
hv
le 8 qv2 54 8 qv2 0,015 1103936qv2 5 2 5 2 d g 0,0227 9,81
(6.16)
A csővezeték jelleggörbéjének egyenlete:
H 1,5 12639570qv2
(6.17)
A fenti egyenletnek megfelelő jelleggörbét mutatja a
6.24. ábra Csővezeték és szerelvény jelleggörbe a szekunder körben
6.2.9. Keveredés/melegedés számítása a hűtővíztartályban A számítások során nem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy a tartályban lévő víz keringetése miatt az folyamatosan melegszik. A
melegedés
meghatározásához
a
keveredéshez
használható
energia-
megmaradás törvényét használhatjuk fel: c1m1T1 c2 m2 T2
(6.18)
A számításhoz szükség van arra, hogy adott időegység alatt mennyi víz cserélődik ki a rendszerben. Egy korábbi számítás szerint a hűtővíz áramlási sebessége m1 8,5 l / min 0,1417 kg / s 0,0085m3 / min .
58
Ha a két víz fajhőjét közel azonosnak tekintjük, akkor a (6.18) összefüggés egyszerűbb alakra hozható: m1T1 m2 T2
(6.19)
A meglévő adatokkal közelítően kiszámítható, hogy a tartályban lévő víz hőmérsékletének 1°C-kal való megnövekedése mennyi időbe telik. Ehhez első körben az alábbi (lehetséges legnagyobb igénybevételhez tartozó) adatokat használom: a tartályba érkező víz hőmérséklete: 70,45°C a tartályban lévő víz hőmérséklete: 20°C a tartályba érkező víz hőmérsékletváltozása: T1 70,45 21 49,45C a tartályban lévő víz hőmérsékletváltozása: T2 21 20 1C a tartályba másodpercenként érkező víz mennyisége: m1 0,1417kg / s a tartályban lévő víz mennyisége: m2 8000 8,5 79991,5kg Az energia- megmaradás törvényének átalakításával (a két közeg fajhőjét egyenlőnek véve): m1t T1 m2 T2
(6.20)
A képletet átrendezve megkaphatjuk, hogy mennyi idő alatt melegedik 1°C-ot a tartály vize: t
m2 T2 79991,5 1 11416s 190min 3h10min m1 T1 0,1417 49,45
(6.21)
Ahogy azt a korábbiakban is említettem (6.2.3. fejezet), tanszéki tapasztalatok alapján a víz hőmérséklete nem haladja meg a 35-40°C-ot. Ezzel az adattal a számításokhoz szükséges mennyiségek: a tartályba érkező víz hőmérséklete: 45°C (adat a (6.10) alapján) a tartályban lévő víz hőmérséklete: 20°C a tartályba érkező víz hőmérsékletváltozása: T1 45 21 24C
59
a tartályban lévő víz hőmérsékletváltozása: T2 21 20 1C a tartályba másodpercenként érkező víz mennyisége: m1 0,1417kg / s a tartályban lévő víz mennyisége: m2 8000 8,5 79991,5kg A fenti adatokkal a tartályban lévő víz 1°C-kal való felmelegedésének időszükséglete: t
m2 T2 79991,5 1 23521s 392min 6h32min m1 T1 0,1417 24
(6.22)
A maximális terheltségi és a valós tapasztalat adatokkal számított melegedési idők alapján megállapítható, hogy a hűtővíz melegedése elhanyagolható, nem valószínűsíthető, hogy ez problémát fog okozni a rendszerben. 6.2.10. Munkapont számítása A primer körben a munkapont számításához a szivattyú jelleggörbéjének ismerete mellett szükség van a csővezetékrendszer jelleggörbéjére, amelyet a csővezetékről rendelkezésre álló adatok alapján a 6.2.8. pontban megrajzoltam.
6.25. ábra Munkapont kijelölése a primer körben
60
A szivattyú munkapontja a csővezeték jelleggörbével való metszéspontban jelölhető ki. A két görbe együttes ábrázolása alapján elmondható, hogy a szivattyú indításának belső feltétele teljesül. A 6.25. ábra alapján a szivattyú munkapontja a primer körben q 0,33l / s 19,8l / min áramlási sebességnél van. A szekunder körben is elvégezhető a munkapont kijelölése a szerint. A két görbe együttes ábrázolása alapján elmondható, hogy a szivattyú indításának belső feltétele teljesül.
6.26. ábra Munkapont kijelölése a szekunder körben
A 6.26. ábra alapján megállapítható, hogy a szekunder körben a munkapont
q 1,1m3 / h 18,33l / min . 6.2.11. Áramtechnikai jellemzők a munkapontban Az
előző
fejezetben
meghatározott
munkapont
adataival
számításokat végezni. Az primer kör adatai: a közeg áramlási sebessége: m1 19,8l / min 0,33 kg / s a víz fajhője ugyanaz, mint korábban: cp1 4181,3 J / (kg K ) 61
célszerű
új
a belépő hőmérséklet a tanszéki tapasztalatok alapján: T1 40C 313,15K az elvárt kilépő hőmérséklet T2 20C 293,15K A fenti adatok alapján a leadott (leadandó hőmennyiség) a meleg oldalon: Qleadott ,mp 0,33 kg / s 4181,3 J / (kg K ) (313,15K 293,15K ) 27596,58 W
(6.23)
A szekunder oldalon a megadott adatok ismeretében adott áramlási sebesség mellett a kilépő hőmérséklet határozható meg. A (6.6) alapján a hűtővíz kilépési hőmérséklete nyáron: T2, ny ,mp
Qfelvett 27596,58 W T1,ny 298,15 K m2 c p 2 0,31 kg / s 4181,3 J / (kg K )
(6.24)
319,44 K 46,29C
A hűtővíz hőmérséklete télen: T2, t ,mp
Qfelvett 27596,58 W T1,t 293,15 K m2 c p 2 0,31 kg / s 4181,3 J / (kg K )
314,44 K 41,29C
A fenti számítások alapján a kiválasztott elemek megfelelnek a feladatra.
62
(6.25)
6.2.12. Tételjegyzék A fenitek alapján összeállítottam egy tételjegyzéket, amely tartalmazza a rendszer összes elemét. Tétel típusa
Primer oldali keringető szivattyú
Pontos név BETA 25-60/180
ség
ség
Egységár Összár
1
33 500
33 500
db
1
14 500
14 500
m
96
510
48 960
átmenet
db
6
462
2 772
átmenet
db
1
680
680
db
77
144
11088
Keringető szivattyú IP250
szivattyú
búvárszivattyú
Cső
KPE KPE
Merülő
32x1"BM
KPE átmenet
KPE
32x1"BM
40x1"BM CONCEPT
Csőbilincs
Mennyi-
db
Szekunder oldali
Csőcsatlakozás
Egy-
egycsavaros gumis csőbilincs
Összesen:
111 500
63
7. ÖSSZEGZÉS Dolgozatomban egy argon-ion lézer vízhűtésének tervezését hajtottam végre. Ehhez először az irodalom feldolgozásban összefoglaltam a legfontosabb elméleti ismereteket. Az összegyűjtött irodalmak egy része a hűteni kíván lézer megismeréséhez nyújtott segítséget. Először is bemutattam a lézerek típusait, és részletesebben is foglalkoztam a feladatban szereplő lézer fajtájával. Ezek után bemutattam a lézerek hűtési módjait, a kiválasztás szempontjait. Az irodalom feldolgozás másik része a hűtőrendszer tervezéséhez szükséges alapismereteket foglalja össze, külön tárgyalva a fő elemeket: a hőcserélőt, a szivattyúkat, a csővezeték rendszert. A hűtőrendszer megtervezése előtt bemutattam a Tanszéken lévő hőcserélőn korábban elvégzett méréseket és azok eredményét. A mérések célja az áramlástani jellemzők és a veszteségek meghatározása volt. A következő fejezet a kapott feladat felvázolása, majd megoldása. A rendszernek van néhány már meglévő eleme: a hűtendő lézerberendezés, a hőcserélő és a hűtővizet szolgáltató tartály. Ezekhez választottam ki a többi fő elemet: a szivattyúkat,
a
csővezetéket,
valamint
a
mellékelemeket,
úgy
minta
a
csatlakozásokat, a víztisztító berendezést. Az elkészült elrendezés működésének becslésére számításokat végeztem, elemezve a szükséges működési jellemzőket. A számítások másik pontja a tételjegyzék összeállítása, valamint a rendszer elemeinek összköltségének kiszámítása. Az
elvégzett
kutatómunka
és
elemző
megterveztem.
64
számítások
alapján
a
rendszert
8. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Szeretném megköszönni tervezésvezetőmnek a dolgozat elkészítésében nyújtott segítéségét: munkám során mindig gyorsan válaszolt a feltett kérdéseimre, rövid időn belül javította a dolgozatot.
65
9. IRODALOMJEGYZÉK [1] Paripás Béla: Lézerfizika jegyzet [2] http://www.lasertanacsado.hu [3] http://www.fisze.hu/index.php?option=com_content&view=article&id=217:a -lezerrl-nagyon-roeviden&catid=36:hirek&Itemid=50 [4] Gázok lézeres hegesztéshez, forrasztáshoz es vágáshoz, Messer vállalat anyaga [5] wikipedia.org [6] http://www.quantumlasertech.hu/hu/termekek/co2-lezerek [7] http://www.lasertanacsado.hu/kerdesekvalaszok.html [8] https://sites.google.com/site/hocserelok89/home/hocserelo-tipusok [9] http://www.elinvest.hu/cs%C5%91k%C3%B6tegesh%C5%91cser%C3%A9l%C5%91 [10] http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/20100019_Telepules_energetika/ch02s05.html [11] Beke János: Műszaki hőtan ménökönek, Mezőgazdasái Szaktudás Kiadó, Budapest, 2000. [12] Szabó László: Felületi hőcserélők [13] Baehr, H.D. : Therrnodynamik. 8. Auflage, Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Lehrbuch, 1992. [14] Plank,
R.D.:
Handbuch
der
Kaltetechnik,
Sechster
Band/Teil
B
Warmeaustauscher. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag, 1988. [15] VDI-Warmeatlas. Berechnungsblatter fiir den Warmeubergang. 4. Aufl. Dusseldorf: VDI-Verlag GmbH, 1984. [16] VDI
2076
Leistungsnachweis
fiir
Warmeaustauscher
mit
zwei
Massenstromen. Berlin, Koln: Beuth, 1969 [17] Balikó
Sándor:
Hőcserélők
és
hőcserélő-rendszerek
energetikai
optimalizálása, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1984. [18] Dr. Mucskai László - Hőcserélők termikus és hidraulikus méretezése 66
[19] Dr. Láng Lajos, Dr. Jakab Zoltán: Hűtéstechnika [20] http://www.handout.hu/szakkor/hoatadas.html [21] Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban: 5. Hőcsere és berendezései [22] Szentgyörgyi Sándor: Vegyipari gépek I. 2. rész, Kézirat, Tankönyvkiadó, Budapest, 1972. [23] Épületgépészet 2000. II. kötet Fűtéstechnika, Épületgépészet Kiadó Kft. Budapest, 2001. [24] Szabó László: Áramlástani szivattyúk, Nemzeti Szakképzési és Felnőttképzési Intézet [25] Czibere Tibor: Áramlástan, Kézirat, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1996. [26] Tóth Anikó Nóra: Bevezetés az áramlástanba, Miskolci Egyetem, 2012. [27] Bobok Elemér: Áramlástan, Miskolci Egyetemi Kiadó, 1997. [28] Lajos Tamás: Az Áramlástan alapjai, Egyetemi Tankönyv, Budapesti Műszaki
és
Gazdaságtudományi
Egyetem,
Gépészmérnöki
Kar,
Műegyetemi Kiadó, 2004. ISBN: 963 420 798 7 [29] Kullmann László: Áramlástechnikai gépek üzemtana, Budapesti Műszaki Egyetem [30] Dittrich Ernő: Vízellátás előadás jegyzet, EJF Építőmérnöki Szak (BSC), PTE-PMMK Környezetmérnöki Tanszék [31] Integrált Szennyezés-megelőzés és Csökkentés (IPPC), Referencia dokumentum az elérhető legjobb technikákról – tömörítvény a hazai sajátosságok figyelembe vételével, Ipari hűtőrendszerek [32] Víztisztítás jegyzet, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőmérnöki Kar, Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék, Budapest, 2007. [33] Dittrich
Ernő:
Vízkezelés
előadások,
Technológus Szak (FSZ)
67
PTE
Hulladékgazdálkodási
[34] Környezetvédelem-vízgazdálkodás
szakmacsoport:
Szűrés
és
berendezései [35] Dr. Schifter Ferenc, Dr. Szabó Szilárd: Új típusú hőcserélő vizsgálata, Kutatási jelentés, Miskolci Egyetem, Áramlás- es Hőtechnikai Gépek Tanszéke, 2000. [36] http://hu.grundfos.com/ [37] http://szerelvenyuzlet.unas.hu/spd/szer_162307/GRUNDFOS-ALPHA2-L25-40-futesi-keringeto-szivattyu [38] Grundfos szerelői kézikönyv, 4. kiadás [39] http://www.ibo-szivattyu.hu [40] IBO Katalog, http://www.dambat.com/ibo-deep-well-pumps.html [41] http://www.futesuzlethaz.hu/shop/ [42] http://vizozon.hu/ [43] http://www.sns-automatika.hu/ [44] VR300 Térfogatáram szabályzó szelep adatlap [45] http://profilter.hu/Ipari-v%C3%ADzl%C3%A1gy%C3%ADt%C3%B3k.php [46] http://www.anzoszaniter.hu/concept_egycsavaros_gumis_csobilincs_m8_ 25_30_3_4_con_bi1_311002530 [47] http://www.kaeser.hu/Online_Services/Toolbox/Pressure_drop/default.asp
68
