KONV Hőtani műveletek HŐCSERE

TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0006

Hőtani műveletek – HŐCSERE

HŐÁTBOCSÁTÁS

tmk

thb

  t1f

t2f 1 tmb

2 thb

  k  A  tköz

LOGARITMIKUS HŐMÉRSÉKLET KÜLÖNBSÉG

t köz

t1  t 2  t1 ln t 2

LOGARITMIKUS HŐMÉRSÉKLET KÜLÖNBSÉG

tmb

t1=tmb - thb

tmk

t2=tmk - thk thk

thb

A

LOGARITMIKUS HŐMÉRSÉKLET KÜLÖNBSÉG

tmb

t2=tmb - thk thk

tmk

t1=tmk - thb thb

A

HALMAZÁLLAPVÁLTOZÁSSAL JÁRÓ HŐCSERE

PÉLDA

• Egy fémből készült, folyadék-folyadék hőcserélő esetében a cső átmérője: 34x2 mm. b=1230 [Wm-2K-1 ] és k =987 [Wm-2K-1 ] számítsuk ki k értékét a külső oldali csőfelületre vonatkoztatva (k0) elhanyagolva a fémfal hőellenállását.

Ab 30 30 W  b   b b  1230  1085 Ak 34 34 m2 K

 b k 0

1 1 1 1 1     k k ( b ) k  k 1085 987 k k  517

W m2 K

figyelembe véve :k bAb  kk Ak 34 akkor : kb  517   586 30

W m2 K

HŐCSERE FORRÁS ILL. KONDENZÁCIÓ ESETÉN t (oC)

Telített gőzt termelő, Kondenzálódó gőzzelún.fűtött forraló hőcserélő. felületi felületi hőcserélő.

tmb (oC) tm=áll (oC)

tmk (oC) thk (oC) th=áll (oC) thb (oC)

A (m2) A=0

A=A

PROBLÉMÁK A LOG, KÖZEPES HŐMÉRSÉKLETKÜLÖNBSÉG GEL KAPCSOLATBAN • A párhuzamos egyen- és ellenáramú alaptípusoktól eltérő készülékek esetében az esetek többségében vagy nem határozható meg, vagy annyira bonyolult, hogy szokványos számításokhoz használhatatlan. • Adott hőcserélőbe bevezetett közegek kilépőhőfokainak meghatározására alkalmatlan. A megoldás:  A hatásosság-függvény.  A korrekciós tényező.

A BOSNJAKOVICS-FÉLE DIAGRAMMOK

Tervezésifeladat: feladat:keresett keresettaakilépő Üzemviteli szükségesahőcserélőfelület hőmérséklet hőcserélőfelületaa belépő hőmérsékletek, vízértékáramok és és aa hőmérsékletek, a vízértékáramok hőátviteli tényező ismeretében hőátviteli tényező ismeretében

t k    t k ,ell A logaritmikus közepes hőfokkülönbség korrekciós tényezője, ε ≤ 1

Bonyolult áramlási rendszerű hőcserélők esetében a Bosnjakovics-féle módszer nem alkalmazható!

CSŐKÖTEGES – KÖPENYES HŐCSERÉLŐK

CSŐKÖTEGES – KÖPENYES HŐCSERÉLŐK

LEMEZES HŐCSERÉLŐK

• Folyadékok közötti hőcseréhez: – Gyakorlatilag ellenáramúak. – Jó hőátadási és így jó hővezetési tényezők. – Azonos elemekből felépíthető tetszés szerinti méret.

LEMEZES HŐCSERÉLŐK

PÉLDA

• A levegő 64 db 48,4x2,6 mm átmérőjű, 1,8 m hosszú acélcsőben áramlik. Mekkora a hőátadási tényező és mennyi levegő melegíthető fel, ha a légáramlást a turbulencia alsó határán tartjuk? A levegő hővezetési tényezője 0,0358 W/(mK), fajhője 1,015 kJ/(kgK), sűrűsége: 0,8343 kg/m3, kinematikai viszkozitása: 26,39 . 10-6 m2/s. • Ha 0,5 Pr 1,5 akkor Nu=0,0214(Re0,8-100)Pr0,4(1+d/l)2/3, ha Pr1,5 akkor Nu=0,04Re0,75Pr0,75. • A turbulencia alsó határa esetén Re= 10000 • A cső belső átmérője db=48,4-(2x2,6)=43,2 mm=0,0432 m

Re  v

d v

 Re  d

10000  26,39  10 6   6,1 m / s 0,0432

 0,0432 2    q m  v  A    6,1  64     0,8343  0,477 kg / s 4   Pr 

cp   



1015  26,39  10 6  0,8343   0,624 0,0358

 Nu  0,0214  10000



Nu  0,0214  Re  100  Pr 0 ,8

0 ,8



0,4

 1  d / l 

 100  0,624

0,4

2/ 3

 1  0,0432 / 1,8

Nu   26,73  0,0358    22,15 W / m 2 K l 0,0432

2/ 3

 26,73

PÉLDA

• Mekkora hőáram szükséges egy 0,7 m hosszú, 62,2 mm átmérőjű vízszintes, egyenes csőben történő hőkezelés esetében a 20 oC-os, 0,8 m/s sebességgel áramló olajos tápközeg 60 oC-ra történő felmelegítéséhez? A tápközeg fizikai tulajdonságai: fajhője 4,178 kJ/(kgK), viszkozitása 0,733 . 10-3 Pas, hővezetési tényezője 0,6245 W/(mK), sűrűsége 990,7 kg/m3. • (Nu= 0,023 Re0,8 Pr0,4)

    A  t Re 

d v

0,0622  0,8  990,7   67254 3 0,733  10

 c p   4178  0,733  10 3 Pr    4,9  0,6245

Nu  0,023  Re 0,8  Pr 0,4  0,023  67254 0,8  4,9 0,4  316,2 Nu   316,2  0,6245 2    3174,71 W / m K l 0,0622 A  d    l  0,0622    0,7  0,137 m

2

  3174,71  0,137  60  20  17397,4 W  17,4 kW

PÉLDA

• Mekkora a hőátadási tényező egy 3 m hosszú, 50 mm belső átmérőjű, vízszintes csőben történő áramlás esetében, ha a közeg hőmérséklete 50 oC, a csőfal hőmérséklete: 90 oC ? • A közeg jellemzői: hővezetési tényező 0,64 W/mK, kinematikai viszkozitás 5,56 . 10-7 m2/s, hőfokvezetési tényező 1,555 . 10-7 m2/s, sűrűség 1000 kg/m3. A közeg 0,8 m/s sebességgel áramlik. Nu= 0,023Re0,8Pr0,4

d v

0,05  0,8 4 Re    7 , 2  10  5,56 10 7



7

5,56 10 Pr    3,57 7 a 1,555 10 Nu  0,023  Re  Pr 0 ,8

0, 4



 0,023  7,2 10



4 0 ,8

 l 294  0,64 2 Nu    3763,5W / m K  0,05

 3,57

0, 4

 294

PÉLDA

• Ecetes fermentációs végtermékből 30 mm átmérőjű csövekből álló csőköteges hőcserélő csöveiben óránként 36 m3 áramlik. • Számítsa ki a lére vonatkozó hőátadási tényezőt, ha a közepes hőmérséklete 50 oC, sűrsége 1630 kg/m3, viszkozitása: 7 . 10-4 Pas, hővezetési tényezője: 0,105 W/(mK) , fajhője 0,887 kJ/(kgK). (A hőcserélőben egyszerre 60 db csőben áramlik a felöntőlé.) Nu=0,023Re0,8Pr0,4

PÉLDA

• Számítsa ki a levegő okozta hőveszteséget egy főzőedény falánál, ami egy függőleges henger alakú testnek fogható fel. A test átmérője 0,9 m, magassága 1,2 m. A fal hőmérséklete 49 oC, a levegőé 17oC. =1,9 . 10-5 Pas, cp=1,01 kJ/(kgK), =0,025 W/(mK), =0,0032 1/K, =1,12 kg/m3. Nu=0,13(PrGr)0,33

Gr  Pr 

g  l 3   2    t

2 cp 





9,81  1,2 3  112 , 2  0,0032  49  17

1,9  10 

5 2

1010  1,9  10 5   0,76 0,025

Nu  0,13   Pr Gr 

0 , 33



 0,13  0,76  6,03  10

Nu   20116 ,  0,025    4,19 W / m 2 K l 1,2

  1,8  t 0,25  1,8  32 0,25  4,28 W / m 2 K A  d    l  0,9    1,2  3,39 m 2     A  t  4,28  3,39  32  464,7 W



9 0 , 33

 20116 ,

 6,03  10 9

HŐCSERE TÍPUSOK

• Statikus v. direkt hőcsere: hőcsere egy közegen belül játszódik le, eredmény egy fázis (nincs hőátadó fal)

• Kinetikus v. inderekt hőcse legalább két fázis határfelületén történő hőátmenet, a határfelület mindvégig megmarad.

STATIKUS HŐCSERÉLŐK

keverős tartályok barbotőr: direkt gőz bevezetésével működő készülék keverő kondenzátorok barometrikus kondenzátorok: keverős kondenzátor alá ejtőcső (12 m) vízoszlop ellensúlyozza a barometrikus nyomást.

KINETIKUS HŐCSERÉLŐ TÍPUSOK

• • • • • •

duplikátor/autokláv cső a csőben hőcserélők spirálcsöves hőcserélők csőköteges hőcserélők lemezes hőcserélő kapart falú hőcserélők

FELÜLETI HŐCSERÉLŐK ALAPEGYENLETEI

leadott hőáram :   qm c p t1  t2    qm h1  h2 



felvett hőáram :   q m c p t 2  t '

q

' m

h

' 2

h

' 1



'

'

' 1



átviteli , hőátbocsátási egyenlet :   k  A  t

PÉLDA

• Csöves hűtőben áramlik a tej. 49 °C-ról 18°C-ra kell lehűteni 10 °C-os vízzel. • Milyen hosszú csövet használjunk? • Cső átmérője: 2,5 cm • tömegáram: 0,4 kg/s • hőátbocsátási együttható: 900 Wm-2 K-1 • fajhő: 3890 Jkg-1 K-1

? A HŐÁTADÓ FELÜLET???

  k  A  tköz   c p  qm  t  3890  0,449  18  48,2 W

48,2  900  A 19,6 49

A  2,73 m  dL 2

18

10

tköz

39  8   19,6 39 ln 8

L  34,8 m

PÉLDA

• Mennyi gőz szükséges 50 kg borsóleves 18°C-ról történő melegítésének elindításához? • A gőznyomásmérő 100 kPa-t mutat, • hőátadó felület: 1 m2 • hőátbocsátási együttható: 300 Wm-2K-1 100 kPa +1 bar

120 °C

fajhő:2202 kJ/kg

  k  A  tköz

  300 1 120  18  3,06 10 W 4

J 3,06 10  kg  2 kg s   1,4 10  50 r 2202 103 J s h kg 4

Ha melegszik a leves, dt csökken, akkor a hőáram is csökkeni fog.

hőcserélő típusok

rekuperátorok felületi hőcserélők

regenerátorok

keverő, direkt hőcserélő

duplikátorok

keverős tartályok

csőkígyós készülékek

barbotörök

csőköteges hőcserélők

keverős kondenzátor

bordázott felületű hőcserélők

barometrikus kondenzátor

kettőscsöves hőcserélők spirállemezes hőcserélők

különleges hőcserélők lemezes hőcserélők

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!