Hőátvitel és hőcserélők Hőtan Hőátvitel és hőcserélők

A hőátvitel fizikai és hőellenálláshálózatos modellje Hőátvitel - síkfal A hőátvitel fizikai és hőellenálláshálózatos modellje 𝑡 ∞,1 𝑡 𝑄 𝑥 = 𝑡 ∞,1 − 𝑡 ∞,2 𝑅 𝑡𝑜𝑡 𝑡 𝑤,1 𝛼 2 𝑡 𝑤,2 𝛼 1 𝑅 𝑡𝑜𝑡 = 1 𝛼 1 ∙𝐴 + 𝛿 𝜆∙𝐴 + 1 𝛼 2 ∙𝐴 = 𝑅 ∗ 𝑡𝑜𝑡 ∙ 1 𝐴 𝜆 𝑡 ∞,2 𝜆 𝛼 1 𝜆 𝛼 2 𝛿 𝑈= 1 𝑅 ∗ 𝑡𝑜𝑡 𝑈∙𝐴= 1 𝑅 𝑡𝑜𝑡 síkfalra A=áll 𝑥 𝑡 ∞,1 𝑡 𝑤,1 𝑡 𝑤,2 𝑡 ∞,2 𝑄 𝑥 =𝑈∙𝐴∙( 𝑡 ∞,1 − 𝑡 ∞,2 ) 𝑄 𝑥 𝑅 𝑘,1 = 1 𝛼 1 ∙𝐴 𝑅 𝑣 = 𝛿 𝜆∙𝐴 𝑅 𝑘,1 = 1 𝛼 2 ∙𝐴 𝑈<MIN( 𝛼 1 , 𝜆 𝛿 , 𝛼 2 )

A hőátadási tényezők hatása a hőátvitelre: ha Hőátvitel „javítása” A hőátadási tényezők hatása a hőátvitelre: ha 𝑅 𝑣 = 𝛿 𝜆 ≅0 𝑈<MIN( 𝛼 1 , 𝛼 2 )

Szennyeződés hatása egyre „látványosabb” Hőátvitel Szennyeződés (lerakódás) hatása a hőátvitelre 𝑈 0 =1 lerakódások nélkül: 𝑈 0 = 1 1 𝛼 1 + 1 𝛼 2 Szennyeződés hatása egyre „látványosabb” lerakódással: 𝑈= 1 1 𝛼 1 + 1 𝛼 2 + 𝛿 𝜆 = 1 1 𝑈 0 + 𝛿 𝜆

közepes hőátvivő felület Hőátvitel - henger 𝑈∙𝐴= 1 1 𝛼 1 ∙ 𝐴 1 + 𝑖 𝑅 𝑣,𝑖 + 1 𝛼 2 ∙ 𝐴 2 közepes hőátvivő felület 𝑡 ∞,1 𝑡 𝑤,1 𝑡 𝑤,2 𝑡 ∞,2 𝐴≠𝐴 1 𝐴≠𝐴 2 𝑄 𝑥 de: 𝑅 𝑣 = ln⁡( 𝑟 2 𝑟 1 ) 2𝜋𝜆𝐿 𝑅 𝑘,1 = 1 𝛼 1 ∙ 𝐴 1 𝑅 𝑘,1 = 1 𝛼 2 ∙ 𝐴 2 𝑈 1 ∙ 𝐴 1 = 𝑈 2 ∙ 𝐴 2 𝑈≠𝑈 1 ≠ 𝑈 2

Hőátvitel – (emlékeztető) Kritikus szigetelési méret (hengeres cső)

Hőátvitel – bordázott felület 𝜆 𝑡 ∞,2 , 𝛼 0 𝑡 ∞,1 , 𝛼 1 𝑡 𝑤 Bordák: 𝜂 𝑏 , 𝐴 𝑏 , 𝛼 𝑏 Hőáram a bordázott oldalon: 𝑄 = (𝑡 𝑤 − 𝑡 ∞,2 )∙( 𝛼 0 ∙𝐴 0 + 𝛼 𝑏 ∙𝜂 𝑏 ∙ 𝐴 𝑏 ) 𝛼= 𝛼 0 = 𝛼 𝑏 𝑄 = (𝑡 𝑤 − 𝑡 ∞,2 )∙𝛼∙( 𝐴 0 + 𝜂 𝑏 ∙ 𝐴 𝑏 ) 𝐴 𝑒 bordázatlan szabad felület: 𝐴 0 Ha mindkét oldalon bordázott (ritka eset): 1 𝑈∙𝐴 = 1 𝛼 0,1 ∙𝐴 0,1 + 𝛼 𝑏,1 ∙𝜂 𝑏,1 ∙ 𝐴 𝑏,1 + 𝑖 𝑅 𝑣,𝑖 + 1 𝛼 0,2 ∙𝐴 0,2 + 𝛼 𝑏,2 ∙𝜂 𝑏,2 ∙ 𝐴 𝑏,2

Hőcserélők Közegek egymással való érintkezése Közvetlen v. „keverő” (egy térben, azonos időben a két közeg) Közvetett v. felületi Időbeliség Rekuperatív (külön térben, azonos időben a két közeg) Regeneratív (azonos térben, eltérő időben a két közeg) -töltetes, forgó betétes Közegek áramlási iránya Paralell Keresztáramlású irányultság Keveredés egyenáramú ellenáramú Önmagával keveredő (egyik / mindkét közeg) nem keveredő

Hőcserélők – Csoportosítás, tulajdonságok Fajlagos felületnagyság A/V > 700 m2/m3  KOMPAKT A/V ≤ 700 m2/m3  NORMÁL (autó hűtő: ~6000 m2/m3, emberi tüdő ~20.000 m2/m3 Időbeliség / Térbeliség azonos tér, eltérő idő: regeneratív külön tér, azonos idő: rekuperatív Áramlási irány parallel áramlású (egyen/ellen) keresztáramlású (keveredő/részlegesen keveredő/nem keveredő)

Hőcserélők típusai Felületi - Regeneratív Felületi - Rekuperatív http://www.youtube.com/watch?v=jdsNoRgt7zY Felületi - Regeneratív Felületi - Rekuperatív

Hőcserélők típusai Cső a csőben, csőköteges-köpenycsöves (shell tube) (shell and tube) http://www.youtube.com/watch?v=hxhB3k0vh2g

Hőcserélők típusai köpenycsöves http://www.youtube.com/watch?v=LsfRQGm4-Lc

Hőcserélők típusai köpenycsöves A vér-víz hőcserélő

Hőcserélők típusai Kompakt hőcserélő - autóhűtő

Hőcserélők típusai Kompakt hőcserélő - lemezes http://www.youtube.com/watch?v=L3Pd5qEn024

Hőcserélők típusai Kompakt hőcserélő - Spirális http://www.youtube.com/watch?v=R59_HclTlx8

Lemezes hőcserélő http://www.youtube.com/watch?v=mprUo-xoMxM http://www.youtube.com/watch?v=osrj5S_hnHA

Hőcserélők - Felületi rekuperatív hőcserélők (funkcionális) alaptípusai ~6000 m2/m3 egyenáramú ellenáramú

Hőcserélők – Jellemző mennyiségek 𝑄 = 𝑐 ∙𝑚∙ 𝑡 𝑏𝑒 − 𝑡 𝑘𝑖 = 𝐶 ∙∆𝑡 𝐶 , hőkapacitás áram [k/W] 𝑄 ℎ𝑖𝑑𝑒𝑔 = 𝑄 𝑚𝑒𝑙𝑒𝑔 𝐶 ℎ𝑖𝑑𝑒𝑔 ∙ ∆𝑡 ℎ𝑖𝑑𝑒𝑔 = 𝐶 𝑚𝑒𝑙𝑒𝑔 ∙ ∆𝑡 𝑚𝑒𝑙𝑒𝑔 𝑄 =𝑈∙𝐴∙ ΔTln ΔTln = ΔTmax−ΔTm𝑖𝑛 ln( ΔTmax ΔTm𝑖𝑛 ) 𝑁𝑇𝑈= 𝑈∙𝐴 𝐶 𝑚𝑖𝑛 [-] 𝑅 𝑐 = 𝐶 𝑚𝑖𝑛 𝐶 𝑚𝑎𝑥 [-]

Hőcserélők – Hőmérséklet viszonyok (Δtmax) (Δtmax) ΔtA (Δtmin) ΔtA (Δtmin) dA dA A A ΔtA= Δtmax 𝑒 −𝑁𝑇𝑈(1+ 𝑅 𝑐 )

Hőcserélők – Méretezés 1. - felületnagyság (A) és logaritmikus közepes hőm. különbség ( ΔTln ) (A) (A) Δtln = Δtmax−Δtm𝑖𝑛 ln( Δtmax Δtm𝑖𝑛 ) 𝑄 =𝑈∙𝐴∙ Δtln Tábla!

Hőcserélők – Méretezés 2. - hatásosság (Φ) és átviteli hányados (NTU) Bošnjaković-féle hatásosság: Φ=𝑓 𝑁𝑇𝑈, 𝑅 𝑐 = 𝑡é𝑛𝑦𝑙𝑒𝑔𝑒𝑠 á𝑡𝑣𝑖𝑡𝑡 ℎőá𝑟𝑎𝑚 ( 𝑄 ) 𝑒𝑙𝑣𝑖𝑙𝑒𝑔 á𝑡𝑣𝑖ℎ𝑒𝑡ő 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚á𝑙𝑖𝑠 ℎőá𝑟𝑎𝑚 ( 𝑄 max⁡ ) = Δ𝑡 𝐶 𝑚𝑖𝑛 𝑡 𝑏𝑒,1 − 𝑡 𝑏𝑒,2 𝑁𝑇𝑈= 𝑈∙𝐴 𝐶 𝑚𝑖𝑛 [-] 𝑅 𝑐 = 𝐶 𝑚𝑖𝑛 𝐶 𝑚𝑎𝑥 [-] egyenáramú

Hőcserélők Hőcserélők összehasonlítása (felületnagyság alapján)

Hőcserélők - Hőcsere különleges esetei 𝐶 𝑚𝑒𝑙𝑒𝑔 ≫ 𝐶 ℎ𝑖𝑑𝑒𝑟 𝐶 𝑚𝑒𝑙𝑒𝑔 ≪ 𝐶 ℎ𝑖𝑑𝑒𝑟 vagy 𝐶 𝑚𝑖𝑛 = 𝐶 𝑚𝑎𝑥 ( 𝐶 𝑚𝑒𝑙𝑒𝑔 →∞) ( 𝐶 ℎ𝑖𝑑𝑒𝑔 →∞)