HU199979B - Method and heat-exchanger insert for improving the heat transfer of media flowing in the tubes of heat exchanger and having inhomogeneous composition and/or inhomogeneous physical state - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás valamint hőcserélő betét hőcserélő csöveiben áramló inhomogén összetételű és/vagy inhomogén fizikai állapotú közegek hőátadásának javítására, amely végső fokon a hőcserélő méretének és áramának csökkentését eredményezi. A találmány tárgya előnyösen alkalmazható olyan esetben is, amikor a csőben áramló közeg összetétele homogén ugyan, de fizikai állapota a cső keresztmetszete mentén erősen változó (pl. nagy viszkozitású közegek esetében).

Ismeretes, hogy a kétfázisú áramlás során különböző áramlási képek alakulhatnak ki. Ezek közül találmányunk szempontjából a hullámos és a gyűrűs áramlásnak van jelentősége. Az első esetbeq pl. az X jelű folyadékfázis a vízszintes vagy ferde cső alsó részében áramlik, az Y jelű gözfázis pedig fölötte halad el. A második példa szerinti esetben viszont a folyadékfázis a cső falához tapadva burokként veszi körül a középen áramló gőzfázist. Mindkét esetre jellemző, hogy a két fázis nem együtt halad, hanem egymástól elkülönült áramlási csatornákat képez, ahogyan ezt a leirás további részében a rajzok kapcsán ismertetni fogjuk.

Az ipar egyes területein, pl. bizonyos típusú hőszivattyúknál és hűtőgépeknél olyan közegeket kell hűteni és fűteni, amelyek két különböző illékonyságú alkotó keverékei. (Megfontolásaink akkor is helytállóak, ha a komponensek száma kettőnél több, csupán akkor a fizikai kép bonyolultabb). A két fázis nemcsak halmazállapotában, hanem az egyes alkotók koncentrációjában is különbözik. Ilyen esetben a két fázis egymástól független áramlása kedvezőtlenül befolyásolja a hőátadási viszonyokat, ahogyan ezt leírásunk további részében a 2. ábra kapcsán mutatjuk be.

A 2a ábra egy olyan hőcserefolyamat hőmérséklet-felfutását (t) ábrázolja az átvitt hő (Q) függvényében, amelynél homogén közeg (pl. víz) hűti a kétkomponensű, kétfázisú munkaközeget. A munkaközeg hőmérséklete csökken, miközben egyidejűleg oldódás és kondenzáció következik be. A viz felmelegedését a W görbe, a munkaközeg lehűlését az oldatok termodinamikája alapján számított ideális esetben a Z görbe mutatja be. Arnenynyiben a két fázis különváltan áramlik, s igy az áramlás során nincs állandó termodinamikai egyensúlyban, akkoi· a kevésbé illékony komponens nagy része gyorsabban kondenzálódik, a kondenzátum hamarabb lehűl, és a gözfázis túlnyomó részét kitevő illékonyabb komponens csak később oldódik be a folyadékfázisba. Ennek következtében az elméletitől jelentősen eltérő Z’ jelű hőmérséklet-felfutás adódik. A 2a ábrán látható, hogy hőcserélőben a két közeg hőmérséklet-különbsége jelentősen csökken (a veszteséget a függőlegesen csíkozott terület mutatja), ezért ugyanahhoz a feladathoz nagyobb, tehát drágább hőcserélő szükséges, vágj- pedig tudomásul kell venni a folyamat hosszabb termodinamikai hatásfokát (pl. romlik a hűtőgép teljesítménytényezője).

A 2b ábra olyan hőcserélő-folyamatot mutat be, amelynél vizzel melegítjük a munkaközeget. A víz hőmérséklet-lefutásét a W görbe, a munkakózeg elméleti hómérséklet^lefutását az elpárolgás és kiűzés során a Z görbe, a két fázis szétválása következtében kialakuló valóságos lefutást a 2' jelű görbe ábrázolja. Itt is a függőleges csíkozást! terület mutatja a termodinamikai veszteséget. A technika állásához tartozó hátrányokat a fent elmondottak alapján értelmezzük.

Célkitűzésünk, hogy a hőátadási viszonyokban lényeges javulást érjünk el, oly módon, hogy a két fázis áramlását úgy irányítjuk, hogy azok állandó intenzív kapcsolatban legyenek egymással és ily módon közelítsék meg a termodinamikai egyensúlyt.

Találmányunk alapgondolata szerint ezt a következő módon érjük el. Minthogy hullámos áramlás esetén a folyadék a cső alsó részében gyűlik össze, gyűrűs áramlás esetén pedig a csó fala mentén elegendő a két fázist megcserélni. Ez azt jelenti, hogy hullámos áramlásnál a folyadékot a cső felső részébe, gyűrűs áramlásnál pedig a cső közepébe kell vezetni. Az eredeti feltételek között a fázisok igyekeznek elfoglalni eredeti helyüket a csőben, ez azonban a fázisok felcserélése miatt csak úgy lehetséges, ha egymáson keresztüláramlanak, azaz intenzív kapcsolatba kerülnek egymással, ennek során lényegesen jobban megközelítik az egyensúlyi állapotot, mint a különvált áramlás esetén.

Fontos célkitűzésünk még, hogy a találmányt megvalósító szerkezet ne igényeljen túl sok anyagot, ne legyen drága, továbbá ne okozzon nagy nyomásesést. Ezért a cső hossztengelye mentén szakaszosan elhelyezkedő kis méretű betéteket kell alkalmazni, amelyek éles iránytörések nélküli, folyamatos görbületű kényszerpályán terelik át a közegeket a megfelelő helyre. A betétek közötti optimális távkózt esetenkénti gazdaságossági számítással lehet eldönteni.

A találmányunkkal még egy további problémát is meg kívánunk oldani. A kétkomponensű kétfázisú közegekkel kapcsolatban ismertetett kedvezőtlen hatáshoz kondenzátorok esetén még egy másik is járul, amely egykomponensű közegek (pl. vízgőz) kondenzációjánál is fellép. Itt ugyanis'a már lekondenzált folyadékfázisú közeg a csó falán maradva hóáramlási ellenállást képez a még le nem kondenzálódott gázfázisú közeg és a csó fala között. Ha tehát olyan megoldást találunk (és találmányunk ilyen), amely alkalmas a folyadékfázisnak a faltól való eltávolítására, akkor az az egykomponensű közegek kondenzátoraiban is hasznosítható.

Találmányunk alkalmas egy további probléma megoldására is. A gyűrűs áramlás esetével ugyanis bizonyos értelemben hason3

HU 199979 Β lóságot mutat a nagy viszkozitású közegek esete. Ezekben ugyan nem a közeg nagyfokú inhomogenitása (különbözei fázisok különböző összetétele), hanem a homogén közeg fizikai állapotának (hőmérséklet és viszkozitás) nagymértékű inhomogenitása okoz gondot.

Ismeretes, hogy például a csapágyak kenésére és hűtésére szolgáló olajok, melyeket olajhütókben le kell hűteni, a hőcserélők csöveiben nagy viszkozitásuk miatt laminárisán áramlanak és általában rossz hővezetők. Ezen tulajdonságaik következtében a hőátadás! tényezőjűk alacsony, ami azzal a hátrányos következménnyel jár, hogy hűtésükre nagy és költséges hőcserélő szükséges.

A laminárisán áramló, rossz hóvezetési tényezőjű olajok rossz höátadási tényezője azzal magyarázható, hogy a cső felülete mentén a lehűlt, kis sebességgel haladó határréteg hőszigetelőként zárja el a höáram útját a csőfal felé. Mig a lehűlt, viszkózusabb olaj kis sebességgel halad, mintegy rátapadva a cső falára, addig a meleg, higfolyósabb a cső középső részében áramlik és, mivel nem keveredik a határréteggel, alig hűl le.

A hó csak a hőt rosszul vezető határrétegen keresztül áramolhat a csőfal felé, miáltal a hóátadási tényező értéke alacsonyra, a szükséges hőcserélő mérete pedig nagyra adódik.

Ezt a jelenséget a leírásunkban a 3. ábra kapcsán fogjuk bemutatni.

Megjegyezzük, hogy ha melegíteni kell a csőben az olajat, akkor valamivel jobb a helyzet, mert a melegebb, tehát kisebb viszkozitású olaj áramlik a fal közelében, a lamináris áramlás hátrányai azonban itt is fennállnak.

Az elmondottakból következik, hogy találmányunk célszerűen alkalmazható a nagy viszkozitású közegek hőátadásának javítására is, amennyiben a hőcserélő fala mentén áramló közegrészeket a cső közepébe, a középen áramló részeket pedig a fal közelébe vezetjük.

Ismeretesek olyan műszaki megoldások, amelyek a hőcserélő csövekben áramló közegek hőátadásának javítására szolgálnak. Ezek egy része a hőcserélő csövének teljes hossza mentén végigfutó betéteket alkalmaz. A hoszszanti betétek a tapasztalatok szerint javítják a hőátadást, de viszonylag drágák, mivel a felhasznált anyagmennyiség nagy. Emellett nem csökkentik az áramló közegek inhomogenitását, ezért a találmányunk szempontjából fontos esetekben hatásuk korlátozott.

Egy másik szerkezeti kialakítás a hőcserélő csövének hossztengelye mentén szakaszosan elhelyezkedő elemekből all, amelyek valamilyen módon keverni igyekszenek az áramló közeget, amivel az inhomogenitást csökkenteni lehet. Találmányunk is ebbe a csoportba tartozik. Az egyik ismert megoldás csavarfelület alakú betéteket alkalmaz, amelyek perdületet adnak az áramló közegnek.

Ez javíthat valamit a höátadási tényezőn, hatása azonban az esetek többségében erősen korlátozott.

A nagy viszkozitású közegek ugyanis továbbra is laminárisán áramlanak egy ilyen betét után, csupán a közeg részecskéi nem egyenes, hanem csavarvonalú pályán mozognak, eközben viszont a cső tengelyétől való távolságuk, nem változik, azaz a 3. ábrán bemutatott hőmérséklet- és sebességelosztás nem változik. Lényegében ugyanez a helyzet a kétfázisú közeg gyűrűs áramlásánál is, csupán a hullámos áramlásnál várható kimutatható előny.

A technika állásának ezen a területen a 187 016 számú magyar találmány szerinti hőcserélő betét tekinthető, amely leválasztja a cső fala közelében áramló réteget és azt a cső belsejébe kényszeríti. Hátránya ennek a megoldásnak, hogy a fal mentén áramló réteg leválasztása éles iránytöréssel jár, ami egyrészt jelentősen növeli az áramlási ellenállást, másrészt a viszkózus közegeknél kialakuló határrétegnek azt a hajlamát, hogy megkerülje az útjába helyezett akadályt. Emellett a szóbanforgó betét csak viszkózus közegekre és a kétfázisú közegek gyűrűs áramlására alkalmas, hullámos áramlásnál hatása csekély.

Találmányunk alkalmas valamennyi fent említett hátrány kiküszöbélésére. A megoldás lényege az, hogy a hőcserélő csöve keresztmetszetének valamely részén átáramló közegrészeket egy az áramlás mentén későbbi keresztmetszetnek egy másik részére irányítjuk, mégpedig iránytörésektöl mentes, folyamatos görbületú kényszerpályán, oly módon, hogy gyűrűs áramlásnál és nagy viszkozitású közegeknél a fal melletti rétegek cserélnek helyet az áramlás magjával, hullámos áramlásnál pedig az alul áramló folyadék cserél helyet a felette áramló gőzzel.

Ezt a hőcserélő csöve hosszéhoz képest igen rövid, a cső átmérőjének általában 1-3-szorosát kitevő hosszúságú betétek szakaszos elhelyezésével érjük el. Ezek a betétek a cső átmérőjéhez képest vékony válaszfalakból állnak. A válaszfalak vastagsága a belső csőátmérőnek kb. egy százada, de semmiképpen nem haladja meg az fgytizedét. E válaszfalak végigfutnak a betét 'teljes hoszszán és különleges, térbeli felületeket alkotnak, ily módon a csövet egy vagy ' több áramlási csatornára osztják. Ezeken a válaszfalak és a cső fala közötti kényszerpályákon mozog a közeg oly módon, hogy a csatorna végén a cső keresztmetszetének egy a belépőtől eltérő részébe kerül.

A betétek kialakítása ezen az elven a feladatnak megfelelően történik, tehát van olyan, amelyik a csőfal mellett áramló közeget vezeti a cső közepébe és viszont, továbbá van olyan is, amely a vízszintes cső alján áramló folyadékot a pső felső részébe vezeti, de a két hatást kombinálni is lehet. Erre

-3HU 199979 Β például akkor lehet szükség, ha a változó üzeniviszonyok miatt egy csövön belül váltakozhat a gyűrűs és a hullámos áramlás.

A találmány tárgya eljárás valamint hőcserélő betét hőcserélő csöveiben áramló inhomogén összetételű és/vagy inhomogén fizikai állapotú közegek hőátadásának javítására.

A találmány szerinti eljárás újdonsága abban van, hogy a hőcserélő csőfala közelében áramló közegrészeket reszten vagy egészben a cső tengelyének közelébe vezetjük, az áramlás magjában haladó közegrészeket pedig a csőfal közelébe vezetjük és/vagy a vízszintes vagy ferde cső alján áramló közegrészeket részben vagy egészben a cső felső részébe vezetjük, mig a cső felső részében áramló közegrészeket oly módon vezetjük a cső aljára, hogy eközben változtatjuk a közegrészeknek a cső tengelyétől való távolságát; továbbá hogy a közeg átterelését éles iránytőrések nélküli folyamatos görbületü kényszerpályán végezzük; majd végül ezt az eljárást a cső mentén szakaszosan többször megismételjük, miáltal az egymással párhuzamosan áramló de különböző összetételű vagy fizikai állapotú közegrészeket az áramlás mentén többször egymással helycserére kényszerítjük.

A találmány szerinti eljárás megvalósítására szolgáló hőcserélő csövében alkalmazott hőcserélő betét újdonságára az jellemző, hogy a betét a csőhöz képest kis hosszúságú, általában a cső átmérő 1-3-szorosa. A betét egy vagy több, a betét elejétől a végéit tartó folyamatos válaszfal részekből van készítve, amely válaszfalrészek vastagsága a cső átmérőjének nagyságrendileg tized- század része, és amely válaszfal részeknek az áramlás mentén elhelyezkedő felülete éles iránytörések nélküli folyamatos görbületü térbeli felület. A betét eleje és vége között a cső egyetlen áramlási csatornája helyén két vagy több egymástól a betétet alkotó falak által teljesen elválasztott csatorna van, mely csatornák határoló falait a betétet alkotó válaszfal részek és a cső fala képezi. Legalább egy csatorna középvonalának távolsága a cső tengelyétől a betét elején nagyobb mint a betét közepén vagy annak végén.

A találmány szerinti betét oly módon is kialakítható, hogy a cső fala és a válaszfal részek között kétféle típusú csatorna van, melyek közül az első típusnál a betét elején a csatorna és a cső tengelye közötti távolság nem kisebb mint a cső belső sugarának harmada, a betét végén pedig nem nagyobb mint a válaszfal és az esetleg alkalmazott egyéb szerkezeti anyag pl. rögzítő huzal vastagsága, miáltal a csatorna és a cső tengelye közötti szakasz zárt áramlási keresztmetszetű. A másik típusú csatornánál viszont a betét elején a csatorna és a cső tengelye közötti távolság nem nagyobb mint a válaszfalrész és az esetleg alkalmazott egyéb szerkezeti anyag (pl. rögzítő huzal) vastagsága es hogy a betét végén nem kisebb mint a cső belső sugarának egyharmada.

A találmány szerinti betét ún. zárt szelvényű betétként is kialakítható, azaz a betét végén az első típusú csatorna és a cső fala közötti távolság nem kisebb mint a válaszfalrész vastagságának háromszorosa. A találmány szerinti betét nyílt szelvényű betétként is kialakítható, azaz a betét végén az első tipusú csatorna egyik határoló felületét a cső fala alkotja.

A találmány szerinti betét teljes egészében vagy részeiben a cső tengelye körül elcsavarva is elrendezhető.

A találmány szerinti betét oly módon is kialakítható, hogy a betét a vízszintes vagy ferde cső tengelyén áthaladó függőleges síkra szimmetrikus, továbbá a cső fala és a válaszfalrészek között kétféle típusú csatorna rendezhető el, amelyek közül az első típusnál a betét elején a csatorna egyik határoló felülete a cső fala alsó része, a betét végén pedig a cső fala felső része, míg a másik tipusú csatornánál viszont a csatorna egyik határoló felülete a betét elején a ’ősó fala felső része, a betét végén pedig a cső fala alsó része.

A találmány szerinti betét két vagy több lemezdarabból hegesztéssel vagy más szilárd rögzítéssel szerelhetóen van kialakítva.

A találmány szerinti betét kialakítható úgy is hogy a betét két egymásra szimmetrikus lemezdarabból (szegmensből) van. összeállítva, .amelyek egyenként a csőben lévő hengeres térrész felét a csőtengely körüli tér 180°-os tartományét foglalják el. A két részekből álló szegmens szélein kiperemezett élek vannak, amelyek a betét elején, illetőleg a végén megfelelő párosításában összeérnek, és a közbenső szakaszon hézagmentesen érintkeznek a hengerpalásttal és az érintkezés vonala 90°-os szögben elforduló csavarvonal. A két részekből álló szegmens a betét elején két helyen, a betét végén pedig egy helyen érintkezik egymással, esetleg nem közvetlenül hanem valamilyen rögzitó szerkezeten keresztül, (pl. ha a részekből álló szegmensek egy hosszanti szalagra vagy huzalra vannak forrasztva), a betét közbenső részein pedig a két részekből álló szegmens között mindenütt véges méretű hézag van kialakítva.

A találmány szerinti betét kialakítható továbbá oly módon, hogy a betét két részekből álló szegmensből van összeállítva, és hogy a két részekből álló szegmens kiperemezett élei 90°-nál kisebb szögben elforduló csavarvonalak, ezért a betét végén lévő élek között véges méretű hézag van.

A találmány szerinti hőcserélő betétből egy huzalra vagy inás hosszúkás elemre szerelve meghatározott térközzel több darab van egy csőben elhelyezve.

-4Ilb 199979 Β

A találmány szerinti hőcserélő betétből két vagy több betét közvetlenül egymás mellé térköz nélkül szerelhető be a csőbe.

A találmány szerinti hőcserélő betétből a cső tengelye mentén egymást követően a betétek egymáshoz képest a cső tengelye körül elforgatva rendezhetők.

A találmány szerinti hőcserélő betét oly módon is elhelyezhető, hogy a cső tengelye mentén egymás után következő betétek közül legalább az egyik betét alakja eltérő a többi betét alakjától.

A találmány szerinti eljárás és a hőcserélő betét legfontosabb előnyei a következők:

A találmány szerinti eljárás és hőcserélő betét áramló közegek höátadási viszonyaiban lényeges javulást biztosit. Két vagy több komponense közegek kétfázisú áramlása esetében a hóátadási viszonyokat azáltal javítjuk, hogy a két fázist állandó intenzív kapcsolatban van egymással. A találmány szerinti megoldás egykomponensű közegek homogenizálása esetén is azáltal jelent igen nagy előnyt, hogy a már lekondenzálódott közeg a cső falától eltávolítható, miáltal a höátadási ellenállás jelentősen csökkenthető. Hasonló előnyök jelentkeznek olyan áramlás esetén is, ahol az áramló közeg viszkozitása okoz jelentős gondot.

A találmány szerinti eljárást és hőcserélő betét alkalmazásét, azaz néhány kiviteli alakját részletesen rajz alapján ismertetjük, ahol az la ábra egy önmagában ismert hullámos áramlást, az lb ábra egy önmagában ismert gyűrűs áramlást, a

2a ábra kétalkotós közeg esetében egy önmagában ismert kétfázisú áramlás ideális és valóságos hőmérséklet lefutását egy kondenzátorban, a

2b ábra az önmagában ismert kétfázisú áramlás ideális és valóságos hőmérséklet lefutását eg.v elpárologtatóban szemlélteti, a

3a és 3b ábrák viszkózus anyagnak áramlási sebesség és hőmérséklet eloszlását szemléltetik, a

4. ábra a találmány szerinti betét egyik lehetséges kiviteli alakját szemlélteti három nézetben, ahol a 4a ábra elölnézet, a 4b ábra oldalnézet, a 4c ábra felülnézet, a 4d ábra a-g szelvényekben, a

5. ábra a találmány szerinti betétnek egy további kiviteli alakját mutatja be öt szelvényben, a

6. ábra a találmány szerinti betétnek egy további kiviteli alakját ábrázolja öt szelvényben, a

7. ábra a találmány szerinti betétnek további kiviteli alakját szemlélteti három nézetben, ahol a 7a ábra elölnézet, a 7b ábra oldalnézet, a 7c ábra felül— nézet, a 71 ábra a-f szelvényekben, a

8. ábra a találmány szerinti betétnek egy további kiviteli alakját mutatja be három nézetben, ahol a 8a ábra elölnézet, a 8b ábra oldalnézet, a 8c abra felulnézet, a 8d ábra a-f szelvényekben, a

9. ábra a találmány szerinti betétnek egy további kiviteli alakját ábrázolja hat szelvényben.

Az la ábra hullámos áramlást, az lb ábra pedig gyűrűs áramlást szemléltet. Az la ábra esetében X folyadékfázis a vízszintes vagy ferde cső alsó részében áramlik, mig Y gözfázis fölötte halad el. Amint az lb ábrán látható a folvafékfázis a cső falához tapadva burokként veszi körül a közepén áramló gőzfázist. Mindkét példára jellemző, hogy a két fázis nem halad együtt, hanem egymástól elkülönült áramlási csatornákat képez.

A 2. ábrán olyan hőcserefolyamat hömérsékletfutását (t) ábrázolja az átvitt nő (Q) függvényében, amelynél egy homogén közeg (pl. viz) hűti a kétkomponensű kétfázisú munkaközeget. A munkaközeg hőmérséklete csökken, miközben egyidejűleg oldódás és kondenzáció következik be. A víz felmelegedését a W görbe, a munkaközeg lehűlését az oldatok termodinamikája alapján számított ideális esetben Z görbe mutatja be. Amenynyiben a két fázis különváltan áramlik, és igy az áramlás során nincs állandó termodinamikai egyensúlyban, akkor a kevésbé illékony komponens nagy része gyorsabban kondenzálódik, a kondenzátum hamarabb hűl le, és a gőzfázis túlnyomó részét kitevő illékonyabb komponens csak később oldódik be a folyadékfázisba. Ennek következtében az elméletitől jelentősen eltérő Z’ jelű hőmérséklet-lefutás adódik. A 2a ábrán látható, hogy a hőcserélőben a két közeg hőmérséklet-különbsége jelentősen csökken (a veszteségeket a függőlegesen csíkozott terület mutatja), ezért ugyanahhoz a feladathoz nagyobb, tehát drágább hőcserélő szükséges, vagy pedig tudomásul kell venni a folyamat rosszabb termodinamikai hatásfokát (pl. romlik a hűtőgép teljesítménytényezője).

A 2b ábra olyan hócsere folyamatot mutat be, amelynél vízzel melegítjük a munkaközeget. A viz hőmérséklet-lefutását a W görbe, a raunkaközeg elméleti hőmérséklet-lefutását az elpárolgás és kiűzés során Z görbe, a két fázis szétválasztása következtében kialakuló valóságos lefutást pedig a Z' jelű görbe ábrázolja. Itt is a függőleges csikozású terület mutatja a termodinamikai veszteségeket.

A 3a ábrán látható a csőben áramló olaj hőmérséklet és sebesség eloszlása az olajhütó csövében. A 3b ábra a hőmérséklet eloszlást tünteti fel, amikor a csőben az olaj melegszik. Nyilvánvaló, hogy ebben az esetben, azaz a melegítés közben is előnyösebb lenne

HU 199979 Β a cső közepén áramló olajat, a fallal érintkezésbe hozni.

A továbbiakban a 4. ábrától kezdódőleg a találmány szerinti eljárást, és annak megvalósítására szolgáló betétek lehetséges kiviteli alakjai közül néhány példakénti kiviteli alakot ismertetünk. A bonyolult térbeli felület ábrázolási nehézségei miatt több esetben a betéteket a cső hossztengelyére merőleges metszeteikkel ábrázoltuk.

A 4a, 4b és 4c ábrák egy a találmány szerinti betétnek olyan kiviteli alakját tüntetik fel elöl-, oldal-, ill. felülnézetben, a 4d ábra az a-g szelvényekben, amely a hullámos áramlásnál jól alkalmazható. A vízszintes vagy ferde 1 cső tengelyén áthaladó függőleges síkra szimmetrikus betét az 1 cső alsó részéből fölülve szállítja a folyadékot. Az ábra olyan változatot mutat be, amelynél a folyadék keresztmetszete kisebb, de a betét a szükség szerint alakítható ki. Pl. a folyadékkal kitöltött rész lehet a keresztmetszet 2/3-a vagy 1/4-e is, sőt, a belépésnél és a kilépésnél különböző is lehet az aránya. Erre akkor lehet szükség, ha a közeg áramlási sebessége kicsi, igy a folyadék felemeléséhez szükséges energiát úgy lehet biztosítani, hogy a gázfázist a keresztmetszet csökkentésével felgyorsítjuk, igy az megszívja a folyadékot. Ez természetesen növeli az ellenállást, de adott esetben szükséges lehet.

Az 5. ábra egy olyan találmányunk szerinti kiviteli alakot mutat be az 1-5 szelvényekben, amely az 1 cső fala mentén áramló közeget cseréli ki az 1 cső közepén áramló közeggel. Itt a betét két részből álló szegmensből áll, azaz az 1 cső fala mellett áramló közeget két csatornába vezeti, mig a 6. ábrán az 1-5 szelvényekben látható betét három 2-5 részekből álló szegmensből áll, tehát ugyanerre három csatornát alkalmaz. A csatornák száma természetesen ennél nagyobb is lehet. A szegmens 2, 3, 4 és 5 részekből all, amelyek közül a 4 rész a találmányi gondolat lényeges részét képező válaszfal, amelyet a 2, 3 és 5 részek élekként határolnak.

A találmány szerinti betétek egy lehetséges előállítási módja az, ha fémlemezből készítjük őket, egy-egy betét két vagy több darabból állhat, melyeket egymáshoz erősítünk hegesztéssel vagy más szilárd rögzítéssel. Egy ilyen lehetséges kiviteli alakot mutatnak be a 7a, 7b, 7c ábrák elöl-, oldalés felülnézetben, a 7d ábrán az a-f szelvényekben. Mint a rajzon látható, a példa szerinti kiviteli alak két egymásra szimmetrikus darabból (a továbbiakban szegmensből) van összeállítva, melyek egyenként az 1 csőben lévő hengeres térrész felét, 180°-os tartományát foglalják el. Természetesen olyan megoldás is lehetséges, ahol az elem három darab 120°-os tartományt átfogó szegmensből van összeszerelve, sőt ennél több szegmens is elképzelhető. Az ábrán látható, hogy a betét hosszúsága közel all az 1 cső átmérőjének a méretéhez, célszerűen annak 1-3-szorosa. Ez az 1 cső hosszúságánál minden esetben lényegesen kisebb. A betét hosszanti képén nyilakkal feltüntettük a közeg áramlását, a kép felső részén azoknak a közegrészeknek az útja látható, amelyek eredetileg az 1 csq fala mentén áramlottak,· a kép. alsó részén pedig azoké, amelyek eredetileg az áramlás magjában haladtak. Megjegyezzük, hogv az Rí jelű áramlási irányból indultunk ki, de az Rz irány szerint is beépíthetjük a betéteket az 1 csőbe. A keresztmetszeti arányokat mindig a tervezett áramlási irány szerint kell kialakítani.

Noha a betét egy-egy 2-5 részekből álló szegmense mindig egy darabból - pl. egyetlen lemezből sajtolással - készül, a 2-5 részekből álló szegmens néhány, a működés szempontjából fontos részét külön tételszámmal jelöljük. A felső szegmens részeit ’, az alsó szegmens megfelelő részeit ” jelöléssel különböztetjük meg.

A 2-5 részekből álló szegmensek 2 és 3 részei spirálisélek, amelyek csavarvonal alakban futnak körbe kiperemezve melyekre az jellemző, hogy a 2-5 részekből álló szegmensek teljes hossza mentén érintkeznek az 1 cső falával. A betét hossztengelye irányából nézve ezek a spirális élek két 180°-os szegmensből álló betét esetén mindkét oldalon 90-ΘΟ^οβ, három 120°-os szegmensből álló betét esetén 60-60°-os szögben érintkeznek az 1 cső falával.

Látható az is, hogy a betét a metszet felőli végén a két szegmens kihajlított 2 és 3 élei - melyek. ebben a metszetben 2’-2”, 3’-3” párosításban összeérnek - az 1 cső két átellenes pontján, a vízszintes szimmetriasiknak és az 1 cső belső hengerpalástjának metszésvonalánál indulnak, és a betét túlsó f metszet felőli végén a kiindulási helyzetükre merőleges helyzetben találkoznak. Ebben a metszetben a szegmensek élei 90°-kal elfordulva 2’-3’, 2”-3” párosításban érnek össze.

A 2’-3’, 2”-3” élek az 1 csó tengelye irányából nézve a palást teljes 360°-os kerületét érintik, és így a határréteget teljes egészében leválasztják arról. A szegmensek 2 és 3 élekkel határolt 4 válaszfal része felületei olyan térbeli alakzatok^ melyek az 1 cső falával folyamatos gorbületü, éles, iránytörés nélküli járatokat alkotnak. Ezek a járatok az a metszetben az 1 cső falával érintkező körgyűrű alakúak, egy 2-5 részekből álló szegmenshez a körgyűrű fele tartozik. Az a metszettől távolodva fokozatosan, éles iránytörés nélkül átmennek az f metszetben lévő félkör alakú keresztmetszetekbe, ’Aelyek az 1 cső középső részében vannak. A két 2-5 részekből álló szegmens által alkotott két félkör alakú idom koncentrikus csatornát képez az 1 cső tengelye körül. Ankét 2-5 részekből álló szegmens az f keresztmetszetben az S’-5” élek mentén, további az a keT

-611

III.' 199979 Β resztmetszetben a 2’-2” és 3'-3’’ spirál alakú élek találkozási pontjainál, tehát három helyen érintkezik egymással. A betéteket az 1 csőben úgy lehet rögzíteni, hogy az í metszetben az érintkezési éleknél az 1 cső tengelyében haladó huzalra, vagy szalagra erősítjük őket pl. ponthegesztéssei, vagy ragasztással. Más lehetőség lehet az, ha a 2’-2” és 3’-3” élek találkozásánál erősítjük a huzalokhoz a 2-5 részekből álló szegmenseket. Megoldás lehet még az is, ha a betétek külső átmérője, kissé nagyobb, mint az l cső belső átmérője, és így a betétek rugalmasságuknál fogva maradnak az 1 csőben.

A 7a, 7b, 7c ábrák a találmány szerinti ún. zárt szelvényű betétet mutatnak be elöl-, oldal- és felülnézetben, a 7d ábra az a-f szelvényekben, melynél az a szelvényben az 1 cső fala mellett áramló réteget továbbvezető csatorna az f szelvényben már egyáltalán nem érintkezik az 1 cső belső falával.

A hőcserélőkben alkalmazott csövek hosszúsága általában sokkal nagyobb, mint az átmérője, ezért minden esetben több betétet célszerű elhelyezni bennük. Ez nem teszi feltétlenül szükségessé, hogy az 1 cső fala melletti réteget egyetlen betéttel teljes egészében leválasszuk az 1 cső faláról. Az a í'ész, ami egyetlen betéten áthaladva a falon marad, a következővel leválasztható.

Egyszerűbb olyan ón. nyílt szelvényű betétet gyártani, melynél a korábbi 1 cső fala mellett áramló réteget továbbvezető csatorna körül az f szelvényben nem záródik be a válaszfal 4 része hanem a csatorna egyik határoló felülete az 1 cső belső fala. Erre mutat példát a 8a, 8b, 8c ábrák elöl-, oldalés felülnézetben. A 8d ábra az a-f szelvényekben ugyancsak két 2-5 részekből álló szegmens esetén. Ez nem távolítja el az 1 cső falától a mellette áramló közeg teljes egészét, viszont ha a következő betétet a hossztengely körül 90°-kal elforgatva helyezzük a csőbe, akkor az leválasztja az 1 cső faláról, amit az előző betét rajtahagyott.

A 8a, 8b, 8c, 8d ábrákon bemutatott találmány szerinti kiviteli alak szerkezetileg nagyon hasonlít a 7a, 7b, 7c, 7d ábrák szerinti megoldáshoz, csupán itt a csavarvonal alakú kiperemezett élek (a felső szegmensnél 2’ és 3’, az alsó szegmensnél pedig 2” és 3”) 90°-nál kisebb tartományt járnak körül, igy az f metszetben nem érnek össze. Ennek az a jelentősége, hogy az ilyen szegmensek gyártása egyszerűbb. A 8. ábrán is feltüntettük nyilakkal az áramlás irányát.

Előfordul kétfázisú közeg áramlásánál, hogy a változó üzemviszonyok miatt az 1 csőben az áramlás hol gyűrűs, hol hullámos. Mivel a 4. ábra szerinti betét a hullámos áramlásra jó, az 5-8 ábra szerinti betét viszont a gyűrűs áramlásra, ezek külön-külon történő alkalmazása nem minden esetben eleg hatásos. Ilyenkor célszerű ezeket a különböző típusú betéteket felváltva hely-.-zni az 1 csőbe. Egy másik megoldás, hogy olyan konstrukciót alkalmazunk, amely mindkét típusú áramlásnál hatásos. Ilyen megoldást mutat a 9. ábra. Ennél a 8. ábra szerinti kivitelű betétet a hossztengelye mentén elcsavartuk. Az 1 cső’ fala melletti rétegek és az áramlás magjának a felcserélése gyűrűs áramlásnál ugyanúgy létrejön, mint a 8. ábrán látható kivitelben, emellett azonban hul10 lémos áramlásnál a betét egyrészt felemeli az 1 cső alján áramló folyadékot a középvonalig, másrészt perdületet ad neki, amivel elősegíti a további emelkedést.

A 9. ábrán látható találmány szerinti betét az 1 cső tengelye körül 90°-kal van elforgatva, de hosszabb betétnél ennél nagyobb, akár ISO^-os elforgatás is lehetséges. Az is elképzelhető, hogy a nagyobb mértékű elforgatást két közvetlenül egymáshoz csatla20 kozó betéttel érjük el.

A találmányi gondolat alapján elkészített betéteknél a válaszfalak 4 része és az 1 csó fala közötti csatornák keresztmetszetének nagysága az 1 cső tengelye mentén különbö25 ző módon alakulhat. A legkisebb áramlási ellenállást általában akkor érjük el, ha a csatornák keresztmetszete állandó vagy közelítőleg állandó. Vannak esetek azonban, amikor ettől érdemes eltérni. Ilyen eset lehet pl.

viszkózus közegek hűtésénél, amikor a határréteget továbbvezető csatorna bővül. Emiatt az áramlás magját vezető csatorna szűkül, benne a közeg gyorsul, nyomása csökken, igy a betét után szívóhatást gyakorol a határréteget vezető csatornára, amivel elősegíti a határréteg leválasztását. Ennek a fordítottja all fenn a viszkózus közegek melegítésénél, ahol a határréteg a melegebb, ezért ezt a csatornát érdemes szűkíteni.

Claims (14)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás hőcserélő csöveiben áramló

   45 inhomogén összetételű és/vagy inhomogén fizikai állapotú közegek hőátadásának javítására, különösen kétfázisú vagy nagy viszkozitású közegek részére, azzal jellemezve, hogy a cső fala közelében áramló közegrá50 székét részben vagy egészben a cső tengelyének közeiébe vezetjük, az áramlás magjában haladó közegrészeket pedig a csőfal, közelébe vezetjük és/vagy a vízszintes vagy ferde csó alján áramló közegrészeket részben

   55 vagy egészben a csó felső részébe vezetjük, míg a csó felső részében áramló közegrészeket a csó aljára oly módon vezetjük, hogy eközben változtatjuk a közegrészeknek a csó tengelyétől való távolságát, továbbá hogy a

   60 közeg átterelését éles iránytörések nélküli folyamatos görbületü kényszerpályán végezzük; inajd végül ezt az eljárást a cső mentén szakaszosan többször megismételjük, miáltal az egymással párhuzamosan áramló, de kü65 lónbozö összetételű \ugy fizikai állapotú kö-713

   HU 199979 Β zegrészeket az áramlás mentén többször egymással helycserére kényszerítjük.
2. 2. Hőcserélő betét az 1. igénypont szerinti eljárás megvalósítására amely egy vagy több, - a betét elejétől a végéig tartó - fo- 5 lyamatos válaszfal részekből van készítve, azzal jellemezve, hogy a betét hosszúsága a csőátmérő 1-3-szorosa; a válaszfal részeinek (4) vastagsága a cső átmérőjének nagyságrendileg tized-, századrésze, és hogy a vá- '10 laszfalrészeknek (4) az áramlás mentén elhelyezkedő felülete folyamatos görbületű térbeli felület; továbbá hogy a betét eleje és vége között a cső (1) egyetlen áramlási csatornája helyén két vagy több, egymástól a betétet 15 alkotó falak által teljesen elválasztott csatorna van kialakítva, mely csatornák határoló falait a betétet alkotó válaszfal részek (4) és a cső fala képezi, és hogy legalább egy csatorna középvonalának távolsága a cső (1) 20 tengelyétől a betét elején nagyobb, mint a betét közepén vagy annak végén.
3. 3. A 2. igénypont szerinti hőcserélő betét azzal jellemezve, hogy a cső (1) fala és a válaszfalrészek (4) között kétféle típusú csa- 25 torna van kiképezve melyek közül az első típusnál a betét elején a csatorna és a cső (1) tengelye közötti távolság nem kisebb, mint a cső (1) belső sugarának egyharmada, a betét végén pedig nem nagyobb, mint a válaszfal 30 és az esetleg alkalmazott egyéb szerkezeti anyag (pl. rögzítő huzal) vastagsága miáltal a csatorna és a cső (1) tengelye közötti szakasz zárt keresztmetszetű; a másik tipusú csatornánál viszont a betét elején a csatorna 35 és a cső (1) tengelye közötti távolság nem nagyobb, mint α válaszfalrósz (4) és az esetleg alkalmazott egyéb szerkezeti anyag (pl. rögzítő huzal) vastagsága, és hogy a betét végén pedig ez a távolság nem kisebb, mint 40 a cső (1) belső sugarának egyharmada.
4. 4. z\ 3. igénypont szerinti hőcserélő betét azzal jellemezve, hogy az ún. zárt szelvényű betét, azaz a betét végén az első típusú csatorna és a cső (1) fala közötti tá- 45 volság nem kisebb, mint a válaszfalrész (4) vastagságának háromszorosa.
5. 5. A 3. igénypont szerinti hőcserélő betét azzal jellemezve, hogy az ún. nyílt szelvényű betét, azaz a betét végén az első tí- 50 pusú csatorna egyik határoló felületét a cső (1) fala alkotja.
6. 6. A 3-5. igénypontok bármelyike szerinti hőcserélő betét azzal jellemezve, hogy a teljes egészében vagy részeiben a cső (1) 55 tengelye körül el van csavarva.
7. 7. A 2. igénypont szerinti hőcserélő betét azzal jellemezve, hogy a betét a vízszintes vagy ferde cső (1) tengelyén áthaladó függőleges síkra szimmetrikus, továbbá a cső 60 (1) fala és a válaszfalrészek (4) között kétféle típusú csatorna van kiképezve, melyek közül az első típusnál α betét elején a csatorna egyik határoló felülete a eső (1) fala alsó része, a betét végén pedig a cső (1) fa- gg

   Kiadja az Országos Találmányi Hivatal, Budapest K 4914 la felső része, mig a másik típusú csatornánál viszont a csatorna egyik határoló felülete a betét elején a cső (1) fala felső része, a betét végén pedig a cső (1) fala alsó része.
8. 8. A 2-7. igénypontok bármelyike szerinti hőcserélő betét azzal jellemezve, hogy vfllaszfalrészekböl (4), két vagy több lemezdarabból van hegesztéssel vagy más szilárd rögzítéssel összeszerelve.
9. 9. A 4. igénypont szerinti hőcserélő betét azzal jellemezve, hogy az két olyan egymásra szimmetrikus lemezdarabból (szegmensből) van összeállítva, melyek egyenként a csőben (1) lévő hengeres térrész felét, azaz a csőtengely körüli tér 180°-os tartományát foglalják el; és hogy a két Irészekböl (2—5) álló) szegmens szélein kiperemezett élek (2,' és 3’, illetve 2” és 3”) vannak melyek a betét elején 2'-2, illetve 3’-3” párosításban összeérnek, a betét végén pedig 2’-3’, illetve 2”-3” párosításban összeérnek, míg a közbenső szakaszon hézagmentesen érintkeznek a hengerpalásttal és hogy az érintkezés vonala 90°-os szögben elforduló csavarvonal; továbbá hogy a két [részekből (2-5) állói szegmens a betét elején két helyen (a 2’-2”, illetve a 3*-3” élek találkozásánál), a betét végén egy helyen (az 5’-5” élek találkozásánál) adott esetben nem közvetlenül, hanem valamilyen rögzítő szerkezeten keresztül érintkezik egymással Ipl. ha a részekből (2-5) álló szegmensek egy hosszanti szalagra vagy huzalra vannak forrasztva), továbbá, hogy a betét közbenső részein a két Irészekböl (2-5) álló] szegmens között mindenütt hézag van kialakítva.
10. 10. Az 5. igénypont szerinti hőcserélő betét azzal jellemezve, hogy a hőcserélő betét két Irészekböl (2-5) állói szegmensből van összeállítva, és hogy a két [részekből (2-5) álló) szegmens kiperemezett élei (2’ és 3', ill. 2” és 3”) 90“-nál kisebb szögben elforduló csavarvonalak, ezért a betét végén a (2’ és 3’, ill. a 2” és 3”) lévő élek között hézag van kialakítva.
11. 11. A 2-10. igénypontok bármelyike szerinti hőcserélő betét azzal jellemezve, hogy a hőcserélő betétekből egy huzalra vagy más hosszúkás elemre szerelve adott térközzel több darab van a hőcserélő csőben (1) elhelyezve.
12. 12. A 2-10. igénypontok bármelyike szerinti hőcserélő betét azzal jellemezve, hogy két vagy több hőcserélő betét közvetlenül' egymás mellé (térköz nélkül) van a csőbe (1) beszerelve.
13. 13. A 11. vagy 12. igénypont szerinti hőcserélő betét azzal jellemezve, hogji a cső (1) tengelye mentén egymást követő betétek egymáshoz képest elforgatva a cső (1) tengelye körül vannak elrendezve.
14. 14. A 11. vagy 12. igénypont szerinti hőcserélő betét azzal jellemezve, hogy a cső (1) tengelye mentén egymás után következő betétek közül legalább az egyik betét alakja eltérő a többi betét alakjától.