2. Hőátadás vizsgálata

A hő fogalmával több tantárgy ismeretanyagában találkozhatnak a diákok. A hőátszármaztatás a gyakorlatban valamilyen hőcserélő berendezésben megy végbe. A műszaki, mérnöki gyakorlatban a hőcserélő berendezések méretezése, optimális üzemeltetési paramétereinek meghatározása mind az üzembiztonság szempontjából, mind energetikai megfontolásokból kiemelt terület. A középiskolai tananyagra és a szakkör eddigi ismeretanyagára támaszkodva a diákok egy valós mérnöki kalorikus méretezési problémának a megoldására vállalkozhatnak, és ehhez kapnak segítséget. A gyakorlat keretében olyan mérési és számítási metódusok ismertetésére kerül sor, amelyek az eddig elsajátított ismereteket valós körülmények közé helyezik, és betekintést engednek a mérnöki-műszaki életbe.

Gyakorlat célja

A lemezes hőcserélő LINK elsősorban híg oldatok hőkezelésére, pasztőrözésére, esetleg sterilezésére szolgáló berendezés. A lemezes hőcserélőket az ipar számos ágazata használja (tej, olaj, konzerv, üdítő, erjedési iparok LINK ). A lemezes hőcserélőket LINK az épületgépészetben is használják, elsősorban a fűtési rendszerek kialakításánál. A konvektív (áramlásos) hőátvitel alapvető ipari berendezésének a megismerésén keresztül a konvektív hőcsere elméleti és számítási gyakorlatába is betekintést kapunk.

A gyakorlat elméleti háttere

Konvekciós, vagy más néven áramlásos hőátvitel esetében a fluidumok molekulái, vagy molekulacsoportjai helyváltoztató mozgásával adódik át a hőenergiát a hőmérsékletgradiens (hőmérsékletkülönbség) hatására. Szabadkonvekció LINK esetében a fluidumok mozgását a hőmérsékletkülönbség indukálta sűrűségkülönbség okozza (Archimédeszi felhajtóerő), kényszerített konvekció során valamilyen külső erőt alkalmazunk a fluidum mozgatására (ventilátor, szivattyú, keverő) LINK . A kényszerkonvekció tipikus esete az átáramlásos hőcserélők alkalmazása LINK. Egy folyamatos üzemű berendezésben átáramló közeg által felvett, vagy leadott hőáram () számítható a fluidum tömegáramának (), fajhőjének () és hőmérsékletváltozásnak () a függvényében.

Az átáramlásos hőcserélők esetében a melegebb közegből a fal felé konvekciós hőtranszport indul meg, amely a falban, illetve az annak két oldalán kialakuló határrétegen keresztül hővezetéssel továbbítódik, majd az alacsonyabb hőmérsékletű fluidum esetében újra hőáramlás játszódik le LINK . Az összetett hőátszármaztatási művelet intenzitásának a jellemzésére vezették be a hőátbocsátási tényező paramétert. Figyelembe véve, hogy a konvekciós hőtranszport intenzitása a hőátadási tényezővel (), a kondukciós hőtranszporté a hővezetési tényezővel () jellemezhető a k hőátbocsátási tényező (egyrétegű síkfalban lejátszódó hővezetést feltételezve) a következőképpen adható meg:

A hőátadási tényező a Nusselt függvények segítségével megadható Nu számból számítható ki.

Bordázott felületek esetében a lokális turbulencia miatt a stabil turbulens áramlás kritikus Re szám értéke lényegesen kisebb (˜800), mint síkfalak esetében. A Nusselt függvények alakja lamináris és turbulens áramlás esetén a következő:



A hőcserélőben való átáramlás során azonban a közegek hőmérsékleteinek különbsége (vagyis a hőátviteli folyamat hajtóereje) változik. A változó hajtóerő számszerű, egy paraméterrel történő jellemzésére használatos a közepes (logaritmikus) hőmérsékletkülönbség (). A közegek áramoltatása alapján egyenáramú, illetve ellenáramú kialakítás esetében a közepes logaritmikus hőmérsékletkülönbség (LINK) a következő összefüggéssel adható meg:

(Keresztmetszet-hőmérséklet (A-t) diagram egyen-, és ellenáramú kapcsolásnál)

A hőcserélőn átment hőmennyiséget tehát, a meleg és a hideg közeg hőmérsékletének változásán és a berendezés effektív felületén kívül a hőátbocsátási tényező (k) is befolyásolja. Ezek ismeretében az átszármaztatott hőmennyiség a következőképpen írható fel:


Próbáljon válaszolni az ellenőrző kérdésekre. Amennyiben nem tud, vagy nem biztos a válaszban olvassa el a leírást, illetve nézze meg újra a kisfilmet.

  • • Milyen feladatokra alkalmazhatóak a hőcserélő berendezések?
  • • Hogyan épül fel egy lemezes hőcserélő berendezés?
  • • Mi a különbség egy egyenáramú és egy ellenáramú rendszerű hőcserélőberendezés között?
  • • Mely paraméterekből számítható egy hőcserélő berendezés hőteljesítménye?
  • • Hogyan lehet számítani a hőátbocsátási együtthatót hőcserélők esetében?
  • • Hogyan hat a közegek hőmérsékleteinek változása a hőcsere folyamatára?