HU185549B - Heat and material transferring device of incerased effectiveness - Google Patents

Description

A találmány tárgya növelt hatékonyságú anyagátadó készülék folyadék és gáz vagy gőz halmazállapotú közegek közötti hő- és/vagy anyagátadásra, amelyekben a bevezetett közegek — legalább részben — közvetlenül érintkeznek egymással.

Az ilyen készülékek különböző típusait az energiaiparban (erőművekben és kazántelepeken) termikus gáztalanítóként alkalmazzák, azonban mind az energiaiparban, mind más iparágakban is alkalmaznak hasonló elven működő készülékeket (például a vegyipar, a vízgazdálkodás, stb. különböző készülékei, kolonnái), ahol folyadék és gáz vagy gőz halmazállapotú közegek között hő- vagy anyagátadás a feladat olyan feltételek mellett, hogy a bevezetett közegek legalább részben érintkeznek egymással.

Az anyagátadást vagy hő- és anyagátadást együttesen végző hagyományos készülékek működését hátráltató két fő probléma a folyadékfázis felszínén fellépő felületi feszültség és a folyadékáramlás lamiláris jellege. A felületi feszültség az általa okozott nyomáskülönbség révén akadályozza a folyadékból történő gázdiffúziót, a lamináris áramlás pedig a hosszú diffúziós és hővezetési utak révén mind a gázdiffúziót, mind a hőközlést késlelteti.

Hő- és/vagy anyagátadást végző készülékek, például termikus gáztalanítók jellegzetes típusa az, amelyben egymás fölött tálcák vannak elhelyezve, ezeken folyadékrcteg van és a tálcák nyílásain, például furatain keresztül folyik ki a folyadék; a gőz (vagy gáz) pedig általában a folyadék áramlásával ellentétesen, felfelé, vagy keresztirányban áramlik. Ezeknek az elterjedten alkalmazott úgynevezett kaszkád rendszerű készülékeknek illetve gáztalanítóknak az előnye a viszonylag nagy „felületsűrűség”, azaz hogy egy adott készüléktérfogaton belül viszonylag nagy folyadékfelszín érhető el és így a készülék mérete aránylag kedvező lehet. Az ilyenfajta készülékek aránylag kis alapterületet is igényelnek, mert általában álló hengeres kivitelben készülhetnek.

Ezen készülékeknél is hátrányos azonban, hogy a tálcanyílásokon átfolyó vízsugár legtöbbször lamináris, mert a kedvezőbb felületsűrűség érdekében kis nyílásméreteket, például furatátmérőket alkalmaznak és ezáltal a folyadéksugár Reynolds száma (továbbiakban Re szám) is kicsi lesz. Ezért a készülékméretet növelni kell. Ennek ellenére sokszor nem érhető el a kívánt hatékonyság, például a gáztalanítás előírt mértéke. Ez utóbbi esetben egy külön pótlólagos készüléket, az úgynevezett útóforralól alkalmaznak.

A felsorolt hátrányok csökkentésére már korábban is alkalmaztak különböző megoldásokat. így például a készülékbe juttatott folyadékot finoman szétporlasztották. Ezzel a megoldással ugyan a diffúziós, illetve a hővezetési utakat csökkentették és a folyadékfelszínét is növelték azonban a felületi feszültség az apró cseppeken jelentő sen növekedett és a lamináris jelleg is megmaradt. To vábbi problémaként jelentkezett, hogy a folyadék szétporlasztásához többletenergia (túlnyomás létesítése) is szükséges volt. így a porlasztási eljárással sem lehetett lényeges javulást elérni, sőt az utóforraló alkalmazását sem lehetett sok esetben elkerülni.

A találmány célja a gázdiffúziót és a hőközlést akadályozó — fent leírt — tényezők kiküszöbölése, illetve lényeges csökkentése, ezáltal, hogy a tálcanyílásokon kifolyó folyadéksugarakat, sőt ezen túlmenően is a tálca feletti vízréteget nagymértékben turbulenssé tesszük. így a készüléken belül totális turbulencia biztosítható, optimális „felületsűrűség” mellett.

Turbulens áramlásban a folyadéksugár belsejében és felületén elhelyezkedő vízrészecskék gyakran és gyorsan cserélődnek, ezáltal a hőközlés jellege megváltozik, mert a lassan hővezetési folyamat helyett a lényegesen hatásosabb konvekciós (felületmenti) hőátadás lép fel. A fenti okok miatt a gázkiválás is sokkal hatásosabbá válik, mert ϊθ a lassú diffúzió helyett felületi gázkiválás történik.

A fenti cél érdekében végzett kísérletek azt mutatták, hogy a hagyományos készülékek furatos tálcáin kifolyó folyadéksugarak — különösen a tálca közelében — még messze a kritikus Re szám (2320) felett is laminárisak g maradtak. Ennek a jelenségnek a magyarázata a furatokban fellépő konfúzoros átfolyás áramlásrendező hatása.

Ezzel magyarázható, hogy a hagyományos készülékeknél csak körülbelül 7000—9000 Re számnál vált át az áramlás határozottan turbulenssé.

2q A találmány azon a felismerésen, majd az azt követő — kísérleti igazolást nyert — eredményen alapul, hogy ha a tálca feletti folyadékréteget — az eddigi megoldással merőben ellentétesen — nem hagyjuk nyugvó állapotban, hanem határozott irányú és sebességű mozgásra késztet25 jük, akkor az áramlás energiájával megfelelő módon (később részletezve) turbulencia hozható létre.

Az áramlás létrehozása már önmagában is turbulenssé tette a tálca feletti vízréteget, azonban még nem tette a kifolyó vízsugarakat is turbulenssé. A kísérleti eredmények

3Q szerint a tálca feletti vízréteg áramlása a kifolyó vízsugarak jellegét — az áramlás saját turbulenciája ellenére — még nem változtatta meg.

Azonnal kedvező változás mutatkozott azonban, és a kifolyó folyadéksugarak is nyomban nagyfokban turbu35 lenssé váltak, amint közvetlenül a tálca kifolyó nyílásai elé, az áramlás útjába a tálca síkjából kiemelkedő turbulenciaképző elemeket helyeztünk. Ekkor — a konfúzoros áramlás rendező hatása ellenére — a kifolyó nyílás felett mesterségesen felerősített turbulenciájú alapáramlás mi40 att nemcsak a kritikus Re számtól (2320) vált turbulenssé az áramlás, hanem már jóval ezen szám alatt is, kb. 1000 Re számtól kezdődően.

A találmány tárgya növelt hatékonyságú hő- és anyagátadó készülék, folyadékok és (gázlégnemű vagy gőz) hal45 mazállapotú közegek közötti hő- és/vagy anyagátadásra legalább részbeni közvetlen érintkezés útján, amelyben legalább egy folyadékfázist áramoltató tálca (és/vagy nyitót: csatorna) van elhelyezve.

A találmány lényege abban van, hogy a tálcán és/vagy a nyitott csatornán legalább egy, a folyadékfázist átvezető olyan nyílás van kiképezve, amely előtt — a folyadékfázis áramlási irányát tekitve — a tálca síkjából kiemelkedő — prizmatikus és/vagy hengeres kialakítású — turbulenciát kiváltó elem van elhelyezve. A tálca és/vagy nyitott csa55 torna felett azzal párhuzamos vagy hegyesszögű tengellyel legalább egy a folyadékfázist rávezető vezetékvég — előnyösen csővég — helyezkedik el. A tálca — és/vagy nytott csatorna — a folyadék áramlási irányában a vízszintessel oly módon zár be hegyesszöget, hogy a turbu60 lenciát kiváltó elem a hozzá tartozó nyílás magasabban elhelyezkedő részénél van kialakítva.

A folyadékréteget hordozó tálcán és/vagy nyitott csatornán (a továbbiakban tálcán) áramlás létrehozzása a turbulencia képzés fontos feltétele; az áramlás létrehozá-21

185 549 sának lehetőségei közül két megoldás emelhető ki. Egyrészt az, hogy a folyadéknak a tálcára való rávezetésére szolgáló vezeték(ek) — előnyösen cső — tengelye annak kilépő nyílásánál a tálca síkjával párhuzamosan helyezkedik el, vagy azzal hegyes szöget zár be és a csatorna kilé- g pő nyílása a tálcánál magasabban helyezkedik el, hogy ezáltal a készülékbe belépő vízsugár impulzusa a tálcán határozott irányú áramlást hozzon létre. Az áramlás létrehozásának egy másik lehetősége, hogy a folyadékréteget hordó tálca a vízszintes síkkal olyan módon zár be ₍θ szöget, hogy a turbulenciát kiváltó elem a hozzátartozó nyílás magasabban elhelyezkedő részénél van rögzítve, ezen utóbbi esetben a gravitációs hatás hozza létre a folyadékáramlást.

A találmány szerinti növelt hatékonyságú hő- és anya- ] 5 gátadó készülék működését kiviteli példák alapján ismertetjük részletesebben. Az ábrák a készülékben lévő egyik tálca találmány szempontjából lényeges részletét tüntetik fel. Az

1. ábra egy olyan kiviteli alakot ábrázol, amelynél a 20 tálca feletti folyadékréteg áramlását egy csövön át belépő vízsugár hozza létre, a

2. ábra azon kiviteli alakot ábrázolja, ahol a tálca a vízszintes síkkal szöget zár be.

Amint az 1. ábrán látható, a folyadékréteget hordozó 1 25 tálca — és/vagy nyitott csatorna — feletti folyadékréteg áramlását a készülékbe a 4 csővégen keresztül belépő folyadéksugár impulzusa hozza létre. A turbulenciát kiváltó 3 elemet pedig egy, a kifolyó 2 nyílás előtt az 1 tálcához erősített huzal alkotja, amely az áramló 30 folyadékréteget maga után és így a kifolyó 2 nyílás felett nagyfokban turbulenssé teszi. Ezáltal az ugyanazon nyíláson kifolyó folyadéksugár is nagyfokban turbulenssé válik. Az áramlási irányokat a tálca feletti folyadékrétegben, továbbá a belépő- és kifolyó folyadéksugarakban 35 nyilak tüntetik fel az ábrán.

A 2. ábra szerinti kiviteli változatnál pedig az 1 tálca feletti folyadékréteg áramlása azáltal jön letre, hogy az 1 tálca a vízszintessel szöget zár be, azaz az 1 tálca vagy annak egy része a készülékbe a vízszintes síkhoz képest 40 ferdén van elhelyezve. A turbulenciát kiváltó 3 elemet itt az 1 tálca lemezének anyagából sajtolással kinyomott felhajtás képezi. Ezen sajtolási művelet által az 1 tálca lemezében egyúttal a 2 nyílás keletkezik, amelyben — az

1. ábrához hasonló elvek miatt — a kifolyó folyadéksugár 45 nagyfokban turbulens lesz. A folyadék áramlási irányokat — az 1. ábrához hasonlóan — itt is nyilak tüntetik fel.¹

Az 1. és 2. ábrákon bemutatott megoldások lehetséges k^:viteli példái a találmányunknak. A találmány oltalmi körén belül természetesen számos kiviteli példa is lehet.

A találmány előnyei közé tartozik, hogy az elterjedten használt kaszkád megoldású hő- és anyagátadó készülékekkel (például termikus gáztalanítókkal) szemben — ahol a fellépő Re számok miatti nagyrészben lamináris folyadéksugarak, — rétegek és -cseppek vannak — a találmány szerinti megoldásnál a ki-, illetve lefolyó folyadéksugarak nagyfokban turbulensek lesznek, sőt többlet turbulens áramlási felület adódik még a folyadékréteg hordozó 1 tálcák felszínén is.

A turbulens folyadékfelület — a laminárisénál lényegesen kedvezőbb hő- és anyagátadási tulajdonságai miatt — egy sor előnyt jelent a találmány szerinti készülékeknél, így egyrészt töredékére csökkenthető a készülék mérete, másrészt a hatásossága (például a gáztalanítás mértéke) is lényegesen javul, továbbá — a ki nem elégítő hatásosság miatt — eddig sok esetben beépített készülékrész, az utófcrraló is, elhagyható.

Claims (1)

1. SZABADALMI IGÉNYPONT

   Növelt hatékonyságú hő és anyagátadó készülék, folyadék/ok és légnemű halmazállapotú közegek közötti hő és/vagy anyagátadásra, ahol legalább egy a folyadékfázist áramoltató tálca és/vagy nyitott csatorna van elhelyezve; a tálca/ák a készülék házában van/vannak rögzítve; és hogy a ház a különböző halmazállapotú közegeket be-ill. kivezető nyílásokkal rendelkezik, azzal jellemezve, hogy a tálcán (1) és/vagy a nyitott csatornán legalább egy a folyadékfázist átvezető olyan nyílás (2) van kiképezve amely előtt — a folyadékfázis irányát tekitve — a tálca síkjából kiemelkedő prizmatikus és/vagy hengeres kialakítású turbulenciát kiváltó elem (3) van elhelyezve: továbbá, hogy a tálca (1) és/vagy nyitott csatorna fölött azzal párhuzamos vagy hegyesszögű tengellyel legalább egy, a folyadékfázist rávezető vezetékvég, — előnyösen csővég (4) — helyezkedik el; és/vagy hogy a tálca (1) és/vagy a nyitott csatorna a folyadék áramlási irányában a vízszintessel oly módon zár be hegyes szöget, hogy a turbulenciát kiváltó elem (3) a hozzá tartozó nyílás (2) magasabban elhelyezkedő részénél van kialakítva.