Hőtani elmélkedések

Múlt számunkban megkértük Olvasóinkat, hogy javasoljanak témákat, melyek érdeklődésre tarthatnak számot. A kapott ötletekből a hőtani alapfogalmak felelevenítése látszott legáltalánosabbnak, ezért ezzel kezdjük a cikksorozatot. A hőátadás életünk szinte minden mozzanatának velejárója, egy 2 oldalas cikk a főcímeknek még a felsorolására sem elég. Ezért csak néhány alap- fogalmat, a legáltalánosabb képleteket érintjük, majd önkényesen tárgyalunk néhány téves állítást, melybe jártunkban-keltünkben belebotlottunk, abban a reményben, hogy a fizikai-kémiai háttér megvilágítása segíthet az érdeklődőknek.

Hőátadó berendezéseinkben

• vagy közvetlenül érintkeznek a fázisok,
• vagy fallal választjuk el a meleg hőleadó és a hideg hőfelvevő közegeket.

Első esetben nemcsak hő, hanem anyagátadás is történhet a két fázis között. Érdekes példa a hűtővíz torony, melyben a vízfüggönyön áttörő levegőbe belepárolog a felmelegedett hűtővíz egy része, hogy a maradék visszahűljön. Azért ezt a folyamatot ragadtuk ki, mert látszólag ellentmondásos. A levegő nyáron melegebb is lehet, mint a belépő víz, mégis vissza tudja azt hűteni, ha van benne elég „páraéhség”. Télen viszont, habár jó hideg, alig tud hűteni a levegő, ha a páratartalma eleve magas a ködös időben. Ha fallal választjuk el a közegeket, azaz kizárjuk az anyagátadás lehetőségét közöttük, akkor egyszerűsödik a kép, csak a hő tud átmenni a falon, csak hidegebb közeg képes egy másikat hűteni.

Kondenzátor

Vákuum szárítással kapcsolatban merült fel az a „hiba”, hogy a szerves oldószer veszteség nagy, mert nem jó a noname vákuum szivattyú kondenzátora. Bezzeg, ha a német pumpára lett volna pénz annak idején… – kesergett egy gépész barátunk. Szerintünk a német gépgyártás sem tudja megerőszakolni a fizika törvényeit. A leghasznosabb, legáltalánosabb képlet a hőátbocsátás egyenlete:

Elég hosszúra nyúlt a fenti képlet, de szándékosan nem használtuk a DeltaT kifejezést. A pongyolaság súlyos tévedéshez vezethet, ha mondjuk a hűtővíz felmelegedésének mértékét helyettesítenénk a képletbe, pedig azt is DeltaT-nek mondhatjuk. A kondenzátor meleg oldalán:

míg a hideg oldalon:

A lényeg tisztánlátása érdekében nem bonyolítjuk a képet pár százalékos effektusokkal, mint

• a hőveszteség,
• a párakondenzátum forrpontról való tovább hűtése

A fenti képletekből jól látható, hogy nagyságrenddel több hűtőközeg kell a lecsapott pára mennyiségéhez viszonyítva. Különösen víz esetén igaz ez, melynek fajlagos párolgáshője sokszorosa a szerves oldószerekének.

Hűtővíz esetén 5-10°C hőmérséklet emelkedés szokásos, tehát 1 kg hűtővíz 20-40 kJ (idősebbek kedvéért 5-10 kilokalória) hőt tud elvonni, amit század-ötvened résznyi – kb. 10-20 gramm víz- pára ad le. Tudatosan nem használtuk az áram szót, jóllehet egy hőcserélőben mindig folyamatosan áramoltatjuk az anyagokat.

Visszatérve a hőátbocsátás egyenletére, egy adott folyamatnál, egy létező kondenzátor esetén láthatjuk, hogy minden tényező adott. Tudjuk, hogy mennyi párát kell(ene) lekondenzálni, hogy mekkora a párolgáshője, mekkora a készülék hőátadó felülete. Egyetlen paraméter marad, a két közeg közti hőmérséklet különbség, amivel játszani lehet. Nézzük behatóbban ezt a fontos tényezőt, hiszen ez a hőátmenet hajtóereje. A hűtővíz bemenő hőmérséklete adott, a kilépővel játszhatunk valamelyest, de látható, hogy ha duplájára is emeljük a hűtővíz áramot, azaz a tervezési 10°C helyett 5 fokot melegedik, az átlag hőmérséklete csak 2,5 fokkal lesz alacsonyabb. A meleg oldalon a pára akkor tud kondenzálni, ha hidegebb a fal, mint a kondenzációs hőmérséklete (forráspontja). A forrpont a nyomás függvénye, azzal exponenciálisan nő. Ha túl nagy a vákuum tehát, mert nem szabályozható a vákuumszivattyú által előállított nyomás – túl jól tömített a rendszer – előfordulhat, hogy a pára forrpontja alatta van a hűtővíz hőmérsékletének. A vákuumszivattyú atmoszferikus kipufogó oldalán aztán már lecsapódik, és komoly galibát okozhat.

Gőzfűtés

A vegyipar legáltalánosabb hőforrása a telített vízgőz. Azért szeretjük, mert nem kell pumpálni, mint a forró vizet. 1 kg, mondjuk 2 bar túlnyomásos (133 fokos) gőz térfogata 606 liter. Amikor le- kondenzál, keletkezik 1 liter víz és 605 liter semmi. Ez a vákuum szívja oda az újabb 606 litereket. A gőzt azért is szeretjük, mert nem tudja a nyomásához tartozó hőmérséklet – példánkban 133°C fölé hevíteni a berendezést. Magától leáll a gőzáram tehát, mihelyt nem talál magánál alacsonyabb hőmérsékletű felületet. De ha talál, nincs menekvés. Hiába nem akarunk már fűteni, ha kicsit is át- ereszt a szelep, a vákuum beszívja a gőzt a radiátorba. Ugyanez a mechanizmus magyarázza, hogy miért okoz súlyosabb égési sebet, mint az izzó parázs.

Praxisunkból egy állítással vitatkoznánk, mely szerint áramlásmérővel kell szabályozni a fűtőgőz áramot. Fentiek alapján látható, hogy bőven elég – és mennyivel olcsóbb – nyomás alapján tar- tani a fűtendő tér hőmérsékletét, mivel a telített gőz nyomása egyértelmű összefüggésben van a hőmérsékletével. Gyakran elegendő a gőzreduktor, ami egy rugós szelep. A szekunder oldali nyomást visszavezetjük a „membránkalapjába”. Így ingadozhat a primer oldali nyomás, a szelep magától, segédenergia nélkül változatlanul tartja a szekunder értéket a rugó beállításának megfelelően.

Abban a reményben, hogy valami újat mondtunk, várjuk hozzászólásaikat, érdeklődésüket, kéréseiket a holimex@holimex.hu címünkön.