ısı değiştiricisi

1

ISI DEĞİŞTİRİCİSİ TASARIMI

Bir fabrikanın kirli suları yüksek sıcaklıkta bulunuyor. Atık ısı geri kazanımı amacıyla bir ısı değiştiricisi tasarımı yapılıp, imal edilip kullanılmak isteniyor. Fabrikada 300 kişi için 40°C ‘de temiz kullanım suyu günlük olarak hazırlanmak isteniyor Kirli suyun fabrika çıkış sıcaklığı 80°C ‘de bulunuyor. Çalışma planı; 

Isı değiştirici teorik hesabı



Isı transferi ve termodinamik hesapları



İmalat ve tasarım resimleri



Sonuç ve değerlendirme

2

1. GENEL BİLGİLER 1.1 GİRİŞ

Mühendislik uygulamalarının en önemli ve en çok karşılaşılan işlemlerinden birisi, farklı sıcaklıklardaki iki veya daha fazla akışkan arasındaki ısı değişimidir. Bu değişimin yapıldığı cihazlar, genelde ısı değiştiricisi veya eşanjör olarak adlandırılmakta olup, pratikte termik santrallerde, kimya endüstrilerinde, ısıtma, iklimlendirme, soğutma tesisatlarında, kimya araçlarında, elektronik cihazlarda, alternatif enerji kaynaklarının kullanımında, ısı depolaması vb. gibi birçok yerde bulunabilmektedir. Genellikle ısı değiştiricilerinde akışkanlar, birbirleri ile karıştırılmadan ısı geçişi yapılan bir yüzeyle birbirinden ayrılır.

Isı değiştiricileri yoğuşma ve buharlaşma gibi bir faz değişimi yoksa bunlara duyulur ısı değiştiricileri, içinde faz değişimi olanlara ise gizli ısı değiştiricileri, adı verilir. Diğer taraftan, buhar kazanları, nükleer santraller veya elektrikli ısıtıcılar da içlerinde ısı üretimi olan birer ısı değiştirici olmasına rağmen, literatürde genelde ayrı konular olarak incelenir.

Çoğunlukla ısı değiştiricilerinde akışkanlar, birbiriyle karıştırılmadan ısı geçişinin doğrudan yapıldığı, genelde metal malzeme olan katı bir yüzey ile birbirinden ayrılırlar. Bu tip ısı değiştiricileri yüzeyli veya reküparatif olarak adlandırılır. Dolgu maddeli veya rejeneratif olarak adlandırılan diğer tip ısı değiştiricilerinde, ısı geçişi doğrudan olmayıp, ısı önce sıcak akışkan tarafından döner veya sabit bir dolgu maddesine verilerek depo edilir, daha sonra bu dolgu maddesindeki bu ısı soğuk akışkana verilir. Genel olarak reküparatif ısı değiştiricilerindeki incelemeler zamandan bağımsız olmasına rağmen, rejeneratif ısı değiştiricilerindeki incelemeler zamana bağlıdır.

Isı değiştiricileri ısı geçiş şekline, konstrüksiyon özelliklerine, akış düzenlenmesine, akışkan sayısına veya akışkanların faz değişimlerine göre sınıflandırılabilir.

3

1.2 ISI DEĞİŞİM ŞEKLİNE GÖRE SINIFLAMA

Bu sınıflamada ısı değiştiricileri, akışkanlar arasında veya bir katı cisim ile akışkan arasında doğrudan doğruya bir temasın olduğu ve olmadığı şekillerde olmak üzere iki grupta göz önüne alınır.

1.2.1 Doğrudan Temasın Olduğu Isı Değiştiricileri

Bu tip ısı değiştiricileri içinde farklı sıcaklıklardaki akışkanlar veya bir akışkan ile katı maddeler birbirleri ile doğrudan doğruya karıştırılır veya temasa geçirilir.

İki farklı sıcaklıktaki akışkanın temasa geçirildiği sistemlerde, genellikle akışkanlardan birisi gaz, diğeri ise buharlaşma basıncı küçük olan bir sıvıdır. Isı geçişi işleminden sonra, iki akışkan birbirinden kendiliğinden ayrılır. Endüstriyel işlemler sonucu ortaya çıkan ısının atılması için pratikte çok kullanılan soğutma kuleleri bu tip ısı değiştiricilerine iyi bir örnektir. Soğutma kulelerinde damlalar veya ıslak dolgu maddeleri üzerindeki su, atmosferik hava ile soğutulur. Çoğunlukla su yerçekimi ivmesi ile aşağı düşerken, hava doğal veya zorlanmış olarak su yüzeyleri üzerinden akar (Şekil 1.1)

Şekil 1.1 Doğal ve zorlanmış soğutma kuleleri

4

Su buharının kullanıldığı endüstriyel tesislerde, buhar akışının düzenlenmesinde kullanılan buhar akümülatörleri de doğrudan temaslı birer ısı değiştirici olarak göz önüne alınabilir. Burada buhar akümülatörü dolarken buhar yoğuşarak ısısını suya verir ve akümülatörün basıncını arttırır, boşalırken ise basınç azalırken su buharlaşarak sisteme buhar sağlar.

Farklı sıcaklıktaki katı maddeler ile gazların doğrudan temasta olduğu sistemler, pratikte genellikle bu maddelerin kurutulması veya soğutulması işlemlerinde kullanılır. Kurutma, maddeler içindeki su veya kolayca buharlaşabilen sıvıların, buharlaşma yoluyla bu maddelerden uzaklaştırılma işlemidir. Bu işlem esnasında ısı geçişi yanı sıra, kütle geçişi de vardır. Tepsili, konveyör, döner ve sprey tipi sistemler, endüstride kurutma işlemlerinde karşılaşılan belli başlı örneklerdir.

Kurutma işleminde kullanılan diğer bir yöntemde akışkan yataklı sistemlerdir. Bu sistemde, genellikle gaz olan akışkanlardan birisi içine küçük kum, kömür gibi katı tanecikler ilave edilerek, bu taneciklerin geçemeyeceği bir dağıtıcı üzerinde yatak oluşturulur. Taneciklerden meydana gelen bu yatakta düşey yönde gaz akışı sağlanırsa, küçük gaz hızlarında gaz hareketsiz tanecikler arasından geçer. Sabit yatak adı verilen bu durumda ortam, katı karakter özelliğindedir. Hızın biraz artırılması durumunda, tanecikler titreşmeye başlayarak dar bir alanda hareket ederler. Hız biraz daha artırılır ise, taneciklere etki eden ağırlık kuvveti ile direnç kuvveti denge haline gelir ve tanecikler gaz içinde asılı durumda gelişi güzel hareket eder. Bu duruma minimum akışkanlaşma hızlı yatak adı verilir. Gaz hızının biraz daha artması durumunda düzgün akışkanlaşmış yatak elde edilir. Bundan sonra gaz hızının daha da artırılması durumda, gaz habbecikler halinde çıktığından habbeli akışkan yatak elde edilir. Hız daha da artırılır ise taneciklerin gaz ile taşındığı pnömatik transport oluşur. Akışkan yatakların aynen bir sıvı özellikleri göstermesi nedeniyle bu adı almıştır.

5

1.2.2 Akışkanların Arasında Doğrudan Temasın Olmadığı Isı Değiştiricileri

Bu tiplerde ısı, önce sıcak akışkandan iki akışkanı ayıran bir yüzeye veya bir kütleye geçer. Daha sonra bu ısı bu yüzeyden veya kütleden soğuk akışkana iletilir. Yüzeyli, dolgu maddeli ve akışkan yataklı ısı değiştiricileri olmak üzere üç grupta incelenebilir.

Doğrudan ısı geçişi olan ısı değiştiricileri: Bu tip ısı değiştiricilerinde farklı sıcaklıklardaki iki akışkan, ince cidarlı bir boru veya levha yüzeyleri ile birbirinden ayrılır. İki akışkan ısı değiştirici içinde birbirlerine karışmadan hareket ederler. Bunların içinde hareketli bir makine elemanı yoktur ve bazen bunlar literatürde reküparatif ısı değiştiricileri olarak da adlandırılır. Pratikte karşılaşılan önemli tipleri, borulu, levhalı ve kanatlı yüzeyli ısı değiştiricileridir.

Isının depolandığı ısı değiştiricileri: Bunlarda önce sıcak akışkan belirli bir süre değiştirici içindeki dolgu maddesinin yüzeyleri üzerinden geçirilerek dolgu maddesi ısıtılır. Daha sonra ısınan bu dolgu maddesinin yüzeyleri üzerinden soğuk akışkan geçirilerek ısınması sağlanır. Bu tipten ısı değiştiricilerine rejeneratör adı da verilir. Gaz türbinli taşıtlarda, iklimlendirme tesisatlarında ısı geri kazanması için ısı tekerleği olarak, yüksek fırınlarda, cam fabrikalarında ve buhar kazanlarında Ljungstrom tipi hava ısıtıcısı olarak kullanılabilir.

Şekil 1.2 Akışkan yataklı ısı değiştirici

6

Akışkan yataklı ısı değiştiricileri: Akışkan yatağa, içinden diğer bir akışkanın geçtiği ısı geçiş boruları yerleştirilerek, taneciklerin doğrudan kurutulması yanı sıra, aralarında temasın olmadığı bir ısı değiştiricisi tipi de elde edilebilir (Şekil 1.2). Yatak içindeki taneciklerin gelişi güzel hareketleri, ısı geçişini artırır ve yatak içinde yaklaşık sabit bir sıcaklık dağılımı sağlar. Akışkan içine yerleştirilen bir ısı değiştirici yüzeyi etrafındaki ısı taşınım katsayısı, aynı gaz hızındaki ısı taşınım katsayısından çok yüksektir. Gaz hızının minimum akışkanlaşma hızının yaklaşık üç katında, ısı taşınım katsayısı bir maksimumdan geçer. Bu değerden sonra, habbeli akışkanlaşmanın oluşumu nedeniyle, ısı taşınım katsayısında bir azalma görülür. Akışkan yatak teknolojisi, kurutma, karıştırma, adsorbsiyonlu sistemlerde ve reaktör mühendisliğindeki ısı değiştiricileri yanı sıra, akışkan yataklı yakma sistemlerinde de uygulama alanı bulur.

1.3 FARKLI AKIŞKAN SAYISINA GÖRE SINIFLANDIRMA

Pratikte birçok uygulamada, ısı değiştiricilerinde genellikle iki akışkan arasındaki ısı geçişi göz önüne alınır. Buna karşılık az da olsa bazı kimyasal işlemlerde, soğutma tekniğinde, havanın ayrıştırılmasında, hidrojenin saflaştırılması ve sıvılaştırılması gibi olaylarda üç akışkanlı ısı değiştiricileri ile karşılaşılabilir.

Üç akışkanla çalışan ısı değiştiricilerini kullanan bir sisteme örnek olarak, evsel ve taşıt araçlarında küçük kapasiteli, (NH3 + su) eriyikli absorbsiyonlu tesislerde, H2 gibi üçüncü bir nötr gaz kullanılarak elde edilen ısı enerjisi ile çalışan pompasız soğuma makinesi gösterilebilir.

Üç ve daha fazla akışkan ile çalışan ısı değiştiricilerinin teorik analizleri oldukça karmaşık olup tasarımları da güçtür.

7

1.4 ISI GEÇİŞİ MEKANİZMASINA GÖRE SINIFLAMA

İki tarafa da tek fazlı akış: Isı değiştiricinin iki tarafındaki tek fazlı akışlardaki ısı taşınımı bir pompa veya vantilatör ile tahrik edilen zorlanmış ya da yoğunluk farkının doğurduğu doğal olarak olabilir. Oda ısıtıcıları (radyatör veya konvektörleri), buhar kazanları ekonomizörleri ve hava ısıtıcıları, taşıt radyatörleri ve hava soğutmalı ısı değiştiricileri önemli uygulamalardır.

Bir tarafta tek fazlı, diğer tarafta çift fazlı akış: Bu ısı değiştiricilerinin bir taraflarında zorlanmış veya tek fazlı akış varken, diğer taraflarında kaynamakta veya yoğuşmakta olan iki fazlı akış vardır. Bunlara ait örnekler, termik santrallerin yoğuşturucuları, soğutma sistemlerinin yoğuşturucusu veya buharlaştırıcısı ile buhar kazanları sayılabilir.

İki tarafa da çift fazlı akış: Bu tip ısı değiştiricilerinin bir taraflarında buharlaşma, diğer taraflarında yoğuşma işlemi vardır. Bunlar hidrokarbonların distilasyonunda, yüksek basınçlı buhar kullanılarak alçak basınçlı buhar elde edilmesinde kullanılır.

Taşınımla ve ışınımla beraber ısı geçişi: Özellikle bir tarafında yüksek sıcaklıkta gaz olan ısı değiştiricilerinde taşınılma ve ışınımla ısı geçiş bir arada görülür. Yüksek sıcaklıkta çalışan dolgu maddeli rejeneratörler, fosil yakacak yakan ısıtıcılar, buhar kazanları ve bunların kızdırıcıları ile piroliz ocakları bu tip ısı değiştiricilerine örnek olarak sayılabilir.

8

2. ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNİN KONSTRÜKSİYONLARI

Isı değiştiricileri genellikle konstrüksiyon özelliklerine göre karakterize edilirler. Borulu, levhalı, kanatlı ve rejeneratif olarak belli başlı gruplara ayrılabilen ısı değiştiricilerinin konstrüktif özellikleri bu bölümde verilecektir.

2.1 BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ

Bu tip ısı değiştiricilerinde eliptik, dikdörtgen ve genellikle de dairesel kesitli borular kullanılır. Boru çapının, boyunun ve düzenlenmesinin kolayca değiştirilebilmesi nedeniyle projelendirmede büyük kolaylıklar sağlar. Ayrıca dairesel kesitli boruların, diğer geometrik şekillere göre yüksek basınçlarda rahatlıkla kullanılabilir.

2.1.1 Düz Borulu Isı Değiştiricileri

Pratikte çift borulu, olanların yanı sıra, boru demetinden yapılmış çeşitlerine de rastlanır. Çift borulu olanlar, en basit ısı değiştirici tipidir. Sistem genellikle aynı eksenli iki borudan yapılır. Akışkanlardan biri içteki borudan akarken, diğer akışkan dışarıdaki borudan akar. Akışkanların akış yönleri paralel veya ters akımlı olabilir. Isıl kapasiteyi ve ısı geçiş yüzeyini artırabilmek için seri halde montajları yapılabilir. Seri bağlantı halinde iki ısı değiştirici eleman birbirine, kıvrım yarıçapı en az 3d olan 180° dirsekler ile bağlanmalıdır.

9

Şekil 1.3 Çift borulu prensip şeması

Bu tip ısı değiştiricilerinin teorik analizleri çok basittir. Ortalama logaritmik sıcaklık farkı veya etkenlik geçiş sayısı yöntemlerinden birisi ile ısıl hesapları yapılabilir. Isı değiştiricinin temizlenmesi kolay olduğundan, özellikle kirletici akışkanlar için uygun bir konstrüksiyondur. Akışkanların ısı değiştirici içinde dağıtılmasında bir zorluk yoktur, değiştirici içinde ölü bölgeler yoktur. Boru çaplarının küçük olması halinde, çok yüksek basınçlara çıkılabilir. Kompaktlık (yüzey alanı yoğunluğu) değerinin küçük olması en büyük sakıncasıdır. Yatırım masraflarının artması nedeniyle, toplam ısıtma yüzeyi 20m2 değerinden daha büyük yapılamaz.

2.1.2 Spiral Borulu Isı Değiştiricileri

Bir veya daha fazla borudan spiral ile bu spiralin dışındaki bir depodan meydana gelir. Basit ve ucuz şekilde elde edilen bu ısı değiştiricileri genellikle havuz ve depolardaki akışkanların sıcaklık kontrolünde kullanılabilir (Şekil 1.4). Bu tipteki değiştiricilerde ısıl genleşmenin oluşturduğu gerilme problemleri yoktur. Helisel şekilde yapılabilen serpantinin adımı, sarım çapı ve alanı uygun bir şekilde seçilebilir. Boru çapı tipik olarak depo çapının 1/30 kadarı, serpantinin helis adımı boru çapının iki katı seçilebilir. Küçük serpantinlerin depo içinde desteğe olmamasına rağmen, büyük serpantinlerin desteklenmesi gerekir. Spiral borunun dış yüzeyi ve depo kolaylıkla mekanik olarak temizlenebilirken, boru iç yüzeyi kolayca temizlenemez. Bu tip ısı değiştiricilerinin depo tarafındaki debi ve akışkan hızları küçük olması nedeniyle, bu taraftaki ısıl kapasite debileri küçüktür.

10

Şekil 1.4 Depo içine yerleştirilmiş spiral borulu ısı değiştirici

2.1.3 Gövde Borulu Isı Değiştiricileri

Bu ısı değiştirici, silindirik bir gövde ile bu gövde içine yerleştirilen birbirine paralel borulardan meydana gelir. Akışkanlardan birisi boruların içinden, diğeri ise gövde içinden akar. Bu ısı değiştiricilerinin belli başlı elemanları, borular (veya) boru demeti, gövde, iki baştaki kafalar, boruların tespit edildiği ön ve arka aynalar ile gövde içindeki akışı yönlendiren ve borulara destek olabilen şaşırtma levhaları veya destek çubuklarıdır. Petrol rafinelerinde, termik santrallerde, kimya endüstrisinde çok fazla uygulama alanı bulurlar (Şekil 1.5).

Borulu ısı değiştiricisi imalatçılarında birisi TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Associations), bu tip ısı değiştiricilerinin konstrüksiyonları için bir standardizasyon yapmış olup, bu standarda göre üretilmiş ve pratikte çok kullanılan bazı tipik gövde, boru ve kafa düzenlemeleri görülmektedir. Bu düzenlemelerde özellikle sabit boru demetli ısı değiştiricileri, basınç ve sıcaklık farkından dolayı meydana gelebilecek uzamaları karşılayacak biçimde yapılmalıdır. Bu tip ısı değiştiricilerinin gövde ve borularında kullanılan akışkanlar için önerilen standart anma basınçları genel olarak, 2,5 , 6, 10, 16, 25 ve 40 bar değerleridedir.

11

Şekil 1.5 Gövde borulu ısı değiştirici prensip şeması

E gövde tipi ısı değiştiricileri basit ve ucuz konstrüksiyonlardır. Bu tipte akışkan gövdeye bir yandan girip, diğer yandan çıkmaktadır. Borular gövde içinde bir veya birkaç şaşırtma elemanı ile desteklenmektedir. E tipi gövde genellikle tek fazlı akışlar için kullanılır. Sıcak ile soğuk akışkanlar arasındaki ortalama logaritmik sıcaklık farkını arttırmak ve ısı değiştirici etkenliğini çoğaltmak için ters akım düzenlenmesi tercih edilir. Isı değiştiricinin etkenliğini daha da artırabilmek için gövde içine konulan boyuna şaşırtma levhası yardımıyla elde edilen F tipi gövdeler kullanılabilir.

Gövde içindeki akışı bölmek için, değişik uygulama yerlerinde G, H ve J tipleri kullanılır. G tipinde, gövde içindeki yatay bir şaşırtma elemanı akışı ikiye ayırır. Akışkanın gövdeye giriş ve çıkış ağızları, gövde ortasında birbirlerine göre 180° olarak yerleştirilir. G tipi ile E tipinin gövde tarafındaki basınç kayıpları aynıdır. Fakat G tipi gövde, E tipinden daha büyük bir ortalama logaritmik sıcaklık farkı sağladığından ısı değiştirici etkenliği daha iyidir. G tipi gövdeler çoğunlukla tek fazlı akışlarda kullanılabildiği gibi, yatay buharlaştırıcı olarak da kullanılır. H tipi gövdeler G tipine çok benzerler, sadece gövdeye giriş ağızları ile akışı ayıran şaşırtma elemanları ikişer tanedir. J tipi gövdelerde ise bir giriş, iki çıkış veya iki giriş, bir çıkış ağızları vardır. J tipi gövdelerde, gövde tarafındaki basınç kaybı, E tipi gövdelerin 1/8 değeri kadardır. Bu nedenle, bu gövdeler genellikle küçük basınç kayıplarının istendiği yerlerde, örnek olarak vakumlu yoğuşturucu tesislerinde kullanılır. Yoğuşturulacak buhar, gövdeye iki yerden girip, yoğuşan sıvı ise bir yerden çıkar.

12

K tipi gövdeler ise buharlaştırıcı olarak kullanılır. Boru demeti gövdenin alt kısmındadır ve gövdenin hacimce yaklaşık %60 kadarını kaplar. Bunlar çoğunlukla havuz tipi kaynatıcılar olarak uygulama alanı bulurlar. Buharlaştırılmak istenen sıvı boruları tamamen kaplar, buhar ise boruların bulunmadığı üst kısımda toplanır. Düşey bir levha savak rolü oynar, gereğinden fazla akışkan buradan taşarak dışarı atılır.

X tipi gövdeler çapraz akımlı düzenlemeleri sağlar. Gövde içinde şaşırtma elemanı yoktur. Boruların titreşim dolayısıyla zorlanmamaları için borular arasına destekler konulabilir. Bu tip gövde, gövde tarafında küçük basınç kaybının istendiği yerlerde kullanılır ve özellikle kanatlı borular ile gazların soğutulmasında uygulama alanı bulur.

Tablo 1: Standart gövde tipleri ve ön – arka kafalar

13

Gerek gövdenin gerekse de boruların çap ve sayılarının tespitinde, bunlar içinde akan akışkan hızları önemli olmaktadır. Hızın büyük olması ısı geçiş katsayısını artırarak, daha kompakt ısı değiştiricisi konstrüksiyonuna imkan sağlarken, basınç kayıplarının ve bunun sonucu pompa veya vantilatör gücünün büyümesine sebep olur. Diğer taraftan büyük hızlar cidarlarda kirlenmeyi de önler, fakat titreşim, kavitasyon ve erozyon oluşturabilir.

Isı değiştirici gövdesi, dökme demirden, çelik levhaların silindirik kıvrılarak kaynak edilmesiyle veya çelik borulardan imal edilebilirler. Dökme demir gövdeler 10 bar basınç ve 200°C sıcaklıktan yukarı değerlerde kullanılmamalıdır.

Gövde – borulu ısı değiştiricilerinde kullanılan boru çapları 10mm ile 57mm arasında değişir. Birçok durumda, daha kompakt ve ucuz ısı değiştirici projelendirmesi sağlandığından, küçük boru çapları (16mm ile 25mm) tercih edilir. Buna karşılık, özellikle kirli akışkanların kullanıldığı durumlarda, temizleme kolaylığı sağlaması bakımından büyük çaplı borular kullanılır. Boru et kalınlığı, boru içindeki akışkanın basıncına ve korozyon payı düşünülerek seçilir. Isı değiştiricilerinde kullanılan çelik ve diğer malzemelerden imal edilmiş boruların çapları ve et kalınlıkları uygun standartlardan alınabilir.

Gövde – borulu ısı değiştiricilerinde kullanılan boru boyları, piyasada satılan boru boylarının kesirleri olacak şekilde seçilmesi, imalatta fire vermemek açısından uygundur. Isı değiştirici boyu tespit edilirken, bu değiştiricinin yerleştirileceği yer göz önünde tutulmalıdır. Belirli bir ısıl kapasite (veya ısıtma yüzeyi) için uzun boruların seçilmesi, gövde çapını küçültür ve özellikle yüksek basınçlarda daha ucuz ısı değiştirici imalatına imkan verir. Gövde çapının 5 ila 10 katı olarak boru boylarının seçimi, pratik açıdan uygun sonuçlar vermektedir.

14

Bir gövde – borulu ısı değiştirici içindeki boru demeti, eşkenar üçgen, kare veya döndürülmüş üçgen ve kare şeklilerinde yapılabilir. Üçgen ve döndürülmüş kare düzenlemeleri, kare düzenlemeye göre daha büyük ısı geçiş katsayıları vermesine karşılık, bunlardaki basınç kayıpları biraz daha büyüktür. Kare ve döndürülmüş düzenlemeler, özellikle kirletici akışkanlar için uygundur. Çünkü bu tip düzenlenmiş boru demeti, ısı değiştirici dışarısına çıkarıldığında kolayca temizlenebilir. Her tip düzenlemede boru eksenleri arasındaki uzaklığın boru dış çapının 1,25 katı seçilmesi önerilir. Temizlik kolaylığı istenen durumlarda, karesel düzenlemede borular arasında en az 6 – 7mm boşluk olması istenir.

Şekil 1.6 Gövde borulu ısı değiştirici

Boruların ön ve arka aynalara tespitinde kaynak işlemi ve genellikle de makineto işlemi kullanılır. Bu işlem için özel konik silindirik elemanlar ile boru genişletilerek aynaya yapışması sağlanır. Bu işlem esnasında sızdırmazlığın sağlanması kadar, borunun cidarlarının da fazla incelmemesi önemlidir. Bunun için ayna et kalınlığında özel yivler açılır. Borunun makineto edilen kısmının uzunluğu, boru aynası kalınlığının %90’ını geçmemelidir. Makineto edilen kısım ile makineto edilmeyen kısım arasında keskin bir geçiş olmamalıdır. Boruların ağızlarına yaklaşık olarak 2mm yarıçaplı havşa açılmalıdır. Boruların uçlarının aynadan taşan kısmı, makineto işleminden sonra 5mm’den çok olmamalıdır.

15

Sızdırmazlığın önemli olduğu durumlarda, borular aynaya kaynak işlemi ile tespit edilir. Kaynaklı boru tespitinin, ısı değiştirici imalat masrafları yanı sıra borular arasındaki mesafenin de artarak gövde çapının büyümesine neden olacağı gözden uzak tutulmamalıdır.

Gövde içindeki akışkan hareketlerini yönlendirmek, akışlı türbülanslı yapıp ölü bölgeleri azaltmak ve borulara destek sağlamak gayesi ile gövde içinde şaşırtma elemanları kullanılır. Bunlar levhalı ve çubuklu olmak üzere iki grupta toplanabilir. Bu elemanların seçiminde, ısı geçişindeki iyileştirme, basınç kayıplarındaki artma ve akışta oluşturduğu titreşim ve gürültü göz önüne alınmalıdır.

Şaşırtma elemanları akış kesitini %15 ila 45 arasında keser. Pratik açıdan %20 ila 25 gibi bir değer, iyi bir ısı geçiş katsayısı yanı sıra, fazla bir basınç kaybı oluşturmaz. Akışkanın kısa devre yapabilmesi nedeniyle, bu elemanlar ile gövde arasındaki aralık belli değerleri aşmamalıdır. Elemanlar arasındaki mesafe, gövde çapının 0,2 ila 1,0 katı arasında değişebilmesine rağmen, bu mesafenin gövde çapının 0,3 ila 0,5 arasında seçilmesi, ısı geçişi ve basınç kayıpları açısından uygundur.

Akışkan gövdeye giriş ve çıkış ağızları, standart boru çapında olmalıdır. Gövde akışkanın giriş ve çıkışında aşırı bir basınç kaybı, borularda ses ve titreşim olmamalı, düzgün bir akış sağlanmalıdır. Uygun giriş ve çıkış ağızlarını yerleştirebilmek için, gerekiyor ise boru demetinden bazı sıralar çıkarılmalı, akışkanın borulara doğrudan çarpması önlenmelidir.

Şaşırtma levhalarının yerleştirilmesinde kullanılan destek çubuklarının konstrüksiyonlarına ait bilgilerde mevcuttur. Bu çubuklar şaşırtma levhalarının düzgün şekilde montajı yanı sıra akıştan dolayı oluşabilecek titreşimlerin önlenmesi sağlanır.

16

2.1.4 Özel Gövde – Borulu Isı Değiştiricileri

Bu kısımda incelenecek olan ısı değiştiricileri konstrüktif olarak klasik gövde borulu ısı değiştiricilerine benzemesine rağmen, özel kullanımlar için imal edilir.

Bunlara ait örnek şekil 1.7’de verilen Korumalı Gövde – Borulu ısı değiştiricidir. Bu ısı değiştiricisi özellikle kaçakların önlenmesi istenen yerlerde uygulama alanı bulur. Değiştirici içindeki borular aynı eksenli iki boru olarak ön ve arka aynalar arasına tespit edilir. Aynı eksenli iki boru arasındaki ısı geçişini artırabilmek için, bu aralığa ya ısı iletim katsayısı yüksek bir akışkan ya da spiral bir kanat yerleştirilir. Sistem, borularda bir kaçak olduğunda, bu kaçağı anında tespit edebilen dedektörler ile donatılır ve bu şekilde sıcak ve soğuk akışkanın birbirine karışması önlenir.

Şekil 1.7 Korumalı gövde – borulu ısı değiştirici

Özel gövde borulu ısı değiştiricilerine ait diğer örnek Grafit Gövdeli ısı değiştiricidir. Grafitin kimyasal maddelere karşı dirençli olması ve ısı iletim katsayısının da yüksek olması nedeniyle özellikle korozif ortamlardaki ısı değiştiricileri için uygun bir malzemedir. Serbest bromin ve klorin, serbest florit iyonları, sülfürük asit/potasyum dikromat ve derişik nitrik asit dışındaki bilinen bütün kimyasal maddelere karşı grafitin direnci olarak fazladır. Bu ısı değiştiricileri 60 ila 200°C sıcaklıkları arasında işletme sıcaklıklarında ve en fazla 15 bar işletme basıncında kullanılabilmektedir.

17

2.2 LEVHALI ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ

Bunlarda esas ısı geçişinin olduğu yüzeyler genelde ince metal levhalardan yapılır. Bu metal yüzeyler düz veya dalgalı biçimde olabilir. Borulu tipten olan ısı değiştiricilerine göre yüksek basınçlara ve sıcaklıklara çıkamazlar. Conta levhalı, spiral levhalı ve lamelli olmak üzere üç grupta incelenebilir.

2.2.1 Contalı Levhalı Isı Değiştiricileri

Bu ısı değiştirici, ince metal levhalardan bir paket yapılarak elde edilir. Akışkanların geçebilmesi için dört tarafında delik bulunan metal levhalar paket haline getirilirken uygun contalar kullanılır. Genellikle fabrikasyon olarak üzerlerine dalgalı form verilen bu levhalar düşey olarak yerleştirilerek, sıkıştırma çubukları ile sıkıştırılır. Dalgalı form, levhaların rijidliğini artırması yanı sıra, akışın türbülanslı olmasını da sağlar. Levhalar arasındaki boşluklardan, sıcak ve soğuk akışkanlar birbirlerine karışmadan akarlar. İstenildiğinde sisteme levha ilave edilerek veya çıkarılarak ısıl kapasitesi değiştirilebilir.

Şekil 1.8 Contalı levha montajlı durum

18

Contaların değişik şekillerde yerleştirilmesi ile levhalar arasındaki tek, çift – çok ve tek – çok şekillerde akım düzenlenmesi yapılabilir.

Bu tip ısı değiştiricileri kolaylıkla sökülüp temizlenebilir. Bu nedenle gıda endüstrisi için uygundur. Isı değiştirici içinde sıcak ve soğuk bölgeler oluşmaz. İki akışkanın birbirine karışma imkanı azdır. Kaçaklar dış tarafa doğrudur. Bu ısı değiştirici içindeki akışkan miktarı az olduğundan, genellikle akışkanlar (örnek olarak makyaj, parfümeri malzemeleri) için tercih edilir. Levhalar üzerindeki çıkıntılar türbülans oluşturulduğundan, akışkanların birikinti yapma imkanı azdır.

Bu üstünlüklerine karşılık contalı levhalı ısı değiştiricilerin sakıncalı tarafları da vardır. Levhaların düzlemsel oluşu ve conta malzemelerinden dolayı, yüksek basınçlara çıkılmaz. Maksimum 20 bar basınca kadar kullanılabilir. 150°C sıcaklığa kadar ucuz contalar kullanılmasına karşın, daha yüksek sıcaklıklarda pahalı, kaliteli contalara gerek vardır. Conta zamanla özelliğini kaybeder, bu yüzden belirli zamanlarda bu contaları değiştirmek gerekebilir. Isıtma yüzeyi maksimum 1400m2değerine kadar yapılabilir.

Bu ısı değiştiricileri çoğunlukla süthanelerde, içki, bira, besin, makyaj, sentetik lastik, kimya, selüloz ve kâğıt endüstrilerinde, evsel kullanımda (sıcak su elde etmek için) kombi cihazlarında kullanılır.

Contalı levhalı ısı değiştiricilerinde levha kalınlığı 0,5 – 1,2mm arasında olup, levhalar arasındaki boşluk 3 – 6mm kalınlığındaki conta ile sağlanır. Levha malzemesi olarak karbonlu çelik, alüminyum, bakır ve bakır alaşımları, paslanmaz çelik, nikel, titanyum ve molibden alaşımları kullanılabilir.

19

2.2.2 Spiral Levhalı Isı Değiştiricileri

Bu ısı değiştiricileri, 150 ila 1800mm genişliğindeki uzun iki ince metal levhanın spiral şeklinde sarılması ile elde edilir. İki levha arasına konulan saplamalar ile düzgün bir aralık sağlanabilir. Levhaların iki tarafı contalı kapaklar ile kapatılır. Akışkanlar birbirlerine göre paralel veya ters yönde akıtılabilir. Temizlenmeleri kolay olduğundan, bu ısı değiştirici tortu yapabilen viskoz akışkanlar için çok uygundur. Basınç kayıpları gövde borulu ve levhalı contalı ısı değiştiricilerine göre azdır. Bu yüzden özellikle kâğıt, selüloz endüstrisinde, sülfat ve sülfit fabrikalarında bu ısı değiştiricisi tercih edilir.

Şekil 1.9 Spiral levhalı ısı değiştirici kesitleri

İstenirse spiral levhalı ısı değiştiricileri buharlaştırıcı olarak da kullanılabilir. Boyutların sınırlı olması, conta malzemesi yüzünden maksimum 10 bar basınca ve 500°C sıcaklığa çıkabilmesi, tamiratların zor olması bu ısı değiştiricilerinin sakıncaları olarak sayılabilir.

20

Spiral levhalı ısı değiştiricilerine küçük konstrüksiyon değişiklikleri ile çeşitli akış şekilleri elde edilebilir. Bu akış şekillerinden birinde akışkanlardan birisi değiştiricinin alt kısmında ortadan girip serpantin içinde dolaşıp, yan taraftan çıkarken, diğer akışkan diğer yandan girip, serpantinin üst kısmından ortadan çıkar. Bu şekilde ters akım sağlanmış olur. Diğerinde ise birinci akışkan değiştiricinin üstünden girip, spiral kanallarından aşağı doğru hareket edip, alt kısımdan çıkarken, ikinci akışkan yandan girip, spiral içinde hareket ederek üstten orta kısımdan çıkmaktadır. Yoğuşturucu olarak kullanılabilen yoğuşturulmak istenen akışkan üst yan taraftan girer, bu akışkanın yoğuşan kısmı alttan; yoğuşmayan kısmı ise yandan alınırken, ikinci (soğuk) akışkan değiştiricinin diğer yan tarafından girip, serpantin içinde dolaşarak, üstten orta kısımdan çıkar.

Konstrüksiyon özellikleri olarak bu ısı değiştiricileri için, maksimum ısıtma yüzeyi 200m2, levhalar arasındaki uzaklık için 5 – 25mm değerleri verilebilir. İstenirse levhalar üzerine oluklar yapılarak ısı geçişi iyileştirilebilir.

2.2.3 Lamelli Isı Değiştiricileri

Bu ısı değiştirici, bir gövde içine yassılatılmış borulardan yapılmış bir demetin yerleştirilmesi ile elde edilir. Bu borulara lamel adı verilir ve genellikle nokta veya elektrikli dikiş kaynağı ile birbirine tutturulur. Akışkanlardan birisi yassılatılmış lamelli borular içinden akarken, diğer akışkan bu lamellerin arasından akar. Gövde içinde ayrıca şaşırtma levhaları yoktur. Akış tek geçişli olup, akışkanlar birbirlerine göre ters veya paralel olarak akabilir. Hidrolik çap küçük olduğundan, büyük ısı taşınım katsayıları elde edilebilir. Teflon conta kullanıldığında maksimum 200°C, asbest conta kullanıldığında 500°C sıcaklık değerine ve 30 bar basınca kadar çıkabilir. Bu ısı değiştiriciler kâğıt, besin ve kimya endüstrilerinde uygulama alanı bulmaktadır.

21

2.2.4 İnce Film Isı Değiştiricileri

Çok yüksek viskoziteli ve sıcaklığa duyarlı maddelerin ısıtılmasında ve soğutulmasında ince film ısı değiştiricileri önemli uygulama alanı bulur. Değiştirici içinde sıcağa duyarlı maddelerin kısa kalış süresi ve büyük ısı taşınım katsayısına sahip olmaları nedeniyle, pratikte çoğu zaman bu ısı değiştiricileri buharlaştırıcı olarak kullanılırlar.

İnce film ısı değiştiricilerinde ısıtılmış bir konik veya silindirik kısım içinde döner bir rotor bulunur. Üst kısımdan giren viskoz akışkan, bir dağıtıcı halkadan geçerek, rotor yardımıyla sıcak silindirik veya konik iç yüzeyi üzerinde ince bir film tabakası oluşturulur. Bu esnada buharlaşan gazlar yukarıdan çıkarken, buharlaşmayan kısım alttan alınır. Bu tip ısı değiştiricileri 15m yükseklik, 2m çap değerlerine kadar imal edilebilirler.

2.3 KANATLI YÜZEYLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ

Buraya kadar incelenen borulu ve levhalı ısı değiştiricilerinde genel olarak, β yüzey alan yoğunluğu (kompaktlık) 300 m2/m3 değerinden, ısıl etkenlikleri ise %60 değerinden daha küçüktür. Bu tip ısı değiştiricilerinin kompaktlığı ve ısıl etkenliği artırılmak istenir ise, asıl ısıtma yüzeylerine kanat adı verilen çıkıntılar ilave edilerek ısıtma yüzeyleri büyütülebilir. Prensip olarak ısı taşınım katsayısının küçük olduğu akışkan (genellikle gaz, bazen de sıvı) tarafına kanatlar konulur. Bu durumda, küçük hacimde daha fazla ısı geçişi sağlanabilmesine karşın, yüzeylere ilave edilen çıkıntıların oluşturduğu ilave basınç kayıpları gözden uzak tutulmalıdır. Bu yüzden konstrüktif olarak en uygun yüzey ilaveleri (kanat profilleri) araştırılmalıdır.

22

2.3.1 Levhalı Kanatlı Isı Değiştiricileri

Bu tip ısı değiştiricilerinde kanatlar, paralel levhalar halindeki yüzeyler arasına mekanik olarak preslenerek, lehimlenerek veya kaynak edilerek tespit edilir. İki tarafında da gaz akışkan bulunan ısı değiştiricilerinde ısı geçiş yüzeyinin iki tarafına da kanat, gaz ve sıvı akışkanlar ile çalışan ısı değiştiricilerinde ise genellikle sadece gaz tarafına kanat konulur. Isı değiştiricinin rijidliğini artırması ve yüksek basınçlarda çalışmasını sağlayabilmesi bakımından levhalı kanatların önemli fonksiyonları vardır. Bazen kanatlara değişik formlar verilerek akışkanın kendi içinde karışması sağlanabilir.

Şekil 1.10 Levhalı kanatlı ısı değiştirici prensibi

Levhalı ısı değiştiricilerinin konstrüktif özelikleri olarak, kullanma basıncı ortalama 7bar (bazı özel gayeler için 80 bar değeri olabilir), maksimum kullanma sıcaklığı (kanatların tespit şekline bağlı olarak) 800 °C, β yüzey alan yoğunluğu (kompaktlık) maksimum 5900 m2/m3 (ortalama 2000 m2/m3) değerleri verilebilir. Gaz ve buhar türbinleri, otomobil, kamyon, uçak motorları soğutma sistemleri, ısı pompaları, soğutma ve iklimlendirme tesisleri, elektronik devrelerin soğutma devreleri ile enerji geri kazanım sistemleri levhalı ısı değiştiricilerinin uygulama alanı bulduğu alanlardır.

23

2.3.2 Borulu Kanatlı Isı Değiştiricileri

Bir tarafında gaz, diğer tarafında sıvı akan ısı değiştiricilerinde, sıvı tarafındaki ısı taşınım katsayısı daha yüksektir, bu nedenle çoğunlukla sıvı akışkan tarafı kanat gerektirmez. Diğer taraftan mukavemet bakımından uygun geometri silindir olduğundan, ısı değiştiricilerde yüksek basınçlı akışkan (genellikle de sıvı akışkan tarafındaki basınç, gaz tarafındaki basınçtan daha yüksektir bu nedenle sıvı akışkan) boru içinden akıt ılır. Bu yüzden pratikte dairesel veya oval kesitli boru dışındaki kanatlı yüzeyler ile daha çok karşılaşılır.

Şekil 1.11 Dairesel ve oval kesitli borular

Borulu kanatlı ısı değiştiricilerine diğer bir örnek, gaz türbinlerinde kullanılan sıcak gazlar ile yakma havasının ısıtıldığı reküparatörlerdir. Bunlarda yüksek basınçlı gazlar boruların içinden, hava ise boruların dışından akar. Yüksek basınçlı gazın küçük çaplı borulara gönderilmesinde karşılaşılan güçlükleri yenmek için borular gruplar halinde beslenir. Alçak basıncın bulunduğu hava tarafında hızlar küçük olduğundan ve ısı taşınım katsayısı, iç tarafa göre daha küçük olduğundan, bu kısma eksenel kanatlar ilave edilir.

24

Boru içindeki akışkanın ısı taşınım katsayısının küçük olduğu durumlarda, borunun iç yüzeylerine de veya borunun iki tarafında da ısı taşınım katsayısının nispeten küçük olması durumunda hem iç yüzeye hem de dış yüzeye kanatlar ilave edilebilir.

Kanatlar boru ile birlikte imal edilebildiği gibi, sonradan boru üzerine cidarlarına döküm, kaynak, lehim veya sıkı geçme tekniği ile tespit edilebilir. Isı değiştiricinin kullanılabilme sıcaklığı bu tespit şekline bağlıdır. β yüzey alan yoğunluğu (kompaktlık) 3300 m2/m3 değerine kadar ulaşabilir. Bu tiplerin uygulama alanları olarak güç santralleri, pervaneli soğutma grupları, taşıt araçları, iklimlendirme ve soğutma tesisatları sayılabilir.

2.4 REJENERATİF ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ

Bu ısı değiştiricilerinde ısı önce sıcak akışkan tarafından bir ortamda depo edilir, daha sonra sıcak akışkana verilir. Isı geçişi dolaylıdır. Bunlara bazen rejeneratör adı da verilir. Rejeneratör içinde ısının depolandığı gözenekli elemanlara ise dolgu maddesi veya matris adı verilir. Rejeneratörlerin başlıca üstünlükleri; β yüzey alan yoğunluğu (kompaktlık) çok büyük değerlere çıkabilir. Diğer ısı değiştiricilerine göre ilk yatırım masrafı daha azdır. Sistemin kendi kendini temizleme özeliği vardır.

Bunlara karşılık bu ısı değiştiricinin sakıncaları ise; sadece gaz akışkanlarda kullanılabilir. Sıcak ve soğuk akışkanlar arasında her zaman bir miktar kaçak vardır. Akışkanlar birbirlerine etki edebiliyor ise bu tip ısı değiştiricileri kesinlikle kullanılmaz

Pratikte dönen ve sabit dolgu maddeli ile paket yataklı olmak üzere üç grup rejeneratör tipi ile karşılaşılır.

25

2.4.1 Sabit Dolgu Maddeli Rejeneratörler

Bu tipe bazen periyodik çalışan ısı değiştiricileri adı da verilir. Belirli zamanlarda klapeler döndürülerek, dolgu maddesi içinden sıcak veya soğuk akışkan geçişi gerçekleştirilir. Sistemin sürekli çalışmasını sağlayabilmek için aynı tipten en az iki rejeneratöre gerek vardır. Birçok işletmede ise üç veya dört rejeneratör aynı anda kullanılır.

Havanın soğutularak sıvılaştırılmışının yapıldığı işletmelerde kullanılan ikiz tipten bir rejeneratörde klapelerin periyodik olarak açılıp kapanması ile azot gazı ile soğutulmak istenen havanın rejeneratör içinden geçişleri ayarlanır. Isı geçişini sağlayan kanallar gözenekli veya kafesli malzemelerden imal edilir. Bu tiplerde ısı yutucu malzemeler olarak, ince çelik ve alüminyum levhalar kullanılabilir. Çok düşük sıcaklıklardaki soğutmalarda ince alüminyum levhalar ondüleli hale getirilerek kaydırılmış olarak yerleştirilir. Bu şekilde kanallar arasında küçük boşluklar elde edilebilir.

Şekil 1.12 Cowper tipi sabit dolgu maddeli bir rejeneratörün boyuna ev enine kesitleri

26

Cowper tipi sabit dolgu maddeli bir rejeneratör (Şekil 1.12) genellikle yüksek fırınları, Siemens-Martin ocakları ve cam fabrikaları gibi yüksek sıcaklıklarda çalışan yerlerde uygulama alanı bulur. Bu rejeneratörlerde genellikle sıcak duman gazları yardımıyla yakma havası ısıtılır.

Bu rejeneratörlerde dolgu maddesi olarak kullanılan malzemeler yaklaşık 1400°C gibi yüksek sıcaklıklara dayanıklı olup, kalınlıkları yaklaşık 200 mm değerindedir. Bunlarda ısınma ve soğuma periyotları 1 ila 2saat arasındadır. Korozif ortamlarda çalışan kimya endüstrisinde kullanılan rejeneratör tiplerinde dolgu maddesi kalınlığı 40mm değerine kadar düşerken, ısınma ve soğuma periyotları ise yaklaşık 15dakika değerine kadar azalabilir.

Sabit dolgu maddeli rejeneratörler pratikte iki sınıfta toplanabilir. Kompakt olmayan (β < 700 m2/m3) rejeneratörler yüksek fırınlarda, cam fabrikalarında uygulama alanı bulur ve 900 ile 1500°C gibi yüksek sıcaklıklarda kullanılabilir. Kompakt olan (β > 700 m2/m3) rejeneratörler ise havanın ayrıştırılması gibi düşük sıcaklıklardaki işlemlerde ve Stirling makinesindeki gibi yüksek sıcaklıklarda uygulama alanı bulur. Kompakt sabit dolgu maddeleri kuarz çakıllarından, çelik, bakır, bilyelerden, bakır tel yumaklarından veya düzensiz yerleştirilmiş elek teli ile çubuklardan yapılır.

2.4.2 Döner Dolgu Maddeli Rejeneratörler

Bunlar da disk ve silindir tipi olmak üzere iki grupta toplanabilir. Bu tip rejeneratörler genellikle gaz türbinlerinde, buhar kazanlarında, cam fabrikalarında yakma havasının sıcak duman gazlan ile ısıtılmasında, iklimlendirme tesisatlarında enerji ekonomisi için çok kullanılır. Özellikle gaz türbinlerinde kullanıldığında, gaz türbininin etrafını sardığından, ses ve ısı yalıtımı açısından yardımcı olur.

27

Bu tip ısı değiştiricilerinin dolgu maddeleri, akış esnasında fazla basınç kaybı meydana getirmeyen, üzerlerinde birikinti olmayacak ve iki gaz arasındaki kaçakları en az değere indirecek geometriler tercih edilmelidir. Gazların birbirine karışmasına mani olmak için alman önlemlere rağmen yine de dolgu maddelerinin boşluklarında gaz kalması nedeniyle, akışkanların birbirine karışımı tam olarak önlenemez. Döner dolgu maddeli rejeneratörlerde bu karışım daha fazladır. Buna karşılık döner dolgu maddeli olanların sürekli çalışması, sabit dolgu maddeli rejeneratörlere göre üstünlük sağlar. Döner dolgu maddeli rejeneratörlerin en büyük sakıncası gaz kaçaklarıdır. Bu kaçakların önlenebilmesi için kullanılan bir sızdırmazlık halkası konstrüksiyonu oluşturulabilir.

Şekil 1.13 Döner dolgu maddeli rejeneratörler

İklimlendirme tesislerinde enerji ekonomisi için kullanılan ve çoğu zaman, ısı tekerleği olarak adlandırılan döner tamburlu rejeneratif ısı değiştiricileri vardır. Bunlar iklimlendirme tesislerinde, dışarı atılan egzoz havası ile içeri alınan dış havanın kış aylarında bir miktar ısıtılması, yaz aylarında ise serinletilmesi ile ekonomi sağlarlar.

28

2.4.3 Paralel Yataklı Rejeneratörler

Devamlı çalışan dolgu maddeli ısı değiştiricilerine diğer bir örnek, paket yataklı rejeneratördür. Küresel, silindirik veya herhangi şekilli taneli parçacıklar, silindirik gövde içine yerleştirilir. Sıcak gazlar, tanecikler arasından geçerken, bu tanecikleri ısıtır. Sıcak tanecikler, burada ısıtılmak istenen soğuk gaz ile temasa getirilir. Aşağı soğuyarak düşen tanecikler bir elavatör yardımı ile silindirik gövdeye tekrar taşınır. Paket yataklı rejeneratörlerin konstrüksiyonları çok basit olmalarına rağmen, basınç kayıpları fazladır.

2.5 KARIŞTIRMALI KAPLARDA ISI DEĞİŞİMİ

Karıştırmalı kaplar, özellikle aralıklı çalışan ısıtma ve soğutma işlemlerinde çok kullanılan cihazlardır.

Bu cihazlar genellikle; sıvıların ısıtılması veya soğutulması, eriyik veya karışımların, karıştırma ve sıcaklık dengelemesi, sıvı karışımlarında ve süspansiyonlarda kütle geçişini artırmak ve reaksiyonları hızlandırmak, fermantasyon işleminde, gazlar ile sıvıların ve süspansiyonların karışımı, dispersiyon ve emülsiyon, katı parçacıklarının süspansiyon, işlemleri için uygulanabilir.

Karıştırıcı kaplar içindeki akışkanlar, ya dış yüzeyinden ceket tipi, ya da kap içine yerleştirilen serpantinler yardımıyla ısıtılabilir veya soğutulabilir.

29

3. ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNDE AKIŞ DÜZENLENMELERİ

Isı değiştiricileri içindeki akışkanların akışlarının birbirlerine göre çeşitli şekillerde düzenlemeleri, ortalama logaritmik sıcaklık farkına, ısı değiştiricisi etkenliğine ve ısıl gerilmelere çok etki eder. Prensip olarak bu akışlar paralel, ters ve çapraz olmak üzere üç esas şekilde gerçekleşir. Ayrıca akışkanların birinin diğerine göre geçiş sayısına göre de (bir, iki, üç, vb. şeklinde) başka bir ayırım yapmak da mümkündür. Tek geçişli halde iki akışkan ısı değiştirici boyunca birbiri ile yalnızca bir kere geçişirken, çok geçişli halde iki akışkan birkaç kere geçişir.

3.1 TEK GEÇİŞLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ

İki akışkanın ısı değiştirici içinde birbirine göre sadece bir kere karşılaştığı tiplerdir. Paralel, ters ve çapraz akımlı olmak üzere üç grupta incelenebilir.

3.1.1 Paralel Akımlı Isı Değiştiricileri

Bu düzenlemede ısı değiştirici içindeki iki akışkan değiştiricinin aynı ucundan girip, birbirlerine paralel olarak akarlar ve değiştiricinin diğer ucundan çıkarlar. Bu tipte küçük çaplı bir boru ile bunun dışında aynı eksenli ikinci bir boru vardır. Birinci akışkan küçük çaplı boru içinden akarken, ikinci akışkan iki boru arasındaki dairesel halkadan akar. Pratikte içte küçük çaplı çok sayıda boru, dışta ise bu boruları içine alabilen gövde adı verilen büyük çaplı bir silindir kullanılabilir. Bu tip düzenlemelerde ısı değiştirici boyunca akışkan sıcaklığının değişimi tek boyutludur.

30

3.1.2 Ters Akımlı Isı Değiştiricileri

Bu tipte akışkanlar ısı değiştirici içinde birbirlerine göre eksenel olarak paralel, fakat ters olarak akarlar. Akışkanların ısıl kapasitelerine ve faz durumlarına göre, ısı değiştirici boyunca sıcaklıklarındaki değişimler gözlenmektedir. Ters akımlı ısı değiştirici düzenlemesinde, değiştiricideki ortalama logaritmik sıcaklık farkı ve etkenlik, diğer bütün akış düzenlemelerine göre daha büyüktür. Bu üstünlüğünden dolayı, bu tip ısı değiştiricileri pratikte genellikle tercih edilir. Fakat ısı geçişi olan malzeme sıcaklığının değiştirici boyunca fazla değişmesi, bunun sonucu ısıl gerilmelerin artması ve imalattaki konstrüksiyon güçlükleri nedeniyle, bazen bu düzenleme tercih edilmeyebilir.

3.1.3 Çapraz Akımlı Isı Değiştiricileri

Bu düzenlemede ısı değiştirici içindeki akışkanlar birbirlerine göre dik olarak akarlar. Yapılan konstrüksiyona göre, kanatlar veya şaşırtma levhaları yardımıyla, akışkanlar değiştirici içinde ilerlerken kendi kendisi ile karışabilir veya karışmayabilir. Akışkan değiştirici içinde bireysel kanallar (veya borular) içinde akıyorsa ve bitişik kanal içindeki akışkan ile karışmıyorsa, bu akışkana karışmayan adı verilir. Tersi duruma ise karışan akışkan adı verilir.

Hem ısıtma (veya soğutma), hem de karıştırma işlemlerinin aynı anda istendiği durumlarda, akışkanların karıştırıldığı ısı değiştiricileri tercih edilir.

Çapraz akımlı ısı değiştiriciler içindeki akışkanların sıcaklık dağılımları iki boyutludur.

31

3.2 ÇOK GEÇİŞLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ

Bundan önceki kısımda incelenen tek geçiş halindeki paralel, ters ve çapraz üç esas geçiş işlemleri, ısı değiştirici içinde değişik şekillerde art arda seri halde düzenlenerek, çok geçişli ısı değiştirici tipleri elde edilebilir. Çok geçişli ısı değiştiricilerin en büyük üstünlüğü, değiştiricinin ortalama logaritmik sıcaklık farkını ve etkenliğini artırarak, bu değerleri tek geçişli ters akımlı düzenlemeye yakıştırmasıdır. Isı değiştiricilerinde geçiş sayısı ne kadar fazla ise, ters akımlı düzenlemeye yaklaşım o kadar iyidir. Çok geçişli ısı değiştiricileri, kanatlı yüzeyli, gövde borulu ve levhalı tiplerde değişik şekillerde uygulama alanı bulur.

3.2.1 Çapraz – Ters ve Çapraz – Paralel Akımlı Düzenlemeler

Bu düzenlemeler genellikle kanatlı yüzeyli ısı değiştiricilerinde tercih edilir. İki veya daha fazla sayıda çapraz geçiş arka, arkaya ters veya paralel akımlı olarak seri halde bağlanır. Isı değiştirici etkenliği ve ortalama logaritmik sıcaklık farkı, geçiş sayısına ve her bir geçişteki akışkanların karışıp, karışmadığına bağlıdır.

Çok geçişli çapraz-ters ve çapraz-paralel akımlı düzenlemelerden her iki durumda da geçiş sayısı artırıldıkça sistemin etkenliği, tek geçişli ters veya paralel akımlı düzenlenmelere yaklaşılabilir.

Yüksek sıcaklıklardaki uygulamalarda, ısı değiştiricilerindeki ısıl gerilmeler ve malzemeler açısından, sıcaklığın fazla olduğu bölgelerde sıcağa dayanıklı pahalı malzemeler, diğer bölgelerde ise ucuz malzemeler kullanılarak imalat masrafları azaltılabilir.

32

3.2.2 Çok Geçişli Gövde Borulu Isı Değiştiricileri

Gövde akışkanının karıştırıldığı, paralel – ters, bölünmüş akımlı, ayrık akımlı düzenlemeler pratikte en çok kullanılan tiplerdir. Gövde – borulu ısı değiştiricilerinde, bir gövde içinde, 2, 4, 6, 8, ... gibi birden fazla çift sayıda boru geçiş düzenlemeleri görülmektedir. Boru sayısı arttıkça sistemin etkenliği, iki akışkanın da karıştığı çapraz akım ısı değiştirici etkenliğine yaklaşmaktadır.

Şekil 1.14 Çok geçişli gövde borulu ısı değiştirici düzenlemeleri

Bir gövde içinde tek sayıda boru geçiş düzenlemelerinin etkenliği, çift sayıdaki düzenlemelere karşı biraz daha iyi olmasına rağmen, imalat güçlükleri ve ısıl gerilmeler nedeniyle pratikte fazla tercih edilmez.

33

3.2.3 n Paralel Levha Geçişli Düzenlemeler

Levha tipi ısı değiştiricilerinde, levhaların çeşitli şekillerde düzenlenmesi ile çok geçişli akımlar elde edilebilir. Levha tipi ısı değiştiricilerinde conta yeri değiştirilerek bu düzenlemeler kolayca elde edilebilir.

34

4. ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNİN ISIL HESAPLARI

Bir ısı değiştiricisindeki ısı geçişi, sadece içindeki akışkanlar arasında olduğu, yani ortama bir ısı kaybının olmadığı kabul edilirse, yüzeyli ısı değiştiricilerinde aşağıdaki bağlantılar yazılabilir.

Q = Isı değiştiricide geçen ısı (W) = Sıcak akışkanın soğurken verdiği ısı = Soğuk akışkanın ısınırken aldığı ısı = K A Δtm

Bu denklemde, K (W/m2 °C) ısı değiştiricisinin toplam ısı geçiş katsayısını, A (m2) iki akışkanı ayıran ısı geçişi yüzeyi, ∆tm (°C) bütün ısı değiştiricisinde etkili olan sıcaklık farkını (ortalama logaritmik sıcaklık farkını) göstermektedir.

Sıcak ve soğuk akışkanların soğuması ve ısınması esnasında verilen ve alınan ısılar, akışkanların kütlesel debileri ile giriş ve çıkış antalpilerinin farkından bulunabilir. Q = m (ig - iç)

Isının alınması ve verilmesi durumunda akışkanların sıcaklıkları değişiyor ise (duyulur ısı değiştiricilerinde), geçen ısı miktarı; Q = m cp (tg - tç) = C (tg-tç) şeklinde,

35

Buharlaşma ve yoğuşma şeklinde bir faz değişimi var ise geçen ısı miktarı; Q=mr eşitliklerinden hesaplanabilir. Bu eşitliklerde, m (kg/s) akışkanın kütlesel debisini, ig ve iç (J/kg) giriş ve çıkış antalpilerini, cp (J/kg.°C) sabit basınçtaki özgül ısısını, tg ve tç (°C) giriş ve çıkış sıcaklıklarını, C = m cp (W/°C) akışkanın ısıl kapasitesini, r (J/kg.°C) gizli buharlaşma ısısını göstermektedir.

4.1 Δtm ORTALAMA LOGARİTMİK SICAKLIK FARKI

Isı değiştirici içindeki akışkanların sıcaklıkları ve sıcaklık farkları, değiştirici boyunca değişir. Her kesitte sıcaklık farkının değişken olması, akışkanların ısı değiştiricisine giriş ve çıkış sıcaklıkları cinsinden ifade edilebilen, bir ortalama sıcaklık farkının kullanılmasını gerektirir. Sunulan bu kısımda, çeşitli düzenlemelerde ∆tm ortalama logaritmik sıcaklık farkının bulunuşu ile ilgili esaslar verilmiştir.

4.1.1 Paralel ve Ters Akımlı Isı Değiştiricilerinde Δtm

Δtm = (Δt1 – Δt2) / ln (Δt1 / Δt2) Paralel akımda ısı değiştiricilerinde Δt1 = (t1g – t2g) Δt2 = (t1ç – t2ç) Ters akımlı ısı değiştiricilerinde Δt1 = (t1g – t2g) Δt2 = (t1g – t2ç) formülleri ile gerekli hesaplamalar yapılabilir.

36

4.1.2 Çok Geçişli ve Çapraz Akımlı Isı Değiştiricilerinde Δtm

Paralel ve ters akımlı ısı değiştiricilerinde ortalama logaritmik sıcaklık farkının ifadesi nispeten basit olmasına rağmen, çapraz akımlı ve çok geniş ısı değiştiricilerde oldukça karmaşıktır. Örnek olarak şekil 1.15’de verilen bir gövde iki boru geçişli ısı değiştiricisinde bu değer;

Şekil 1.15

şeklinde verilebilir.

37

5. ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNDE MALZEME ŞEÇİMİ 5.1 MALZEMELER

Diğer basınçlı kaplarda olduğu gibi, ısı değiştiricilerinin konstürüksiyonunda, yumuşak çelik, alaşımlı çelikler, diğer alaşımlar, bazı mukavemetli plastikler, seramikler veya özel maksatlar için de grafit gibi malzemeler kullanılır. Bu malzemelerin seçiminde korozif, sıcak, basınçlı, asitli veya bazik ortam çalışma koşullarına dayanıklılığın yanı sıra, özellikle metal malzemelerde imalat kolaylığı (bilhassa kaynak kabiliyeti), ısı iletim katsayısı, yoğunluk, ısı yayılım katsayısı gibi fiziksel özelikler, pratikte standart çap ve boyutlarda elde edilebilme ve fiyat gibi etkenler göz önünde tutulmalıdır.

5.1.1 Demir ve Çelik

Yumuşak (düşük karbonlu) çelikler, mühendislik uygulamalarında en çok kullanılan malzemelerdir. Ucuz olmaları, piyasada standart boyutlarda ve şekillerde yaygın olarak bulunması, kolayca işlenebilmesi ve kaynak yapılabilmeleri, iyi bir çekme gerilmesine sahip olmaları en büyük üstünlükleridir. Buna karşılık yumuşak çelikler, korozyona karşı dayanıksızdır. Çeliğin korozyona dayanıklılığını ve çekme gerilmesini artırabilmek için çeşitli elementlerin ilavesi ile alaşımlı çelikler imal edilir. Değişik amaçlar için çelik içine ilave edilen bazı elementlerin etkileri aşağıda açıklanmıştır.

Karbon, C: Karbon çeliğe katılan en önemli alaşım elementidir. Bu element, çeliğin çekme mukavemetini, sertleşmeyi, tane gelişmesini artırır, fakat elastikiyeti, çentik tokluğunu, işlenme kabiliyetini azaltır. Ayrıca karbon, çeliğin sertleşme süreçlerinde dokuda martenzit oluşumuna neden olur.

38

Alüminyum, Al: Bu element, çelik üretiminde en çok kullanılan oksijen giderme maddesidir. Alüminyum, azotu çözerek, yaşlanma hassasiyetini azaltır. Az miktarda ilave edilmesi halinde ferritik / perlitik çeliklerin ince taneli olmasını sağlar. Alüminyum nitritlerin yüksek sertliği nedeniyle, genelde nitrürlenmiş çeliklere ilave edilir. Ayrıca alüminyum kabuklanma dayanıklılığını da artırır.

Krom, C: Bu element, çeliğin yüzeyinde yüksek sıcaklıklarda meydana gelen pul şeklindeki ayrılmayı, paslanmayı önler, aşınma mukavemetini artırır, çentik tokluğunu azaltır. Krom miktarının artması kaynaktan evvel çelik parçanın ön ısıtmaya, kaynaktan sonra da bir tavlamaya tabi tutulmasını gerektirir, aksi taktirde çelikte çatlamalar oluşabilir.

Manganez, Mn: Bu element de çok kuvvetli bir oksijen gidericidir. Kükürdü, manganez sülfıt olarak bağladığından, demir sülfıtin olumsuz etkisini azaltır. Manganez, çeliğin mukavemetini ve kaynak kabiliyetini artırır.

Molibden, Mo: Molibden genel olarak diğer alaşım elementleri ile birlikte kullanılır. Bu element sıcak halde çeliğin mukavemetinin artmasına yardımcı olurken, kabuklanma mukavemetini azaltır.

Nikel, Ni: Nikel, yüksek sıcağa dayanıklı çelikler için gerekli bir katkı elementidir. Bu, çeliğin mukavemetini, uzama sınırını ve tokluğunu artırır.

Silisyum, Si: Silisyum da çelik üretiminde önemli bir oksijen giderici bir element olup, çeliğin mukavemetini artırır, oksitlenmeye karşı dayanıklılığı ve elastikiyet sınırını artırır. Bu nedenle yay çeliklerinin imalatında kullanılabilir.

39

Bakır, Cu: Bakır, çelik için zararlı bir elementtir. Kabuklanma tabakasının alt kısmında zenginleştiğinden, çeliğin tane sınırları içine nüfuz ettiğinden, sıcak şekillendirmede yüksek bir yüzey hassasiyetine neden olduğundan, çeliklerde az kullanılır.

Volfram, W: Bu element, çeliğin çekme mukavemetini, uzama sınırını ve tokluğunu iyileştirir.

Vanadyum, V: Vanadyum, çelik içinde tane incelmesine neden olur, çeliğin aşınma mukavemetini ve sıcak haldeki mukavemetini arttırır.

Titanyum, Ti: Titanyum da kuvvetli bir oksijen gidericidir. Korozyona dayanıklı çeliklerin imalatında kullanılır. Bu element, çeliğin sıcaktaki mukavemetini artırır, yalnız birikmelere ve katmer oluşumuna neden olabilir.

Bor, B: Bu element, islah çeliklerinde, sertleşmeyi iyileştirir, sementasyon çeliklerinde ise sertleşme ve mukavemeti artırır.

Kükürt, S: Kükürt, kırılganlığı artırdığından ve kaynak çatlaklarına neden olduğundan, çelik için zararlı bir elementtir. Genel olarak kükürdün zararlı etkisi, çeliğe katılan diğer elementlerle birlikte manganez ilavesi ile azaltılır.

Fosfor, P: Fosfor da, çelik için zararlı bir elementtir. Çeliğin gevreklik kırılmasını artırır.

40

HESAPLAMALAR

Ortalama logaritmik sıcaklık farkı; T1 = 80°C (sıcak akışkan giriş sıcaklığı) T2 = 50°C (sıcak akışkan çıkış sıcaklığı / kabul) T3 = 10°C (soğuk akışkan giriş sıcaklığı /kabul) T4 = 40°C (soğuk akışkan çıkış sıcaklığı) ΔT1 = (T1 – T3) = 70°C ΔT2 = (T2 – T4) = 10°C ΔTm = (ΔT1 – ΔT2) / ln (ΔT1 / ΔT2) ΔTm = (70 – 10) / ln (70 / 10) ΔTm = 30,83390054 °C

41

Ortalama sıcaklık değerleri; Tort1 = (T1 + T2) / 2 = (80 + 50) / 2 = 65°C (sıcak akışkan) Tort2 = (T3 + T4) / 2 = (10 + 40) / 2 = 25°C (soğuk akışkan)

Akışkan özellikleri; Tort1

Tort2

65

25

980,5

997,45

Özgül ısı cpf (kcal/kg oC)

4,18726

4,17974

Isı iletim katsayısı k (W/moC)

0,65852

0,61041

Kinematik viskozite  .10-6 (m2 /s)

0,4435

0,9025

Prandtl sayısı Pr

2,7414

6,1223

Sıcaklık (°C) Yoğunluk

 (kg/m3)

Akışkanların aldığı ve verdiği ısı miktarları; V1 = (24000) / (86400) = 0,277 m3/s (kullanılan su miktarı kabul edilmiştir) m1 = V1. 1 m1 = 272,361 kg/s

Q = Q1 = Q2 Q1 = m1.cpf1.(T1 – T2) Q1 = (272,361).(4,18726).(30) Q1 = 34213,38963 kW

42

Q2 = m2.cpf2. (T4 – T3) (34213,38963) = (m2).(4,17974).(30) m2 = 272,899 kg/s m2 = V2. 2 V2 = (272,899) / (997,45) V2 = 0,273 m3/s

Kabuller; diç = 21mm = 0,021m ddış = 25mm = 0,025m s = 2mm = 0,002m n = 1600

Ayna Çapı (Da);

t = 1,28.ddış t = 32mm = 0,032m h = 27,71281292mm = 0,02771281292m A = t.(h/2)

43

F = 2.A.n.1,15 F = (π.Da2)/4 Da = 1,441m

Hidrolik Çap (Dh); Dh = 4 [(π.Da2/4) – (π.n.ddış2/4) / (π.Da) + (π.n.ddış) Dh = 0,025m

Hız (iç); Ui = V1 / π.(diç2/4).n Ui = 0,499 m/s

Hız (dış); Ud = V2 / (π/4).(Da2 – (n.ddış2)) Ud = 0,322 m/s

Reynold ve Nusselt sayıları ile αiç , αdış bulunması; Re1 = Ui.diç /

1

Re1 = (0,499).(0,021) / (0,4435.10-6) Re1 = 23627,95941 Pr1 = 2,7414 Nu1 = 0,023.Re0,8.Prn Nu1 = 98,1432717

n = 0,3 (soğuma)

44

αiç = Nu1.k1 / diç αiç = 3077,586061 W/m2 °C

Re2 = Ud.Dh /

2

Re2 = (0,322).(0,025) / (0,9025.10-6) Re2 = 8919,66759 Pr2 = 6,1223 Nu2 = 0,023.Re0,8.Prn

n = 0,4 (ısınma)

Nu2 = 68,67088027 αdış = Nu2.k2 / Dh αdış = 1676,695681 W/m2 °C

K toplam ısı geçiş katsayısının bulunması; Malzemenin ısı geçiş katsayısının yüksek tutulması, hem toplam ısı geçiş katsayısının artmasına hem de daha verimli ısı transferinin gerçekleşmesine neden olur. Bunun içinde elverişli olan dökme demir malzemesinin kullanılmasıdır (λ = 53).

1/K = 1/αiç + s/λ + 1/αdış 1/K = (1/3077,586061) + (0,002/53) + (1/1676,695681) K = 1042,669164 W/m2 °C

45

Boru uzunluğunun bulunması; Q = K.A.ΔTm A = π.ddış.n.L (34213389,63) = (1042,669164).(π.0,025.1600.L).(30,83390054) L = 8,468 m

Isı değiştirici tasarımında L/Da oranı önemlidir. Bu oran 3 – 8 arasında ise yapılan tasarım standartlara uygundur. (L / Da) = (8,468 / 1,441) (L / Da) = 5,876