Isı değiştirici

GİRİŞ:
Isı değiştiriciler; Farklı sıcaklıklara sahip iki akışkan arasında, birbiri içerisinde
karışmalarına müsaade etmeden, ısı transferinin gerçekleştirildiği cihazlardır. Yaygın
olarak ; Isıtma sistemlerinde, klima sistemlerinde, kimyasal proseslerde, güç
santrallerinde kullanılır.
Isı Değiştiricilerin Sınıflandırılması;
Akışkanların Temas Şekline Göre Sınıflandırılması
-
Direkt Temaslı Isı Değiştiriciler
-
İndirekt Temaslı Isı Değiştiriciler
Akış Şekillerine Göre Sınıflandırılması
-
Paralel Akım
-
Zıt Akım
-
Çapraz Akım
Direkt Temaslı Isı Değiştiriciler;
-
İki farklı fiziksel durumdaki akışkan (sıvı-gaz, katı- gaz, katı-sıvı gibi) birbiri ile
doğrudan temas ettirilir
-
akışkan akışı genelde bir pompa, fan veya kompresörle hızlandırılır ve
zorlanmış tipten ısı iletimi hakimdir
-
soğutma kuleleri ( gaz-sıvı teması )
-
direkt temaslı kondenserler ( gaz-sıvı teması)
-
pnömatik kurutucular ( katı-gaz teması )
-
ısı iletimi çok hızlıdır
-
korozyon, erozyon, yosunlaşma gibi problemlerin kontrolü daha kolaydır
İndirekt Temaslı Isı Değiştiriciler;
Akışkanların ısı alışverişi sırasında karışması ara bir yüzey ile önlenir ( Boru-kabuk
tipi ısı değiştiriciler).
1
Isı Değiştirici Çeşitleri
Farklı ısı transferi uygulamaları, farklı özelliklerde malzemelerin
ve
farklı
geometrilere sahip ısı değiştiricilerin kullanımını gerektirmektedir.
-
Çift borulu ısı değiştiriciler
-
Kompakt ısı değiştiriciler
-
Kabuk ve boru ısı değiştiriciler
Çift Borulu Isı Değiştiriciler :
En basit ısı değiştirici tipidir. Farklı çaplardaki eş merkezli iki boruludan oluşmaktadır.
Paralel Akış; Sıcak ve soğuk akışkan aynı yönde girmekte ve çıkmakta.
Zıt (ters) Akış; Sıcak ve soğuk akışkan zıt yönlerde girmekte ve çıkmakta.
Kompakt Isı Değiştiriciler;
Birim hacim başına çok daha geniş ısı transfer alanları elde edebilmek için özel
olarak dizayn edilmişlerdir. Küçük bir hacim içerisinde yüksek ısı transfer hızı sağlar.
Sık aralıklı yerleştirilen Oluklu veya ince plakalı kanat
kullanımıyla alan arttırılır.
Örnekler: Araç radyatörü (  1000 m2/m3); İnsan Akciğeri (  20 000 m2/m3)
Alan yoğunluğu ( ) :
Eğer  > 700 m2/ m3  Kompakt ısı değiştiricidir.
Genellikle iki akışkan birbirlerine dik yönde hareket etmektedirler. Bu akış
konfigurasyonu çapraz akış olarak tanımlanır.
Kompakt ısı değiştiriciler genellikle gazdan gaza; gazdan sıvıya veya sıvıdan gaza
ısı değiştiricilerinde kullanılırlar (Araba radyatörü).
Karışmayan; Akışkan, kanatlar arasındaki boşluklar
boyunca akışa zorlanır, farklı
yönlerdeki akışa izin verilmez.
Karışan; Akışkanın farklı yöndeki akışına herhangi bir sınırlandırma getirilmez.
2
Klasik bir ısı değiştirici, katı bir duvar ile ayrılmış iki akışkanın akımını içermektedir.
Isı tansfer mekanizmaları ;
-
Sıcak akışkandan duvara
: konveksiyon ile
-
Duvar boyunca
: kondüksiyon ile
-
Duvardan soğuk akışkana
: konveksiyon ile
Konveksiyon ısı transfer katsayılarının radyasyon etkilerini de içerdiği kabul
edilmektedir. Isıl Direnç Ağı, iki konveksiyon ve bir kondüksiyon direcinden
oluşmaktadır.
Isı değiştirici analizlerinde, sıcak akışkandan soğuk akışkana doğru gerçekleşen ısı
akışındaki ısıl dirençlerin birleştirilerek tek bir direnç şeklinde (R) verilmesi tercih
edilmektedir.
.
Sonuç olarak, iki akışkan arasındaki ısı transfer hızı; Q 
T
 UAT  U i A i T  U o A o T
R
U = Toplam ısı transfer katsayısı (W/m2.oC) (konveksiyon ısı transfer katsayısı ile
aynı birime sahip)
Denklemlerden T’ nin giderilmesi sonucu :
1
1
1
1
1


R
 R du var 
UAs U i A i U o A o
hi Ai
ho Ao
Ai ve Ao ; özellikle borunun bir yüzeyinin kanatlarla donatılmış, diğer yüzeyinin ise
kanatsız olduğu durumda birbirine eşit değildir. Çünkü kanatlı kısımın alanı birkaç kat
daha fazladır.
Ui Ai  Uo Ao , ancak Ui  Uo , (A i  Ao olması haricinde)
Sonuç olarak U, A bağlı olarak ifade edilmelidir. Duvar kalınlığı çok az ve kboru çok
yüksek ise ;
3
Borunun içi ve dışı için bireysel h değerleri (hi and ho) önceki bölümlerde anlatılan
konveksiyon bağıntıları kullanılarak belirlenir.
Eğer konveksiyon katsayılarından
herhangi birisi diğerine kıyasla oldukça küçük ise; U üzerine küçük konveksiyon
katsayısının etkisi daha baskındır.
h i  ho  1/hi  1/ho  U  hi
Sonuç olarak: küçük h, bir darboğaz gibi davranmakta ve ısı transferini önemli oranda
sınırlandıracak şekilde rol oynamaktadır.
Örnek: gazdan sıvıya ısı transferi (Kanatlar, U.As çarpımını ve dolayısıyla ısı transfer
hızını artırmak için yaygın biçimde gaz tarafında kullanılır)
Isı transferini artımak için borunun bir yüzeyi kanatlarla donatıldığında, kanatlı
yüzeydeki toplam ısı transfer alanı :
As  A toplam  Akanat  Akanatolmayan
𝐀𝐤𝐚𝐧𝐚𝐭 𝐨𝐥𝐦𝐚𝐲𝐚𝐧 = 𝐊𝐚𝐧𝐚𝐭𝐥𝐚𝐧𝐝ı𝐫ı𝐥𝐦𝐚𝐦ış 𝐤ı𝐬ı𝐦ı𝐧 𝐲ü𝐳𝐞𝐲 𝐚𝐥𝐚𝐧ı
𝐀𝐤𝐚𝐧𝐚𝐭 = 𝐊𝐚𝐧𝐚𝐭𝐥𝐚𝐫ı𝐧 𝐲ü𝐳𝐞𝐲 𝐚𝐥𝐚𝐧ı
Yüksek k değerine sahip kısa kanatlar için : kanatlar hemen hemen izotermaldir ve
R konv  1 / hAs
Aksi takdirde efektif yüzey alanı belirlenmelidir;
As  A toplam  Akanatolmayan  kanatAkanat
Kabuk Faktörü (Fouling Factor)
Isı transferinin gerçekleştiği yüzeylere totuların çökelerek birikmesi, Isı transferine ek
bir direnç oluşturur. Isı transferi üzerine bu birikmelerin net etkisi kabuk faktörü
(fouling factor) ile gösterilir.
4
Kabuk faktörü (Rf) = kabuktan dolayı oluşan ısıl direncin ölçülmesi
Temiz olmayan yüzeyler için (kanatsız kabuk-boru ısı değiştirici) ;
R f ,i ln(Do / Di ) R f ,o
1
1
1
1
1


R




UA U i A i U o A o
hi Ai
Ai
2kL
Ao
ho Ao
R f ,i & R f, o  iç ve dıı yüzeyler için kabuk faktörleri
Oldukça komplike bir olay olup kontrolü zordur.
-
Çökelme nedeniyle kabuklaşma
-
Katı partiküller nedeniyle kabuklaşma
-
Kimyasal korozyon sonucu kabuk oluşumu
-
Biyolojik kabuk oluşumu
Kabuk oluşumunun yol açtığı sorunlar:
-
Isı değiştiriciler gereğinden büyük yapılırlar. Yatırım maliyeti artar.
-
Enerji kayıplarını arttırır.
-
Isı değiştiricilerin periyodik temizlenmesini gerektirir.
-
Sık sık durmalara neden olduğu için üretim düşüklüğüne neden olur.
Kabuk
oluşumu,
işlem
sıcaklığına,
akışkanın hızına ve işlem süresine
oldukça bağlıdır. Kabuk oluşumu, işlem
sıcaklığının artışı ve akışkan hızının
azalması ile birlikte artar.
Kabuklaşma tasarım aşamasında göz
önüne alınmalıdır. Bu aşamada bir
öngörü
yapılmalı
ve
deneyimlerden
yararlanılmalıdır.
5
TEMA (Tubular Exchanger Manufacturer Association) tarafından tavsiye edilen
değerler kullanılır. Tabloda verilen değerlerin pek çoğunun 10-4 m2.C/ W
mertebesinde olduğuna dikkat ediniz. Bu değer, 0,2 mm kalınlığndaki kireç taşı
tabakasının (k=2,9 W/m.oC) ısıl direncine eşittir (birim yüzey alanı için). Bu değer,
elimizde spesifik bir değerin olmadığı durumda, kabuk faktörü hesabı için başlangıç
değeri olarak alınabilir.
Isı Değiştiricilerin Analizi

En uygun ısı değiştirici seçimi; Belirli bir kütlesel akış hızına sahip akışkan için
talep edilen sıcaklık değişiminin sağlanması

Çıkış sıcaklıklarının tahmin edilmesi; belirli bir ısı değiştirici için sıcak ve soğuk
akışkanların çıkış sıcaklıklarının belirlenmesi
Isı değiştirici analizleri için iki yöntem vardır:
1.
Logaritmik ortalama sıcaklık farkı (Log mean temperature difference method,
LMTD) Isı değiştirici seçiminde çok iyi sonuç verir.
2.
-NTU method, Isı transfer ünite sayısı (Effectiveness-Number of transfer unit)
Çıkış sıcaklıklarının tahimininde çok iyi sonuç verir.
Kabuller:
-
Kararlı akış
-
Her bir akışkanın kütlesel akış hızı sabit
-
Akışkan özellikleri (giriş ve çıkış için değişmemekte)
-
Her bir akışkanın Cp değeri sabit(belirli bir sıcaklık aralığı için
-
Kinetik and potansiyel enerji değişimleri ihmal
-
Boru boyunca eksenel yönde ısı iletimi ihmal
-
Isı değiştiricinin dış yüzeyi mükemmel izolasyona sahip (ortama herhangi bir
ısı kaybı yok)
-
Tüm ısı transferi yalnızca iki sıvı arasında gerçekleşmektedir.
6
DENEY DÜZENEĞİ
Bu deneyde Kabuklu-Borulu Isı Değiştirici kullanılmıştır. İç içe iki boru kullanılarak
yapılan ısı transferi, yeterli veya elverişli miktarda değilse bu durumda kabuklu-borulu
ısı değiştiricisi kullanılmaktadır (Şekil 1). Bu ısı değiştirici (eşanjör) tipi, dış tarafta
büyük bir boru (kabuk, kovan olarak da isimlendirilir) ve onun içerisinde yer alan
küçük çaptaki borulardan oluşmaktadır.
Farklı sıcaklıklara sahip akışkanlardan birisi iç kısımdaki borulardan akarken, diğeri
kabuk içerisinde akmaktadır. Isı, sıcak akışkandan soğuk akışkana transfer olur.
Kabuk-boru tipi ısı değiştirici endüstride; atık ısının geri kazanılması başta olmak
üzere, pek çok farklı alanda kullanılmaktadır.
Burada bir kabuk içerisine hesaplanan miktarda, belli çapta, uzaklıkta ve geometrik
dizilimde borular yerleştirilmektedir. Kabuk ve boru taraflarının ısı transfer katsayıları
oldukça önemlidir ve katsayıların yüksek olması tercih edilmektedir. Kabuk tarafından
geçecek sıvının hız ve türbulansı, boruların içerisinde geçecek akışkanınki kadar
önem taşımaktadır. Bunu arttırabilmek için kabuk ile boru arasına engeller (baffle)
konulup, geçiş alanı daraltılarak, akış hızı arttırılmaktadır.
Avantajları;

Zıt akış elde etmek kolaydır.

Yüksek basınçlara dayanabilir.

Standart modüler kontrüksiyona sahiptir,

Bakımı ve tamiri kolaydır.

Temizlenmesi koyla olduğundan özellikle kirletici akışkanlar için uygundur.

Piyasadan kolay şekilde bulunabilir.

Birçok metal ile imal edilebildiğinden akışkan sınırlaması çok azdır.

Isıl kapasiteyi ve ısıl geçiş yüzey alanını artırmak için seri halde montajları
yapılabilir.

Dezavantajları;
7

Özellikle küçük kapasiteler için uygundur.

Yüksek ısıl kapasiteler (1 MW dan daha fazla) için pahalıdır.
Şekil 1: Kabuklu-Borulu Isı Değiştirici
Kabuklu ve borulu ısı değiştiricisi Şekil 3’de gösterilmektedir. Deney boyunca
düzeneğin farklı yerlerinde bulunan ısıl çiftler (K tipi) sıcaklık ölçümünde
kullanılmaktadır.
Buna göre (zıt akış için):
T1: Boru tarafı sıcak akışkanın giriş sıcaklığı
T2: Boru tarafı sıcak akışkanın çıkış sıcaklığı
T3: Kabuk tarafı soğuk akışkanın giriş sıcaklığı
T4: Boru tarafı soğuk akışkanın çıkış sıcaklığı
Kullanılan deney setinde, 6,35 mm dış çaplı, 0,6 mm et kalınlığındaki 7 tane
paslanmaz çelik boru (tüp), 39 mm iç çapında ve 3 mm et kalınlığındaki akrilik
borunun içine yerleştirilmiştir. İki adet akrilik şeritten yapılmış engel (baffle) ise bu
borunun içerisine yerleştirilmiştir.
HT 33 kabuklu borulu ısı değiştiricisini sisteme yerleştirip, vidalarla sabitleyiniz.
8
Şekil 2. Deney düzeneği (kabuk ve borulu ısı değiştiricisi)(HT 33)

Isıl çiftleri soketlerini kontrol konsolunda (Şekil 4) görülen yerlerine bağlayınız.

Cihazın fişlerini takınız ve Şekil 4’de gösterilen 9 nolu düğmeye basarak cihazı
açınız.

Sıcak su iç borulardan ve soğuk su ise kabuk tarafından geçecek şekilde sıcak
ve soğuk su girişlerini istenilen akış prensibine (zıt yada paralel) göre gerekli
bağlantıları yapınız.
9

Sistemde bulunan sıcak su haznesini su ile doldurup, kontrol panelinde Tsıcak
sıcaklığını istenilen sıcaklığa göre ayarlayınız.

Soğuk suyun geldiği hattaki vanayı aşağıya doğru kısık bir biçimde indirerek
açınız. Bağlantılarda sızma olup olmadığı kontrol ediniz.

Sistemde gösterilen iğne vanalardan sağa doğru çevirerek sıcak ve soğuk
akışkanların
akış
hızlarını
kontrol
panelinden
okuyarak
istenilen
değerlere
ayarlayınız.
Şekil 3. Isı değiştiricisi sistemi için konsol ve kontrol panelleri (3:bağlantı vidaları; 9:
açma-kapama düğmesi:8:kontrol paneli:6:sıcak su haznesi)
DENEY YÖNTEMİ
Kabuklu-borulu tipi ısı değiştiricisi için yapılacak deneyler:
a) Sistem bağlantılarını zıt akış prensibine göre yapınız.
Tsıcak=60oC, Fsıcak=3 L/dak., Fsoğuk=1 L/dak
Tsıcak=60oC, Fsıcak=3 L/dak., Fsoğuk=2 L/dak
Sıcaklıklar kararlı (stabil) olduğunda T1, T2, T3, T4, Fsıcak ve Fsoğuk’u kayıt ediniz.
b) Akış tipi önce zıt sonra parelel olarak aşağıdaki koşullarda, sıcaklıklar
kararlı(stabil) olduğunda T1, T2, T3, T4, Fsıcak ve Fsoğuk’u kayıt ediniz.
Tsıcak=60oC, Fsıcak=2L/dak., Fsoğuk=1 L/dak
10
c) Akış tipi önce zıt sonra parelel olarak aşağıdaki koşullarda, sıcaklıklar
kararlı(stabil) olduğunda T1, T2, T3, T4, Fsıcak ve Fsoğuk’u kayıt ediniz.
Tsıcak=60 oC, Fsıcak=1 L/dak., Fsoğuk=1 L/dak
e) Akış tipi önce zıt sonra parelel olarak aşağıdaki koşullar için sıcaklıklar kararlı
(stabil) olduğunda T1, T2, T3, T4, T5, T6, Fsıcak ve Fsoğuk’u kayıt ediniz.
Tsıcak=40oC, Fsıcak=2L/dak., Fsoğuk=1 L/dak
Ardından sabit akış hızında Tsıcak 50 oC, 60 oC, 70 oC, ve 80 oC için deneyleri
tekrar ediniz.
Kabuklu ve borulu ısı değiştiricisi
a
bölümünde
aldığınız
verilerden
ΔTh=T1-T3
ve
ΔTc=T6-T4
değerlerini
hesaplayarak, deneysel hataları tahmin ediniz. Farklı akış hızları için sıcaklık
farklarını karşılaştırınız ve sonuç bölümünde yorumlayınız.
a bölümünde yaptığınız deneysel verilerden faydalanarak, kabuklu ve borulu bir ısı
değiştiricide toplam enerji denkliğini ve toplam etkinliği (verimi) farklı akış hızları için
hesaplayıp, karşılaştırınız.
Yoğunluk ve Cp değerlerini arkadaki çizelgelerden (ekler) okuyunuz.
Kütlesel akış hızı (qm)(kg/s) =hacimsel akış hızı(qv) (m3/s) x akışkan yoğunluğu
(ρ)(kg/m3)
Q (ısıl enerjisi)= qm (kütlesel akış hızı) x Cp (özgül ıs kapasitesi) x ΔT (sıcaklık farkı)
Sıcak akışkan tarafından verilen ısı Qe=qmhxCphx(T1-T3)
11
Soğuk akışkan tarafından alınan ısı Qa= qmcxCpcx(T6-T4)
Isı kaybı Qf=Qe-Qa
Toplam ısıl verim η =Qa/Qex100(%)
b bölümünde yaptığınız deneysel verilerden faydalanarak, kabuklu ve borulu bir ısı
değiştiricide her iki akış tipinde, hem soğuk hem de sıcak akışkan için ısıl etkinlik
katsayısını ve tüm sistem için ortalama etkinlik katsayısını hesaplayıp, karşılaştırınız.
Zıt Akış için
Zıt akışta, sıcak ve soğuk akışkanların bağlantıları birbirlerine göre ters yönden
akacak şekildedir. Şekil 8’de akış prensibi ve sıcaklık profilleri verilmiştir.
Buna göre;
Sıcak akışkandaki sıcaklık düşüşü ΔTh=T1-T2
Soğuk akışkandaki sıcaklık yükselmesi ΔTc=T4-T3
Sıcak akışkan tarafından verilen ısı Qe= qmhxCphx(T1-T2)
Sıcak akışkan için ısıl etkinlik ηh=((T1-T2)/(T1-T3))x100(%)
Soğuk akışkan için ısıl etkinlik ηc=((T4-T3)/(T1-T3))x100(%)
Ortalama ısıl etkinlik ηm= (ηh+ ηc)/2(%)
Zıt akış prensibi ve sıcaklık profile
12
Parelel akış için
Paralel akışta, sıcak ve soğuk akışkanlara bağlantıları birbirlerine göre aynı yönde
akacak şekildedir. Şekil 9’da akış prensibi ve sıcaklık profilleri verilmiştir.
Buna göre;
Sıcak akışkandaki sıcaklık düşüşü ΔTh=T1-T2
Soğuk akışkandaki sıcaklık yükselmesi ΔTc=T3-T4
Sıcak akışkan tarafından verilen ısı Qe= qmhxCphx(T1-T2)
Sıcak akışkan için ısıl etkinlik ηh=((T1-T2)/(T1-T4))x100(%)
Soğuk akışkan için ısıl etkinlik ηc=((T3-T4)/(T1-T4))x100(%)
Ortalama ısıl etkinlik ηm= (ηh+ ηc)/2(%)
Şekil 4: Parelel akış prensibi ve sıcaklık profili
13
b bölümünde yaptığınız deneysel sonuçları kullanarak, her iki akış tipi için ortalama
logaritmik sıcaklık farkını hesaplayınız (LMTD) ve toplam ısı transfer katsayısı U’yu
hesaplayıp, sonuç bölümünde karşılaştırınız.
LMTD:
tüplerin ısı geçiş uzunluğu l:0,144m
c bölümünde yaptığınız deneysel sonuçları kullanarak, her iki akış tipinde farklı
akış hızlarındaki U, sıcak ve soğuk akışkanlar için ısıl etkinlik ve ortalama etkinlik
katsayılarını hesaplayarak, sonuç bölümünde karşılaştırınız.
d bölümünde yaptığınız deneysel sonuçları kullanarak, her iki akış tipinde farklı Th
sıcaklıkları için U, sıcak ve soğuk akışkanlar için ısıl etkinlik ve ortalama etkinlik
katsayılarını
hesaplayarak,
karşılaştırınız.
Isı
transferinde,
sürücü
kuvvetin
değiştirilmesi ısı transferini nasıl etkilediğini deneysel sonuçlarınıza dayanarak, sonuç
bölümünde karşılaştırınız.
14
15
HT33 için Terminoloji
İsim
sembol
SI birim
Boruların iç çapı
Boruların dış çapı
di
do
m
m
Boruların çaplarının aritmetik ortalaması
Boruların sayısı
dm
m
n
-
l
L
A
m
m
m2
Spesifik ısı kapasitesi(sıcak akışkan için)
Cphot
kj/kgoK
Spesifik ısı kapasitesi(soğuk akışkan için)
Sıcak akışkanın giriş sıcaklığı
Sıcak akışkanın çıkış sıcaklığı
Cpcold
T1
T2
kj/kgoK
o
C
o
C
Her bir borunun ısı iletim uzunluğuı
Toplam ısı iletim uzunluğu
Isı transfer alanı
T3
T4
o
∆thot
∆tcold
o
Sıcak akışkan girişi için itici güç
∆t1
o
Sıcak akışkan çıkışı için itici güç
∆t2
o
∆t1m
o
Soğuk akışkanın giriş sıcaklığı
Soğuk akışkanın çıkış sıcaklığı
Sıcak akışkan sıcaklığındaki azalma
Soğuk akışkan sıcaklığındaki artış
Sıcaklık farkının logaritmik ortalaması
C
C
o
C
C
o
C
C
C
3
Hacimsel debi(sıcak akışkan)
qvhot
m /s
Hacimsel debi(soğuk akışkan
qvcold
m3/s
Sıcak akışkanın yoğunluğu
Ρhot
kg/m3
Soğuk akışkanın yoğunluğu
Ρcold
kg/m3
Kütlesel akış hızı(sıcak akışkan)
qmhot
kg/s
Kütlesel akış hızı(soğuk akışkan)
qmcold
kg/s
Sıcak akışkandan yayılan ısı gücü
Qe
W
Soğuk akışkan tarafından emilen ısı gücü
Qa
W
Kaybedilen veya kazanılan ısı gücü
Genel verimlilik
Qf
η
W
%
Sıcaklık verimi (sıcak akışkan)
ηhot
%
Sıcaklık verimi(soğuk akışkan)
ηcold
%
Sıcaklık verimi ortalaması
Genel ısı transfer katsayısı
ηort
U
%
W/m2C
16