Isı değişim problemlerini çözerken, ısı değiştiricisini seçen mühendis veya dizayn mühendisi tarafından alınan en önemli karar, ısı değiştirici tipinin seçilmesidir. Isı değiştirici tipinin seçiminde temel kural, deneyime dayanarak, benzer fonksiyonları yerine getiren ve benzer proses koşullarında çalışan ısı değiştirici tipini seçmektir. Bu nedenle ısı değiştirici tipinin seçimini yapacak mühendisin deneyimi çok önemlidir. Deneyimle beraber tam bir araştırma yapıldıktan sonra eğer benzer proses koşullarında çalışan ısı değiştiriciler var ise bu tip ısı değiştiricinin kullanımına karar verilir. Eğer benzer proses koşullarında çalışan ısı değiştirici mevcut değilse, çeşitli faktörler dikkate alınarak ısı değiştirici seçimi yapılır. Isı değiştiricilerin çalışma şartları geniş sınırlar içinde değiştiğinden, yapılış ve çalışma yetenekleri değişik isteklere göre belirlendiğinden, ısı değiştirici seçiminde dikkate alınacak faktörlerin tümü özel uygulamalara bağlıdır ve bu nedenle genel kurallar verilemez. Bununla beraber, ısı değiştirici tipini seçerken dikkate alınması gereken faktörler şu şekilde özetlenebilir [1, 2, 3, 9]:
1- Konstrüksiyon malzemeleri
2- Basınç ve sıcaklık
3- Performans parametreleri- sıcaklık programı, debiler, basınç düşümleri
4- Kirlenme eğilimleri
5- Muayene, temizleme, tamir ve ilave
6- Akışkanların tipleri ve fazları
7- Isı değiştiricinin boyutu
8- Bulunabilirlik
9- Ekonomik faktörler
ISI DEĞİŞTİRİCİ TİPLERİ
Isı değiştiricileri, farklı sıcaklıklardaki iki veya daha fazla akışkan arasında ısıl enerjinin değişimini sağlayan cihazlardır. Isı değiştiricileri; transfer prosesine, yüzey kompaktlığına, konstrüksiyon geometrisine, akış düzenlemesine, akışkan sayısına, ısı transfer mekanizmalarına ve uygulama alanlarına göre sınıflandırılırlar. Isı değiştiricileri, konstrüksiyon geometrisine göre 4 temel sınıfa ayrılır [12]:
a- Borusal ısı değiştiricileri
b- Plakalı ısı değiştiricileri
c- Genişletilmiş yüzeyli ısı değiştiricileri
d- Rejeneratif ısı değiştiricileri
Borusal ısı değiştiricileri, esas olarak borulardan yapılırlar. Bir akışkan borunun içerisinden akarken, diğer akışkan borunun dışından akar. Boru çapı, boru sayısı, boru uzunluğu, boru adımı ve boru düzenlemesi değiştirilebilir. Bu nedenle borusal ısı değiştiricilerin dizaynlarında oldukça esneklik vardır. Borusal ısı değiştiricileri; çift borulu, gövde borulu ve spiral borulu ısı değiştiricilerinden oluşmaktadır.
Plakalı ısı değiştiricileri, akış kanallarını oluşturan ince plakalardan yapılırlar. Bunlar, gaz, sıvı veya iki-fazlı akımların herhangi bir kombinasyonu için ısı transfer etmek amacıyla kullanılırlar. Contalı-plakalı, spiral plakalı ve lamelli tiplerinden oluşmaktadır.
Genişletilmiş yüzeyli ısı değiştiricileri, ısı transfer alanını artırmak amacıyla esas ısı transfer yüzeyi (borusal veya plakalı) üzerinde kanatçıklar veya ilaveler bulunan ısı değiştiricileridir. Gaz tarafındaki ısı taşınım katsayısı, sıvı tarafındaki ısı taşınım katsayısından çok düşük olduğundan, kanatçıklar gaz tarafında kullanılır. En yaygın tipleri plakalı-kanatlı ve borulu-kanatlı ısı değiştiricileridir.
Rejeneratif ısı değiştiricileri, periyodik akışlı ısı değiştiricileridir. Bu ısı değiştiricilerine “Rejeneratörler” de denilmektedir. Rejeneratörlerde, ısı önce sıcak akışkan tarafından bir ortamda depo edilir, daha sonra soğuk akışkana verilir. Isı geçişi dolaylıdır.
Aşağıda endüstride çok yaygın olarak kullanılan tipik ısı değiştirici tipleri, özellikleri, avantajları ve dezavantajları özet olarak verilmiştir [1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 12].
1- GÖVDE BORULU ısı değiştiricileri (GBID)
Proses endüstrisinde en yaygın olarak kullanılan ısı değiştirici tipidir; yaklaşık olarak kullanılan tüm ısı değiştiricilerinin % 60’ı gövde borulu ısı değiştiricidir. Gövde borulu ısı değiştirici, boru ekseni gövdenin eksenine paralel olacak şekilde büyük silindirik gövde içine yerleştirilen birbirine paralel yuvarlak borulardan yapılır. Akışkanlardan birisi boruların içinden, diğer akışkan ise gövde tarafında borulara paralel veya çapraz olarak akar. Temel elemanları; borular (veya boru demeti), gövde, iki baştaki kafalar, boruların tespit edildiği ön ve arka ayna ile gövde içindeki akışı yönlendiren ve borulara destek olabilen şaşırtma levhaları ve destek çubuklarıdır. Isıl görev, basınç düşümü, basınç seviyesi, kirlenme, imalat yöntemi ve maliyeti, korozyon ve temizleme problemlerine bağlı olarak çeşitli gövde tarafı ve boru tarafı akış düzenlemeleri kullanılır.
Özellikleri :
– Maksimum basınç: Gövde tarafında 350 bar (mutlak), boru tarafında 1400 bar (mutlak).
– Sıcaklık aralığı: (-200 0C) ile (600 0C) arasında değişir. Özel malzemeler ile bu sıcaklık aralığı genişleyebilir.
– Tek bir ünite için tipik yüzey alanı 10 – 1000 m2 arasında değişir.
– Maksimum etkinlik : e =0.9 (çok geçişli ünitelerde etkinlik daha küçüktür). Etkinlik, akışkandaki sıcaklık yükselmesinin teorik olarak mümkün olan maksimum sıcaklık yükselmesine oranı olarak tanımlanır.
– Minimum D T=5 K
– Mümkün olduğu zaman karbon çeliğinden yapılır.
Avantajları :
– Hemen hemen tüm uygulamalar için kullanılabilir; örneğin petrol rafinerileri, termik santraller, kimya endüstrisi vs.
– Son derece esnek ve sağlam dizayna sahiptir.
– Temizleme için demonte edilebilecek, sökülebilecek şekilde dizayn edilebilir.
– Bakımı ve tamiri kolaydır.
– Piyasadan çok kolay bir şekilde bulunabilir. Bu ısı değiştiricilerini sağlayan firma sayısı oldukça fazladır.
– Çoklu üniteleri yapmak kolaydır.
– Bir çok metal ile imal edilebildiğinden akışkan sınırlaması çok azdır.
Dezavantajları :
– Yüksek plan alanı gerektirir. Bunun yanında demeti sökebilmek için ekstra alana gereksinim vardır.
– 16 bar basınç ve 200 0C sıcaklığın altındaki koşullarda plakalı ısı değiştiricileri daha ucuz olabilir.
2- Çift borulu ısı değiştiricileri (ÇBID)
Çift borulu ısı değiştiricileri en basit ısı değiştirici tipidir. Bir borunun daha büyük çaplı bir boru içerisine eşmerkezli olarak yerleştirilmesi ile elde edilir. Akışkanlardan biri içteki borudan akarken, diğeri dışarıdaki borudan akar. Bu ısı değiştiriciler, istenen basınç
düşümü ve sıcaklık farkı gereksinimlerini karşılamak için çeşitli seri ve paralel konfigürasyonlar şeklinde düzenlenebilir. İçteki boru tek veya çok borulu olabilir. Eğer halkadaki ısı taşınım katsayısı düşükse eksenel kanatçıklara sahip iç boru (veya borular) kullanılabilir.
Özellikleri :
– Maksimum basınç: Gövde tarafında 350 bar (mutlak), boru tarafında 1400 bar (mutlak)
– Sıcaklık aralığı: (-200 0C) ile (600 0C) arasında değişir. Özel malzemeler ile bu sıcaklık aralığı genişleyebilir.
– Tek bir ünite için tipik yüzey alanı 0.25-200 m2 arasında değişir.
– Maksimum etkinlik : e =0.9
– Minimum D T=5K
– Genellikle çoklu üniteler kullanılır.
– Mümkün olduğu zaman karbon çeliğinden yapılır.
– Esas kullanım alanı, küçük ısı transfer alanlarının (50 m2‘ye kadar) gerektiği proses akışkanlarının duyulur ısıtılması ve soğutulması içindir.
Avantajları :
– Isıl kapasiteyi ve ısı geçiş yüzey alanını artırmak için seri halde montajları yapılabilir.
– Karşıt akış elde etmek kolaydır.
– Yüksek basınçlara dayanabilir.
– Standart modüler konstrüksiyona sahiptir.
– Bakımı ve tamiri kolaydır.
– Temizlenmesi kolay olduğundan, özellikle kirletici akışkanlar için uygundur.
– Piyasadan kolay şekilde bulunabilir.
– Bir çok metal ile imal edilebildiğinden akışkan sınırlaması çok azdır.
Dezavantajları :
– Özellikle küçük kapasiteler için uygundur.
– Yüksek ısıl kapasiteler (1 MW’dan daha fazla) için pahalıdır.
3- SPİRAL borulu ısı değiştiricileri (sBID)
Bir depo içine yerleştirilen spiral şeklinde sarılmış bir veya daha fazla borulardan oluşmaktadır. Isı transfer katsayısı, spiral bir boruda düz bir borudakinden daha yüksek olduğundan spiral sarım kullanılır. Bu ısı değiştiricileri genellikle havuz ve depolardaki akışkanların sıcaklık kontrolünde kullanılır. Helisel bir şekilde yapılabilen serpantinin adımı, sarım çapı ve alanı uygun bir şekilde seçilebilir. Küçük serpantinlerin depo içinde desteğe ihtiyacı olmamasına rağmen, büyük serpantinlerin desteklenmesi gerekir [7].
Özellikleri :
– Temizleme hemen hemen imkansız olduğundan, temiz akışkanlar için uygundur.
– Soğutma sistemlerinde kullanılan kondenserler ve eş-eksenli evaporatörler olarak dizayn edilirler.
Avantajları :
– Basit ve ucuz bir şekilde elde edilebilir.
– Isıl genleşmenin oluşturduğu gerilme problemleri yoktur.
– Spiral borunun dış yüzeyi ve depo kolaylıkla mekanik olarak temizlenebilir.
Dezavantajları :
– Spiral borunun iç yüzeyi mekanik olarak kolay bir şekilde temizlenemez.
4- Contalı plakalı ısı değiştiricileri (PID)
Contalı plakalı ısı değiştiricileri, ince metal plakaların bir çerçeve içerisine sıkıştırılarak paket haline getirilmesi suretiyle yapılırlar. Her bir metal plakanın dört tarafında akışkanların geçebilmesi için delikler vardır. Plakalar birleştirilip paket yapılırken uygun contalar kullanılarak akışkanların birbirine karışması ve dışarıya sızıntı yapması önlenir. Plakalar arasındaki boşluklardan, sıcak ve soğuk akışkanlar birbirlerine karışmadan akarlar [7]. Rijitlik sağlamak, plakalar arasındaki mesafeyi sabitleştirmek ve ısı transferini iyileştirmek için plakalar dalgalı şekilde yapılırlar.
Özellikleri :
– Maksimum basınç: Normal olarak 25 bar (mutlak)’dır. Özel dizaynlarla 40 bar (mutlak)’a çıkabilir.
– Sıcaklık aralığı: Normal olarak (-25 0C) ile (+175 0C) arasında değişir. Özel malzemeler ile bu sıcaklık aralığı genişleyerek (-40 0C) ile (+200 0C) olmaktadır.
– Tek bir ünite için tipik yüzey alanı 1 – 1200 m2 arasında değişir.
– Maksimum etkinlik : e =0.95
– Minimum D T=1 K
– Plakalar paslanmaz çelikten veya titanyum, Incoloy veya Hastelloy gibi yüksek dereceli malzemeden presle yapılır.
– Contalar, zayıf noktalardır. Contalar, nitril kauçuk, hypalon, viton veya neoprenden yapılır.
– Akışkan sınırlaması esas olarak conta tarafından olmaktadır.
– Gıda, sentetik lastik, kimya, selüloz ve kağıt endüstrisi, kombi cihazları vs. gibi kullanım alanlarına sahiptir.
Avantajları :
– Yüksek ısı transfer katsayısına sahiptir.
– Isıl etkinliği yüksektir; 0.90-0.95 değerinde etkinliğe kadar çıkmak mümkündür.
– D T ‘si düşüktür; 1 K’e kadar düşebilmektedir.
– Gövde borulu ısı değiştiricilerine göre daha kompakttır.
– Plakalar ince olduğundan maliyet düşüktür. Kullanılabildiği yerlerde normal olarak en ekonomiktir.
– Erişilebilirliği iyidir, muayene ve temizleme için kolayca açılabilir.
– Esnektir, ekstra plakalar ilave edilebilir.
– Az akışkan miktarıyla kısa alıkoyma zamanına sahiptir. Bu nedenle sıcaklığa duyarlı veya pahalı akışkanlar (örneğin makyaj ve parfümeri malzemeleri) için uygundur.
– Kirlenmesi azdır, genellikle düşük kirlenme katsayıları mümkündür.
– Modüler konstrüksiyona sahiptir.
– Bakım kolaylığı avantajı vardır. Kolaylıkla sökülüp temizlenebilir.
– Akışkanlar arası karışma olasılığı azdır, kaçaklar dış tarafa doğrudur.
– Titreşim yoktur.
– Isı değiştirici içinde sıcak ve soğuk bölgeler oluşmaz.
Dezavantajları :
– Plakaların düzlemsel oluşu, conta malzemeleri ve çerçevenin konstrüksiyonu nedeniyle yüksek basınçlara çıkılamaz.
– Kapasitesi, portların boyutuyla sınırlıdır.
– Özel geniş boşluklu plakalar kullanılmaz ise süspansiyon halindeki katılar tarafından kolayca bloke edilebilir.
– Plakalar, korozyon dikkate alındığında, organik solventler için uygundur fakat contalar uygun olmayabilir.
– Sızıntı riski vardır, contalar daima sızıntı riskini artırır.
– Conta malzemeleri, belli akışkanların kullanımını sınırlayabilir.
– Sıcaklık, conta malzemesi tarafından sınırlandırılır.
– Conta zamanla özelliğini kaybeder, bu nedenle belirli zamanlarda bu contaları değiştirmek gerekebilir.
– Gaz iki-fazlı akış için genellikle uygun değildir.
5- Spiral PLAKALI ısı değiştiricileri (SID)
Isı transfer yüzeylerinin plakalardan oluştuğu, silindirik borulardan oluşmadığı plakalı tip ısı değiştiricidir. Spiral plakalı ısı değiştiricileri, 150 ila 1800 mm genişliğindeki uzun ince iki metal plakanın her biri bir akışkan için olmak üzere iki spiral, paralel kanal oluşturacak şekilde spiral şeklinde sarılması ile elde edilir. İki plaka arasına konulan saplamalar ile düzgün bir aralık sağlanabilir. Plakaların iki tarafı contalı kapaklar ile kapatılır. Çeşitli akış konfigürasyonları mümkündür ve bu akış konfigürasyonlarına göre değişik tip spiral ısı değiştiricisi imal edilmiştir.
Özellikleri :
– Dizayn basınçları çapa bağlıdır fakat 20 bar civarında değişmektedir.
– Dizayn sıcaklıkları 400 0C’ye kadar çıkabilir.
– Tek bir ünite için tipik yüzey alanı 0.5-350 m2 arasında değişir.
– Özellikle süspansiyonlar ve fiber akışkanlar için uygundur. Bu nedenle kağıt, selüloz, sülfat ve sülfit fabrikaları ve mineral filizinin işlenmesi sektörlerinde sık kullanılır.
– Belli bir yüzey alanı için maliyetleri genel olarak plakalı ısı değiştiricileri ile gövde borulu ısı değiştiricileri arasındadır.
– Malzeme paslanmaz çelik, titanyum, monel vs. gibi soğuk olarak işlenebilen herhangi bir kaynak edilebilir malzeme olabilir.
– Akışkan bakımından sadece konstrüksiyon malzemesi sınırlaması vardır.
– Kirli ve tortulu akışkanlar için uygundur fakat temizlenmesi plakalı ısı değiştiricileri kadar kolay değildir.
Avantajları :
– Yüksek ısıl verime sahiptir.
– Kirlenme eğilimi düşüktür.
– Bakım kolaylığı vardır.
– Temizlenmeleri kolaydır ve kimyasal temizleme etkin bir şekilde yapılabilir.
– Basınç kayıpları, gövde borulu ve contalı plakalı ısı değiştiricilerine göre azdır.
– Montaj maliyeti düşüktür.
– Proses spesifikasyonuna kolayca uyabilir.
– Orta ve yüksek viskoziteli akışkanlar için son derece verimlidir.
– Akış dağılımı iyi ve yüksek hızlar kullanılabildiğinden sıcaklığa duyarlı akışkanlar için çok uygundur.
– İstenirse plakalar üzerine oluklar yapılarak ısı transferi iyileştirilebilir.
Dezavantajları :
– Bakım genellikle kolaydır fakat hasar görmüş olan spirallere bakım zordur.
– Boyutları sınırlıdır.
– Conta malzemesi nedeniyle sıcaklık ve basınç sınırlamalarına sahiptir.
6- Lamelli ısı değiştiricileri (LID)
Bir gövde içine yassılatılmış borulardan (lameller) yapılmış bir demetin yerleştirilmesi ile elde edilir. Lameller genellikle nokta veya elektrikli dikiş kaynağı ile birbirlerine tutturulur. Akışkanlardan birisi lamelli boruların içinden akarken, diğer akışkan lamellerin arasından akar. Gövde içerisinde şaşırtma levhaları yoktur. Akış tek geçişli olup, aynı yönlü veya karşıt akışlı düzenleme kullanılabilir [7].
Özellikleri :
– Dizayn basınçları çapa bağlı olarak 35 bar basınca kadar çıkabilir.
– Sıcaklık, teflon conta kullanıldığında 220 0C’ye, asbest conta ve paslanmaz çelik kullanıldığında 500 0C’ye kadar çıkabilir.
– Tek bir ünite için tipik yüzey alanı 1-1000 m2 arasında değişir.
– Isı transfer katsayıları gövde borulu ısı değiştiricilerinkinden büyük fakat plakalı ısı değiştiricilerinkinden küçüktür.
– Kullanım alanları kağıt, besin ve kimya endüstrileridir.
– Özellikle gaz-gaz görevleri için uygundur.
– Malzemeler karbon, paslanmaz çelik, titanyum, Incoloy ve Hastelloy’dur.
– Akışkan bakımından sadece konstrüksiyon malzemesi sınırlaması vardır.
Avantajları :
– Tam karşıt akış elde edildiğinden ısıl verimleri yüksektir.
– Hidrolik çap küçük olduğundan büyük ısı taşınım katsayıları elde edilebilir.
– Minimum kirlenme eğilimine sahiptir.
– Bakım kolaylığı vardır.
– Gövde borulu ısı değiştiricilerinden daha kompakttır.
– Kimyasal temizleme etkin bir şekilde yapılabilir.
– Düzgün akış yollarına sahiptir.
Dezavantajları :
– Lamellerin iç taraflarını mekanik olarak temizlemek zordur.
7- Kaynaklı plakalı ısı değiştiricileri (CONTASIZ PLAKALI) (KPID)
Contalı plakalı ısı değiştiricileri mükemmel özelliklerine karşın, 30 bar basınç ve 260 0C sıcaklıktan büyük basınç ve sıcaklıklarda kullanılamazlar. Kaynaklı plakalı ısı değiştiricilerinde plakalar çevresel olarak kaynak edilerek, atmosfere olan sızıntı önlenip bu dezavantajlar ortadan kaldırılmış olur. Böylece conta problemi çözülmüş olmasına rağmen ısı değiştirici temizlik ve bakım için sökülemez. Kaynak maliyetini azaltmak için plakalar, contalı plakalı ısı değiştiricilerinin plakalarından daha büyük yapılır.
Özellikleri :
– Dizayn basınçları 30 bar basınca kadar çıkabilir.
– Dizayn sıcaklıkları 400 0C’nin üstüne çıkabilir.
– Tek bir ünite için tipik yüzey alanı 10000 m2 ‘ye kadar çıkabilir.
– Tümüyle kaynaklı (lazer kullanan) konstrüksiyona sahip konvansiyonel plakalı ısı değiştirici tipleri geliştirilmiştir.
– Kimyasal temizleme mümkün ise, gövde borulu ve contalı plakalı tiplere alternatiftir.
– Akışkan bakımından sadece konstrüksiyon malzemesi sınırlaması vardır.
Avantajları :
– Plaka çiftleri kaynak edilebilir ve konvansiyonel bir çerçevede toplanabilir.
– Conta problemi yoktur, dolayısıyla sızıntı riski azdır.
Dezavantajları :
– Kirli ve tortulu görevler için uygun değildir.
– Diferansiyel basınç 30 bar’dan küçük olmalıdır.
– Diferansiyel genleşme göz önüne alınmalıdır.
8- plakalı KANATLI ısı değiştiricileri (PKID)
Kanatlar, paralel plakalar halindeki yüzeyler arasına mekanik olarak preslenerek, lehimlenerek veya kaynak edilerek tespit edilir. Kanatlar, düz, delikli, tırtıllı, zikzak vs. şekillere sahiptir. 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 [7].
Özellikleri :
– Maksimum basınç: 80 bar (boyuta bağlı)
– Sıcaklık aralığı: Alüminyumda (-2000C) ile (+150 0C) arasında değişir. Paslanmaz çelikte 600 0C’ye kadar çıkabilir.
– Küçük boyut ve ağırlık için kullanılır. Tipik olarak 500 m2/m3 hacim kompaktlığa sahiptir fakat 1800 m2/m3 hacim kompaktlığa kadar ulaşılabilir.
– Kullanım alanları, gaz ve buhar türbinleri, otomobil, kamyon, uçak motorları soğutma sistemleri, ısı pompaları, soğutma ve iklimlendirme tesisleri, elektronik devrelerin soğutma devreleri ile enerji geri kazanım sistemleridir.
– Akışkan sınırlaması, malzeme tarafından olmaktadır.
– Tek fazlı ve çift fazlı akışlarda kullanılabilir.
– Maksimum D T= 50 0C tipik.
Avantajları :
– Son derece kompakttır.
– 12’ye kadar (normal olarak 7) çok akıma sahip olabilir.
– Yüksek etkinliğe sahiptir. Etkinlik, 0.98’e kadar çıkabilir.
– Düşük D T’ ye sahiptir. D T, tipik olarak 0.1 0C ‘ye kadar inebilir.
– Çapraz-akışlı veya karşıt-akışlı akış konfigürasyonuna sahip olabilir.
– Düşük ağırlığa sahiptir.
– Kullanılan kanatlar ısı değiştiricinin rijitliğini artırır ve yüksek basınçlarda çalışmasını sağlar.
– Çoklu akım kullanılabilir.
Dezavantajları :
– Sadece temiz akışkanlar ile kullanılır.
9- BORULU KANATLI ısı değiştiricileri (BKID)
Bir tarafında gaz, diğer tarafında sıvı akan ısı değiştiricilerinde, sıvı tarafındaki ısı taşınım katsayısı yüksektir, bu nedenle çoğunlukla sıvı akışkan tarafı kanat gerektirmez. Yüksek basınçlı akışkan genellikle boru içinden akıtılır. Pratikte dairesel veya oval kesitli boru dışındaki kanatlı yüzeyler ile daha çok karşılaşılır. Kanatlar boru ile birlikte imal edilebildiği gibi, sonradan boru üzerine döküm, kaynak, lehim veya sıkı geçme tekniği ile tespit edilebilir [7].
Özellikleri :
– Kompakttır, kompaktlığı 3300 m2/m3 değerine kadar ulaşabilir.
– Kullanım alanları, güç santralleri, pervaneli soğutma grupları, taşıt araçları, iklimlendirme ve soğutma tesisatlarıdır.
– Isı değiştiricinin kullanılabilme sıcaklığı kanatların boruya tespit şekline bağlıdır.
Dezavantajları :
– Kanatların oluşturduğu ilave basınç kayıpları göz önüne alınmalıdır.
10- GRAFİT ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ (GID)
Grafit, ısı iletim katsayısı yüksek (çeliğin hemen hemen üç katı), korozyona dayanıklı ve işlenmesi kolay bir malzeme olarak ısı transfer cihazlarında konstrüksiyon malzemesi olarak kullanılır. Grafit gövde borulu, kübik ve dikdörtgen, multi-blok ve kartuş tipi olmak üzere 4 tipte yapılabilir.
Özellikleri :
– Maksimum basınç, ısı değiştirici tipine göre değişir:
Gövde borulu tip: 6 bar
Kübik ve dikdörtgen tip: 5.2 bar
Multi-blok tip: 6 bar
Kartuş tip: 6 bar
– Maksimum sıcaklık 180 0C’dir.
– Tek bir ünite için tipik yüzey alanı, ısı değiştirici tipine göre değişir:
Gövde borulu tip: 1.6-1650 m2
Kübik ve dikdörtgen tip: 0.65-153 m2
Multi-blok tip: 0.22-240 m2
Kartuş tip: 0.16-18.6 m2
Avantajları :
– Mükemmel korozyon direncine sahiptir.
– Kirlenme eğilimi düşüktür.
Dezavantajları :
– Sıcaklık ve basınç sınırlamalarına sahiptir.
– Grafit gövde-borulu ve multi-blok tipler hariç, diğerlerinin kapasiteleri sınırlıdır.
11- Hava soğutmalı ısı değiştiricileri (HSID)
Hava soğutmalı ısı değiştiricileri, çevre havasının boruların dışından aktığı, boruların içinden akan akışkanı yoğuşturmak ve/veya soğutmak için kullanılan borusal ısı değiştiricileridir.
Özellikleri :
– Boru (proses) tarafındaki tipik basınç 350 bar ‘dır (mutlak), özel dizaynlarla daha yüksek değerler elde etmek mümkündür.
– Maksimum sıcaklık 600 0C’dir.
– Tek bir ünite için tipik yüzey alanı, demet başına 5-350 m2 arasında değişir (çıplak boruya dayanmaktadır).
– Akışkan bakımından sadece konstrüksiyon malzemesi sınırlaması vardır.
– Isı atma sistemidir.
Avantajları :
– Hava daima mevcuttur.
– Bakım maliyetleri, normal olarak su soğutmalı sistemlerden daha azdır.
– Gücün kesilmesi durumunda, doğal konveksiyon ile bir miktar ısı transfer edebilirler.
– Hava tarafındaki basınç, daima atmosfer basıncına yakın olduğundan, mekanik dizayn normal olarak daha basittir.
– Hava tarafındaki kirlenme normal olarak ihmal edilebilir.
– Oldukça standart dizayn ve kanatçıklara sahiptir.
Dezavantajları :
– Gürültü problemi vardır. Az gürültülü fanlar bu problemi azaltır fakat bu, fan verimi ve buna bağlı olarak daha yüksek enerji maliyetleri pahasına gerçekleşir.
– Soğuk havadan korunmak için özel özellikler gerektirebilir.
– Soğutma kulesi kadar düşük sıcaklığa soğutamaz.
12- Isı borulu ısı değiştiricileri (IBID)
Isı borusu, vakum prosesi uygulanmış, iç yüzeyleri gözenekli kılcal fitil ile kaplanmış kapalı boru veya farklı şekilli odalardır. Isı borusunun temel elemanları; kapalı bir kap, çalışma akışkanı ve gözenekli kılcal fitildir. Isı borusunun bir ucu evaporatör, diğer ucu kondenser olarak işlev görür. Çalışma akışkanı, evaporatörde dış ısı kaynağından alınan ısı vasıtasıyla buharlaşarak kondensere akar. Kondenserde, çalışma akışkanı gizli ısısını dış soğuk ortama vererek yoğuşur. Kondensat kılcal hareket yardımıyla fitil boyunca evaporatöre geri döner. Böylece ısı borusu, buharlaşma gizli ısısını evaparatör kısmından kondenser kısmına sürekli olarak transfer eden bir ısı değiştiricidir.
Özellikleri :
– Maksimum basınç: 40 bar.
– Sıcaklık aralığı: (-1000C) ile (+400 0C) arasında değişir. Özel ısı borusu çalışma akışkanları ile daha yüksek sıcaklıklara çıkılabilir.
– Tek bir ünite için tipik yüzey alanı, 100-1000 m2 arasında değişir.
– Düşük basınçta büyük hacimli gazlar arasındaki ısı alışverişi için ideal olarak uygundur.
– Elektrik-elektronik cihazlardan ısı atılması, köprüler, yollar vs. için buz-giderme üniteleri, güneş kollektörleri, ısıtma-havalandırma-iklimlendirme uygulamaları, kurutma ve ısı geri kazanım sistemlerinde uygulama alanı bulmaktadır.
Avantajları :
– Hareketli parçaları yoktur, dolayısıyla sessiz çalışır.
– Her iki gaz tarafında da genişletilmiş yüzeyler kullanılabilir.
– Konstrüksiyonel olarak basittir.
– Son derece iyi esnekliğe sahiptir.
– Son derece düşük sıcaklık düşümüyle önemli mesafeye yüksek miktarda ısı transfer kabiliyetine sahiptir.
– Kontrol edilebilirliği iyidir.
– Dış pompa gücü gerektirmez.
Dezavantajları :
– Düşük basınçlı gazlar için uygundur.
13- rejeneratörler
Rejeneratörlerde, ısı önce sıcak akışkan tarafından bir ortamda depo edilir, daha sonra soğuk akışkana verilir. Isı geçişi dolaylıdır. Rejeneratör içerisinde ısının depolandığı gözenekli elemanlara “dolgu maddesi” veya “matris” adı verilir. Pratikte, “dönen”, “sabit dolgu maddeli” ve “paket yataklı” olmak üzere 3 grup rejeneratör vardır.
Özellikleri :
– Basıncı, atmosfer basıncı civarındadır.
– Rotoru, alüminyum, çelik, paslanmaz çelik veya Incoloy’dan yapılabilir.
– Sıcaklık alüminyum rotorlarda 200 0C, çelik rotorlarda 425 0C, paslanmaz çelik veya Incoloy rotorlarda 980 0C’ye çıkabilir.
Avantajları :
– Kompaktlık çok büyük değerlere çıkabilir.
– Diğer ısı değiştiricilerine göre ilk yatırım maliyeti daha azdır.
– Sistemin kendi kendini temizleme özelliği vardır.
Dezavantajları :
– Sıcak ve soğuk akımlar arasında her zaman bir miktar kaçak vardır.
– Kullanım alanı, yüksek sıcaklıkta olsa bile düşük basınçlı gazlar arasındaki ısı değişimi ile sınırlıdır.
– Akışkanlar birbirine etki edebiliyorsa bu tip ısı değiştiricileri kesinlikle kullanılmaz.
Bu kısımda anlatılan ısı değiştiricileri tüm ısı değiştiricileri tiplerini kapsamamaktadır. Örneğin bunların dışında, kabartmalı panel, cam, teflon, bobinli boru, gaz-gaz ile gaz-sıvı uygulamaları için geliştirilmiş özel ısı değiştiricileri de bulunmaktadır. Bu kısmın amacı, çok sayıda ısı değiştirici tipi olduğunu göstermek, daha yaygın olarak kullanılan ısı değiştirici tipleri ve özellikleri hakkında bilgi verip, ısı değiştirici seçiminin çok önemli ve dikkatle yapılması gereken bir konu olduğunu vurgulamaktır.
Isı değiştirici tipini seçerken dikkate alınması gereken faktörler
Bu kısımda, ısı değiştirici tipini seçerken dikkate alınması gereken faktörler ayrıntılı olarak incelenecektir.
1- KONSTRÜKSİYON MALZEMELERİ
Isı değiştirici için kullanılabilecek çok çeşitli konstrüksiyon malzemesi seçeneği vardır. Bunlardan bazıları artan maliyet sırasına göre aşağıda verilmiştir [8]:
a- Çelik
b- Paslanmaz çelik
c- Titanyum
d- Zikronyum
e- Nikel alaşımları
f- TFE ve PVDF plastikleri
g- Grafit
h- Kolumbiyum
i- Tantalyum
Isı değiştirici için malzeme, ekonomi ve performansın birlikte en iyi olması temeline bağlı olarak seçilir. Orijinal cihaz maliyeti, cihazın beklenen ömrü ve bakım maliyetlerine karşın dengelenmelidir. Korozyon dikkate alındığında, kısa süreli prosesler hariç olmak üzere, yumuşak çelik ısı değiştiricilerinden kaçınılmalıdır. Atmosfer ve çözeltilerin korozif etkilerinin düşük olduğu çoğu sistemlerde 316 paslanmaz çelik tarafından ekstra korunma, normal maliyetle sağlanabilir. 316 paslanmaz çelik ısı değiştiricileri artan ömür ve azalan bakım dolayısıyla ilk maliyetinin daha fazlasını karşılar. Daha korozif uygulamalarda, malzeme seçimi çok daha önemli olur. Bazı malzeme seçimleri kolay ve açıktır; örneğin kostik maddeler için paslanmaz çelik seçilir. Bazı diğer seçimler daha az açıktır ve genellikle deneyime dayanan tercihi gösterirler. Bu durumda, korozyon tabloları malzeme seçiminde yardımcı olabilir. Gerçek koşullara ait özellikler için bunlar da yeterli olmaz ise ısı değiştirici malzemesi seçimi için kimyasal firmaların hazırladığı kılavuz ölçütler kullanılabilir [8].
Borusal ısı değiştiricileri korozyona dirençli olan herhangi bir malzemeden imal edilebilir. Kompakt ısı değiştiricilerinin (contalı plakalı, spiral ve lamelli ısı değiştiricileri) imalatı ise preslenebilen (plakalı) veya kaynak edilebilen (spiral ve lamelli) malzemeler ile sınırlıdır [1].
Aynı ısıl görevler için borusal ısı değiştiricileri normal olarak kompakt tiplerden daha fazla malzeme gerektirirler. Kaynaklı ısı değiştiricileri (borusal, spiral ve lamelli) plakalı ısı değiştiricilerinden imalat bakımından daha çok işçilik gerektirir, fakat plakalı ısı değiştiricilerinin imalatı için büyük yatırım maliyeti gerekir. Bağıl olarak pahalı konstrüksiyon malzemesi gerektiği zaman, kompakt tipler için özellikle plakalı ısı değiştiriciler için olan ilk maliyetler, borusal tipler için olan maliyetlerden oldukça yüksektir. Kompakt tiplerin birim alanı başına maliyeti borusal tiplerden daha yüksektir, fakat artan verim ve bunun sonucunda oluşan daha küçük alan gereksinimi, bu maliyetten daha fazlasını karşılayabilir [1].
2- Basınç ve sıcaklık
Borusal ısı değiştiricileri, pratikte kullanılan hemen hemen her basınç ve sıcaklığa göre dizayn edilirler. Ekstrem durumlarda, malzeme kalınlığı ile ilişkili imalat problemleri ve bitmiş ünitenin ağırlığı bakımından sınırlamalar olabilir [1, 2].
Kompakt ısı değiştiricileri, kesit alanında ani değişim olmayan ince malzemelerden imal edilirler. İnce malzemelerin kullanılması, bu tiplerin çalışma basınç ve sıcaklıklarını sınırlar; fakat mekanik arızaya yol açan titreşim, yorulma ve ısıl etkiler yoktur [1].
Çoğu ısı değiştirici tipleri sadece düşük basınçlarda kullanılabilir ve basıncın çok yüksek olduğu özel uygulamalarda bu tipler hemen seçimin dışına atılabilir. Yine çoğu ısı değiştirici tipleri sadece sınırlı sıcaklık aralığında çalışabilir ve bu kural çoğu tiplerin seçilmemesini gerektirir. Eğer çalışma basıncı 30 bar’ın altında ve çalışma sıcaklığı 200 oC’nin altında ise daima plakalı-tip ısı değiştiricilere, özellikle contalı-plakalı tip ısı değiştiriciye öncelik verilmelidir. Daha yüksek basınç ve sıcaklıklarda ise gövde borulu ısı değiştirici, kaynaklı plakalı ısı değiştirici ve çift borulu ısı değiştirici arasından tercih yapılmalıdır. Küçük kapasiteli, yüksek-basınçlı uygulamalar için özellikle çift-borulu ısı değiştirici uygun olabilir [3].
3- PERFORMANS PARAMETRELERİ
Performans parametreleri; akışkan giriş ve çıkış sıcaklıkları, debiler ve basınç düşümü gibi parametrelerden oluşmaktadır. Değiştirilecek ısı miktarı, akışkan giriş ve çıkış sıcaklıkları ve müsaade edilen basınç düşümü (veya pompa gücü) çoğunlukla genel proses optimizasyonunun sonucu olarak belirlenir. Seçilen her hangi bir ısı değiştirici bu gereksinimleri karşılama kapasitesinde olmalıdır [6].
Isıl Uzunluk :
Isıl uzunluk (q ), veya ısı transfer birim sayısı (HTU), ısı değiştiricinin performansının ölçüsü olan yararlı bir kriterdir. Tek fazlı akış içeren bir ısı değiştiricisi için ısıl uzunluk, bir akışkandaki sıcaklık değişiminin
, akışkanlar arasındaki ortalama sıcaklık farkına oranı olarak tanımlanır [1]; yani:
Su/su akışına sahip borusal bir ısı değiştiricide orta seviyede bir basınç düşümünde, yaklaşık olarak “0.5 HTU/geçiş” değeri elde edilecektir. Kompakt ısı değiştiricileri, özellikle plakalı tip, “ısıl olarak uzun” kanallara sahiptir ve q değerleri “4 HTU/geçiş” değerine kadar yükselmektedir [1].
Debi :
Debi, ısı değiştirici tipinin seçimini etkileyen önemli bir parametredir. Debinin sınırlanmasını etkileyen parametreler, kanal akış alanı ve müsaade edilen basınç düşümüdür. Basınç düşümünün 20 kPa olduğu durumda, ticari olarak mevcut olan bazı ısı değiştiriciler için sınırlayıcı hacimsel sıvı debi değerleri aşağıda verilmiştir [1]:
Borusal ısı değiştiricileri : Sınırsız
Plakalı ısı değiştiricileri : 2000 m3/h
Spiral ısı değiştiricileri
1. tip (her 2 tarafta spiral akış) : 400 m3/h
2. tip (bir tarafta çapraz akış) : 8000 m3/h
Lamelli ısı değiştiricileri : 4000 m3/h
Suyun dışındaki diğer akışkanlar veya farklı basınç düşümleri için, hacimsel debi, bu değerlerden oldukça farklılık gösterir.
Basınç Düşümü :
Basınç düşümü, ısı değiştirici dizaynında önemlidir ve ısı transferi için ödenen bedeldir. Basınç düşümü sınırlamaları, ekonomik (pompalama maliyetleri) nedenler veya proses sınırlamaları tarafından belirlenir. Ekonomik dizayn için, herhangi belirlenen basınç düşümü sınırlamalarına tamamıyla uyulmalıdır [1]. Proses dizayn edici tarafından, ısı değiştirici için basınç düşümü belirlenirken dikkat gösterilmelidir. Bazen belirlenmiş olan basınç düşümü gerçekten proses gereksinimleri tarafından belirlenirken, fakat daha fazla çoğunlukla, proses dizayn edicinin belirlemesi oldukça keyfi temelde olabilir. Basınç düşümünün, dizaynın ekonomisi üzerinde kuvvetli etkisi olduğundan, dizayn edici tarafından belirlenen basınç düşümü sorgulamadan kabul edilmesi gereken değer olarak düşünülmemelidir [6] .
Verimsiz basınç düşümünden kaçınılmalıdır; giriş, çıkış ve dönüş-dirsek kayıpları minimize edilmeli ve küçük boru tarafı geçiş sayısı kullanılmalıdır. Plakalı ısı değiştiricileri geçiş başına diğer tiplerden daha yüksek q değerleri (ısı transfer birim sayısı) geliştirebilirler.
Özgül basınç düşümü (Je) şu şekilde tanımlanır [1]:
Normal işletme-maliyet parametreleri (faiz oranı, amortisman, elektrik maliyetleri) için, optimal genel ekonomi, konstrüksiyon malzemesine bağlı olarak, özgül basınç düşümü (Je), 20-100 kPa/HTU aralığında olduğunda elde edilir. Yukarıdaki değerler su/su görevleri için verilmiştir; diğer akışkanlar için, Je için olan optimal değer oldukça yüksektir.
Sıcaklık Geçişi :
Isı değiştiricisinde sıcaklık geçişinin olması, ısı değiştirici tipinin seçiminde dikkate alınması gereken diğer bir faktördür. Soğuk akışkanın ısı değiştiriciden çıkış sıcaklığı, sıcak akışkanın çıkış sıcaklığından fazla ise, bu ısı değiştiricide “sıcaklık geçişi” vardır denir. Eğer sıcaklık geçişi var ise, karşıt akışlı ısı değiştiricilerini kullanmak gereklidir. Karşıt akış oluşturan üniteler ise, ya tam karşıt akışlı üniteler veya seri bağlı çok geçişli ünitelerdir. Eğer sıcaklık geçişi yok ise, çapraz akışlı veya karışık akışlı üniteler yeterli olur.
4- Kirlenme EĞİLİMLERİ
Kirlenme, sıvıların içinde bulunabilen katı cisimler ve kireçlenme ısı değiştirici seçiminde dikkate alınması gereken önemli faktörlerdir. Bir akışkanın belirli bir yüzey tipine göre kirlenme karakteristiklerine etki eden faktörler şunlardır [1, 2]:
a- Akışkanın hızı: Isı değiştirici kanal sistemindeki en düşük hız, en önemli etkendir.
b- Akışkan hızının kayma kuvveti, türbülans ve laminer-tabaka kalınlığına etkisi
c- Yüzey civarında kalma süresi
d- Kanallardaki hız veya akım dağılımı: Tüm kanal bölümlerinde iyi bir hız veya akım dağılımı olmalıdır. Eğer birden fazla kanal var ise çeşitli kanallar arasındaki akım dağılımının da iyi olması gerekir.
Diğer tip ısı değiştiricilerinin kirlenme faktörleri gövde borulu ısı değiştiricilerine göre daha azdır. Kirli bir görevin gereklerinin en iyi karşılandığı ısı değiştirici tipi spiral plakalı ısı değiştiricisidir. Plakalı ısı değiştiricileri ve lamelli ısı değiştiricileri de kanallarda ve kanal aralarında iyi bir akım dağılımı olduğundan ve akımın tümünün türbülanslı olmasından dolayı kirli görevlere iyi uyum sağlarlar. Süspansiyon halinde elyaf içeren sıvılar için genellikle spiral plakalı ısı değiştiricileri en uygun ısı değiştirici tipidir.
5- Muayene, TEMİZLEME, TAMİR VE İLAVE
Proses akımlarının karakteristikleri, temizleme (mekanik veya kimyasal) ve ünitenin tümünün veya bir kısmının periyodik değiştirilmesi için gereksinimleri karşılayacak şekilde dikkatlice incelenmelidir. Eğer gövde borulu ısı değiştiricisindeki boru demeti, temizleme veya değiştirilme için sökülecek ise, yeterli yer hacmi mevcut olmalı ve gerekli cihazların ısı değiştiricisine girişi ve çıkışı göz önüne alınmalıdır. Eğer proses koşullarının değişimleri olasıysa, modifikasyon kolaylığı, ayrıca önemli faktör olabilir [6].
Göz önüne alınması gereken diğer bir faktör, arıza sonucu akışkanların birbirine karışması ve/veya sızıntı yapmasıdır. Çok zehirleyici ve tutuşabilir akışkanlar için, arıza çok fazla önemli olabilir ve bu, ısı değiştirici tipini seçmeye karar verirken genellikle önemli faktör olabilir. Lamelli ve spiral ısı değiştiriciler akışkanların birbirine karışma olasılığını minimize eder. Zehirli akışkanların kullanılacağı yerlerde, dış bağlantılara özel dikkat gösterilmelidir, çünkü bu bağlantıların yüksek bütünlük sağlaması gerekir.
Tablo 1’de çeşitli ısı değiştiricilerinin muayene, temizleme, tamir ve ilave bakımından uygunluk dereceleri karşılaştırmalı olarak gösterilmiştir. Bu karşılaştırma izafi ve yaklaşıktır; çünkü bazı ısı değiştiricileri dizayn bakımından oldukça esneklik gösterirler. Örneğin, spiral ısı değiştiricileri, kanal genişliği 5-25 mm aralığında ayrıca saplamalı veya saplamasız olarak imal edilebilir [1].
Tablo 1 Çeşitli Isı Değiştiricilerinin Muayene, Temizleme, Tamir ve İlave Bakımından Uygunluk Dereceleri [1]
ISI DEĞİŞTİRİCİ TİPİ | |||||
PLAKALI | SPİRAL | LAMELLİ | BORUSAL | ||
Bir tarafta | Çİ | KE | KE | KE | |
İki tarafta | Çİ | KE-İMKSZ | ZYF | KE-İMKSZ | |
Bir tarafta | KE | Çİ-KE | Çİ | Çİ | |
İki tarafta | KE | Çİ-KE | Çİ | Çİ | |
Bir tarafta | Çİ | Çİ-ZYF | KE | KE | |
İki tarafta | Çİ | KE-İMKSZ | İMKSZ | KE-İMKSZ | |
Bir tarafta | Çİ | Çİ | KE | KE | |
İki tarafta | Çİ | Çİ | KE | KE-ZYF | |
Bir tarafta | Çİ | KE-ZYF | KE | KE | |
İki tarafta | Çİ | KE-İMKSZ | İMKSZ | KE-İMKSZ | |
İlave | Çİ | İMKSZ | İMKSZ | İMKSZ | |
Tamir | Çİ | ZYF | ZYF | KE | |
Çİ : Çok iyi. KE : Kabul edilebilir. ZYF : Zayıf. İMKSZ : İmkansız.
6- AkışkanlarIN TİPLERİ VE FAZLARI
Burada esas önemli olan, akışkan ve konstrüksiyon malzemeleri arasındaki uyumdur. Eğer akışkanların korozyon karakteristikleri özellikle önemliyse, grafit, cam veya teflon gibi korozyon direnci yüksek ısı değiştiricilerini tercih etmek düşünülmelidir. Bu ısı değiştiricilerin basınç, sıcaklık ve kapasite sınırlamaları olduğu için yüksek korozyon karakteristikleri nedeniyle bu ısı değiştiricileri seçerken bu sınırlamalara dikkat etmek gereklidir. Örneğin contalı plakalı ısı değiştiricilerinde, akışkanla uyum sağlayacak conta malzemesi bulmak mümkün olmayabilir. Eğer uygun plaka ve conta malzemeleri var ise ayrıca contalı-plakalı tip ısı değiştiricilerini kullanmak da düşünülebilir.
Seçilen ısı değiştiricisinin konstrüksiyon malzemeleri, akışkanlarla aşırı korozyon oluşturmamalıdır. Kirlenmeye olan eğilim oldukça dikkatli bir şekilde değerlendirilmeli ve ısı değiştiricisi kirlenmeyi dikkate alarak, gerekli süre çalışabilecek kapasitede olacak şekilde seçilmelidir. Isı değiştiricisi, akışkan basınç ve sıcaklık farkları (ısıl gerilmeler) nedeniyle oluşacak gerilmelere dayanacak şekilde dizayn ve imal edilme kapasitesinde olmalıdır. Tablo 2’de çeşitli uygulamalar için uygun ısı değiştirici tipinin seçimine ait bazı genel noktalar özet olarak verilmiştir [2].
Tablo 2 Çeşitli Uygulamalar İçin Uygun Isı Değiştirici Tipinin Seçimine Ait Bazı Genel Noktalar [2].
Isı transfer görevi | Düşünceler |
Viskoz olmayan bir sıvı ile viskoz olmayan diğer bir sıvı halinde | En düşük yüzey gerektiren değiştiriciler PID’dir. Korozif sıvılar halinde asbest contalı bir PID veya SID yahut LID tiplerini kullanınız. Çok yüksek hacimsel akım debileri, basınç veya sıcaklıklar halinde gövde borulu tipleri kullanınız. |
Viskoz olmayan bir sıvı ile buhar halinde | Karbon çeliği veya bakır alaşımı uygunsa bir gövde borulu tip ekonomik olabilir. Eğer paslanmaz çelik veya yüksek alaşımlı malzemeler gerekli ise bir SID veya LID kullanınız. Sağlık veya elle temizleme sebeplerinden dolayı bir PID kullanınız. |
Viskoz bir sıvı ile su veya buhar halinde | Bir gövde borulu tip kullanıldığında genellikle ilk masraflar azdır, fakat çoğu zaman diğer sebeplerden dolayı bir PID veya SID ‘nin daha ekonomik olduğu düşünülebilir. |
Viskoz bir sıvı ile diğer viskoz bir sıvı halinde | PID’ler en verimli tiptir; özellikle Newtonien olmayan sıvılar halinde. Viskozite çok büyük ise (100000 cSt) bir SID kullanınız. |
Isıya karşı hassas sıvılar halinde | Bu durumda bir PID ihtiyaçları en iyi şekilde karşılar. Fakat uzun bir durma süresi söz konusu ise bir SID en iyi çözümdür. |
Havanın ısıtılması veya soğutulması hali | Genellikle havaya açık taraflı basit ısı değiştiricileri kullanılır. Kanatlı borular takılabilir. |
Gaz (hava) ile gaz (hava) hali | Çoğu zaman en iyi çözüm bir LID’dır. Bir taraftaki basınç düşüşü diğer taraftakine göre çok fazla olduğu hallerde kanatlı borulu bir gövde borulu tip ısı değiştirici ikinci ve daha iyi bir alternatiftir. |
Dondurma uygulamalarında gaz yoğuşumu | Çok düşük sıcaklıklar için genellikle yığma plakalı bir SID veya LID en iyi çözümü verirler. Sağlk açısından ince alüminyum kullanılabilir. |
Buhar yoğuşumu | Eğer karbonlu çelik kullanılabilirse gövde borulu tip tercih edilmelidir. Paslanmaz çelik veya yüksek bir alaşım gerekli ise bu durumda çapraz akımlı bir SID veya LID en iyi çözümü verir. Temizleme ve sağlık sebeplerinden dolayı kutu tipi bir PID kullanılabilir. |
Gaz-buhar karışımı yoğuşumu | Bilhassa bu durumlar için yapılmış SID’lerin belirli tiplerini kullanınız. |
Damıtma, buharlaşma ve sıvı gazını alma tesisleri için ısı değiştiricileri | Damıtma kuleleri için modern ısı değiştiricileri çok uygundur. Kaynatıcılar içi bir SID, LID veya zorlanmış sirkülasyonlu PID düşünülebilir. Normal ısıtma ve soğutma için bir PID en iyi seçimdir, alternatif olarak bir SID kullanılabilir. |
Soğutma suyu | Kapalı bir devrede soğutma suyu en iyi bir şekilde paslanmaz çelik PID veya titan plakalar veya hava soğutucuları ile soğutulur. |
Yüksek sıcaklıktaki uygulamalar | Özel sipariş ısı değiştiricileri. Seri ısıl çevrimi haiz bazı yüksek sıcaklıktaki uygulamalar için KBTID’ler uygundur. |
7- Isı değiştiricinin boyutu
Isı değiştiricinin boyutuyla ilgili temel ilke, “seçilen ısı değiştiricinin boyutu, çok sayıda paralel üniteye sahip olmayacak şekilde gereksinim duyulan görevi karşılayacak uygun boyutta olmalıdır” şeklinde ifade edilebilir. Çünkü çok sayıda paralel ünitenin kullanılması durumunda akış dağılım problemleri oluşma olasılığı olduğu gibi pahalı boru hattı ve vanaların kullanılması gerekebilir.
Yukarıda belirtilen prensiplerin yanında, eğer ısı değiştiricinin kullanılacağı yerde “yer” problemi var ise, ilave montaj maliyetleri oluşturmasına rağmen, çeşitli ısı değiştiricilerini paralel bağlayarak, bu maksimum boyut sınırlaması probleminin üstesinden gelmek daima mümkündür. Boru donanımında ekstra maliyetler oluşturmasının yanında, çoklu ünitenin kullanımı bazen paralel üniteler arasında akış dağılım problemlerine yol açabilir.
8- Bulunabilirlik
Bulunabilirlik, ısı değiştirici tipinin seçiminde önemli bir parametredir. Özel ısı değiştiricilerini sağlayabilecek firma sayısı azdır, teslim süreleri uzundur ve bu ısı değiştiricileri uzmanlar tarafından tamir edilmelidir. Bu nedenle, eğer özel dizayn gerektiren bir ısı değiştirici seçilecek ise, bu ısı değiştiricinin dizayn ve imalatı için gerekli süre dikkate alınmalıdır. Bu durum, genellikle standart dizaynlara sahip olan ısı değiştirici tipinin seçilmesini zorunlu kılabilir. Bu nedenle ilk seçimde bulunabilirlik faktörü dikkatli bir şekilde göz önünde tutulmalıdır.
9- Ekonomik faktörler
Eğer yukarıdaki maddelerde belirtilen gereksinimleri, çeşitli tip ısı değiştiricileri karşılıyorsa, son seçim ekonomi temelinde olmalıdır. Isı değiştirici tipinin seçiminde maliyet çok önemli bir faktördür. Isı değiştiricilerin toplam maliyeti, yatırım, montaj ve işletme maliyetinden oluşmaktadır. En düşük yatırım maliyetine sahip olan ısı değiştirici tipi serviste ciddi problemler oluşturabilir ve işletme maliyeti yüksek olabilir. Her bir durum ayrı ayrı irdelenmelidir. Sabit basınç düşümü (pompa gücü) için esas ekonomik faktör, yatırım maliyeti olacaktır. Fakat dizayn parametrelerinin seçiminde geniş bir aralık olduğu durumlarda, pompa gücü ile yatırım maliyeti arasında bir ilişki olduğuna dikkat edilmeli ve bu durum kesinlikle gözden kaçırılmamalıdır. Ayrıca montaj maliyetleri de çok önemli olabilir [6]. Karar verilmeden önce çeşitli ısı değiştirici tipi ve maliyet alternatiflerini göz önüne almak gerekli olabilir.
İLK SEÇİM
İlk seçim; 3. kısımda belirtilen çalışma basıncı ve sıcaklığı, akışkan-malzeme uyumu, kirlenme, bulunabilirlik vs. gibi kriterler (ilk 8 madde) dikkate alınarak uygun olmayan ısı değiştiricilerin belirlenip bunların reddedilmesi anlamına gelir. Bu kriterleri dikkate alarak seçim yaparken, 2. kısımda verilen ısı değiştiricilerin özellikleri, avantajları ve dezavantajları ile ilişkili bilgiler, dikkatli bir şekilde incelenmelidir. İlk seçimde göz önüne alınması gereken genel ilkeler şu şekilde özetlenebilir [5, 12]:
a- Borular ve silindirler plakalardan daha yüksek basınçlara dayanabilirler.
b- Basınç sınırlamaları yaklaşık 30 barın üstündeki ve vakumdaki uygulamalar için plakalı ısı değiştiricilerinin seçilmemesini gerektirir.
c- 200 0C’nin üstündeki sıcaklıklarda, conta malzemesi sınırlaması nedeniyle plakalı ısı değiştiricileri kullanılamaz.
d- Kirlenme ve temizleme açısından plakalı kanatlı ısı değiştiricilerinin kullanılmaması gerekebilir.
e- Düşük basınç sınırları, gövde borulu ve hava soğutmalı ısı değiştiricileri (boru tarafı) hariç çoğu ısı değiştirici tiplerinin seçimin dışına atılmasını gerektirir.
f- Eğer ısı değiştirici birden fazla malzemeden imal edilebiliyorsa, ekstrem sıcaklıklar veya korozif akışkanlarla uyum sağlayacak metali bulabilmek mümkün olmaktadır.
g- Çok özel ısı değiştiricileri sağlayabilecek firma sayısı azdır, teslim süreleri uzundur ve bu ısı değiştiricileri uzmanlar tarafından tamir edilmelidir. Bu nedenle ilk seçimde bulunabilirlik faktörü dikkatli bir şekilde göz önünde tutulmalıdır.
Isı değiştiricinin ilk seçiminde kullanılabilecek kriterler, Tablo 3’de “Isı Değiştirici Seçim Kriterleri” başlığı altında özet olarak verilmiştir. Bu tabloda, ısı değiştirici tipleri, dayanabilecekleri maksimum sıcaklık ve basınç, tek bir ünite için yüzey alanı ve ısı değiştiricilerin kompaktlığı, bakım kolaylığı, korozyon riski, sızıntı riski vs gibi özellikleri verilmiştir. Bu tablo, en yaygın kullanılan ısı değiştirici tiplerini kapsamaktadır. Tablo incelendiğinde, en az “1”, muhtemelen de “1’den fazla” ısı değiştirici tiplerinin özel bir uygulama için uygun olduğu ortaya çıkar. Yukarıdaki kriterler dikkate alınıp ilk seçim yapılırken tereddüt oluşması durumunda, bu ısı değiştirici seçime dahil edilmeli ve son seçim kriterleri kullanılarak değerlendirme yapılmalıdır.
FİZİBİL ISI DEĞİŞTİRİCİ TİPLERİ ARASINDA SEÇİM (SON SEÇİM)
İlk seçim yapıldıktan sonra birden fazla ısı değiştiricinin fizibil olduğu bulunabilir. Son seçim, ilk seçimde uygun olduğu belirlenen ısı değiştirici tipleri arasında maliyetler açısından en uygun olan ısı değiştirici tipinin belirlenmesidir. Bu nedenle, Tablo 3 ve diğer ilgili kaynakları kullanarak özel bir uygulama için “fizibil” olan ısı değiştirici tipleri belirlendikten sonra, yapılacak iş, her bir ısı değiştirici tipinin maliyetlerini incelemektir. Isı değiştiricilerin toplam maliyeti 3 maliyetten oluşmaktadır:
a- Yatırım maliyeti
b- Montaj maliyeti
c- İşletme maliyeti
Seçimde en önemli faktör yatırım maliyetidir. Montaj maliyetleri, kompakt ısı değiştiricileri hariç yatırım maliyetleri kadar yüksek olabilir. Montaj maliyetleri offshore uygulamalarda çok daha önemli olabilir. Isı değiştiricilerin maliyetini belirlemek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemler, daha çok sadece yatırım maliyetine dayanmaktadır [3, 6, 10, 11].
İlk seçimden sonra, son değerlendirme yapılarak kullanılacak ısı değiştirici tipi belirlendiğinden, son değerlendirmenin nasıl yapılacağı önemli bir konudur. Isı değiştirici tiplerinin son seçimini yaparken kullanılacak değerlendirme yöntemi özet olarak aşağıda verilmiştir [6]:
1- Isıl dengeden
ısı yükü bulunur.
2- D T ortalama sıcaklık farkı belirlenir.
3- Her bir önerilen konfigürasyon için
oranı hesaplanır. Gerekli olan özel ısı yükü için, sıcaklık farkı düzeltme katsayısı (F) değiştiğinden değerleri
değişecektir.
4- Her bir ısı değiştirici tipi için verilmiş olan tablolardan,
kullanılarak, sıcak ve soğuk akışkan tipleri ve basınçlarına göre “C” değerleri okunur. “C”, W/K başına ısı değiştiricinin maliyetini göstermektedir ve birimi “$/(W/K)” dir. Gerekirse, C değerlerinin bulunabilmesi için logaritmik interpolasyon kullanılır. C değerleri çeşitli kaynaklarda verilmektedir [3, 6, 10, 11].
5- Her bir konfigürasyonun maliyeti “
” ve “C” değerleri çarpılarak bulunur:
Maliyet =
Montaj ile pompa maliyet farkları da dikkate alınarak maliyetler karşılaştırılır.
6- Eğer bir konfigürasyon diğerlerinden çok daha iyiyse (örneğin 1.5 kat gibi), bu dizayn seçilir ve detaylı hesaplamalar yapılır. Eğer çeşitli dizaynlar yaklaşık olarak aynı maliyetlere sahip iseler, bu durumda, tüm dizaynlar daha ayrıntılı bir şekilde hesaplanmalıdır. Bu ayrıntılı hesaplamalar sonucunda, maliyeti en düşük olan ısı değiştirici tipi seçilir.
TABLO 3. ISI DEĞİŞTİRİCİ SEÇİM KRİTERLERİ [3, 4, 5, 6]
Isı Değiştirici Tipi | ||||||||
Kriter | HSID | PID | SID | LID | PKID | ÇBID | GID | GBID |
Basınç, (bar) | 350(1) | 30 | 20 | 35 (10) 10 (11) | 25 (13) | 350 (14) | 6 | 350(17) |
Sıcaklık, (oC) | 600 | (-40)-(200) (5) | 400 | 220 (10) 500 (11) | (-260)-(650) | (-200)-(600) | 180 | (-200)-(600) |
Tek bir ünite için tipik yüzey alanı, (m2) | 5-350(2) | 1-1200 | 0.5-350 | 1-1000 | 1230 m2/m3‘e kadar | 0.25-200 | (16) | 10-1000 |
Kompaktlık | (3) * | **** | **** | ** | ***** | * | *** | * |
Mekanik temizleme | ** | ***** | **** | ** | * | *** | * | *** |
Kimyasal temizleme | ** | **** | **** | *** | ** | *** | ***** | *** |
Maliyet/m2 | ** | (6) **** | (8) *** | (12) ** | ***** | ** | * | ** |
Bakım kolaylığı | ** | ***** | **** | *** | * | *** | * | ** |
Korozyon riski | *** | **** | **** | **** | *** | **** | ***** | ** |
Kirlenme riski | ** | ***** | **** | *** | ** | *** | *** | * |
Kirlenme etkisi | (4) * | **** | **** | ** | * | *** | ** | ** |
Sızıntı riski | ** | (7) * | (9) * | ** | **** | (15) *** | * | (18) ** |
Montajdan sonra görev değişikliği | ** | **** | * | * | *** | * | *** | * |
Sıcaklık geçişi | * | **** | **** | *** | ***** | *** | *** | ** |
Viskoz akış | * | **** | **** | ** | ***** | ** | **** | * (19) *** |
Isıya duyarlı akışkanlar | ** | **** | **** | ** | *** | ** | *** | * |
Katı akışı | * | ** | **** | ** | * | *** | * | * |
Gazlar | **** | * | *** | *** | **** | **** | *** | **** |
Faz değişimi | **** | * | **** | *** | **** | **** | *** | **** |
Çok akışkanlı değişim | *** | *** | * | ** | ***** | * | *** | ** |
* : çok zayıf, ** : zayıf, *** : uygun, ****: iyi, *****:çok iyi
NOTLAR:
(1): Tipik üst sınır fakat daha yüksek basınçlar için dizayn mümkün.
(2): Paket tip demetler. Eğer kullanım yerinde inşa edilirse daha büyük boyutlar mümkün.
(3): Sıkça boru raflarının üzerine veya yakınlarına monte edilir.
(4): Dış taraftaki kirlenme hava akışını azaltabilir ve MTD azalabilir.
(5): Sıkıştırılmış asbest fiberli contalar için 260 oC.
(6): Düşük bağıl maliyet demir dışı malzemelere uygulanır.
(7): Plaka kenarları kaynakla kaplanabilir ancak bu durumda sökülme çok zor olur.
(8): Tüm metaller için
(9): Bakınız (7).
(10): Çap = 300 mm
(11): Çap = 1000 mm
(12): Yalnızca demir dışı metaller için geçerli
(13): Kesit alanına bağlı olarak 80 bar’a kadar mevcut.
(14): Tipik üst sınır fakat daha yüksek basınçlar için dizayn mümkün.
(15): Eğer tümü kaynaklı ise
(16): Gövde borulu tip: 1.6-1650 m2
Kübik ve dikdörtgen tip: 0.65-153 m2
Multiblok tip: 0.22-240 m2
Kartuş tip: 0.16-18.6 m2
(17): Tipik üst sınır fakat çapa bağlı olarak daha yüksek basınçlar mümkün.
(18): TEMA tiplerine bağlıdır.
(19): Gövde tarafında ısıtılan viskoz akışkanlara uygulanır.
KAYNAKLAR
1. Walker, G. (1990). Industrial Heat Exchangers: A basic guide, second edition, Hemisphere Publishing Corporation.
2. Alfa Laval’ AB, Isı El Kitabı, Çeviren: Yelman GAZİMİHAL, Makina Mühendisleri Odası, Yayın No :74, 103-119.
3. Saunders, E.A.D. (1988). “Heat Exchangers-Selection, Design & Construction”, Longman&Scientific Technical, 1-160.
4. Larowski, A. and Taylor, M. A., Systematic procedure for selection of heat exchangers. Practical Applications of Heat Transfer, I Mech E CONFERENCE PUBLICATIONS 1982-4, 37-62.
5. Butterworth Dave, Heat Exchanger Selection. AEA TECHNOLOGY Engineering Software, HTFS, 2000.
6. Hewitt, G. F., Shires, G.L. and Bott, T.R. Process Heat Transfer.
7. Genceli, O.F. (1999). Isı Değiştiricileri, Birsen Yayınevi, İstanbul, 1-80.
8. Leopold R. E. (2000). Evaluation and Selection of Heat Exchangers. Vulcanium Corporation, Northbrook, Illinois.
9. Fraas, A.P. (1989). “Heat Exchanger Design”, John Wiley&Sons.
10. Engineering Science Data Unit (ESDU) (1992). Selection and costing of heat exchangers, ESDU, London.
11. Hewitt, G.F., Guy, A.R., and Marsland, R.H. (1982), Heat transfer equipment, in A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy, Linnhoff, B., Townsend, D.W., Boland, D., Hewitt, G.F., Thomas, B.E.A., Guy, A.R., and Marsland, R.H., The Institution of Chemical Engineers, Rugby, England, Chap.3.
12. Kakaç, S. (1996). Heat exchanger design course, Presented at Faculty of Engineering, Kasetsart University, Bangkok-Thailand, December 17-19.