Isı transfer katsayısı, eşanjör tasarımı için en önemli faktördür. Metaller ve metal alaşımları Dünyada en yüksek ısı transfer katsayısına sahiptir. Bu yüzden bu eşanjörlerde kullanılan borular ve plakalar yani termal sistem bileşenlerinin hepsi bu malzemelerden, bu gruptan seçilir. AISI 316, AISI 304, Titanyum eşanjör sektöründe en popüler malzemeleridir. Çoğunlukla ısı değiştiricilerinde, harici ısı ve mekanik etkileşimler yoktur. Tipik bir sistem, tek veya çok bileşenli akışkan madde akışlarının buharlaşma ve yoğunlaşması için sunulan başka bir sıvının ısınması ya da soğumasıyla çalışır. Isı transferi olan taraflardan biri ısınırken diğeri soğumaktadır.  Eşanjörlerin diğer kullanımı, ısı geri kazanımı, sterilizasyon ze sunulan akışkanı yoğunlaştırılma veya kontrol için kullanılır.

1.Eşanjörlerin Sınıflandırılması:

Eşanjörler termal sistemler yasalarıyla çalışırlar, bir akışkandan başka bir akışkana termal enerji (entalpi) geçişi ile ısı transferi sağlarlar. Eşanjörlerin tipik uygulamaları arasında ısıtma ve soğutma,  tek ya da çok-bileşenli sıvının buharlaşması ya da yoğunlaşma gibi uygulamaları içerir.

Genel olarak kullanılan eşanjörlerde ısı transferi akışkanları birbirinden ayıran ince plakalar veya tüplerin yüzeyinde gerçekleşir. Eşanjörlerde ki bu duvarlar akışkanların birbirine karışmasını engellemekle beraber, soğuk ve sıcak akışkanlar üstünde daha çok kontrol sağlarlar. Akışkanlar plakalar veya tüplerle ayrıştırılmış eşanjörler “plakalı eşanjör” ya da “u-tipi tüp eşanjörü” olarak adlandırılırlar. 

      Eşanjörlerde en dikkat edilmesi gereken kullanılan eşanjörün ısıyı bir akışkandan başka bir akışkana transfer etmek / geçirmek için tasarlanmış ve Termodinamik yasalara uygun olmasıdır. Bu tip ısı transferi yasasını kullanan sistem elemanlarına Eşanjör denir. Isı transferi esas olan tasarımlarda sınıflandırma eşanjörün iç kısmındaki işlemle olur. Eşanjör sınıflandırılması figür 1 de görülebilir. En çok kullanılan eşanjör tipleri tüp ve plakalı eşanjörlerdir. Tüp ve plakalı eşanjörlerin modelleri:

1.1. Sabit -tüplü Eşanjör:  Bu modelde ki tüplerin ısı geçişken yüzeyi arttırmak için ek kanatlar kullanılmıştır, kanatlar kaynakla tutturulmuştur ve fiyat düşürüp verimliliği arttırırlar. Fakat tüp grupları yerinden çıkarılamaz.

1.2.Çıkarılabilir tüp desteleri /grupları: Ürünün uzun dönem kullanımını sağlamak veya kullanılan akışkanın konumunu belirlemek için tüp grupları istek üzerine çıkarılabilir, temizlenebilir ve geri monte edilebilir. Tıkanmalara karşı en kolay çözüm tüplerin sökülüp temizlenmesidir, dikkatle gözden geçirildikten sonra değiştirilebilir ya da geri takılabilirler. 

1.3.Düz borulu Eşanjörler:  Tüp gruplarını bir arada tutmak için kıskaçlar kullanılmıştır. Diğer tarafı ise akışkan içinde tam temas halinde olup serbesttir. Yüzen kısım civatalar ile kabuk yüzeyine tutturulur. Böylelikle sıvı kaçırması ve tüpün esnemesi engellenmiştir. Bu tip eşanjörler entalpiyi direkt olarak transfer eder, depolanmış termal enerji tüm ısı geçişken alanından Ya da matrisinden yayılır- buna dolaylı yolla ısı geçişini azaltmak denir, kaçakların bir akışkandan bir diğer akışkana sızmasını engellemek amacıyla matris basınç farklarını ortaya çıkarır. Buna örnek olarak boylerler, radyatörler, soğutma kuleleri, yoğunlaştırıcılar verilebilir.

1.4.Plakalı Eşanjörler: Plakalı eşanjörler iki adet sac plakanın bir araya gelmesiyle oluşur, aslında aralarında kalan ince aralıklarla ve plastik contalardan oluşan bir sistemdir. Yüzey alanı geniş olan plakaların köşe kısımları akışların giriş ve çıkış noktalarını oluşturur plakalar arasındaki matris deseni ve yollar ısı geçirme alanını arttırmak içindir. Akışkanlar geçtikleri yüzeylerden ısı alır-verirler. Eşanjörün plakalarla kanallara ayrılmasının sebebi sıcak-soğuk akışkanların birbirine karıştırmadan ısı transferi sağlamalarıdır. Kanalları geçen akışkanlar daha verimli bir şekilde ısıtma ve soğutma gerçekleştirebilirler. Genellikle buzdolaplarında kullanılırlar. Isı geçirme yüzey alanları diğer eşanjör tiplerine göre daha geniş olduğundan daha çok tercih edilen modellerdir.

1.5.Yenilenebilir Eşanjörler: Yenilenebilir eşanjörlerde aynı akışkan eşanjörün iki tarafından da geçmektedir bu plakalı eşanjörde olabilir tüp eşanjörde olabilir. Bu sistem akışkanın çok sıcak olmasına olanak tanıyabiliyor genellikle çıkış yapılan akışkan diğerini soğutmak için kullanılır. Yenilenebilir eşanjörler döngüsel bir sistemle çalıştıkları için hemen hemen tüm ısı çıkış yapan akışkan transfer edilir ve soğuma sağlanır. Sabit bir sıcaklığa ulaşmak için, sadece az bir enerji gerekmektedir. 

1.6.Adyabatik silindirik Eşanjörler: Bu tip eşanjörler ikinci akışkan orta alan akışkanıdır ilk akışkanın içinden geçtiği tüplere tam olarak etki eder böylece ısı geçişi saplanır. Çember şekilde sabitlenen borular / tüpler ikinci akışkanın içinde geniş bir ısı transfer alanı oluştururlar.

 

 Fonksiyonlarına göre sınıflandırma diyagramları:

 

Akışkan sayılarına göre:

2 akışkan

3 akışkan

N-akışkan

Isı transferi mekaniğine göre:

Çift taraflı, tek fazlı konveksiyon

Tek taraflı, tek fazlı konveksiyon

Çift taraflı, çift fazlı konveksiyon

Karışık konveksiyon ve radyasyon

Isı transfer işlemine göre:

Direkt temas:

Gaz-sıvı

Sıvı –buhar

Birbirine karışmayan

Direkt olmayan temas:

Direkt transfer

Depo tipi

Su yataklı

Yüzey kompakt lığına göre:

Gazdan sıvıya:

Kompakt ( β > 700 m2/m3 )

Kompakt olmayan( β < 700 m2/m3)

Sıvıdan sıvıya:

Kompakt ( β > 400 m2/m3 )

Kompakt olmayan( β < 400 m2/m3)

Yapılışına göre:

Tüplü:

Duble tüp

Spiral tüp

Boru bobini

Kabuklu ve tüplü

Plakalı:

Kaynaklı

Contalı

Lehimli

Spiral

Baskılı

Plaka bobinli

Ek yüzeyli:

Plaka kanatçıklı

Tüp kanatçıklı

Yenilenebilen:

Rotary

Sabit-matrisli

Dönen plakalı

Akışkan akma şekline göre:

Single-pass:

Karşı akışlı

Çapraz akışlı

Bölünmüş akışlı

Multi-pass:

Eklenmiş yüzeyli

Plakalı

Kabuk ve tüplü

Isı eşanjörleri ısı geçirme faktörlerine bağlıdır, yukarıda bahsedilen ısı geçirme alanı yani matris deseni gibi, ısı dağıtma yöntemleri gibi; nozzlelar, manifoldlar, tanklar, boru ve mühürler gibi. Eşanjörler için en önemlisi ama alandır; akışkanların temas ettiği yüzey olarak yani ısının geçmesini sağlamak ve bunun veriminin artması için yüzeyi maksime etmek lazım. Ne kadar alan o kadar ısı transferi demektir. Fakat ısı dağıtım elemanları ısı kaybını önlemek için izole edilmeli ve sistem verimi arttırılmalıdır. Nozzlelar ve baş monte kısımları vb. Bağlantılar uygun sıkma aralıklarında sıkılmalı, bağlantılar uygun bir şekilde yapılmalıdır. Aksi takdirde termal sistemin güvenliğinin azalması, akışkanların birbirine karışması, basınç kaybı olması olasıdır. Eşanjör kullanım kılavuzları bakım, onarım ve uygun kullanışla ilgili bilgi vermektedir. Genellikle eşanjörler hareket eden bir parça içermez sadece yenilenebilir eşanjörlerin devirli modelleri hariç, onlar basıncı ve debiyi attırmak için motor kullanmaktadır.

      Ara yüzeylerin az bir kısmına temas eden akışkanlar ısı transferini başlatmak için yeterlidir buna ana veya direkt alan geçirgenliği denir. Isı geçişini arttırmak için kullanılan bir başka yöntemde kanatçık kullanmaktır, ekstra takılan kanatçıkların amacı ısı geçiş alanını arttırmaktır normali (900 açıyla) yüzeye diktir. Fakat kanatçık kullanımı yüzeyde konveksiyona sebep olur radyasyonla ısı yayabilir kabukta terlemeye sebep olabilir. Sonuç olarak kanatçık eklemek transfer alanını arttırdığı ve aynı sıcaklıkta sistemde daha çok ısı transferi sağladığı gibi yüzeyin termal direnci azaltmaktadır. Bakınız kanatçık figürü.

Kanatçık figürü: Yatay kanatların verimi gösterilmiştir.

 Kanatçıklar matrisin dayanım gücünü arttırır buda kullanıcının sisteme daha yoğun, viskozu yüksek akışkanlar koymasına sağlar. Kanatçıklar arasında ki boşluklar /aralıklar büyük önem taşımaktadır. Sıcaklık alanlarında değişime yol açar. Aralık arttığında sistem teorik verimi düşer. Ama diğer taraftan anlık basıncı azaltırlar buda sirkülasyonun devamlılığını sağlarlar. Eşanjörler kullanıcının isteği üzerine tasarlanabilir ve ısıtma-soğutma aralıkları ayarlanabilir. Gelişime açık olmaları eşanjörleri termal sistemlerde çok kullanılmasına sebep olur; enerji, petrolyum, lojistik, havalandırma, soğutma sektörlerinde. 

       Eşanjörler birden çok şekilde, ısı transfer işlemlerine, akışkan sayısına, ısı geçirgenlik mekaniğine, üretim tip ve akış düzenine göre isimlendirilirler. Bir diğeri ise ısı transfer/hacim oranıdır, kompakt eşanjörlerde, daha küçük ve kullanışlı modellerdir. Kullanıldığı sektöre,

parçaların tipi ve tasarım parametreleri isimlendirmede farklılık gösterir, önceki kısımlarda ve şemalarda gösterildiği gibi. Farklı bir isimlendirme de, akışkan tipidir,  geçen akışkanın tipi yani gaz-gaz, gaz-sıvı, sıvı-sıvı gibi. 

2.Isı Transfer İşlemi:

Isı geçirme işlemi temel olarak direkt Ya da direkt olmayan eşanjörleri belirlemek içindir. Direkt olanlarda akışkanların karışması sonucu ısı transferi sağlanır, soğutma kulesi prensibi gibi. Direkt olmayan da ise akışkanlar birbirleriyle karışmaz, ısı transferi onları ayıran yüzeyler alanalarıyla gerçekleşir.

2.1.Plakalı Eşanjörler:

Plakalı eşanjörler matris basılı plakalar ve çerçeveden oluşur. Genellikle paslanmaz plakadan basılırlar, gıda sektörü için çok kullanışlıdır. 

Aktif plaka geometrisi kullanımıyla matris tasarlanır ve sistemin verimi maksimize edilir.  Buda kullanım alanlarını arttırır. Kolay temizlik ve onarım kolaylığı eklenince plakalı eşanjörler Dünyada en çok kullanılan eşanjör modelleridir. En zor görevleri başarmak için tasarlanmışlardır.   Bu yüzden diğer eşanjörlere alternatif bir seçimdir. Plakalı eşanjörlerin prensip olarak çalışması, doğal termal iletimdir. Tasarım olanaklarını düşünürsek; plaka çeşitleri (dar alanlı-geniş alanlı), plaka kaliteleri (AISI 304,AISI 316,Titanium), plaka sayıları farklılık gösterebilir.  Tüp eşanjörlere göre tasarımı ve hesaplamaları daha kolaydır.

Plakalı eşanjör figürü:  Plakalı eşanjörün parçaları gösterilmiştir

2.2.Plakalı eşanjörlerin avantajları ve dezavantajları:

Karşıt akış tasarımını elverişlidir, buda ısı geçirme alanını daraltır.

Plakaların değişik tasarımları termal verimlilikte rahatlık sağlar.

Basınçları düşük gaz ve akışkanlarda, yüksek debiler sağlayamaz.

Akışkanlar plakalar arası matris yüzeyinden akarlar. Plakalar arası akış türbülantlı bir akış oluşturur.

Sadece plakaların uç kısmı atmosferle temas halindedir, ekstra bir izolasyon gerektirmez.

Plakalı eşanjörler çok yüksek basınçlara göre uygun değildir, sızdırmazlık için kullanılan contalar çok yüksek basınçta ve sıcaklıkta hasar görmektedir.

Termal verim matris tasarımına ve matris alanını izleyen akışkana bağlıdır.

Figürler karşı akım yönlerini (solda) ve termal alan matrisinin tasarımını göstermektedir (sağda).

Figürler dar termal matris uzunluğunu (üstte) ve geniş termal matris uzunluğunu (altta) göstermektedir

2.3.Basınç düşmesi analizi:

Eşanjörler sabit-kararlı bir düzenle çalışır.

Kabuktan Ya da çerçeveden kaçan ısı ihmal edilebilir, değerleri çok küçüktür.

Dış bir termal enerjiye gerek duymazlar.

Paralel ve karşıt(zıt) akışlarda anlık sıcaklık değerleri düzenlidir. 

Termal direnç sabitinin büyüklüğü bütün eşanjörde değişiklik göstermez.

Eşanjör boyunca akışkanlarda faz değişimi olmamalıdır.

Isı transferi dengeli bir şekilde ilerler tabi sistemde kaçar yoksa güvenliyse.

Zamana bağlı olmayan sabit sıcaklık ve pozisyon değerleri Genel ve yerel ısı transferi sağlarlar.

Genel kabul; sıkıştırılamayan akışkanlarla basınç kayıpları orantılıdır, yüzey sürtünmesi ve akışkan yolu sabittir. 

Akışkan basınç kaybı ısı transfer katsayısıyla direkt olarak ilişkilidir, operasyon metodu, plaka boyutu, malzeme mekanik özellikleri vb. gibi.

Basınç kayıpları eşanjör özelliklerinden hesaplanabilir, matris boyunca ki tüm kayıp, çıkış-giriş boru bağlantıları, kafalar, manifoldlar gibi. Bağlantıdaki daralmalar basınçta kayba sebep olur.

Akış sabit, isotermik olmalıdır. Akışkanın özellikleri zaman faktörüne bağlı değildir

Akışkanın giriş-çıkış sıcaklıkları sadece karakteristik özelliklerini etkiler, yoğunluk gibi.

Basınç noktaları akışkanın yönüne bağlı değildir.

Eşanjöre etki eden dış kuvvetler sadece yerçekimi varsa elektrik ve manyetik alanlardır

Bernoulli prensiplerine akış sadece akım çizgisi boyunca olmalıdır.

Yüzey sürtünmesi (yüzeyin sertliği) tüm matris boyunca eşit kabul edilir.

 

Yazan: Çağatay KORZAY

 

3.Kaynakça:

1. Kern, D.Q., Process Heat Transfer, McGraw-Hill, New York, 1950.

2. Tagore, J., Evolution of heat exchanger design techniques, Heat Transfer Eng. 1, No. 1, 15-29 (1979).

3. Perry, R.H., Green, D.W., Eds. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7th Edition, McGraw-Hill, New York, 1997.

4. Phadke, P.S., Determining tube counts for shell-and-tube exchangers, Chemical Engineering, September 3, 1984, pp. 65-68.