İsi Değiştirgeçleri Eşanjörler-İsi Değiştirgeçlerinin Siniflandirilmasi İçerik

• Bir kazaninin yakma havasi, kazandan cikan sicak gazlarin artik isisindan yararlanilarak 550 C den 260 C ye duserken ortamadan 20 C de alinan hava 85 C ye cikarilacaktirİhtiyac duyulan hava debisi 450kg/h tır
• Bunu sağlayacak ısı değiştirgeci dizayni istenmektedir
• VERİLENLER:
• 1Sıcak akişkanın giriş sıcaklığı T1g=550 C
• 2Sıcak akışkanın çıkış sıcaklığı T1ç=260 C
• 3Soğuk akışkanın giriş sıcaklığı T2g=20 C
• 4Soğuk kışkanın çıkış sıcaklığı T2ç=85 C
• 5Soğuk akışkanın denisi m2=450kg/h
• SEMBOLLER
• T1g :Sıcak akışkanın ısı değiştirgecine giriş sıcaklığı (C)
• T1ç :Soğuk akışkanın ısı değiştirgecine giriş sıcaklığı (C)
• T2g :Sıcak akışkanın ısı değiştirgecinden çıkış sıcaklığı (C)
• T2ç :Soğuk akışkanın ısı değiştirgecinden çıkış sıcaklığı (C)
• ΔTm :Ortalama logaritmik sıcaklık farkı (C)
• Ρ1:Sıcak akışkanın yoğunluğu (kg/m )
• Ρ2:Soğuk akışkanın yoğunluğu (kg/m)
• λ1:Sıcak akışkanın ısı iletim katsayısı (kcal/mhC)
• λ2:Soğuk akışkanın ısı iletim katsayısı (kcal/mhC)
• ν1:Sıcak akışkanın kinamatik viskozitesi (m /s)
• ν2:Soğuk akışkanın kinamatik viskozitesi (m /s)
• Pr1:Sıcak akışkanın Prandtl sayısı
• Pr2:Soğuk akışkanın Prandtl sayısı
• Cp1:Sıcak akışkanın sabit basınçta özgül ısısı (kcal/kgC)
• Cp2:Soğuk akışkanın sabit basınçta özglü ısısı (kcal/kgC)
• Q:Isı transferi miktarı (kcal/s)
• V1:Sıcak akışkanın hacimsel debisi (m /s)
• V2:Soğuk akışkanın hacimsel debisi (m /s)
• m1:Sıcak akışkanın kütlesel debisi (kg/s)
• m2:Soğuk akışkanın kütlesel debisi (kg/s)
• n:Boru sayısı (m-mm)
• diç:Boru iç çapı (m-mm)
• ddış:Boru dış çapı (m-mm)
• W1:Sıcak akışkanın ortalama hızı (m/s)
• W2:Soğuk akışkanın ortalama hızı (m/s)
• Re1:Sıcak akışkanın Reynolds sayısı
• Re2:Soğuk akışkanın Reynolds sayısı
• Nu1:Sıcak akışkanın Nusselt sayısı
• Nu2:Soğuk akışkanın Nusselt sayısı
• h1:Sıcak akışkanın yüzeyle arasındaki ısı taşınım katsayısı (kcal/mhC)
• h2:Soğuk akışkanın yüzeyle arasındaki ısı taşınım katsayısı (kcal/mhC)
• s :Et kalınlığı (m-mm)
• t : Hatve (m-mm)
• δk : Kovanın et kalınlığı (m-mm)
• δm : Kovan iç yüzeyi ile boru demetinin en dışındaki boru arasındaki mesafe
• (m-mm)
• dh : Hidrolik çap (m-mm)
• L : Boru uzunluğu (m)
• K : Toplam ısı geçiş katsayısı (kcal/mhC)
• λm: Dökme demir malzemesinin ısı iletim katsayısı (kcal/mhC)
• D : Kovan iç çapı
• ISI DEĞİŞTİRGEÇLERİ (EŞANJÖRLER)
• Tanımı ve çalışma prensibi:
• Isı değiştirgeçleri, farklı sıcaklıktaki iki veya daha fazla akışkan arasındaki ısı alışverişini sağlayan tesisatlardır Isı değiştirgeçlerine akışkanlar,biribirleri ile karıştırılmadan ısı geçişi yapılan bir yüzeyle biribirlerinden ayrılır Sanayinin hemen hemen bütün dallarında yaygın olarak kullanılırlar; özellikle ısıtma ve soğutma tesisleri,kuvvet makinaları ile santralları, kimya tesisleri ve ısıl işlem tekniğinde çok önemli yer tutmaktadırlarSu ile soğutmalı motorlardaki radyatörler, soğutma tesislerindeki kondanserler ve buharlaştırıcılar, termik kuvvet santralerinde ve kimya tesislerindeki kondanserler birer ornek olarak verilebilir
• Isı değiştirgeçleri, tesisin termik verimini arttırma, çevrimin tamamlanması, gibi yonlerden baska imal edilen ürünün kalitesi yönünden de önemlidirörneğin ısıl işlem tekniğinde çoğu kez belirli bir sıcaklığa getirilen bir madde ya egzoterm reaksiyonlar sonucunda ısı açığa çıkarır veya endoterm reaksiyonlar sonunda ısıya ihtiyaç gösterir Sıcaklık birinci halde artar, ikinci halde ise azalır Sıcaklığın yükselmesi reaksiyona katılan maddede de parçalanmalara, ayrışmalara sebep olabilir Düşük sıcaklıklarda ise reaksiyon iktisadi olmayacak şekilde yavaşlar Bu gibi tesislerde sıcaklığın belirli bir değerde tutulması gerekir Bu sebeple ısı değiştirgeçlerinin önemi kolayca anlaşilır
• Isı değiştiricisi içinde yoğuşma ve buharlaşma gibi bir faz değişimi varsa, bu tiplere “Gizli Isı değiştirgeçleri ”, faz değişiminin olmadığı diğer tiplere ise “Duyulur Isı Değiştirgeçleri “ adı verilir
• Buhar kazanları, nükleer enerji santralleri ısının kendi içlerinde üretildiği birer ısı değiştiricisi olmasına rağmen, kapsadıkları konular ve özel önlemleri nedeniyle ayrı incelenen sistemlerdir
• Konstrüktif olarak, regeneratif ısı değiştirgecinin dışındaki butun ısı değiştirgeçlerinde hareketli bir makine parçası yokturPratikte değişik uygulama yerlerinde çok farklı ısı değiştiricisi tipine rastlnabilir Isı değiştiricileri konstriksiyonlarına,akış şekillerine,akışkan sayısına, ısı transferi mekanizmasına gore değişik şekillerde sınıflandırılabilirIsı değiştirgeçlerinde şekil ve akım türü ne olursa olsun farklı sıcaklıklarda akışkanlar bulunursıcak akışkan ısı vererek soğurken soğuk akışkan bu ısıyı alarak sıcaklığı yükselirAralarında ısı alışverişi bulunan akışkanların eşanjöre giriş ve eşanjörden çıkış sıcaklıkları bu yüzden farklı olmaktadır
• ISI DEĞİŞTİRGEÇLERİNİN SINIFLANDIRILMASI
• Isı değiştirgeçleri faz değişimine göre ikiye ayrılabilir
• 1 Gizli Isı Değiştirgeçleri: Isı değiştirgeci içinde yoğuşma ve buharlaşma gibi bir faz değiştirme işlemi varsa bu tiplere verilen addır
• 2 Duyulur Isı Değiştirgeçleri: Isı değiştirgeci içinde faz değişimi işlemi yok ise verilen addır
• Sıcak ve soğuk akışkanların karışmasına göre 3’e ayrılır
• 1Karışımlı Isı Değiştirgeçleri: Her iki akışkan değiştirgeç içinde karışarak ısı alışverişi gerçekleşir
• 2Regeneratörler: Regeneratörler, metal ve reflaktörlerin kullanıldığı bir ısı transfer ortamına sahip döner elemanlı ısı değiştirgeçleridir Sıcak ve soğuk akışkanlar aynı kanallardan ardışık olarak geçmektedir Ortam belli bir zaman süresince sıcak atık gazlarla ısıtılır Isı enerjisi kanal duvarına aktarılmakta ve depolanmaktadır
• Ön ısıtılacak soğuk hava daha sonraki belirli zaman boyunca ortamdan geçerek bu ortamın ısısını alır Depolama ve boşaltma biçiminde oluşan bu aktarım periyodik olarak devam etmektedir Ortam değişken olarak atık gazlarla ısıtılmış ve yanma havasıyla soğutulmuş olur
• Regeneratif tip ısı değiştirgeçleri ikiye ayrılabilir:
• a)Sabit Matrisli Regeneratif Isı Değiştirgeçleri: Yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılır Örneğin; cam eritme fırınlarında yüksek sıcaklıklı fırınlarda
• b)Döner Matrisli Regeneratif Isı Değiştirgeçleri: Düşük sıcaklık uygulamalarında kullanılır Örneğin;buhar kazanları Düşük sıcaklıktaki atık ısı değiştirgeçlerinin kullanımı genelde ekonomik olmamaktadır Bunun sebebi atık ve taze akışkanlar arasındaki sıcaklık farkının küçük olması, atık akışkanın tasarım ve işletim yönünden sınırlama getiren özelliklerdir Döner tip ısı değiştirgeçleri sıcaklık farklarının düşük olduğu, akışkanlar arasında nem transferinin istendiği durumlarda uygun olmakta bu da sistemin ilk yatırım maliyetlerinin düşük olmasını sağlamaktadır
• 3 Yüzeyli Isı Değiştirgeçleri: Birbirinden bir sınır yüzeyiyle ayrılmış iki akışkanın aynı anda farklı iki bölgeden geçerken aralarında ısı alışverişinin olduğu ısı değiştirgeçleridir Bu ısı değiştirgeçlerinde sıcak akışkan, bir giriş sıcaklığından bir çıkış sıcaklığına kadar soğurken, ısıtılmak istenen soğuk akışkan bir giriş sıcaklığından bir çıkış sıcaklığına kadar ısınır Yüzeyli ısı değiştirgeçlerinde ısı değişimi süreklidir Sıcak ve soğuk akışkanlar öngörülen bölmelerden süratle geçerken sıcak akışkandan soğuk akışkana ısı transfer edilir
• Yüzeyli ısı değiştirgeçleri ısıtma yüzeylerine göre ikiye ayrılırlar
• 1 Borulu ısı değiştirgeçleri
• 2 Levhalı ısı değiştirgeçleri
• Yüzeyli ısı değiştirgeçlerinin akış şekline göre sınıflandırılması:
• Akıma göre sınıflandırma, esas olarak tek geçişli ve çok geçişli olmak üzere iki temel gurupta toplanabilir
• 1Tek Geçişli Isı Değiştirgeçleri:
• Bu tipler ,paralel,ters ve çapraz akımlı olmak üzere üç gurupta toplanabilirler
• a)Paralel Akımlı Isı Değiştirgeci:
• Bu akım şeklinde akışkanlar, değiştirgeçin bir ucundan girip,aynı doğrultuda akarlar ve değiştirgecin diğer ucundan çıkarlarŞekil 1 de bu tip bir düzenleme görülmektedir Bu tip değiştirgeçlerde soğuk ve sıcak akışkan aynı kesitten girerlerŞekil 2 de ısı değiştirgeci boyunca her iki akışkana ait sıcaklıkların nasıl değiştiği görülmektedir
• b)Ters Akımlı Isı Değiştirgeçleri:
• Bu tip ısı değiştirgeçlerinde akışkanlardan biri boru içinden akarDiğeri boruların dışından ters yönde akar Ters akımlı ısı değiştirgeçlerinde ortalama logaritmik sıcaklık farkı diğer butun düzenlemelerden daha büyüktürDiğer tiplere göre daha kompakt ısı değiştirgeçleri olmasına rağmen pratikteki imalat güçlükleri, ısı transfer yüzeyindeki ısıl gerilmeler ve korozyon tehlikesi nedeniyle bir çok uygulamada ters akımlı ısı değiştirgeci tercih edilmeyebilirAşağıdaki şekillerden Şekil 3 ısı değiştirgecinin düzenlenmesi, Şekil 4 te desıcaklık değişimleri görülmektedir
• c)Çapraz Akımlı Isı Değiştirgeçleri:
• Bu tip akışkanlar değiştirgeç içinde biribirine dik olarak akarlar Akışkanlar değiştirgeç içerisinde ilerlerken kendisi ile karışabilir veya karışmayabilir Şekil 5’te şematik olarak gösterilen levhalı ısı değiştirgecinde, akışkanların ikiside karışmamaktadırAkışkan değiştirgeç içerisinde bireysel kanallar (veya borular) içinde akıyor ise ve bitişik kanal içindeki akışkan ile karışmıyor ise bu akış şekline ”karışmayan” adı verilirŞekil6 da ise akışkanların biri karışıp diğerinin karışmadığı duruma ait örnek görülmektedir
• Isı geçişinin etkinliği yönünden ısı değiştirgeçleri mukayese edildiğinde en iyi sonucun ters akımlı ısı değiştirgecinde sağlandığı görülürÇapraz akışlı ısı değiştirgecinde, paralel akımlı ısı değiştirgecine nazaran daha iyi ısı geçişi elde edilmekle beraber , ters akımlı ısı değiştirgeçleriyle mukayese edildiğinde çapraz akımlı ısı değiştirgeci ikinci planda kalmaktadır
• 2Çok Geçişli Isı Değiştirgeçleri:
• Bundan once incelenen paralel, ters, çapraz olarak adlandırılan üç tek geçişli işlem, değiştirgeç içerisinde değişik şekillerde ard arda seri halde düzenlenerek çok geçişli değiştirgeç tipleri elde edilebilirÇok geçişli ısı değiştirgeçlerinin en büyük üstünlüğü değiştirgeç etkinliğini arttırmaktıriki akışkanın biribirine göre akışı prensip olarak ters şekilde düzenlenmiş ise, bu değiştirgeçlerin etkinlikleri tek geçişli ters akımlı değiştirgeçlerin etkinliğine yaklaşır Değiştirgeçteki geçiş sayısı kadar fazla ise, bu yaklaşım o kadar iyidirÇok geçişli ısı değiştirgeçleri, kanatlı yüzeyli,kovan-borulu,levhalı tip olarakdeğişik duzenlemelerde imal edilirler
• a)Çapraz Ters Akımlı Isı Değiştirgeçleri:
• Bu tip değiştirgeçler genellikle kanatlı yüzeyli ısı değiştirgeçlerinde tercih edilirİki veya daha fazla sayıda çapraz geçiş arka arkaya ters akımlı olarak seri halde bağlanır Yüksek sıcaklıklardaki uygulamalarda, sıcaklığın fazla olduğu geçişlerde sıcağa dayanıklı pahalı malzeme, diğer yüzeylerde ise ucuz malzeme kullanılarak imalat masrafları azaltılabilir
• b)Çapraz Paralel Akımlı Isı Değiştirgeçleri:
• Bu duzenleme, bir önceki düzenlemeye çok benzer,sadece akışkanların biribirlerine gore genel akışı paraleldir
• c)Kovan Akışkanının Karıştığı, Paralel-Ters Akımlı Düzenleme:
• Bu düzenleme, kovan-borulu ısı değiştirgeçlerinde en çok kullanılan tiptirEn basit olarak şekil 9 ‘da gösterildiği gibi, bir kovan iki geçişli olarak yapılabilirSistemde borular bir uçlarından tespit edildiğinden ısıl gerilmeler çok azdırKovan tarafındaki akışkan karıştığından, herhangi bir kesitteki kovan akışkanının sıcaklığı sabittir
• d)Kovan Akışkanı Karışmış,Bölünmüş Akımlı Düzenleme:
• Bu düzenlemede kovan içinden akan akışkan, kovan ortasından girer,eşit olarak iki kısıma ayrılır ve kovan iki ucundan çıkarŞekil 11
• e)Kovan Akışkanı Karışmış, Ayrık Akımlı Düzenleme:
• Bu düzenleme boyunca şaşırtma levhalarının kullanılması ve tek birçıkış ağzı olması nedeniyle bölünmüş akım düzenlenmesinden farklıdırŞekil 12 de böyle düzenlenmiş iki borulu tip görülmektedir
• f) n-Paralel Levha Geçişli Düzenleme:
• Levha tipi değiştiricilerde levhaların çeşitli şekillerde düzenlenmesiyle çok geçişli akımlar elde edilebilir Levha tipi değiştiricilerde levhalar arasına konulan contanın yeri değiştirilerek yeni tip düzenlemeler kolayca elde edilebilir
• ISI DEĞİŞTİRGECİNİN SEÇİMİ:
• Isı değiştirgecinin seçiminde aşağıdaki hususlar göz önüne alınır;
• Akışkan hızının artması konveksiyonla ısı transferini iyileştirir,buna karşılık yük kayıplarını arttırırBu husus göz önünde tutularak genellikle sıvılar için 0,5-6 m/s, gazlar için 3-10 m/s hızları arasında alınırBazen erezyon, titreşim, akış stabilitesi ve gürültü gibi nedenlerle de hız sınırlanır
• Yüzeylerdeki kirlilik ısı transferine ve sürtünmeye etkisi bakımından hesaba katılmalıdır Bu faktörler değiştirgeç boyutlarının tayininde büyük rol oynarÖrneğin; kirlilik fazla ise ısı akıları düşük tutularak aşırı sıcaklıkartmaları önlenir Boru çapları da fazla kirlilik halinde geniş tutulmak zorundadır Aksi halde kesit daralması olur Kirlilik tabakasını kimyasal yolla çözmek için asit eriyikleri kullanıldığında malzemeyi ona göre (örneğin paslanmaz çelik) seçmek gerekir
• Isı değiştirgeçlerinin imalatında ısı transferi ve akışkanın hareketi için gerekli pompalama gücü daima birlikte göz önünde tutulmalıdırYüksek yoğunluklu akışkanlarda pompalama gücü ısı debisinin yanında önemsiz mertebelerde olmakla beraber alçak yoğunluklarda durum böyle değildir, hatta bazı ısı makinalarında 4 veya 10 defa daha büyüktür
• Hız arttırılınca ısı akışı aşagı yukarı hızla orantılı olarak artarhalbuki sarf edilen güç, hızın en az karesi ile orantılı olacak şekilde büyür Yük kaybının azaltılması için hız düşürülür Ancak hız düşürülünce yüzeyi büyütmek gerekir, bu ise tekrar yük kaybının artmasına yol açarGaz kullanılan değiştirgeçlerde sıvılara göre ısı transferi daha kötü olduğundan yüzeyler çok büyürGaz-gaz değiştirgeçleri sıvı-sıvı değiştirgeçlerine nazaran aynı ısı debisi ve pompalama gücü ise takriben 10 misli yüzeylidirlerbu nedenle gaz akışlı değiştirgeçleri küçük yapma çareleri araştırılmış, örneğin kararlı yüzeyler kullanma yoluna gidilmiştirDeğiştirgeci küçültmek için bir başka yolda ısı akısını yüksek tutma çareleri aramaktır Boru çapları küçük seçilerek ve çapraz sıralı yapılarak ısı akısının arttırılması sağlanabilir
• Isı transferini iyileştirmek için bir yol da yüzeyi parça yaparak sınır tabakadan kalınlaşmasını önlemektirKanatlı yüzeyler bu şartı kendiliğinden gerçeklerler Yalnız yüzeyin parçalı yapılmasının yük kaybını arttıracağını unutmamak gerekir
• Borular içerisinde türülans doğurucu parçalar koyarak da ısı transferi iyileştirilebilirBu halde yük kaybının artacağı doğrudur
• Isı transferini iyileştirmek için yukarıda bahsedilenlerden de anlaşılacağı gibi bir ısı değiştirgecinin seçiminde yalnız yatırım değil, işletme masrafları da göz önüne alınmalıdırMinimum masrafı bulmak için yatırım işletme masrafları ile dengelemek şarttır
• ISI DEĞİŞTİRİCİ TASARIMINDA ETKİLİ BÜYÜKLÜKLER
• Isı değiştirgeçlerinde ısıl hesapların yapılabilmesi için ;
• 1T1g ,T1ç,T2g,T2ç verilenlerine uygun olarak logaritmik sıcaklık farklı bulunur
• 2Akışkanların giriş ve çıkış ortalama sıcaklıkları bulunur Tablolardan bu sıcaklıklara ve akışkan cinsine tekabül eden yoğunluk,özgül ısı,ısı iletim katsayısı,Prandtl sayısı,dinamik vizkozite değerleri bulunur
• 3Isı alış-veriş miktarı belirlenir Bu miktara bağlı olarak bilinmeyen kütlesel debi ve hacimsel debiler belirlenir
• 4Dış çap,iç çap,et kalınlığı,sıcak ve soğuk akışkan hızı seçilerek boru sayısı tespit edilir
• 5Kovan çapı belirlenir
• 6Eşdeğer hidrolik çap belirlenir
• 7 Reynolds ve Nusselt değerleri vasıtasıyla boru içinde ve dışındaki boru ısı taşınım katsayıları belirlenir
• 8Toplam ısı geçiş katsayısı belirlenir
• 9Isı transfer yüzeyi bulunur
• 10Boru uzunluğu belirlenir
• 11Soğuk ve sıcak akışkan için için eşanjöre giriş ve çıkış çapları hesaplanır
• ORTALAM ISI GEÇİŞ KATSAYISI “K” HESABI;
• Ortalama ısı geçiş katsayısı “K” film katsayılarının belirlenmesinden sonra hesaplanır Her akışkana ait film katsayısı tespit edildikten sonra boru et kalınlığı ve malzemesi dikkate alınarak “K” hesaplanır
• K=1/Rt olup,
• Rt=Riç+Rdış + Rw Rt: Toplam direnç
• Riç=1/hiç hiç: İçteki film katsayısı
• Rdış=1/hdış hdış: Dıştaki film katsayısı
• Rw=L/K Rw: Duvar direnci
• Burada L-cidar kalınlığı (m)
• K-boru kondüksiyon katsayısı (W/mC)
• Film katsayıları bütün konveksiyon türleri için akışkanın sıcaklığına bağlıdır Eğer akışkan hal değiştirmiyorsa sıcaklığı akış boyunca değişecektir Dolayısıyla film katsayısıda değişecektir Ancak film katsayısı akışkanın cihaza giriş ve çıkış sıcaklıklarının aritmetik ortalaması olan sıcaklıkta değerlendirilirse yeterince hassas ortalama film katsayısı elde edilebilir
• Eğer ısı transferi yüzeyleri borulardan oluşuyorsa film katsayısının tespitinden önce muhtemelen boru sayısı ve büyüklüklerin seçilmesi gerecektir İki akışkan arasındaki sıcaklık farkı genellikle logaritmik sıcaklık farkı olarak tarif edilir
• ΔTm=(ΔTmax – Δtmin)/ ln(Tmax/Tmin)
• Burada ΔTm :Logaritmik sıcaklık farkı
• ΔTmax :En büyük sıcaklık farkı
• ΔTmin :En küçük sıcaklık farkı
• KOROZYON VE ÖNLENMESİ;
• Atık geri kazanım sistemlerinin tasarımında göz önüne alınması gerekli hususlardan birisi borularda düşük sıcaklık bölgesinde oluşan korozyondur Cihaz içinde herhangi bir noktadaki boru sıcaklığı, yaklaşık olarak o noktada borunun her iki tarafındaki akışkan sıcaklığının ortalamasıdır Burada her iki taraftaki ısı taşınım katsayılarının aynı mertebede olduğu var sayılmıştır Tecrübeler göstermiştir ki korozyona karşı en iyi önlem çalışma sınırları içinde ısıtıcının hiçbir noktasında boru sıcaklığının çiğ noktası sıcaklığının altındaki bir sıcaklığa düşmeyeceği bir eşanjör tasarımı gerçekleştirmektedir
• Korozyonun önlenmesinde başka bir yöntem ise ters akımlı eşanjör yerine aynı yönlü paralel akımlı eşanjör kullanmaktır Böylece soğuk akışkan girişte en sıcak akışkanla karşılaşacak,boru cidar sıcaklıkları yükselecektir Ancak akışkanlar arasındaki sıcaklık farkı düşecek ve bu sebeple ısıtıcı kapasitesinde bir düşüş olacaktır
• Korozyonu azaltmanın diğer bir yolu ise korozyona karşı dayanıklı malzeme kullanmaktır Özel alaşımlı çelik veya alüminyum kullanılarak gaz sıcaklıklarını daha fazla düşürmek mümkün olabilir Ancak bu durumda yatırım maliyeti artmaktadır Bu nedenle verilen sıcaklık değerlerinin altında çalışmak için özel alaşımlı çelikler veya paslanmaz çelik kullanılmaktadır
• Isıtıcının ömrünü artırmak yönünden eğer korozyon önlenemiyorsa kalın malzeme kullanmak başka bir çözüm olarak gerçekleştirilebilir
• ISI DEĞİŞTİRGECİNİN TASARIM HESAPLARI VE BOYUTLANDIRILMASI
• Sıcak akışkan:1 no’lu akışkan
• Soğuk akışkan :2 no’lu akışkan
• Zıt Yönlü Paralel Akımlı Isı Değiştirgeci İçin;
• ΔT1=T1g-T2ç=550-85=465 C
• ΔT2=T1ç-T2g=260-20=240 C
• ΔTm=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
• =(465-240)/(ln465/240)=3409
• Aynı yönlü paralel akımlı ısı değiştirgeci için ΔTm logaritmik ortalama sıcaklık farkı zıt yönlü paralel akımlı ısı değiştirgecine göre daha küçüktür Böylelikle zıt yönlü paralel akımlı ısı değiştirgecinde oluşacak ısı transferi miktarı daha büyük olur Bu nedenle ısı değiştirgecini zıt yönlü paralel akımlı seçmek daha avantajlı olur
• Akışkanların Madde Fiziki Değerlerinin Belirlenmesi:
• Akışkanlarının madde fiziki değerlerinin tespiti için her iki akışkan için ortalama sıcaklık değerinin hesaplanması ve buna göre madde fiziki değerlerinin belirlenmesi gerekir
• Sıcak Akışkanın Ortalama Sıcaklık Değeri:
• Tort =(T1g+T1ç)/2 =(550+260)/2=405 C
• Cp1= 0,2553 kcal/kgC ρ1= 052053kg/m ν1=6333110 m²/s
• Pr1 = 06805 λ1= 0,04454 kcal/mhC
• Soguk Akışkanın Ortalama Sıcaklık Değeri:
• Tort=(T2g+T2ç)/2=(20+85)/2=52,5 C
• Cp2 = 0,241 kcal/kgC ρ2 = 10847 kg/m ν2 = 181762510 m²/s
• Pr2 = 070975 λ2 = 002405 kcal/kgC
• Soguk Akışkanin Kütlesel Debisi:
• m2=450 kg/h =0125 kg/s V2 =m2/ρ2=0125/10847=012 kg/m
• Isı Transfer Miktarının Belirlenmesi:
• Burada soğuk akışkanın aldığı ısı sıcak akışkanın verdiği ısıya eşittir
• Q1= Q2= Q
• Q2=m1Cp1 (T1g-T1ç)=mCp2(T2ç-T2g)=01250241(85-20)=196 kcal/s
• m1=Q2/ Cp1(550-260)=196/02553290=0026 kg/s
• V1= m1/ ρ1=0026/052053=005 m/s
• Değiştirgecin Boyutlandırılması
• Kabuller: Boru demetleri içinden sıcak akışkan geçiriliyor
• W1 =94 m/s
• diç=0,02m=20mm
• ddış =0,025=25mm
• s=2,5mm
• n= 4V1/πdiçW1=17 adet
• hiç Değerinin Bulunması :
• Re =W1diç /ν1 =94002/633110 =29685>2320 old akış türbülanslıdır
• Not: Isıl verimin yüksek olması için kabullerde akışın daima türbülanslı olması istenir
• Nu =0,023(Re )(Pr ) n=03 soğutma için
• Nu=0023(29685)(06805)
• Nu=123
• hiç=Nuλ1/diç=12,30,04454/0,02=27,4 kcal/mhC
• Kovan İç Çapının Tayini ve Boruların Dizilişi:
• D=kovan iç çapı
• s = boşluk
• diç =boru iç çapı
• dd = boru dış çapı
• t = hatve
• δm =delikler arasındaki uzaklık
• D" =mt
• dh=hidrolik çap
• Tablodan:
• d x s = 25 x 2,5 için t =30 mm δm=4,5 mm alınır
• n= 17 adet boru için m =45 δk = 10 mm alınır
• D=D"+2δm+dd=135+9+25=169 mm
• Soğuk Akışkanın Akış Kesitinin Bulunması:
• A=p/4(D-ndd)=((0,169)-17(0,025)) p/4
• A=0014 m
• Ç=p(D+ndd)= p(0,169+170,025)=19 m
• Soğuk Akışkanın Akış Hızının Bulunması:
• W2=V2/A=012/0014=86 m/s
• Hidrolik Çapın Bulunması :
• dh=4A/Ç=40,014/19=0,03 m
• hdış Değerinin Bulunması :
• Re =W2dh/ν2 =8,60,03/181762510 =14194>2320 (akış türbülanslı)
• Nu =0,023 (Re ) (Pr )=0,023(14194)(0,70975)=42
• hdış = Nu λ 2/dh =420,02405/003=33,67 kcal/mhC
• Toplam Isı Geçiş Katsayısının Belirlenmesi:
• Malzemenin ısı geçiş katsayısının yüksek tutulması, hem toplam ısı geçiş katsayısının artmasına hem de daha verimli ısı transferinin gerçekleşmesine vesile olacaktır Bunun içinde elverişli olan dökme demir malzemenin kullanılmasıdır
• λm =53 kcal/mhC
• 1/K=1/hiç +L/ λm +1/hdış
• 1/K= 1/33,67+0,0025/53+1/27,4
• K=15,2 kcal/mhC
• Boru Uzunlugunun Bulunması:
• Q= KAΔTm
• Q=KπdnLΔTm buradan;
• L=Q/(KπdnΔTm)
• A=1,963600/15,2340,9=136
• L=1,36/3,140,02517=10 m
• Isı değiştirgeci tasarımında L/D oranı önemlidir Eğer L/D oranı 3-8 arasında ise yapılan tasarım standartlara uygun olarak tasarlanmıştır
• L/D=10/0169=59 olarak bulunur
• Sıcak Akışkanın Isı Değiştirgecine Giriş ve Çıkış Çaplarının Hesabı:
• Sıcak akışkanın ısı değiştirgecine giriş ve çıkıştaki alanı sıcak akışkanın debisine,hızına ve yoğunluğuna bağlı olarak
• A1g=m1/W1ρ1
• Örneklerle Isı Transferi (Sadık KAKAÇ) Tablo 29’dan
• 550 C için ρ1=0,43025 kg/m
• 260 C için ρ2=0,66274 kg/m
• A1g=m1/W1ρ1=0,026/9,4043025=0006 m
• d1g=(4A1g/p)½=(40,006/314) ½=0,09 m
• A1ç=m1/W1ρ2=0,026/9,40,66274=0,004 m
• d1ç=(4A1ç/p)½=(40,004/3,14) ½=0,07 m
• Soğuk Akışkanın Isı değiştirgecine Giriş ve Çıkış Çaplarının Hesabı:
• Soğuk akışkanın ısı değiştirgecine giriş ve çıkıştaki alanı soğuk akışkanın debisine,hızına ve yoğunluğuna bağlı olarak
• A2g=m2/W2ρ2
• Örneklerle Isı Transferi (Sadık KAKAÇ) Tablo 29’dan
• 20 C için ρ2=1,2045 kg/m
• 85 C için ρ2=0,97955 kg/m
• A2g=m2/W2ρ2=0,125/8,61,2045=001 m
• d2g=(4A2g/p)½=(40,01/3,14) ½=0,12 m
• A2ç=m2/W2ρ2=0,125/8,60,97955=0,01 m
• d2ç=(4A2ç/p)½=(40,01/3,14) ½=0,11 m
• SONUÇ VE DEĞERLENDİRME
• Isı değiştirgeçleri tesisin termik verimini arttırmak, çevrimin tamamlanması gibi yönlerden başka, imal edilen ürünün kalitesi yönünden de önemlidir Örneğin ısıl işlem tekniğinde çoğu kere belirli bir sıcaklığa getirilen bir madde ya ekzoterm reaksiyonlar sonucunda ısı açığa çıkarır veya endoterm reaksiyonlar sonunda ısıya ihtiyaç gösterirSıcaklık birinci halde artar,ikinci halde azalırSıcaklığın yükselmesi, reaksiyona katılan maddede parçalanmalara, ayrışmlara sebep olabilir Düşük sıcaklıklarda ise reaksiyon iktisadi olmayacak şekilde yavaşlar Bu gibi tesislerde sıcaklığın belirli bir değerde tutulması gerekir Bu gibi sebeple ısı değiştirgecinin önemi kolayca anlaşılır
• Isıl gerilmelerin durumlarında paralel akımlı düzenler tercih edilirAksi taktirde ayna ve bağlantılı yerlerde kopma meydana gelebilir
• Ters akımlı ısı değiştirgeçlerinin tasarımı yapılırken enerji tasarrufuna, kaliteli madde kullanılması, sağlık açısındanda yiyecek maddeleri ve çelik arasında temassız ısı geçişi gerçekleştirilmesine dikkat edilmelidir
• Isı mühendisliğinin konusu olan ısı değiştirgeçleri hesabı her mühendisin meslek hayatında mutlaka karşılaşacağı ve bu sebeple öğrenmek zorunda olduğu hesaplardan bir tanesidir