1

ISI DEĞİŞTİRİCİSİ TASARIMI

Bir fabrikanın kirli suları yüksek sıcaklıkta bulunuyor. Atık ısı geri kazanımı amacıyla

bir ısı değiştiricisi tasarımı yapılıp, imal edilip kullanılmak isteniyor. Fabrikada 300 kişi

için 40°C ‘de temiz kullanım suyu günlük olarak hazırlanmak isteniyor Kirli suyun

fabrika çıkış sıcaklığı 80°C ‘de bulunuyor.

Çalışma planı;

Isı değiştirici teorik hesabı

Isı transferi ve termodinamik hesapları

İmalat ve tasarım resimleri

Sonuç ve değerlendirme

2

1. GENEL BİLGİLER

1.1 GİRİŞ

Mühendislik uygulamalarının en önemli ve en çok karşılaşılan işlemlerinden birisi,

farklı sıcaklıklardaki iki veya daha fazla akışkan arasındaki ısı değişimidir. Bu

değişimin yapıldığı cihazlar, genelde ısı değiştiricisi veya eşanjör olarak

adlandırılmakta olup, pratikte termik santrallerde, kimya endüstrilerinde, ısıtma,

iklimlendirme, soğutma tesisatlarında, kimya araçlarında, elektronik cihazlarda,

alternatif enerji kaynaklarının kullanımında, ısı depolaması vb. gibi birçok yerde

bulunabilmektedir. Genellikle ısı değiştiricilerinde akışkanlar, birbirleri ile

karıştırılmadan ısı geçişi yapılan bir yüzeyle birbirinden ayrılır.

Isı değiştiricileri yoğuşma ve buharlaşma gibi bir faz değişimi yoksa bunlara duyulur ısı

değiştiricileri, içinde faz değişimi olanlara ise gizli ısı değiştiricileri, adı verilir. Diğer

taraftan, buhar kazanları, nükleer santraller veya elektrikli ısıtıcılar da içlerinde ısı

üretimi olan birer ısı değiştirici olmasına rağmen, literatürde genelde ayrı konular olarak

incelenir.

Çoğunlukla ısı değiştiricilerinde akışkanlar, birbiriyle karıştırılmadan ısı geçişinin

doğrudan yapıldığı, genelde metal malzeme olan katı bir yüzey ile birbirinden ayrılırlar.

Bu tip ısı değiştiricileri yüzeyli veya reküparatif olarak adlandırılır. Dolgu maddeli

veya rejeneratif olarak adlandırılan diğer tip ısı değiştiricilerinde, ısı geçişi doğrudan

olmayıp, ısı önce sıcak akışkan tarafından döner veya sabit bir dolgu maddesine

verilerek depo edilir, daha sonra bu dolgu maddesindeki bu ısı soğuk akışkana verilir.

Genel olarak reküparatif ısı değiştiricilerindeki incelemeler zamandan bağımsız

olmasına rağmen, rejeneratif ısı değiştiricilerindeki incelemeler zamana bağlıdır.

Isı değiştiricileri ısı geçiş şekline, konstrüksiyon özelliklerine, akış düzenlenmesine,

akışkan sayısına veya akışkanların faz değişimlerine göre sınıflandırılabilir.

3

1.2 ISI DEĞİŞİM ŞEKLİNE GÖRE SINIFLAMA

Bu sınıflamada ısı değiştiricileri, akışkanlar arasında veya bir katı cisim ile akışkan

arasında doğrudan doğruya bir temasın olduğu ve olmadığı şekillerde olmak üzere iki

grupta göz önüne alınır.

1.2.1 Doğrudan Temasın Olduğu Isı Değiştiricileri

Bu tip ısı değiştiricileri içinde farklı sıcaklıklardaki akışkanlar veya bir akışkan ile katı

maddeler birbirleri ile doğrudan doğruya karıştırılır veya temasa geçirilir.

İki farklı sıcaklıktaki akışkanın temasa geçirildiği sistemlerde, genellikle akışkanlardan

birisi gaz, diğeri ise buharlaşma basıncı küçük olan bir sıvıdır. Isı geçişi işleminden

sonra, iki akışkan birbirinden kendiliğinden ayrılır. Endüstriyel işlemler sonucu ortaya

çıkan ısının atılması için pratikte çok kullanılan soğutma kuleleri bu tip ısı

değiştiricilerine iyi bir örnektir. Soğutma kulelerinde damlalar veya ıslak dolgu

maddeleri üzerindeki su, atmosferik hava ile soğutulur. Çoğunlukla su yerçekimi ivmesi

ile aşağı düşerken, hava doğal veya zorlanmış olarak su yüzeyleri üzerinden akar (Şekil

1.1)

Şekil 1.1 Doğal ve zorlanmış soğutma kuleleri

4

Su buharının kullanıldığı endüstriyel tesislerde, buhar akışının düzenlenmesinde

kullanılan buhar akümülatörleri de doğrudan temaslı birer ısı değiştirici olarak göz

önüne alınabilir. Burada buhar akümülatörü dolarken buhar yoğuşarak ısısını suya verir

ve akümülatörün basıncını arttırır, boşalırken ise basınç azalırken su buharlaşarak

sisteme buhar sağlar.

Farklı sıcaklıktaki katı maddeler ile gazların doğrudan temasta olduğu sistemler,

pratikte genellikle bu maddelerin kurutulması veya soğutulması işlemlerinde kullanılır.

Kurutma, maddeler içindeki su veya kolayca buharlaşabilen sıvıların, buharlaşma

yoluyla bu maddelerden uzaklaştırılma işlemidir. Bu işlem esnasında ısı geçişi yanı sıra,

kütle geçişi de vardır. Tepsili, konveyör, döner ve sprey tipi sistemler, endüstride

kurutma işlemlerinde karşılaşılan belli başlı örneklerdir.

Kurutma işleminde kullanılan diğer bir yöntemde akışkan yataklı sistemlerdir. Bu

sistemde, genellikle gaz olan akışkanlardan birisi içine küçük kum, kömür gibi katı

tanecikler ilave edilerek, bu taneciklerin geçemeyeceği bir dağıtıcı üzerinde yatak

oluşturulur. Taneciklerden meydana gelen bu yatakta düşey yönde gaz akışı sağlanırsa,

küçük gaz hızlarında gaz hareketsiz tanecikler arasından geçer. Sabit yatak adı verilen

bu durumda ortam, katı karakter özelliğindedir. Hızın biraz artırılması durumunda,

tanecikler titreşmeye başlayarak dar bir alanda hareket ederler. Hız biraz daha artırılır

ise, taneciklere etki eden ağırlık kuvveti ile direnç kuvveti denge haline gelir ve

tanecikler gaz içinde asılı durumda gelişi güzel hareket eder. Bu duruma minimum

akışkanlaşma hızlı yatak adı verilir. Gaz hızının biraz daha artması durumunda düzgün

akışkanlaşmış yatak elde edilir. Bundan sonra gaz hızının daha da artırılması durumda,

gaz habbecikler halinde çıktığından habbeli akışkan yatak elde edilir. Hız daha da

artırılır ise taneciklerin gaz ile taşındığı pnömatik transport oluşur. Akışkan yatakların

aynen bir sıvı özellikleri göstermesi nedeniyle bu adı almıştır.

5

1.2.2 Akışkanların Arasında Doğrudan Temasın Olmadığı Isı Değiştiricileri

Bu tiplerde ısı, önce sıcak akışkandan iki akışkanı ayıran bir yüzeye veya bir kütleye

geçer. Daha sonra bu ısı bu yüzeyden veya kütleden soğuk akışkana iletilir. Yüzeyli,

dolgu maddeli ve akışkan yataklı ısı değiştiricileri olmak üzere üç grupta incelenebilir.

Doğrudan ısı geçişi olan ısı değiştiricileri: Bu tip ısı değiştiricilerinde farklı

sıcaklıklardaki iki akışkan, ince cidarlı bir boru veya levha yüzeyleri ile birbirinden

ayrılır. İki akışkan ısı değiştirici içinde birbirlerine karışmadan hareket ederler. Bunların

içinde hareketli bir makine elemanı yoktur ve bazen bunlar literatürde reküparatif ısı

değiştiricileri olarak da adlandırılır. Pratikte karşılaşılan önemli tipleri, borulu, levhalı

ve kanatlı yüzeyli ısı değiştiricileridir.

Isının depolandığı ısı değiştiricileri: Bunlarda önce sıcak akışkan belirli bir süre

değiştirici içindeki dolgu maddesinin yüzeyleri üzerinden geçirilerek dolgu maddesi

ısıtılır. Daha sonra ısınan bu dolgu maddesinin yüzeyleri üzerinden soğuk akışkan

geçirilerek ısınması sağlanır. Bu tipten ısı değiştiricilerine rejeneratör adı da verilir.

Gaz türbinli taşıtlarda, iklimlendirme tesisatlarında ısı geri kazanması için ısı tekerleği

olarak, yüksek fırınlarda, cam fabrikalarında ve buhar kazanlarında Ljungstrom tipi

hava ısıtıcısı olarak kullanılabilir.

Şekil 1.2 Akışkan yataklı ısı değiştirici

6

Akışkan yataklı ısı değiştiricileri: Akışkan yatağa, içinden diğer bir akışkanın geçtiği

ısı geçiş boruları yerleştirilerek, taneciklerin doğrudan kurutulması yanı sıra, aralarında

temasın olmadığı bir ısı değiştiricisi tipi de elde edilebilir (Şekil 1.2). Yatak içindeki

taneciklerin gelişi güzel hareketleri, ısı geçişini artırır ve yatak içinde yaklaşık sabit bir

sıcaklık dağılımı sağlar. Akışkan içine yerleştirilen bir ısı değiştirici yüzeyi etrafındaki

ısı taşınım katsayısı, aynı gaz hızındaki ısı taşınım katsayısından çok yüksektir. Gaz

hızının minimum akışkanlaşma hızının yaklaşık üç katında, ısı taşınım katsayısı bir

maksimumdan geçer. Bu değerden sonra, habbeli akışkanlaşmanın oluşumu nedeniyle,

ısı taşınım katsayısında bir azalma görülür. Akışkan yatak teknolojisi, kurutma,

karıştırma, adsorbsiyonlu sistemlerde ve reaktör mühendisliğindeki ısı değiştiricileri

yanı sıra, akışkan yataklı yakma sistemlerinde de uygulama alanı bulur.

1.3 FARKLI AKIŞKAN SAYISINA GÖRE SINIFLANDIRMA

Pratikte birçok uygulamada, ısı değiştiricilerinde genellikle iki akışkan arasındaki ısı

geçişi göz önüne alınır. Buna karşılık az da olsa bazı kimyasal işlemlerde, soğutma

tekniğinde, havanın ayrıştırılmasında, hidrojenin saflaştırılması ve sıvılaştırılması gibi

olaylarda üç akışkanlı ısı değiştiricileri ile karşılaşılabilir.

Üç akışkanla çalışan ısı değiştiricilerini kullanan bir sisteme örnek olarak, evsel ve taşıt

araçlarında küçük kapasiteli, (NH3 + su) eriyikli absorbsiyonlu tesislerde, H2 gibi

üçüncü bir nötr gaz kullanılarak elde edilen ısı enerjisi ile çalışan pompasız soğuma

makinesi gösterilebilir.

Üç ve daha fazla akışkan ile çalışan ısı değiştiricilerinin teorik analizleri oldukça

karmaşık olup tasarımları da güçtür.

7

1.4 ISI GEÇİŞİ MEKANİZMASINA GÖRE SINIFLAMA

İki tarafa da tek fazlı akış: Isı değiştiricinin iki tarafındaki tek fazlı akışlardaki ısı

taşınımı bir pompa veya vantilatör ile tahrik edilen zorlanmış ya da yoğunluk farkının

doğurduğu doğal olarak olabilir. Oda ısıtıcıları (radyatör veya konvektörleri), buhar

kazanları ekonomizörleri ve hava ısıtıcıları, taşıt radyatörleri ve hava soğutmalı ısı

değiştiricileri önemli uygulamalardır.

Bir tarafta tek fazlı, diğer tarafta çift fazlı akış: Bu ısı değiştiricilerinin bir taraflarında

zorlanmış veya tek fazlı akış varken, diğer taraflarında kaynamakta veya yoğuşmakta

olan iki fazlı akış vardır. Bunlara ait örnekler, termik santrallerin yoğuşturucuları,

soğutma sistemlerinin yoğuşturucusu veya buharlaştırıcısı ile buhar kazanları sayılabilir.

İki tarafa da çift fazlı akış: Bu tip ısı değiştiricilerinin bir taraflarında buharlaşma,

diğer taraflarında yoğuşma işlemi vardır. Bunlar hidrokarbonların distilasyonunda,

yüksek basınçlı buhar kullanılarak alçak basınçlı buhar elde edilmesinde kullanılır.

Taşınımla ve ışınımla beraber ısı geçişi: Özellikle bir tarafında yüksek sıcaklıkta gaz

olan ısı değiştiricilerinde taşınılma ve ışınımla ısı geçiş bir arada görülür. Yüksek

sıcaklıkta çalışan dolgu maddeli rejeneratörler, fosil yakacak yakan ısıtıcılar, buhar

kazanları ve bunların kızdırıcıları ile piroliz ocakları bu tip ısı değiştiricilerine örnek

olarak sayılabilir.

8

2. ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNİN KONSTRÜKSİYONLARI

Isı değiştiricileri genellikle konstrüksiyon özelliklerine göre karakterize edilirler.

Borulu, levhalı, kanatlı ve rejeneratif olarak belli başlı gruplara ayrılabilen ısı

değiştiricilerinin konstrüktif özellikleri bu bölümde verilecektir.

2.1 BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ

Bu tip ısı değiştiricilerinde eliptik, dikdörtgen ve genellikle de dairesel kesitli borular

kullanılır. Boru çapının, boyunun ve düzenlenmesinin kolayca değiştirilebilmesi

nedeniyle projelendirmede büyük kolaylıklar sağlar. Ayrıca dairesel kesitli boruların,

diğer geometrik şekillere göre yüksek basınçlarda rahatlıkla kullanılabilir.

2.1.1 Düz Borulu Isı Değiştiricileri

Pratikte çift borulu, olanların yanı sıra, boru demetinden yapılmış çeşitlerine de

rastlanır. Çift borulu olanlar, en basit ısı değiştirici tipidir. Sistem genellikle aynı eksenli

iki borudan yapılır. Akışkanlardan biri içteki borudan akarken, diğer akışkan dışarıdaki

borudan akar. Akışkanların akış yönleri paralel veya ters akımlı olabilir. Isıl kapasiteyi

ve ısı geçiş yüzeyini artırabilmek için seri halde montajları yapılabilir. Seri bağlantı

halinde iki ısı değiştirici eleman birbirine, kıvrım yarıçapı en az 3d olan 180° dirsekler

ile bağlanmalıdır.

9

Şekil 1.3 Çift borulu prensip şeması

Bu tip ısı değiştiricilerinin teorik analizleri çok basittir. Ortalama logaritmik sıcaklık

farkı veya etkenlik geçiş sayısı yöntemlerinden birisi ile ısıl hesapları yapılabilir. Isı

değiştiricinin temizlenmesi kolay olduğundan, özellikle kirletici akışkanlar için uygun

bir konstrüksiyondur. Akışkanların ısı değiştirici içinde dağıtılmasında bir zorluk

yoktur, değiştirici içinde ölü bölgeler yoktur. Boru çaplarının küçük olması halinde, çok

yüksek basınçlara çıkılabilir. Kompaktlık (yüzey alanı yoğunluğu) değerinin küçük

olması en büyük sakıncasıdır. Yatırım masraflarının artması nedeniyle, toplam ısıtma

yüzeyi 20m2 değerinden daha büyük yapılamaz.

2.1.2 Spiral Borulu Isı Değiştiricileri

Bir veya daha fazla borudan spiral ile bu spiralin dışındaki bir depodan meydana gelir.

Basit ve ucuz şekilde elde edilen bu ısı değiştiricileri genellikle havuz ve depolardaki

akışkanların sıcaklık kontrolünde kullanılabilir (Şekil 1.4). Bu tipteki değiştiricilerde ısıl

genleşmenin oluşturduğu gerilme problemleri yoktur. Helisel şekilde yapılabilen

serpantinin adımı, sarım çapı ve alanı uygun bir şekilde seçilebilir. Boru çapı tipik

olarak depo çapının 1/30 kadarı, serpantinin helis adımı boru çapının iki katı seçilebilir.

Küçük serpantinlerin depo içinde desteğe olmamasına rağmen, büyük serpantinlerin

desteklenmesi gerekir. Spiral borunun dış yüzeyi ve depo kolaylıkla mekanik olarak

temizlenebilirken, boru iç yüzeyi kolayca temizlenemez. Bu tip ısı değiştiricilerinin

depo tarafındaki debi ve akışkan hızları küçük olması nedeniyle, bu taraftaki ısıl

kapasite debileri küçüktür.

10

Şekil 1.4 Depo içine yerleştirilmiş spiral borulu ısı değiştirici

2.1.3 Gövde Borulu Isı Değiştiricileri

Bu ısı değiştirici, silindirik bir gövde ile bu gövde içine yerleştirilen birbirine paralel

borulardan meydana gelir. Akışkanlardan birisi boruların içinden, diğeri ise gövde

içinden akar. Bu ısı değiştiricilerinin belli başlı elemanları, borular (veya) boru demeti,

gövde, iki baştaki kafalar, boruların tespit edildiği ön ve arka aynalar ile gövde içindeki

akışı yönlendiren ve borulara destek olabilen şaşırtma levhaları veya destek

çubuklarıdır. Petrol rafinelerinde, termik santrallerde, kimya endüstrisinde çok fazla

uygulama alanı bulurlar (Şekil 1.5).

Borulu ısı değiştiricisi imalatçılarında birisi TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers

Associations), bu tip ısı değiştiricilerinin konstrüksiyonları için bir standardizasyon

yapmış olup, bu standarda göre üretilmiş ve pratikte çok kullanılan bazı tipik gövde,

boru ve kafa düzenlemeleri görülmektedir. Bu düzenlemelerde özellikle sabit boru

demetli ısı değiştiricileri, basınç ve sıcaklık farkından dolayı meydana gelebilecek

uzamaları karşılayacak biçimde yapılmalıdır. Bu tip ısı değiştiricilerinin gövde ve

borularında kullanılan akışkanlar için önerilen standart anma basınçları genel olarak, 2,5

, 6, 10, 16, 25 ve 40 bar değerleridedir.

11

Şekil 1.5 Gövde borulu ısı değiştirici prensip şeması

E gövde tipi ısı değiştiricileri basit ve ucuz konstrüksiyonlardır. Bu tipte akışkan

gövdeye bir yandan girip, diğer yandan çıkmaktadır. Borular gövde içinde bir veya

birkaç şaşırtma elemanı ile desteklenmektedir. E tipi gövde genellikle tek fazlı akışlar

için kullanılır. Sıcak ile soğuk akışkanlar arasındaki ortalama logaritmik sıcaklık farkını

arttırmak ve ısı değiştirici etkenliğini çoğaltmak için ters akım düzenlenmesi tercih

edilir. Isı değiştiricinin etkenliğini daha da artırabilmek için gövde içine konulan

boyuna şaşırtma levhası yardımıyla elde edilen F tipi gövdeler kullanılabilir.

Gövde içindeki akışı bölmek için, değişik uygulama yerlerinde G, H ve J tipleri

kullanılır. G tipinde, gövde içindeki yatay bir şaşırtma elemanı akışı ikiye ayırır.

Akışkanın gövdeye giriş ve çıkış ağızları, gövde ortasında birbirlerine göre 180° olarak

yerleştirilir. G tipi ile E tipinin gövde tarafındaki basınç kayıpları aynıdır. Fakat G tipi

gövde, E tipinden daha büyük bir ortalama logaritmik sıcaklık farkı sağladığından ısı

değiştirici etkenliği daha iyidir. G tipi gövdeler çoğunlukla tek fazlı akışlarda

kullanılabildiği gibi, yatay buharlaştırıcı olarak da kullanılır. H tipi gövdeler G tipine

çok benzerler, sadece gövdeye giriş ağızları ile akışı ayıran şaşırtma elemanları ikişer

tanedir. J tipi gövdelerde ise bir giriş, iki çıkış veya iki giriş, bir çıkış ağızları vardır. J

tipi gövdelerde, gövde tarafındaki basınç kaybı, E tipi gövdelerin 1/8 değeri kadardır.

Bu nedenle, bu gövdeler genellikle küçük basınç kayıplarının istendiği yerlerde, örnek

olarak vakumlu yoğuşturucu tesislerinde kullanılır. Yoğuşturulacak buhar, gövdeye iki

yerden girip, yoğuşan sıvı ise bir yerden çıkar.

12

K tipi gövdeler ise buharlaştırıcı olarak kullanılır. Boru demeti gövdenin alt kısmındadır

ve gövdenin hacimce yaklaşık %60 kadarını kaplar. Bunlar çoğunlukla havuz tipi

kaynatıcılar olarak uygulama alanı bulurlar. Buharlaştırılmak istenen sıvı boruları

tamamen kaplar, buhar ise boruların bulunmadığı üst kısımda toplanır. Düşey bir levha

savak rolü oynar, gereğinden fazla akışkan buradan taşarak dışarı atılır.

X tipi gövdeler çapraz akımlı düzenlemeleri sağlar. Gövde içinde şaşırtma elemanı

yoktur. Boruların titreşim dolayısıyla zorlanmamaları için borular arasına destekler

konulabilir. Bu tip gövde, gövde tarafında küçük basınç kaybının istendiği yerlerde

kullanılır ve özellikle kanatlı borular ile gazların soğutulmasında uygulama alanı bulur.

Tablo 1: Standart gövde tipleri ve ön – arka kafalar

13

Gerek gövdenin gerekse de boruların çap ve sayılarının tespitinde, bunlar içinde akan

akışkan hızları önemli olmaktadır. Hızın büyük olması ısı geçiş katsayısını artırarak,

daha kompakt ısı değiştiricisi konstrüksiyonuna imkan sağlarken, basınç kayıplarının ve

bunun sonucu pompa veya vantilatör gücünün büyümesine sebep olur. Diğer taraftan

büyük hızlar cidarlarda kirlenmeyi de önler, fakat titreşim, kavitasyon ve erozyon

oluşturabilir.

Isı değiştirici gövdesi, dökme demirden, çelik levhaların silindirik kıvrılarak kaynak

edilmesiyle veya çelik borulardan imal edilebilirler. Dökme demir gövdeler 10 bar

basınç ve 200°C sıcaklıktan yukarı değerlerde kullanılmamalıdır.

Gövde – borulu ısı değiştiricilerinde kullanılan boru çapları 10mm ile 57mm arasında

değişir. Birçok durumda, daha kompakt ve ucuz ısı değiştirici projelendirmesi

sağlandığından, küçük boru çapları (16mm ile 25mm) tercih edilir. Buna karşılık,

özellikle kirli akışkanların kullanıldığı durumlarda, temizleme kolaylığı sağlaması

bakımından büyük çaplı borular kullanılır. Boru et kalınlığı, boru içindeki akışkanın

basıncına ve korozyon payı düşünülerek seçilir. Isı değiştiricilerinde kullanılan çelik ve

diğer malzemelerden imal edilmiş boruların çapları ve et kalınlıkları uygun

standartlardan alınabilir.

Gövde – borulu ısı değiştiricilerinde kullanılan boru boyları, piyasada satılan boru

boylarının kesirleri olacak şekilde seçilmesi, imalatta fire vermemek açısından

uygundur. Isı değiştirici boyu tespit edilirken, bu değiştiricinin yerleştirileceği yer göz

önünde tutulmalıdır. Belirli bir ısıl kapasite (veya ısıtma yüzeyi) için uzun boruların

seçilmesi, gövde çapını küçültür ve özellikle yüksek basınçlarda daha ucuz ısı

değiştirici imalatına imkan verir. Gövde çapının 5 ila 10 katı olarak boru boylarının

seçimi, pratik açıdan uygun sonuçlar vermektedir.

14

Bir gövde – borulu ısı değiştirici içindeki boru demeti, eşkenar üçgen, kare veya

döndürülmüş üçgen ve kare şeklilerinde yapılabilir. Üçgen ve döndürülmüş kare

düzenlemeleri, kare düzenlemeye göre daha büyük ısı geçiş katsayıları vermesine

karşılık, bunlardaki basınç kayıpları biraz daha büyüktür. Kare ve döndürülmüş

düzenlemeler, özellikle kirletici akışkanlar için uygundur. Çünkü bu tip düzenlenmiş

boru demeti, ısı değiştirici dışarısına çıkarıldığında kolayca temizlenebilir. Her tip

düzenlemede boru eksenleri arasındaki uzaklığın boru dış çapının 1,25 katı seçilmesi

önerilir. Temizlik kolaylığı istenen durumlarda, karesel düzenlemede borular arasında

en az 6 – 7mm boşluk olması istenir.

Şekil 1.6 Gövde borulu ısı değiştirici

Boruların ön ve arka aynalara tespitinde kaynak işlemi ve genellikle de makineto işlemi

kullanılır. Bu işlem için özel konik silindirik elemanlar ile boru genişletilerek aynaya

yapışması sağlanır. Bu işlem esnasında sızdırmazlığın sağlanması kadar, borunun

cidarlarının da fazla incelmemesi önemlidir. Bunun için ayna et kalınlığında özel yivler

açılır. Borunun makineto edilen kısmının uzunluğu, boru aynası kalınlığının %90’ını

geçmemelidir. Makineto edilen kısım ile makineto edilmeyen kısım arasında keskin bir

geçiş olmamalıdır. Boruların ağızlarına yaklaşık olarak 2mm yarıçaplı havşa açılmalıdır.

Boruların uçlarının aynadan taşan kısmı, makineto işleminden sonra 5mm’den çok

olmamalıdır.

15

Sızdırmazlığın önemli olduğu durumlarda, borular aynaya kaynak işlemi ile tespit edilir.

Kaynaklı boru tespitinin, ısı değiştirici imalat masrafları yanı sıra borular arasındaki

mesafenin de artarak gövde çapının büyümesine neden olacağı gözden uzak

tutulmamalıdır.

Gövde içindeki akışkan hareketlerini yönlendirmek, akışlı türbülanslı yapıp ölü

bölgeleri azaltmak ve borulara destek sağlamak gayesi ile gövde içinde şaşırtma

elemanları kullanılır. Bunlar levhalı ve çubuklu olmak üzere iki grupta toplanabilir. Bu

elemanların seçiminde, ısı geçişindeki iyileştirme, basınç kayıplarındaki artma ve akışta

oluşturduğu titreşim ve gürültü göz önüne alınmalıdır.

Şaşırtma elemanları akış kesitini %15 ila 45 arasında keser. Pratik açıdan %20 ila 25

gibi bir değer, iyi bir ısı geçiş katsayısı yanı sıra, fazla bir basınç kaybı oluşturmaz.

Akışkanın kısa devre yapabilmesi nedeniyle, bu elemanlar ile gövde arasındaki aralık

belli değerleri aşmamalıdır. Elemanlar arasındaki mesafe, gövde çapının 0,2 ila 1,0 katı

arasında değişebilmesine rağmen, bu mesafenin gövde çapının 0,3 ila 0,5 arasında

seçilmesi, ısı geçişi ve basınç kayıpları açısından uygundur.

Akışkan gövdeye giriş ve çıkış ağızları, standart boru çapında olmalıdır. Gövde

akışkanın giriş ve çıkışında aşırı bir basınç kaybı, borularda ses ve titreşim olmamalı,

düzgün bir akış sağlanmalıdır. Uygun giriş ve çıkış ağızlarını yerleştirebilmek için,

gerekiyor ise boru demetinden bazı sıralar çıkarılmalı, akışkanın borulara doğrudan

çarpması önlenmelidir.

Şaşırtma levhalarının yerleştirilmesinde kullanılan destek çubuklarının

konstrüksiyonlarına ait bilgilerde mevcuttur. Bu çubuklar şaşırtma levhalarının düzgün

şekilde montajı yanı sıra akıştan dolayı oluşabilecek titreşimlerin önlenmesi sağlanır.

16

2.1.4 Özel Gövde – Borulu Isı Değiştiricileri

Bu kısımda incelenecek olan ısı değiştiricileri konstrüktif olarak klasik gövde borulu ısı

değiştiricilerine benzemesine rağmen, özel kullanımlar için imal edilir.

Bunlara ait örnek şekil 1.7’de verilen Korumalı Gövde – Borulu ısı değiştiricidir. Bu ısı

değiştiricisi özellikle kaçakların önlenmesi istenen yerlerde uygulama alanı bulur.

Değiştirici içindeki borular aynı eksenli iki boru olarak ön ve arka aynalar arasına tespit

edilir. Aynı eksenli iki boru arasındaki ısı geçişini artırabilmek için, bu aralığa ya ısı

iletim katsayısı yüksek bir akışkan ya da spiral bir kanat yerleştirilir. Sistem, borularda

bir kaçak olduğunda, bu kaçağı anında tespit edebilen dedektörler ile donatılır ve bu

şekilde sıcak ve soğuk akışkanın birbirine karışması önlenir.

Şekil 1.7 Korumalı gövde – borulu ısı değiştirici

Özel gövde borulu ısı değiştiricilerine ait diğer örnek Grafit Gövdeli ısı değiştiricidir.

Grafitin kimyasal maddelere karşı dirençli olması ve ısı iletim katsayısının da yüksek

olması nedeniyle özellikle korozif ortamlardaki ısı değiştiricileri için uygun bir

malzemedir. Serbest bromin ve klorin, serbest florit iyonları, sülfürük asit/potasyum

dikromat ve derişik nitrik asit dışındaki bilinen bütün kimyasal maddelere karşı grafitin

direnci olarak fazladır. Bu ısı değiştiricileri 60 ila 200°C sıcaklıkları arasında işletme

sıcaklıklarında ve en fazla 15 bar işletme basıncında kullanılabilmektedir.

17

2.2 LEVHALI ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ

Bunlarda esas ısı geçişinin olduğu yüzeyler genelde ince metal levhalardan yapılır. Bu

metal yüzeyler düz veya dalgalı biçimde olabilir. Borulu tipten olan ısı değiştiricilerine

göre yüksek basınçlara ve sıcaklıklara çıkamazlar. Conta levhalı, spiral levhalı ve

lamelli olmak üzere üç grupta incelenebilir.

2.2.1 Contalı Levhalı Isı Değiştiricileri

Bu ısı değiştirici, ince metal levhalardan bir paket yapılarak elde edilir. Akışkanların

geçebilmesi için dört tarafında delik bulunan metal levhalar paket haline getirilirken

uygun contalar kullanılır. Genellikle fabrikasyon olarak üzerlerine dalgalı form verilen

bu levhalar düşey olarak yerleştirilerek, sıkıştırma çubukları ile sıkıştırılır. Dalgalı form,

levhaların rijidliğini artırması yanı sıra, akışın türbülanslı olmasını da sağlar. Levhalar

arasındaki boşluklardan, sıcak ve soğuk akışkanlar birbirlerine karışmadan akarlar.

İstenildiğinde sisteme levha ilave edilerek veya çıkarılarak ısıl kapasitesi değiştirilebilir.

Şekil 1.8 Contalı levha montajlı durum

18

Contaların değişik şekillerde yerleştirilmesi ile levhalar arasındaki tek, çift – çok ve tek

– çok şekillerde akım düzenlenmesi yapılabilir.

Bu tip ısı değiştiricileri kolaylıkla sökülüp temizlenebilir. Bu nedenle gıda endüstrisi

için uygundur. Isı değiştirici içinde sıcak ve soğuk bölgeler oluşmaz. İki akışkanın

birbirine karışma imkanı azdır. Kaçaklar dış tarafa doğrudur. Bu ısı değiştirici içindeki

akışkan miktarı az olduğundan, genellikle akışkanlar (örnek olarak makyaj, parfümeri

malzemeleri) için tercih edilir. Levhalar üzerindeki çıkıntılar türbülans

oluşturulduğundan, akışkanların birikinti yapma imkanı azdır.

Bu üstünlüklerine karşılık contalı levhalı ısı değiştiricilerin sakıncalı tarafları da vardır.

Levhaların düzlemsel oluşu ve conta malzemelerinden dolayı, yüksek basınçlara

çıkılmaz. Maksimum 20 bar basınca kadar kullanılabilir. 150°C sıcaklığa kadar ucuz

contalar kullanılmasına karşın, daha yüksek sıcaklıklarda pahalı, kaliteli contalara gerek

vardır. Conta zamanla özelliğini kaybeder, bu yüzden belirli zamanlarda bu contaları

değiştirmek gerekebilir. Isıtma yüzeyi maksimum 1400m2değerine kadar yapılabilir.

Bu ısı değiştiricileri çoğunlukla süthanelerde, içki, bira, besin, makyaj, sentetik lastik,

kimya, selüloz ve kâğıt endüstrilerinde, evsel kullanımda (sıcak su elde etmek için)

kombi cihazlarında kullanılır.

Contalı levhalı ısı değiştiricilerinde levha kalınlığı 0,5 – 1,2mm arasında olup, levhalar

arasındaki boşluk 3 – 6mm kalınlığındaki conta ile sağlanır. Levha malzemesi olarak

karbonlu çelik, alüminyum, bakır ve bakır alaşımları, paslanmaz çelik, nikel, titanyum

ve molibden alaşımları kullanılabilir.

19

2.2.2 Spiral Levhalı Isı Değiştiricileri

Bu ısı değiştiricileri, 150 ila 1800mm genişliğindeki uzun iki ince metal levhanın spiral

şeklinde sarılması ile elde edilir. İki levha arasına konulan saplamalar ile düzgün bir

aralık sağlanabilir. Levhaların iki tarafı contalı kapaklar ile kapatılır. Akışkanlar

birbirlerine göre paralel veya ters yönde akıtılabilir. Temizlenmeleri kolay olduğundan,

bu ısı değiştirici tortu yapabilen viskoz akışkanlar için çok uygundur. Basınç kayıpları

gövde borulu ve levhalı contalı ısı değiştiricilerine göre azdır. Bu yüzden özellikle

kâğıt, selüloz endüstrisinde, sülfat ve sülfit fabrikalarında bu ısı değiştiricisi tercih

edilir.

Şekil 1.9 Spiral levhalı ısı değiştirici kesitleri

İstenirse spiral levhalı ısı değiştiricileri buharlaştırıcı olarak da kullanılabilir. Boyutların

sınırlı olması, conta malzemesi yüzünden maksimum 10 bar basınca ve 500°C sıcaklığa

çıkabilmesi, tamiratların zor olması bu ısı değiştiricilerinin sakıncaları olarak sayılabilir.

20

Spiral levhalı ısı değiştiricilerine küçük konstrüksiyon değişiklikleri ile çeşitli akış

şekilleri elde edilebilir. Bu akış şekillerinden birinde akışkanlardan birisi değiştiricinin

alt kısmında ortadan girip serpantin içinde dolaşıp, yan taraftan çıkarken, diğer akışkan

diğer yandan girip, serpantinin üst kısmından ortadan çıkar. Bu şekilde ters akım

sağlanmış olur. Diğerinde ise birinci akışkan değiştiricinin üstünden girip, spiral

kanallarından aşağı doğru hareket edip, alt kısımdan çıkarken, ikinci akışkan yandan

girip, spiral içinde hareket ederek üstten orta kısımdan çıkmaktadır. Yoğuşturucu olarak

kullanılabilen yoğuşturulmak istenen akışkan üst yan taraftan girer, bu akışkanın

yoğuşan kısmı alttan; yoğuşmayan kısmı ise yandan alınırken, ikinci (soğuk) akışkan

değiştiricinin diğer yan tarafından girip, serpantin içinde dolaşarak, üstten orta kısımdan

çıkar.

Konstrüksiyon özellikleri olarak bu ısı değiştiricileri için, maksimum ısıtma yüzeyi

200m2, levhalar arasındaki uzaklık için 5 – 25mm değerleri verilebilir. İstenirse levhalar

üzerine oluklar yapılarak ısı geçişi iyileştirilebilir.

2.2.3 Lamelli Isı Değiştiricileri

Bu ısı değiştirici, bir gövde içine yassılatılmış borulardan yapılmış bir demetin

yerleştirilmesi ile elde edilir. Bu borulara lamel adı verilir ve genellikle nokta veya

elektrikli dikiş kaynağı ile birbirine tutturulur. Akışkanlardan birisi yassılatılmış lamelli

borular içinden akarken, diğer akışkan bu lamellerin arasından akar. Gövde içinde

ayrıca şaşırtma levhaları yoktur. Akış tek geçişli olup, akışkanlar birbirlerine göre ters

veya paralel olarak akabilir. Hidrolik çap küçük olduğundan, büyük ısı taşınım

katsayıları elde edilebilir. Teflon conta kullanıldığında maksimum 200°C, asbest conta

kullanıldığında 500°C sıcaklık değerine ve 30 bar basınca kadar çıkabilir. Bu ısı

değiştiriciler kâğıt, besin ve kimya endüstrilerinde uygulama alanı bulmaktadır.

21

2.2.4 İnce Film Isı Değiştiricileri

Çok yüksek viskoziteli ve sıcaklığa duyarlı maddelerin ısıtılmasında ve soğutulmasında

ince film ısı değiştiricileri önemli uygulama alanı bulur. Değiştirici içinde sıcağa duyarlı

maddelerin kısa kalış süresi ve büyük ısı taşınım katsayısına sahip olmaları nedeniyle,

pratikte çoğu zaman bu ısı değiştiricileri buharlaştırıcı olarak kullanılırlar.

İnce film ısı değiştiricilerinde ısıtılmış bir konik veya silindirik kısım içinde döner bir

rotor bulunur. Üst kısımdan giren viskoz akışkan, bir dağıtıcı halkadan geçerek, rotor

yardımıyla sıcak silindirik veya konik iç yüzeyi üzerinde ince bir film tabakası

oluşturulur. Bu esnada buharlaşan gazlar yukarıdan çıkarken, buharlaşmayan kısım

alttan alınır. Bu tip ısı değiştiricileri 15m yükseklik, 2m çap değerlerine kadar imal

edilebilirler.

2.3 KANATLI YÜZEYLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ

Buraya kadar incelenen borulu ve levhalı ısı değiştiricilerinde genel olarak, β yüzey alan

yoğunluğu (kompaktlık) 300 m2/m3 değerinden, ısıl etkenlikleri ise %60 değerinden

daha küçüktür. Bu tip ısı değiştiricilerinin kompaktlığı ve ısıl etkenliği artırılmak istenir

ise, asıl ısıtma yüzeylerine kanat adı verilen çıkıntılar ilave edilerek ısıtma yüzeyleri

büyütülebilir. Prensip olarak ısı taşınım katsayısının küçük olduğu akışkan (genellikle

gaz, bazen de sıvı) tarafına kanatlar konulur. Bu durumda, küçük hacimde daha fazla ısı

geçişi sağlanabilmesine karşın, yüzeylere ilave edilen çıkıntıların oluşturduğu ilave

basınç kayıpları gözden uzak tutulmalıdır. Bu yüzden konstrüktif olarak en uygun yüzey

ilaveleri (kanat profilleri) araştırılmalıdır.

22

2.3.1 Levhalı Kanatlı Isı Değiştiricileri

Bu tip ısı değiştiricilerinde kanatlar, paralel levhalar halindeki yüzeyler arasına mekanik

olarak preslenerek, lehimlenerek veya kaynak edilerek tespit edilir. İki tarafında da gaz

akışkan bulunan ısı değiştiricilerinde ısı geçiş yüzeyinin iki tarafına da kanat, gaz ve

sıvı akışkanlar ile çalışan ısı değiştiricilerinde ise genellikle sadece gaz tarafına kanat

konulur. Isı değiştiricinin rijidliğini artırması ve yüksek basınçlarda çalışmasını

sağlayabilmesi bakımından levhalı kanatların önemli fonksiyonları vardır. Bazen

kanatlara değişik formlar verilerek akışkanın kendi içinde karışması sağlanabilir.

Şekil 1.10 Levhalı kanatlı ısı değiştirici prensibi

Levhalı ısı değiştiricilerinin konstrüktif özelikleri olarak, kullanma basıncı ortalama

7bar (bazı özel gayeler için 80 bar değeri olabilir), maksimum kullanma sıcaklığı

(kanatların tespit şekline bağlı olarak) 800 °C, β yüzey alan yoğunluğu (kompaktlık)

maksimum 5900 m2/m3 (ortalama 2000 m2/m3) değerleri verilebilir. Gaz ve buhar

türbinleri, otomobil, kamyon, uçak motorları soğutma sistemleri, ısı pompaları, soğutma

ve iklimlendirme tesisleri, elektronik devrelerin soğutma devreleri ile enerji geri

kazanım sistemleri levhalı ısı değiştiricilerinin uygulama alanı bulduğu alanlardır.

23

2.3.2 Borulu Kanatlı Isı Değiştiricileri

Bir tarafında gaz, diğer tarafında sıvı akan ısı değiştiricilerinde, sıvı tarafındaki ısı

taşınım katsayısı daha yüksektir, bu nedenle çoğunlukla sıvı akışkan tarafı kanat

gerektirmez. Diğer taraftan mukavemet bakımından uygun geometri silindir

olduğundan, ısı değiştiricilerde yüksek basınçlı akışkan (genellikle de sıvı akışkan

tarafındaki basınç, gaz tarafındaki basınçtan daha yüksektir bu nedenle sıvı akışkan)

boru içinden akıt ılır . Bu yüzden pratikte dairesel veya oval kesitli boru dışındaki

kanatlı yüzeyler ile daha çok karşılaşılır.

Şekil 1.11 Dairesel ve oval kesitli borular

Borulu kanatlı ısı değiştiricilerine diğer bir örnek, gaz türbinlerinde kullanılan sıcak

gazlar ile yakma havasının ısıtıldığı reküparatörlerdir. Bunlarda yüksek basınçlı gazlar

boruların içinden, hava ise boruların dışından akar. Yüksek basınçlı gazın küçük çaplı

borulara gönderilmesinde karşılaşılan güçlükleri yenmek için borular gruplar halinde

beslenir. Alçak basıncın bulunduğu hava tarafında hızlar küçük olduğundan ve ısı

taşınım katsayısı, iç tarafa göre daha küçük olduğundan, bu kısma eksenel kanatlar ilave

edilir.

24

Boru içindeki akışkanın ısı taşınım katsayısının küçük olduğu durumlarda, borunun iç

yüzeylerine de veya borunun iki tarafında da ısı taşınım katsayısının nispeten küçük

olması durumunda hem iç yüzeye hem de dış yüzeye kanatlar ilave edilebilir.

Kanatlar boru ile birlikte imal edilebildiği gibi, sonradan boru üzerine cidarlarına

döküm, kaynak, lehim veya sıkı geçme tekniği ile tespit edilebilir. Isı değiştiricinin

kullanılabilme sıcaklığı bu tespit şekline bağlıdır. β yüzey alan yoğunluğu (kompaktlık)

3300 m2/m3 değerine kadar ulaşabilir. Bu tiplerin uygulama alanları olarak güç

santralleri, pervaneli soğutma grupları, taşıt araçları, iklimlendirme ve soğutma

tesisatları sayılabilir.

2.4 REJENERATİF ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ

Bu ısı değiştiricilerinde ısı önce sıcak akışkan tarafından bir ortamda depo edilir, daha

sonra sıcak akışkana verilir. Isı geçişi dolaylıdır. Bunlara bazen rejeneratör adı da

verilir. Rejeneratör içinde ısının depolandığı gözenekli elemanlara ise dolgu maddesi

veya matris adı verilir. Rejeneratörlerin başlıca üstünlükleri; β yüzey alan yoğunluğu

(kompaktlık) çok büyük değerlere çıkabilir. Diğer ısı değiştiricilerine göre ilk yatırım

masrafı daha azdır. Sistemin kendi kendini temizleme özeliği vardır.

Bunlara karşılık bu ısı değiştiricinin sakıncaları ise; sadece gaz akışkanlarda

kullanılabilir. Sıcak ve soğuk akışkanlar arasında her zaman bir miktar kaçak vardır.

Akışkanlar birbirlerine etki edebiliyor ise bu tip ısı değiştiricileri kesinlikle kullanılmaz

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

tipi ile karşılaşılır.

25

2.4.1 Sabit Dolgu Maddeli Rejeneratörler

Bu tipe bazen periyodik çalışan ısı değiştiricileri adı da verilir. Belirli zamanlarda

klapeler döndürülerek, dolgu maddesi içinden sıcak veya soğuk akışkan geçişi

gerçekleştirilir. Sistemin sürekli çalışmasını sağlayabilmek için aynı tipten en az iki

rejeneratöre gerek vardır. Birçok işletmede ise üç veya dört rejeneratör aynı anda

kullanılır.

Havanın soğutularak sıvılaştırılmışının yapıldığı işletmelerde kullanılan ikiz tipten bir

rejeneratörde klapelerin periyodik olarak açılıp kapanması ile azot gazı ile soğutulmak

istenen havanın rejeneratör içinden geçişleri ayarlanır. Isı geçişini sağlayan kanallar

gözenekli veya kafesli malzemelerden imal edilir. Bu tiplerde ısı yutucu malzemeler

olarak, ince çelik ve alüminyum levhalar kullanılabilir. Çok düşük sıcaklıklardaki

soğutmalarda ince alüminyum levhalar ondüleli hale getirilerek kaydırılmış olarak

yerleştirilir. Bu şekilde kanallar arasında küçük boşluklar elde edilebilir.

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

26

Cowper tipi sabit dolgu maddeli bir rejeneratör (Şekil 1.12) genellikle yüksek fırınları,

Siemens-Martin ocakları ve cam fabrikaları gibi yüksek sıcaklıklarda çalışan yerlerde

uygulama alanı bulur. Bu rejeneratörlerde genellikle sıcak duman gazları yardımıyla

yakma havası ısıtılır.

Bu rejeneratörlerde dolgu maddesi olarak kullanılan malzemeler yaklaşık 1400°C gibi

yüksek sıcaklıklara dayanıklı olup, kalınlıkları yaklaşık 200 mm değerindedir. Bunlarda

ısınma ve soğuma periyotları 1 ila 2saat arasındadır. Korozif ortamlarda çalışan kimya

endüstrisinde kullanılan rejeneratör tiplerinde dolgu maddesi kalınlığı 40mm değerine

kadar düşerken, ısınma ve soğuma periyotları ise yaklaşık 15dakika değerine kadar

azalabilir.

Sabit dolgu maddeli rejeneratörler pratikte iki sınıfta toplanabilir. Kompakt olmayan (β

< 700 m2/m3) rejeneratörler yüksek fırınlarda, cam fabrikalarında uygulama alanı bulur

ve 900 ile 1500°C gibi yüksek sıcaklıklarda kullanılabilir. Kompakt olan (β > 700

m2/m3) rejeneratörler ise havanın ayrıştırılması gibi düşük sıcaklıklardaki işlemlerde ve

Stirling makinesindeki gibi yüksek sıcaklıklarda uygulama alanı bulur. Kompakt sabit

dolgu maddeleri kuarz çakıllarından, çelik, bakır, bilyelerden, bakır tel yumaklarından

veya düzensiz yerleştirilmiş elek teli ile çubuklardan yapılır.

2.4.2 Döner Dolgu Maddeli Rejeneratörler

Bunlar da disk ve silindir tipi olmak üzere iki grupta toplanabilir. Bu tip rejeneratörler

genellikle gaz türbinlerinde, buhar kazanlarında, cam fabrikalarında yakma havasının

sıcak duman gazlan ile ısıtılmasında, iklimlendirme tesisatlarında enerji ekonomisi için

çok kullanılır. Özellikle gaz türbinlerinde kullanıldığında, gaz türbininin etrafını

sardığından, ses ve ısı yalıtımı açısından yardımcı olur.

27

Bu tip ısı değiştiricilerinin dolgu maddeleri, akış esnasında fazla basınç kaybı meydana

getirmeyen, üzerlerinde birikinti olmayacak ve iki gaz arasındaki kaçakları en az değere

indirecek geometriler tercih edilmelidir. Gazların birbirine karışmasına mani olmak için

alman önlemlere rağmen yine de dolgu maddelerinin boşluklarında gaz kalması

nedeniyle, akışkanların birbirine karışımı tam olarak önlenemez. Döner dolgu maddeli

rejeneratörlerde bu karışım daha fazladır. Buna karşılık döner dolgu maddeli olanların

sürekli çalışması, sabit dolgu maddeli rejeneratörlere göre üstünlük sağlar. Döner dolgu

maddeli rejeneratörlerin en büyük sakıncası gaz kaçaklarıdır. Bu kaçakların

önlenebilmesi için kullanılan bir sızdırmazlık halkası konstrüksiyonu oluşturulabilir.

Şekil 1.13 Döner dolgu maddeli rejeneratörler

İklimlendirme tesislerinde enerji ekonomisi için kullanılan ve çoğu zaman, ısı tekerleği

olarak adlandırılan döner tamburlu rejeneratif ısı değiştiricileri vardır. Bunlar

iklimlendirme tesislerinde, dışarı atılan egzoz havası ile içeri alınan dış havanın kış

aylarında bir miktar ısıtılması, yaz aylarında ise serinletilmesi ile ekonomi sağlarlar.

28

2.4.3 Paralel Yataklı Rejeneratörler

Devamlı çalışan dolgu maddeli ısı değiştiricilerine diğer bir örnek, paket yataklı

rejeneratördür. Küresel, silindirik veya herhangi şekilli taneli parçacıklar, silindirik

gövde içine yerleştirilir. Sıcak gazlar, tanecikler arasından geçerken, bu tanecikleri

ısıtır. Sıcak tanecikler, burada ısıtılmak istenen soğuk gaz ile temasa getirilir. Aşağı

soğuyarak düşen tanecikler bir elavatör yardımı ile silindirik gövdeye tekrar taşınır.

Paket yataklı rejeneratörlerin konstrüksiyonları çok basit olmalarına rağmen, basınç

kayıpları fazladır.

2.5 KARIŞTIRMALI KAPLARDA ISI DEĞİŞİMİ

Karıştırmalı kaplar, özellikle aralıklı çalışan ısıtma ve soğutma işlemlerinde çok

kullanılan cihazlardır.

Bu cihazlar genellikle; sıvıların ısıtılması veya soğutulması, eriyik veya karışımların,

karıştırma ve sıcaklık dengelemesi, sıvı karışımlarında ve süspansiyonlarda kütle

geçişini artırmak ve reaksiyonları hızlandırmak, fermantasyon işleminde, gazlar ile

sıvıların ve süspansiyonların karışımı, dispersiyon ve emülsiyon, katı parçacıklarının

süspansiyon, işlemleri için uygulanabilir.

Karıştırıcı kaplar içindeki akışkanlar, ya dış yüzeyinden ceket tipi, ya da kap içine

yerleştirilen serpantinler yardımıyla ısıtılabilir veya soğutulabilir.

29

3. ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNDE AKIŞ DÜZENLENMELERİ

Isı değiştiricileri içindeki akışkanların akışlarının birbirlerine göre çeşitli şekillerde

düzenlemeleri, ortalama logaritmik sıcaklık farkına, ısı değiştiricisi etkenliğine ve ısıl

gerilmelere çok etki eder. Prensip olarak bu akışlar paralel, ters ve çapraz olmak üzere

üç esas şekilde gerçekleşir. Ayrıca akışkanların birinin diğerine göre geçiş sayısına göre

de (bir, iki, üç, vb. şeklinde) başka bir ayırım yapmak da mümkündür. Tek geçişli halde

iki akışkan ısı değiştirici boyunca birbiri ile yalnızca bir kere geçişirken, çok geçişli

halde iki akışkan birkaç kere geçişir.

3.1 TEK GEÇİŞLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ

İki akışkanın ısı değiştirici içinde birbirine göre sadece bir kere karşılaştığı tiplerdir.

Paralel, ters ve çapraz akımlı olmak üzere üç grupta incelenebilir.

3.1.1 Paralel Akımlı Isı Değiştiricileri

Bu düzenlemede ısı değiştirici içindeki iki akışkan değiştiricinin aynı ucundan girip,

birbirlerine paralel olarak akarlar ve değiştiricinin diğer ucundan çıkarlar. Bu tipte

küçük çaplı bir boru ile bunun dışında aynı eksenli ikinci bir boru vardır. Birinci akışkan

küçük çaplı boru içinden akarken, ikinci akışkan iki boru arasındaki dairesel halkadan

akar. Pratikte içte küçük çaplı çok sayıda boru, dışta ise bu boruları içine alabilen gövde

adı verilen büyük çaplı bir silindir kullanılabilir. Bu tip düzenlemelerde ısı değiştirici

boyunca akışkan sıcaklığının değişimi tek boyutludur.

30

3.1.2 Ters Akımlı Isı Değiştiricileri

Bu tipte akışkanlar ısı değiştirici içinde birbirlerine göre eksenel olarak paralel, fakat

ters olarak akarlar. Akışkanların ısıl kapasitelerine ve faz durumlarına göre, ısı

değiştirici boyunca sıcaklıklarındaki değişimler gözlenmektedir. Ters akımlı ısı

değiştirici düzenlemesinde, değiştiricideki ortalama logaritmik sıcaklık farkı ve

etkenlik, diğer bütün akış düzenlemelerine göre daha büyüktür. Bu üstünlüğünden

dolayı, bu tip ısı değiştiricileri pratikte genellikle tercih edilir. Fakat ısı geçişi olan

malzeme sıcaklığının değiştirici boyunca fazla değişmesi, bunun sonucu ısıl

gerilmelerin artması ve imalattaki konstrüksiyon güçlükleri nedeniyle, bazen bu

düzenleme tercih edilmeyebilir.

3.1.3 Çapraz Akımlı Isı Değiştiricileri

Bu düzenlemede ısı değiştirici içindeki akışkanlar birbirlerine göre dik olarak akarlar.

Yapılan konstrüksiyona göre, kanatlar veya şaşırtma levhaları yardımıyla, akışkanlar

değiştirici içinde ilerlerken kendi kendisi ile karışabilir veya karışmayabilir. Akışkan

değiştirici içinde bireysel kanallar (veya borular) içinde akıyorsa ve bitişik kanal

içindeki akışkan ile karışmıyorsa, bu akışkana karışmayan adı verilir. Tersi duruma ise

karışan akışkan adı verilir.

Hem ısıtma (veya soğutma), hem de karıştırma işlemlerinin aynı anda istendiği

durumlarda, akışkanların karıştırıldığı ısı değiştiricileri tercih edilir.

Çapraz akımlı ısı değiştiriciler içindeki akışkanların sıcaklık dağılımları iki boyutludur.

31

3.2 ÇOK GEÇİŞLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ

Bundan önceki kısımda incelenen tek geçiş halindeki paralel, ters ve çapraz üç esas

geçiş işlemleri, ısı değiştirici içinde değişik şekillerde art arda seri halde düzenlenerek,

çok geçişli ısı değiştirici tipleri elde edilebilir. Çok geçişli ısı değiştiricilerin en büyük

üstünlüğü, değiştiricinin ortalama logaritmik sıcaklık farkını ve etkenliğini artırarak, bu

değerleri tek geçişli ters akımlı düzenlemeye yakıştırmasıdır. Isı değiştiricilerinde geçiş

sayısı ne kadar fazla ise, ters akımlı düzenlemeye yaklaşım o kadar iyidir. Çok geçişli

ısı değiştiricileri, kanatlı yüzeyli, gövde borulu ve levhalı tiplerde değişik şekillerde

uygulama alanı bulur.

3.2.1 Çapraz – Ters ve Çapraz – Paralel Akımlı Düzenlemeler

Bu düzenlemeler genellikle kanatlı yüzeyli ısı değiştiricilerinde tercih edilir. İki veya

daha fazla sayıda çapraz geçiş arka, arkaya ters veya paralel akımlı olarak seri halde

bağlanır. Isı değiştirici etkenliği ve ortalama logaritmik sıcaklık farkı, geçiş sayısına ve

her bir geçişteki akışkanların karışıp, karışmadığına bağlıdır.

Çok geçişli çapraz-ters ve çapraz-paralel akımlı düzenlemelerden her iki durumda da

geçiş sayısı artırıldıkça sistemin etkenliği, tek geçişli ters veya paralel akımlı

düzenlenmelere yaklaşılabilir.

Yüksek sıcaklıklardaki uygulamalarda, ısı değiştiricilerindeki ısıl gerilmeler ve

malzemeler açısından, sıcaklığın fazla olduğu bölgelerde sıcağa dayanıklı pahalı

malzemeler, diğer bölgelerde ise ucuz malzemeler kullanılarak imalat masrafları

azaltılabilir.

32

3.2.2 Çok Geçişli Gövde Borulu Isı Değiştiricileri

Gövde akışkanının karıştırıldığı, paralel – ters, bölünmüş akımlı, ayrık akımlı

düzenlemeler pratikte en çok kullanılan tiplerdir. Gövde – borulu ısı değiştiricilerinde,

bir gövde içinde, 2, 4, 6, 8, ... gibi birden fazla çift sayıda boru geçiş düzenlemeleri

görülmektedir. Boru sayısı arttıkça sistemin etkenliği, iki akışkanın da karıştığı çapraz

akım ısı değiştirici etkenliğine yaklaşmaktadır.

Şekil 1.14 Çok geçişli gövde borulu ısı değiştirici düzenlemeleri

Bir gövde içinde tek sayıda boru geçiş düzenlemelerinin etkenliği, çift sayıdaki

düzenlemelere karşı biraz daha iyi olmasına rağmen, imalat güçlükleri ve ısıl gerilmeler

nedeniyle pratikte fazla tercih edilmez.

33

3.2.3 n Paralel Levha Geçişli Düzenlemeler

Levha tipi ısı değiştiricilerinde, levhaların çeşitli şekillerde düzenlenmesi ile çok geçişli

akımlar elde edilebilir. Levha tipi ısı değiştiricilerinde conta yeri değiştirilerek bu

düzenlemeler kolayca elde edilebilir.

34

4. ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNİN ISIL HESAPLARI

Bir ısı değiştiricisindeki ısı geçişi, sadece içindeki akışkanlar arasında olduğu, yani

ortama bir ısı kaybının olmadığı kabul edilirse, yüzeyli ısı değiştiricilerinde aşağıdaki

bağlantılar yazılabilir.

Q = Isı değiştiricide geçen ısı (W)

= Sıcak akışkanın soğurken verdiği ısı

= Soğuk akışkanın ısınırken aldığı ısı

= K A Δtm

Bu denklemde, K (W/m2 °C) ısı değiştiricisinin toplam ısı geçiş katsayısını, A (m2) iki

akışkanı ayıran ısı geçişi yüzeyi, ∆tm (°C) bütün ısı değiştiricisinde etkili olan sıcaklık

farkını (ortalama logaritmik sıcaklık farkını) göstermektedir.

Sıcak ve soğuk akışkanların soğuması ve ısınması esnasında verilen ve alınan ısılar,

akışkanların kütlesel debileri ile giriş ve çıkış antalpilerinin farkından bulunabilir.

Q = m (ig - iç)

Isının alınması ve verilmesi durumunda akışkanların sıcaklıkları değişiyor ise (duyulur

ısı değiştiricilerinde), geçen ısı miktarı;

Q = m cp (tg - tç) = C (tg-tç)

şeklinde,

35

Buharlaşma ve yoğuşma şeklinde bir faz değişimi var ise geçen ısı miktarı;

Q = m r

eşitliklerinden hesaplanabilir. Bu eşitliklerde, m (kg/s) akışkanın kütlesel debisini, ig ve iç

(J/kg) giriş ve çıkış antalpilerini, cp (J/kg.°C) sabit basınçtaki özgül ısısını, tg ve tç (°C)

giriş ve çıkış sıcaklıklarını, C = m cp (W/°C) akışkanın ısıl kapasitesini, r (J/kg.°C) gizli

buharlaşma ısısını göstermektedir.

4.1 Δtm ORTALAMA LOGARİTMİK SICAKLIK FARKI

Isı değiştirici içindeki akışkanların sıcaklıkları ve sıcaklık farkları, değiştirici boyunca

değişir. Her kesitte sıcaklık farkının değişken olması, akışkanların ısı değiştiricisine

giriş ve çıkış sıcaklıkları cinsinden ifade edilebilen, bir ortalama sıcaklık farkının

kullanılmasını gerektirir. Sunulan bu kısımda, çeşitli düzenlemelerde ∆tm ortalama

logaritmik sıcaklık farkının bulunuşu ile ilgili esaslar verilmiştir.

4.1.1 Paralel ve Ters Akımlı Isı Değiştiricilerinde Δtm

Δtm = (Δt1 – Δt2) / ln (Δt1 / Δt2)

Paralel akımda ısı değiştiricilerinde

Δt1 = (t1g – t2g)

Δt2 = (t1ç – t2ç)

Ters akımlı ısı değiştiricilerinde

Δt1 = (t1g – t2g)

Δt2 = (t1g – t2ç) formülleri ile gerekli hesaplamalar yapılabilir.

36

4.1.2 Çok Geçişli ve Çapraz Akımlı Isı Değiştiricilerinde Δtm

Paralel ve ters akımlı ısı değiştiricilerinde ortalama logaritmik sıcaklık farkının ifadesi

nispeten basit olmasına rağmen, çapraz akımlı ve çok geniş ısı değiştiricilerde oldukça

karmaşıktır. Örnek olarak şekil 1.15’de verilen bir gövde iki boru geçişli ısı

değiştiricisinde bu değer;

Şekil 1.15

şeklinde verilebilir.

37

5. ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNDE MALZEME ŞEÇİMİ

5.1 MALZEMELER

Diğer basınçlı kaplarda olduğu gibi, ısı değiştiricilerinin konstürüksiyonunda, yumuşak

çelik, alaşımlı çelikler, diğer alaşımlar, bazı mukavemetli plastikler, seramikler veya

özel maksatlar için de grafit gibi malzemeler kullanılır. Bu malzemelerin seçiminde

korozif, sıcak, basınçlı, asitli veya bazik ortam çalışma koşullarına dayanıklılığın yanı

sıra, özellikle metal malzemelerde imalat kolaylığı (bilhassa kaynak kabiliyeti), ısı

iletim katsayısı, yoğunluk, ısı yayılım katsayısı gibi fiziksel özelikler, pratikte standart

çap ve boyutlarda elde edilebilme ve fiyat gibi etkenler göz önünde tutulmalıdır.

5.1.1 Demir ve Çelik

Yumuşak (düşük karbonlu) çelikler, mühendislik uygulamalarında en çok kullanılan

malzemelerdir. Ucuz olmaları, piyasada standart boyutlarda ve şekillerde yaygın olarak

bulunması, kolayca işlenebilmesi ve kaynak yapılabilmeleri, iyi bir çekme gerilmesine

sahip olmaları en büyük üstünlükleridir. Buna karşılık yumuşak çelikler, korozyona

karşı dayanıksızdır. Çeliğin korozyona dayanıklılığını ve çekme gerilmesini

artırabilmek için çeşitli elementlerin ilavesi ile alaşımlı çelikler imal edilir. Değişik

amaçlar için çelik içine ilave edilen bazı elementlerin etkileri aşağıda açıklanmıştır.

Karbon, C: Karbon çeliğe katılan en önemli alaşım elementidir. Bu element, çeliğin

çekme mukavemetini, sertleşmeyi, tane gelişmesini artırır, fakat elastikiyeti, çentik

tokluğunu, işlenme kabiliyetini azaltır. Ayrıca karbon, çeliğin sertleşme süreçlerinde

dokuda martenzit oluşumuna neden olur.

38

Alüminyum, Al: Bu element, çelik üretiminde en çok kullanılan oksijen giderme

maddesidir. Alüminyum, azotu çözerek, yaşlanma hassasiyetini azaltır. Az miktarda

ilave edilmesi halinde ferritik / perlitik çeliklerin ince taneli olmasını sağlar. Alüminyum

nitritlerin yüksek sertliği nedeniyle, genelde nitrürlenmiş çeliklere ilave edilir. Ayrıca

alüminyum kabuklanma dayanıklılığını da artırır.

Krom, C: Bu element, çeliğin yüzeyinde yüksek sıcaklıklarda meydana gelen pul

şeklindeki ayrılmayı, paslanmayı önler, aşınma mukavemetini artırır, çentik tokluğunu

azaltır. Krom miktarının artması kaynaktan evvel çelik parçanın ön ısıtmaya, kaynaktan

sonra da bir tavlamaya tabi tutulmasını gerektirir, aksi taktirde çelikte çatlamalar

oluşabilir.

Manganez, Mn: Bu element de çok kuvvetli bir oksijen gidericidir. Kükürdü, manganez

sülfıt olarak bağladığından, demir sülfıtin olumsuz etkisini azaltır. Manganez, çeliğin

mukavemetini ve kaynak kabiliyetini artırır.

Molibden, Mo: Molibden genel olarak diğer alaşım elementleri ile birlikte kullanılır. Bu

element sıcak halde çeliğin mukavemetinin artmasına yardımcı olurken, kabuklanma

mukavemetini azaltır.

Nikel, Ni: Nikel, yüksek sıcağa dayanıklı çelikler için gerekli bir katkı elementidir. Bu,

çeliğin mukavemetini, uzama sınırını ve tokluğunu artırır.

Silisyum, Si: Silisyum da çelik üretiminde önemli bir oksijen giderici bir element olup,

çeliğin mukavemetini artırır, oksitlenmeye karşı dayanıklılığı ve elastikiyet sınırını

artırır. Bu nedenle yay çeliklerinin imalatında kullanılabilir.

39

Bakır, Cu: Bakır, çelik için zararlı bir elementtir. Kabuklanma tabakasının alt kısmında

zenginleştiğinden, çeliğin tane sınırları içine nüfuz ettiğinden, sıcak şekillendirmede

yüksek bir yüzey hassasiyetine neden olduğundan, çeliklerde az kullanılır.

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

iyileştirir.

Vanadyum, V: Vanadyum, çelik içinde tane incelmesine neden olur, çeliğin aşınma

mukavemetini ve sıcak haldeki mukavemetini arttırır.

Titanyum, Ti: Titanyum da kuvvetli bir oksijen gidericidir. Korozyona dayanıklı

çeliklerin imalatında kullanılır. Bu element, çeliğin sıcaktaki mukavemetini artırır,

yalnız birikmelere ve katmer oluşumuna neden olabilir.

Bor, B: Bu element, islah çeliklerinde, sertleşmeyi iyileştirir, sementasyon çeliklerinde

ise sertleşme ve mukavemeti artırır.

Kükürt, S: Kükürt, kırılganlığı artırdığından ve kaynak çatlaklarına neden olduğundan,

çelik için zararlı bir elementtir. Genel olarak kükürdün zararlı etkisi, çeliğe katılan diğer

elementlerle birlikte manganez ilavesi ile azaltılır.

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

artırır.

40

HESAPLAMALAR

Ortalama logaritmik sıcaklık farkı;

T1 = 80°C (sıcak akışkan giriş sıcaklığı)

T2 = 50°C (sıcak akışkan çıkış sıcaklığı / kabul)

T3 = 10°C (soğuk akışkan giriş sıcaklığı /kabul)

T4 = 40°C (soğuk akışkan çıkış sıcaklığı)

ΔT1 = (T1 – T3) = 70°C

ΔT2 = (T2 – T4) = 10°C

ΔTm = (ΔT1 – ΔT2) / ln (ΔT1 / ΔT2)

ΔTm = (70 – 10) / ln (70 / 10)

ΔTm = 30,83390054 °C

41

Ortalama sıcaklık değerleri;

Tort1 = (T1 + T2) / 2 = (80 + 50) / 2 = 65°C (sıcak akışkan)

Tort2 = (T3 + T4) / 2 = (10 + 40) / 2 = 25°C (soğuk akışkan)

Akışkan özellikleri;

Tort1 Tort2

Sıcaklık (°C) 65 25

Yoğunluk (kg/m3) 980,5 997,45

Özgül ısı cpf (kcal/kg oC) 4,18726 4,17974

Isı iletim katsayısı k (W/moC) 0,65852 0,61041

Kinematik viskozite .10-6 (m2 /s) 0,4435 0,9025

Prandtl sayısı Pr 2,7414 6,1223

Akışkanların aldığı ve verdiği ısı miktarları;

V1 = (24000) / (86400) = 0,277 m3/s (kullanılan su miktarı kabul edilmiştir)

m1 = V1. 1

m1 = 272,361 kg/s

Q = Q1 = Q2

Q1 = m1.cpf1.(T1 – T2)

Q1 = (272,361).(4,18726).(30)

Q1 = 34213,38963 kW

42

Q2 = m2.cpf2. (T4 – T3)

(34213,38963) = (m2).(4,17974).(30)

m2 = 272,899 kg/s

m2 = V2. 2

V2 = (272,899) / (997,45)

V2 = 0,273 m3/s

Kabuller;

diç = 21mm = 0,021m

ddış = 25mm = 0,025m

s = 2mm = 0,002m

n = 1600

Ayna Çapı (Da);

t = 1,28.ddış

t = 32mm = 0,032m

h = 27,71281292mm = 0,02771281292m

A = t.(h/2)

43

F = 2.A.n.1,15

F = (π.Da2)/4

Da = 1,441m

Hidrolik Çap (Dh);

Dh = 4 [(π.Da2/4) – (π.n.ddış2/4) / (π.Da) + (π.n.ddış)

Dh = 0,025m

Hız (iç);

Ui = V1 / π.(diç2/4).n

Ui = 0,499 m/s

Hız (dış);

Ud = V2 / (π/4).(Da2 – (n.ddış2))

Ud = 0,322 m/s

Reynold ve Nusselt sayıları ile αiç , αdış bulunması;

Re1 = Ui.diç / 1

Re1 = (0,499).(0,021) / (0,4435.10-6)

Re1 = 23627,95941

Pr1 = 2,7414

Nu1 = 0,023.Re0,8.Prn n = 0,3 (soğuma)

Nu1 = 98,1432717

44

αiç = Nu1.k1 / diç

αiç = 3077,586061 W/m2°C

Re2 = Ud.Dh / 2

Re2 = (0,322).(0,025) / (0,9025.10-6)

Re2 = 8919,66759

Pr2 = 6,1223

Nu2 = 0,023.Re0,8.Prn n = 0,4 (ısınma)

Nu2 = 68,67088027

αdış = Nu2.k2 / Dh

αdış = 1676,695681 W/m2°C

K toplam ısı geçiş katsayısının bulunması;

Malzemenin ısı geçiş katsayısının yüksek tutulması, hem toplam ısı geçiş katsayısının

artmasına hem de daha verimli ısı transferinin gerçekleşmesine neden olur. Bunun

içinde elverişli olan dökme demir malzemesinin kullanılmasıdır (λ = 53).

1/K = 1/αiç + s/λ + 1/αdış

1/K = (1/3077,586061) + (0,002/53) + (1/1676,695681)

K = 1042,669164 W/m2°C

45

Boru uzunluğunun bulunması;

Q = K.A.ΔTm

A = π.ddış.n.L

(34213389,63) = (1042,669164).(π.0,025.1600.L).(30,83390054)

L = 8,468 m

Isı değiştirici tasarımında L/Da oranı önemlidir. Bu oran 3 – 8 arasında ise yapılan

tasarım standartlara uygundur.

(L / Da) = (8,468 / 1,441)

(L / Da) = 5,876