Çapraz Akımlı Isı Değiştiricisiyle Çok Borulu Sistemler Đçin Deneysel Çalışma Ali Cem Seber YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Ocak 2008

Çapraz Akımlı Isı Değiştiricisiyle Çok Borulu Sistemler Đçin Deneysel Çalışma Ali Cem Seber

YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Makine Mühendisliği Anabilim Dalı

Ocak 2008

Experimental Work For Multi-Tube Cross Flow Heat Exchanger Ali Cem Seber

MASTER OF SCIENCE THESIS Department of Mechanical Engineering

January 2008

Çapraz Akımlı Isı Değiştiricisiyle Çok Borulu Sistemler Đçin Deneysel Çalışma

Ali Cem Seber

Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Lisansüstü Yönetmeliği Uyarınca Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Enerji-Termodinamik Bilim Dalında

YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Olarak Hazırlanmıştır

Danışman: Doç. Dr. Haydar Aras

Ocak 2008

Ali Cem SEBER’ in YÜKSEK LĐSANS tezi olarak hazırladığı “Çapraz Akımlı Isı Değiştiricisiyle Çok Borulu Sistemler Đçin Deneysel Çalışma” başlıklı bu çalışma, jürimizce lisansüstü yönetmeliğinin ilgili maddeleri uyarınca değerlendirilerek kabul edilmiştir.

Üye : Doç. Dr. Haydar ARAS (Danışman)

Üye : Prof. Dr. Kemal TANER

Üye : Yrd. Doç. Dr. Necati MAHĐR

Üye : Yrd. Doç. Dr. Đrfan ÜREYEN

Üye : Yrd. Doç. Dr. Hüseyin ANKARA

Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun ... tarih ve ...

sayılı kararıyla onaylanmıştır.

Prof. Dr. Abdurrahman KARAMANCIOĞLU Enstitü Müdürü

v

ÖZET

Bir ülke kültürel, politik ve bütün somut yaşam ve üretim koşulları açısından ele alındığında, kullanılan enerjinin verimlilik ve tasarrufu bakımından elde edilecek iktisadi- mali sonuçlar, temsili bir rasyonel değer olarak sorgulandığı taktirde, günümüzde bizi o ülkenin kalkınmışlığı bakımından çok yanlış hükümlerle karşılaştırmayacaktır. Enerji en verimli ve tasarruflu kullanıldığı hallerde bize bu sonuçlar için pozitif yargılar sunacaktır.

Bu çalışmada amaçlanan; akışkan olarak havanın seçildiği çapraz akımlı ısı değiştiriciler için bir verimlilik etüdüdür. Isı değiştiricisinde bulunan tek bir ısıtıcı borunun, farklı sıcaklık ve basınçlar için, devinimi sağlanmış bir atmosferik ortam havasının etkisine maruz bırakıldığı durumda, aralarında gerçekleşen ısı alış-verişi boyunca, sürekli rejimde, yalıtılmış sistem özellikleri ve belli bir entropi üretimine sahip olduğu kabul edilerek, bütün bir sınırlı çoğul boru demeti sistemine uyarlanması ve tek borulu sistem, çok borulu sistem için de deneysel çalışmaların mevcut envanterle gerçekleştirilmesi ve literatür karşılaştırılmasının yapılmasıdır. Deneysel çalışmaların kalan bölümleri kanatçıklı boru demeti ve direkt akıma maruz ısı transfer silindiriyle gerçekleştirilmiştir. Kanatçıklı borularla düz boruların deneysel sonuçları açısından karşılaştırılması yapılmış ve sonuçlar belirlenmiştir. Isı transfer silindiriyle yapılan deneysel çalışmalardaysa ön durma noktası için farklı basınç, yani Reynolds Sayısı değerlerinde Geidt korelasyonu ile uyumluluk tartışılmış ve ikinci olarak aynı deney malzemesiyle farklı bir sıcaklıkta silindir etrafındaki ısı transfer miktarına ait değişim gözlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Çapraz akımlı ısı değiştiricisi, Direkt ısı transfer silindiri, Bir silindirin ön durma noktasında ısı transferi, Isı transferinde kanatçıklar, Dış akışta boyutsuz sayılarla düz borular için ısı taşınım korelasyonları, Zorlanmış taşınım

vi

SUMMARY

A country in focus, while observing about political, cultural and for all physical lifetime and productivity conditions, it can be said that for the energy in use, is whether optimized or not, gives us the answer for that, is that country developed? Purpose of this study is an optimization for a heat exchanger using atmospheric air as a cooling fluid that is in heat transfer with heated single and multi-tube bundles. While experimantal works, it is assumed that a single tube under stable conditions, is isolated and has an entropy generation, the single tube unity can be adapted to the whole multi-tube bundle in a heat exchanger and conclusions are to be compared experimentally. Remaing experimental studies are made with finned tubes and direct heat transfer cylinder. For the finned tubes the conclusions include comparasion with plain tube bundles under same pressure and heated element temperature. Firstly, with the direct heat transfer cylinder the experimental study is including comparasion of results with Geidtl correlation for the forward stagnation point on a cylinder in cross flow and secondly the variation of convective heat transfer coefficient around a cylinder in cross flow.

Keywords: Cross flow heat exchanger, Direct heat transfer cylinder, Heat transfer at the stagnation point of a cylinder, Finned tubes, Correlations for cylindiric tubes in flow, Forced convection

vii

TEŞEKKÜR

Yüksek lisans eğitimim sırasında, gerek derslerimde ve gerekse tez çalışmalarında, bana danışmanlık ederek, beni yönlendiren ve her türlü olanağı sağlayan danışmanım Doç.Dr. Haydar Aras, Prof. Dr. L. Berrin Erbay, Dr. Ümran Erçetin ve benden desteklerini eksik etmeyen annem Prof. Dr. Gülten Seber, babam Prof. Dr. Sinan Seber, avukat ağabeyim M. Kerem Seber ve kardeşim Ahmet Can Seber’e en içten teşekkürlerimi sunarım

viii

ĐÇĐNDEKĐLER

Sayfa

ÖZET……….……..v

SUMMARY………....vi

TEŞEKKÜR………...vii

ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ………xiii

TABLOLAR DĐZĐNĐ………..xiv

SĐMGEREL VE KISALTMALAR DĐZĐNĐ………...xv

1.GĐRĐŞ………....1

2. ISI DEĞĐŞTĐRĐCĐLERĐ VE SINIFLANDIRILMALARI……..……….3

2.1. Isı Değişim Şekline Göre Sınıflama………..3

2.1.1. Doğrudan temasın olduğu ısı değiştiricileri………4

2.1.2. Akışkanlar arasında doğrudan temasın olmadığı ısı değiştiricileri………….4

2.2. Isı geçiş yüzeyinin ısı geçiş hacmine oranına göre sınıflama………5

2.3. Farklı Akışkan Sayısına Göre Sınıflama……….…..6

2.5. Isı Değiştiricilerinin Konstrüksiyonları……….6

2.5.1. Borulu ısı değiştiricileri……….………..7

2.5.1.1. Düz borulu ısı değiştiricileri..………...7

2.5.1.2. Spiral borulu ısı değiştiricileri...………...8

2.5.1.3. Gövde borulu ısı değiştiricileri……….9

2.5.1.4. Özel borulu ısı değiştiricileri………..11

2.5.2. Levhalı ısı değiştiricileri………11

2.5.2.1. Contalı levhalı ısı değiştiricileri………..12

2.5.2.2. Spiral levhalı ısı değiştiricileri………13

2.5.2.3. Lamelli ısı değiştiricileri……….14

2.5.2.4. Đnce film ısı değiştiricileri………...15

2.6. Kanatlı yüzeyli ısı değiştiricileri………15

2.6.1. Levhalı kanatlı ısı değiştiricileri……….15

2.6.2. Borulu kanatlı ısı değiştiricileri………..16

ix

ĐÇĐNDEKĐLER (devam)

Sayfa

2.7. Rejeneratif ısı değiştiricileri………..17

2.7.1. Sabit dolgu maddeli rejeneratörler………..………18

2.7.2. Döner dolgu maddeli rejeneratörler……….19

2.7.3. Paket yataklı rejeneratörler………..20

2.8. Karıştırmalı Kaplarda Isı Değişimi……….22

2.9. Isı Değiştiricilerinde Akış Düzenlemeleri………..22

2.9.1. Tek geçişli ısı değiştiricileri………22

2.9.1.1. Paralel akımlı ısı değiştiricileri………23

2.9.1.2. Ters akımlı ısı değiştiricileri………23

2.9.1.3. Çapraz akımlı ısı değiştiricileri………24

2.9.2.Çok geçişli ısı değiştiricileri………25

2.9.2.1. Çapraz-ters ve çapraz-paralel akımlı düzenlemeler……….25

2.9.2.2. Çok geçişli gövde borulu ısı değiştiricileri………..26

2.9.2.3. n Paralel levha geçişli düzenlemeler………26

3. ISI DEĞĐŞTĐRĐCĐLERĐN ISIL HESAPLARI……….28

3.1. Toplam Isı Geçiş Katsayısı K, Temas Direnci ve Kirlilik Faktörü………29

3.2. Logaritmik sıcaklık farkının kullanılması………..31

3.2.1. Paralel akışlı ısı değiştiricisi………33

3.3. Isı Değiştiricisi Çözümlemesi, etkenlik NTU Yöntemi………..37

4.KAYNAK ARAŞTIRMASI………...42

5.DENEYSEL ÇALIŞMA……….47

5.1. Deney Tesisatı………..47

5.2. Aktif Eleman………49

5.2.1. Düz borulu ısıtıcı(aktif eleman)………49

5.2.2. Kanatçıklı boru ısıtıcısı(aktif eleman)………..49

x

ĐÇĐNDEKĐLER (devam)

Sayfa

5.2.3. Yerel ısı transfer elemanı………..50

5.3. Hesaplamalar………..50

5.3.1. Aktif eleman için hesaplamalar……….50

5.3.2. Kanal içindeki hava akım hızının hesaplanması………51

5.3.3. Kanatçıklı boru için hesaplamalar……….52

5.4. Süreklilik Koşullarının Elde Edilmesi………53

5.5. Deneylerin Teorisi………54

5.5.1. Çapraz akımda yalıtılmış silindir………..54

5.5.2. Çapraz akımda boru demetleri………..56

5.5.3. Çapraz akımda kanatçıklı borular……….59

5.5.4. Yerel ısı transfer elemanı………..61

6. DENEYLERĐN YAPILIŞI……….………63

6.1. Sürekli Rejimde Yalnız Bir Boru Đçin Isı Transferi, Sıcaklık Farkı Ve Yüzey Isı Transferi Katsayısının Çapraz Akımda 30m.s^-1 Hızlara Kadar Hesaplanması……….……..……….…..64

6.2. Çapraz Akışlı Isı Değiştiricisinde 1., 2., 3., 4., 5. Ve 6. Boru Sıraları Đçin Sürekli Rejimde Ortalama Yüzey Isı Transfer Katsayısının Hesaplanması………..………....65

6.3. Çapraz Akımlı Isı Değiştiricisinde 1’den 6’ya Kadar Seçime Bağlı Boru Sırası Sayısı Đçin Ortalama Yüzey Isı Transfer Katsayısının Hesaplanması………66

6.4. Çapraz Akımda Dairesel Boru Demetleri Đçin Harici Kanatçıkların Güç Yoğunluğu Etkisinin Đncelenmesi………...………..66

6.5. Direkt Isı Transfer Silindiri Kullanarak Çapraz Akımda Bir Isıtıcı Silindirin Ön Durma Noktası için Nusselt ve Reynolds Sayıları arasındaki Đlişkinin Ortaya Çıkarılması….……….67 6.6. Çapraz Akımda Bir Silindir Etrafında Gerçekleşen Taşınılma

xi

ĐÇĐNDEKĐLER (devam)

Sayfa

Isı Transferine ait Katsayıdaki Değişimlerin Hesaplanması………..….….68

7. DENEY SONUÇLARI………....70 7.1. Sürekli Rejimde Yalnız Bir Boru Đçin Isı Transferi, Sıcaklık Farkı

Ve Yüzey Isı Transferi Katsayısının Çapraz Akımda 30m.s^-1

Hızlara Kadar Hesaplanması……….……..……….…..70 7.2. Çapraz Akışlı Isı Değiştiricisinde 1., 2., 3., 4., 5. Ve 6. Boru

Sıraları Đçin Sürekli Rejimde Ortalama Yüzey Isı Transfer

Katsayısının Hesaplanması………..………....74 7.3. Çapraz Akımlı Isı Değiştiricisinde 1’den 6’ya Kadar Seçime

Bağlı Boru Sırası Sayısı Đçin Ortalama Yüzey Isı Transfer

Katsayısının Hesaplanması………82 7.4. Çapraz Akımda Dairesel Boru Demetleri Đçin Harici Kanatçıkların

Güç Yoğunluğu Etkisinin Đncelenmesi………...………..83 7.5. Direkt Isı Transfer Silindiri Kullanarak Çapraz Akımda

Bir Isıtıcı Silindirin Ön Durma Noktası için Nusselt ve

Reynolds Sayıları arasındaki Đlişkinin Ortaya Çıkarılması….……….86 7.6. Çapraz Akımda Bir Silindir Etrafında Gerçekleşen Taşınılma

Isı Transferine ait Katsayıdaki Değişimlerin Hesaplanması…..…………..….…..89 8. SONUÇLAR VE DEĞERLENDĐRME………...90

xii

ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ

Şekil Sayfa

2.1.a. Çift boru prensip şeması……….7

2.1.b. Seri halde bağlanmış çift boru………7

2.2. Đçteki borusu üzerinde eksenel kanatlar bulunan çift borulu ısı değiştiricisi…..8

2.3. Depo içine yerleştirilmiş spiral borulu ısı değiştiricisi………...8

2.4.a. Gövde borulu ısı değiştirici prensip şeması………9

2.4.b. Gövde borulu ısı değiştiricisi resmi………9

2.5. Boru demeti düzenlemeler….………10

2.6. Contalı levhalı ısı değiştiricisi montaj ve akış………11

2.7.a Bir kanalda spiral diğer kanalda eksenel akış borulu ısı değiştiricisi…………12

2.7.b. Yoğuşturucu olarak kullanılan spiral borulu ısı değiştiricisi……….12

2.7.c. Spiral levhalı ısı değiştiricisi kesitleri……….13

2.8. Levhalı kanatlı ısı değiştirici prensibi………..15

2.9. Bireysel boru dışına konulan boru eksenine dik(veya helisel) bazı kanat şekilleri………19

2.10. Sabit dolgu maddeli rejeneratörlerde akımın şematik gösterimi……….18

2.11. Gaz tirbünlerinde kullanılan disk tipi döner dolgu maddeli rejeneratör………..19

2.12. Ljunsgstrom tipi döner rejeneratif hava ısıtıcısı tipi………19

2.13. Paket yataklı rejeneratör………..21

2.14. Tek ve çok geçişli ısı değiştirici prensiplerine ait bazı örnekler……….…23

2.15. Akışkanların ikisinin de karışmadığı çapraz akımlı ısı değiştiricisinde giriş ve çıkıştaki sıcaklık dağılımları………25

2.15. n Paralel levha geçişli düzenlemeler……….27

3.1. Đki yüzey arasındaki temas direnci……….30

3.2. Đki yüzey arasında toplam ısı geçiş katsayısının şematik gösterimi………..31

3.3. Sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki ısı alışverişi……….32

3.4. Paralel akışlı ısı değiştiricisinde sıcaklık farkı ve diferansiyel eleman gösterimi...33

4.1. Deneylerde kullanılan çapraz akımlı ısı değiştiricisi ve kontrol cihazlarının şeması………..47

xiii

5.1. Çapraz akımlı bir ısı değiştiricisinde en küçük serbest alan………57

5.2. Çapraz akımda toplam boru sırası adeti için boru faktörü değişimi………...59

8.1. 65˚C’de gerçekleştirilen tek borulu deney için sonuçlar……….90

8.2. 90˚C’de gerçekleştirilen tek borulu deney için sonuçlar……….91

8.3. 1’den 4’e kadar boru sıralarının Re sayısı taşınım katsayısı değerleri………92

8.4. 5. ve 6. boru sıralarının Re sayısı taşınım katsayısı değerleri……….93

8.5. Deney 7.3-7.9 sonuçlarından elde edilen Re-Nu grafiği……….95

8.6. Boru düzeltme faktörünün boru sırası adetiyle değişimi……….97

9.7. Kanatçıklı ve düz boru için sıcaklık farkı ısı taşınım katsayısı değişim grafiği…..99

9.8. Deneysel çalışma 7.6’nın sonuçlarından çıkarılan Re-Nu grafiği………100

9.9. Direkt ısı transfer silindiri etrafında taşınım katsayısı değişim grafiği………102

xiv

TABLOLAR DĐZĐNĐ

Tablo Sayfa

7.1. 65˚C’de tek borulu deney sonuçları……….….70

7.2. 90˚C’de tek borulu deney sonuçları……….….71

7.3. 90˚C’de 1. sıra için çok borulu deneylerin sonuçları…………..……….….74

7.4. 90˚C’de 2. sıra için çok borulu deneylerin sonuçları…………..……….….77

7.5. 90˚C’de 3. sıra için çok borulu deneylerin sonuçları…………..……….….78

7.6. 90˚C’de 4. sıra için çok borulu deneylerin sonuçları…………..……….….79

7.7. 90˚C’de 5. sıra için çok borulu deneylerin sonuçları…………..……….….80

7.8. 90˚C’de 6. sıra için çok borulu deneylerin sonuçları…………..………..81

7.9. 65˚C’de her bir boru sırası için çok borulu deney sonuçları……….82

7.10. Periyodik sıcaklık farkları için çok borulu deney sonuçları……….83

7.11. Kanatçıklı boruyla gerçekleştirilen deneysel çalışma sonuçları……….…..85

7.12. Direkt ısı transfer silindiriyle ön durma noktası için sabit basınçta ölçüm………...86

7.13. Direkt ısı transfer silindiriyle ön durma noktası için sabit sıcaklıkta ölçüm……….89

8.1. Artan boru sırasına karşılık ısı değiştiricisi borularının toplam yüzey taşınım katsayısının hesaplanması………..93

8.2. Đlk dört boru sırası için ortalama Reynolds ve Nusselt sayıları………..94

xv

SĐMGELER VE KISALTMALAR DĐZĐNĐ

Simgeler Açıklamalar

A (m²) Isı Transfer Alanı

a Boyutsuz dik doğrusal düzenleme uzunluğu(ªSL/D)

b Boyutsuz çaprazlama doğrusal düzenleme uzunluğu(ªST/d) Cp(J.kg^-1.K^-1) Özgül Isı Kapasitesi

c Bir Sabit

d (m) Aktif Eleman ya da Boru Çapı

Fa Düzeltme Katsayısı

Fn Düzeltme Katsayısı H (mmH2O) Manometrik Düşü(Emme Basıncı Farkı) H (W.m^-2.K^-1) Yüzey Isı Taşınım Katsayısı

U (W.m^-2.K^-1) Isı Değiştiricisi Toplam Isı Transfer Katsayısı

K (W.m^-2.K^-1) Isı Değiştiricisi Toplam Isı Transfer Katsayısı K (W.m^-1.K^-1) Isıl Đletkenlik

l (m) Anma Uzunluğu

m Üssel bir sabit sayı

n Üssel bir sabit sayı

Nu Nusselt Sayısı (h.d/k) P (N.m^-2) Basınç

Pr Prandtl Sayısı(C_p.µ/k) (Watt) Isı Transferi Miktarı

R (Ohm) Elektrikli Isıtıcının Direnci

Re Reynolds Sayısı(U.d/υ)

S_L(m) Đki dik komşu boru arası doğrusal mesafe

S_T(m) Đki çaprazlama komşu boru arası doğrusal mesafe t (˚C) Ortam Sıcaklığı

T (K) Mutlak Sıcaklık

U (m/s) Hız

xvi

Simgeler Açıklamalar

U^ı(m/s) Efektif Hız

V (Volt) Aktif Eleman Gerilimi

µ (N.s.m^-2) Mutlak Vizkosite υ (m².s^-1) Kinematik Vizkosite ρ (kg.m^-3) Yoğunluk

φ (W/m^-2) Isı Akısı

∆Tm Logaritmik sıcaklık farkı

Alt indisler Açıklamalar

a Yerel(Atmosferik)

c Soğuk akışkan

D Kanala ve Çapla değişen Reynolds sayısına

e Çıkış

h Sıcak akışkan

i Giriş

m Ortalama

p Basınç

s Yüzey

1

1. GĐRĐŞ

Đki akışkan arasında ısı transferi gerçekleştirmek amacıyla çok çeşitli ısı değiştiricileri tasarlanmıştır. Bunların içinde en yaygın bulunan tasarımlardan birisi, ısının boru demetleri içinde akan bir akışkanla, başka tipteki bir akışkanın boru demetinin dışında, boruların üzerinden çaprazlama akmasıyla yapılan ısı transferi şeklidir. Bu şekilde tasarlanmış ısı transfer sistemleri çapraz akışlı ısı değiştiriciler olarak adlandırılır.

Çeşitli sayıda boru düzenlemeleri çapraz akışlı ısı değiştiricisinin verimliliğini artırmak amacıyla tertiplenmiş ve bu amaca uygun olarak tasarlanan ısı değiştiricisinin verdiği ısı transfer oranına bakılarak fiziksel boyutları küçültülmeye çalışılmıştır. Hangi derecede olursa olsun, tüm bu amaçlar doğrultusunda yapılan düzenlemeler boru demetleri arasında akan akışkanın türbülansını arttırmaktır.

Bu amaca uygun olarak bir çapraz akışlı ısı değiştiricisinde sistem özelliklerinden yola çıkılarak toplam ısı transfer katsayısının, üç unsurdan meydana geldiği söylenebilir. Bular, boruların içinden akan akışkanın ısı taşınım katsayısı, boru malzemesinin ısı iletim katsayısı ve kalınlığı, ve son olarak da boruların dışında akan akışkan yüzeyden ısı taşınım katsayısı.

Đlk iki unsurun değiştirilerek iyileştirilmesi, borular içindeki akışkanın hızını arttırmak ve boru duvar kalınlığını azaltmak, ya da daha yüksek ısıl iletkenliği olan malzeme kullanmakla başarılabilir.

Üçüncü unsuru iyileştirmek için ise; akım hızını arttırarak her bir boru için dış akıştaki Reynolds Sayısını arttırmakla mümkün olabilir. Bir başka seçenek olarak, boru dizilişi türbülansı arttırmak için değiştirilebilir. Bu sonuca ulaşabilmek için boruların konumlandırılışında dikkatle izlenmesi gerekli durum; bir sonraki boru sırası için mevcut türbülans etkisindeki alanının, önce gelen boru sırası tarafından sözü edilen mevcut türbülansın tekrar uyarılmasıyla gerçekleşeceğidir. Bundan dolayı boru demetinin derinliğiyle orantılı olarak türbülansın derecesine göre kademe etkisi artarak

2

meydana gelecektir. Bundan başka boruların dışında genişletilmiş yüzeyler (kanatçıklar) kullanılarak ısı geçişi miktarı arttırılabilir.

Türbülans etkisinin amacı, yüzeydeki ısı taşınım katsayısını artırılmış Reynolds Sayısının tek başına belirlediği ısı taşınım katsayısı değerleri haricinde başarmaktır.

Yapılan çalışmada, çapraz akımlı ısı değiştiricisi farklı hava akım hızlarında denenmiş, başlangıçta tek borulu bir sistemin mevcut özelliklerinden yola çıkarak deney sonuçları, ampirik bağıntılarla karşılaştırılmış daha sonra taşınım korelasyonları yardımıyla, çok borulu sistemler için de, boruların tek başlarına benzer sistem özellikleri gösterdiği durumlar çerçevesinde tek ve çok borulu sistemler arasında bağlantı kurulmuş ve sonuçlara gidilmiştir. Tek borulu bir sistem çok borulu bir sistemle düz boru kabulü için karşılaştırılmış, düz çok borulu sistem, kanatçıklı çok borulu bir ısı değiştiricisi sistemiyle karşılaştırılmıştır. En son olarak da düz silindirik bir yerel ısı transfer elemanı üzerinde belirli noktalardaki ısı taşınım katsayısının hesaplanması ve grafiğinin çizilmesi bunun ardından da silindir çevresinde ölçümler yardımıyla homojen bir sıcaklık dağılımı elde etmek amacıyla derece diski döndürülerek silindir çevresinde sıcaklık sabit tutularak hava kanalı hızı değiştirilmiş, Reynolds ve Nusselt rakamlarındaki değişimin gözlemlenmesi sonucu bir grafik çizilerek, Geidtl korelasyonuyla uyumluluğuna bakılmıştır. Bütün bunların sonucunda bir verimlilik analizi yapılmıştır.

Çapraz akışlı ısı değiştiricilerin endüstriyel alanda çok çeşitli düzenlemelerle kullanıldığından dolayı mühendislerin bu birimlerin performansı konusunda iyi derecede bilgi sahibi olması gerekmektedir.

3

2. ISI DEĞĐŞTĐRĐCĐLERĐ VE SINIFLANDIRILMALARI

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 değiştirici olarak adlandırılmakta olup, pratikte termik santralarda, kimya araçlarında, elektronik cihazlarda, alternatif enerji kaynaklarının kullanımında, ısı depolanması vb. birçok yerde bulunabilmektedir.

Isı değiştiricileri içinde 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 santralar veya elektrikli ısıtıcılar da içlerinde ısı üretimi olan birer ısı değiştiricisi olmasına rağmen, literatürde genelde ayrı konular olarak incelenir.

Çoğunlukla ısı değiştiricilerinde akışkanlar, birbirleriyle karıştırılmadan ısı geçişinin doğrudan yapıldığı genelde metal malzeme olan katı bir yüzey ile birbirlerinden 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 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 değiştiricilerinde incelemeler zamana bağlıdır.

2.1. Isı Değişim şekline göre sınıflama

Bu sınıflamada ısı değiştiricileri, akışkanlar arasında veya katı cisimler ile bir akışkan arasında doğrudan doğruya bir temasın olduğu ve olmadığı şekillerde olmak üzere iki grupta göz önüne alınır.

4

2.1.1. Doğrudan temasın olduğu ısı değiştiricileri

Bu tip ısı değiştiricileri içinde farklı sıcaklıklardaki akışkanlar veya bir akışkan ile katı maddeler birbirleri ile doğrudan doğruya karıştırılır veya temasa geçirilir. Đki farklı sıcaklıktaki akışkanın temasa getirildiği 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.

2.1.2. Akışkanlar arasında doğrudan temasın olmadığı ısı 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.

Bunların birincisi doğrudan ısı geçişi olan ısı değiştiricileridir ve bu tip ısı değiştiricilerinde farklı sıcaklıklardaki iki akışkan, ince cidarlı bir boru veya levha yüzeyleri ile birbirlerinden ayrılır. Đki akışkan ısı değiştirici içinde birbirlerine karışmadan hareket ederler. Bunların içinde hareketli bir makine elemanı yoktur ve bazen bunlar literatürde reküperatif ısı değiştiricileri olarak da adlandırılırlar. Pratikte karşılaşılan önemli tipleri, borulu, levhalı ve kanatlı yüzeyli ısı değiştiricileridir

Đkinci bir grup ise ısının depolandığı ısı değiştiricileridir. Bunlarda önce sıcak akışkan belirli bir süre değiştirici içindeki dolgu maddesinin yüzeyleri üzerinden geçirilerek dolgu maddesini ısıtır. Daha sonra ısınan bu dolgu maddesinin yüzeyleri üzerinden soğuk akışkan geçirilerek ısınması sağlanır. Bu tipten ısı değiştiricilerine rejeneratör adı da verilir.

5

Üçüncü son grupta yer alan akışkan yataklı ısı değiştiricilerinde, içinden diğer bir akışkanın geçtiği ısı geçiş boruları yerleştirilerek, taneciklerin doğrudan kurutulması yanı sıra, aralarında temasın olmadığı bir ısı değiştirici tipi de elde edilebilir.

2.2. Isı Geçişi Yüzeyinin Isı Geçişi Hacmine Oranına Göre Sınıflama (Kompaktlık)

Bu sınıflama için ısı değiştiricilerinde β şeklinde yüzey alanı yoğunluğu adı verilen bir büyüklük tanımlanır.

β = Isı geçiş yüzeyi (m²) / Isı değiştirici hacmi (m³) (1.1)

Bu tanıma göre, literatürde β > 700 m²/m³ olanlar ise kompakt olmayan ısı değiştiricileri olarak göz önüne alınır. A ısı geçiş olan yüzey, V hacmi, K toplam ısı geçiş katsayısını, Δtm ise ortalama logaritmik sıcaklık farkını göstermek üzere, değişik ısı değiştirici tiplerinde β büyüklüğü ile Q geçen ısı miktarları, aşağıdaki şekillerde tanımlanabilir.

Gövde borulu

β = ( A_sıcak + Asoğuk) / Vtoplam Q = K(β/2)Vtoplam Δtm (1.2)

Levha ve kanatlı

β = Asıcak/ Vsıcak veya yüzeyli Q = K(βVsıcak) Δtm (1.3) Asıcak/ Vsoğuk veya K(βVsoğuk) Δtm

Rejenaratörler

β = Asıcak / Vtoplam veya Q = K(βV) Δtm (1.4) Asoğuk / Vtoplam

6

2.3. Farklı Akışkan Sayısına Göre Sınıflama

Pratikteki 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 ve daha fazla akışkan ile çalışan ısı değiştiricilerinin teorik analizleri oldukça karmaşık olup tasarımları da güçtür.

2.4. Isı Geçişi Mekanizmasına Göre Sınıflama

Đki tarafta da tek fazlı akış; ısı değiştiricinin iki tarafındaki tek fazlı akışlardaki ısı taşınımı bir pompa veya vantilatör ile tahrik edilen zorlanmış ya da yoğunluk

farkının doğurduğu doğal olarak olabilir

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.

Đki tarafta da çift fazlı akış; bu tip ısı değiştiricilerinin bir taraflarında buharlaşma, diğer taraflarında yoğuşma işlemi vardır.

Taşınılma ve ışınımla beraber ısı geçişi; özellikle bir tarafında yüksek sıcaklıkta gaz olan ısı değiştiricilerinde taşınımla ve ışınımla ısı geçiş bir arada görülür.

2.5. Isı Değiştiricilerinin Konstrüksiyonları

Isı değiştiricileri genellikle konstrüksiyon özeliklerine göre karakterize edilirler. Borulu, levhalı, kanatlı ve rejeneratif olarak belli başlı gruplara ayrılırlar.

7

2.5.1 Borulu ısı değiştiricileri

Bu tip ısı değiştiricilerinde eliptik, dikdörtgen ve genellikle de dairesel kesitli borular kullanılır. Boru çapının, boyunun ve düzenlemesinin kolayca değiştirilebilmesi nedeniyle projelendirmede büyük kolaylıklar sağlar. Ayrıca dairesel kesitli boruların, diğer geometrik şekillere göre yüksek basınçlara dayanabilmeleri nedeniyle, bu tip ısı değiştiricileri yüksek basınçlarda rahatlıkla kullanılabilir.

2.5.1.1 Düz borulu ısı değiştiricileri

Pratikte çift borulu olanların yanı sıra, boru demetinden yapılmış çeşitlerine de rastlanır. Bu tip ısı değiştiricilerin teorik analizleri çok basittir. Bu tip ısı değiştiricisinin temizlenmesi kolay olduğundan kirletici akışkanlar için uygun bir konstrüksiyondur.

Şekil 2.5.1.a’da tipik bir çift borulu ısı değiştiricisi prensip şeması, Şekil 2.5.1.b’de seri bağlanmış bir çift borulu ısı değiştiricisi prensip şeması gösterilmektedir.

Şekil 2.5.2’de ise görünüş resmi verilmektedir.

Şek.2.1.a.Çift boru prensip şeması b. Seri halde bağlanmış çift boru

8

Şek. 2.2. Đçteki borusu üzerinde eksenel kanatlar bulunan çift borulu ısı değiştiricisi

2.5.1.2. Spiral borulu ısı değiştiricisi

Bir veya daha fazla borudan spiral ile bu spiralin dışındaki bir depodan meydana gelir. Bir örneği Şekil 2.5.3’de verilmiş bulunan basit ve ucuz şekilde elde edilebilen bu ısı değiştiricileri genellikle havuz ve depolardaki akışkanların sıcaklık kontrolünde kullanılabilir.

Şek.2.3. Depo içine yerleştirilmiş spiral borulu ısı değiştiricisi

9

2.5.1.3. Gövde borulu ısı değiştiricileri

Prensip şeması Şekil 2.5.4.a’da verilen 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 rafinerilerinde, termik santrallerde, kimya endüstrisinde çok fazla uygulama alanı bulabilen bu ısı değiştiricisine ait bir resim Şekil 2.5.4.b’da görülmektedir.

Şek.2.4.a Gövde borulu ısı değiştirici prensip şeması

10

Şek.2.4.b. Gövde borulu ısı değiştirici prensip resmi

Bir gövde borulu ısı değiştirici içindeki boru demeti, Şekl 2.5.5’te görüldüğü gibi, eşkenar üçgen, kare veya döndürülmüş üçgen ve döndürülmüş kare şekillerinde yapılabilir.

11

Şek. 2.5. Boru demeti düzenlemeleri

2.5.1.4. Özel gövde borulu ısı değiştiricileri

Konstrüktif olarak klasik gövde borulu ısı değiştiricilere benzemesine rağmen, özel kullanımlar için imal edilirler.

2.5.2. Levhalı ısı değiştiricileri

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 basınç ve sıcaklıklara çıkamazlar.

12

2.5.2.1. Contalı levhalı ısı değiştiricileri

Şekil 2.5.6’da montajlı ve levhalar arası akışın gösterildiği 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. Đstenildiğinde sisteme levha ilave edilerek veya çıkarılarak ısıl kapasitesi değiştirilebilir.

Şek.2.6. Contalı levhalı ısı değiştirici montaj ve akış

13

2.5.2.2 Spiral levhalı ısı değiştiricisi

Genel görünüşü Şekil.2.5.7.a, b’de, dikine ve boyuna kesitleri Şekil 2.5.7.d’de gösterildiği gibi bu ısı değiştiricileri, 150 ila 1800mm genişliğindeki uzun iki ince metal levhanın spiral şeklinde sarılması ile elde edilir. Đki levha arasına konulan saplamalar ile düzgün bir aralık sağlanabilir. Levhaların iki tarafı da 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.

Şekil 2.7.a.Bir kanalda spiral diğer kanalda, b. Yoğuşturucu olarak kullanılan spiral eksenel akış borulu ısı değiştirici. eksenel akış borulu ısı değiştirici.

14

Şek.2.7.c. Spiral levhalı ıs değiştiricisi kesitleri

2.5.2.3. Lamelli ısı 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 birbirlerine 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 200˚C, asbest conta kullanıldığında 500˚C sıcaklık değerlerine ve 30 bar basınca kadar çıkılabilir.

15

2.5.2.4. Đnce film ısı 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.

Đnce film ısı değiştiricilerinde ısıtılmış bir konik veya silindirik kısım içinde döner bir rotor bulunur. Üst kısımdan giren viskoz akışkan, bir dağıtıcı halkadan geçerek rotor kanatları yardımıyla sıcak silindirik veya konik iç yüzeyi üzerinde ince bir film tabakası oluşturur. Bu esnada buharlaşan gazlar yukarıdan çıkarken, buharlaşmayan kısım alttan alınır. Bu tip ısı değiştiricileri 15 m yükseklik, 2 m çap değerlerine kadar imal edilebilir.

2.6 Kanatlı Yüzeyli Isı Değiştiricileri

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 değiştiricilerin 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.

2.6.1. Levhalı kanatlı ısı değiştiricileri

Prensip şeması Şekil 2.6.1’de verilen bu tip ısı değiştiricilerinde kanatlar, paralel levhalar halindeki yüzeyler arasına mekanik olarak preslenerek, lehimlenerek veya kaynak edilerek tespit edilir. Isı değiştiricinin rijidliğini artırması ve yüksek

16

basınçlarda çalışmasını sağlayabilmesi bakımından levhalı kanatların önemli fonksiyonları vardır. Bazen kanatlara farklı formlar verilerek akışkanın kendi içinde karışması da sağlanabilir. Levhalı ısı değiştiricilerin konstrüktif özellikleri olarak, kullanma basıncı ortalama 7 bar (bazı özel gayeler için 80 bar değeri olabilir), β yüzey alan yoğunluğu (kompaktlık) maksimum 5900 m²/m³ (ortalama 2000 m²/m³) değerleri verilebilir.

2.8. Levhalı kanatlı ısı değiştirici prensibi

2.6.2. Borulu kanatlı ısı 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 akıtılır. Bu yüzden pratikte dairesel veya oval kesitli boru dışındaki kanatlı yüzeyler ile daha çok karşılaşılır. Bunlara ait birkaç örnek Şekil 2.6.2.’de bireysel

17

borular üzerine tespit edilebildiği gibi, boru grubu üzerine de tespit edilebilir. Yüzey alan yoğunluğu (kompaktlık) β 3300 m²/m³ değerine kadar ulaşabilir.

Şek.2.9. Bireysel boru dışına konulan boru eksenine dik(veya helisel) bazı kanat şekilleri.

2.7. Rejeneratif Isı Değiştiricileri

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

18

a. β yüzey alan yoğunluğu (kompaktlık) çok büyük değerlere ulaşabilir.

b. Diğer ısı değiştiricilere göre ilk yatırım masrafı daha azdır c. Sistemin kendi kendini temizleme özelliği vardır.

Bunlara karşılık bu ısı değiştiricinin sakıncaları ise şunlardır.

a. Sadece gaz akışkanlarda kullanılabilir.

b. Sıcak ve soğuk akışkanlar arasında her zaman bir miktar kaçak vardır c. Akışkanlar birbirlerine etki edebiliyor ise bu tip ısı değiştiricileri asla kullanılmaz.

Pratikte dönen, sabit dolgu maddeli ile paket yataklı olmak üzere üç grup rejeneratör tipi ile karşılaşılır.

2.7.1. Sabit dolgu maddeli rejeneratörler

Bu tipe bazen periyodik çalışan ısı değiştiricileri adı da verilir. Sabit dolgu maddeli bir rejeneratörün içindeki akımın şematik gösterimi Şek 2.7.1.’de verilmiştir.

Belirli zamanlarda klapeler döndürülerek, dolgu maddesi içinden sıcak veya soğuk akışkan geçişi gerçekleştirilir. Sistemin sürekli çalışabilmesi için aynı tipten en az iki rejeneratöre gerek vardır. Bir çok işletmede ise üç veya dört rejeneratör aynı anda kullanılır. Sabit dolgu maddeli rejeneratörler pratikte iki sınıfta toplanabilir. Kompakt olmayan (β < 700 m²/m³) rejeneratörler yüksek fırınlarda, cam fabrikalarında uygulama alanı bulur ve 900 ila 1500 ˚C gibi yüksek sıcaklıklarda kullanılabilir. Kompakt olan (β > 700 m²/m³) rejenetörler havanın ayrıştırılması gibi düşük sıcaklıklardaki işlemlerde ve Stirling makinesindeki gibi yüksek sıcaklıklarda uygulama alanı bulur.

19

Şek.2.9. Sabit dolgu maddeli rejeneratörde akımın şematik gösterimi

2.7.2. Döner dolgu maddeli rejeneratörler

Bunlar da disk ve silindir tipi olarak iki grupta toplababilirler. Bu tip rejeneratörler genellikle gaz türbinlerinde, buhar kazanlarında, cam fabrikalarında yakma havasının sıcak duman gazları ile ısıtılmasında, iklimlendirme tesisatlarında enerji ekonomisi için çok kullanılır. Gaz türbinlerinde kullanılan bir uygulama şek 2.7.2.’de, buhar kazanlarında kullanılan ve çoğunlukla Ljungstrom tipi olarak adlandırılan bir uygulamanın prensip şeması şek 2.7.3’de görülmektedir.

20

Şek.2.10. Gaz türbinlerinde kullanılan disk tipi döner dolgu maddeli rejeneratör

Şek.2.11. Ljungstrom tipi döner rejeneratif hava ısıtıcısı tipi

2.7.3. Paket yataklı rejeneratörler

Devamlı çalışan dolgu maddeli ısı değiştiricilerine diğer bir örnek, Şekil 2.7.4.’de verilen paket yataklı rejeneratördür. Küresel, silindirik veya herhangi şekilli

21

taneli parçacıklar, A silindirik gövdesi içine yerleştirilir. Sıcak gazlar, tanecikler arasından geçerken, bu tanecikleri ısıtır. B boğazından C silindirik kısmına akıtılan sıcak tanecikler, burada ısıtılmak istenen soğuk gaz ile temas getirilir. Aşağı soğuyarak düşen tanecikler bir elevatör yardımı ile A silindirik gövdesine tekrar taşınır. Paket yataklı rejeneratörlerin konstrüksyonları çok basit olmalarına rağmen, basınç kayıpları fazladır.

Şek.2.12.Paket yataklı rejeneratör

22

2.8. Karıştırmalı Kaplarda Isı Değişimi

Karıştırmalı kaplar, özellikle aralıklı çalışan ısıtma ve soğutma işlemlerinde çok kullanılan cihazlardır. Bu cihazlar genellikle;

a. Sıvıların ısıtılması veya soğutulması

b. Eriyik ve karışımların, karıştırma ve sıcaklık dengelemesi,

c. Sıvı karışımlarında ve süspansiyonlarda kütle geçişini artırmak ve reaksiyonları hızlandırmak

d. Fermantasyon işleminde, gazlar ile sıvıların süspansiyonu ve karışımı e. Dispersiyon ve emülsiyon

f. Katı parçacıkların süspansiyon,

işlemleri için uygulanabilir.

Karıştırıcı kaplar içindeki akışkanlar, ya dış yüzeyinden ceket tipi, ya da kap içine yerleştirilen serpantinler yardımıyla ısıtılabilir veya soğutulabilir.

2.9 Isı Değiştiricilerinde Akış Düzenlemeleri

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. Paralel, ters, çapraz, tek ve çok geçişli ısı değiştirici sistemlerin prensip şemaları Şekil 2.9.1.’de görülmektedir.

2.9.1. Tek geçişli ısı değiştiricileri

Đki akışkanın ısı değiştirici içinde birbirine göre sadece bir kere karşılaştığı tiplerdir. Paralel, ters ve çapraz akımlı olmak üzere üç grupta incelenebilir.

23

Şek.2.13. Tek ve çok geçişli ısı değiştirici prensiplerine ait bazı örnekler

2.9.1.1. Paralel akımlı ısı değiştircileri

Bu düzenlemede ısı değiştirici içindeki iki akışkan değiştiricinin aynı ucundan girip, birbirlerine paralel olarak akarlar ve değiştiricinin diğer ucundan çıkarlar. Birinci akışkan küçük çaplı borunun 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.

24

2.9.1.2. Ters akımlı ısı değiştiricileri

Bu tipte, akışkanlar ısı değiştirici içinde birbirlerine göre eksenel olarak paralel, fakat ters olarak akarlar. Bundan sonraki kısımda inceleneceği gibi, 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 gerilimlerin artması ve imalattaki konstrüksiyon güçlükleri nedeniyle, bazen bu düzenleme tercih edilmeyebilir.

2.9.1.3. Çapraz akımlı ısı 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 durumda ise karışan akışkan adı verilir.

Çapraz akımlı ısı değiştiriciler içindeki akışkanların sıcaklık dağılımları iki boyutludur. Bir örnek olmak üzere iki akışkanın da karışmadığı durumda, ısı değiştirici çıkışındaki sıcaklık dağılımları Şek 2.9.2.’de verilmiştir.

25

Şek.2.14. Akışkanların ikisinin de karışmadığı çapraz akımlı ısı değiştiricisinde giriş ve çıkıştaki sıcaklık dağılımları

2.9.2. Çok geçişli ısı değiştiricileri

Bundan önceki bölümde 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 yaklaştırmasıdır.

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.

2.9.2.1. Çapraz-ters ve çapraz-paralel akımlı düzenlemeler

Bu düzenlemeler genellikle kanatlı yüzeyli ısı değiştiricilerinde tercih edilir.

Đki 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.

26

Her iki durumda da geçiş sayısı artırıldıkça sistemin etkenliği, tek geçişli ters veya paralel akımlı düzenlemelere yaklaşabilir.

2.9.2.2. Çok geçişli gövde borulu ısı değiştiricileri

Gövde akışkanının karıştırıldığı, paralel-ters, bölünmüş akımlı, ayrık akımlı düzenlemeler pratikte en çok kullanılan tiplerdir. TEMA(Turbular Exchanger Manufacturers Association) tarafından yapılan düzenlemelerdir. Boru sayısı arttıkça sistemin etkenliği, iki akışkanın da karıştığı çapraz akımlı ısı değiştiricisine yaklaşmaktadır.

2.9.2.3. n Paralel levha geçişli düzenlemeler

Levha tipi ısı değiştiricilerinde, levhaların çeşitli şekillerde düzenlenmesi ile çok geçişli akımlar elde edilebilir. Borulara ait bazı örnekler Şekil 2.9.8.’de görülmektedir. Levha tipi ısı değiştiricilerinde conta yeri değiştirilerek bu düzenlemeler kolayca elde edilebilir.

27

Şek.2.15. n paralel levha geçişli düzenlemeler

28

3. ISI DEĞĐŞTĐRĐCĐLERĐN ISIL HESAPLARI

Bir ısı değiştiricisindeki ısı geçişi, sadece içindeki akışkanlar arasında olduğu, yani ortama bir ısı kaybının olmadığı kabul edilirse, yüzeyli ısı değiştiricilerinde aşağıdaki bağıntı yazılabilir.

Q = Isı değiştiriciden geçen ısı

= Sıcak akışkanın soğurken verdiği ısı = Soğuk akışkanın ısınırken aldığı ısı

= K. A. Δtm (3.1)

Burada Δtm bütün ısı değiştiricisinde etkili olan sıcaklık farkı (ortalama logaritmik sıcaklık farkını) göstermektedir.

Sıcak ve soğuk akışkanların soğuması ve ısınması esnasında verilen ve alınan ısılar, akışkanların kütlesel debileri ile giriş ve çıkış entalpilerinin farkından bulunabilir.

Q =

•

m(ig – iç) (3.2)

Isının alınması ve verilmesi durumunda akışkanların sıcaklıkları değişiyor ise (duyulur ısı değiştiricilerinde), geçen ısı miktarı

Q =

•

mcp(tg-tc) = C(tg-tç) (3.3)

Şeklinde, buharlaşma ve yoğuşma şeklinde bir faz değişimi var ise geçen ısı miktarı

Q =

•

m.r (3.4)

eşitliklerinden hesaplanabilir

29

3.1. Toplam Isı Geçiş Katsayısı, K, Temas Direnci ve Kirlilik Faktörü

Isı değiştiricilerinin yüzeyleri genellikle tek bir metalden imal edilirler. Belirli bir çalışma periyodundan sonra ısı değiştirici yüzeyleri üzerine akışkanlar içinde bulunabilinen parçacıklar, metal tuzları veya çeşitli kimyasal elemanlar birikebilir.

Bazen de korozif etkiler nedeniyle, bu yüzeyler üzerinde bir oksidasyon tabakası oluşabilir. Bütün bu tabakalar, ısı geçişinde ilave birer ısıl direnç meydana getirirler.

Literatürde R_f simgesi ile gösterilen bu kirlilik direnci(veya faktörü), ısı geçiş yüzeylerinin kirli ve temiz olmaları hallerindeki ısıl dirençlerin farkından bulunabilir.

Rf =

temiz

kirli K

K

1

1 − (3.5)

Bu eşitlikte, Kkirli belirli bir çalışma periyodundan sonraki, Ktemiz ise yeni ısı değiştirici yüzeyindeki ısı geçiş katsayılarını göstermektedir. Isı değiştirici tasarımı yapılırken, toplam ısı geçiş katsayısının hesaplanmasında R_f kirlilik faktörü daima göz önüne alınmalıdır. Bu faktörün teorik olarak belirlenmesi oldukça güçtür, genelde deneylerden elde edilen bulgular kullanılır.

Metal yüzeylerdeki pürüzlülük nedeniyle iki metal arasındaki temasın mükemmel olmaması yüzünden, bu yüzeylerde bir “temas direnci” oluşur. Şek 3.1’de görüldüğü gibi, iki yüzeydeki temas direnci, bu yüzeylerde bir sıcaklık artmasına neden olur. Böyle durumları göz önüne alabilmek için

R_t = A Q

t t_{A B}

/

− (3.6)

şeklinde bir direnç tanımı yapılabilir. Literatürde bu değerlere rastlanabilir. Şek 3.2’de şematik olarak gösterilen, düzlemsel veya silindirik kabul edilebilen bir ısı değiştirici yüzeyindeki toplam ısı geçiş katsayısı, aşağıda silindirik yüzey için yazılmıştır.

30

Şekil 3.1. Đki yüzey arasındaki temas direnci

Silindir iç yüzeylerine göre,

d i d

i f i

i t i i

t i f

i

A A h A R A Lk A

r r

A R A Lk A

r r A

R A Lk A

r R r

h K

2 2

3 3 4

3 2 3 2 , 2

2 3 2

1 2 1 , 1

1 2 1

1

1 2

) / ln(

2 ) / ln(

2 ) / ln(

1 1

+ +

+ +

+ +

+ +

=

−

−

−

−

π

π

π (3.7)

Silindir dış yüzeylerine göre,

2 2 3

3 4 3

3 4

3 2 3 2 , 2

2 3 2

1 2 1 , 1

1 2 1

1

1 2

) / ln(

2 ) / ln(

2 ) / ln(

2 ) / 1 ln(

1

R h Lk A

r A r

Lk r r

A R A Lk A

r r A

R A Lk A

r r A

R A A A h K

f d d

d t d d

t d i

d f i d i

+ + +

+ +

+ +

+ +

=

−

−

−

−

π π

π π

(3.8)

31

Şekil 3.2. Đki yüzey arasında toplam ısı geçiş katsayısının şematik gösterimi

3.2. Logaritmik Sıcaklık Farkının Kullanılması

Bir ısı değiştiricinin tasarımı veya performansının belirlenebilmesi için, ısı değiştiricisindeki toplam ısı geçişi ile akışkan giriş ve çıkış sıcaklıkları, toplam ısı geçiş katsayısı ve ısı geçişi toplam yüzey alanı arasında bir bağıntı bulmak gereklidir. Şek 3.2.1 göz önüne alınarak, sıcak ve soğuk akışkanlarda toplam enerji dengesinin yazılması ile iki bağıntı elde edilebilir. Sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki toplam ısı geçişi q ise ve ısı değiştiriciden çevre ortama bir ısı kaybı yoksa, potansiyel ve kinetik enerjilerin göz ardı edilmesi durumunda, enerjinin korunumu aşağıdaki hali alır;

) ( _{h,i h,o}

h i i

m

q= ^• − (3.9)

) (_{c,o c,i}

c i i

m

q= ^• − (3.10)

32

Şek. 3.3. Sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki ısı alışverişi

Akışkanlarda bir faz değişimi yoksa ve özgül ısıları sabit kabul edilebilirse, bu eşitlikler yerine

) ( _{, ,}

,h hi ho

hcp T T

m

q= ^• − (3.11)

) ( _{, ,}

,c co ci

ccp T T

m

q= ^• − (3.12)

yazılabilir. Buradaki sıcaklıklar, belirli konumlardaki ortalama akışkan sıcaklıklarını göstermektedirler.

ΔT≡ Th - Tc (3.13)

Diğer bir yararlı bağıntı, sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki sıcaklık farkı Denklem(3.13) ile toplam ısı geçişi q arasında bir ilişki kurularak elde edilebilir. Böyle bir bağıntı, Newton’un soğuma yasasında, ısı taşınım katsayısı h yerine toplam ısı geçiş katsayısı U’yu yazarak bulunabilir. Bu durumda ΔT ısı değiştiricisi içinde değiştiğinden, bu bağıntıyı

Q = UA ΔTm (3.14)

biçiminde yazmak gerekir. Burada U 3.2.1 kısmında bahsedilen K ile aynıdır, ΔTm uygun bir sıcaklık farkı anlamındadır.

33

3.2.1. Paralel akışlı ısı değiştiricisi

Paralel akışlı bir ısı değiştiricisi içindeki sıcak ve soğuk akışkanların sıcaklık dağılımları Şekil 3.3.’de gösterildiği gibidir. Sıcak ve soğuk akışkanlardaki diferansiyel hacim elemanlarına enerji korunumunun uygulanması ile ΔTm ifadesi elde edilebilir.

Şekil 3.3.’de görüldüğü gibi, her bir elemanın uzunluğu dx ve ısı geçiş yüzey alanı dA değerlerindedir. Enerji korunumu ve daha sonraki çözümlemeler için aşağıdaki kabuller yapılmıştır.

Şek. 3.4. Parelel akışlı ısı değiştiricisinde sıcaklık farkı ve diferansiyel elaman gösterimi

34

a. Isı değiştiricisi çevreye karşı ısıl olarak yalıtılmış olup, ısı geçişi sadece sıcak ve soğuk akışkanlar arasında olmaktadır.

b. Borular boyunca eksenel ısı iletimi göz ardı edilmektedir.

c. Potansiyel ve kinetik enerji değişimleri göz ardı edilmektedir.

d. Akışkanların özgül ısıları sabittir.

e. Toplam ısı geçiş katsayısı sabittir.

Gerçekte ısı değiştiricisi içindeki sıcaklık değişimi nedeniyle, özgül ısı değişecektir. Ayrıca akış koşulları ile akışkan özeliklerinin değişimi nedeniyle de toplam ısı geçiş katsayısı bir ölçüde değişecektir. Ancak, birçok ısı değiştiricisi uygulamasında bu değişimler önemsizdir. ve c_p,c, c_p,h ve U için ortalama değerler almak, oldukça doğru sonuçlar verir.

Şekil 3.3’deki her bir diferansiyel eleman için enerji dengesi ayrı ayrı yazılırsa,

dq = -m^{• h}c_p,hdT_h ≡C_hdT_h (3.15) dq = -m^• cc_p,cdT_c ≡C_cdT_c (3.16)

eşitlikleri elde edilebilir. Denk.(3.9),(3.10),(3.11) ve (3.12)’de verilen birinci yasa bağıntılarını elde edebilmek için, yukarıdaki denklemlerin ısı değiştiricisi boyunca integrali alınabilir. dA yüzey alanından geçen ısı,

dq = U∆TdA (3.17)

olarak da yazılabilir. Burada ∆T = Th – Tc, sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki yerel sıcaklık farkıdır. Denk.(3.16)’yı integre edebilmek için, Denk.(3.9) ve (3.10), diferansiyel biçimde yazılmış Denk.(3.13)’e taşınarak

35

d(∆T) = dT_h - dT_c d(∆T) = dq(

c

h C

1 C

1 + )

yazılabilir. Denk.(3.17)’de, dq, değeri bu son eşitliğe taşınıp, ısı değiştiricisi boyunca integrali alınırsa

∫

∫







 +

−

∆ =

∆ ²

1 2

1 h c

C dA 1 C U 1 T

) T ( d

veya







 +

−

=









∆

∆

c h 1

2

C 1 C UA 1 T

ln T (3.18)

elde edilir. Denklem(3.10) ve (3.12)’den C_h ve C_c değerleri çekilip, Denklem(3.18)’e taşınırsa







 −

− +

−

=









∆

∆

q T T q

T UA T

T

ln T ^{h,i h,o c,o c,i}

1 2

[ (

) (

) ]

q

UA − − −

−

= (3.19)

bulunur.

∆T1=(Th,i-Tc,i) (3.20)

∆T2=(Th,o-Tc,o) (3.21)

tanımları kullanılırsa,

) T / T ln(

T UA T

q

1 2

1 2

∆

∆

∆

−

= ∆ (3.22)

36

sonucuna ulaşılır. Bu sonuç Denklem(3.22) ile karşılaştırılırsa, uygun ortalama sıcaklık farkı için ∆T_lm ortalama logaritmik sıcaklık farkı tanımı yapılabilir. Bu durumda,

q = UA∆Tlm

elde edilir. Bu bağıntıda,

) T / T ln(

T T )

T / T ln(

T T T

2 1

2 1 1

2 1 2

lm ∆ ∆

∆

−

= ∆

∆

∆

∆

−

= ∆

∆ (3.23)

biçiminde tanımlanmıştır.

Denklem(3.20),(3.21)’de belirtilenler, paralel akışlı ısı değiştiriciler için geçerlidir. Çok geçişli ve çapraz akışlı ısı değiştiricilerindeki akışlar her ne kadar karmaşık olsa da, ortalama logaritmik sıcaklık farkında

∆Tlm = F∆Tlm,CF (3.24)

biçiminde bir düzeltme yapılırsa, Denklem(3.9),(3.10),(3.11),(3.12),(3.21), (3.23) bu tür ısı değiştiriciler içinde kullanılabilir. Buradaki ∆Tlm ortalama logaritmik sıcaklık farkı, ısı değiştiricisini ters akışlı kabul ederek hesaplanan ∆Tlm,CF ile söz konusu akış düzenini belirleyen bir F düzeltme katsayısının çarpımından bulunur. Bu nedenle, Denklem (3.20) ve (3.21)’den;

∆T1 = Th,i – Tc,o (3.25)

∆T2 = Th,o – Tc,i (3.26)

yazılabilir.