Isı Değiştirici Çeşitleri

ISI DEĞİŞTİRİCİLER

Isı değiştiricileri ısı değişim şekli, yüzey kompaktlığı, akışkan sayısı, ısı geçişi mekanizması, yapısına ve akıma göre sınıflandırılabilmektedir.

1. Isı Değişim Şekline Göre

1.1. Akışkanlar Arasında Doğrudan Temasın Olduğu Isı Değiştiriciler

Isı, doğrudan temaslı ısı değiştiricilerinde aralarında doğrudan temasın olduğu soğuk ve sıcak akışkanlar arasından iletilir. Tek sınırlama, akışkanların karıştırılamaz cinsten olmasıdır. Soğutma kuleleri, püskürtmeli ve tablalı yoğuşturucular bu tip ısı değiştiricilerine iyi birer örneklerdir.

Daha da detaya inecek olursak bu ısı değiştiricileri akışkanları karıştırılamaz sıvılar, gaz-sıvı, sıvı-buhar olacak şekilde üçe ayırabiliriz.

1.2. Akışkanlar Arasında Doğrudan Temasın Olmadığı Isı Değiştiriciler

Dolaylı temaslı ısı değiştiricilerinde, ısı enerjisinin bir ısı transferi yüzeyi (akışkanları ayıran bir cidar) boyunca sıcak ve soğuk akışkanlar arasından değişimi sağlanır. Isı enerjisi, ayırıcı cidar boyunca transfer edilirken soğuk ve sıcak akışkanlar aynı anda akarlar ve bu akışkanlar birbirlerine karışmazlar.

Bunların da daha detaylı ayrılması şu şekilde yapılmıştır: Doğrudan temas tipi (Tek Fazlı, Çok Fazlı), Depo tipi (Sabit dolgu maddeli rejeneratör, Döner dolgu maddeli rejeneratör), Akışkan yataklı, Ateşlemeli, Karıştırmalı kaplar.

2. Yüzey Yoğunluğuna Göre

Yüzey yoğunluk derecesine göre ikiye ayrılır; kompakt ve kompakt olmayan. Bu sınıflandırma için;

β = ısı geçişi yüzeyi (m2)/ısı değiştirici hacmi (m3)

şeklinde yüzey alanı yoğunluğu büyüklüğü tanımlanır.

Akışkanların gaz-sıvı olduğu ısı değiştiricilerinde β değeri 700 m2/m3 değerine eşit ve büyükse bu ısı değiştirici kompakt, bu değerden düşükse kompakt olmayan olarak adlandırılır. Eğer akışkanlar sıvı-sıvı ve faz değişimli ise β değeri 400 m2/m3 değerine eşit ve büyükse bu ısı değiştirici kompakt, bu değerden düşükse kompakt olmayan olarak adlandırılır.

Bu konuda (özellikle sayısal bilgi hakkında) daha fazla bilgi almak için kaynaklara başvurunuz.

3. Akışkan Sayısına Göre

Akışkan sayısına göre ısı değiştiricileri iki, üç ve çok akışkanlı olarak sınıflandırılabilirler. Çoğunlukla ısı değiştiricileri iki akışkanlıdır. Üç akışkanlı ısı değiştiricileri kriyojenide geniş uygulama alanı bulduğu gibi hava ayırma sistemleri, saflaştırma, hidrojenin sıvılaştırılması, amonyak sentezi gibi kimyasal ve proses endüstrilerinde de kullanılırlar. Üç ve çok bileşenli ısı değiştiricilerinin tasarımı matematiksel açıdan oldukça karmaşıktır.

4. Isı Geçişi Mekanizmasına Göre

Bu sınıflandırma ısı değişimindeki akışkanların hangi fazda olduğuna göre yapılır. Akışkanlar tek fazda ( sıvı veya gaz) olabildiği gibi çift fazda da (kaynamakta) olabilirler.

4.1. Her İki Tarafta Tek Fazlı Isı Taşınımı Olan

Pratikte rastlanan ısı değiştiricilerin büyük bir bölümünde, her iki akışkan ısı değiştiricisine girdikleri fazda terk eder. Bu ısı değiştiricilerinin iki tarafındaki ısı taşınımı zorlanmış veya doğal olabilir. Otomobil radyatörleri, salon ısıtıcıları, buhar kazanları ekonomizerleri ve hava ısıtıcıları, kompresör iç soğutucuları, rejeneratörler, yapı soğutucuları örnek olarak verilebilir.

4.2. Bir Tarafta Tek Fazlı Taşınım Diğer Tarafta İki Fazlı Isı Taşınımı Olan

Bir tarafta tek fazlı akışkan varken, diğer tarafta kaynamakta veya yoğuşmakta olan iki fazlı bir akış vardır. Örnek olarak termik santrallerin yoğuşturucuları, soğutma sistemlerinin yoğuşturucu ve buharlaştırıcıları sayılabilir.

4.3. Her İki Tarafta İki Fazlı Isı Taşınım Olan

Isı değiştiricisinin bir tarafında buharlaşma, diğer tarafında yoğuşma vardır. Bu tip ısı değiştiriciler; hidrokarbonların arıtılmasında ve buharın yoğuşturulmasında kullanılır.

4.4. Taşınım ve Işımanın Birlikte Olduğu

Örnek olarak yüksek sıcaklıkta çalışan sabit dolgu maddeli rejeneratörler ile buhar kazanları kızdırıcıları sayılabilir.

5. Yapı Geometrisine Göre

Yapı geometrisine göre ısı değiştiricileri çizelgede gösterildiği gibi dört ana gruba ayırabiliriz.

Çizelge: Yapı Geometrisine Göre Isı Değiştiricileri

Borulu

Plakalı

Genişletilmiş Yüzeyli (Kanatlı)

Rejeneratif

Düz borulu

Contalı

Levha kanatlı

Döner dolgu maddeli

Spiral borulu

Spiralli

Boru kanatlı

Sabit dolgu maddeli

Gövde borulu

Lamelli

Paket yataklı maddeli

Özel gövde borulu

İnce film

5.1. Borulu Isı Değiştiricileri

Bu tip ısı değiştiricileri eliptik, dikdörtgen ve genellikle de dairesel borulardan meydana gelmiştir. Akışkanlardan biri borunun içinde, diğer akışkan ise borunun dışında akar. Boruların çapları, sayıları, uzunlukları, merkezleri arası mesafe ve boru düzeni değişebilir. Bu tip ısı değiştiricileri yüksek basınçlarda rahatlıkla kullanılabilir. Bu tip, dört grupta incelenir.

5.1.1. Düz Borulu Isı Değiştiricileri

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

5.1.2. Spiral Borulu Isı Değiştiricileri

Bir veya daha fazla borudan yapılmış spiral ile bu spiralin dışındaki bir depodan meydana gelir. Soğutma sistemlerinde kullanılan yan eksenel yoğunlaştırıcı ve yan eksenel evaporatör olarak da tasarlanabilir. Spiral boruların ısı transfer katsayısı, düz borulardakine göre daha yüksektir. Isıl genleşmelerin oluşturduğu gerilme problemleri bu ısı değiştiricilerinde yoktur.

5.1.3. Gövde Borulu Isı Değiştiricileri

Bu ısı değiştiricisi, silindirik bir gövde ile bunun içindeki birbirine paralel borulardan meydana gelir. Akışkanlardan biri boruların içinden, diğer akışkan ise gövde içinden akar. Ana elemanları borular veya boru demeti, gövde, boruların tespit edildiği ön ve arka aynalar ile gövde içindeki akışı yönlendiren perdelerdir. Petrol rafinelerinde, termik santrallerde, kimya endüstrisinde, nükleer santrallerde, güç santrallerinde ön ısıtıcı olarak kullanılır. Gövde borulu ısı değiştiricilerin borularda çapraz akış ve borularda paralel akış olmak üzere iki çeşidi vardır.

5.1.4. Özel Gövde Borulu Isı Değiştiricileri

Bu ısı değiştiricileri yapı geometrisi olarak klasik gövde borulu ısı değiştiricilere benzemesine rağmen, özel kullanımlar için imal edilirler. Korumalı gövde borulu ve grafit gövdeli ısı değiştirici gibi modelleri vardır.

5.2. Levhalı (Plakalı) Isı Değiştiriciler

Bu tip ısı değiştiricilerinde akış, oluklu kanatlar arasına sıkıştırılmış olan yassı ince metal levhalarla ayrılmıştır. Bu yüzey düz veya dalgalı olabilir. Borulu tip gibi yüksek basınç ve sıcaklıkta kullanılamazlar.

5.2.1. Contalı Levhalı Isı Değiştiriciler

Akışkanları ayıran oluklu ya da dalgalı şekildeki ince levhalardan bir paket yapılarak elde edilir. Metal levhalar arasında contalar vardır. İstenildiği kadar levha ilave edilerek yüzey artırılabilir. Levhalar arası boşluklardan akışkanlar akar. Isı transferi bütün levha yüzeyi boyunca olur. Kolaylıkla temizlenebildikleri için besin, içki, süt, makyaj ve kâğıt endüstrilerinde geniş olarak kullanılırlar. Levha kalınlığı genellikle 0.5-1.2 mm, levhalar arasındaki boşluk ise 5-6 mm değerindedir. Levha malzemesi olarak karbonlu çelik, alüminyum, bakır ve bakır alaşımları, paslanmaz çelik, nikel ve molibden alaşımlan kullanılabilir.

5.2.2. Spiral Levhalı Isı Değiştiriciler

İki uzun paralel levhanın spiral şeklinde sarılması ile elde edilir; İki levha arasına konulan sapmalar ile düzgün bir boşluk sağlanabilir. Levhaların iki tarafı contalı bir kapak ile kapatılır. Akışkanlar birbirine ters veya paralel akacak şekilde düzenlenebilir. Temizlenmesi kolay olduğundan bu ısı değiştiricisi tortu yapabilecek akışkanlar için çok uygundur. Bu yüzden özellikle kâğıt endüstrisinde, sülfat ve sülfit fabrikalarında bu ısı değiştiricisi tercih edilir. Oldukça kompakt olmalarının yanında özel imalatları nedeniyle pahalıdırlar. Maksimum yüzey 150 m2, maksimum işletme basıncı 10 bar ve maksimum işletme sıcaklığı 500 °C ile sınırlıdır.

5.2.3. Lamelli Isı Değiştiriciler

Lamelli ısı değiştiricisi gövde içine yassılaştınlmış borulardan yapılmış bir demetin yerleştirilmesi ile elde edilir. Bu borulara lamel adı verilir ve genellikle nokta veya elektrik dikiş kaynağı ile birbirine tutturulur. Gövde içinde ayrıca perdeler bulunmaz. Akışkanlar birbirine göre ters veya paralel akabilir. Hidrolik çap küçük olduğundan büyük ısı taşınım katsayıları elde edilebilir. Teflon conta kullanıldığında maksimum 200 °C, asbest conta kullanıldığında 500 °C sıcaklık değerlerine ve 20 bar basınca kadar çıkılabilir. Bu ısı değiştiricileri kağıt, besin ve kimya endüstrilerinde uygulama alanı bulmaktadır.

5.2.4. 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 katsayılarına sahip olmaları nedeniyle, pratikte çoğu zaman bu ısı değiştiricileri buharlaştırıcı olarak kullanılır.

5.3. Genişletilmiş Yüzeyli Isı Değiştiricileri

Ana ısı transfer yüzeyinde (boru veya levha) kanatların veya diğer ilave çıkıntıların ısı transfer yüzeyini artırmak amacıyla kullanıldığı ısı değiştiricileridir. Gaz tarafındaki ısı transfer katsayısı, sıvı tarafındakinden daha düşük olduğu için kanatlı ısı transfer yüzeyleri genelde gaz tarafında kullanılırlar. Bu ısı değiştiricileri iki grupta incelenebilir: Levha kanatlı ısı değiştiricileri, boru kanatlı ısı değiştiricileri.

5.4. Rejeneratif Isı Değiştiricileri

Isının depolanarak transfer edildiği ısı değiştiricileridir. Isı geçişi dolaylıdır. Üç tipi vardır: Sabit matriksli, döner matriksli, paket yataklı maddeli.

6. Akıma Göre Isı Değiştiricileri

Isı değiştiricilerinde akışkanın değişik şekillerde düzenlenmesi ortalama logaritmik sıcaklık farkına, etkenliğe ve ısıl gerilmelere çok etki eder. Akış şekline göre sınıflandırma tek geçişli ve çok geçişli olarak iki ana grupta toplanabilir. Çok geçişli halde ise iki akışkan birbirleri ile birkaç kere geçişir.

6.1. Tek Geçişli

Tek geçişli halde iki akışkan ısı değiştiricisi boyunca birbirleri ile yalnız bir kere geçişir. Üç başlıkta incelenebilir.

6.1.1. Paralel Akımlı Isı Değiştiricileri

Bu akış şeklinde akışkanlar ısı değiştiricisinin bir ucundan girip aynı doğrultuda akarlar ve ısı değiştiricisinin diğer ucundan çıkarlar. Isıl gerilmelerin istenmediği durumlarda tercih edilir.

Şekil: Paralel akımlı ısı değiştiricisi

6.1.2. Ters Akımlı Isı Değiştiricileri

Bu tipte akışkanlar ısı değiştiricisinde birbirlerine göre ters olarak akar. Ters akışlı ısı değiştiricilerinde ortalama logaritmik sıcaklık farkı, diğer bütün akış düzenlemelerinden daha büyüktür. Diğer ısı değiştiricilerine göre daha kompakt bir yapıya sahip olmalarına karşın, pratikteki imalat güçlükleri ve ısıl gerilmeler nedeniyle birçok uygulamada ters akışlı ısı değiştiricileri tercih edilmeyebilir. 

Şekil: Ters akımlı ısı değiştiricisi

6.1.3. Çapraz Akımlı Isı Değiştiricisi

Bu ısı değiştiricisinde akışkanlardan biri ısı transferi yüzeyi boyunca ve diğer akışkanın akış yoluna dik olacak şekilde akar. Akışkanlar ısı değiştiricisi içinde ilerlerken kendisi ile karışabilir veya karışmayabilir. Isı geçişi bakımından çapraz akışlı ısı değiştiricilerinin etkenliği paralel akışlı ve ters akışlı ısı değiştiricilerinin etkenliklerinin arasındadır. İmalat kolaylığı nedeniyle pratikte kompakt ısı değiştiricilerinin büyük çoğunluğu çapraz akışlı olarak yapılır.

 Şekil: Çapraz akımlı ısı değiştiricisi

6.2. Çok Geçişli Isı Değiştiricileri

Isı değiştiricisi içinde değişik şekillerde ard arda seri halde düzenlenerek çok geçişli tipler elde edilebilir. Çok geçişli ısı değiştiricilerinin en büyük üstünlüğü ısı değiştiricisi etkenliğini artırmaktır. Çok geçişli ısı değiştiricileri kanatlı yüzeylerde, gövde boru tiplerinde ve levhalı tiplerde değişik düzenlemelerde imal edilebilir.

6.2.1. Çapraz Ters ve Paralel Akımlı Isı Değiştiricileri

Çapraz ters, genellikle kanatlı yüzeyli ısı değiştiricilerinde tercih edilir. İki veya daha fazla sayıda çapraz geçiş arka arkaya ters akışlı olarak seri halde bağlanır. Isı değiştiricisi etkenliği, her bir geçişteki akışkanların karışıp karışmadığına ve geçiş sayısına bağlıdır. Yüksek sıcaklıklardaki uygulamalarda sıcaklığın fazla olduğu geçişlerde sıcağa dayanıklı pahalı malzeme, diğer yerlerde ise ucuz malzeme kullanılarak imalat masrafları azaltılabilir.

Çapraz paralel, bir önceki düzenlemeye çok benzer, sadece akışkanların birbirlerine göre genel akışı paraleldir. Geçiş sayısı artırılarak, sistemin etkenliği tek geçişli paralel akışlı ısı değiştiricisi etkinliğine yaklaştırılabilir.

6.2.2. Çok Geçişli Gövde Borulu Isı Değiştiricileri

Bu düzenleme, gövde borulu ısı değiştiricilerinde en çok kullanılan tiptir. Sistemde borular bir uçlarından tespit edildiğinden ısıl gerilmeler çok azdır. Gövde tarafındaki akışkan karıştığından, f herhangi bir kesitteki gövde akışkanının sıcaklığı sabittir. Bu yüzden, boru içindeki I akışkanın yönü değişse de ısı değiştiricisi etkenliği aynı kalır.

6.2.3. n Adet Paralel Levha Geçişli Isı Değiştiricileri

Levha tipi ısı değiştiricilerinde, levhaların çeşitli şekillerde düzenlenmesi ile çok geçişli akışlar elde edilebilir. Levha tipi ısı değiştiricilerinde conta yeri değiştirilerek bu düzenlemeler kolayca elde edilebilir.

Kaynaklar

Lütfen Login yada Register gizli linkleri görebilmek için

Rıdvan

Yıldız Teknik Üniversitesi'nde Doktora yapmakta.

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir