Isı transfer katsayısı, eşanjör tasarımı için en önemli faktördür. Metaller ve metal alaşımları dünyada en yüksek ısı transfer katsayısına sahiptir. Bu nedenle eşanjörlerde kullanılan borular ve plakalar — yani termal sistem bileşenlerinin tamamı — bu grup malzemelerden seçilir. AISI 316, AISI 304 ve Titanyum, eşanjör sektörünün en popüler malzemeleridir.
Çoğunlukla ısı değiştiricilerinde harici ısı ve mekanik etkileşim yoktur. Tipik bir sistem, tek veya çok bileşenli akışkan akışlarının buharlaşma ve yoğunlaşmasıyla, başka bir sıvının ısınması ya da soğumasıyla çalışır. Isı transferinin gerçekleştiği taraflardan biri ısınırken diğeri soğur. Eşanjörlerin diğer kullanımları arasında ısı geri kazanımı, sterilizasyon, akışkanın yoğunlaştırılması ve kontrol amaçlı uygulamalar yer alır.
1. Eşanjörlerin Sınıflandırılması
Eşanjörler termal sistemlerin yasalarıyla çalışır; bir akışkandan diğerine termal enerji (entalpi) geçişiyle ısı transferi sağlar. Tipik uygulamalar arasında ısıtma ve soğutma, tek veya çok bileşenli sıvıların buharlaşması ya da yoğunlaşması bulunur.
Genel olarak eşanjörlerde ısı transferi, akışkanları birbirinden ayıran ince plakalar veya tüplerin yüzeyinde gerçekleşir. Bu duvarlar akışkanların karışmasını önlerken, sıcak ve soğuk akışkanlar üzerinde daha iyi kontrol sağlar. Akışkanların plakalar veya tüplerle ayrıştırıldığı eşanjörler "plakalı eşanjör" veya "U-tipi tüp eşanjörü" olarak adlandırılır.
Eşanjörlerde dikkat edilmesi gereken en önemli nokta, ısıyı bir akışkandan diğerine transfer etmek üzere tasarlanmış olması ve termodinamik yasalarına uygunluğudur. En çok kullanılan eşanjör tipleri tüplü ve plakalı eşanjörlerdir.
1.1. Sabit-tüplü Eşanjör
Bu modelde tüplerin ısı geçirgen yüzeyini artırmak için ek kanatlar kullanılır; kanatlar kaynakla tutturulmuştur ve maliyeti düşürerek verimi artırır. Ancak tüp grupları yerinden çıkarılamaz.
1.2. Çıkarılabilir Tüp Demetleri
Ürünün uzun ömürlü kullanımını sağlamak veya akışkanın konumunu belirlemek için tüp grupları talep üzerine çıkarılabilir, temizlenebilir ve geri monte edilebilir. Tıkanmalara karşı en kolay çözüm, tüplerin sökülüp temizlenmesidir; dikkatli inceleme sonrası değiştirilebilir ya da geri takılabilir.
1.3. Düz Borulu Eşanjörler
Tüp gruplarını bir arada tutmak için kıskaçlar kullanılır. Diğer taraf akışkan içinde tam temas halinde serbesttir. Yüzen kısım civatalarla kabuk yüzeyine tutturulur; bu sayede sıvı kaçırması ve tüplerin esnemesi engellenir. Bu tip eşanjörler entalpiyi doğrudan transfer eder; depolanmış termal enerji tüm ısı geçirgen alandan ya da matristen yayılır. Örnek olarak boyler, radyatör, soğutma kulesi ve yoğunlaştırıcılar verilebilir.
1.4. Plakalı Eşanjörler
Plakalı eşanjörler iki sac plakanın bir araya gelmesiyle oluşan, aralarında ince kanallar ve plastik contalar bulunan bir sistemdir. Geniş yüzey alanlı plakaların köşeleri akışın giriş ve çıkış noktalarını oluştururken, plakalar arasındaki matris deseni ve yollar ısı geçirme alanını artırır. Akışkanlar geçtikleri yüzeylerden ısı alıp verir. Plakaların kanallara ayrılması, sıcak ve soğuk akışkanların birbirine karışmadan ısı transferi yapmasını sağlar. Geniş ısı geçirme yüzey alanları nedeniyle diğer eşanjör tiplerine göre daha çok tercih edilir.
1.5. Yenilenebilir Eşanjörler
Yenilenebilir eşanjörlerde aynı akışkan eşanjörün iki tarafından da geçer; bu hem plakalı hem de tüplü eşanjörlerde mümkündür. Sistem, akışkanın çok sıcak olmasına olanak tanır; genellikle çıkış akışkanı diğerini soğutmak için kullanılır. Döngüsel çalıştıkları için çıkış akışkanından neredeyse tüm ısı transfer edilir ve soğuma sağlanır. Sabit bir sıcaklığa ulaşmak için yalnızca az miktarda enerji gerekir.
1.6. Adyabatik Silindirik Eşanjörler
Bu tip eşanjörlerde ikinci akışkan ortadaki akışkandır; birinci akışkanın geçtiği tüplere temas ederek ısı geçişini sağlar. Çember biçimde sabitlenen borular, ikinci akışkan içinde geniş bir ısı transfer alanı oluşturur.
Fonksiyonlarına Göre Sınıflandırma
Akışkan Sayısına Göre
- 2 akışkan
- 3 akışkan
- N akışkan
Isı Transfer Mekaniğine Göre
- Çift taraflı, tek fazlı konveksiyon
- Tek taraflı, tek fazlı konveksiyon
- Çift taraflı, çift fazlı konveksiyon
- Karışık konveksiyon ve radyasyon
Isı Transfer İşlemine Göre
- Direkt temas
- Gaz-sıvı
- Sıvı-buhar
- Birbirine karışmayan
- Direkt olmayan temas
- Direkt transfer
- Depo tipi
- Su yataklı
Yüzey Kompaktlığına Göre
- Gazdan sıvıya
- Kompakt (β > 700 m²/m³)
- Kompakt olmayan (β < 700 m²/m³)
- Sıvıdan sıvıya
- Kompakt (β > 400 m²/m³)
- Kompakt olmayan (β < 400 m²/m³)
Yapısına Göre
- Tüplü
- Çift tüp
- Spiral tüp
- Boru bobini
- Kabuklu ve tüplü
- Plakalı
- Kaynaklı
- Contalı
- Lehimli
- Spiral
- Baskılı
- Plaka bobinli
- Genişletilmiş yüzeyli
- Plaka kanatçıklı
- Tüp kanatçıklı
- Yenilenebilir
- Döner (rotary)
- Sabit matrisli
- Dönen plakalı
Akışkan Akış Şekline Göre
- Tek geçişli (single-pass)
- Karşı akışlı
- Çapraz akışlı
- Bölünmüş akışlı
- Çok geçişli (multi-pass)
- Genişletilmiş yüzeyli
- Plakalı
- Kabuklu ve tüplü
Eşanjör Tasarımı: Alan, Kanatçıklar ve Bağlantılar
Isı eşanjörlerinin verimi, ısı geçirgenlik faktörlerine — matris deseni, ısı dağıtma yöntemleri, nozullar, manifoldlar, tanklar, borular ve sızdırmazlık elemanları gibi — bağlıdır. Bu faktörler arasında en önemlisi ısı transfer alanıdır: akışkanların temas ettiği yüzey ne kadar büyükse ısı transferi de o kadar yüksek olur. Bu nedenle yüzey alanını maksimize etmek tasarımın temel hedefidir.
Diğer yandan ısı dağıtım elemanları, ısı kaybını önlemek için izole edilmeli ve sistem verimi bu sayede artırılmalıdır. Nozullar, kafa bağlantıları ve benzer elemanlar uygun sıkma aralıklarında sıkılmalı, montaj doğru biçimde yapılmalıdır. Aksi takdirde termal sistemin güvenliği düşer, akışkanlar birbirine karışır ve basınç kayıpları oluşur. Eşanjör kullanım kılavuzları bakım, onarım ve doğru kullanım için temel referansı sağlar. Yenilenebilir eşanjörlerin döner modelleri dışında, eşanjörlerin genellikle hareketli parçası yoktur; döner modeller ise basınç ve debiyi artırmak için motor kullanır.
Ara yüzeylerin küçük bir kısmına temas eden akışkanlar bile ısı transferini başlatmak için yeterlidir; buna doğrudan alan geçirgenliği denir. Isı geçişini artırmanın bir diğer yöntemi de kanatçık kullanmaktır. Kanatçıklar genellikle yüzeye dik (90°) konumda eklenir ve ısı geçiş alanını büyüterek aynı sıcaklıkta daha fazla ısı transferi sağlar. Yan etki olarak yüzeyde konveksiyona neden olur, radyasyonla ısı yayar ve kabukta yoğuşmaya yol açabilir. Sonuçta yüzeyin termal direnci azalır.
Kanatçıklar matrisin dayanım gücünü de artırarak kullanıcıların daha yoğun, viskozitesi yüksek akışkanlar kullanmasına olanak tanır. Kanatçıklar arasındaki boşluklar sıcaklık dağılımını etkiler: aralık arttıkça teorik verim düşer, ancak anlık basınç da azalır ve sirkülasyonun sürekliliği sağlanır.
İsimlendirme Kriterleri
Eşanjörler birden çok şekilde adlandırılır: ısı transfer işlemine, akışkan sayısına, ısı geçirgenlik mekaniğine, üretim tipine ve akış düzenine göre. Bir diğer kriter de ısı transfer / hacim oranıdır; kompakt eşanjörler bu açıdan daha küçük ve kullanışlı modellerdir. Kullanım sektörüne, parçaların tipine ve tasarım parametrelerine göre de farklı adlandırmalar bulunur. Akışkan tipi (gaz-gaz, gaz-sıvı, sıvı-sıvı) da yaygın bir sınıflandırma kriteridir.
2. Isı Transfer İşlemi
Isı geçirme işlemi temel olarak direkt veya direkt olmayan eşanjörleri tanımlamak için kullanılır. Direkt eşanjörlerde akışkanların karışması sonucu ısı transferi sağlanır — soğutma kulesi bu prensiple çalışır. Direkt olmayan eşanjörlerde ise akışkanlar birbirine karışmaz; ısı transferi onları ayıran yüzeyler aracılığıyla gerçekleşir.
2.1. Plakalı Eşanjörler
Plakalı eşanjörler, matris deseni baskılı plakalardan ve bir çerçeveden oluşur. Genellikle paslanmaz çelikten basılan plakalar, hijyen gerektiren gıda sektörü için son derece kullanışlıdır.
Aktif plaka geometrisiyle matris tasarımı yapılır ve sistem verimi maksimize edilir; bu durum kullanım alanlarını genişletir. Kolay temizlik ve onarım kolaylığıyla birleşince, plakalı eşanjörler dünyada en çok kullanılan eşanjör modeli haline gelir. Zorlu uygulamalarda diğer eşanjör tiplerine bir alternatif olarak öne çıkar. Çalışma prensibi doğal termal iletimtir. Tasarım parametreleri çeşitlilik gösterir: plaka tipi (dar veya geniş alan), plaka kalitesi (AISI 304, AISI 316, Titanyum) ve plaka sayısı uygulamaya göre belirlenir. Tüplü eşanjörlere göre tasarımı ve hesaplamaları daha kolaydır.
2.2. Plakalı Eşanjörlerin Avantajları ve Dezavantajları
Avantajlar:
- Karşı akış tasarımı uygundur; bu sayede ısı geçirme alanı daha küçük tutulabilir.
- Plakaların farklı tasarım seçenekleri termal verimde geniş bir hareket alanı sağlar.
- Plakalar arasındaki matris yüzeyinde akışkan türbülanslı akar; bu, ısı transferini artırır.
- Yalnızca plakaların uç kısmı atmosferle temas halinde olduğundan ekstra izolasyon gerekmez.
Dezavantajlar:
- Düşük basınçlı gaz ve akışkanlarda yüksek debi sağlamak zordur.
- Çok yüksek basınçlara uygun değildir: sızdırmazlık contaları yüksek basınç ve sıcaklıkta hasar görür.
Termal verim, matris tasarımına ve matris yüzeyinden geçen akışkanın özelliklerine doğrudan bağlıdır. Karşı akım yönleri ve termal alan matrisinin tasarımı; ayrıca dar veya geniş termal matris uzunluğu, plakalı eşanjörün belirli bir uygulamadaki performansını belirleyen temel parametrelerdir.
2.3. Basınç Düşmesi Analizi
Genel sistem varsayımları:
- Eşanjör, kararlı (steady-state) bir düzende çalışır.
- Kabuktan veya çerçeveden kaçan ısı miktarı çok küçük olup ihmal edilebilir.
- Dış bir termal enerji kaynağına gerek duyulmaz.
- Paralel ve karşıt akışlarda anlık sıcaklık değerleri düzenlidir.
- Termal direnç sabiti eşanjörün tamamında değişmez.
- Eşanjör boyunca akışkanlarda faz değişimi olmaz.
- Sistemde kaçak yoksa ısı transferi dengeli ilerler.
- Zamandan bağımsız sabit sıcaklık ve pozisyon değerleri, hem genel hem yerel ısı transferini sağlar.
- Akış sabit ve izotermik olmalıdır; akışkanın özellikleri zaman faktörüne bağlı değildir.
- Akışkanın giriş-çıkış sıcaklıkları yalnızca karakteristik özellikleri (örn. yoğunluk) etkiler.
- Basınç noktaları akışkanın akış yönünden bağımsızdır.
- Eşanjöre etki eden dış kuvvetler yalnızca yerçekimi ve — varsa — elektrik ve manyetik alanlardır.
- Bernoulli prensibine göre akış yalnızca akım çizgisi boyunca olmalıdır.
- Yüzey sürtünmesi (yüzey pürüzlülüğü) tüm matris boyunca eşit kabul edilir.
Basınç kaybının bileşenleri:
- Sıkıştırılamayan akışkanlarla basınç kayıpları yüzey sürtünmesi ve akışkan yoluyla orantılıdır.
- Akışkan basınç kaybı, ısı transfer katsayısı, operasyon yöntemi, plaka boyutu ve malzeme mekanik özellikleri ile doğrudan ilişkilidir.
- Basınç kayıpları eşanjör özelliklerinden hesaplanabilir: matris boyunca tüm kayıplar, giriş-çıkış boru bağlantıları, kafalar, manifoldlar; ayrıca bağlantılardaki daralmalar basınç düşmesine neden olur.
Sonuç
Tasarım esnekliği ve gelişime açık yapıları sayesinde ısı eşanjörleri, kullanıcının ihtiyaçlarına göre tasarlanıp ısıtma-soğutma aralıkları ayarlanabilen sistemlerdir. Bu özellikleri, eşanjörlerin enerji, petrokimya, lojistik, havalandırma ve soğutma sektörlerinde yaygın olarak kullanılmasını sağlar.
