ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ (EŞANJÖR)

Transkript

1 1 / 13 ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ (EŞANJÖR) Giriş Isı değiştiricileri (eşanjör) değişik tiplerde olup farklı sıcaklıktaki iki akışkan arasında ısı alışverişini temin ederler. Isı değiştiriciler, evlerdeki ısıtma ve havalandırma sistemlerinden büyük fabrikalardaki kimyasal işlem ve güç üretimine kadar çok çeşitli uygulama alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Isı değiştiricileri akışkanların temas şekline göre başlıca yüzeyli ısı değiştiricileri, karışımlı ısı değiştiricileri ve regeneratörler olmak üzere üç ana grupta toplanabilirler. Akış şekillerine göre ise paralel, zıt ve çapraz akış olarak sınıflandırılabilirler. Bu deneyde kullanacağımız ısı değiştirici, iki akışkanın birbirinden ayrılmış bölgelerden aynı anda geçirilerek ısının transfer edildiği yüzeyli tip ısı değiştiricileri sınıfına girmektedir. Isı Transferi Birçok uygulamalarda ısının sıcak bir akışkandan soğuk bir akışkana transfer edilmesi gerekmektedir. Isı değiştiricileri bu amaç için geliştirilmiş ısı cihazlarıdır. Her ne zaman bir sıcaklık farkı olursa ısı transfer edilir ve ısı transferinin iyi bilinen üç sekli (iletim, tasınım ve yayılım) ayrı ayrı veya bir arada meydana gelebilir. Notasyon e Sembol Tanım Birimler A Isı transfer alanı m 2 C Isı kapasitesi J. K 1 c p Sabit basınçta suyun özgül ısı kapasitesi J. kg 1. K 1 LMTD Logaritmik ortalama sıcaklık farkı K veya ρ Suyun yoğunluğu kg. L 1 η o Genel verim % C EB Enerji denge katsayısı η Ortalama sıcaklık verimi % Q Birim kütle için transfer edilen ısı enerjisi J. kg 1 Q Birim zaman için transfer edilen ısı enerjisi (ısı transfer hızı veya W gücü) Q a ve Q Birim zamanda absorplanan ve salınan ısı enerjisi (gücü) W T Sıcaklık K veya T Sıcaklıktaki değişim K veya T Ortalama sıcaklık K veya U Isı transfer katsayısı W. m 2. K 1 V H ve V C Hacimsel akış hızı (sıcak devre ve soğuk devre) J. kg 1. K 1 m H ve m C Kütle akış hızı (sıcak devre ve soğuk devre) kg. s 1

2 2 / 13 Toplam Isı Transfer Katsayısı Tipik bir ısı değiştiricisinde, bir duvar boyunca ayrılmış bulunan sıcak akışkandan soğuk akışkana ısı transfer edilir. Sıcaklık dağılımı aşağıdaki şekilde olduğu gibidir. Isı T h T c sıcaklık farkı nedeniyle üç direnç boyunca ( dirençler için Q ısı transfer miktarı aşağıdaki gibidir. 1 + A h h h x + 1 ) transfer edilir. Seri A m k A c h c Q = Q = T h T c R T h T c ( 1 + x A h h h A m k + 1 ) A c h c Isı değiştiricisinde duvar kalınlığı (yani iç borunun et kalınlığı) genellikle ince olduğu için bütün alanlar (İçten dışa borunun çevre uzunluğu sabit kabul edilir.) eşit kabul edilebilir. O zaman yukarıdaki ifade aşağıdaki gibi yazılabilir. Burada; A m :Ortalama ısı transfer alanıdır. Q = A m. U. (T h T c ) 1 U = 1 + x h h k + 1 h c U, toplam ısı transfer katsayısı olarak adlandırılır. x k iletim direnci diğerlerine göre genellikle küçüktür. Bununla birlikte, çeperlerde kirlenme olabilir. Yani çeperlerde kireç veya karbon gibi maddeler tabaka oluşturabilirler. Bu durum ısı değiştiricinin tasarımı aşamasında göz önünde tutulmalıdır. Yüzey ısı transfer katsayılarının yani h h ve h c 'nin uygun biçimde hesaplanması çok önemlidir.

3 3 / 13 Isı Değiştirici Deney tesisatında kullanılan ısı değiştirici basit iç içe borulu ısı değiştiricidir. Sıcak ve soğuk suların birbirine göre akış durumlarına göre paralel veya ters akış olarak adlandırılır. Isı Değiştiricilerinde Ortalama Sıcaklık Çoğu ısı transfer denklemleri, özgül ısı kapasitesi ve su yoğunluğu hesaplamaları için ısı değiştiricisindeki sıcak ve soğuk devrelerin ortalama sıcaklığının bulunması gerekir. Bu devrenin giriş ve çıkış kısımlarındaki arasında orta noktanın hesaplanmış sıcaklık değeridir. Soğuk devrenin ortalama sıcaklığı: Sıcak devrenin ortalama sıcaklığı: T C = T C1+T C2 2 T H = T H1+T H2 2 Isı Kapasitesi (C) Kütlesi verilen bir malzemenin sıcaklığını 1 derece (Kelvin veya Santigrat) artırmak için gerekli ısının bir ölçüsüdür. Malzemenin kütlesi ile özgül ısı kapasitesinin (c) çarpımına eşittir. C = m x c

4 4 / 13 Sabit Basınçta Özgül Isı Kapasitesi (c p ) Özgül ısı kapasitesi, 1 kg malzemenin sıcaklığını 1 derece (Santigrat) artırmak için gerekli ısı enerjisinin miktarıdır. Isı enerjisindeki değişimin sıcaklığındaki değişime oranıdır. c = Q T Basınç ve sıcaklık özgül ısı kapasitesinin değerini etkiler. Bilinen bir sıcaklık aralığında az önce verilen denklemin sabit basınç için de geçerli olduğu kabul edilir. c p = Q T Aşağıdaki grafik, ortalama sıcaklıkta özgül ısı kapasitesinin bulunması için kullanılabilir. Diğer bir yol olarak aşağıda verilen denklem yardımıyla kesin bir değer bulunabilir. T sıcaklık değeri birimindedir. Sıcaklık değeri akış devresinin ortalama sıcaklık değeridir. Sabit Basınçta Suyun Özgül Isı Kapasitesi Özgül Isı Kapasitesi (J. kg 1. K 1 ) Su Sıcaklığı ( ) c p (T de) c p (15 de) = 0, , (T )5,26 + 0, ,036T *Suyun 15 deki özgül ısı kapasitesi 4185,5 J. kg 1. K 1.

5 5 / 13 Yoğunluk (ρ) Suyun sıcaklığı değiştiğinde yoğunluğu da azda olsa değişir. Maksimum yoğunluğu 4 dedir ve bu sıcaklık değeri yükseldikçe veya düştükçe azalır. Bu durum tüm hesaplamaları etkiler. Aşağıdaki grafik, sabit basınç ve birim kütle için suyun yoğunluğunun sıcaklığa göre değişimini vermektedir. Diğer bir yol olarak aşağıda verilen denklem yardımıyla kesin bir değer bulunabilir. T sıcaklık değeri birimindedir. Sıcaklık değeri akış devresinin ortalama sıcaklık değeridir. Su Yoğunluğu Su Yoğunluğu (kg. L 1 ) Su Sıcaklığı ( ) ρ = (999,839+16,952.T 7, T 2 46, T , T 4 281, T 5 ) ((1+16, T)) Isı Transferi, Enerji Dengesi ve Verimler Isı değiştiricilerinde, ısı sıcak su devresinden soğuk su devresine transfer olur. Isı transfer hızı, akışkan kütlenin akış hızının, akışkanın sıcaklık değişiminin ve özgül ısı kapasitesinin bir fonksiyonudur (ortalama sıcaklıkta).

6 6 / 13 Q = m. c p. T İdeal bir ısı değiştiricisinde, dış ortamdan ne ısı alınır nede dış ortama ısı verilir. Soğuk akışkan tüm ısıyı sıcak akışkandan absorplar. Dolayısıyla ısı transfer hızı: Q = Q e = Q a = m H. c ph. T H = m C. c pc. T C Hacimsel akış için tekrar düzenlenirse: Q = Q e = Q a = V H. ρ H. c ph. T H = V C. ρ C. c pc. T C Isı değiştiricisinde ısı transferini daha iyi anlamak için, yukarıdaki şekildeki gibi onu giriş ve çıkışları olan sıcak ve soğuk su akışlı bir sitem olarak kabul edebiliriz. Daha öncede bahsedildiği gibi ideal ısı değiştiricisinde sistem sınırından ısı transferi yoktur. Fakat gerçekte sıcak ve soğuk akışkanlar genellikle çevreden farklı sıcaklıktadırlar ve bundan dolayı bir miktar ısı sistem sınırında transfer olur. Örneğin, sıcak bir odadan soğuk akışkana ısı transfer olur. Aşağıdaki şekiller girişleri, çıkışları ve kayıpları göreceli miktarları ile şema olarak göstermektedir.

7 7 / 13 Enerji denge katsayısı (C EB ), absorplanan ve salınan enerji arasındaki ilişkiyi gösterir. C EB = Q a Q e Fakat gösterildiği gibi sistemin dışına veya içine muhtemel ısı akışından dolayı, eğer ısı değiştiricisi sınırlarından enerji absorplarsa enerji denge katsayısı 1 den büyük bir değer çıkar. Dolaysıyla bu sadece yol göstericidir. Çünkü gerçekte: Q e = Q a ± sınırlardan kazanılan veya kaybolan ısı Ortalama sıcaklık verimi ve ısı transfer katsayısı, ısı değiştiricilerinin karşılaştırılması için daha faydalı sonuçlar verir. Isı değiştiricisinin sıcak devresinin sıcaklık verimi, sıcak devredeki sıcaklık değişiminin sıcak ve soğuk devredeki maksimum ve minimum sıcaklık sıcaklıklar arasındaki farka bölünmesi ile elde edilir. η H = T H1 T H2 T H1 T C Isı değiştiricisinin soğuk devresinin sıcaklık verimi, soğuk devredeki sıcaklık değişiminin sıcak ve soğuk devredeki maksimum ve minimum sıcaklık sıcaklıklar arasındaki farka bölünmesi ile elde edilir.

8 8 / 13 η C = T C2 T C1 T H1 T C İki devrenin ortalama sıcaklık verimi her iki devrenin ortalama verimidir: η = η H + η C 2 Logaritmik Ortalama Sıcaklık Farkı (LMTD) Bu ısı transferinin oluşmasını sağlayan ısı itici gücün bir ölçüsüdür. Sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki sıcaklık farkı, ısı değiştiricisi boyunca değişir. Q = U. A. T bağıntısında kullanılmak üzere bir T ortalama sıcaklık farkının bulunması uygun olur. Isı değiştircisinin girişinden çıkışına kadar herbir kesitte geçerli olacak enerji dengesi ifadesinden yola çıkarak gerekli ihmaller ve kabuller yapıldıktan sonra elde edilecek diferansiyel bağıntı girişten çıkaşa kadar integre edilerek ve gerekli işlemler ve düzenlemeler yapıldıktan sonra, değeri ısı değiştiricisin her bir ucundaki sıcak ve soğuk devre arasındaki sıcaklık farkının logaritmik ortalaması olan şu ifade elde edilir: LMTD = (T H2 T C2 ) (T H1 T C1 ) ln ( T H2 T C2 T H1 T C1 ) Bu deney setinde ölçülen sıcaklık değerlerine göre; paralel bağlı durumda yukarıdaki ifade, zıt bağlı durumda ise (Soğuk akışkanın giriş ve çıkış sıcaklıkları yer değiştirdiğinden) bu ifadenin T C2 ve T C1 in birbiriyle yer değiştirmiş ifadesi kullanılmalıdır. Isı Değiştiricisinde Isı Transfer Katsayısı (U) Duvar ve sınır tabakalar için genel ısı transfer katsayısıdır. Isı değiştiricisinin ne kadar iyi çalıştığının bir ölçüsüdür. İyi bir ısı değiştirici yüksek bir değere sahiptir, dolayısıyla bu değer mühendisler için önemlidir. Isı değiştiricisi için bu ifade logaritmik sıcaklık farkı ile birlikte aşağıdaki gibidir: U = Q e A. LMTD

9 9 / 13 Deney Düzeneği Deney düzeneği; ısı değiştiricisinin dışında elektrik bağlantıları, soğuk su besleme ve boşaltma sistemi ve düzenek arkasında bulunan sıcak su sağlayan tanktan oluşmaktadır. Ayrıca akış debisi ölçümü için sıcak ve soğuk suya ait sensörler mevcuttur. Soğuk su şehir şebekesinden doğrudan muslukla sağlanırken, sıcak su ise elektrikli ısıtıcılı tanktan pompa yardımıyla sağlanmaktadır. Sıcak ve soğuk su debileri manuel vanalar yardımı ile el ile istenilen debiye ayarlanabilmektedir. Tüm sıcaklık ve debi değerleri dijital ekrandan okunabilmektedir. Şekil: Deney düzeneği genel görüntüsü

10 10 / 13 Şekil: Çeşitli Tiplerde Isı Değiştiricileri Amaç DENEY 1 DEĞİŞEN AKIŞ HIZININ ETKİSİ Farklı soğuk akış hızlarının paralel ve ters akış durumunda ısı değiştirici performansını nasıl etkilediğini göstermek. Deneyin Yapılışı (Paralel Akış) - Isı değiştiricisini paralel akış için siteme bağla ve ısıtıcı tankı sıcaklığını 60 ye ayarla. - Ortam sıcaklığını referans olması için termometre ile ölçün - Tabloda 1 de test 1 için gösterilen sıcak ve soğuk akış hızlarını ayarlamak için elle akış kontrol vanalarını kullanın. - Isı değiştirici sıcaklığının dengeye gelmesi için en az 5 dakika bekleyin. - Sıcak ve soğuk devre sıcaklıklarını kaydedin. - Test 2,3 ve 4 için tabloda gösterilen akış hızlarında test 1 için yapılan işlemleri tekrarla. Deneyin Yapılışı (Ters Akış) - Isı değiştiricisini ters akış için siteme bağla ve paralel akış için yapılan prosedürü tekrarla.

11 11 / 13 Sonuçların Analizi - Paralel ve ters akışta 0.5 ve 3.0 L/dk. debileri için aşağıdaki karakteristik grafikleri elde ediniz ( Toplam 4 grafik ). Paralel ve zıt akış grafikleri arasındaki önemli karakteristik fark nedir. - Tablo 1 i doldurmak için gerekli hesaplamaları yapınız. - Paralel ve ters akış için soğuk akışkan hızına göre (yatay eksen) toplam ısı transfer katsayısı (dikey eksen) grafiğini çiziniz (İki eğri tek grafikte). Toplam ısı transfer katsayısının soğuk akışkan hızına ve akış türüne bağlı olup olmadığını olası nedenleri (Malzeme özellikleri, termal sınır tabaka değişimi, vb.) ile yorumlayınız. - Soğuk akış hızına (yatay eksen) karşılık enerji denge katsayısı (1. dikey eksen) ve ortalama sıcaklık verimini (2.dikey eksen) aynı grafikte (1 grafik 2 eğri) çiziniz. Ortalama sıcaklık verimimin, soğuk akışkan hızına ve akış türüne bağlı olup olmadığını olası nedenleri (Eşanjörde kalma süresi, ısı transferi için süre, sıcaklık farkı miktarı, vb.) ile yorumlayınız. Amaç DENEY 2 DEĞİŞEN SICAKLIĞIN (İTİCİ GÜÇ) ETKİSİ Farklı sıcak su uygulama sıcaklığının paralel ve ters akış durumunda ısı değiştirici performansını nasıl etkilediğini göstermek. Deneyin Yapılışı (Paralel Akış) - Isı değiştiricisini paralel akış için siteme bağla ve ısıtıcı tankı sıcaklığını 30 ye ayarla. - Ortam sıcaklığını referans olması için termometre ile ölçün

12 12 / 13 - Tablo 2 de gösterilen sıcak ve soğuk akış hızlarını ayarlamak için elle akış kontrol vanalarını kullanın. - Isı değiştiricisi sıcaklığının dengeye gelmesi için en az 5 dakika bekleyin. - Sıcak ve soğuk devre sıcaklıklarını kaydedin. - Isıtıcı tank sıcaklığının 40, 50 ve 60 değerlerine karşılık gelen Test 2,3 ve 4 için Test 1 için yapılan işlemleri tekrarla. Deneyin Yapılışı (Ters Akış) - Isı değiştiricisini ters akış için siteme bağla ve paralel akış için yapılan prosedürü tekrarla. Sonuçların Analizi - Paralel ve ters akışta 30 ve 60 sıcak su giriş sıcaklıkları için aşağıdaki karakteristik grafikleri elde ediniz ( Toplam 4 grafik ). - Tablo 2 yi doldurmak için gerekli hesaplamaları yapınız. - Paralel ve ters akış için sıcak su giriş sıcaklığına göre (yatay eksen) toplam ısı transfer katsayısı (dikey eksen) grafiğini çiziniz (İki eğri tek grafikte). Toplam ısı transfer katsayısının sıcak su giriş sıcaklığına ve akış türüne bağlı olup olmadığını olası nedenleri (Malzeme özellikleri, termal sınır tabaka değişimi, vb.) ile yorumlayınız. - Sıcak su giriş sıcaklığına (yatay eksen) karşılık enerji denge katsayısı (1. dikey eksen) ve ortalama sıcaklık verimini (2.dikey eksen) aynı grafikte (1 grafik 2 eğri) çiziniz. Ortalama sıcaklık verimimin, sıcak su giriş sıcaklığına ve akış türüne bağlı olup olmadığını olası nedenleri (Eşanjörde kalma süresi, ısı transferi için süre, sıcaklık farkı miktarı, vb.) ile yorumlayınız.

13 13 / 13 Isı Değiştirici : Bağlantı Şekli (Paralel veya ters) : Ortam Sıcaklığı : TABLO 1 Isıtıcı Tank Sıcaklığı : Ortalama Isı Transfer Alanı : 0,02 m 2 Test Sıcak Akışkan (L/dak) Soğuk Akışkan (L/dak) T H1 T H2 T H T H T C1 T C2 T C T C η H η C ρ H ρ C c ph c pc Q e Q a C EB η LMTD U ,5 Isı Değiştirici : Bağlantı Şekli (Paralel veya ters) : Ortam Sıcaklığı : TABLO 2 Sıcak Akış Debisi : 3 L/dak. Soğuk Akış Debisi : 2 L/dak. Ortalama Isı Transfer Alanı : 0,02 m 2 Test Isıtıcı Sıcaklığı ( ) T H1 T H2 T H T H T C1 T C2 T C T C η H η C ρ H ρ C c ph c pc Q e Q a C EB η LMTD U