T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ PLAKALI ISI EŞANJÖRLERİNİN ISITMA VE SOĞUTMA UYGULAMALARI İÇİN OPTİMUM ÇALIŞMA ŞARTLARININ ARAŞTIRILMASI Bayram KILIÇ Danışman: Yrd.Doç.Dr. Reşat SELBAŞ YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNE EĞİTİMİ ANABİLİM DALI ISPARTA 2008

2 Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürlüğüne Bu çalışma jürimiz tarafından MAKİNE EĞİTİMİ ANABİLİM DALI nda oybirliği ile YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir. Başkan : Prof. Dr. Ali Kemal YAKUT S.D.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Üye : Yrd. Doç. Dr. Reşat SELBAŞ S.D.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Üye : Yrd. Doç. Dr. Arzu ŞENCAN S.D.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü ONAY Bu tez 18 / 06 /2008 tarihinde yapılan tez savunma sınavı sonucunda, yukarıdaki jüri üyeleri tarafından kabul edilmiştir. / / 2008 Prof.Dr. Fatma KOYUNCU Enstitü Müdürü

3 İÇİNDEKİLER Sayfa İÇİNDEKİLER.i ÖZET...ii ABSTRACT iii TEŞEKKÜR.iv ŞEKİLLER DİZİNİ.....v ÇİZELGELER DİZİNİ... vii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ....viii 1. GİRİŞ Isı Eşanjörleri Isı Eşanjörlerinin Sınıflandırılması Plakalı Isı Eşanjörleri.6 2.KAYNAK BİLGİSİ MATERYAL VE YÖNTEM Plakalı Isı Eşanjörlerinin Termodinamik Analizi Deneysel Sistem ve Elemanları PIakalı Isı Eşanjörü Sıcak Su Üretici Kazanı Sıcak Su Toplama Tankı Soğuk Su Toplama Tankı Kompresörlü Soğutma Grubu BULGULAR VE TARTIŞMA SONUÇLAR KAYNAKLAR...53 EKLER 60 EK-1 61 EK-2 62 ÖZGEÇMİŞ...63 i

4 ÖZET Yüksek Lisans Tezi PLAKALI ISI EŞANJÖRLERİNİN ISITMAVE SOĞUTMA UYGULAMALARI İÇİN OPTİMUM ÇALIŞMA ŞARTLARININ ARAŞTIRILMASI Bayram KILIÇ Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Eğitimi Anabilim Dalı Jüri: Prof. Dr.Ali Kemal YAKUT Yrd. Doç. Dr. Arzu ŞENCAN Yrd. Doç. Dr. Reşat SELBAŞ (Danışman) Bu çalışmanın amacı, çeşitli uygulamalarda kullanılan plakalı ısı eşanjörlerinin farklı debi ve sıcaklıklardaki performanslarını araştırmak ve dolayısıyla enerjiyi en etkin biçimde kullanan ısı eşanjörü sisteminin yapısını oluşturmaktır. Bu amaçla, plakalı ısı eşanjörü kullanılan bir ısıtma-soğutma sistemi tasarlanmıştır. Belirli debi ve sıcaklık değerleri için plakalı ısı eşanjöründeki ısı transferleri hesaplanarak sistemin optimum çalışma şartları tespit edilmiştir. Böylelikle optimum sistem yapısı içinde ısı eşanjörlerinin performansları tespit edilerek en uygun debi ve sıcaklıklar araştırılmıştır. Isı eşanjöründe transfer edilen ısı miktarının düşmesi, ısı eşanjörünün performansının düşmesine neden olur. Bu da ısı eşanjörü kullanan sistemde kapasite kaybı anlamına gelmektedir. Bu maksatla kurulan deneysel ısı eşanjörü sisteminden elde edilen veriler ve yapılan analizler sonucunda ısı eşanjörlerinde transfer edilen ısı miktarları hesaplanarak ısı eşanjörlerinin performansları değerlendirilmiştir. Bunun yanında ısı transferinin iyileştirilmesi için araştırmalar yapılmıştır. Isı transferinin iyileştirilmesi, sistem boyutlarının uygun ölçülerde tutulmasına ve dolayısıyla sistem maliyetinin ve işletme giderlerinin azaltılmasına olanak sağlar. Bu çalışmada plakalı ısı eşanjörü kullanılan bir ısıtma-soğutma sistemi deneysel olarak tasarlanmış ve imal edilmiştir. Deneysel sistemdeki plakalı ısı eşanjörü, farklı sıcaklık ve debi değerlerinde analizlere tabi tutulmuştur. Tüm analizler dört farklı çalışma durumu için yapılmıştır. Farklı çalışma durumlarında eşanjörde dolaşan akışkanların optimum sıcaklıkları, debileri belirlenmiştir. Ayrıca sistemin 2. yasa ve ANSYS bilgisayar programı ile analizleri yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: Plakalı Isı Eşanjörü, Enerji, Isıtma, Soğutma, Termodinamik Analiz. 2008, 63 sayfa ii

5 ABSTRACT M.Sc. Thesis INVESTIGATION OF OPTIMUM OPERATING CONDITIONS OF PLATE HEAT EXCHANGER FOR HEATING AND COOLING APPLICATIONS Bayram KILIÇ Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences Mechanical Department Thesis Committee: Prof. Dr. Ali Kemal YAKUT Asst. Prof. Dr. Arzu ŞENCAN Asst. Prof. Dr. Reşat SELBAŞ (Supervisor) Aim of this study, to investigate the performance in the different temperature and flow rate of plate heat exchangers used in the various applications and so carry out heat exchanger system in the ways of decreasing energy consumption of the various systems. For this, heating-cooling system was designed with plate heat exchanger. Optimum working conditions of the system were determined by calculate heat transfer rate in the plate heat exchanger for the specified flow rate and temperature. So by determined optimum system structure, the best flow rate and temperature was investigated. The decreasing of the transferred heat amount from the heat exchangers causes decreasing of heat exchanger performance. This means capacity decrease in the system. Heat transfer rates were calculated with obtained data from experimental heat exchanger system with this aim. So the performance of heat exchangers was evaluated. Furthermore, investigations were made for the system performance improvement. Improvement of the heat transfer mean optimum system dimension and less system costs and less operating costs. In this study, experimentally heating-cooling system used plate heat exchanger was designed and constructed. Analysis of experimental plate heat exchanger in the different temperature and flow rate values were carried out. All analysis was performed for four different operating conditions. Optimum temperature and flow rate of circulating fluids in the heat exchanger were determined for different operating conditions. Furthermore, second law and ANSYS computer program analysis of the system were carried out. Key Words: Plate Heat Exchanger, Energy, Heating, Cooling, Thermodynamic Analysis. 2008, 63 pages iii

6 TEŞEKKÜR Bu tez çalışmamın yapılmasında her türlü yardımlarını esirgemeyen, çalışmalarımda bana daima yol gösteren, engin bilgi ve tecrübelerinden yaralandığım değerli Danışman Hocam Yrd. Doç. Dr. Reşat SELBAŞ a teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarım esnasında yardımlarını esirgemeyen Yrd. Doç. Dr. Arzu ŞENCAN a, deneysel çalışmalarım esnasında çok yardımlarını gördüğüm Yrd. Doç. Dr. Arif Emre ÖZGÜR e ve Arş. Gör. Ahmet KABUL e teşekkürlerimi sunarım. 107M004 No lu Proje ile tezimi maddi olarak destekleyen Tübitak Hızlı Destek Programı na teşekkür ederim Ayrıca bugünlere gelmemde büyük emeği geçen başta ailem olmak üzere bütün hocalarıma saygı ve teşekkürlerimi sunarım. Bayram KILIÇ ISPARTA, 2008 iv

7 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1.1. Plakalı ısı eşanjörünün yapısı..6 Şekil 3.1. Paralel akışlı ısı eşanjöründe sıcaklık dağılımı..18 Şekil 3.2. Ters akışlı ısı eşanjöründe sıcaklık dağılımı..18 Şekil 3.3. Akışların karışmadığı iki akışlı ısı eşanjörü...20 Şekil 3.4. Deney cihazı...23 Şekil 3.5. Deney cihazının şematik gösterimi (Karşıdan görünüş) Şekil 3.6. Deney cihazının şematik gösterimi (Üstten görünüş) Şekil 3.7.a. Plakalı ısı eşanjörü..25 Şekil 3.7.b. Plakalı ısı eşanjörü..26 Şekil 3.7.c. Plakalı ısı eşanjörü...26 Şekil 3.8. Sıcak su üretici kazanı...26 Şekil 3.9. Sıcak su toplama tankı 27 Şekil Soğuk su toplama tankı Şekil Kompresörlü soğutma grubu Şekil 4.1. Plakalı ısı eşanjörüne giren ve çıkan akışkan sıcaklıkları (. V =0,67 m 3 /h için)..29 Şekil 4.2. Plakalı ısı eşanjöründe ortalama logaritmik sıcaklık farkı değişimi (. V =0,67 m 3 /h için)..30 Şekil Plakalı ısı eşanjöründe ortalama logaritmik sıcaklık farkı değişimi (. V =0,95 m 3 /h için)...31 Şekil 4.4. Plakalı ısı eşanjöründe ortalama logaritmik sıcaklık farkı değişimi (. V =1,16 m 3 /h için) 31 Şekil 4.5. Plakalı ısı eşanjörüne giren ve çıkan akışkan sıcaklıkları (. V =1,05 m 3 /hiçin) 32 Şekil 4.6. Plakalı ısı eşanjöründe ortalama logaritmik sıcaklık farkı değişimi (. V =1,05 m 3 /h için) 33 Şekil 4.7. Plakalı ısı eşanjöründe ortalama logaritmik sıcaklık farkı değişimi (. V =1,13 m 3 /h için).33 v

8 Şekil 4.8. Plakalı ısı eşanjöründe ortalama logaritmik sıcaklık farkı değişimi (. V =1,15 m 3 /h için).34 Şekil 4.9. Farklı debi değerlerinde sıcak su giriş sıcaklığıyla ısı transfer miktarının değişimi 35 Şekil Farklı debi değerlerinde soğuk su giriş sıcaklığıyla ısı transfer miktarının değişimi...36 Şekil 4.11 Sıcak su giriş sıcaklıklarına bağlı olarak etkenlik değişimleri...36 Şekil NTU sayısı ve etkenlik değişimi..37 Şekil Sıcaklık farkı değerlerine bağlı olarak ısı transferi ve entropi üretimi (soğutma amaçlı ve kapalı sistem) 44 Şekil Sıcaklık farkı değerlerine bağlı olarak ısı transferi ve entropi üretimi (soğutma amaçlı ve açık sistem)...45 Şekil Teorik olarak elde edilen sıcaklık dağılımları...45 Şekil Teorik olarak elde edilen eksenel sıcaklık dağılımları...46 Şekil Teorik olarak elde edilen ısı akısı dağılımları.47 Şekil Teorik olarak elde edilen sıcaklık gradyanları...47 Şekil Deneysel olarak elde edilen sıcaklık dağılımları.48 Şekil 4.20 Deneysel olarak elde edilen eksenel sıcaklık dağılımları 48 Şekil Deneysel olarak elde edilen ısı akısı dağılımları.49 Şekil Deneysel olarak elde edilen sıcaklık gradyanları 50 vi

9 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 1.1. Plakalı ısı eşanjörünün özellikleri Çizelge 4.1. Plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri (. V =0,67 m 3 /h için).38 Çizelge 4.2. Plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri (. V =0,95 m 3 /h için) 39 Çizelge 4.3. Plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri (. V =1,16 m 3 /h için).40 Çizelge 4.4. Plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri (. V =1,05 m 3 /h için).41 Çizelge 4.5. Plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri (. V =1,13 m 3 /h için).42 Çizelge 4.6. Plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri (. V =1,15 m 3 /h için)...43 vii

10 SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ Q K A t m i Isı değiştiricide geçen ısı Toplam ısı geçiş katsayısı Isı geçiş yüzeyi Ortalama logaritmik sıcaklık farkı Entalpi. V Akışkan kütlesel debisi c p t C r R f R t h δ k ε Nu Pr Özgül ısı Sıcaklık Akışkan ısıl kapasitesi Gizli buharlaşma ısısı Kirlilik faktörü Temas direnci Isı taşınım katsayısı Yüzey et kalınlığı Isı iletim katsayısı Isı değiştirici etkinliği Nusselt sayısı Prandtl sayısı viii

11 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 değiştirici olarak adlandırılmakta olup, pratikte termik santrallerde, kimya endüstrilerinde, ısıtma, iklimlendirme, soğutma tesisatlarında, taşıtlarda, elektronik cihazlarda, alternatif enerji kaynaklarının kullanımında, ısı depolanması vb. bir çok yerde bulunabilmektedir. Uygulama alanlarına örnekler olmak üzere, bir su borulu buhar kazanında, bir mekanik soğutma devresinde, bir iklimlendirme tesisatının çeşitli kademelerinde, bilgisayar işlemcisinin soğutulmasında kullanılabilen ısı değiştirici tipleri vardır. Verilen bu örneklerden anlaşılabileceği gibi pratikte çeşitli yerlerde kullanılan bu ısı değiştiricileri kullanım gayelerine göre değişik konstrüksiyonlarda, kapasitelerde, boyutlarda ve tiplerde olabilmektedirler. Isı değiştiricileri endüstrinin en önemli ısı tekniği cihazları olup bunlar buharlaştırıcı, yoğuşturucu, ısıtıcı, soğutucu gibi değişik adlar altında kimya, petrokimya endüstrilerinin, termik santrallerinin, soğutma, ısıtma ve iklimlendirme tesislerinin hemen her kademesinde değişik tip ve kapasitelerde görülebilir. Makine ve kimya mühendisliği eğitimi açısından bakıldığında ısı değiştiricileri bu mühendislik kollarının temel konuları olan, malzeme, mukavemet, termodinamik ve ısı geçişi bilim dallarının hepsini birden aynı anda içeren bu bilim dalına ait çok iyi bir uygulamadır. Anlaşılabileceği gibi ısı değiştiriciler günlük hayatımızda her zaman kullanılan bir yapıdır. Bu yüzden tasarımı yapılırken en ince ayrıntısına kadar teorisine uyulmalı ve ilgili programlar kullanılarak doğruya en yakın analiz sonuçları elde edilmeli ve tasarımların daha iyi olması için çalışılmalıdır. Isı değiştiricilerde transfer edilen ısı miktarının düşmesi ısı değiştiricinin performansının düşmesine neden olur. Bu da ısı değiştiricisi kullanan sistemde kapasite kaybı anlamına gelmektedir. Isı transferinin iyileştirilmesi, sistem boyutlarının uygun ölçülerde tutulmasına ve dolayısıyla sistem maliyetinin ve işletme giderlerinin azaltılmasına olanak sağlar. 1

12 Bu çalışmada da kullanılan plakalı ısı değiştiricilerinde esas ısı geçişinin olduğu yüzeyler genelde ince metal levhalardan yapılır. Bu metal yüzeyler düz veya dalgalı biçimde olabilirler. Contalı plakalı, spiral plakalı ve lamelli olmak üzere üç grupta incelenebilirler. Isıtma, soğutma ve havalandırma uygulamaları, ihtiyaç duydukları yüksek verimliliğe, ekonomikliğe ve kompakt tasarıma plakalı ısı değiştiriciler sayesinde ulaşırlar. Borulu tip ısı değiştiricilerinin plakalı ısı değiştiricileri ile günden güne değiştirilmesiyle plakalı ısı değiştiriciler tüm sektörde hızlıca artan bir pazar payına sahip olmuştur. Çeşitli boyutlardaki ve malzemelerdeki plakaların geniş seçim aralığı, plakalı ısı değiştiricilerine üstün bir esneklik sağlar. Bu esneklik birçok termal proseste plakalı ısı değiştiricilerine büyük avantaj sağlar. Bu çalışma için kurulan plakalı ısı değiştirici sistemi ile plakalı ısı değiştiricide farklı debi, sıcaklık ve sistem parametrelerinde çalışmalarına ilişkin literatür eksikliği olan veriler elde edilerek enerji tasarrufu sağlanması ve optimum sistem yapısının oluşturulması için analizler yapılmıştır. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar farklı debi ve sıcaklık değerlerinde plakalı ısı değiştiricili sistemlerin performansları açısından bir referans olacaktır. Elde edilen verilerin bilgisayar tabanlı algoritmalar olan akıllı sistemler ile modellenmesiyle literatüre kaynak eksikliğinin giderilmesinde büyük katkı sağlayacaktır. Bu tür bir çalışma ile ısı değiştiricilerinin kullanıldığı sistemlerde değişken sistem parametrelerine göre en uygun ayarlamalar yapılarak enerjinin optimum olarak kullanılması amaçlanmıştır. Sistemin deneysel sonuçları ısı değiştiricide dolaşan akışkanların giriş-çıkış sıcaklıkları, basınçları, debileri ve optimum ısı değiştirici boyutları gibi sistem parametreleri açısından değerlendirilmiştir. Bununla beraber akışkan sıcaklığındaki değişimler sonucu sistemin enerji maliyetleri hesaplanarak değişken sıcaklıklardaki enerji tasarrufu belirlenmiştir. Bunların yanında sistem performansındaki değişikliklerin incelenmesi açısından ekserji analizi de yapılmıştır. 2

13 Bu çalışmada plakalı ısı değiştiricisi kullanılmıştır. İlk işlem olarak plakalı ısı değiştirici sisteminin belirli debi ve sıcaklık değerleri açısından, ANSYS bilgisayar analiz programı ile teorik olarak boyutlandırılması ve değişken sistem parametreleri göz önüne alınarak termodinamik analizleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, tablolar ve grafikler halinde verilmiştir. Çalışmanın diğer kısmında oluşturulan teorik model yardımıyla plakalı ısı değiştirici sisteminin deney düzeneği kurulmuştur. Kurulan deney düzeneği her bir debi ve sıcaklık değeri için çalıştırılarak sistem rejime geldikten sonra doğru sonuçlar alabilmek için belirlenen farklı noktalardan çok sayıda ölçüm yapılmıştır. Her bir debi ve sıcaklık değerinin kullanılmasıyla sistemden alınan verilerin uygun bir şekilde değerlendirilebilmesi için sistem elemanlarının boyutları tüm deneyde sabit tutulmuştur. Kurulan plakalı ısı değiştirici sisteminde sıcaklık ve debinin değiştirilmesiyle sistem performansı incelenmiştir. Sıcaklıklar termostatlı bir ısıtıcı ile yapılmıştır. Gerekli veriler alındıktan sonra plakalı ısı değiştiricisinde dolaşan akışkanların debileri, giriş-çıkış sıcaklıkları, basınç değerleri, ısı transfer miktarları, performans değerleri vb. parametreler dikkate alınarak sistemin performans analizi yapılmıştır. Elde edilen deneysel ve teorik sonuçlar kullanılarak sistem, termodinamiğin birinci ve ikinci kanunu analizine tabi tutulmuştur. Deneysel çalışma ve bilgisayar ortamında yapılan teorik sistemin karşılaştırılması yapılarak tersinmezlikler belirlenmiştir. Tersinmezliklerin belirlenmesi ile kayıpların en çok hangi kısımda olduğu tespit edilerek bu kayıpların azaltılması için çözüm önerileri sunulmuştur Isı Eşanjörleri Farklı sıcaklıkta ve birbirinden katı bir cidarla ayrılan iki veya daha fazla akışkan arasındaki ısı geçişi, birçok mühendislik uygulamasında önem taşır. Bu tür bir ısı geçişini gerçekleştirmek için kullanılan cihaz, ısı eşanjörü olarak adlandırılır ve hacim ısıtmasında, iklimlendirme tesislerinde, termik santrallerde, atık ısının geri kazanılmasında ve kimyasal işlemlerde uygulama alanı bulur. 3

14 Isı değiştiricisinin içinde yoğuşma ve buharlaşma gibi bir faz değişimi yoksa bunlara duyulur ısı değiştiricisi, içinde faz değişimi olanlara ise gizli ısı değiştiricisi adı verilir. Isı değiştiricilerinde akışkanlar birbirleriyle karıştırılmadan ısı geçişinin doğrudan yapıldığı, genelde metal malzeme olan katı bir yüzeyle birbirinden ayrılıyorsa bu tip ısı değiştiricisine yüzeyli veya reküparatif ısı değiştiricisi denir. Isı geçişi doğrudan olmayıp ısı önce sıcak akışkan tarafından döner veya sabit bir dolgu maddesine verilerek depo edilir ve daha sonra bu dolgu maddesindeki ısı soğuk akışkana verilirse, bu tip ısı değiştiricisine dolgu maddeli veya rejeneratif ısı değiştiricisi denir Isı Eşanjörlerinin Sınıflandırılması 1. Isı değişim şekline göre sınıflama; a) Akışkanların doğrudan temaslı olduğu ısı değiştiriciler b) Akışkanlar arasında doğrudan temasın olmadığı ısı değiştiriciler 2. Isı geçiş yüzeyinin ısı geçiş hacmine oranına göre sınıflama (kompaktlık); a) Kompakt olmayan ısı değiştiriciler b) Kompakt ısı değiştiriciler 3. Akışkan sayısına göre sınıflama; a) İki akışkanlı ısı değiştiriciler b) Üç akışkanlı ısı değiştiriciler c) n adet akışkanlı ısı değiştiriciler 4. Isı geçişi mekanizmasına göre sınıflama; a) İki tarafta da tek fazlı akış olan ısı değiştiriciler b) Bir tarafta tek fazlı, diğer tarafta çift fazlı akış olan ısı değiştiriciler 4

15 c) İki tarafta da çift fazlı akış olan ısı değiştiriciler d) Taşınımla ve ışınımla ısı geçişi olan ısı değiştiriciler 5. Konstrüksiyon özelliklerine göre sınıflama; 5.1. Borulu ısı değiştiricileri a) Düz borulu ısı değiştiriciler b) Spiral borulu ısı değiştiriciler c) Gövde borulu ısı değiştiriciler 5.2. Levhalı ısı değiştiricileri a) Contalı levhalı ısı değiştiricileri b) Spiral levhalı ısı değiştiricileri c) Lamelli ısı değiştiricileri 5.3. Kanatlı yüzeyli ısı değiştiricileri a) Levhalı kanatlı ısı değiştiriciler b) Borulu kanatlı ısı değiştiriciler 5.4. Rejeneratif ısı değiştiriciler a) Sabit dolgu maddeli rejeneratörler b) Döner dolgu maddeli rejeneratörler 5.5. Karıştırmalı kaplar 6. Akıma göre sınıflama; 6.1 Tek geçişli ısı değiştiriciler a) Paralel akımlı ısı değiştiriciler b) Ters akımlı ısı değiştiriciler c) Çapraz akımlı ısı değiştiriciler 6.2.Çok geçişli ısı değiştiriciler a) Çapraz ters ve çapraz paralel akımlı ısı değiştiriciler 5

16 b) Çok geçişli gövde borulu ısı değiştiriciler c) n adet paralel levha geçişli ısı değiştiriciler 1.3. Plakalı Isı Eşanjörleri Plakalı ısı eşanjörlerinde esas ısı geçişinin olduğu yüzeyler genelde ince metal levhalardan yapılır. Bu metal yüzeyler düz veya dalgalı biçimde olabilirler. Genellikle gövde-borulu tip ısı eşanjörlerine göre daha yüksek toplam ısı transfer katsayısına sahiptirler. Şekil 1 de plakalı bir ısı eşanjörünün yapısı görülmektedir (Reppich, 1999). Şekil 1.1. Plakalı ısı eşanjörünün yapısı. 1. Sabit baskı plakası Ön gövde 2. Başlangıç plakası 3. Plaka 4. Son plaka 5. Hareketli baskı plakası Arka gövde 6. Üst taşıma kolonu 6

17 7. Alt taşıma kolonu 8. Destek kolonu 9. Burulmaya karşı gergin vida koruması 10. Bağlantı Plakalı ısı eşanjörleri; contalı plakalı, spiral plakalı ve lamelli olmak üzere üç grupta incelenebilirler (Genceli, 1999): a) Contalı plakalı ısı eşanjörleri; Contalı plakalı ısı eşanjörleri ince metal plakaların bir çerçeve içerisine sıkıştırılarak paket haline getirilmesi suretiyle yapılırlar. Her bir metal plakanın dört tarafında akışkanların geçebilmesi için delikler vardır. Plakalar birleştirilip paket yapılırken uygun contalar kullanılarak akışkanların birbirine karışması ve dışarıya sızıntı yapması önlenir. Plakalar arasındaki boşluklardan sıcak ve soğuk akışkanlar birbirine karışmadan akarlar. Rijitlik sağlamak, plakalar arasındaki mesafeyi sabitleştirmek ve ısı transferini iyileştirmek için plakalar dalgalı şekilde yapılırlar. b) Spiral plakalı ısı eşanjörleri; Isı transfer yüzeylerinin plakalardan oluştuğu, silindirik borulardan oluşmadığı plakalı tip ısı eşanjörleridir. Spiral plakalı ısı eşanjörleri mm genişliğindeki uzun ince iki metal plakanın her biri bir akışkan için olmak üzere iki spiral, paralel kenar oluşturacak şekilde spiral şeklinde sarılması ile elde edilir. İki plaka arasına konulan sapmalar ile düzgün bir aralık sağlanabilir. Plakaların iki tarafı contalı kapaklar ile kapatılır. Çeşitli akış konfigürasyonları mümkündür ve akış konfigürasyonlarına göre değişik tip spiral ısı eşanjörü imal edilebilmektedir. c) Lamelli ısı eşanjörleri; Bir gövde içine yerleştirilmiş borulardan (lameller) yapılmış bir demetin yerleştirilmesi ile elde edilir. Lameller genellikle nokta veya elektrikli dikiş kaynağı ile birbirine tutturulur. Akışkanlardan birisi lamelli boruların içinden akarken diğer akışkan lamellerin arasından akar. Gövde içinde şaşırtma levhaları yoktur. Akış tek geçişli olup aynı yönlü veya karşıt akışlı düzenleme kullanılabilir. 7

18 2.KAYNAK BİLGİSİ Alefeld vd. (1997) su-lityum bromür gibi absorbsiyonlu soğutma grubu uygulamalarında kullanılan su ve hidroksit akışkan çiftinin bazı termofiziksel özellikleri üzerinde çalışmışlardır. Laboratuarlarında 45 KW ısıtma kapasitesinde çift etkili absorbsiyonlu ısı pompası dizayn etmişlerdir ve bu sistem üzerinde testler yapmışlardır. Test sonuçlarını çalışmaları sonunda vermişlerdir. Reppich (1999) kimya ve benzeri endüstri uygulamalarında kullanılan ısı eşanjörlerinin düşük akış hızı ve yüksek türbülans şartları altında plakalar arasındaki kanal akışını karakterize etmişlerdir. Lee vd. (2000) plakalı ısı eşanjörlerinin kanallarının optimal şekillendirilmesi ve düzenlenmesi üzerine çalışmışlardır. Bu çalışmada mesafe (L), hacim (V), açı (β) ve eğim (G) olmak üzere dört adet boyutsuz geometrik parametre kullanmışlardır arasında reynold sayısını kullanarak L=0.272, V=0.106, β=0.44, G=0.195 olarak belirlenmiştir. Plakalı ısı eşanjörlerinde ki basınç düşümü ve ısı transfer özelliklerini incelemişlerdir. Bansal vd. (2000) iki farlı plakalı ısı eşanjör geometrisi için kalsiyumsülfat birikintisini incelemişlerdir. Bu çalışmada akış hızı, hacim ve yüzey sıcaklığı olmak üzere üç adet parametre üzerinde durmuşlardır. Akışkan düzenindeki eğilim ile plaka dizaynı arasında güçlü bir ilişkinin olduğunu belirlemişlerdir. Bejan vd. (2000) karşıt akışlı ısı eşanjörlerinin yapısal özelliklerinin termodinamik optimizasyon ile belirlenmesi üzerine çalışmışlardır. Isı eşanjörünün dizaynının iki kanal arasındaki boşluk oranı, iki akış arasındaki toplam ısı transfer alanı ve iki akışın kapasite oranı ile optimize edilebileceğini göstermişlerdir. Ayrıca geometrik özellikleri optimize ederek entropi üretim oranını hesaplamışlardır. Saman vd. (2001) evoparatif soğutucularda ve sıvı kurutucu absorber de kullanılan karşıt akışlı plakalı ısı eşanjörlerinin performans analizini yapmışlardır. Isı ve kütle 8

19 transfer alanı ile primer ve sekonder hava kütlesi akış oranı arasında güçlü bir bağ olduğunu belirlemişlerdir. Würfel vd. (2002) plakalı ısı eşanjörlerinin plaka olukları arasındaki yoğuşmayı buhar-sıvı ve n-heptane kullanarak deneysel olarak araştırmışlardır. Deneysel parametreler olarak çeşitli buhar fazlarındaki yükleri ve sızdırma plaka türlerini kullanmışlardır. Sonuç olarak ısı transfer katsayısı ve basınç düşümü ile tam yoğuşma durumu arasında bir ilişki kurmuşlardır. Faz yüklerinin asıl etkisi kadar aynı zamanda oluk eğim açısının da iki fazlı akışlı sistemde önemli olduğunu gözlemlemişlerdir. Hazarika vd. (2002) süt üretim uygulamaları sırasında kullanılan plakalı ısı eşanjörlerinde, iki oluklu plaka için iki ve üç boyutlu akışkan hareketi hesaplamalarını (CFD) kullanarak akışı detaylı olarak hesaplamışlardır. Akışkan hareketi hesaplamalarının (CFD) optimum plakalı ısı eşanjörü dizaynı için değerli bir yardımcı olduğunu belirlemişlerdir. Wang vd. (2002) klasik plakalı ısı eşanjörü dizayn metodları olan NTU veya temel logaritmik sıcaklık farkı metodundan farklı olan basınç düşümü ayrıntıları olmayan optimum plakalı ısı eşanjörü dizaynı metodu üzerinde çalışmışlardır. Kullandıkları metodun iki akışlı sistemler için basınç düşümü değerlerini, yapılması uygun optimize değerler olarak garanti ettiğini belirlemişlerdir. Buna ek olarak çoğu ortak ısı eşanjör tipi için oluk açısını da belirlemişlerdir. Gut vd. (2003) genelleşmiş bir contalı plakalı ısı eşanjörünü algoritmik formda matematiksel olarak simüle ederek geliştirmişlerdir. Konfigürasyonu kanal sayısı, akışkan geçiş sayısı, besleme bağlantı yeri ve akışkan geçiş tipi olarak belirlemişlerdir. Bu modeli oluşturarak konfigürasyonun plakalı ısı eşanjörü üzerindeki etkilerini ve optimum ısı eşanjörü dizaynını belirlemeyi amaçlamışlardır. Simülasyonun sonucunda bütün kanalların sıcaklık grafiklerini, ısıl etkinliklerini, toplam ısı transfer katsayısını ve basınç düşümlerini bulmuşlardır ve toplam ısı transfer katsayısının analizini yapmışlardır. 9

20 Zhu vd. (2003) jeotermal ısıtma sistemlerinde kullanılan plakalı ısı eşanjörlerinin optimum akış oranı ve optimum dizaynı üzerinde çalışmışlardır. Çalışmalarında uygulama teknolojisi, ekonomi ve bilgisayar programı yardımıyla optimum dizayn ve akış oranını belirlemişlerdir. Ayrıca plakalı ısı eşanjörlerinin nasıl seçildiğini örneklemişlerdir. Lottin vd. (2003) buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerinde evaporatör ve kondenserin işleyişini araştırmışlardır. Yapılan prototipte soğutucu akışkan olarak HFC R410 A ve sentetik polyester (POE) kullanmışlardır. Sistem yüküne bağlı olarak akışkan miktarındaki artışın, soğutucu akışkan karışımının davranışındaki değişimi incelemişlerdir. Bunun yanında sistemdeki mevcut akışkanla ısı eşanjörünün performansı arasındaki ilişki araştırılmıştır. Plakalı evaporatör seçiminde soğutucu akışkanla ısı iletim katsayısının birbirleriyle ilişkili olduğunu bulmuşlardır. Uçar vd. (2004) dört farklı iklimin görüldüğü Türkiye de güneş enerjili merkezi ısıtma sisteminin ısıl performansını ve ekonomik olarak yapılabilirliğini araştırmışlardır. Kollektör alanının ve güneş depolama miktarının ısıl performans ve maliyet üzerindeki etkilerini araştırmışlardır. Bunun için ANSYS bilgisayar programını kullanarak plakalı güneş kolektörü, ısı pompası ve depo modellemişlerdir. Bu modeller üzerinde Trabzon için en düşük değer olan 41 o N ve Adana için en yüksek değer olan 37 o N kullanmışlardır. Türkiye için bu tür bir sistemin yaklaşık yıl içinde geri dönüşümünün olduğunu bulmuşlardır. Matsushima vd. (2004) soğutma akışkanı olarak su kullanan soğutma gruplarında kullanılan, plaka yüzeylerini sarmal boruyla saran yeni tip plakalı ısı eşanjörlerinin evoporasyon performansı üzerinde çalışmışlardır. Çalışmaları sonunda plakaları sarmal olarak saran boruların suyla temas eden kısımlarındaki ısı transferi ve basınç düşümlerinin soğutkan tarafındaki basınç düşümüyle karşılıklı ilişki içinde olduklarını belirlemişlerdir. Srihari vd. (2004) akıştaki kötü dağılımın etkilerini göz önünde bulundurarak plakalı ısı eşanjörlerinin göstermiş olduğu tepkiyi araştırmışlardır. Akışkan dağılımındaki 10

21 eşitsizliğin, kanaldan kanala olan akışın hızındaki çeşitliliğe ve bu yüzden de ısı transfer katsayısındaki değişmelere neden olduğunu belirlemişlerdir. Zubair vd. (2004) plakalı ısı eşanjörlerinde ısıl ve ekonomik performansı incelemişlerdir. Bunun için çelik malzemeden yapılmış ısı eşanjörü kullanmışlardır. Çalışmaları sonucunda sistemin işleyişi ve bakımı sırasında sıcaklık ve hizmet zamanı arasında güçlü bir ilişkinin olduğunu belirlemişlerdir. Pinto vd. (2004) plakalı ısı eşanjörlerinde optimum konfigürasyon dizaynı üzerine çalışmışlardır. Isı transfer alanı, kanal sayısı, basınç düşümü, akış hızı, ısıl etkinlik, ısıl ve hidrolik model olmak üzere altı adet parametre belirlemişlerdir. Optimum konfigürasyon özelliklerini başarıyla tespit etmişlerdir. Çalışmaları sonucunda istenen değerlere basınç düşümü ve hız için yaklaşık %5, ısıl durum için %1 oranında sapmayla yaklaşmışlardır. Franco vd. (2004) plakalı-kanatlı ısı eşanjörü, karşı akışlı ısı eşanjörü ve kompak ısı eşanjörlerini kullanarak analizler yapmışlardır. Kompak ısı eşanjörü kullanarak küçük boyutta bir buharlı ısı geri kazanım sistemi dizayn etmişlerdir. 1.5 MW basınç altında test ettikleri buharlı ısı geri kazanım sisteminin genel dizayn metodları ile ilgili olarak performansında artış olduğunu göstermişlerdir. Kargıcı vd. (2004) ısı değiştiricilerin optimal dizaynı üzerinde çalışmışlardır. Optimum dizayn probleminde aşırı iniş metodunu kullanmışlardır. Optimum çözüm için tüp içindeki ısı transfer katsayısı, tüp dışındaki ısı transfer katsayısı, sıcaklık farkı ve tüp dışındaki ısı transfer alanının önemini belirlemişlerdir. Bu araçların optimum dizayn için çok önemli olduğunu ve enerji endüstrisi için beklenen yararı sağlayacağını belirlemişlerdir. Park vd. (2005) ilerleyen çeyrek cevaplı yüzey metodunun (PQRSM) biri olan dizi yaklaşımlı optimizasyon (SAO) algoritmalarını kullanarak ısı eşanjörlerinin optimal dizaynı üzerine çalışmışlardır. İlerleyen çeyrek cevaplı yüzey metodundan (PQRSM) 11

22 aldıkları değerleri ve sonuçları dizisel çeyrek programlama (SQP) metodundan aldıkları bilgilerle karşılaştırmışlardır. Riverol vd. (2005) plakalı ısı eşanjörlerinde yapay sinir ağlarını kullanarak kritik zaman, ortalama ısı transfer katsayısı ve tabaka kalınlığını tahmin etmeye çalışmışlardır. Çalışmalarının sonucunda buldukları sonuçların şu anki endüstri uygulama teknikleri için uygun olduklarını belirlemişlerdir. Kuo vd. (2005) plakalı ısı eşanjörlerinde akışkan olarak alternatif soğutucu akışkan olan R-410 A kullanarak yoğuşma sırasındaki ısı transferini ve basınç düşümünü deneysel olarak araştırmışlardır. Deneylerinde üç plakadan oluşan karşıt akışlı, plaka oluk açısı 60 0 olan plakalı ısı eşanjörü kullanmışlardır. Çalışmaları sonucunda R-410 A nın yoğuşması sırasında buhar kalitesine bağlı olarak ısı transfer katsayısının ve basınç düşümünün hemen hemen lineer olarak arttığını belirlemişlerdir. Ayrıca iki fazlı akış için kaynama noktası ve ona karşılık gelen reynold sayısı ile sürtünme faktörü arasında bir ilişkilendirme yapmışlardır. Kim vd. (2005) deneysel bilgilerden sağladıkları verilerle optimum düz plakalı kanatlı boru tipi ısı eşanjörlerinin dizaynındaki kanat eğimleri üzerine çalışmışlardır. Çalışmalarında yirmi iki adet ısı eşanjörünün farklı kanat eğimi, boru sıra sayısı ve boru hizasını test etmişlerdir. Çalışmaları sonucunda boruları basamak şeklinde hizaya getirmenin ısı transfer performansının, boruları sıralı hizaya getirmeden %10 daha fazla verim sağladığını bulmuşlardır. Galeazzo vd. (2006) düz plakalardan oluşan, dört kanallı plakalı ısı eşanjöründen sanal bir prototip geliştirmişlerdir ve bunu akışkan hareketlerini hesaplamada kullanmışlardır. Paralel ve seri akış düzenlemelerine göre testler yapılmış ve buradan elde edilen sayısal öngörüler üç boyutlu prototipten elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Ciofolo vd. (2006) plakalı ısı eşanjörlerinde ki boyuna ısı iletiminin lokal etkileri üzerinde çalışmışlardır. Çalışmalarında plakalı ısı eşanjörlerinin boyutlandırılması 12

23 üzerinde durmuşlardır ve boyutlandırmanın ısı eşanjörünün performansı ve etkinliği üzerindeki etkilerini araştırmışlardır. Atmaca vd. (2006) eş merkezli, iç içe borulu ısı değiştiricisinde sıcak akışkan ve soğuk akışkan tarafında ısı taşınım katsayıları ve toplam ısı transfer katsayısını deneysel olarak bulmuşlardır ve aynı yönlü paralel akış ve zıt yönlü paralel akışlı ısı değiştirici tiplerini birbirleriyle karşılaştırmışlardır. Deneylerini türbülanslı akış şartlarında < Re < değerlerinde yapmışlardır. Deneyde sıcak ve soğuk akışkan olarak su kullanmışlardır. Deneyleri sonucunda Re sayısının, Nu sayısına ve basınç kayıp katsayısına göre değişimlerini vermişlerdir. Dwivedi vd. (2006) farklı akış türleri için plakalı ısı eşanjörlerinin performansları üzerine çalışmışlardır. Sonuçta akıştaki kötü dağılımın eşanjörün performansı üzerinde olumsuz etki yaptığını bulmuşlardır. Çalışmalarında NTU ve ısıl kapasite oranının plakalı ısı eşanjörleri üzerindeki etkilerini bulmuşlardır. Chen vd. (2006) Taguchi metodunu kullanarak akışkan miktarı, kanat sayısı ve kanat kalınlığı, boru sayısı, plaka sayısı ve plaka açısından oluşan beş deneysel faktörün ısı eşanjöründe ısı transferine ve basınç düşümüne olan etkilerini araştırmışlardır. Deneysel verilerden on beş örnek seçmişler ve ısı transfer ve akışın karakteristiğini analiz etmişlerdir. Akışkan miktarı, kanat sayısı ve kanat kalınlığı, plaka sayısının ısı eşanjörünün performansına temelde etki ettiğini bulmuşlardır. Bunun yanında bu üç faktörün optimum ısı eşanjörü dizaynında önemli rol oynadığını belirlemişlerdir. Vega vd. (2006) lityum bromür-su akışkan çifti kullanılan absorbsiyonlu soğutma grubu uygulamalarında kullanılan plakalı ısı eşanjörlerinin performansı üzerine çalışmışlardır. Jeneratöre akışkan giriş sıcaklığı C, kondenser ve absorber giriş sıcaklığı C, soğutma kapasitesi 2-12 KW için performans katsayısını 0,5-0,8 olarak belirlemişlerdir. Bu değerler altında plakalı ısı eşanjörünün ısı transfer analizini yapmışlardır. Ortalama ısı transfer katsayısını 790 W/m 2 K olarak bulmuşlardır. 13

24 Kanaris vd. (2006) plakalı ısı eşanjörlerinde CFD kodlarının plaka olukları ile ısı transferini büyütmek ve akışın karakteristiğini belirlemedeki potansiyeli üzerine çalışmışlardır. CFD kodlarını, simüle ettikleri plakalı ısı eşanjörünün performansını belirlemede kullanmışlar ve bu değerleri deneysel bilgilerdeki sayısal sonuçlarla karşılaştırmışlardır. CFD kodlarının çeşitli geometrik konfigürasyonlarda plakalı ısı eşanjörünün optimum dizaynı için çok etkili olduğunu göstermişlerdir. Wen vd. (2006) CFD simülasyonu ve PIV deneysel verileri aynı durumlar için kullanarak plakalı-kanatlı ısı eşanjörünün girişindeki türbülanslı akışı karakterize etmişlerdir. Gelişmiş, geleneksel ve ileri konfigürasyonlar için hız vektörlerini ve aerodinamik grafiklerini çizmişlerdir. Yaptıkları deneysel ve sayısal çalışmaların sonucunda akıştaki kötü dağılımın performansı, geleneksel girişi kötüleştirdiğini belirlemişlerdir. Gelişmiş konfigürasyonların girişinde akışın radyal ve aksiyal doğrultuda sağlanması durumunda performansı geliştirebileceğini belirlemişlerdir. Carezzato vd. (2006) test akışkanı olarak karboksimetilselüloz kullanarak sekiz farklı konfigürasyon için non-newton ısı transferinden elde ettikleri deneysel bilgileri ele alarak plakalı ısı eşanjörü modeli düzenlemişlerdir. Buna ek olarak net ısı, ısıl iletim gibi karboksimetilselüloz parametreleri ile sıcaklık arasında ilişki kurmuşlardır. Tatsumi vd. (2006) karşıt akışlı oluklu ince plakalı ısı eşanjörünün bir model biriminde akış ve ısıl alan için sayısal olarak simüle ederek iletim ve taşınılma ısı transferini iki boyutlu olarak araştırmışlardır. 100<Re<400 için plaka kalınlığındaki değişim ve farklı plaka malzemesi için ısı eşanjöründeki performans değişikliğini belirlemişlerdir. Sözen vd. (2006) yapay sinir ağları metodunu kullanarak ejektör-absorbsiyon ısı değiştiricilerindeki enerji kayıplarını incelemişlerdir. Çalışmaları sonucunda yapay sinir ağları metodunun hız hesaplamalarında, fiyat analizi yapmada, hızlı geri dönüşüm sağlamada ve kolay işlem teknik deneyim sağlamada çok önemli bir rol üstlendiğini belirlemişlerdir. 14

25 Tonin vd. (2006) ısı eşanjörlerinin ısıl performansının denetimi üzerine çalışmışlardır. Bunun için var olan NTU ve ısıl kapasite oranını kullanarak etkinlik değerini tahmin etmeye çalışmışlardır. Kütle akış oranındaki değişimlere göre NTU ve ısıl kapasite oranını düzenlemişlerdir. 15

26 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1. Plakalı Isı Eşanjörlerinin Termodinamik Analizi Bir ısı eşanjöründeki ısı geçişi, sadece içindeki akışkanlar arasında olduğu, yani ortama bir ısı kaybının olmadığı kabul edilirse, plakalı ısı eşanjöründe aşağıdaki bağıntılarla yazılabilir (Genceli, 1999): Q = Isı eşanjöründe geçen ısı (W) = Sıcak akışkanın soğurken verdiği ısı (W) = Soğuk akışkanın ısınırken aldığı ısı (W) Q= K.A. t m (3.1) Sıcak ve soğuk akışkanların soğuması ve ısınması esnasında verilen ve alınan ısılar, akışkanların kütlesel debileri ile giriş ve çıkış entalpilerinin farkından bulunabilir ve aşağıdaki gibi yazılabilir:. Q = m. h h g ç (3.2) Isının alınması ve verilmesi durumunda akışkanların sıcaklıkları değişiyor ise, geçen ısı miktarı:.. Q = = mh. c ph. t t mc c t t hg hç. pc. cç cg (3.3) şeklinde yazılabilir. Bu denklemde:.. mh ve mc : Sırasıyla sıcak ve soğuk akışkanın kütlesel debisi (kg/s) c ph ve c : Sırasıyla sıcak ve soğuk akışkanın özgül ısısı (J/kgK) pc 16

27 t : Sırasıyla sıcak akışkanın giriş ve çıkış sıcaklıkları ( o C) hg ve t hç t : Sırasıyla soğuk akışkanın giriş ve çıkış sıcaklıkları ( o C) cg ve t cç Buharlaşma ve yoğuşma şeklinde bir faz değişimi var ise geçen ısı miktarı aşağıdaki gibi hesaplanabilir:. Q m. r = (3.4) Belirli bir çalışma periyodundan sonra ısı değiştirici yüzeyleri üzerine akışkanlar içinde bulunabilen 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 getiriler. R f simgesi ile gösterilen bu kirlilik direnci (veya faktörü), ısı geçiş yüzeylerinin kirli ve temiz olmaları hallerindeki ısıl dirençlerin farkından aşağıdaki gibi bulunabilir: R f 1 1 = (3.5) K K kirli temiz Metal yüzeylerdeki pürüzlülük nedeniyle iki metal arasındaki temasın mükemmel olmaması yüzünden, bu yüzeylerde bir temas direnci oluşur. İki yüzeydeki temas direnci, bu yüzeylerde bir sıcaklık azalmasına neden olur. Bu durumları göz önüne alabilmek için aşağıdaki gibi bir direnç tanımı yapılabilir: R t (t A t B ) = (3.6) Q A Sonuç olarak ısı eşanjörü yüzeyindeki toplam ısı transfer katsayısı aşağıdaki denklem yardımıyla bulunabilir: 17

28 1 K 1 L L = + R f1 + + R t, R t, R f 2 + (3.7) α1 λ1 λ 2 λ3 α 2 L 1 Isı eşanjörlerinin ısıl hesaplarının yapılışında, Denklem (1) in kullanılması durumunda ortalama logaritmik sıcaklık farkı ( t m ) ifadesinin tayini gerekir. Ortalama logaritmik sıcaklık farkı değeri, ısı eşanjöründe akışın türüne göre belirlenmektedir. Şekil 3.1 ve Şekil 3.2 de akışın paralel ve ters olması durumunda ısı eşanjörü uzunluğu boyunca sıcaklık dağılımları görülmektedir. T h T Sıcaklık T h T T c T c Uzunluk Şekil 3.1. Paralel akışlı ısı eşanjöründe sıcaklık dağılımı T hg T 1 T cç Sıcaklık T hç T 2 T cg Uzunluk Şekil 3.2. Ters akışlı ısı eşanjöründe sıcaklık dağılımı 18

29 Ortalama logaritmik sıcaklık farkı ( t m ) aşağıdaki gibi ifade edilebilir: t t 1 2 t m = (3.8) t 1 ln t 2 Son eşitlik Denklem (1) e taşınırsa: Q K.A.( t 1 2 = (3.9) t1 ln t t 2 ) ifadesi elde edilir. Isı eşanjörlerinin etkenliği aşağıdaki denklem yardımıyla hesaplanabilir: Q ε = (3.10) Q max.. C = mh. c ve C = c h ph c mc. sıcak ve soğuk akışkanların ısıl kapasite değerleri pc olmak üzere ısı eşanjöründeki gerçek ısı geçişi aşağıdaki gibi yazılabilir. Q = C = h t t hg t hç C t c. cç cg. (3.11) Mümkün olabilen maksimum ısı geçişi olarak tanımlanan Q max değeri ise, C h veya C c ısıl kapasite debilerinden hangisi daha küçükse onun kullanılması şartıyla aşağıdaki gibi yazılabilir: Q max = C min. (t hg t cg ) (3.12) 19

30 C = C min / C max ve boyutsuz sayı olan geçiş birimi sayısı NTU = (K.A / C min ) şeklinde ifade edilirse ters akışlı bir ısı eşanjörü etkenliği aşağıdaki gibi de ifade edilebilir (Genceli, 1999): [ NTU (1 C) ] [ NTU (1 C) ] 1 exp ε = (3.13) 1 C.exp Bir sistemde ekserji kaybına neden olan durumlar; sürtünme kayıpları, sıcaklık farkı sebebiyle oluşan ısı transferi, hızlı genişleme veya sıkıştırma gibi olaylardır (Kotas, 1985; Szargut, 1988). Saf maddenin ekserjisi aşağıdaki gibi yazılabilir (Kotas, 1985; Çengel ve Boles, 1996): 2 v ψ = ( h ho ) To ( s s o) + + gz (3.14) 2 (14) denkleminde kinetik ve potansiyel enerji terimleri ihmal edilirse; ( h h ) T ( s s ) ψ = (3.15) o o o eşitliği elde edilir. (15) denkleminde verilen h o ve s o değerleri, akışkanın çevre sıcaklığındaki entalpi ve entropisini ifade etmektedir. Sıcak akış Soğuk akış Şekil 3.3. Akışların karışmadığı iki akışlı ısı eşanjörü Şekil 3.3 de gösterilen akışkanların karışmadığı adyabatik bir ısı eşanjörü için entropi üretimi: 20

31 S üretim ( s s ) + m ( s ) = m (3.16) h 2 1 c 4 s3 olarak yazılabilir. Birim zamanda tersinmezlik: I = T0 S üretim (3.17) olarak yazılabilir. Birim kütle için entropi üretimi ise: s üretim = ( s s ) + ( s ) (3.18) s3 şeklinde yazılabilir. Birim kütle için tersinmezlik de aşağıdaki gibi yazılabilir: ı T0 s üretim = (3.19) 21

32 3.2. Deneysel Sistem Tasarımı ve İmali Deneysel çalışmanın amacı, plakalı ısı eşanjörü kullanılan bir ısıtma-soğutma sistemi imal etmek ve plakalı ısı eşanjörünün performans karakteristiklerini belirlemektir. Bu amaçla oluşturulan deney cihazı dört farklı çalışma durumu için tasarlanmıştır. Deney cihazı; ısıtma amaçlı kapalı sistem, ısıtma amaçlı açık sistem, soğutma amaçlı kapalı sistem ve soğutma amaçlı açık sistem olmak üzere dört farklı şekilde çalışabilmektedir. Kurulan deneysel sistem Şekil 3.4 te görülmektedir. Deneysel sistem ısıtma amaçlı çalıştığında; iki adet 4,5 kw gücünde ısıtıcılar vasıtasıyla sıcak su üretici kazanında ısıtılan su, bir pompa vasıtasıyla plakalı ısı eşanjörüne gönderilmektedir. Plakalı ısı eşanjöründe ısısını, sıcak su tankından gelen suya aktararak tekrar sıcaklığı azalmış olarak sıcak su üretici kazanına geri döner. Sıcak su tankından çıkan su yine bir başka pompa yardımıyla ısı eşanjörüne gönderilmektedir. Isı eşanjöründe sıcak su üretici kazanından gelen suyun ısısını alarak sıcaklığı artan su, tekrar sıcak su tankına geri dönmektedir. Plakalı ısı eşanjöründe sıcak akışkandan soğuk akışkana ısının aktarıldığı devre, primer devre; soğuk akışkanın sıcak akışkandan ısı aldığı devre ise sekonder devre olarak isimlendirilmiştir. Deneysel sistem soğutma amaçlı çalıştırıldığında; soğuk su tankındaki su, bir pompa vasıtasıyla soğutma sistemine ait ayrı bir plakalı ısı eşanjörüne gönderilir. Plakalı ısı eşanjörüne soğuk su tankından gelen suyun ısısı, ayrı bir kompresörlü soğutma grubunda dolaşan soğutucu akışkana aktarılır. Dolayısıyla plakalı eşanjörden soğumuş olarak çıkan su, tekrar soğuk su tankına döner. Eşanjörden çıkan suyun ısısını alarak ısınan soğutucu akışkan, tekrar kompresörlü soğutma grubuna gelir ve burada tekrar soğutulur. Kompresörlü soğutma grubu, hava soğutmalı kondensere sahip olup sistemde dolaşan soğutucu akışkan R-22 dir. Isıtma ve soğutma amaçlı olarak dizayn edilen deney düzeneğinde; sekonder devre olarak isimlendirilen yani soğuk akışkanın sıcak akışkandan ısı aldığı devrede; sistemde dolaşan akışkan çevrimini tamamladığında sıcak ya da soğuk su toplama tankına dönüyorsa kapalı sistem, çevrimini tamamlayan akışkan sıcak veya soğuk su 22

33 toplama tankına dönmeyip dışarıya atılıyorsa açık sistem olarak adlandırılmıştır. Deney cihazının kapalı sistem olarak çalışma prensibi Şekil 3.5 ve Şekil 3.6 da şematik olarak görülmektedir. Deneysel sistemin ısıtma amaçlı ve kapalı sistem olarak çalıştırılması esnasında üç farklı debi kullanılmıştır. İlk deney 0,67 m 3 /h, ikinci deney 0,95 m 3 /h ve üçüncü deney 1,16 m 3 /h değerlerinde yapılmıştır. Deneysel sistemin ısıtma amaçlı ve açık sistem olarak çalıştırılması esnasında yine üç farklı debi kullanılmıştır. İlk deney 1,05 m 3 /h, ikinci deney 1,13 m 3 /h ve üçüncü deney 1,15 m 3 /h değerlerinde yapılmıştır. Deneysel sistemin soğutma amaçlı ve kapalı sistem olarak çalıştırılması esnasında da üç farklı debi kullanılmıştır. İlk deney 0,94 m 3 /h, ikinci deney 1,37 m 3 /h ve üçüncü deney 1,73 m 3 /h değerlerinde yapılmıştır. Deneysel sistemin soğutma amaçlı ve açık sistem olarak çalıştırılması esnasında yine üç farklı debi kullanılmıştır. İlk deney 1,12 m 3 /h, ikinci deney 1,14 m 3 /h ve üçüncü deney 1,16 m 3 /h değerlerinde yapılmıştır. Şekil 3.4. Deney cihazı 23

34 Şekil 3.5. Deney cihazının şematik gösterimi (Karşıdan görünüş). Şekil 3.6. Deney cihazının şematik gösterimi (Üstten görünüş). 24

35 Plakalı Isı Eşanjörü Isıtma amaçlı çalıştırılan deney düzeneğindeki ısı eşanjörü, Şekil 3.7.a, b ve c de görüldüğü gibi 6 adet plakadan oluşan contalı plakalı ısı eşanjörü olarak tasarlanmıştır. Deneysel sistemde kullanılan plakalı ısı eşanjörü ters akımlıdır. Plakalı ısı eşanjörünün özellikleri Çizelge 3.1 de verilmiştir. Çizelge 3.1. Plakalı ısı eşanjörünün özellikleri Plaka uzunluğu 0,48 m Plaka genişliği 0,296 m Toplam plaka sayısı 6 Isı transfer alanı 0,16 m 2 Plaka malzemesi 0,5 mm kalınlığında paslanmaz çelik (AISI 316) Conta malzemesi Etilen propil di metil (EPDM) Dizayn sıcaklığı 100 o C Dizayn basıncı 10 bar Şekil 3.7.a. Plakalı ısı eşanjörü 25

36 Şekil 3.7.b. Şekil 3.7.c Sıcak Su Üretici Kazanı Sıcak su üretici kazanı, paslanmaz çelikten 75 lt olarak tasarlanmış ve imal edilmiştir (Şekil 3.8). Yapılan deneysel çalışmada primer devrede kullanılan sıcak su, her biri 4,5 kw gücünde olan iki adet elektrikli ısıtıcı ile sağlanmıştır. Elektrikli ısıtıcılar, 60 cm uzunluğunda ve 40 cm çapında paslanmaz çelikten yapılan su silindirini ısıtmak üzere yerleştirilmiştir. Şekil 3.8. Sıcak su üretici kazanı 26

37 Sıcak Su Toplama Tankı Sıcak su toplama tankı, paslanmaz çelikten 70 lt olarak tasarlanmış ve imal edilmiştir (Şekil 3.9). Sıcak su toplama tankının boyu 55 cm ve çapı 40 cm dir. Gövde; yalıtım malzemesi ile izole edilmiştir. Sıcak su toplama tankı, plakalı ısı eşanjöründen sıcaklığı artarak çıkan suyun toplandığı kısımdır. Şekil 3.9. Sıcak su toplama tankı Soğuk Su Toplama Tankı Soğuk su toplama tankı, paslanmaz çelikten 70 lt olarak tasarlanmış ve imal edilmiştir (Şekil 3.10). Soğuk su toplama tankının boyu 55 cm ve çapı 40 cm dir. Gövde; yalıtım malzemesi ile izole edilmiştir. Soğuk su toplama tankı, plakalı ısı eşanjöründen sıcaklığı azalarak çıkan suyun toplandığı kısımdır. 27

38 Şekil Soğuk su toplama tankı Kompresörlü Soğutma Grubu Kompresörlü soğutma grubu, 7/12 o C çalışan, hava soğutmalı kondensere sahip, mini bir soğutma grubu olarak tasarlanmış ve imal edilmiştir (Şekil 3.11). Şekil Kompresörlü soğutma grubu 28

39 4. BULGULAR VE TARTIŞMA Isıtma amaçlı ve kapalı sistem olarak çalışan deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjörüne giren ve eşanjörden çıkan sıcak ve soğuk su sıcaklıkları farklı zamanlarda ölçülmüş ve Şekil 4.1 de verilmiştir. Plakalı ısı eşanjöründe dolaşan akışkan debisi 0,67 m 3 /h olarak belirlenmiştir. Şekil 4.1. Plakalı ısı eşanjörüne giren ve çıkan akışkan sıcaklıkları (. V =0,67 m 3 /h için) Isıtma amaçlı ve kapalı sistem olarak çalışan deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjöründe, eşanjöre giren ve çıkan sıcak ve soğuk suyun sıcakları farklı zamanlarda ölçülerek ortalama logaritmik sıcaklık farkı değerleri hesaplanmış ve Şekil 4.2 de gösterilmiştir. Plakalı ısı eşanjörü ters akışlı olup yapılan ilk deneyde akışkan debisi 0,67 m 3 /h olarak belirlenmiştir. 29

40 Şekil 4.2. Plakalı ısı eşanjöründe ortalama logaritmik sıcaklık farkı değişimi (. V =0,67 m 3 /h için) Isıtma amaçlı ve kapalı sistem olarak çalışan deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjöründe, eşanjöre giren ve çıkan sıcak ve soğuk suyun sıcakları farklı zamanlarda ölçülerek ortalama logaritmik sıcaklık farkı değerleri hesaplanmış ve Şekil 4.3 de gösterilmiştir. Plakalı ısı eşanjörü ters akışlı olup yapılan deneyde akışkan debisi 0,95 m 3 /h olarak belirlenmiştir. Şekil 4.4 de 1,16 m 3 /h debi için yine ısıtma amaçlı ve kapalı sistem çalışan deney düzeneğinde plakalı ısı eşanjöründeki logaritmik sıcaklık farkı değerleri görülmektedir. 30

41 5,25 5,05 4,85 4,65 4,45 4,25 4,05 3,85 3,65 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 ORTALAMA LOGARİTMİK SICAKLIK FARKI (C) ZAMAN (dk) Şekil 4.3. Plakalı ısı eşanjöründe ortalama logaritmik sıcaklık farkı değişimi (. V =0,95 m 3 /h için) 4,5 ORTALAMA LOGARİTMİK SICAKLIK FARKI (C) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 ZAMAN (dk) Şekil 4.4. Plakalı ısı eşanjöründe ortalama logaritmik sıcaklık farkı değişimi (. V =1,16 m 3 /h için) 31

42 Şekil 4.5 de ısıtma amaçlı ve açık sistem olarak çalışan deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjörüne giren ve eşanjörden çıkan su sıcaklıkları verilmiştir. Plakalı ısı eşanjöründe dolaşan akışkan debisi 1,05 m 3 /h olarak belirlenmiştir. Şekil 4.5. Plakalı ısı eşanjörüne giren ve çıkan akışkan sıcaklıkları (. V =1,05 m 3 /h için) Isıtma amaçlı ve açık sistem olarak çalışan deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjöründe, eşanjöre giren ve çıkan sıcak ve soğuk suyun sıcakları farklı zamanlarda ölçülerek ortalama logaritmik sıcaklık farkı değerleri hesaplanmış ve Şekil 4.6 da gösterilmiştir. Plakalı ısı eşanjörü ters akışlı olup yapılan ilk deneyde akışkan debisi 1,05 m 3 /h olarak belirlenmiştir. Şekil 4.7 de ısıtma amaçlı ve açık sistem olarak çalışan deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjöründe ortalama logaritmik sıcaklık farkı değerleri görülmektedir. Plakalı ısı eşanjöründe dolaşan su debisi 1,13 m 3 /h olarak belirlenmiştir. 32

43 12,25 11,85 11,45 11,05 10,65 10,25 9,85 9,45 9,05 8,65 8,25 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 ORTALAMA LOGARİTMİK SICAKLIK FARKI (C) 15,5 16,5 17,5 ZAMAN (dk) Şekil 4.6. Plakalı ısı eşanjöründe ortalama logaritmik sıcaklık farkı değişimi (. V =1,05 m 3 /h için) ORTALAMA LOGARİTMİK SICAKLIK FARKI (C) 10,50 10,20 9,90 9,60 9,30 9,00 8,70 8,40 8,10 7,80 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 ZAMAN (dk) Şekil 4.7. Plakalı ısı eşanjöründe ortalama logaritmik sıcaklık farkı değişimi (. V =1,13 m 3 /h için) Şekil 4.8 de plakalı ısı eşanjöründe 1,15 m 3 /h lik debi dolaşan ve farklı zamanlarda ölçülen sıcaklıklarla hesaplanan ortalama logaritmik sıcaklık farkı değerleri 33

44 görülmektedir. Elde edilen sonuçlar deney düzeneğinin ısıtma amaçlı ve açık sistem olarak çalıştırılması durumunda elde edilmiştir. Şekil 4.8. Plakalı ısı eşanjöründe ortalama logaritmik sıcaklık farkı değişimi (. V =1,15 m 3 /h için) Şekil 4.9 da, ısıtma amaçlı ve kapalı sistem olarak çalışan deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjörüne farklı debilerde giren sıcak su değerinin değişimine bağlı olarak eşanjördeki ısı transfer miktarı değerleri görülmektedir. Sıcak su giriş sıcaklığının artmasıyla her üç debi değerinde de ısı transferi miktarının yaklaşık 35 o C değerine kadar arttığı, daha sonraki sıcak su giriş sıcaklıklarında ise sabit kaldığı görülmektedir. Ayrıca plakalı ısı eşanjörüne giren debi miktarı 0,67 m 3 /h den 0,95 m 3 /h e çıkarıldığında beklendiği gibi ısı transferi miktarının yükseldiği görülmektedir. Fakat plakalı ısı eşanjörüne giren debi miktarı 1,16 m 3 /h e çıkarıldığında ısı transferi miktarının azaldığı görülmektedir. Bu durumda plakalı eşanjör boyutunun, bu debi miktarı için yetersiz olduğu anlaşılmıştır. 34

45 Q (W) Sıcak su giriş sıcaklığı ( o C) m=1,16 m3/h m=0,95 m3/h m=0,67 m3/h Şekil 4.9. Farklı debi değerlerinde sıcak su giriş sıcaklığıyla ısı transfer miktarının değişimi Şekil 4.10 da, ısıtma amaçlı ve kapalı sistem olarak çalışan deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjörüne farklı debilerde giren soğuk su değerinin değişimine bağlı olarak eşanjördeki ısı transfer miktarı değerleri görülmektedir. Yapılan deneysel çalışmada 0,67 m 3 /h miktarındaki debi değeri için, soğuk su giriş sıcaklığının artmasıyla ısı transfer miktarının arttığı görülmüştür. Daha sonraki debi değerlerinde ise ısı transfer miktarının, soğuk su giriş sıcaklığının artmasıyla fazla bir değişim göstermediği görülmüştür. Ayrıca yine Şekil 4.9 a benzer olarak plakalı ısı eşanjörüne giren debi miktarı 0,67 m 3 /h den 0,95 m 3 /h e çıkarıldığında beklendiği gibi ısı transferi miktarının yükseldiği görülmektedir. Fakat plakalı ısı eşanjörüne giren debi miktarı 1,16 m 3 /h e çıkarıldığında ısı transferi miktarının azaldığı görülmektedir. Bu durumda plakalı eşanjör boyutunun, bu debi miktarı için yetersiz olduğu anlaşılmıştır. 35

46 Q (W) Soğuk su giriş sıcaklığı ( o C) m=0,67 m3/h m=0,95 m3/h m=1,16 m3/h Şekil Farklı debi değerlerinde soğuk su giriş sıcaklığıyla ısı transfer miktarının değişimi Şekil 4.11 de 1,05 m 3 /h debi değerinde, ısıtma amaçlı ve açık sistem olarak çalışan deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjörüne giren sıcak su sıcaklıklarına bağlı olarak etkenlik değerindeki değişim verilmiştir. Sıcak su giriş sıcaklığının artmasıyla plakalı ısı eşanjörünün etkenlik değerlerinin yükseldiği görülmüştür. Etkenlik 0,46 0,458 0,456 0,454 0,452 0,45 0,448 0,446 0,444 0,442 0, , , ,5 Sıcak su giriş sıcaklığı ( o C) Şekil Sıcak su giriş sıcaklıklarına bağlı olarak etkenlik değişimleri 36

47 Şekil 4.12 de 1,05 m 3 /h debi değerinde, ısıtma amaçlı ve açık sistem olarak çalışan deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjör için, NTU sayısıyla etkenlik arasındaki değişim verilmiştir. Sıcak ve soğuk suyun ısıl kapasiteleri yaklaşık olarak birbirine eşittir (C min /C max =1). Etkenlik 0,466 0,464 0,462 0,46 0,458 0,456 0,454 0,452 0,45 0,448 0,446 1,12 1,14 1,16 1,18 1,2 NTU Şekil NTU sayısı ve etkenlik değişimi Çizelge 4.1 de farklı çalışma sıcaklıklarında ısıtma amaçlı ve kapalı sistem olarak çalıştırılan deney düzeneğinde, plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri verilmiştir. Deneyler ve deneysel sonuçlar. V =0,67 m 3 /h değerindeki debi için elde edilmiştir. Çizelge 4.1 de sıcak ve soğuk su giriş sıcaklıklarının artmasıyla transfer edilen ısı miktarı ve tersinmezlik değerlerinin arttığı görülmektedir. 37

48 Çizelge 4.1. Plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri (. V =0,67 m 3 /h için) Deney sayısı T hg ( C) T hç ( C) T cg ( C) T cç ( C) Q (W) I (kj/kg) 1. 29,99 28,83 26,98 28,46 609,336 1, ,8 29,46 27,08 28,96 883,5372 2, ,52 30,71 27,43 29, ,589 3, ,89 32,4 28,31 31, ,925 3, ,74 33,74 29,02 32,8 2026,042 3, ,68 34,62 29,6 33, ,293 3, ,31 35,97 30,58 34, ,027 4, ,03 35,95 30,91 34, ,978 4, ,19 37,82 32,27 36, ,462 4, ,34 38,74 32,93 37, ,245 4, ,73 40,62 34,07 39, ,479 5, Çizelge 4.2 de yine farklı çalışma sıcaklıklarında ısıtma amaçlı ve kapalı sistem olarak çalıştırılan deney düzeneğinde, plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri verilmiştir. Deneyler ve deneysel sonuçlar. V =0,95 m 3 /h değerindeki debi için elde edilmiştir. Çizelge 4.2 de sıcak ve soğuk su giriş sıcaklıklarının artmasıyla transfer edilen ısı miktarı ve tersinmezlik değerlerinin arttığı görülmektedir. 38

49 Çizelge 4.2. Plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri (. V =0,95 m 3 /h için) Deney T hg ( C) T hç ( C) T cg ( C) T cç ( C) Q (W) I (kj/kg) sayısı 1. 28,38 26,14 21,66 24,6 2364,609 3, ,89 26,61 22,04 25, ,595 3, ,59 27,18 22,37 25, ,784 3, ,99 27,59 22,72 25, ,149 3, ,9 28,46 23,44 26, ,352 3, ,61 31,03 25,79 29, ,095 3, ,62 31,96 26,56 30, ,69 4, ,92 33,25 27,8 31, ,839 4, ,8 34,15 28,63 32, ,271 4, ,48 36,77 31,15 34, ,839 4, Çizelge 4.3 de, Çizelge 4.1 ve Çizelge 4.2 e benzer olarak deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri verilmiştir. Deneyler ve deneysel sonuçlar. V =1,16 m 3 /h değerindeki debi için elde edilmiştir. Çizelge 4.3 de sıcak ve soğuk su giriş sıcaklıklarının artmasıyla transfer edilen ısı miktarı ve tersinmezlik değerlerinin arttığı görülmektedir. 39

50 Çizelge 4.3. Plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri (. V =1,16 m 3 /h için) Deney T hg ( C) T hç ( C) T cg ( C) T cç ( C) Q (W) I (kj/kg) sayısı 1. 24,29 23,4 21,41 22, ,168 1, ,96 23,98 21,63 23, ,265 1, ,6 24,53 21,83 23, ,91 2, ,17 24,97 22,06 23, ,554 2, ,33 25,99 22,65 24, ,209 2, ,85 26,43 22,91 25, ,489 3, ,97 27,45 23,59 25, ,047 3, ,36 27,79 23,84 26, ,778 3, ,43 28,75 24,62 27, ,337 3, ,33 29,59 25,31 27,9 2346,53 3, ,25 30,49 26,11 28, ,712 3, ,24 31,36 26,79 29, ,078 3, ,66 31,8 27,2 30, ,357 4, ,42 33,53 28,87 31, ,002 4, ,09 39,11 34,28 37, ,916 4, Çizelge 4.4 de farklı çalışma sıcaklıklarında ısıtma amaçlı ve açık sistem olarak çalıştırılan deney düzeneğinde, plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve 40

51 tersinmezlik değerleri verilmiştir. Deneyler ve deneysel sonuçlar. V =1,05 m 3 /h değerindeki debi için elde edilmiştir. Çizelge 4.4 de sıcak su giriş sıcaklıklarının artmasıyla transfer edilen ısı miktarı ve tersinmezlik değerlerinin arttığı görülmektedir. Çizelge 4.4. Plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri (. V =1,05 m 3 /h için) Deney T hg ( C) T hç ( C) T cg ( C) T cç ( C) Q (W) I (kj/kg) sayısı 1. 32,76 26,19 18,24 23, ,44 5, ,16 26,4 18,23 23, ,203 5, ,4 26,51 18,18 23, ,821 5, ,02 26,84 18,16 23, ,784 6, ,53 27,63 18,15 24, ,473 6, ,66 27,67 18,22 24, ,527 6, ,78 27,79 18,22 24, ,872 6, ,98 28,29 18,25 24, ,59 7,8749 Çizelge 4.5 de farklı çalışma sıcaklıklarında ısıtma amaçlı ve açık sistem olarak çalıştırılan deney düzeneğinde, plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri verilmiştir. Deneyler ve deneysel sonuçlar. V =1,13 m 3 /h 41

52 değerindeki debi için elde edilmiştir. Çizelge 4.5 de sıcak su giriş sıcaklıklarının artmasıyla transfer edilen ısı miktarı ve tersinmezlik değerlerinin arttığı görülmektedir. Çizelge 4.6 da farklı çalışma sıcaklıklarında ısıtma amaçlı ve açık sistem olarak çalıştırılan deney düzeneğinde, plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri verilmiştir. Deneyler ve deneysel sonuçlar. V =1,15 m 3 /h değerindeki debi için elde edilmiştir. Çizelge 4.6 da sıcak su giriş sıcaklıklarının artmasıyla transfer edilen ısı miktarı ve tersinmezlik değerlerinin arttığı görülmektedir. Çizelge 4.5. Plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri (. V =1,13 m 3 /h için) Deney T hg ( C) T hç ( C) T cg ( C) T cç ( C) Q (W) I (kj/kg) sayısı 1. 31,67 26,8 18,25 23, ,016 2, ,99 26,99 18,29 23, ,039 2, ,35 27,24 18,31 23, ,215 2, ,54 27,4 18,31 23, ,302 2, ,96 28,25 18,3 24, ,179 2, ,2 28,44 18,36 24, ,115 3,

53 Çizelge 4.6. Plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri (. V =1,15 m 3 /h için) Deney T hg ( C) T hç ( C) T cg ( C) T cç ( C) Q (W) I (kj/kg) sayısı 1. 29,13 25,67 17,57 22, ,105 7, ,34 25,79 17,53 22,7 4517,791 7, ,5 25,92 17,52 22, ,306 7, ,19 26,34 17,47 22, ,679 7, ,26 26,38 17,43 23, ,022 7, ,32 26,48 17,4 23, ,194 8, ,8 26,9 17,46 23, ,48 9, ,3 27,26 17,48 23, ,537 10, ,4 27,35 17,46 23, ,109 10,79428 Şekil 4.13 de soğutma amaçlı ve kapalı sistem olarak çalışan deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjöründeki ısı transferi miktarı ve entropi üretimi değerleri, eşanjöre giren ve soğumuş olarak çıkan su sıcaklıkları arasındaki fark değerlerine bağlı olarak verilmiştir. Plakalı eşanjöre giren ve çıkan su sıcaklıkları arasındaki farkın artması, plakalı eşanjörde suyun daha fazla soğutulduğu anlamına gelmektedir. Şekil 4.13 den görüldüğü gibi sıcaklık farkının artmasıyla ısı transfer miktarı ve entropi üretimi değerleri artmaktadır. 43

54 Şekil Sıcaklık farkı değerlerine bağlı olarak ısı transferi ve entropi üretimi (soğutma amaçlı ve kapalı sistem) Soğutma amaçlı ve açık sistem olarak çalıştırılan deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjörüne giren ve soğumuş olarak çıkan akışkan sıcaklıkları arasındaki fark değerlerine bağlı olarak, ısı transferi miktarı ve entropi üretimi değişimleri Şekil 4.14 de verilmiştir. Yine Şekil 4.13 de verilen sisteme benzer olarak plakalı ısı eşanjörüne giriş ve çıkış su sıcaklıkları arasındaki farkın artmasıyla transfer edilen ısı miktarı ve entropi üretimi değerlerinin arttığı görülmektedir. 44

55 Şekil Sıcaklık farkı değerlerine bağlı olarak ısı transferi ve entropi üretimi (soğutma amaçlı ve açık sistem) Şekil Teorik olarak elde edilen sıcaklık dağılımları 45

56 Şekil 4.15 de teorik olarak verilen sıcaklık değerleri kullanılarak, plakalı ısı eşanjörünün tek bir plakasındaki sıcaklık dağılımları verilmiştir. Sıcaklık dağılımları ANSYS programı yardımıyla elde edilmiştir. Şekil 4.15 de elde edilen sıcaklık dağılımları, yine ANSYS programı yardımıyla eksenel olarak çizilmiş ve Şekil 4.16 da gösterilmiştir. Şekil Teorik olarak elde edilen eksenel sıcaklık dağılımları Şekil 4.17 de, ANSYS programı yardımıyla teorik olarak incelenen plakadaki ısı akısı dağılımları görülmektedir. 46

57 Şekil Teorik olarak elde edilen ısı akısı dağılımları Şekil 4.18 de ise plakadaki sıcaklık gradyanı dağılımları yine ANSYS programı ile elde edilmiştir. Şekil Teorik olarak elde edilen sıcaklık gradyanları 47

58 Şekil 4.19 da deneysel ölçüm sonuçlarından elde edilen sıcaklık değerleri kullanılarak, plakalı ısı eşanjörünün tek bir plakasındaki sıcaklık dağılımları verilmiştir. Sıcaklık dağılımları ANSYS programı yardımıyla elde edilmiştir. Şekil Deneysel olarak elde edilen sıcaklık dağılımları Şekil Deneysel olarak elde edilen eksenel sıcaklık dağılımları 48

59 Şekil 4.19 da elde edilen sıcaklık dağılımları, yine ANSYS programı yardımıyla eksenel olarak çizilmiş ve Şekil 4.20 de gösterilmiştir. Şekil 4.21 de ANSYS programı yardımıyla deneysel olarak incelenen plakadaki ısı akısı dağılımları görülmektedir. Şekil Deneysel olarak elde edilen ısı akısı dağılımları Şekil 4.22 de ise plakadaki sıcaklık gradyanı dağılımları yine ANSYS programı ile elde edilmiştir. 49

60 Şekil Deneysel olarak elde edilen sıcaklık gradyanları 50

61 5. SONUÇ Bu çalışmada plakalı ısı eşanjörü kullanılan bir ısıtma-soğutma sistemi deneysel olarak tasarlanmış ve imal edilmiştir. Deneysel sistem; ısıtma amaçlı açık sistem, ısıtma amaçlı kapalı sistem, soğutma amaçlı kapalı sistem ve soğutma amaçlı açık sistem olmak üzere dört farklı şekilde çalıştırılabilmektedir. Deneysel sistemdeki plakalı ısı eşanjörü, farklı sıcaklık ve debi değerlerinde analizlere tabi tutulmuştur. Tüm analizler dört farklı çalışma durumu için yapılmıştır. Deneysel analizlerde plakalı ısı eşanjöründe sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki ısı transferi miktarı, akışkanın debi değerinin ve sıcak su giriş sıcaklığının artmasıyla artmaktadır. Fakat debi miktarının optimum bir değerden fazla arttırılması durumunda eşanjörde ısı transfer miktarının azaldığı görülmüştür. Bu durumda eşanjör boyutunun yetersiz kaldığı anlaşılmakta ve bu yüzden de eşanjör boyutunun arttırılması gerekmektedir. Bu sebeple çeşitli uygulamalarda kullanılan plakalı ısı eşanjörlerinde maksimum performans değerlerine ulaşabilmek için en uygun debi, sıcaklık ve eşanjör boyutunun belirlenmesi gerekmektedir. Örneğin yapılan analizde, ısıtma amaçlı ve kapalı sistem olarak çalışan deney düzeneğindeki 0,16 m 2 ısı transfer alanına sahip plakalı ısı eşanjöründe optimum çalışma şartları, sıcak su giriş sıcaklığı 35 o C, debi değeri ise 0,95 m 3 /h olarak belirlenmiştir. Yapılan deneysel çalışmada 0,67 m 3 /h miktarındaki debi değeri için, eşanjöre soğuk su giriş sıcaklığının artmasıyla ısı transfer miktarının arttığı görülmüştür. Daha sonraki debi değerlerinde ise ısı transfer miktarının, soğuk su giriş sıcaklığının artmasıyla fazla bir değişim göstermediği görülmüştür. Ayrıca yine plakalı ısı eşanjörüne giren debi miktarı 0,67 m 3 /h den 0,95 m 3 /h e çıkarıldığında beklendiği gibi ısı transferi miktarının yükseldiği görülmektedir. Fakat plakalı ısı eşanjörüne giren debi miktarı 1,16 m 3 /h e çıkarıldığında ısı transferi miktarının azaldığı görülmektedir. Bu durumda plakalı eşanjör boyutunun, bu debi miktarı için yetersiz olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca ısı eşanjörüne giren akışkanların sıcaklığının artması da eşanjör etkenliği değerlerinin artmasına sebep olmaktadır. 51

62 Isıtma amaçlı, kapalı ve açık sistem olarak çalıştırılan deney düzeneğinde; farklı çalışma sıcaklıkları ve debi değerlerinde, plakalı ısı eşanjöründeki ısı transfer miktarı ve tersinmezlik değerleri araştırılmıştır. Plakalı eşanjöre giren sıcak suyun sıcaklığının artmasıyla transfer edilen ısı miktarı ve tersinmezlik değerlerinin arttığı görülmüştür. Soğutma amaçlı, kapalı ve açık sistem olarak çalışan deney düzeneğindeki plakalı ısı eşanjöründeki ısı transferi miktarı ve entropi üretimi değerleri, eşanjöre giren ve soğumuş olarak çıkan su sıcaklıkları arasındaki fark değerlerine bağlı olarak incelenmiştir. Plakalı eşanjöre giren ve çıkan su sıcaklıkları arasındaki farkın artması, plakalı eşanjörde suyun daha fazla soğutulduğu anlamına gelmektedir. Sıcaklık farkının artmasıyla ısı transfer miktarı ve entropi üretimi değerlerinin arttığı görülmüştür. Ayrıca ANSYS programı yardımıyla teorik ve deneysel olarak verilen sıcaklık değerleri kullanılarak, plakalı ısı eşanjörünün tek bir plakasındaki sıcaklık dağılımları, eksenel sıcaklık dağılımları, sıcaklık gradyanları, ve ısı akımları karşılaştırılmıştır. Plakalı ısı eşanjörlerinin kullanıldığı kimya, petrokimya endüstrileri, termik santrallar, ısıtma, soğutma, ve iklimlendirme vb. tesislerde enerji verimliliğinin arttırılması ve dolayısıyla enerji ekonomisine katkı sağlanabilmesi için ısı eşanjörlerin optimum çalışma şartlarının tespit edilmesi büyük önem taşımaktadır. Sonuç olarak bu çalışma, plakalı ısı eşanjörü kullanılan sistemlerin tasarımı, imalatı ve optimum çalışma şartları konusunda ileride yapılacak olan uygulamalara katkı sağlayacaktır. 52

63 6. KAYNAKLAR Anil, K.D., Sarit, K.D., Dynamics of plate heat exchangers subject to flow variations. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 43, Alessandro, F., Nicola, G., Optimum thermal desing of modular compact heat exchangers structure for heat recovery steam generators. Applied Thermal Engineering, 25, Alessandra, C., Maria, R.A., Javier, T.R., Carmen, C.T., Jorge, A.W.G., Non- Newtonian heat transfer on a plate heat exchanger with generalized configurations. Chemical Engineering Technology, 30, Athanasios, G.K., Aikaterini, A.M., Spiros, V.P., Flow and heat transfer prediction in a corrugated plate heat exchanger using a cfd code. Chemical Engineering Technology, 29, Adnan, S., Erol, A., Exergy analysis of an ejector-absorption heat transformer using artificial neural network approach. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 44, Abu-Hamdeh, N.H., Control of a liquid liquid heat exchanger. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 38, Bipan, B., Hans, M.S., Xiao, D.C., Performance of plate heat exchangers during calcium sulphate fouling investigation with an in-line fitler. Chemical Engineering and Processing, 39, Cornelissen, R.L., Hirs, G.G., Thermodynamic optimization of a heat exchanger. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 42,

64 Carezzato, A., Alcantara, M.R., Romero, J.T., Tadini, C.C., Gut, J.A.W., Non- Newtonian heat transfer on a plate heat exchanger with generalized configurations. Chemical Engineering Technology, 30, Çengel, Y.A., Boles, M.A., Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik. McGraw-Hill, 867 p. Flavio, C.C.G., Raquel, Y.M., Jorge, A.W.G., Carmen, C.T., Experimental and numerical heat transfer in a plate heat exchanger. Chemical Engineering Science, 61, Flamensbeck, M., Summerer, F., Riesch, P., Ziegler, F., Alefeld, G., A cost effective absorption chiller with plate heat exchangers using water and hydroxides. Applied Thermal Engineering, 18(6), Franco, A., Giannini, N., Optimum thermal desing of modular compact heat exchangers structure for heat recovery steam generators. Applied Thermal Engineering, 25, Genceli, O., Isı Değiştiricileri. Birsen Yayınevi, Istanbul, Turkiye, 424 p. Gut, J.A.W., Pinto, J.M., Optimal configuration desing for plate heat exchangers. International Journal of Heat and Mass Transfer, 47, Hiroshi, I., Kazuya, T., Kenjuro, S., Effect of the plate thermal resistance on the heat transfer performance of a corrugated thin plate heat exchanger. Heat Transfer-Asian Research, 35, Hitoshi, M., Mari, U., Evaporation performance of a new plate-type heat exchanger with winding tubes on plate surfaces (Estimation of performance of the heat exchanger). Heat Transfer-Asian Research, 33(4),

65 Hofman, A., Theoretical solution for the cross-flow heat exchanger. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 36, Iwai, H.,Tatsumi, K., Suziki, K., Effect of the plate thermal resistance on the heat transfer performance of a corrugated thin plate heat exchanger. Heat Transfer-Asian Research, 35, Jorge, A.W.G., Jose, M.P., Optimal configuration desing for plate heat exchangers. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 47, Jian, W., Yanzhong, L., Aimin, Z., Ke, Z., An experimental and numerical investigation of flow patterns in the entrance of plate-fin heat exchanger. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 49, Juan, C.O., Adrian, B., Entropy generation minimization in parallel plates counterflow heat exchangers. İnternational Journal of Energy Research, 24, John, B.T., Sten, H., Carlos, L., Plate heat exchangers-the new trend in thermal desalination. Desalination, 125, Jorge, A.W.G., Jose, M.P., Modeling of plate heat exchangers with generalized configurations. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 46, Jialing, Z., Wei, Z., Optimization desing of plate heat exchangers for geothermal district heating systems. Geothermics, 33, Kanaris, A.G., Mouza, A.A., Paras, S.V., Flow and heat transfer prediction in a corrugated plate heat exchanger using a CFD code. Chemical Engineering Technology, 29,

66 Kwan-Soo, L., Woo-Seung, K., Jong-Min, S., Optimal shape and arrangement of staggered pins in the channel of a plate heat exchanger. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 44, Kyoungwoo, P., Seungjae, M., Optimal desing of heat exchangers using the progressive quadratic response surface model. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 48, Kuo, W.S., Lie, Y.M., Lin, T.F., Condensation heat transfer and pressure drop of refrigerant R-410A flow in a vertical plate heat exchanger. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 48, Kotas, T.J., The Exergy Method of Thermal Plant Analysis. Anchor Brendon Ltd., Great Britain, 296 p. Koen, G., Birinchi, H., Dean, V., Application of computational fluid dynamics to model the hdyrodynamics of plate heat exchanger for milk processing. Journal of Food Engineering, 57, Kays, W.M., Crawford, M.E., Connective Heat and Mass Transfer. McGraw- Hill, New York, 151 p. Kern, D.Q., Process Heat Transfer. McGraw-Hill, International Book Company, USA, 245 p. Lottin, O., Guillemet, P., Lebreton, J.M., Effects of synthetic oil in a compression refrigeration system using R410A.Part ІІ: quality of heat transfer and pressure losses within the heat exchangers. İnternational Journal of Refrigeration, 26,

67 Lieke, W., Bengt, S., Optimal desing of plate heat exchangers with and without pressure drop specifications. Applied Thermal Engineering, 23, Li, H., Kottke, V., Visualization and determination of local heat transfer coefficients in shell-and-tube heat exchangers for staggered tube arrangement by mass transfer measurements, Experimental Thermal Fluid Science, 17, Li, H., Kottke, V., Analysis of local heat and mass transfer in the shell-andtube heat exchanger with disc-and-doughnut baffles. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 42, Michele, C., Local effects of longitudinal heat conduction in plate heat exchangers. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 26, Mustafa, A., Klasik tip eş eksenli (merkezli) iç içe borulu ısı değiştiricisinde ısı transferi ve basınç kaybının deneysel olarak incelenmesi. Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 4, Marcus, R., Use of high performance plate heat exchangers in chemical and process industries. İnternational Journal of Thermal Sciences, 39, Martin, H., Heat Exchangers. Hemisphere Publishing Corporation, Washington, 593 p. Negrao, C.O.R., Tonin, P.C., Madi, M., Supervision of the thermal performance of heat exchanger trains. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 32, Ohadi, M.M., The Engineering Handbook. CRC Press LLC, USA, 685 p. 57

68 Riverol, C., Napolitano, V., Estimation of fouling in a plate heat exchangers through the application of neural networks. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 80, Reinhard, W., Nikolai, O., Experimental investigation of heat transfer and pressure drop during the condensation process within plate heat exchangers of the herringbone-type. İnternational Journal of Thermal Sciences, 43, Reppich, M., Kohoutek, J., Optimal design of shell-and-tube heat exchangers. Chemical Engineering and Processing, 18, Reppich, M., Use of high performance plate heat exchangers in chemical and process industries. Int. J. Therm. Sci., 38, Syed, M.Z., Bilal, A.Q., A probabilistic fouling and cost model for plate-andframe heat exchangers. İnternational Journal of Energy Research, 30, Saman, W.Y., Alizadeh, S., Modelling and performance analyses of a crossflow type plate heat exchanger for dehumidification/cooling. Solar Energy, 70(4), Sihari, N., Rao, B.P., Bengt, S., Sarit, K.D., Transient response of plate heat exchangers considering effect of flow maldistribution. İnternational Journal of Heat and Mass Transfer, 48, Stevanovic, Z., Ilic, G., Radojkovic, N., Vukic, M., Stefanovic, M., Vuskovic, G., Design of shell-and-tube heat exchangers by using CFD technique. Part 1. Thermo-hydraulic calculation, Mechanical Engineering, 8,

69 Soylemez, M.S., On the thermoeconomical optimization of heat pipe heat exchanger HPHE for waste heat recovery. Energy Conversion and Management, 44, Szargut, J., Morris, D.R., Steward, F.R., Exergy Analysis of Thermal, Chemical and Metallurgical Processes. Hemisphere Publishing Corporation, 332 p. Unuvar, A., Kargıcı, S., An approach for the optimum desing of heat exchangers. İnternational Journal of Energy Research, 28, Ucar, A., Inalli, M., Thermal and economical analysis of a central solar heating system with underground seasonal storage in Turkey. İnternational Journal of Thermal Sciences, 42, Vega, M., Almendros-Ibanez, J.A., Ruiz, G., Performance of a LiBr-water absorption chiller operating with plate heat exchangers. Energy Conversion and Management, 47, Yonghan, K., Yongchan, K., Heat transfer characteristics of flat plate finnedtube heat exchangers with large fin pitch. İnternational Journal of Refrigeration, 28, Zhao-gang, Q., Jiang-ping, C., Zhi-jiu, C., Parametric study on the performance of a heat exchanger with corrugated louvered fins. İnternational Journal of Thermal Sciences, 24, Zhu,J., Zhang, W., Optimization desing of plate heat exchangers for geothermal district heating systems. Geothermics, 33,

70 EKLER 60

71 EK-1 61

72 EK-2 62

73 ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : Bayram KILIÇ Doğum Yeri ve Yılı: İstanbul 1978 Medeni hali : Bekar Yabancı dili : İngilizce Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl) Lise : Haydarpaşa Teknik Lisesi Elektrik Bölümü ( ) Lisans : Süleyman Demirel Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Tesisat Öğretmenliği ( ) Yüksek Lisans: Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Anabilim Dalı ( ) Çalıştığı Kurum/Kurumlar ve Yıl: Yayınları (SCI ve diğer makaleler)