GİRİŞ: Isı değştrcler; Farklı sıcaklıklara sahp k akışkan arasında, brbr çersnde karışmalarına müsaade etmeden, ısı transfernn gerçekleştrldğ chazlardır. Yaygın larak ; Isıtma sstemlernde, klma sstemlernde, kmyasal prseslerde, güç santrallernde kullanılır. Isı Değştrclern Sınıflandırılması; Akışkanların Temas Şeklne Göre Sınıflandırılması - Drekt Temaslı Isı Değştrcler - İndrekt Temaslı Isı Değştrcler Akış Şekllerne Göre Sınıflandırılması - Paralel Akım - Zıt Akım - Çapraz Akım Drekt Temaslı Isı Değştrcler; - İk farklı fzksel durumdak akışkan (sıvı-gaz, katı- gaz, katı-sıvı gb) brbr le dğrudan temas ettrlr - akışkan akışı genelde br pmpa, fan veya kmpresörle hızlandırılır ve zrlanmış tpten ısı letm hakmdr - sğutma kuleler ( gaz-sıvı teması ) - drekt temaslı kndenserler ( gaz-sıvı teması) - pnömatk kurutucular ( katı-gaz teması ) - ısı letm çk hızlıdır - krzyn, erzyn, ysunlaşma gb prblemlern kntrlü daha klaydır İndrekt Temaslı Isı Değştrcler; Akışkanların ısı alışverş sırasında karışması ara br yüzey le önlenr ( Bru-kabuk tp ısı değştrcler).
Isı Değştrc Çeştler Farklı ısı transfer uygulamaları, farklı özellklerde malzemelern ve farklı gemetrlere sahp ısı değştrclern kullanımını gerektrmektedr. - Çft brulu ısı değştrcler - Kmpakt ısı değştrcler - Kabuk ve bru ısı değştrcler Çft Brulu Isı Değştrcler : En bast ısı değştrc tpdr. Farklı çaplardak eş merkezl k bruludan luşmaktadır. Paralel Akış; Sıcak ve sğuk akışkan aynı yönde grmekte ve çıkmakta. Zıt (ters) Akış; Sıcak ve sğuk akışkan zıt yönlerde grmekte ve çıkmakta. Kmpakt Isı Değştrcler; Brm hacm başına çk daha genş ısı transfer alanları elde edeblmek çn özel larak dzayn edlmşlerdr. Küçük br hacm çersnde yüksek ısı transfer hızı sağlar. Sık aralıklı yerleştrlen Oluklu veya nce plakalı kanat kullanımıyla alan arttırılır. Örnekler: Araç radyatörü ( 000 m 2 /m 3 ); İnsan Akcğer ( 20 000 m 2 /m 3 ) Alan yğunluğu ( ) : Eğer > 700 m 2 / m 3 Kmpakt ısı değştrcdr. Genellkle k akışkan brbrlerne dk yönde hareket etmektedrler. Bu akış knfgurasynu çapraz akış larak tanımlanır. Kmpakt ısı değştrcler genellkle gazdan gaza; gazdan sıvıya veya sıvıdan gaza ısı değştrclernde kullanılırlar (Araba radyatörü). Karışmayan; Akışkan, kanatlar arasındak bşluklar byunca akışa zrlanır, farklı yönlerdek akışa zn verlmez. Karışan; Akışkanın farklı yöndek akışına herhang br sınırlandırma getrlmez. 2
Klask br ısı değştrc, katı br duvar le ayrılmış k akışkanın akımını çermektedr. Isı tansfer mekanzmaları ; - Sıcak akışkandan duvara : knveksyn le - Duvar byunca : kndüksyn le - Duvardan sğuk akışkana : knveksyn le Knveksyn ısı transfer katsayılarının radyasyn etklern de çerdğ kabul edlmektedr. Isıl Drenç Ağı, k knveksyn ve br kndüksyn drecnden luşmaktadır. Isı değştrc analzlernde, sıcak akışkandan sğuk akışkana dğru gerçekleşen ısı akışındak ısıl drençlern brleştrlerek tek br drenç şeklnde (R) verlmes terch edlmektedr. Snuç larak, k akışkan arasındak ısı transfer hızı;. Q T UAT UAT UAT R U = Tplam ısı transfer katsayısı (W/m 2. C) (knveksyn ısı transfer katsayısı le aynı brme sahp) Denklemlerden T nn gderlmes snucu : UAs U A U A R h A R duvar h A A ve A ; özellkle brunun br yüzeynn kanatlarla dnatılmış, dğer yüzeynn se kanatsız lduğu durumda brbrne eşt değldr. Çünkü kanatlı kısımın alanı brkaç kat daha fazladır. U A U A, ancak U U, (A A lması harcnde) Snuç larak U, A bağlı larak fade edlmeldr. Duvar kalınlığı çk az ve kbru çk yüksek se ; 3
Brunun ç ve dışı çn breysel h değerler (h and h) öncek bölümlerde anlatılan knveksyn bağıntıları kullanılarak belrlenr. Eğer knveksyn katsayılarından herhang brs dğerne kıyasla ldukça küçük se; U üzerne küçük knveksyn katsayısının etks daha baskındır. h h /h /h U h Snuç larak: küçük h, br darbğaz gb davranmakta ve ısı transfern öneml randa sınırlandıracak şeklde rl ynamaktadır. Örnek: gazdan sıvıya ısı transfer (Kanatlar, U.As çarpımını ve dlayısıyla ısı transfer hızını artırmak çn yaygın bçmde gaz tarafında kullanılır) Isı transfern artımak çn brunun br yüzey kanatlarla dnatıldığında, kanatlı yüzeydek tplam ısı transfer alanı : A s A tplam A kanat A kanatlmayan A kanat lmayan = Kanatlandırılmamış kısımın yüzey alanı A kanat = Kanatların yüzey alanı Yüksek k değerne sahp kısa kanatlar çn : kanatlar hemen hemen ztermaldr ve Rknv / ha s Aks takdrde efektf yüzey alanı belrlenmeldr; A A s tplam A kanatlmayan kanat A kanat Kabuk Faktörü (Fulng Factr) Isı transfernn gerçekleştğ yüzeylere ttuların çökelerek brkmes, Isı transferne ek br drenç luşturur. Isı transfer üzerne bu brkmelern net etks kabuk faktörü (fulng factr) le gösterlr. 4
Kabuk faktörü (Rf) = kabuktan dlayı luşan ısıl drencn ölçülmes Temz lmayan yüzeyler çn (kanatsız kabuk-bru ısı değştrc) ; UA U A U A R h A R A f, ln(d / D ) 2kL R A f, h A Rf, & Rf, ç ve dıı yüzeyler çn kabuk faktörler Oldukça kmplke br lay lup kntrlü zrdur. - Çökelme nedenyle kabuklaşma - Katı partküller nedenyle kabuklaşma - Kmyasal krzyn snucu kabuk luşumu - Byljk kabuk luşumu Kabuk luşumunun yl açtığı srunlar: - Isı değştrcler gereğnden büyük yapılırlar. Yatırım malyet artar. - Enerj kayıplarını arttırır. - Isı değştrclern perydk temzlenmesn gerektrr. - Sık sık durmalara neden lduğu çn üretm düşüklüğüne neden lur. Kabuk luşumu, şlem sıcaklığına, akışkanın hızına ve şlem süresne ldukça bağlıdır. Kabuk luşumu, şlem sıcaklığının artışı ve akışkan hızının azalması le brlkte artar. Kabuklaşma tasarım aşamasında göz önüne alınmalıdır. Bu aşamada br öngörü yapılmalı ve deneymlerden yararlanılmalıdır. 5
TEMA (Tubular Exchanger Manufacturer Asscatn) tarafından tavsye edlen değerler kullanılır. Tablda verlen değerlern pek çğunun 0-4 m 2.C/ W mertebesnde lduğuna dkkat ednz. Bu değer, 0,2 mm kalınlığndak kreç taşı tabakasının (k=2,9 W/m. C) ısıl drencne eşttr (brm yüzey alanı çn). Bu değer, elmzde spesfk br değern lmadığı durumda, kabuk faktörü hesabı çn başlangıç değer larak alınablr. Isı Değştrclern Analz En uygun ısı değştrc seçm; Belrl br kütlesel akış hızına sahp akışkan çn talep edlen sıcaklık değşmnn sağlanması Çıkış sıcaklıklarının tahmn edlmes; belrl br ısı değştrc çn sıcak ve sğuk akışkanların çıkış sıcaklıklarının belrlenmes Isı değştrc analzler çn k yöntem vardır:. Lgartmk rtalama sıcaklık farkı (Lg mean temperature dfference methd, LMTD) Isı değştrc seçmnde çk y snuç verr. 2. -NTU methd, Isı transfer ünte sayısı (Effectveness-Number f transfer unt) Çıkış sıcaklıklarının tahmnnde çk y snuç verr. Kabuller: - Kararlı akış - Her br akışkanın kütlesel akış hızı sabt - Akışkan özellkler (grş ve çıkış çn değşmemekte) - Her br akışkanın Cp değer sabt(belrl br sıcaklık aralığı çn - Knetk and ptansyel enerj değşmler hmal - Bru byunca eksenel yönde ısı letm hmal - Isı değştrcnn dış yüzey mükemmel zlasyna sahp (rtama herhang br ısı kaybı yk) - Tüm ısı transfer yalnızca k sıvı arasında gerçekleşmektedr. 6
DENEY DÜZENEĞİ Bu deneyde Kabuklu-Brulu Isı Değştrc kullanılmıştır. İç çe k bru kullanılarak yapılan ısı transfer, yeterl veya elverşl mktarda değlse bu durumda kabuklu-brulu ısı değştrcs kullanılmaktadır (Şekl ). Bu ısı değştrc (eşanjör) tp, dış tarafta büyük br bru (kabuk, kvan larak da smlendrlr) ve nun çersnde yer alan küçük çaptak brulardan luşmaktadır. Farklı sıcaklıklara sahp akışkanlardan brs ç kısımdak brulardan akarken, dğer kabuk çersnde akmaktadır. Isı, sıcak akışkandan sğuk akışkana transfer lur. Kabuk-bru tp ısı değştrc endüstrde; atık ısının ger kazanılması başta lmak üzere, pek çk farklı alanda kullanılmaktadır. Burada br kabuk çersne hesaplanan mktarda, bell çapta, uzaklıkta ve gemetrk dzlmde brular yerleştrlmektedr. Kabuk ve bru taraflarının ısı transfer katsayıları ldukça önemldr ve katsayıların yüksek lması terch edlmektedr. Kabuk tarafından geçecek sıvının hız ve türbulansı, bruların çersnde geçecek akışkanınk kadar önem taşımaktadır. Bunu arttırablmek çn kabuk le bru arasına engeller (baffle) knulup, geçş alanı daraltılarak, akış hızı arttırılmaktadır. Avantajları; Zıt akış elde etmek klaydır. Yüksek basınçlara dayanablr. Standart mdüler kntrüksyna sahptr, Bakımı ve tamr klaydır. Temzlenmes kyla lduğundan özellkle krletc akışkanlar çn uygundur. Pyasadan klay şeklde bulunablr. Brçk metal le mal edlebldğnden akışkan sınırlaması çk azdır. Isıl kapastey ve ısıl geçş yüzey alanını artırmak çn ser halde mntajları yapılablr. Dezavantajları; 7
Özellkle küçük kapasteler çn uygundur. Yüksek ısıl kapasteler ( MW dan daha fazla) çn pahalıdır. Şekl : Kabuklu-Brulu Isı Değştrc Kabuklu ve brulu ısı değştrcs Şekl 3 de gösterlmektedr. Deney byunca düzeneğn farklı yerlernde bulunan ısıl çftler (K tp) sıcaklık ölçümünde kullanılmaktadır. Buna göre (zıt akış çn): T: Bru tarafı sıcak akışkanın grş sıcaklığı T2: Bru tarafı sıcak akışkanın çıkış sıcaklığı T3: Kabuk tarafı sğuk akışkanın grş sıcaklığı T4: Bru tarafı sğuk akışkanın çıkış sıcaklığı Kullanılan deney setnde, 6,35 mm dış çaplı, 0,6 mm et kalınlığındak 7 tane paslanmaz çelk bru (tüp), 39 mm ç çapında ve 3 mm et kalınlığındak akrlk brunun çne yerleştrlmştr. İk adet akrlk şertten yapılmış engel (baffle) se bu brunun çersne yerleştrlmştr. HT 33 kabuklu brulu ısı değştrcsn ssteme yerleştrp, vdalarla sabtleynz. 8
Şekl 2. Deney düzeneğ (kabuk ve brulu ısı değştrcs)(ht 33) Isıl çftler sketlern kntrl knslunda (Şekl 4) görülen yerlerne bağlayınız. Chazın fşlern takınız ve Şekl 4 de gösterlen 9 nlu düğmeye basarak chazı açınız. Sıcak su ç brulardan ve sğuk su se kabuk tarafından geçecek şeklde sıcak ve sğuk su grşlern stenlen akış prensbne (zıt yada paralel) göre gerekl bağlantıları yapınız. 9
Sstemde bulunan sıcak su haznesn su le dldurup, kntrl panelnde Tsıcak sıcaklığını stenlen sıcaklığa göre ayarlayınız. Sğuk suyun geldğ hattak vanayı aşağıya dğru kısık br bçmde ndrerek açınız. Bağlantılarda sızma lup lmadığı kntrl ednz. Sstemde gösterlen ğne vanalardan sağa dğru çevrerek sıcak ve sğuk akışkanların akış hızlarını kntrl panelnden kuyarak stenlen değerlere ayarlayınız. Şekl 3. Isı değştrcs sstem çn knsl ve kntrl paneller (3:bağlantı vdaları; 9: açma-kapama düğmes:8:kntrl panel:6:sıcak su haznes) DENEY YÖNTEMİ Kabuklu-brulu tp ısı değştrcs çn yapılacak deneyler: a) Sstem bağlantılarını zıt akış prensbne göre yapınız. Tsıcak=60C, Fsıcak=3 L/dak., Fsğuk= L/dak Tsıcak=60C, Fsıcak=3 L/dak., Fsğuk=2 L/dak Sıcaklıklar kararlı (stabl) lduğunda T, T2, T3, T4, Fsıcak ve Fsğuk u kayıt ednz. b) Akış tp önce zıt snra parelel larak aşağıdak kşullarda, sıcaklıklar kararlı(stabl) lduğunda T, T2, T3, T4, Fsıcak ve Fsğuk u kayıt ednz. Tsıcak=60C, Fsıcak=2L/dak., Fsğuk= L/dak 0
c) Akış tp önce zıt snra parelel larak aşağıdak kşullarda, sıcaklıklar kararlı(stabl) lduğunda T, T2, T3, T4, Fsıcak ve Fsğuk u kayıt ednz. Tsıcak=60 C, Fsıcak= L/dak., Fsğuk= L/dak e) Akış tp önce zıt snra parelel larak aşağıdak kşullar çn sıcaklıklar kararlı (stabl) lduğunda T, T2, T3, T4, T5, T6, Fsıcak ve Fsğuk u kayıt ednz. Tsıcak=40C, Fsıcak=2L/dak., Fsğuk= L/dak Ardından sabt akış hızında Tsıcak 50 C, 60 C, 70 C, ve 80 C çn deneyler tekrar ednz. Kabuklu ve brulu ısı değştrcs a bölümünde aldığınız verlerden ΔTh=T-T3 ve ΔTc=T6-T4 değerlern hesaplayarak, deneysel hataları tahmn ednz. Farklı akış hızları çn sıcaklık farklarını karşılaştırınız ve snuç bölümünde yrumlayınız. a bölümünde yaptığınız deneysel verlerden faydalanarak, kabuklu ve brulu br ısı değştrcde tplam enerj denklğn ve tplam etknlğ (verm) farklı akış hızları çn hesaplayıp, karşılaştırınız. Yğunluk ve Cp değerlern arkadak çzelgelerden (ekler) kuyunuz. Kütlesel akış hızı (qm)(kg/s) =hacmsel akış hızı(qv) (m3/s) x akışkan yğunluğu (ρ)(kg/m3) Q (ısıl enerjs)= qm (kütlesel akış hızı) x Cp (özgül ıs kapastes) x ΔT (sıcaklık farkı) Sıcak akışkan tarafından verlen ısı Qe=qmhxCphx(T-T3)
Sğuk akışkan tarafından alınan ısı Qa= qmcxcpcx(t6-t4) Isı kaybı Qf=Qe-Qa Tplam ısıl verm η =Qa/Qex00(%) b bölümünde yaptığınız deneysel verlerden faydalanarak, kabuklu ve brulu br ısı değştrcde her k akış tpnde, hem sğuk hem de sıcak akışkan çn ısıl etknlk katsayısını ve tüm sstem çn rtalama etknlk katsayısını hesaplayıp, karşılaştırınız. Zıt Akış çn Zıt akışta, sıcak ve sğuk akışkanların bağlantıları brbrlerne göre ters yönden akacak şekldedr. Şekl 8 de akış prensb ve sıcaklık prfller verlmştr. Buna göre; Sıcak akışkandak sıcaklık düşüşü ΔTh=T-T2 Sğuk akışkandak sıcaklık yükselmes ΔTc=T4-T3 Sıcak akışkan tarafından verlen ısı Qe= qmhxcphx(t-t2) Sıcak akışkan çn ısıl etknlk ηh=((t-t2)/(t-t3))x00(%) Sğuk akışkan çn ısıl etknlk ηc=((t4-t3)/(t-t3))x00(%) Ortalama ısıl etknlk ηm= (ηh+ ηc)/2(%) Zıt akış prensb ve sıcaklık prfle 2
Parelel akış çn Paralel akışta, sıcak ve sğuk akışkanlara bağlantıları brbrlerne göre aynı yönde akacak şekldedr. Şekl 9 da akış prensb ve sıcaklık prfller verlmştr. Buna göre; Sıcak akışkandak sıcaklık düşüşü ΔTh=T-T2 Sğuk akışkandak sıcaklık yükselmes ΔTc=T3-T4 Sıcak akışkan tarafından verlen ısı Qe= qmhxcphx(t-t2) Sıcak akışkan çn ısıl etknlk ηh=((t-t2)/(t-t4))x00(%) Sğuk akışkan çn ısıl etknlk ηc=((t3-t4)/(t-t4))x00(%) Ortalama ısıl etknlk ηm= (ηh+ ηc)/2(%) Şekl 4: Parelel akış prensb ve sıcaklık prfl 3
b bölümünde yaptığınız deneysel snuçları kullanarak, her k akış tp çn rtalama lgartmk sıcaklık farkını hesaplayınız (LMTD) ve tplam ısı transfer katsayısı U yu hesaplayıp, snuç bölümünde karşılaştırınız. LMTD: tüplern ısı geçş uzunluğu l:0,44m c bölümünde yaptığınız deneysel snuçları kullanarak, her k akış tpnde farklı akış hızlarındak U, sıcak ve sğuk akışkanlar çn ısıl etknlk ve rtalama etknlk katsayılarını hesaplayarak, snuç bölümünde karşılaştırınız. d bölümünde yaptığınız deneysel snuçları kullanarak, her k akış tpnde farklı Th sıcaklıkları çn U, sıcak ve sğuk akışkanlar çn ısıl etknlk ve rtalama etknlk katsayılarını hesaplayarak, karşılaştırınız. Isı transfernde, sürücü kuvvetn değştrlmes ısı transfern nasıl etkledğn deneysel snuçlarınıza dayanarak, snuç bölümünde karşılaştırınız. 4
5
HT33 çn Termnlj İsm sembl SI brm Bruların ç çapı d m Bruların dış çapı d m Bruların çaplarının artmetk rtalaması dm m Bruların sayısı n - Her br brunun ısı letm uzunluğuı l m Tplam ısı letm uzunluğu L m Isı transfer alanı A m 2 Spesfk ısı kapastes(sıcak akışkan çn) Cp ht kj/kg K Spesfk ısı kapastes(sğuk akışkan çn) Cp cld kj/kg K Sıcak akışkanın grş sıcaklığı Sıcak akışkanın çıkış sıcaklığı Sğuk akışkanın grş sıcaklığı Sğuk akışkanın çıkış sıcaklığı Sıcak akışkan sıcaklığındak azalma T T2 T3 T4 t ht Sğuk akışkan sıcaklığındak artış t cld C Sıcak akışkan grş çn tc güç t C C C C C C Sıcak akışkan çıkışı çn tc güç t 2 C Sıcaklık farkının lgartmk rtalaması t m Hacmsel deb(sıcak akışkan) qv ht m 3 /s Hacmsel deb(sğuk akışkan qv cld m 3 /s Sıcak akışkanın yğunluğu Ρ ht kg/m 3 Sğuk akışkanın yğunluğu Ρ cld kg/m 3 Kütlesel akış hızı(sıcak akışkan) qm ht kg/s Kütlesel akış hızı(sğuk akışkan) qm cld kg/s Sıcak akışkandan yayılan ısı gücü Q e W Sğuk akışkan tarafından emlen ısı gücü Q a W Kaybedlen veya kazanılan ısı gücü Q f W Genel vermllk η % Sıcaklık verm (sıcak akışkan) η ht % Sıcaklık verm(sğuk akışkan) η cld % Sıcaklık verm rtalaması η rt % Genel ısı transfer katsayısı U W/m 2 C C 6