1

GİRİŞ:

Isı değiştiriciler; Farklı sıcaklıklara sahip iki akışkan arasında, birbiri içerisinde

karışmalarına müsaade etmeden, ısı transferinin gerçekleştirildiği cihazlardır. Yaygın

olarak ; Isıtma sistemlerinde, klima sistemlerinde, kimyasal proseslerde, güç

santrallerinde kullanılır.

Isı Değiştiricilerin Sınıflandırılması;

Akışkanların Temas Şekline Göre Sınıflandırılması

- Direkt Temaslı Isı Değiştiriciler

- İndirekt Temaslı Isı Değiştiriciler

Akış Şekillerine Göre Sınıflandırılması

- Paralel Akım

- Zıt Akım

- Çapraz Akım

Direkt Temaslı Isı Değiştiriciler;

- İki farklı fiziksel durumdaki akışkan (sıvı-gaz, katı- gaz, katı-sıvı gibi) birbiri ile

doğrudan temas ettirilir

- akışkan akışı genelde bir pompa, fan veya kompresörle hızlandırılır ve

zorlanmış tipten ısı iletimi hakimdir

- soğutma kuleleri ( gaz-sıvı teması )

- direkt temaslı kondenserler ( gaz-sıvı teması)

- pnömatik kurutucular ( katı-gaz teması )

- ısı iletimi çok hızlıdır

- korozyon, erozyon, yosunlaşma gibi problemlerin kontrolü daha kolaydır

İndirekt Temaslı Isı Değiştiriciler;

Akışkanların ısı alışverişi sırasında karışması ara bir yüzey ile önlenir ( Boru-kabuk

tipi ısı değiştiriciler).

2

Isı Değiştirici Çeşitleri

Farklı ısı transferi uygulamaları, farklı özelliklerde malzemelerin ve farklı

geometrilere sahip ısı değiştiricilerin kullanımını gerektirmektedir.

- Çift borulu ısı değiştiriciler

- Kompakt ısı değiştiriciler

- Kabuk ve boru ısı değiştiriciler

Çift Borulu Isı Değiştiriciler :

En basit ısı değiştirici tipidir. Farklı çaplardaki eş merkezli iki boruludan oluşmaktadır.

Paralel Akış; Sıcak ve soğuk akışkan aynı yönde girmekte ve çıkmakta.

Zıt (ters) Akış; Sıcak ve soğuk akışkan zıt yönlerde girmekte ve çıkmakta.

Kompakt Isı Değiştiriciler;

Birim hacim başına çok daha geniş ısı transfer alanları elde edebilmek için özel

olarak dizayn edilmişlerdir. Küçük bir hacim içerisinde yüksek ısı transfer hızı sağlar.

Sık aralıklı yerleştirilen Oluklu veya ince plakalı kanat kullanımıyla alan arttırılır.

Örnekler: Araç radyatörü ( 1000 m2/m3); İnsan Akciğeri ( 20 000 m2/m3)

Alan yoğunluğu ( ) :

Eğer > 700 m2/ m3 Kompakt ısı değiştiricidir.

Genellikle iki akışkan birbirlerine dik yönde hareket etmektedirler. Bu akış

konfigurasyonu çapraz akış olarak tanımlanır.

Kompakt ısı değiştiriciler genellikle gazdan gaza; gazdan sıvıya veya sıvıdan gaza

ısı değiştiricilerinde kullanılırlar (Araba radyatörü).

Karışmayan; Akışkan, kanatlar arasındaki boşluklar boyunca akışa zorlanır, farklı

yönlerdeki akışa izin verilmez.

Karışan; Akışkanın farklı yöndeki akışına herhangi bir sınırlandırma getirilmez.

3

Klasik bir ısı değiştirici, katı bir duvar ile ayrılmış iki akışkanın akımını içermektedir.

Isı tansfer mekanizmaları ;

- Sıcak akışkandan duvara : konveksiyon ile

- Duvar boyunca : kondüksiyon ile

- Duvardan soğuk akışkana : konveksiyon ile

Konveksiyon ısı transfer katsayılarının radyasyon etkilerini de içerdiği kabul

edilmektedir. Isıl Direnç Ağı, iki konveksiyon ve bir kondüksiyon direcinden

oluşmaktadır.

Isı değiştirici analizlerinde, sıcak akışkandan soğuk akışkana doğru gerçekleşen ısı

akışındaki ısıl dirençlerin birleştirilerek tek bir direnç şeklinde (R) verilmesi tercih

edilmektedir.

Sonuç olarak, iki akışkan arasındaki ısı transfer hızı;

U = Toplam ısı transfer katsayısı (W/m2.oC) (konveksiyon ısı transfer katsayısı ile

aynı birime sahip)

Denklemlerden T’ nin giderilmesi sonucu :

Ai ve Ao ; özellikle borunun bir yüzeyinin kanatlarla donatılmış, diğer yüzeyinin ise

kanatsız olduğu durumda birbirine eşit değildir. Çünkü kanatlı kısımın alanı birkaç kat

daha fazladır.

)haricindeolmasıA(A ,UU ancak ,AUAU oioiooii

Sonuç olarak U, A bağlı olarak ifade edilmelidir. Duvar kalınlığı çok az ve kboru çok

yüksek ise ;

TAUTAUTUAR

TQ ooii

.

oovardu

iiooii Ah

1R

Ah

1R

AU

1

AU

1

UA

1

s

4

Borunun içi ve dışı için bireysel h değerleri (hi and ho) önceki bölümlerde anlatılan

konveksiyon bağıntıları kullanılarak belirlenir. Eğer konveksiyon katsayılarından

herhangi birisi diğerine kıyasla oldukça küçük ise; U üzerine küçük konveksiyon

katsayısının etkisi daha baskındır.

Sonuç olarak: küçük h, bir darboğaz gibi davranmakta ve ısı transferini önemli oranda

sınırlandıracak şekilde rol oynamaktadır.

Örnek: gazdan sıvıya ısı transferi (Kanatlar, U.As çarpımını ve dolayısıyla ısı transfer

hızını artırmak için yaygın biçimde gaz tarafında kullanılır)

Isı transferini artımak için borunun bir yüzeyi kanatlarla donatıldığında, kanatlı

yüzeydeki toplam ısı transfer alanı :

Yüksek k değerine sahip kısa kanatlar için : kanatlar hemen hemen izotermaldir ve

Aksi takdirde efektif yüzey alanı belirlenmelidir;

Kabuk Faktörü (Fouling Factor)

Isı transferinin gerçekleştiği yüzeylere totuların çökelerek birikmesi, Isı transferine ek

bir direnç oluşturur. Isı transferi üzerine bu birikmelerin net etkisi kabuk faktörü

(fouling factor) ile gösterilir.

ioioi hU 1/h1/h hh

olmayankanatkanattoplams AAAA

𝐀𝐤𝐚𝐧𝐚𝐭 𝐨𝐥𝐦𝐚𝐲𝐚𝐧 = 𝐊𝐚𝐧𝐚𝐭𝐥𝐚𝐧𝐝ı𝐫ı𝐥𝐦𝐚𝐦ış 𝐤ı𝐬ı𝐦ı𝐧 𝐲ü𝐳𝐞𝐲 𝐚𝐥𝐚𝐧ı

𝐀𝐤𝐚𝐧𝐚𝐭 = 𝐊𝐚𝐧𝐚𝐭𝐥𝐚𝐫ı𝐧 𝐲ü𝐳𝐞𝐲 𝐚𝐥𝐚𝐧ı

skonv hA/1R

kanatkanatolmayankanattoplams AAAA

5

Kabuk faktörü (Rf) = kabuktan dolayı oluşan ısıl direncin ölçülmesi

Temiz olmayan yüzeyler için (kanatsız kabuk-boru ısı değiştirici) ;

faktörleri kabuk içinyüzeyler dıı ve içR & R of,i,f

Oldukça komplike bir olay olup kontrolü zordur.

- Çökelme nedeniyle kabuklaşma

- Katı partiküller nedeniyle kabuklaşma

- Kimyasal korozyon sonucu kabuk oluşumu

- Biyolojik kabuk oluşumu

Kabuk oluşumunun yol açtığı sorunlar:

- Isı değiştiriciler gereğinden büyük yapılırlar. Yatırım maliyeti artar.

- Enerji kayıplarını arttırır.

- Isı değiştiricilerin periyodik temizlenmesini gerektirir.

- Sık sık durmalara neden olduğu için üretim düşüklüğüne neden olur.

Kabuk oluşumu, işlem sıcaklığına,

akışkanın hızına ve işlem süresine

oldukça bağlıdır. Kabuk oluşumu, işlem

sıcaklığının artışı ve akışkan hızının

azalması ile birlikte artar.

Kabuklaşma tasarım aşamasında göz

önüne alınmalıdır. Bu aşamada bir

öngörü yapılmalı ve deneyimlerden

yararlanılmalıdır.

ooo

o,fio

i

i,f

iiooii Ah

1

A

R

kL2

)D/Dln(

A

R

Ah

1R

AU

1

AU

1

UA

1

6

TEMA (Tubular Exchanger Manufacturer Association) tarafından tavsiye edilen

değerler kullanılır. Tabloda verilen değerlerin pek çoğunun 10-4 m2.C/ W

mertebesinde olduğuna dikkat ediniz. Bu değer, 0,2 mm kalınlığndaki kireç taşı

tabakasının (k=2,9 W/m.oC) ısıl direncine eşittir (birim yüzey alanı için). Bu değer,

elimizde spesifik bir değerin olmadığı durumda, kabuk faktörü hesabı için başlangıç

değeri olarak alınabilir.

Isı Değiştiricilerin Analizi

En uygun ısı değiştirici seçimi; Belirli bir kütlesel akış hızına sahip akışkan için

talep edilen sıcaklık değişiminin sağlanması

Çıkış sıcaklıklarının tahmin edilmesi; belirli bir ısı değiştirici için sıcak ve soğuk

akışkanların çıkış sıcaklıklarının belirlenmesi

Isı değiştirici analizleri için iki yöntem vardır:

1. Logaritmik ortalama sıcaklık farkı (Log mean temperature difference method,

LMTD) Isı değiştirici seçiminde çok iyi sonuç verir.

2. -NTU method, Isı transfer ünite sayısı (Effectiveness-Number of transfer unit)

Çıkış sıcaklıklarının tahimininde çok iyi sonuç verir.

Kabuller:

- Kararlı akış

- Her bir akışkanın kütlesel akış hızı sabit

- Akışkan özellikleri (giriş ve çıkış için değişmemekte)

- Her bir akışkanın Cp değeri sabit(belirli bir sıcaklık aralığı için

- Kinetik and potansiyel enerji değişimleri ihmal

- Boru boyunca eksenel yönde ısı iletimi ihmal

- Isı değiştiricinin dış yüzeyi mükemmel izolasyona sahip (ortama herhangi bir

ısı kaybı yok)

- Tüm ısı transferi yalnızca iki sıvı arasında gerçekleşmektedir.

7

DENEY DÜZENEĞİ

Bu deneyde Kabuklu-Borulu Isı Değiştirici kullanılmıştır. İç içe iki boru kullanılarak

yapılan ısı transferi, yeterli veya elverişli miktarda değilse bu durumda kabuklu-borulu

ısı değiştiricisi kullanılmaktadır (Şekil 1). Bu ısı değiştirici (eşanjör) tipi, dış tarafta

büyük bir boru (kabuk, kovan olarak da isimlendirilir) ve onun içerisinde yer alan

küçük çaptaki borulardan oluşmaktadır.

Farklı sıcaklıklara sahip akışkanlardan birisi iç kısımdaki borulardan akarken, diğeri

kabuk içerisinde akmaktadır. Isı, sıcak akışkandan soğuk akışkana transfer olur.

Kabuk-boru tipi ısı değiştirici endüstride; atık ısının geri kazanılması başta olmak

üzere, pek çok farklı alanda kullanılmaktadır.

Burada bir kabuk içerisine hesaplanan miktarda, belli çapta, uzaklıkta ve geometrik

dizilimde borular yerleştirilmektedir. Kabuk ve boru taraflarının ısı transfer katsayıları

oldukça önemlidir ve katsayıların yüksek olması tercih edilmektedir. Kabuk tarafından

geçecek sıvının hız ve türbulansı, boruların içerisinde geçecek akışkanınki kadar

önem taşımaktadır. Bunu arttırabilmek için kabuk ile boru arasına engeller (baffle)

konulup, geçiş alanı daraltılarak, akış hızı arttırılmaktadır.

Avantajları;

Zıt akış elde etmek kolaydır.

Yüksek basınçlara dayanabilir.

Standart modüler kontrüksiyona sahiptir,

Bakımı ve tamiri kolaydır.

Temizlenmesi koyla olduğundan özellikle kirletici akışkanlar için uygundur.

Piyasadan kolay şekilde bulunabilir.

Birçok metal ile imal edilebildiğinden akışkan sınırlaması çok azdır.

Isıl kapasiteyi ve ısıl geçiş yüzey alanını artırmak için seri halde montajları

yapılabilir.

Dezavantajları;

8

Özellikle küçük kapasiteler için uygundur.

Yüksek ısıl kapasiteler (1 MW dan daha fazla) için pahalıdır.

Şekil 1: Kabuklu-Borulu Isı Değiştirici

Kabuklu ve borulu ısı değiştiricisi Şekil 3’de gösterilmektedir. Deney boyunca

düzeneğin farklı yerlerinde bulunan ısıl çiftler (K tipi) sıcaklık ölçümünde

kullanılmaktadır.

Buna göre (zıt akış için):

T1: Boru tarafı sıcak akışkanın giriş sıcaklığı

T2: Boru tarafı sıcak akışkanın çıkış sıcaklığı

T3: Kabuk tarafı soğuk akışkanın giriş sıcaklığı

T4: Boru tarafı soğuk akışkanın çıkış sıcaklığı

Kullanılan deney setinde, 6,35 mm dış çaplı, 0,6 mm et kalınlığındaki 7 tane

paslanmaz çelik boru (tüp), 39 mm iç çapında ve 3 mm et kalınlığındaki akrilik

borunun içine yerleştirilmiştir. İki adet akrilik şeritten yapılmış engel (baffle) ise bu

borunun içerisine yerleştirilmiştir.

HT 33 kabuklu borulu ısı değiştiricisini sisteme yerleştirip, vidalarla sabitleyiniz.

9

Şekil 2. Deney düzeneği (kabuk ve borulu ısı değiştiricisi)(HT 33)

Isıl çiftleri soketlerini kontrol konsolunda (Şekil 4) görülen yerlerine bağlayınız.

Cihazın fişlerini takınız ve Şekil 4’de gösterilen 9 nolu düğmeye basarak cihazı

açınız.

Sıcak su iç borulardan ve soğuk su ise kabuk tarafından geçecek şekilde sıcak

ve soğuk su girişlerini istenilen akış prensibine (zıt yada paralel) göre gerekli

bağlantıları yapınız.

10

Sistemde bulunan sıcak su haznesini su ile doldurup, kontrol panelinde Tsıcak

sıcaklığını istenilen sıcaklığa göre ayarlayınız.

Soğuk suyun geldiği hattaki vanayı aşağıya doğru kısık bir biçimde indirerek

açınız. Bağlantılarda sızma olup olmadığı kontrol ediniz.

Sistemde gösterilen iğne vanalardan sağa doğru çevirerek sıcak ve soğuk

akışkanların akış hızlarını kontrol panelinden okuyarak istenilen değerlere

ayarlayınız.

Şekil 3. Isı değiştiricisi sistemi için konsol ve kontrol panelleri (3:bağlantı vidaları; 9:

açma-kapama düğmesi:8:kontrol paneli:6:sıcak su haznesi)

DENEY YÖNTEMİ

Kabuklu-borulu tipi ısı değiştiricisi için yapılacak deneyler:

a) Sistem bağlantılarını zıt akış prensibine göre yapınız.

Tsıcak=60oC, Fsıcak=3 L/dak., Fsoğuk=1 L/dak

Tsıcak=60oC, Fsıcak=3 L/dak., Fsoğuk=2 L/dak

Sıcaklıklar kararlı (stabil) olduğunda T1, T2, T3, T4, Fsıcak ve Fsoğuk’u kayıt ediniz.

b) Akış tipi önce zıt sonra parelel olarak aşağıdaki koşullarda, sıcaklıklar

kararlı(stabil) olduğunda T1, T2, T3, T4, Fsıcak ve Fsoğuk’u kayıt ediniz.

Tsıcak=60oC, Fsıcak=2L/dak., Fsoğuk=1 L/dak

11

c) Akış tipi önce zıt sonra parelel olarak aşağıdaki koşullarda, sıcaklıklar

kararlı(stabil) olduğunda T1, T2, T3, T4, Fsıcak ve Fsoğuk’u kayıt ediniz.

Tsıcak=60 oC, Fsıcak=1 L/dak., Fsoğuk=1 L/dak

e) Akış tipi önce zıt sonra parelel olarak aşağıdaki koşullar için sıcaklıklar kararlı

(stabil) olduğunda T1, T2, T3, T4, T5, T6, Fsıcak ve Fsoğuk’u kayıt ediniz.

Tsıcak=40oC, Fsıcak=2L/dak., Fsoğuk=1 L/dak

Ardından sabit akış hızında Tsıcak 50 oC, 60 oC, 70 oC, ve 80 oC için deneyleri

tekrar ediniz.

Kabuklu ve borulu ısı değiştiricisi

a bölümünde aldığınız verilerden ΔTh=T1-T3 ve ΔTc=T6-T4 değerlerini

hesaplayarak, deneysel hataları tahmin ediniz. Farklı akış hızları için sıcaklık

farklarını karşılaştırınız ve sonuç bölümünde yorumlayınız.

a bölümünde yaptığınız deneysel verilerden faydalanarak, kabuklu ve borulu bir ısı

değiştiricide toplam enerji denkliğini ve toplam etkinliği (verimi) farklı akış hızları için

hesaplayıp, karşılaştırınız.

Yoğunluk ve Cp değerlerini arkadaki çizelgelerden (ekler) okuyunuz.

Kütlesel akış hızı (qm)(kg/s) =hacimsel akış hızı(qv) (m3/s) x akışkan yoğunluğu

(ρ)(kg/m3)

Q (ısıl enerjisi)= qm (kütlesel akış hızı) x Cp (özgül ıs kapasitesi) x ΔT (sıcaklık farkı)

Sıcak akışkan tarafından verilen ısı Qe=qmhxCphx(T1-T3)

12

Soğuk akışkan tarafından alınan ısı Qa= qmcxCpcx(T6-T4)

Isı kaybı Qf=Qe-Qa

Toplam ısıl verim η =Qa/Qex100(%)

b bölümünde yaptığınız deneysel verilerden faydalanarak, kabuklu ve borulu bir ısı

değiştiricide her iki akış tipinde, hem soğuk hem de sıcak akışkan için ısıl etkinlik

katsayısını ve tüm sistem için ortalama etkinlik katsayısını hesaplayıp, karşılaştırınız.

Zıt Akış için

Zıt akışta, sıcak ve soğuk akışkanların bağlantıları birbirlerine göre ters yönden

akacak şekildedir. Şekil 8’de akış prensibi ve sıcaklık profilleri verilmiştir.

Buna göre;

Sıcak akışkandaki sıcaklık düşüşü ΔTh=T1-T2

Soğuk akışkandaki sıcaklık yükselmesi ΔTc=T4-T3

Sıcak akışkan tarafından verilen ısı Qe= qmhxCphx(T1-T2)

Sıcak akışkan için ısıl etkinlik ηh=((T1-T2)/(T1-T3))x100(%)

Soğuk akışkan için ısıl etkinlik ηc=((T4-T3)/(T1-T3))x100(%)

Ortalama ısıl etkinlik ηm= (ηh+ ηc)/2(%)

Zıt akış prensibi ve sıcaklık profile

13

Parelel akış için

Paralel akışta, sıcak ve soğuk akışkanlara bağlantıları birbirlerine göre aynı yönde

akacak şekildedir. Şekil 9’da akış prensibi ve sıcaklık profilleri verilmiştir.

Buna göre;

Sıcak akışkandaki sıcaklık düşüşü ΔTh=T1-T2

Soğuk akışkandaki sıcaklık yükselmesi ΔTc=T3-T4

Sıcak akışkan tarafından verilen ısı Qe= qmhxCphx(T1-T2)

Sıcak akışkan için ısıl etkinlik ηh=((T1-T2)/(T1-T4))x100(%)

Soğuk akışkan için ısıl etkinlik ηc=((T3-T4)/(T1-T4))x100(%)

Ortalama ısıl etkinlik ηm= (ηh+ ηc)/2(%)

Şekil 4: Parelel akış prensibi ve sıcaklık profili

14

b bölümünde yaptığınız deneysel sonuçları kullanarak, her iki akış tipi için ortalama

logaritmik sıcaklık farkını hesaplayınız (LMTD) ve toplam ısı transfer katsayısı U’yu

hesaplayıp, sonuç bölümünde karşılaştırınız.

LMTD:

tüplerin ısı geçiş uzunluğu l:0,144m

c bölümünde yaptığınız deneysel sonuçları kullanarak, her iki akış tipinde farklı

akış hızlarındaki U, sıcak ve soğuk akışkanlar için ısıl etkinlik ve ortalama etkinlik

katsayılarını hesaplayarak, sonuç bölümünde karşılaştırınız.

d bölümünde yaptığınız deneysel sonuçları kullanarak, her iki akış tipinde farklı Th

sıcaklıkları için U, sıcak ve soğuk akışkanlar için ısıl etkinlik ve ortalama etkinlik

katsayılarını hesaplayarak, karşılaştırınız. Isı transferinde, sürücü kuvvetin

değiştirilmesi ısı transferini nasıl etkilediğini deneysel sonuçlarınıza dayanarak, sonuç

bölümünde karşılaştırınız.

15

16

HT33 için Terminoloji

İsim sembol SI birim

Boruların iç çapı di m

Boruların dış çapı do m

Boruların çaplarının aritmetik ortalaması dm m

Boruların sayısı n -

Her bir borunun ısı iletim uzunluğuı l m

Toplam ısı iletim uzunluğu L m

Isı transfer alanı A m2

Spesifik ısı kapasitesi(sıcak akışkan için) Cphot kj/kgoK

Spesifik ısı kapasitesi(soğuk akışkan için) Cpcold kj/kgoK

Sıcak akışkanın giriş sıcaklığı T1 oC

Sıcak akışkanın çıkış sıcaklığı T2 oC

Soğuk akışkanın giriş sıcaklığı T3 oC

Soğuk akışkanın çıkış sıcaklığı T4 oC

Sıcak akışkan sıcaklığındaki azalma ∆thot oC

Soğuk akışkan sıcaklığındaki artış ∆tcold oC

Sıcak akışkan girişi için itici güç ∆t1 oC

Sıcak akışkan çıkışı için itici güç ∆t2 oC

Sıcaklık farkının logaritmik ortalaması ∆t1m oC

Hacimsel debi(sıcak akışkan) qvhot m3/s

Hacimsel debi(soğuk akışkan qvcold m3/s

Sıcak akışkanın yoğunluğu Ρhot kg/m3

Soğuk akışkanın yoğunluğu Ρcold kg/m3

Kütlesel akış hızı(sıcak akışkan) qmhot kg/s

Kütlesel akış hızı(soğuk akışkan) qmcold kg/s

Sıcak akışkandan yayılan ısı gücü Qe W

Soğuk akışkan tarafından emilen ısı gücü Qa W

Kaybedilen veya kazanılan ısı gücü Qf W

Genel verimlilik η %

Sıcaklık verimi (sıcak akışkan) ηhot %

Sıcaklık verimi(soğuk akışkan) ηcold %

Sıcaklık verimi ortalaması ηort %

Genel ısı transfer katsayısı U W/m2C