http://www.aldag.com.tr/ 

 

Ekonomizerler

05 Apr 2013

Ekonomizer, bir tesiste sadece tasarruf unsuru değil aynı zamanda kurulu kapasiteyi artıran bir ısı transfer yüzeyidir. Sisteme eklendiğinde, üretilen birim ısı enerjisi başına düşen yatırım tutarı azalır. Baca gazı sıcaklığını düşürdüğü için baca gazında gereksiz yere bulunan fazla hava da soğutularak dışarı atılır. Bu şekilde hava fazlalık katsayısının artışından kaynaklanan verim kaybı önemli miktarda telafi edilir.

Ekonomizerlerin Sınıflandırılması

Düz veya Dirsek Dönüş Borulu Ekonomizerler: Kömür, fuel oil, vb. yakıtlardan elde edilen nispeten kirli duman gazlarından ısı geri kazanımı amacıyla kullanılırlar. Düşük basınçlarda düz borulu, yüksek basınçlarda dirsek dönüş borulu (U) borulu tipleri kullanılır.

Kanatlı Borulu Ekonomizerler: Doğalgaz, LPG, vb. yakıtlardan elde edilen nispeten temiz duman gazları ve sıcak hava gibi ısı kaynaklarından ısı geri kazanımı amacıyla kullanılırlar. Düşük basınçlarda düz borulu, yüksek basınçlarda firkete (U) borulu tipleri kullanılır. Çok küçük hacımlar içine çok büyük yüzeyler sığdırılabildiğinden, kapasite/hacım oranları yüksektir. Maliyet/Kapasite oranları düşüktür.

Helezon ve Spiral Borulu Ekonomizerler: Duman gazlarının kirlilik durumlarından etkilenmeyen yapıda olduklarından, her türlü atık gazlarda kullanılabilirler. Genelde kanal veya baca arası veya içlerine yerleştirilirler.

Duman Borulu Ekonomizerler: Duman gazlarının kirlilik durumlarından etkilenmeyen yapıda olduklarından, her türlü atık gazlarda kullanılabilirler. Eşanjör tipindedirler. Isı geçiş katsayıları düşük olduğundan yüzeyleri ve kapladıkları alan ve hacim diğer tiplere göre çok yüksektir. Çok özel durumlarda kullanılırlar. Ekonomizerler; işletme basıncı, yakıt cinsi, sıcaklıklar, gazın kirlilik durumu, işletme koşulları, yerleşim şekli, vb. faktörler dikkate alınarak dikişli veya dikişsiz siyah borudan, paslanmaz borudan, düz borulu, U dirsek dönüş borulu, spiral borulu, helezon borulu veya kanatlı borulu olarak dizayn ve imal edilebilirler.

Ekonomizer Uygulama Alanları

Buhar Kazanlarında
  • Kazan besleme suyunun ön ısıtılmasında,
  • Taze kazan besleme suyunun ısıtılmasında, degazör ısı ihtiyacının karşılanmasında,
  • Tesiste herhangi bir amaçla kullanılan sıcak suyun ısıtılmasında,
  • Tesiste herhangi bir mahallin ısıtılması amacıyla kullanılan kalorifer sistemi suyunun ısıtılmasında veya ısı takviyesinde.

Kaynar Su Kazanlarında
  • Tesisat dönüş suyunun ön ısıtılmasında,
  • Taze sistem besleme suyunun ısıtılmasında, degazör ısı ihtiyacının karşılanmasında,
  • Tesiste herhangi bir amaçla kullanılan sıcak suyun ısıtılmasında,
  • Tesiste herhangi bir mahallin ısıtılması amacıyla kullanılan kalorifer sistemi suyunun ısıtılmasında veya ısı takviyesinde.

Kızgın Yağ Kazanlarında
  • Tesiste herhangi bir amaçla kullanılan sıcak suyun ısıtılmasında,
  • Tesiste herhangi bir mahallin ısıtılması amacıyla kullanılan kalorifer sistemi suyunun ısıtılmasında veya ısı takviyesinde.
  • Tesiste ihtiyaç duyulacak 2-4 atü gibi düşük basınç ve kapasiteli buhar ihtiyacının sağlanmasında.
  • Bugüne kadar uyguladığımız veya önerdiğimiz ekonomiler sistemlerinde, sürekli çalışan tesislerde geri kazanılan ısının bedelinin yapılacak ekonomizer sistemi yatırımını 4 ile 6 ay arasında amorti ettiği görülmüştür.

Ekonomizer nedir ne değildir?

Bir kazandan bacaya verilmek üzere çıkan duman gazları genellikle kazan çalışma rejimi sıcaklığından 40°C ile 80°C daha yüksek olmaktadır. Kazan çalışma sıcaklığı ve buna bağlı olarak kazan duman gazı çıkış sıcaklığı yükseldikçe, duman gazları vasıtasıyla çevreye atılan enerji miktarı da artmaktadır. Bacadan atılan bu atık ısının bir kısmının geri kazanılması, kazan veya sistem verimini yükselterek yakıt tasarrufu sağlayacaktır. Ekonomizerler, ısı, buhar veya güç üretim tesislerinde kazanlardan çıkarak bacaya verilen duman gazları üzerinde bulunan ısının bir bölümünü, bünyelerinde sirküle eden suya aktarmak suretiyle, geri kazanmak amacıyla kullanılırlar. Geri kazanılan bu ısı, kazan besleme suyuna verilebileceği gibi, tesiste ısıtma, banyo, yıkama, vb. amaçlar için kullanılacak suya da verilebilir. Geri kazanılacak ısının hava veya bir gaza aktarılması söz konusu olduğunda ise hava ısıtıcılar kullanılır. Kazan duman gazı çıkış sıcaklığı, kazanın çalışma rejimine, kazanın bünyesel verimine, kazan-brülör uyumuna ve yakıt cinsine bağlı olarak belli bir büyüklükte olur. Ekonomizer gaz çıkış sıcaklığını ise, kullanılan yakıtın cinsi ve ısının aktarılacağı akışkanın çalışma koşulları belirler.

Bir ekonomizerde geri kazanılabilecek ısının büyüklüğü, kazan duman gazı çıkış sıcaklığına bağlı olduğu gibi duman gazının ekonomizerden çıkış sıcaklığına da bağlıdır. Ekonomizere giren ve çıkan duman gazları sıcaklıkları farkı ne denli büyük olursa geri kazanılan ısı, dolayısıyla verim artışı da o denli büyük olur. Ancak korozyona sebep olabilecek asit gazlarının yoğunlaşmasını önlemek için atık gazların sıcaklıklarının belli bir derecenin altına indirilemeyeceği göz önüne alınmalıdır. Bir ekonomizerde, doğalgaz ve benzeri gaz yakıtlı kazanlarda 140°C, motorin, fuel oil ve kömür yakıtlı kazanlarda 220°C ve daha büyük duman gazı sıcaklıklarından ekonomik olarak yararlanmak olanaklıdır. Bir duman gazı ısı geri kazanım sisteminde ulaşılabilecek baca gazı sıcaklığının minimum seviyesi, kullanılan yakıtın cinsine bağlıdır. Ekonomizer gaz çıkış sıcaklığı, fuel oil yakıtlı kazanlarda 180ºC, motorin yakıtlı kazanlarda 150ºC, doğal gaz ve LPG yakıtlı kazanlarda 110ºC’ye kadar düşürülebilir. 

Isı, buhar veya güç üretim tesislerinde ekonomizer kullanılmasıyla sağlanacak yararlar şunlardır; Kazan duman gazı çıkış sıcaklığı ve yakıt cinsine bağlı olarak kazan veya tesis veriminde % 3 ile % 7 arasında verim artışı sağlanır. Sağlanan verim artışına bağlı olarak, aynı kapasite için daha az yakıt harcanması veya aynı miktarda yakıt harcanması için daha fazla ısı üretimi gerçekleşir. Kazanılan ısının kazan besleme suyuna verilmesi halinde, kazanın maksimum yüklerde dahi zorlanmadan çalışması, değişik yüklere daha iyi bir şekilde uyum sağlaması ve kazan veriminin değişik yüklerde nispeten yüksek ve sabit kalması sağlanır. Optimal kapasitesinin üzerinde çalışan veya yapısı itibarıyla düşük verimli olan kazanlara ekonomizer ilavesi ile kazan kapasitesi ve verimi optimum düzeylere çıkarılabilir. Ekonomizer uygulama alanları, oldukça çeşitlidir. Önemli olan, sistemden geri kazanılan ısının, sistemin çalışma süresi boyunca kullanılmasıdır.

Isı Değiştirgeçleri (Eşanjörler)

Tanımı ve çalışma prensibi:

Isı değiştirgeçleri, farklı sıcaklıktaki iki veya daha fazla akışkan arasındaki ısı alışverişini sağlayan tesisatlardır. Isı değiştirgeçlerine akışkanlar,birbirleri ile karıştırılmadan ısı geçişi yapılan bir yüzeyle birbirlerinden ayrılır. Sanayinin hemen hemen bütün dallarında yaygın olarak kullanılırlar; özellikle ısıtma ve soğutma tesisleri,kuvvet makinaları ile santralleri, kimya tesisleri ve ısıl işlem tekniğinde çok önemli yer tutmaktadırlar.Su ile soğutmalı motorlardaki radyatörler, soğutma tesislerindeki kondanserler ve buharlaştırıcılar, termik kuvvet santrallerinde ve kimya tesislerindeki kondanserler birer ornek olarak verilebilir.
Isı değiştirgeçleri, tesisin termik verimini arttırma, çevrimin tamamlanması, gibi yönlerden başka imal edilen ürünün kalitesi yönünden de önemlidir.örneğin ısıl işlem tekniğinde çoğu kez belirli bir sıcaklığa getirilen bir madde ya egzoterm reaksiyonlar sonucunda ısı açığa çıkarır veya endoterm reaksiyonlar sonunda ısıya ihtiyaç gösterir. Sıcaklık birinci halde artar, ikinci halde ise azalır. Sıcaklığın yükselmesi reaksiyona katılan maddede de parçalanmalara, ayrışmalara sebep olabilir. Düşük sıcaklıklarda ise reaksiyon iktisadi olmayacak şekilde yavaşlar. Bu gibi tesislerde sıcaklığın belirli bir değerde tutulması gerekir. Bu sebeple ısı değiştirgeçlerinin önemi kolayca anlaşılır.

Isı değiştiricisi içinde yoğuşma ve buharlaşma gibi bir faz değişimi varsa, bu tiplere “Gizli Isı değiştirgeçleri”, faz değişiminin olmadığı diğer tiplere ise “Duyulur Isı Değiştirgeçleri” adı verilir.

Buhar kazanları, nükleer enerji santralleri ısının kendi içlerinde üretildiği birer ısı değiştiricisi olmasına rağmen, kapsadıkları konular ve özel önlemleri nedeniyle ayrı incelenen sistemlerdir.

Konstrüktif olarak, regeneratif ısı değiştirgecinin dışındaki bütün ısı değiştirgeçlerinde hareketli bir makine parçası yoktur.Pratikte değişik uygulama yerlerinde çok farklı ısı değiştiricisi tipine rastlanabilir. Isı değiştiricileri konstrüksiyonlarına, akış şekillerine, akışkan sayısına, ısı transferi mekanizmasına göre değişik şekillerde sınıflandırılabilir. Isı değiştirgeçlerinde şekil ve akım türü ne olursa olsun farklı sıcaklıklarda akışkanlar bulunur. Sıcak akışkan ısı vererek soğurken soğuk akışkan bu ısıyı alarak sıcaklığı yükselir. Aralarında ısı alışverişi bulunan akışkanların eşanjöre giriş ve eşanjörden çıkış sıcaklıkları bu yüzden farklı olmaktadır.

Isı Değiştirgeçlerinin Sınıflandırılması

Isı değiştirgeçleri faz değişimine göre ikiye ayrılabilir.

1. Gizli Isı Değiştirgeçleri: Isı değiştirgeci içinde yoğuşma ve buharlaşma gibi bir faz değiştirme işlemi varsa bu tiplere verilen addır. 

2. Duyulur Isı Değiştirgeçleri: Isı değiştirgeci içinde faz değişimi işlemi yok ise verilen addır.

Sıcak ve soğuk akışkanların karışmasına göre 3’e ayrılır.

1. Karışımlı Isı Değiştirgeçleri: Her iki akışkan değiştirgeç içinde karışarak ısı alışverişi gerçekleşir.

2. Regeneratörler: Regeneratörler, metal ve reflaktörlerin kullanıldığı bir ısı transfer ortamına sahip döner elemanlı ısı değiştirgeçleridir. Sıcak ve soğuk akışkanlar aynı kanallardan ardışık olarak geçmektedir. Ortam belli bir zaman süresince sıcak atık gazlarla ısıtılır. Isı enerjisi kanal duvarına aktarılmakta ve depolanmaktadır. 
Ön ısıtılacak soğuk hava daha sonraki belirli zaman boyunca ortamdan geçerek bu ortamın ısısını alır. Depolama ve boşaltma biçiminde oluşan bu aktarım periyodik olarak devam etmektedir. Ortam değişken olarak atık gazlarla ısıtılmış ve yanma havasıyla soğutulmuş olur. 

Regeneratif tip ısı değiştirgeçleri ikiye ayrılabilir:

a) Sabit Matrisli Regeneratif Isı Değiştirgeçleri: Yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılır. Örneğin; cam eritme fırınlarında yüksek sıcaklıklı fırınlarda.

b) Döner Matrisli Regeneratif Isı Değiştirgeçleri: Düşük sıcaklık uygulamalarında kullanılır. Örneğin;buhar kazanları. Düşük sıcaklıktaki atık ısı değiştirgeçlerinin kullanımı genelde ekonomik olmamaktadır. Bunun sebebi atık ve taze akışkanlar arasındaki sıcaklık farkının küçük olması, atık akışkanın tasarım ve işletim yönünden sınırlama getiren özelliklerdir. Döner tip ısı değiştirgeçleri sıcaklık farklarının düşük olduğu, akışkanlar arasında nem transferinin istendiği durumlarda uygun olmakta bu da sistemin ilk yatırım maliyetlerinin düşük olmasını sağlamaktadır.

3. Yüzeyli Isı Değiştirgeçleri: Birbirinden bir sınır yüzeyiyle ayrılmış iki akışkanın aynı anda farklı iki bölgeden geçerken aralarında ısı alışverişinin olduğu ısı değiştirgeçleridir. Bu ısı değiştirgeçlerinde sıcak akışkan, bir giriş sıcaklığından bir çıkış sıcaklığına kadar soğurken, ısıtılmak istenen soğuk akışkan bir giriş sıcaklığından bir çıkış sıcaklığına kadar ısınır. Yüzeyli ısı değiştirgeçlerinde ısı değişimi süreklidir. Sıcak ve soğuk akışkanlar öngörülen bölmelerden süratle geçerken sıcak akışkandan soğuk akışkana ısı transfer edilir.

Yüzeyli ısı değiştirgeçleri ısıtma yüzeylerine göre ikiye ayrılırlar

1. Borulu ısı değiştirgeçleri
2. Levhalı ısı değiştirgeçleri

Yüzeyli ısı değiştirgeçlerinin akış şekline göre sınıflandırılması:

Akıma göre sınıflandırma, esas olarak tek geçişli ve çok geçişli olmak üzere iki temel gurupta toplanabilir.

1. Tek Geçişli Isı Değiştirgeçleri:
Bu tipler; paralel, ters ve çapraz akımlı olmak üzere üç gurupta toplanabilirler.

a) Paralel Akımlı Isı Değiştirgeci: 
Bu akım şeklinde akışkanlar, değiştir geçin bir ucundan girip, aynı doğrultuda akarlar ve değiştirgecin diğer ucundan çıkarlar. Şekil 1a’ da bu tip bir düzenleme görülmektedir. Bu tip değiştirgeçlerde soğuk ve sıcak akışkan aynı kesitten girerler. 

b) Ters Akımlı Isı Değiştirgeçleri:
Bu tip ısı değiştirgeçlerinde akışkanlardan biri boru içinden akar. Diğeri boruların dışından ters yönde akar. Ters akımlı ısı değiştirgeçlerinde ortalama logaritmik sıcaklık farkı diğer bütün düzenlemelerden daha büyüktür. Diğer tiplere göre daha kompakt ısı değiştirgeçleri olmasına rağmen pratikteki imalat güçlükleri, ısı transfer yüzeyindeki ısıl gerilmeler ve korozyon tehlikesi nedeniyle birçok uygulamada ters akımlı ısı değiştirgeci tercih edilmeyebilir. Şekil 1b’ de bu tip bir düzenleme görülmektedir.

c) Çapraz Akımlı Isı Değiştirgeçleri:
Bu tip akışkanlar değiştirgeç içinde birbirine dik olarak akarlar. Akışkanlar değiştirgeç içerisinde ilerlerken kendisi ile karışabilir veya karışmayabilir. Şekil 1c’de şematik olarak gösterilen levhalı ısı değiştirgecinde, akışkanların ikisi de karışmamaktadır. Akışkan değiştirgeç içerisinde bireysel kanallar (veya borular) içinde akıyor ise ve bitişik kanal içindeki akışkan ile karışmıyor ise bu akış şekline ”karışmayan” adı verilir. 

Isı geçişinin etkinliği yönünden ısı değiştirgeçleri mukayese edildiğinde en iyi sonucun ters akımlı ısı değiştirgecinde sağlandığı görülür. Çapraz akışlı ısı değiştirgecinde, paralel akımlı ısı değiştirgecine nazaran daha iyi ısı geçişi elde edilmekle beraber, ters akımlı ısı değiştirgeçleriyle mukayese edildiğinde çapraz akımlı ısı değiştirgeci ikinci planda kalmaktadır.
 
Akış durumlarına göre ısı değiştiricilerin sınıflandırılması

2. Çok Geçişli Isı Değiştirgeçleri:

 


Bundan önce incelenen paralel, ters, çapraz olarak adlandırılan üç tek geçişli işlem, değiştirgeç içerisinde değişik şekillerde art arda seri halde düzenlenerek çok geçişli değiştirgeç tipleri elde edilebilir. Çok geçişli ısı değiştirgeçlerinin en büyük üstünlüğü değiştirgeç etkinliğini artırmaktır. İki akışkanın birbirine göre akışı prensip olarak ters şekilde düzenlenmiş ise, bu değiştirgeçlerin etkinlikleri tek geçişli ters akımlı değiştirgeçlerin etkinliğine yaklaşır. Değiştirgeçteki geçiş sayısı kadar fazla ise, bu yaklaşım o kadar iyidir. Çok geçişli ısı değiştirgeçleri, kanatlı yüzeyli, kovan-borulu, levhalı tip olarak değişik düzenlemelerde imal edilirler.

a) Çapraz Ters Akımlı Isı Değiştirgeçleri:
Bu tip değiştirgeçler genellikle kanatlı yüzeyli ısı değiştirgeçlerinde tercih edilir. İki veya daha fazla sayıda çapraz geçiş arka arkaya ters akımlı olarak seri halde bağlanır. Yüksek sıcaklıklardaki uygulamalarda, sıcaklığın fazla olduğu geçişlerde sıcağa dayanıklı pahalı malzeme, diğer yüzeylerde ise ucuz malzeme kullanılarak imalat masrafları azaltılabilir.

b) Çapraz Paralel Akımlı Isı Değiştirgeçleri:
Bu düzenleme, bir önceki düzenlemeye çok benzer, sadece akışkanların birbirlerine göre genel akışı paraleldir.

 

c) Kovan Akışkanının Karıştığı, Paralel-Ters Akımlı Düzenleme:
Bu düzenleme, kovan-borulu ısı değiştirgeçlerinde en çok kullanılan tiptir. En basit olarak, bir kovan iki geçişli olarak yapılabilir. Sistemde borular bir uçlarından tespit edildiğinden ısıl gerilmeler çok azdır. Kovan tarafındaki akışkan karıştığından, herhangi bir kesitteki kovan akışkanının sıcaklığı sabittir.

 

d) Kovan Akışkanı Karışmış, Bölünmüş Akımlı Düzenleme:
Bu düzenlemede kovan içinden akan akışkan, kovan ortasından girer, eşit olarak iki kısma ayrılır ve kovan iki ucundan çıkar.

 

 

e) Kovan Akışkanı Karışmış, Ayrık Akımlı Düzenleme:
Bu düzenleme boyunca şaşırtma levhalarının kullanılması ve tek bir çıkış ağzı olması nedeniyle bölünmüş akım düzenlenmesinden farklıdır.

 

f) n-Paralel Levha Geçişli

 

Düzenleme:

 


Levha tipi değiştiricilerde levhaların çeşitli şekillerde düzenlenmesiyle çok geçişli akımlar elde edilebilir. Levha tipi değiştiricilerde levhalar arasına konulan contanın yeri değiştirilerek yeni tip düzenlemeler kolayca elde edilebilir.

Isı Değiştirgecinin Seçimi:

Isı değiştirgecinin seçiminde aşağıdaki hususlar göz önüne alınır;
Akışkan hızının artması konveksiyonla ısı transferini iyileştirir, buna karşılık yük kayıplarını arttırır. Bu husus göz önünde tutularak genellikle sıvılar için 0,5-6 m/s, gazlar için 3-10 m/s hızları arasında alınır. Bazen erozyon, titreşim, akış stabilizesi ve gürültü gibi nedenlerle de hız sınırlanır.
Yüzeylerdeki kirlilik ısı transferine ve sürtünmeye etkisi bakımından hesaba katılmalıdır. Bu faktörler değiştirgeç boyutlarının tayininde büyük rol oynar. Örneğin; kirlilik fazla ise ısı akıları düşük tutularak aşırı sıcaklık artmaları önlenir. Boru çapları da fazla kirlilik halinde geniş tutulmak zorundadır. Aksi halde kesit daralması olur. Kirlilik tabakasını kimyasal yolla çözmek için asit eriyikleri kullanıldığında malzemeyi ona göre (örneğin paslanmaz çelik) seçmek gerekir.
Isı değiştirgeçlerinin imalatında ısı transferi ve akışkanın hareketi için gerekli pompalama gücü daima birlikte göz önünde tutulmalıdır. Yüksek yoğunluklu akışkanlarda pompalama gücü ısı debisinin yanında önemsiz mertebelerde olmakla beraber alçak yoğunluklarda durum böyle değildir, hatta bazı ısı makinalarında 4 veya 10 defa daha büyüktür.
Hız artırılınca ısı akışı aşağı yukarı hızla orantılı olarak artar. Hâlbuki sarf edilen güç, hızın en az karesi ile orantılı olacak şekilde büyür. Yük kaybının azaltılması için hız düşürülür. Ancak hız düşürülünce yüzeyi büyütmek gerekir, bu ise tekrar yük kaybının artmasına yol açar. Gaz kullanılan değiştirgeçlerde sıvılara göre ısı transferi daha kötü olduğundan yüzeyler çok büyür. Gaz-gaz değiştirgeçleri sıvı-sıvı değiştirgeçlerine nazaran aynı ısı debisi ve pompalama gücü ise takriben 10 misli yüzeylidirler. Bu nedenle gaz akışlı değiştirgeçleri küçük yapma çareleri araştırılmış, örneğin kararlı yüzeyler kullanma yoluna gidilmiştir. Değiştirgeci küçültmek için bir başka yolda ısı akısını yüksek tutma çareleri aramaktır. Boru çapları küçük seçilerek ve çapraz sıralı yapılarak ısı akısının arttırılması sağlanabilir.
Isı transferini iyileştirmek için bir yol da yüzeyi parça yaparak sınır tabakadan kalınlaşmasını önlemektir. Kanatlı yüzeyler bu şartı kendiliğinden gerçeklerler. Yalnız yüzeyin parçalı yapılmasının yük kaybını arttıracağını unutmamak gerekir.
Borular içerisinde türbülans doğurucu parçalar koyarak da ısı transferi iyileştirilebilir. Bu halde yük kaybının artacağı doğrudur.
Isı transferini iyileştirmek için yukarıda bahsedilenlerden de anlaşılacağı gibi bir ısı değiştirgecinin seçiminde yalnız yatırım değil, işletme masrafları da göz önüne alınmalıdır. Minimum masrafı bulmak için yatırım işletme masrafları ile dengelemek şarttır.

 

Hesaplama Yöntemleri

 

 

Semboller

T1g: Sıcak akışkanın ısı değiştirgecine giriş sıcaklığı (C)
T1ç: Soğuk akışkanın ısı değiştirgecine giriş sıcaklığı (C)
T2g: Sıcak akışkanın ısı değiştirgecinden çıkış sıcaklığı (C)
T2ç: Soğuk akışkanın ısı değiştirgecinden çıkış sıcaklığı (C)
ΔTm: Ortalama logaritmik sıcaklık farkı (C)
Ρ1: Sıcak akışkanın yoğunluğu (kg/m )
Ρ2: Soğuk akışkanın yoğunluğu (kg/m)
λ1: Sıcak akışkanın ısı iletim katsayısı (kcal/mhC)
λ2: Soğuk akışkanın ısı iletim katsayısı (kcal/mhC)
ν1: Sıcak akışkanın kinamatik viskozitesi (m /s)
ν2: Soğuk akışkanın kinamatik viskozitesi (m /s)
Pr1: Sıcak akışkanın Prandtl sayısı
Pr2: Soğuk akışkanın Prandtl sayısı
Cp1: Sıcak akışkanın sabit basınçta özgül ısısı (kcal/kgC)
Cp2: Soğuk akışkanın sabit basınçta özglü ısısı (kcal/kgC)
Q: Isı transferi miktarı (kcal/s)
V1: Sıcak akışkanın hacimsel debisi (m /s)
V2: Soğuk akışkanın hacimsel debisi (m /s)
m1: Sıcak akışkanın kütlesel debisi (kg/s)
m2: Soğuk akışkanın kütlesel debisi (kg/s)
n: Boru sayısı (m-mm)
diç: Boru iç çapı (m-mm)
ddış: Boru dış çapı (m-mm)
W1: Sıcak akışkanın ortalama hızı (m/s)
W2: Soğuk akışkanın ortalama hızı (m/s)
Re1: Sıcak akışkanın Reynolds sayısı
Re2: Soğuk akışkanın Reynolds sayısı
Nu1: Sıcak akışkanın Nusselt sayısı
Nu2: Soğuk akışkanın Nusselt sayısı
h1: Sıcak akışkanın yüzeyle arasındaki ısı taşınım katsayısı (kcal/mhC)
h2: Soğuk akışkanın yüzeyle arasındaki ısı taşınım katsayısı (kcal/mhC)
s: Et kalınlığı (m-mm)
t: Hatve (m-mm)
δk: Kovanın et kalınlığı (m-mm)
δm: Kovan iç yüzeyi ile boru demetinin en dışındaki boru arasındaki mesafe 
(m-mm)
dh: Hidrolik çap (m-mm)
L: Boru uzunluğu (m)
K: Toplam ısı geçiş katsayısı (kcal/mhC)
λm: Dökme demir malzemesinin ısı iletim katsayısı (kcal/mhC)
D: Kovan iç çapı

 

 


Isı Değiştirici Tasarımında Etkili Büyüklükler

Isı değiştirgeçlerinde ısıl hesapların yapılabilmesi için;

1. T1g , T1ç, T2g, T2ç verilenlerine uygun olarak logaritmik sıcaklık farklı bulunur.
2. Akışkanların giriş ve çıkış ortalama sıcaklıkları bulunur. Tablolardan bu sıcaklıklara ve akışkan cinsine tekabül eden yoğunluk, özgül ısı,ısı iletim katsayısı, Prandtl sayısı,dinamik viskozite değerleri bulunur.
3. Isı alış-veriş miktarı belirlenir. Bu miktara bağlı olarak bilinmeyen kütlesel debi ve hacimsel debiler belirlenir.
4. Dış çap,iç çap,et kalınlığı,sıcak ve soğuk akışkan hızı seçilerek boru sayısı tespit edilir.
5. Kovan çapı belirlenir.
6. Eşdeğer hidrolik çap belirlenir.
7. Reynolds ve Nusselt değerleri vasıtasıyla boru içinde ve dışındaki boru ısı taşınım katsayıları belirlenir.
8. Toplam ısı geçiş katsayısı belirlenir.
9. Isı transfer yüzeyi bulunur.
10. Boru uzunluğu belirlenir.
11. Soğuk ve sıcak akışkan için Eşanjör giriş ve çıkış çapları hesaplanır.

Ortalama Isı Geçiş Katsayısı “K” Hesabı

Ortalama ısı geçiş katsayısı “K” film katsayılarının belirlenmesinden sonra hesaplanır. Her akışkana ait film katsayısı tespit edildikten sonra boru et kalınlığı ve malzemesi dikkate alınarak “K” hesaplanır.

K=1/Rt olup,

Rt=Riç+Rdış + Rw Rt: Toplam direnç

Riç=1/hiç hiç: İçteki film katsayısı

Rdış=1/hdış hdış: Dıştaki film katsayısı

Rw=L/K Rw: Duvar direnci

Burada L-cidar kalınlığı (m) 
K-boru kondüksiyon katsayısı (W/mC)


Film katsayıları bütün konveksiyon türleri için akışkanın sıcaklığına bağlıdır. Eğer akışkan hal değiştirmiyorsa sıcaklığı akış boyunca değişecektir. Dolayısıyla film katsayısı da değişecektir. Ancak film katsayısı akışkanın cihaza giriş ve çıkış sıcaklıklarının aritmetik ortalaması olan sıcaklıkta değerlendirilirse yeterince hassas ortalama film katsayısı elde edilebilir.

Eğer ısı transferi yüzeyleri borulardan oluşuyorsa film katsayısının tespitinden önce muhtemelen boru sayısı ve büyüklüklerin seçilmesi gerecektir. İki akışkan arasındaki sıcaklık farkı genellikle logaritmik sıcaklık farkı olarak tarif edilir.

ΔTm=(ΔTmax – Δtmin)/ ln(Tmax/Tmin)

Burada ΔTm: Logaritmik sıcaklık farkı
ΔTmax :En büyük sıcaklık farkı
ΔTmin :En küçük sıcaklık farkı 

Korozyon ve Önlenmesi

Atık geri kazanım sistemlerinin tasarımında göz önüne alınması gerekli hususlardan birisi borularda düşük sıcaklık bölgesinde oluşan korozyondur. Cihaz içinde herhangi bir noktadaki boru sıcaklığı, yaklaşık olarak o noktada borunun her iki tarafındaki akışkan sıcaklığının ortalamasıdır. Burada her iki taraftaki ısı taşınım katsayılarının aynı mertebede olduğu var sayılmıştır. Tecrübeler göstermiştir ki korozyona karşı en iyi önlem çalışma sınırları içinde ısıtıcının hiçbir noktasında boru sıcaklığının çiğ noktası sıcaklığının altındaki bir sıcaklığa düşmeyeceği bir eşanjör tasarımı gerçekleştirmektedir. Korozyonun önlenmesinde başka bir yöntem ise ters akımlı eşanjör yerine aynı yönlü paralel akımlı eşanjör kullanmaktır. Böylece soğuk akışkan girişte en sıcak akışkanla karşılaşacak, boru cidar sıcaklıkları yükselecektir. Ancak akışkanlar arasındaki sıcaklık farkı düşecek ve bu sebeple ısıtıcı kapasitesinde bir düşüş olacaktır. Korozyonu azaltmanın diğer bir yolu ise korozyona karşı dayanıklı malzeme kullanmaktır. Özel alaşımlı çelik veya alüminyum kullanılarak gaz sıcaklıklarını daha fazla düşürmek mümkün olabilir. Ancak bu durumda yatırım maliyeti artmaktadır. Bu nedenle verilen sıcaklık değerlerinin altında çalışmak için özel alaşımlı çelikler veya paslanmaz çelik kullanılmaktadır. Isıtıcının ömrünü artırmak yönünden eğer korozyon önlenemiyorsa kalın malzeme kullanmak başka bir çözüm olarak gerçekleştirilebilir.

 

Suda metal korozyonu

“Suda Metal Korozyonu” her işletmede yaşanan çok genel bir sorundur. “Korozyon”; çok karmaşık bir elektro-kimyasal olaydır ve suya değen metallerin bazı şartlar altında formül değiştirmesine veya çözünerek yer değiştirmesine denir.

Ege’de bulunan bir sanayi kuruluşu, su soğutma sistemindeki boruların delindiğinden şikayetçiydi. İşletmenin teknik müdürü bizi işletmeye davet etti ve sorunlarını anlattı. Su soğutma kulesi ile soğutulacak sistem arasında bulunan su devridaim boruları delik-deşik olmuş. Önce boru fabrikasına müracaat edip boruların kalitesinden şikayet etmişler. Boru fabrikası yetkilileri borudan örnek almışlar ve üniversite laboratuarlarında testler yapılmış. Test sonuçlarında demir boruların standartlara uygun olarak imal edildiğine ait üniversite rapor vermiş. Daha sonra, su kimyasalları satan bir şirkete müracaat etmişler. İyi bir kimyasal şirketine denk gelmemişler ki, soğutma suyuna katılan birçok kimyasala rağmen boruların delinmeleri devam etmiş. Sonunda bu işletme bizi de davet etti ve ziyarete gittik. İşletme teknik müdürü ve yardımcıları hararetle dertlerini ve o güne kadar başlarına gelenleri anlattıktan sonra biz kendilerine şu soruyu sorduk: "Soğutma suyunuzun iletkenliği nedir?"

İşletme yetkilileri bu soruyu ilk kez duymuşlardı. Maalesef, bizden önce bu sorunu çözmeye gelenler bu soruyu hiç sormamışlar. Bu sebeple sorumuza cevap alamadık. Derhal gidip soğutma suyundan bir örnek aldık, işletmecilerin gözü önünde suyun iletkenliğini ölçtük. İletkenliğin 18000 mikroS/cm olduğunu hayretle gördük. İnanamadık, bir daha ölçtük: 18000 mikroS/cm. İşletmenin teknik yetkililerine önce iletkenliğin anlamını anlattık, 18000 mikroS/cm değerinin soğutma suyu için neden yüksek olduğunu ve "Elektro-Korozyon"un, diğer adı ile "Galvanik Korozyon"un nasıl oluştuğunu anlattık. Soğutma suyunun iletkenliğinin düşük değerlerde (maks. 3000 microS/cm.) tutulması ile elektro-korozyonun oluşmayacağı konusunda işleticileri ikna ettik.

İletkenlik birimini hatırlatalım: İletkenlik suyun elektrik iletme yeteneğidir; ölçü birimi mikroSiemens /cm (veya kısaltılmış olarak mikroS/cm veya mS/cm). İletkenlik miktarını daha iyi anlayabilmek için şu örneği verebiliriz: 1000 kg çok saf su içinde 0,1 kg sofra tuzu (NaCl ) koyup çözünmesini sağlarsak, bu suda çözünmüş madde miktarı 100 mg/litre olur ve bu suyun iletkenlik değeri 212 mS/cm olur. Baraj sularının iletkenliği 500 - 1000 mS/cm gibi düşük değerlerdeyken, Akdeniz suyunun iletkenliği yaklaşık 58000 mS/cm'dir.

Diğer bir korozyon örneğine değinelim: Ege'de deniz kenarına kurulmuş olan bir turistik tesis, işletmenin gerektirdiği su miktarını kuyulardan temin edemeyince, deniz suyundan iyi su üreten bir ters ozmoz cihazı satın almış. Bu cihaz ile elde edilen su turistik tesis için yeterli kalitedeymiş. Tesiste ters ozmoz suyu kullanılmaya başladıktan bir süre sonra musluklardan sarı renkte sular akmaya başlamış. Bize müracaat eden tesiste yaptığımız incelemede musluklardan akan suyun içinde demir pası bulunduğunu gözlemledik. İletkenliği 500-600 mS/cm civarında ve sertliği çok düşük olan bu iyi su galvanizli boruların galvaniz kaplamalarını çözmüş ve şimdi de galvaniz kaplama altındaki demir boruyu çözüyordu, yani halk dili ile boruyu yiyordu.

 

Bu turistik tesisin teknik sorumluları bu sorunun çözümü için bizi davet ettiklerinde çok geç kalınmıştı. İşletmede kullanılan ters ozmoz suyunun iletkenlik ve pH değerleri normal olmasına rağmen, su sertliğinin 2 Fransız civarında olması nedeni ile su "Doymamış" veya "Aç" tabir edilen durumdaydı. Bu nedenle "Aç Su" metalleri çözüyordu (eritiyordu).

 

Bu turistik işletmeye iki çözüm önerdik:

  1. Demir boruların tamamını sentetik borular ile değiştirmek.
  2. Ters ozmoz suyu içine kimyasallar vererek suyun korozif olmasını önlemek.

 

Çapraşık bir şekilde ve ayni anda birçok sebep ile meydana gelen "Metal Korozyon"unun dört şekilde oluştuğunu anlatmak mümkün:

 

  1. Metal Oksidasyonu

 

Suda bulunan çözünmüş oksijen gazı bazı şartlar oluştuğunda metali okside eder. Bu olayı "metalin tabiatta bulunduğu şekle dönüşmesi" şeklinde yorumlayanlar da vardır. Örneğin, demir borular oksitlenip pas meydana getirirler ve bu pas, demirin tabiatta bulunduğu demir oksit şekilleridir, yani FeO, Fe2O3 ve Fe3O4.

 

  1. Asit Korozyonu

 

Suyun pH derecesi nötr olan 7,0 değerinin altında ise, su "asit" özelliği taşır ve metalleri çözer. pH derecesi ne kadar düşük ise korozyon o derece hızlı olur.

  1. “Aç Su”yun Korozyonu

Tabiatı gereği "Su", bazı maddelere açtır ve bu maddelere doyasıya kadar metalleri çözer. Su kimyası ile ilgilenenler "Doymuş Su" veya "Doymamış Su" olarak suyun Kalsiyum Karbonat'a  (CaCO3) doyumundan söz ederler. Bazı kitaplarda "doymuş" kelimesi yerine ithal kelime olan "Satüre" ve doyum kelimesi yerine "Satürasyon" kelimesine rastlayabilirsiniz. Su örneğinin analizi laboratuarda yapılıp suyun pH değeri, alkalinite değeri ve suyun sertliği saptandıktan sonra suyun korozif olup olmadığı anlaşılır. Bu iş için hazırlanmış olan bir çizelge sayesinde suyun özel bir değeri olan "Doyum noktasındaki pH değeri" (Satürasyon pH değeri), yani "pHs" bulunur. Bu değer bulunduktan sonra suyun hangi sıcaklıklarda korozif olduğu anlaşılır. Bu konudaki geniş yazımız Su ve Çevre Teknolojileri Dergisi'nin Eylül 2007 sayısında yayınlandı: "Su Ne Zaman Korozif, Ne Zaman Kireç Yapıcıdır?

  1. Yüksek Çözünmüş Madde Korozyonu (Galvanik Korozyon):

Lise kimya derslerini hatırlayalım. Kimya derslerinde öğrendiğimiz gibi, bir kap içine konan bakır ve kalay çubuklarına kablo ve ampul bağladığımızda, su içinde bulunan birbirinden farklı iki metal arasında bir elektrik akımı oluşur ve ampulü yakar. Su içinde bulunan, H2O molekülü dışındaki çözünmüş maddeler suyun elektrik iletkenliğini arttırırlar ve "iletkenlik değeri yükseldikçe Galvanik Korozyon miktarı da yükselir". Örneğin, bir su tesisatında bulunan sarı vanalar ile galvanizli boru arasında elektrik akımı oluşur. Suyun iletkenliği yüksekse kısa zamanda borularda Galvanik Korozyon başlar. Su iletkenliğinin çok yüksek olduğu durumlarda, yalnızca demir borular ile yapılmış su sisteminde, boruların değişik noktaları arasında dahi Galvanik Korozyon oluşur. Bu yazının başında anlattığımız korozyon olayı da Galvanik Korozyon için güzel bir örnektir.

 

  1. Korozyonu Artırıcı Diğer Unsurlar:

  • Suyun sıcaklığı korozyonu artırır. Bilindiği gibi su sıcaklığı arttıkça kimyasal reaksiyon hızları artar. Korozyon olayı da biraz kimyasal bir olay olduğundan su sıcaklığının her 8°C artışı için korozyon hızı iki katına çıkar.

  • Klorür (Cl ) ve Sülfat (SO4+) iyonlarının çok olması korozyonu çok etkiler. Su içinde bulunan çözünmüş maddelerin hepsi iletkenliği artırır, fakat Cl¯ ve SO4+ iyonlarının korozyonu arttırıcı ayrı bir özelliği vardır. Özellikle Cl¯ iyonunun miktarının yüksek olması sonucunda, sıcak sularda 316 kalitede paslanmaz çelikte dahi korozyon oluşur.

  • Suda çözünmüş karbondioksit (CO2) suyun pH derecesini düşürür. Örneğin, buhar kondens borularının korozyonuna sebep kondens içine karışan ve kondens suyunun pH derecesini düşüren CO2 gazıdır. Buhar kazanı besi suyunda Alkalinite (HCO3¯ iyonu) miktarı yüksekse, bunun kazan içinde oluşturduğu CO2 gazı buhar ile beraber hareket eder. Kondens oluştuğunda CO2 gazı kondens içinde çözünür ve oluşan düşük pH derecesi sonucunda kondens boruları delinir.

 

 

Korozyon her işletmenin az veya çok yaşadığı bir olaydır

İşletmelerde bulunan ve "Su" konuları ile ilgilenen teknik kişilerin, bizim yazılarımız ile yetinmeyip "Metal Korozyonu" konularında kendilerini eğitmelerini öneririz. Bizim yararlandığımız kitapların üçüne ait bilgiler aşağıdadır. Küçük ve orta boy işletmelerde bizlerin ve su kimyasalı satan kuruluşların ele aldığı "Korozyon" konusu, petro-kimya ve gemi inşa gibi sektörlerde "Korozyon Mühendisleri" tarafından incelenir ve çözümlenir. Korozyon konusu özel bir mühendislik dalını destekleyecek kadar derin bir konudur.

Korozyon ile mücadele

Kullanılan suyun özellikleri, pH, alkalinite, sertlik, iletkenlik gibi çok önemli değerler; suyun kullanım yeri, suyun temas ettiği yüzeylerin sıcaklıkları ve suyun sıcaklığı, suyun hava ile temas etme durumu, suyun basıncı gibi birçok değişkenler Metal Korozyonu mücadelesinde etkendir. Bu nedenle, işleticilerin işletme şartlarını çok iyi tetkik etmeleri, kendi araştırmaları ve kendi yaptıkları bazı tecrübeler sonucunda en uygun korozyon mücadele yöntemine ulaşmaları doğru olur.

 

Suda metal korozyonu referanslar:

 

* The NALCO Water Handbook

* Water Treatment Fundamentals, WQA (www.wqa.org)

* Basic Chemistry for Water and Wastewater Operators - AWWA yayını (www.awwa.org).

Sistem Çözümleri (Örnek Proje)



1-) Tasarım Yapılan v Kurulmuş Sistem Kanatlı Borulu

 

Hesaplama Sonucu Çıkan Değerler

 

Gaz Tarafı

Baca gazı debisi = 230.000m³/h
Hız= 2,82m/s
Giriş sıcaklığı = 240 ºC
Çıkış sıcaklığı = 166 ºC
Basınç kaybı = 60,95 Pa

Su Tarafı

Debi = 37,03m³/h
Hız = 0,28m/s
Giriş sıcaklığı = 100 ºC
Çıkış sıcaklığı = 180 ºC
Basınç kaybı = 3,28 kPa

Toplam kapasite = 3.262.340 W
Toplam ısı transfer yüzeyi= 2380m²

Fiyatı : 392.600 TL

2-) Tasarım Yapılan ve Kurulmuş Sistem Borulu

Hesaplama Sonucu Çıkan Değerler

Gaz Tarafı

Baca gazı debisi = 230.000m³/h
Hız= 2,82m/s
Giriş sıcaklığı = 240 ºC
Çıkış sıcaklığı = 207 ºC
Basınç kaybı = 6,62 Pa

Su Tarafı

Debi = 37,30m³/h
Hız = 0,29m/s
Giriş sıcaklığı = 100 ºC
Çıkış sıcaklığı = 134,78 ºC
Basınç kaybı = 3,53 kPa

Toplam kapasite = 1.444.381 W

Toplam ısı transfer yüzeyi= 466,18 m²

Yaklaşık Birim Fiyatı : 221.000 TL

 

 

3-) Önerimiz


Hesaplama Sonucu Çıkan Değerler

Gaz Tarafı

Baca gazı debisi = 230.000m³/h
Hız= 2,79m/s
Giriş sıcaklığı = 240 ºC
Çıkış sıcaklığı = 136,56 ºC
Basınç kaybı = 74,13 Pa

 

Su Tarafı

Debi = 51,82m³/h
Hız = 1,38m/s
Giriş sıcaklığı = 100 ºC
Çıkış sıcaklığı = 180 ºC
Basınç kaybı = 204 kPa

Toplam kapasite = 4.567.991 W
Toplam ısı transfer yüzeyi= 1.888 m²


Yaklaşık Birim Fiyatı : 383.500 TL

Paslanmaz AISI 316L olması durumunda yıkamalı sistem

 

Gaz Tarafı

Baca gazı debisi = 230.000m³/h
Hız= 2,79m/s
Giriş sıcaklığı = 240 ºC
Çıkış sıcaklığı = 150,70 ºC
Basınç kaybı = 88,25 Pa

Su Tarafı

Debi = 44,74m³/h
Hız = 1,38m/s
Giriş sıcaklığı = 100 ºC
Çıkış sıcaklığı = 180 ºC
Basınç kaybı = 158,1 kPa

Toplam kapasite = 3.943.504 W

Toplam ısı transfer yüzeyi= 1.888 m²

Yaklaşık Birim Fiyatı : 637.000 TL

Sistem katı yakıt ve fueloil olması nedeni ile bacada 170 ºC altına düşmesi sonucunda yoğuşma su açığa çıkacaktır. Bacada da SO4 az miktarda olsa da açığa çıkacaktır. Kimyasal tepkime sonucu H2SO4 (sülfürik asit ) oluşacaktır. Bu nedenle sistemin asitik ortamlara dayanıklı paslanmaz malzemeden imal edilmesi daha uygun olacaktır. Eski sistemlerin uygulamasında ise buru tarafı (Su tarafı) hız düşüktür. Bu nedenle kolektör sisteminin yeniden düzenlenmesi gerekmektedir. Hesaplamalarda verilemeyen değerler yaklaşık olarak alınmış ve yukarıda belirtilmiştir. Değerlerin değişmesi durumunda tarafımıza bildirilmesini ve hesaplamaların tekrar yapılarak daha uygun ve sağlıklı çalışmasını sağlayacaktır.  



 


Etiketler