eşanjör genel

8/8/2019 eanjr genel

1/17

__________________________________________________________________________________________375 _______

Jeotermal Enerji Semineri

JEOTERMAL UYGULAMALARDAPLAKALI ISI EANJRLER

Ulf VESTERGREN

ZET

Bu yaz, plaka s eanjr ve kullanmn ve jeotermal uygulamalarn kapsar. cadndan gnmzekadar olan gemiinin ksa bir zetini ierir. Plaka s eanjrn ve elemanlarn, almasn ve

jeotermal uygulamalarnda kullanlan malzemeleri anlatr. PHE' nin (Plate Heat Exchanger - Plaka IsEanjr) temel termodinamii ile birlikte onunla nasl baa klaca da anlatlyor. Isl yaklamlayatrm maliyetinin nasl deitii hakknda da pratik misaller veriliyor.

Contal plaka s eanjrlerinin jeotermal uygulamalarda geni olarak kullanlmasn salayanzellikleri;

Yksek verim, minimum s transferi yzeyi gereksinimi Anmaya dayankl malzemelerin ekonomik kullanm Kk tabanndan dolay az yer kaplamas Basit kurulumu ve iletilmesi Tm sl yzlere temizleme iin kolay ulalabilmesi

GR

Plaka tipi olarak adlandrabileceimiz ilk s eanjr iin ilk patentler Almanya' da 1800'ler sonlarndaortaya kt. lk ticari plaka s eanjr (makine ile retilmi pirin plakalar) 1923' te ngiltere' de Dr.Richard Seligman tarafndan APV' de gelitirildi. lk plaka s eanjr, o zamanlar yaygn ve tehlikelibir hastalk durumunda olan TBC ile savaabilmek amacyla stn abuk soutulmas iingelitirilmiti.

ekil 1. Richard Seligman, ilk PHE ile grlyor


2/17

__________________________________________________________________________________________376 _______


ekil 2. Modern PHE

Preslenerek retilen ilk plakalar 1930' larda gelitirildi. Bunlar ykama tahtas biimindeydiler vencelikle gda uygulamalarnda halen kullanlmaktadr. Ykama tahtas plakalarn az miktarda temasnoktalar vardr ve bundan dolay olduka kaln malzemeden (0,9 - 1,2 mm) yaplmlardr ve okyksek basnlarda kullanlamyorlard.

ekil 3. Ykama tahtas plakaekil 4. Balk kl plakalar. ki plakay farklalarda araya yenilii 1960 sonlarnda geldi.

1950 balarnda sve irketi Rosenblads Patenter, daha ok sayda temas noktas olan ve dolays iledaha iyi mekanik stabilite gsteren balk kl plakalar gelitirdi. Bu icat ile plakalar daha ince (0,6mm) yaplabildi ve iletme basnc daha da ykseldi ve bylece PHE gda endstrisi dnda dahayaygn olarak kullanm alan buldu.

Balk kl plakalar son 50 yl iinde ok gelitirildi, fakat apraz dzen belli bal tm salayclar

tarafndan hala kullanlmakta. Plakalar gnmzde 0,4 mm incelie kadar bulunabiliyor.


3/17

__________________________________________________________________________________________377 _______


Balk kl plakalar son 50 yl iinde ok gelitirildi, fakat apraz dzen belli bal tm salayclartarafndan hala kullanlmakta. Plakalar gnmzde 0,4 mm incelie kadar bulunabiliyor.

1980' lerin balarnda pirin kaynakl plaka s eanjrleri gelitirildi. Bunlar, balk kl plakalarn tm

temas noktalarnda pirin kaynakla bir araya getirilerek perinsiz plaka s eanjrn oluturmasndanibarettir. Bu tip eanjrler zellikle ok soutma uygulamalarnda kullanlmakta, fakat temizlemek iinamann gerekmeyecei kirli olmayan uygulamalarda da kullanlmaktadr. Kirli jeotermaluygulamalarda nadiren kullanld iin bu tip burada daha fazla anlatlmayacak.

ekil 5. Pirin perinli plaka s eanjrleri

CONTALI PLAKA ISI EANJRLERNN GENEL TANITIMI

Konu svdan-svya uygulamalarna, bazen de buharlatrclara (evaporatr) ve youturuculara(kondenser) geldiinde PHE' ler tm s eanjrleri iinde en etkin olandr. Bunun nedeni krk plakakanallar iindeki trblansta yatar. PHE' nin toplam s transfer katsays (k-deeri veya U-deeri)ou zaman kazan - boru tipi s eanjrlerine kyasla 3 ila 4 kez daha yksektir. Is transferyzeylerinin kalnl dier tiplere gre ok daha azdr, bu da PHE' yi, basn, s ve s transferi

yaplacak sv limitleri dahilinde ak arayla en ekonomik s eanjr konumuna getirir. PHE' ler halen25 bar basn ve 180o C slarda ve hatta daha yksek derecelerde kullanlmakta. Pazarda bulunan enbyk niteler 500-mm giri-k balant noktalar ile tek bir nitede 4500m3/saat ak hz gibizelliklere sahiptir.

Plakalar arasndaki youn trblans ayrca kirlenme sorunlarn da en aza indirger.

PHE' nin standart ksmlar vardr; esas olarak sabitletirilmi karlabilen kapak plakalar arasndasktrlm plaka destesi.


4/17

__________________________________________________________________________________________378 _______


1. Sabit kapak plakas

2.

kar

labilir kapak plakas

3. st tayc ubuk4. Alt klavuz ubuu5. U destei6. Plaka destesi7. Sktrma cvatalar8. Balantlar

ekil 6. PHE iindeki paralar

Plakalar 0,02 m2' den 4 m2' den daha byk llere kadar bulunuyor. Tek bir nitede bir ka yzplaka kullanlabildii iin tek bir nitedeki toplam s transfer yzeyi 2000 m2' den daha fazla olabilir.

PLAKALAR

Yukarda deinildii gibi prensip olarak, bugn sunulmakta olan tm plakalar balk kl tipindedir, veburada da yalnz bu tipten bahsedeceiz.

Geleneksel balk kl plakalar gnmzde iki ok as ile yaplyor, biri aka kar yksek direnli"yksek-theta" ve dieri de aka kar daha alak direnli "alak-theta".

ekil 7.ki ok al balk kl plakalar.

Bu iki tip plaka, her biri s transferi ve basn dmesi bakmndan farkl karakteristikler gsteren farklekilde kombine edilebilirler.

H L MYksek-theta Alak-theta Orta

ekil 8.ki simetrik plakay kombine ederek farkl kanal


5/17

__________________________________________________________________________________________379 _______


Simetrik plakalar ile birincil ve ikincil yanlar geometrik olarak ayndr ve plaka destesi en iyi ekildeyalnz bir yan zerinde kullanlabilir.

Daha sonra kan bir yenilik ise asimetrik plakadr, bu iki takm ok asna sahiptir, biri yksek-theta ve

dieri de alak-theta.

ekil 9. Asimetrik yksek- ve alak-theta plakalar

Bu iki plaka, her biri farkl s transfer karakteristii gsteren alt deiik ak kanal olacak biimdekombine edilebilir.

ekil 10.ki farkl plakay kombine ederek alt deiik ak kanallar mmkndr

Asimetrik plakalar ayrca asimetrik plaka destesi oluturma olanan da verir, bunda birincil tarafngeometrisi ikincil taraftaki geometriden farkldr. Bu iki yan da ayr ayr en iyi ekilde kullanma vebylece gereken s transfer yzeyinin azaltlmas ile var olan basn azalmasnn daha iyi kullanlmasolanan salar.


6/17

__________________________________________________________________________________________380 _______


ekil 11. PHE' de asimetrik en iyi kullanm

Tasarlanm basn deeri ve bakm stabilitesine uygun olarak plakalar 0,4 mm' den 0,8 mm' ye kadarfarkl kalnlklarda retilirler. Temizleme ve dier nedenlerle nitenin almas gereken uygulamalardaince plakalar kullanlmaz.

Jeotermal uygulamalarda en sk kullanlan malzemeler AISI 316, 254 SMO ve ticari saf (derece 1)titanyumdur. Dier yksek alam malzemeler de jeotermal svlarn ok korozif olduu hallerdekullanlrlar.

CONTALAR

Her bir plakann evresinde ve iki giri-k delii etrafnda bir contas vardr. Bunu yanndaki plakadada dier delikler etrafnda conta vardr. Bu svnn, s eanjr iindeki farkl kanallardan geirilmesineolanak verir; aadaki ak dzenlerine baknz.

Tm salayclarda tm plakalarda contalar ylesine dzenlenmitir ki iki conta iki svy ayrr. Bugvenlik zelliinin nedeni, seyrek de olsa grlebilen conta arzas durumlarnda svnn karmakyerine dar akacak olmasdr.

ekil 12. ifte conta iki svy ayrr

Contalar muhtelif farkl elastomerler kullanlarak retilebilir. Gnmzde en yaygn kullanlanlarunlardr:

Elastomer En iy conta zellii iin maksimum iletme ssNitrile (NBR) 140 derece CEPDM 170 derece C

Fluorinli contalar (Vitonlar) 100-180 derece C, tipine ve uygulamaya gre


7/17

__________________________________________________________________________________________381 _______


Farkl vulkanizasyon (ileme) sistemleri kullanlyor. Gnmzde yukardaki elastomerlerin peroksit ileileme tabi tutulmu eitleri en yaygn olanlardr ve yukarda belirtilmi olan slar yalnz en yksekkaliteli peroksit ile ilenmi contalar iin verilmitir.

Jeotermal uygulamalar iin NBR ve EPDM en yaygn biimde kullanlanlardr.

Contalar zaman iinde eskirler. Yukardaki azami iletme scakl, conta malzemesinin svyadayankl olmasna ve belirli bir sre iin stabil artlarda kullanlyor olmasna gre geerlidir. Aynzamanda iletme basncna da baldr; yksek iletme basnc orijinal esneklikte bir conta gerektiririken biraz eskimi bir conta iletme basncnn dk olduu hallerde yeterli olacaktr.

EPD M (p)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Scaklk ('C)

Basn(ba

ekil 13. eitli conta malzemeleri iin iletme basnc ve ss limitasyonlar

letme ss dk olduka contann mr de uzun olur. Basit bir hesapla, iletme basncnn 10derece C daha dk olmas contann mrn iki katna karr. Buna Arrhnius eitlii denir. Dolaysile azami iletme ss yksek olan kalitede bir conta kullanmak avantajl olacaktr. Bu contannmuhtemel mrnn uzun olmasn salayacaktr.

Aadaki tablo peroksit ilemeli NBR ve EPDM contalarnn muhtemel mrlerini gsteriyor:

ekil 14. NBR(p) ve EPDM(p)' nin osrta bas

nl

suda muhtemel mrleri


8/17

__________________________________________________________________________________________382 _______


EREVELER

Plaka s eanjrnn erevesi jeotermal uygulamalarda normal olarak karbon eliinden yaplr.Kapaklar ve cvatalar farkl basn kodlarna ve standartlarna gre tasarlanm

lardr, Avrupa iin PED

geerlidir, Amerika' da ASME VIII geerlidir.Sktrma cvatalar yksek gerilime dayankl elikten yaplm olmaldr ve mesela bir inko kaplamaile korunmaldr. Plaka destesi ile temasta olan st ve alt ubuklar iin olan paralar da normal olarakpaslanmaz elikten yaplr.Karbon eliinden olan yzeyler iyi bir yzey koruma programna tabi tutulmaldr; anmay nlemekiin kum pskrtme, birincil ve son kaplama gibi.

Mmkn olan eitli balama tipleri vardr, bugn endstriyel uygulamalarda en yaygn olarakkullanlmakta olan byk niteler iin dmeli giriler veya daha kk niteler iin yivli ya da kaynaklulu borulardr. Balantlar svya dayankl bir malzeme ile astarlanmaldr ki sv karbon elik ereveile temasa gelemesin. Astarlama, paslanmaz elikten, titanyumdan ya da kauuktan yap labilir.

ekil 15. Farkl balant tipleri

AKI DZENLER

En yaygn ve tercih edilen ak dzeni nitenin tek geili olarak ayarlanmasdr. Bu, svnn plakadestesini bir defa gemesi ve tm balantlarn sabitlenmi kapak plakasna yaplm olmas demektir.Bu durumda sonuncusu hari tm dier plakalarn alm drt balant delikleri vardr. Svnn karbonelii ile dorudan temas edememesi iin son plakann alm hi bir delii yoktur.

ekil 16. Bir geili dzen


9/17

__________________________________________________________________________________________383 _______


ayet s program ok dar ise o takdirde oklu gei sistemi kullanmak gerekebilir. Bu u anlamagelir; sv plaka demetinin bir ksmn geer ve kta toplanr ve sonraki geie ynlendirilir. Budurumda, doru ak salamak iin dnen plakalar gerekir. kili-gei dzeninin gsterilmi olduuaa

dakiekle baknz.

oklu geili dzenin bir mahzuru balantlarn karlabilir plaka zerinde bulunmas zorunluluununolmasdr. Bu durum, nitenin alabilmesi iin karlabilir plaka zerindeki borularn yerindenkarlmasn gerektirdiinden bakm almalarn zorlatrr.

ekil 17.kili-gei dzeni

ISI EANJRLERN TERMODNAMK TEMELLER

Birs eanjrnn sl yk farklekillerde aklanabilir:

QH = mH * CpH *THQC = mC * CpC *TCQ = k * A * LMTD

Burada:

m = beher birim zamanda akan ktle (kg / sn)CP = zgl sl kapasite (J / kg. K)T = svnn s deiimi (K)H ve C scak ve souk suyu iaret ederK = Toplan s aktarn katsays (W / m2, K)A = Is transfer yzeyi (m2)

Belirli bir i iin k ve A' dan baka dier verilerin hepsi biliniyor. lnn amac elde edilebilecek olantoplam s aktarn katsaysna gre ne kadars aktarn yzeyi gerektiini bulmaktr.

Is dengesi unu gerektirir: QH = QC = Q

LMTD Logaritmik Ortalama Is

Farkl

l

(Logarithmic Mean Temperature Difference) anlam

ndad

r.


10/17

__________________________________________________________________________________________384 _______


LMTD scak sudan souk suya s transferini salayan gtr, bu da iki sv arasndaki ortalama sfarkdr.

LMTD kldke daha byk stma yzeyi gerekir.LMTD kldke daha ok s kazanc olur.LMTD "i yaptran itici gtr".Zt akl birs eanjrnde, aadaki diyagramda gsterildii zere, LMTD yle hesaplanr:

T 1

T 2

1

2

LMTD = (1-2) / ln (1/2)

ekil 18. LMTD' nin tanm

Burada:

1 = Scak giri ile souk k arasndaki s fark2 = Scak k ile souk giri arasndaki s fark

T1 = Scak svnn s deiimi

T2 = Souk svnn s deiimi

1 =2, LMTD =1 =2 olduu zel durumda

Toplam s transferi katsays (k) yle yazlabilir:

1 / k = 1 /H + 1 / C + d / + Rt

burada;

d = s transfer plakasnn kalnl (m) = s transfer plakasnn maddesinin s iletkenlii (W, m, K)

Rf = kirletme faktr (m2, K / W), bu gelecekteki kirlilikler iin tasarmda eklenmi olan marjdr.

Bu veriler iletme srasnda elde edilmitir.

H ve C scak ve souk taraflarn s transfer katsaylardr. Bu deerler Reynolds says, Nusseltsays ve Prandtl says arasndaki ilikiler iin kullanlan ampirik eitliklerden elde edilmitir. Aayabaknz.

k-deeri, basn dmesine bal olarak sv-sv uygulamalarnda normal olarak 3000 - 7000 W /m2, Kmertebesindedir.


11/17

__________________________________________________________________________________________385 _______


Basn dmesine fazla izin verdiiniz kadar ii yapmak iim daha kk s transfer yzeyinegereksinim olacaktr. Basnl sularda toplam s aktarn katsays ve basn dmesi arasndaki ilikiyledir:

Gerekli s transfer alan

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 Basn dmesi

ekil 19. Basnl akta basn dmesi ve s transfer yzeyi arasndaki iliki: k ~ (p)1/3

Bu, basn dmesini iki katna karmann teorik olarak gerekli stma yzeyini %20' den fazlaazalmas gerektii anlamna gelir. Gerekte byk basn dmesinin s transfer yzeylerini kirletmehzn artracandan azalma daha fazladr.

PHE kanalnda basnl ak iin s transfer eitlii yle yazlabilir:

Nu = C * Re0,7 * Pr1/3 * ( / w)0,14

Bu eitlik ampiriktir ve denemelere dayanr.

Burada:

Nu = Nusselt says = * dh / C = kanal geometrisine bal olan sabiteRe = Reynolds says = w * dh / vPr = Prandtl says = * cp / = ortalama sda dinamik akkanlk (kg, m, s)w = duvarssnda dinamik akkanlkv = ortalama sda kinetik akkanlk (m2 / s) = * v = svnn younluu (kg / m3)dh = hidrolik ap (m) (~PHE kanalnn derinliinin iki kat)

Bir s transfer iinin termal uzunluu ( = HTU = NTU) iin ne kadar "zor" olduunu belirler, buyaplmas gereken iin (s transferi) s transferi iin var olan i grme gcne blnmesininsonucudur (LMTD).


12/17

__________________________________________________________________________________________386 _______


1

2

1

2

ekil 20. Termal uzunluk = theta = HTU

Her svnn kendi deeri vardr;

1 =T1 / LMTD2 =T2 / LMTD

BuradaT1 veT2 scak ve souk sularn grafie gre s deiimleridir.

Termal uzunluk, "yaplacak iin" "ii yapmak iin var olan gce" oranlanmasdr; bu da s deiimininLMTD ile blnmesidir.

Bir "yksek- " ii (dar birs program) uzun bir plaka veya PHE iin oklu geili bir dzen gerektirir.Bu "zor" bir itir ve belli birs yk ve ak hz iin daha fazla stma yzeyi gerektirir.

Bir "dk- " ii (geni yaylml bir s program) ksa bir plaka veya PHE iin tekli geili bir dzengerektirir. Bu "kolay" bir itir ve belli birs yk ve ak hz iin daha az stma yzeyi gerektirir.

Yksek-thetaUzun plaka ve oklu gei"Zor" i, belli bir i iin dahaok yzey gerektirir.

Dk-thetaKsa plaka ve tekli gei"Kolay" i, belli bir i iin dahaaz yzey gerektirir.

ekil 21. Yksek-theta ve Dk-theta s programlar

Yksek-theta iine misal: 90 => 30 / 20 => 80 derece C LMTD = 10 Theta = 6Dk-theta iine misal : 60 => 50 / 30 => 40 derece C LMTD = 10 Theta = 0,5


13/17

__________________________________________________________________________________________387 _______


AINMAYI NLEMEK N PLAKA MALZEMES

Jeotermal sistemlerde en yaygn karlalan anma tipi klor saldrsdr ve malzeme seimi ouhallerde

yle tespit edilir:

AISI 304 yalnz ok dk oranlarda klor ieren dolam sistemlerinde kullanlr ve jeotermalsistemlerde nadiren kullanlr.

AISI 316 daha ok alamldr ve yksek klor ierii hallerinde kullanlabilir SMO' nun klor saldrsna kar daha da yksek derecede dayankll vardr. Titanyum (derece 1) klor saldrsna kar jeotermal sistemlerde 100 derece C' ye kadar hemen

hemen tamamen korumaldr. Palladyum ile stabil duruma getirilmi titanyum (derece 11) daha yksek slarda derece 1 yerine

kullanlr.

Klor

ppm 60C 80

C 120

C 130

C

10 304 304 304 316 25 304 304 316 316 50 304 316 316 Ti 80 316 316 316 Ti 150 316 316 Ti Ti

300 316 Ti Ti Ti> 300 Ti Ti Ti Ti

ekil 22. Deiik klor ierikli saf su iin yaklak azami konsantrasyonlar

PHE TASARIMINDA SEM VE Y UYGULAMALAR

Bir s transfer plakasnn tasarm olduka karmaktr ve en iyi sonucu almak iin ok saydaparametrelerin deitirilmesi gerekebilir. Bu gnlerde bu tasarmlar bilgisayar ile yaplmakta.

yi bir PHE seimi yapmak iin gereken parametreler:

Tam i (Isl yk, ak hz, slar) Her iki taraf iin izin verilen azami basn dmeleri Su analizleri veya kullanlacak plaka malzemesinin zellikleri Tasarm basnc ve ss Tasarm etkileyen sair bilgiler; kirletme eilimi gibi.


14/17

__________________________________________________________________________________________388 _______


KRLETME

Kirlenme, s transfer yzeyinin s transferini azaltan ve/veya basn dn arttran bir maddeylekaplanmas demektir.

ekil 23. Kirlenme s transferini azaltr ve maliyeti arttrr.

Jeotermal sistemlerde en yaygn grlen kirlenme eitleri;

Kalsiyum karbonat (kire) birikimi Sedimantasyon Partikl blokaj

Kirlenme s transferini ok byk oranda azaltabilir ve dolays ile minimize etmek gerekir. Kullanlanbalca metotlar;

Kirlenme hzn azaltmak iin pro-aktif tasarm; sv ve plaka arasndaki ayrm basksnyksek tutmak yardmc olur; 50 Pa nerilir.

Dahili ve/veya harici szcler Yumuatma filtreleri, mmkn ve uygun olan durumlarda ereveden karldktan sonra plakalarn mekanik temizlenmesi. Bu ilemin kolay olabilmesi

iin niteyi ona gre yerletirin. Tek geili dzen ya da oklu gei dzeni gerekiyorsakarlabilir borular kullann. Temizlemek iin tel fra veya demir tel kullanmayn.

Kimyasal temizleme. Uygun bir kimyasal kullanarak kirlenmeyi temizleyin. Bu ilem plakalarntek tek temizlenmesi ile veya ilerinde uygun bir yerinde temizleme svs dolatrlmasyla dayaplabilir. Bu kimyasallarn uygunluunu PHE saplaycs ile dorulayn. Plaka destesini herkimyasal temizlemeden sonra temiz su ile durulayn.


15/17

__________________________________________________________________________________________389 _______


ekil 24. Yerinde temizleme svs rnekleri

ekil 25. Yerinde temizlemenin yapl


16/17

__________________________________________________________________________________________390 _______


JEOTERMAL UYGULAMALARA MSALLER

Istma amacyla kullanlan bir sistemde, jeotermal suyu veya buhar, dolatrlan taze su sistemindenayrmak iin santrala bir geni

ana s e

anjr kurulur. Is e

anjrnde ss d

rldkten sonra

jeotermal su yere tekrar enjekte edilir. Istlm olan taze su stma sistemine pompalanr.

Bu s eanjr sk sk, klor ierii ok yksek olabildii iin zel malzemelerden yaplmaldr. Yksekklor ierii iin en yaygn kullanlan malzeme titanyumdur, fakat zaman zaman sya, klor derecesine,pH ve iyon durumlarna bal olarak daha yksek evsafta 254 SMO gibi paslanmaz elik kullanmakgerekebilir. Byle bir nite 16-25 bar gibi yksek iletme basnlar iin tasarlanr.

Bireysel s eanjrleri musluk suyu retmek veya snma amacyla ya her bir kullancda kurulur ya dakullanc gruplar iin kurulur. Bu gibi eanjrler AISI 316 stma yzeyleri ile yaplr.

District

Heating System

Geothermal Water

Reinjection

Main

Heat Exchanger

Heating and Tapwater applications

ekil 26. Tipik bir kurulum

ISI YAKLAIMININ FONKSYONU OLARAK YATIRIM MALYET -PRATK BR RNEK

Blgesel birstma sistemi marifetiyle s profili 950

C => 500

C olan bir jeotermal suyu ayrmak iin anabirs eanjr kullanlacak.Jeotermal ak deerinin 300 ton/saat ve blgesel stma sistemindeki ak deerinin 375 ton/saatolduunu kabul edelim.

Isl yk 300 ton/saat * (95 - 50) * 1,163 = 15700 kW olarak hesap edilebilir.

Blgesel stma sistemindeki s deiimi 15700 / 1,163 / 750 = 360C olarak hesap edilebilir.

kincil s eanjrlerini mmkn olduunca kk yapabilmek iin blgesel stma sisteminin sseviyesi belli ki, mmkn olduunca yksek olmaldr Madalyonun br yznde de, blgesel stma


17/17

eşanjör genel

Documents