isi deĞİŞtİrİcİlerİ (eŞanjÖr) -...

Bursa Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü

1 / 13

ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ (EŞANJÖR) Giriş Isı değiştiricileri (eşanjör) değişik tiplerde olup farklı sıcaklıktaki iki akışkan arasında ısı alışverişini temin ederler. Isı değiştiriciler, evlerdeki ısıtma ve havalandırma sistemlerinden büyük fabrikalardaki kimyasal işlem ve güç üretimine kadar çok çeşitli uygulama alanlarında yaygın olarak

kullanılmaktadır. Isı değiştiricileri akışkanların temas şekline göre başlıca yüzeyli ısı değiştiricileri, karışımlı ısı değiştiricileri ve regeneratörler olmak üzere üç ana grupta toplanabilirler. Akış şekillerine göre ise paralel, zıt ve çapraz akış olarak sınıflandırılabilirler. Bu deneyde kullanacağımız ısı değiştirici, iki akışkanın birbirinden ayrılmış bölgelerden aynı anda geçirilerek ısının transfer edildiği yüzeyli tip ısı değiştiricileri sınıfına girmektedir. Isı Transferi Birçok uygulamalarda ısının sıcak bir akışkandan soğuk bir akışkana transfer edilmesi gerekmektedir. Isı değiştiricileri bu amaç için geliştirilmiş ısı cihazlarıdır. Her ne zaman bir sıcaklık farkı olursa ısı transfer edilir ve ısı transferinin iyi bilinen üç sekli (iletim, tasınım ve yayılım) ayrı ayrı veya bir arada meydana gelebilir. Notasyon

Sembol Tanım Birimler

𝐴 Isı transfer alanı 𝑚2 𝐶 Isı kapasitesi 𝐽. 𝐾−1 𝑐𝑝 Sabit basınçta suyun özgül ısı kapasitesi 𝐽. 𝑘𝑔−1. 𝐾−1

𝐿𝑀𝑇𝐷 Logaritmik ortalama sıcaklık farkı 𝐾 𝑣𝑒𝑦𝑎 ℃

𝜌 Suyun yoğunluğu 𝑘𝑔. 𝐿−1 𝜂𝑜 Genel verim %

𝐶𝐸𝐵 Enerji denge katsayısı −

�� Ortalama sıcaklık verimi %

𝑄 Birim kütle için transfer edilen ısı enerjisi 𝐽. 𝑘𝑔−1

�� Birim zaman için transfer edilen ısı enerjisi (ısı transfer hızı veya gücü)

𝑊

𝑄�� 𝑣𝑒 𝑄�� Birim zamanda absorplanan ve salınan ısı enerjisi (gücü) 𝑊

𝑇 Sıcaklık 𝐾 𝑣𝑒𝑦𝑎 ℃

∆𝑇 Sıcaklıktaki değişim 𝐾 𝑣𝑒𝑦𝑎 ℃

�� Ortalama sıcaklık 𝐾 𝑣𝑒𝑦𝑎 ℃

𝑈 Isı transfer katsayısı 𝑊. 𝑚−2. 𝐾−1 𝑉𝐻𝑣𝑒 𝑉𝐶 Hacimsel akış hızı (sıcak devre ve soğuk devre) 𝐽. 𝑘𝑔−1. 𝐾−1

𝑚𝐻 𝑣𝑒 𝑚𝐶 Kütle akış hızı (sıcak devre ve soğuk devre) 𝑘𝑔. 𝑠−1


2 / 13

Toplam Isı Transfer Katsayısı Tipik bir ısı değiştiricisinde, bir duvar boyunca ayrılmış bulunan sıcak akışkandan soğuk akışkana ısı transfer edilir. Sıcaklık dağılımı aşağıdaki şekilde olduğu gibidir.

Isı 𝑇ℎ − 𝑇𝑐 sıcaklık farkı nedeniyle üç direnç boyunca (1

𝐴ℎℎℎ+

𝑥

𝐴𝑚𝑘+

1

𝐴𝑐ℎ𝑐) transfer edilir. Seri

dirençler için �� ısı transfer miktarı aşağıdaki gibidir.

�� =𝑇ℎ − 𝑇𝑐

∑ 𝑅

�� =𝑇ℎ − 𝑇𝑐

(1

𝐴ℎℎℎ+

𝑥𝐴𝑚𝑘

+1

𝐴𝑐ℎ𝑐)

Isı değiştiricisinde duvar kalınlığı (yani iç borunun et kalınlığı) genellikle ince olduğu için bütün alanlar (İçten dışa borunun çevre uzunluğu sabit kabul edilir.) eşit kabul edilebilir. O zaman yukarıdaki ifade aşağıdaki gibi yazılabilir.

�� = 𝐴𝑚. 𝑈. (𝑇ℎ−𝑇𝑐) Burada; 𝐴𝑚:Ortalama ısı transfer alanıdır.

1

𝑈=

1

ℎℎ+

𝑥

𝑘+

1

ℎ𝑐

U, toplam ısı transfer katsayısı olarak adlandırılır. 𝑥 𝑘⁄ iletim direnci diğerlerine göre genellikle

küçüktür. Bununla birlikte, çeperlerde kirlenme olabilir. Yani çeperlerde kireç veya karbon gibi maddeler tabaka oluşturabilirler. Bu durum ısı değiştiricinin tasarımı aşamasında göz önünde tutulmalıdır. Yüzey ısı transfer katsayılarının yani ℎℎve ℎ𝑐 'nin uygun biçimde hesaplanması çok önemlidir.


3 / 13

Isı Değiştirici Deney tesisatında kullanılan ısı değiştirici basit iç içe borulu ısı değiştiricidir. Sıcak ve soğuk suların birbirine göre akış durumlarına göre paralel veya ters akış olarak adlandırılır.

Isı Değiştiricilerinde Ortalama Sıcaklık

Çoğu ısı transfer denklemleri, özgül ısı kapasitesi ve su yoğunluğu hesaplamaları için ısı

değiştiricisindeki sıcak ve soğuk devrelerin ortalama sıcaklığının bulunması gerekir. Bu

devrenin giriş ve çıkış kısımlarındaki arasında orta noktanın hesaplanmış sıcaklık değeridir.

Soğuk devrenin ortalama sıcaklığı: 𝑇𝐶 =

𝑇𝐶1+𝑇𝐶2

2

Sıcak devrenin ortalama sıcaklığı: 𝑇𝐻 =

𝑇𝐻1+𝑇𝐻2

2

Isı Kapasitesi (C)

Kütlesi verilen bir malzemenin sıcaklığını 1 derece (Kelvin veya Santigrat) artırmak için gerekli

ısının bir ölçüsüdür. Malzemenin kütlesi ile özgül ısı kapasitesinin (c) çarpımına eşittir.

𝐶 = 𝑚 𝑥 𝑐


4 / 13

Sabit Basınçta Özgül Isı Kapasitesi (𝒄𝒑)

Özgül ısı kapasitesi, 1 kg malzemenin sıcaklığını 1 derece (Santigrat) artırmak için gerekli ısı

enerjisinin miktarıdır. Isı enerjisindeki değişimin sıcaklığındaki değişime oranıdır.

𝑐 =∆𝑄

∆𝑇

Basınç ve sıcaklık özgül ısı kapasitesinin değerini etkiler. Bilinen bir sıcaklık aralığında az önce

verilen denklemin sabit basınç için de geçerli olduğu kabul edilir.

𝑐𝑝 =𝑄

∆𝑇

Aşağıdaki grafik, ortalama sıcaklıkta özgül ısı kapasitesinin bulunması için kullanılabilir. Diğer

bir yol olarak aşağıda verilen denklem yardımıyla kesin bir değer bulunabilir. T sıcaklık değeri

℃ birimindedir. Sıcaklık değeri akış devresinin ortalama sıcaklık değeridir.

Sabit Basınçta Suyun Özgül Isı Kapasitesi

Özg

ül I

sı K

apas

ite

si (

𝑱.𝒌

𝒈−

𝟏.𝑲

−𝟏

)

Su Sıcaklığı (℃)

𝑐𝑝(𝑇℃′𝑑𝑒)

𝑐𝑝(15℃′𝑑𝑒)= 0,996185 + 0,0002874(

𝑇 + 100

100)5,26 + 0,011160 ∗ 10−0,036𝑇

*Suyun 15℃’deki özgül ısı kapasitesi 4185,5 𝐽. 𝑘𝑔−1. 𝐾−1.


5 / 13

Yoğunluk (𝝆)

Suyun sıcaklığı değiştiğinde yoğunluğu da azda olsa değişir. Maksimum yoğunluğu 4℃’dedir

ve bu sıcaklık değeri yükseldikçe veya düştükçe azalır. Bu durum tüm hesaplamaları etkiler.

Aşağıdaki grafik, sabit basınç ve birim kütle için suyun yoğunluğunun sıcaklığa göre değişimini

vermektedir. Diğer bir yol olarak aşağıda verilen denklem yardımıyla kesin bir değer

bulunabilir. T sıcaklık değeri ℃ birimindedir. Sıcaklık değeri akış devresinin ortalama sıcaklık

değeridir.

Su Yoğunluğu

Su Y

oğu

nlu

ğu (

𝒌𝒈

.𝑳−

𝟏)

Su Sıcaklığı (℃)

𝜌 =(999,839+16,952.𝑇−7,990.10−3.𝑇2−46,241.10−6𝑇3+105,846.10−9𝑇4−281,030.10−12𝑇5)

((1+16,887.10−3.𝑇))

Isı Transferi, Enerji Dengesi ve Verimler

Isı değiştiricilerinde, ısı sıcak su devresinden soğuk su devresine transfer olur.

Isı transfer hızı, akışkan kütlenin akış hızının, akışkanın sıcaklık değişiminin ve özgül ısı

kapasitesinin bir fonksiyonudur (ortalama sıcaklıkta).


6 / 13

�� = 𝑚. 𝑐𝑝. ∆𝑇

İdeal bir ısı değiştiricisinde, dış ortamdan ne ısı alınır nede dış ortama ısı verilir. Soğuk akışkan

tüm ısıyı sıcak akışkandan absorplar. Dolayısıyla ısı transfer hızı:

�� = ��𝑒 = ��𝑎 = 𝑚𝐻 . 𝑐𝑝𝐻. ∆𝑇𝐻 = 𝑚𝐶 . 𝑐𝑝𝐶 . ∆𝑇𝐶

Hacimsel akış için tekrar düzenlenirse:

�� = ��𝑒 = ��𝑎 = 𝑉𝐻. 𝜌𝐻. 𝑐𝑝𝐻. ∆𝑇𝐻 = 𝑉𝐶 . 𝜌𝐶 . 𝑐𝑝𝐶 . ∆𝑇𝐶

Isı değiştiricisinde ısı transferini daha iyi anlamak için, yukarıdaki şekildeki gibi onu giriş ve

çıkışları olan sıcak ve soğuk su akışlı bir sitem olarak kabul edebiliriz.

Daha öncede bahsedildiği gibi ideal ısı değiştiricisinde sistem sınırından ısı transferi yoktur.

Fakat gerçekte sıcak ve soğuk akışkanlar genellikle çevreden farklı sıcaklıktadırlar ve bundan

dolayı bir miktar ısı sistem sınırında transfer olur. Örneğin, sıcak bir odadan soğuk akışkana ısı

transfer olur. Aşağıdaki şekiller girişleri, çıkışları ve kayıpları göreceli miktarları ile şema olarak

göstermektedir.


7 / 13

Enerji denge katsayısı (𝐶𝐸𝐵), absorplanan ve salınan enerji arasındaki ilişkiyi gösterir.

𝐶𝐸𝐵 =𝑄��

𝑄��

Fakat gösterildiği gibi sistemin dışına veya içine muhtemel ısı akışından dolayı, eğer ısı

değiştiricisi sınırlarından enerji absorplarsa enerji denge katsayısı 1’den büyük bir değer çıkar.

Dolaysıyla bu sadece yol göstericidir. Çünkü gerçekte:

𝑄�� = 𝑄�� ± 𝑠𝚤𝑛𝚤𝑟𝑙𝑎𝑟𝑑𝑎𝑛 𝑘𝑎𝑧𝑎𝑛𝚤𝑙𝑎𝑛 𝑣𝑒𝑦𝑎 𝑘𝑎𝑦𝑏𝑜𝑙𝑎𝑛 𝚤𝑠𝚤

Ortalama sıcaklık verimi ve ısı transfer katsayısı, ısı değiştiricilerinin karşılaştırılması için daha

faydalı sonuçlar verir.

Isı değiştiricisinin sıcak devresinin sıcaklık verimi, sıcak devredeki sıcaklık değişiminin sıcak ve

soğuk devredeki maksimum ve minimum sıcaklık sıcaklıklar arasındaki farka bölünmesi ile elde

edilir.

𝜂𝐻 =𝑇𝐻1 − 𝑇𝐻2

𝑇𝐻1 − 𝑇𝐶1. 100

Isı değiştiricisinin soğuk devresinin sıcaklık verimi, soğuk devredeki sıcaklık değişiminin sıcak

ve soğuk devredeki maksimum ve minimum sıcaklık sıcaklıklar arasındaki farka bölünmesi ile

elde edilir.


8 / 13

𝜂𝐶 =𝑇𝐶2 − 𝑇𝐶1

𝑇𝐻1 − 𝑇𝐶1. 100

İki devrenin ortalama sıcaklık verimi her iki devrenin ortalama verimidir:

�� =𝜂𝐻 + 𝜂𝐶

2

Logaritmik Ortalama Sıcaklık Farkı (LMTD)

Bu ısı transferinin oluşmasını sağlayan ısı itici gücün bir ölçüsüdür. Sıcak ve soğuk akışkanlar

arasındaki sıcaklık farkı, ısı değiştiricisi boyunca değişir. �� = 𝑈. 𝐴. ∆𝑇 bağıntısında kullanılmak

üzere bir ∆𝑇 ortalama sıcaklık farkının bulunması uygun olur. Isı değiştircisinin girişinden

çıkışına kadar herbir kesitte geçerli olacak enerji dengesi ifadesinden yola çıkarak gerekli

ihmaller ve kabuller yapıldıktan sonra elde edilecek diferansiyel bağıntı girişten çıkaşa kadar

integre edilerek ve gerekli işlemler ve düzenlemeler yapıldıktan sonra, değeri ısı değiştiricisin

her bir ucundaki sıcak ve soğuk devre arasındaki sıcaklık farkının logaritmik ortalaması olan şu

ifade elde edilir:

𝐿𝑀𝑇𝐷 =(𝑇𝐻2 − 𝑇𝐶2) − (𝑇𝐻1−𝑇𝐶1)

ln (𝑇𝐻2 − 𝑇𝐶2

𝑇𝐻1−𝑇𝐶1)

Bu deney setinde ölçülen sıcaklık değerlerine göre; paralel bağlı durumda yukarıdaki ifade, zıt

bağlı durumda ise (Soğuk akışkanın giriş ve çıkış sıcaklıkları yer değiştirdiğinden) bu ifadenin

𝑇𝐶2 𝑣𝑒 𝑇𝐶1 ‘in birbiriyle yer değiştirmiş ifadesi kullanılmalıdır.

Isı Değiştiricisinde Isı Transfer Katsayısı (U)

Duvar ve sınır tabakalar için genel ısı transfer katsayısıdır. Isı değiştiricisinin ne kadar iyi

çalıştığının bir ölçüsüdür. İyi bir ısı değiştirici yüksek bir değere sahiptir, dolayısıyla bu değer

mühendisler için önemlidir. Isı değiştiricisi için bu ifade logaritmik sıcaklık farkı ile birlikte

aşağıdaki gibidir:

𝑈 =𝑄��

𝐴. 𝐿𝑀𝑇𝐷


9 / 13

Deney Düzeneği

Deney düzeneği; ısı değiştiricisinin dışında elektrik bağlantıları, soğuk su besleme ve boşaltma

sistemi ve düzenek arkasında bulunan sıcak su sağlayan tanktan oluşmaktadır. Ayrıca akış

debisi ölçümü için sıcak ve soğuk suya ait sensörler mevcuttur. Soğuk su şehir şebekesinden

doğrudan muslukla sağlanırken, sıcak su ise elektrikli ısıtıcılı tanktan pompa yardımıyla

sağlanmaktadır. Sıcak ve soğuk su debileri manuel vanalar yardımı ile el ile istenilen debiye

ayarlanabilmektedir. Tüm sıcaklık ve debi değerleri dijital ekrandan okunabilmektedir.

Şekil: Deney düzeneği genel görüntüsü


10 / 13

Şekil: Çeşitli Tiplerde Isı Değiştiricileri

DENEY 1

DEĞİŞEN AKIŞ HIZININ ETKİSİ

Amaç

Farklı soğuk akış hızlarının paralel ve ters akış durumunda ısı değiştirici performansını nasıl

etkilediğini göstermek.

Deneyin Yapılışı (Paralel Akış)

- Isı değiştiricisini paralel akış için siteme bağla ve ısıtıcı tankı sıcaklığını 60℃’ye ayarla.

- Ortam sıcaklığını referans olması için termometre ile ölçün

- Tabloda 1’de test 1 için gösterilen sıcak ve soğuk akış hızlarını ayarlamak için elle akış

kontrol vanalarını kullanın.

- Isı değiştirici sıcaklığının dengeye gelmesi için en az 5 dakika bekleyin.

- Sıcak ve soğuk devre sıcaklıklarını kaydedin.

- Test 2,3 ve 4 için tabloda gösterilen akış hızlarında test 1 için yapılan işlemleri tekrarla.

Deneyin Yapılışı (Ters Akış)

- Isı değiştiricisini ters akış için siteme bağla ve paralel akış için yapılan prosedürü

tekrarla.


11 / 13

Sonuçların Analizi

- Paralel ve ters akışta 0.5 ve 3.0 L/dk. debileri için aşağıdaki karakteristik grafikleri elde

ediniz ( Toplam 4 grafik ). Paralel ve zıt akış grafikleri arasındaki önemli karakteristik

fark nedir.

- Tablo 1’i doldurmak için gerekli hesaplamaları yapınız.

- Paralel ve ters akış için soğuk akışkan hızına göre (yatay eksen) toplam ısı transfer

katsayısı (dikey eksen) grafiğini çiziniz (İki eğri tek grafikte). Toplam ısı transfer

katsayısının soğuk akışkan hızına ve akış türüne bağlı olup olmadığını olası nedenleri

(Malzeme özellikleri, termal sınır tabaka değişimi, vb.) ile yorumlayınız.

- Soğuk akış hızına (yatay eksen) karşılık enerji denge katsayısı (1. dikey eksen) ve

ortalama sıcaklık verimini (2.dikey eksen) aynı grafikte (1 grafik 2 eğri) çiziniz. Ortalama

sıcaklık verimimin, soğuk akışkan hızına ve akış türüne bağlı olup olmadığını olası

nedenleri (Eşanjörde kalma süresi, ısı transferi için süre, sıcaklık farkı miktarı, vb.) ile

yorumlayınız.

DENEY 2

DEĞİŞEN SICAKLIĞIN (İTİCİ GÜÇ) ETKİSİ

Amaç

Farklı sıcak su uygulama sıcaklığının paralel ve ters akış durumunda ısı değiştirici performansını

nasıl etkilediğini göstermek.

Deneyin Yapılışı (Paralel Akış)

- Isı değiştiricisini paralel akış için siteme bağla ve ısıtıcı tankı sıcaklığını 30℃’ye ayarla.

- Ortam sıcaklığını referans olması için termometre ile ölçün


12 / 13

- Tablo 2’de gösterilen sıcak ve soğuk akış hızlarını ayarlamak için elle akış kontrol

vanalarını kullanın.

- Isı değiştiricisi sıcaklığının dengeye gelmesi için en az 5 dakika bekleyin.

- Sıcak ve soğuk devre sıcaklıklarını kaydedin.

- Isıtıcı tank sıcaklığının 40, 50 ve 60℃ değerlerine karşılık gelen Test 2,3 ve 4 için Test 1

için yapılan işlemleri tekrarla.

Deneyin Yapılışı (Ters Akış)

- Isı değiştiricisini ters akış için siteme bağla ve paralel akış için yapılan prosedürü

tekrarla.

Sonuçların Analizi

- Paralel ve ters akışta 30℃ ve 60℃ sıcak su giriş sıcaklıkları için aşağıdaki karakteristik

grafikleri elde ediniz ( Toplam 4 grafik ).

- Tablo 2’yi doldurmak için gerekli hesaplamaları yapınız.

- Paralel ve ters akış için sıcak su giriş sıcaklığına göre (yatay eksen) toplam ısı transfer

katsayısı (dikey eksen) grafiğini çiziniz (İki eğri tek grafikte). Toplam ısı transfer

katsayısının sıcak su giriş sıcaklığına ve akış türüne bağlı olup olmadığını olası nedenleri

(Malzeme özellikleri, termal sınır tabaka değişimi, vb.) ile yorumlayınız.

- Sıcak su giriş sıcaklığına (yatay eksen) karşılık enerji denge katsayısı (1. dikey eksen) ve

ortalama sıcaklık verimini (2.dikey eksen) aynı grafikte (1 grafik 2 eğri) çiziniz. Ortalama

sıcaklık verimimin, sıcak su giriş sıcaklığına ve akış türüne bağlı olup olmadığını olası

nedenleri (Eşanjörde kalma süresi, ısı transferi için süre, sıcaklık farkı miktarı, vb.) ile

yorumlayınız.


13 / 13

TABLO 1

Isı Değiştirici : Bağlantı Şekli (Paralel veya ters) : Ortam Sıcaklığı :

Isıtıcı Tank Sıcaklığı : Ortalama Isı Transfer Alanı : 0,02 𝑚2

Test

Sıca

k

Akı

şkan

(L/d

ak)

Soğu

k

Akı

şkan

(L/d

ak) 𝑻𝑯𝟏 𝑻𝑯𝟐 ��𝑯 ∆𝑻𝑯 𝑻𝑪𝟏 𝑻𝑪𝟐 ��𝑪 ∆𝑻𝑪 𝜼𝑯 𝜼𝑪 𝝆𝑯 𝝆𝑪 𝒄𝒑𝑯 𝒄𝒑𝑪 𝑸𝒆

𝑸�� 𝑪𝑬𝑩 ��

𝑳𝑴

𝑻𝑫

𝑼

1 3 3

2 3 2

3 3 1

4 3 0,5

TABLO 2

Isı Değiştirici : Bağlantı Şekli (Paralel veya ters) : Ortam Sıcaklığı :

Sıcak Akış Debisi : 3 L/dak. Soğuk Akış Debisi : 2 L/dak. Ortalama Isı Transfer Alanı : 0,02 𝑚2

Test

Isıt

ıcı

Sıca

klığ

ı

(℃)

𝑻𝑯𝟏 𝑻𝑯𝟐 ��𝑯 ∆𝑻𝑯 𝑻𝑪𝟏 𝑻𝑪𝟐 ��𝑪 ∆𝑻𝑪 𝜼𝑯 𝜼𝑪 𝝆𝑯 𝝆𝑪 𝒄𝒑𝑯 𝒄𝒑𝑪 𝑸𝒆 𝑸�� 𝑪𝑬𝑩 ��

𝑳𝑴

𝑻𝑫

𝑼

1 30

2 40

3 50

4 60

isi deĞİŞtİrİcİlerİ (eŞanjÖr) -...

Documents