ISI DEĞİŞTİRİCİLER

T.C. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ GEMİ İNŞAATI VE DENİZCİLİK FAKÜLTESİ GEMİ İNŞAATI VE GEMİ MAKİNELERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ TEKNİK TERMODİNAMİK DÖNEM ÖDEVİ ISI DEĞİŞTİRİCİLER GRUP 8 MUSTAFA ERAL TÜLİN TATAR 2019 ÖNSÖZ Teknik Termodinamik I dersinde ‘Isı Değiştiricileri’ konusu kapsamındaki bu ödevde, ısı değiştiricilerinin tarihi gelişimi, ısı değiştiricilerinin ne olduğu ve türlerinin sınıflandırılması, basit bir ısı değiştiricisi modelinin EES programında çeşitli verilerle analizi ve bu analizin sonunda grafik ve tablolarla modelin yorumlanması sunulmaktadır. İÇİNDEKİLER Sayfa ÖNSÖZ..............................................................................................................................2 İÇİNDEKİLER..................................................................................................................3 SİMGE LİSTESİ...............................................................................................................4 KISALTMA LİSTESİ.......................................................................................................5 ŞEKİL LİSTESİ................................................................................................................6 TABLO VE GRAFİK LİSTESİ........................................................................................7 ÖZET.................................................................................................................................8 KISIM 1 BÖLÜM 1.ISI DEĞİŞTİRİCİLER VE TARİHİ GELİŞİMİ............................................9 1.1.ISI DEĞİŞTİRİCİSİ NEDİR?.........................................................................9 1.2.ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNİN TARİHİ GELİŞİMİ..........................................9 BÖLÜM 2.ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNİN SINIFLANDIRILMASI.................................10 2.1. ISI DEĞİŞİM ŞEKLİNE GÖRE SINIFLANDIRMA....................................11 2.1.1.AKIŞKANLARIN DOĞRUDAN TEMASTA OLDUĞU ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ...............................................................................................11 2.1.2.AKIİKANLAR ARASI DOĞRUDAN TEMASIN OLMADIĞI ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ...............................................................................................11 2.2.FARKLI AKIŞKAN SAYISINA GÖRE SINIFLAMA..................................12 2.3.YÜZEY KOMPAKTLIĞINA GÖRE SINIFLANDIRMA.............................12 2.3.1.GAZDAN-AKIŞKANA ISI DEĞİŞTİRİCİLER................................12 2.3.2.SIVIDAN-SIVIYA, FAZ DEĞİŞİMİ ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ..........12 2.4.YAPISAL ÖZELLİKLERİNE GÖRE SINIFLANDIRMA............................12 2.4.1.BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLER......................................................12 2.4.2.LEVHALI TİP ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ.............................................14 2.4.3.KANATLI TİP ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ............................................16 2.4.4.RENERATÖRLER ............................................................................16 2.5.AKIŞ ŞEKİLLERİNE GÖRE SINIFLANDIRMA ........................................16 2.5.1.TEK GEÇİŞLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLER..........................................16 2.5.2.ÇOK GEÇİŞLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLER.........................................17 2.6.ISI TRANSFER MEKANİZMALARINA GÖRE SINIFLANDIRMA.........17. 2.6.1.İKİ TARAFTA TEK FAZLI AKIŞ................................................18 2.6.2.BİR TARAFTA TEK FAZLI, DİĞER TARAFTA ÇİFT TARAFLI AKIŞ........................................................................................................18 2.6.3.İKİ TARAFTA ÇİFT FAZLI.........................................................18 2.6.4.TAŞINIMLA VE IŞINIMLA BERABER ISI GEÇİŞİ..................18 2.7.AKIMA GÖRE SINIFLAMA.........................................................................18 2.7.1.TEK GEÇİŞLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ.........................................19 2.7.2.ÇOK GEÇİŞLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ........................................20 KISIM 2 .ISI DEĞİŞTİRİCİSİNİN MODELLENMESİ.............................................22 KISIM 3 .EES PROGRAMININ YARDIMI İLE ISI DEĞİŞTİRİCİSİ MODELİNİN ANALİZİ........................................................................................................................23 KISIM 4 SONUÇLAR...................................................................................................................33 KAYNAKÇA .................................................................................................................35 SİMGE LİSTESİ h_buhar:Buharın entalpisi h_su:Suyun entalpisi cp_eg:Egzozun özgül ısıı T_eg:Egzozun sıcaklığı T_su:Suyun sıcaklığı T_sat:Buharın çıkış sıcaklığı m_eg:Egzozun debisi m_su:Suyun debisi P_su:Suyun basıncı P_eg:Egzozun basıncı Q_eg:Egzozun ısı miktarı Q_su:Suyun ısı miktarı Q_kayıp:Sistemde kaybolan ısı miktarı k:Isı kaybının yüzdesi*100 KISALTMA LİSTESİ EES:ENGINEERING EQUATION SOLVER ŞEMA VE RESİM LİSTESİ ŞEMALAR 1.Şema.Isı değişim şekline göre sınıflandırma şeması 2.Şema.Akışkan sayısına göre sınıfladırma şeması 3.Şema.Akışkan sayısına göre sınıflandırma şeması 4.Şema.Isı transfer mekanizmalarına göre sınıflandırma şeması RESİMLER Resim -1- 1931’deki plakalı ısı değiştiricisi ile 2007’deki ısı değiştiricisinin kıyaslanması Resim -2- Gövde borulu ısı değiştirici şematik gösterimi (bir gövde geçişli ve bir boru geçişli) Resim -3- Çift borulu bir ısı değiştiricide farklı akış rejimleri ve ilgili sıcaklık profilleri Resim -4 -Tek geçişli öift borulu ısı değiştiriciler için sıcaklık profili Resim -5- Ana gövde parçaları Resim -6- Contalı, levha tipli ısı değiştiricisi Resim -7- Spiral borulu ısı değiştiricileri Resim -8- Zıt geçişli akış modeli Resim -9- Çok geçili akış modeli Resim -10- Akım yönleri Resim -11 - Paralel akımlı borulu ısı değiştirici Resim -12- Ters akımlı borulu ısı değiştirici Resim -13- Çapraz akımlı borulu ısı değiştirici Resim -14- Çapraz akımlı çok geçişli ısı değiştiriciler Resim -15- Levhalı kanatlı ısı değiştiriciler TABLO VE GRAFİK LİSTESİ Tablo -1- Sıcaklığa bağlı değişim tablosu Tablo -2- Sıcaklığa bağlı değişim tablosu (devam) Tablo -3- Basınca bağlı değişim tablosu Tablo -4- Basınca bağlı değişim tablosu(devam) Tablo -5- k değerine göre değişim tablosu Tablo -6- k değerine göre değişim tablosu(devam) Grafik -1-T_egzoz T_buhar grafiği Grafik -2- Basınç-Q_su grafiği Grafik -3- Basınç-T_buhar grafiği Grafik -4- k-Q_egzoz grafiği Grafik -5- k-T_buhar grafiği Grafik -6- k-Q_kayıp grafiği ÖZET Teknik Termodinamik I dersinde ‘Isı Değiştiricileri’ konusu kapsamındaki bu ödevde, ilk olarak ısı değiştiricilerinin tarihi gelişimine kısa bir bakış atılmıştır.Sonraki bölümlerde ısı değiştiricilerinin ne olduğu açıklanmıştır.Isı değiştiricilerinin türleri sınıflandırılmıştır.Bu sınıflandırma ısı değişim şekillerine, farklı akışkanların sayısına, ısı değiştiricisinin yapısal özelliklerine, akışkanların akış biçimlerine, ısı transfer mekanizmasına ve akıma göre olmak üzere 7 şekilde yapılmıştır. Ödevin sonraki kısmında basit bir ısı değiştiricisi modelinin EES programında çeşitli verilerle analizi ve bu analizin sonunda grafik ve tablolarla modelin yorumlanması sunulmaktadır. 1.ISI DEĞİŞTİRİCİLER VE TARİHİ GELİŞİMİ 1.1.ISI DEĞİŞTİRİCİSİ NEDİR? Mühendislik uygulamalarının en önemli ve en çok karşılaşılan işlemlerinden birisi, farklı sıcaklıklardaki iki veya daha fazla akışkan arasındaki ısı değişimidir.Sıcaklık farkları olan ve temas halinde bulunan iki veya daha fazla akışkan ya da bir katı ve bir akışkan ya da katı parçacıklar ile akışkan arasında termal enerji (entalpi) geçişini sağlayan cihazlara ısı değiştiriciler denir. Isı değiştirici sistemlerde çoğunlukla sistem dışından ısı veya iş alışverişi gerçekleşmez.Bu tip cihazlar hem günlük hayatımızda hem de termik santrallerin buhar jeneratörleri, kimya endüstrisinde damıtıcılar, ısıtma, havalandırma, iklimlendirme ve soğutma uygulamalarında buharlaştırıcı ve yoğuşturucular, elektronik cihazlarda soğutucular, otomobil radyatörleri, gaz türbin motorlardaki rejeneratörler gibi endüstriyel uygulamalarda yaygın kullanıma sahiptir. En basit ısı değiştirici tipi çift-borulu ısı değiştiricidir. Bir akışkan içerideki küçük çaplı borudan akarken, diğer bir akışkan iki borunun arasında kalan anülüs kısmından akmaktadır. [1] [1] 1.2.ISI DEĞİŞTİRİCİSİNİN TARİHİ GELİŞİMİ Nicolas Leonard Sadi Carnot tarafından 1824 yılında ortaya atılan teori ısı pompasının temel teorisidir. Buhar makinesinin ürettiği mekanik güç, dışarıdan verilerek sıcak – soğuk çevrim sağlanabilir. bu durumda sistem bir buhar makinesi olmaktan çıkarak; sıcak ortamdan soğuk ortama enerji aktaran bir soğutma makinesi veya soğuk ortamdan sıcak ortama enerji aktaran bir ısıtma makinesi olarak çalışacaktır. Carnot döngüsü olarak bilinen bu çevrim ısı pompası ve termodinamik için temel prensiptir.[2] Gustaf de Laval 1845 yılında Alfa Laval şirketini kurmuştur.Bu şirket ilk ısı değiştiricisini 1938’de tanıtmıştır.Ardından gelen senelerde İsveçli ünlü ressam Carl Larsson'un oğlu Pontus Hytte, ısı değiştiricilerin geliştirilme ve üretilme sürecini Lund'a taşıdı. [3] 1999’te Alfa Laval, gemiler için yenilikçi bir yakıt arıtma sistemi ve endüstrinin en gelişmiş otomatik vana kontrolünü piyasaya sürdü.2003 yılında AlfaNova, ısı transferinde büyük bir devrim olarak piyasaya sürüldü.AlfaNova, Alfa Laval'in AlfaFusion adındaki patentli plaka lehimleme yöntemine dayanan tamamen yeni bir plakalı ısı değiştiricidir.AlfaNova'nın sıcaklıklar, basınçlar ve yorgunluk dirençleri alanlarındaki olağanüstü becerileri, şu anki ve gelecekteki uygulamalarda yeni ve ilginç fırsatların kapısını açtı.[4] Resim -1- 1931’deki plakalı ısı değiştiricisi ile 2007’deki ısı değiştiricisinin kıyaslanması Son bir asırda geliştirilmiş olan plakalı ısı değiştiriciler, bu süre içerisinde pek çok uygulamalar ile kullanım alanlarını sürekli geliştirmişlerdir. Özellikle son 20 yıl içerisinde üretim metotlarında meydana gelen gelişmelere kaynaklı tip plakalı ısı değiştiricilerinde geliştirilmesi mümkün olmuştur. Piyasada kullanım amacı ve kullanılabilirliğine göre birçok ısı değiştirici bulunmakta ve reküparatör, rejeneratör, reboiler, kondenser ve evaporatör gibi farklı adlarda karşımıza çıkabilmektedir.Isı değiştiricilerinin farklı adalarda kullanılmasının nedeni ise kullanıldığı sistem ve sistemdeki ısı değiştirme şekline göre yani ısı transferi yapan akışkanlar birbirleriyle temas edip etmediğine göredir. Isı değiştirici tipini seçerken dikkate alınması gereken faktörler şu şekilde özetlenebilir: 1- Konstrüksiyon malzemeleri 2- Basınç ve sıcaklık 3- Performans parametreleri- sıcaklık programı, debiler, basınç düşümleri 4- Kirlenme eğilimleri 5- Muayene, temizleme, tamir ve ilave 6- Akışkanların tipleri ve fazları 7- Isı değiştiricinin boyutu 8- Bulunabilirlik 9- Ekonomik faktörler 2. ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNİN SINIFLANDIRILMASI Farklı branşlarda, farklı amaçlarla kullanılan ısı değiştiriciler; ısı değişim şekline, akışkan sayısına, ısı geçiş yüzeyinin ısı geçiş hacmine oranına (kompaktlık), yapısal özelliklerine, akış şekillerine, ısı transfer mekanizmalarına göre sınıflandırılırlar. 2.1.ISI DEĞİŞİM ŞEKLİNE GÖRE SINIFLAMA Isı değiştiriciler, ısı değişim şekline göre iki sınıfta incelenir. 1.Şema.Isı değişim şekline göre sınıflandırma şeması[5] 2.1.1.AKIŞKANLARIN DOĞRUDAN TEMASTA OLDUĞU ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ Doğrudan temaslı ısı değiştiricilerde; iki ayrı akışkan direk temasta bulunur, ısı transferi gerçekleşir ve tekrar ayrılırlar. Genellikle bu tip ısı değişiminde, ısı transferi yanı sıra kütle transferi de gerçekleşir. Doğrudan temas olmayan tipe göre; daha yüksek ısı transfer oranları yakalanır, ısı değiştirici imalatı ucuzdur ve ara yüzey olmadığı için tıkanma problemi de gerçekleşmez. Karışmayan akışkanlarla ısı değiştirici, gaz-sıvı ısı değiştirici ve sıvı-buhar ısı değiştiriciler olarak üçe ayrılabilirler. Karışmayan akışkanlarla ısı değiştiricilerde, iki akışkan birbiriyle temas eder. Akışkanlar tek veya iki faz da olabilir, örnek olarak su-yağ arası ısı değişimi verilebilir. [5] 2.1.2.AKIŞKANLAR ARASI DOĞRUDAN TEMASIN OLMADIĞI ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ Doğrudan temas olmayan ısı değiştiricilerde; akışkan akışları ayrıdır ve geçirimsiz (sızdırmaz) ayırıcı duvar sayesinde aralıksız olarak ısı transferi gerçekleşir. Akışkanlar arasında temas yoktur, bu tip ısı değiştiricilere yüzey ısı değiştiricileri de denilir ve doğrudan transfer tipi, depolama tipi, akışkan yatak olarak üçe ayrılır. Doğrudan transfer tipi ısı değiştiricilerinde; ayırıcı duvar yardımıyla sıcak akışkandan soğuk akışkana sürekli ısı transferi gerçekleşir. Akışkanlar farklı bölümlerde hareket eder ve karışmazlar. Bu tip ısı değiştiricilere reküperatör de denilir. Bazı örnek doğrudan transfer ısı değiştiricileri ise; borulu, levhalı ve kanatlı tip ısı değiştiricilerdir.[6] Depolama tipi ısı değiştiricilerde; iki akışkan sırayla aynı akış alanından geçer, bu sebeple ısı transferi aralıklıdır. Önce sıcak madde arayüzden geçer ve arayüzü ısıtır, daha sonra aynı bölgeden soğuk malzeme geçer ve sıcak arayüzden ısı transfer eder. Isı transfer yüzeyi ya da akış alanı genellikle matris denilen hücresel yapıdadır veya delikli, geçirgen katı malzemedendir. Bu tip ısı değiştiricilere rejeneratör de denilir. [5] Akışkan yataklı ısı değiştiricilerde ise; iki akışkandan bir tanesi kendi akış alanından geçerken, diğeri sıcak katı partiküllerin arasından geçmektedir. İkinci akışkan yeterince hızlandığında katı partiküller akışkan partiküllerine yapışarak diğer maddenin akış alanı etrafında homojen olarak dağılmaya başlarlar, bundan dolayı sıcak katı madde ile soğuk madde arasında daha iyi ısı transferi gerçekleşir.[5] 2.2.FARKLI AKIŞKAN SAYISINA GÖRE SINIFLAMA Çoğu ısıtma-soğutma işlemi iki akışkan arasındaki ısı transferini içerir. Isı değiştiricileri iki, üç ve çok akışkanlı olarak sınıflandırılabilir. 3.Şema.Akışkan sayısına göre sınıfladırma şeması[5] Çoğunlukla ısı değiştiricileri iki akışkanlıdır. Üç akışkanlı ısı değiştiricileri kriyojenide geniş uygulama alanı bulduğu gibi hava ayırma sistemleri, saflaştırma, hidrojenin sıvılaştırılması, amonyak sentezi gibi kimyasal ve proses endüstrilerinde de kullanılır. Üç ve çok bileşenli ısı değiştiricilerinin tasarımı oldukça karmaşıktır.On iki akışkana kadar bileşen içeren kimyasal işlemler olduğu bilinmektedir.[7] 2.3.YÜZEY KOMPAKTLIĞINA GÖRE SINIFLAMA 3.Şema. Yüzey kompaktlığına göre sınıflandırma şeması[5] Gövde-boru tipi ısı değiştiricilere oranla; kompakt ısı değiştiricilerde birim hacim için daha fazla ısı transfer yüzeyi bulunmaktadır. Bunun sonucu olarak, azaltılmış hacim, ağırlık ve maliyet elde edilir. Gazdan-akışkana ve sıvıdan-sıvıya, faz değişimi olarak ikiye ayrılabilir. İki farklı ayrım için kompaktlık kriteri farklıdır. 2.3.1.GAZDAN-AKIŞKANA ISI DEĞİŞTİRİCİLER Gazdan-akışkana ısı değiştiricilerde; gazların ısı transfer kat - sayısının, sıvılara göre düşük olması önemli bir problemdir. Fakat ısı değiştiricide, ısı transferi yapan iki taraf için de ısıl iletkenlik aynı olmalıdır. Bu sebeple, gaz tarafında daha fazla transfer yüzeyi elde edebilmek amacıyla kanatçıklar (fin) kul - lanılır. Genellikle azımsanmayacak seviyede maliyet, ağırlık ve hacim tasarrufu sağlar; fakat yüzeylerde kirlilik, tıkanma, korozyon problemleri barındırır. 2.3.2.SIVIDAN- SIVIYA, FAZ DEĞİŞİMİ ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ Bu tip ısı değiştiricilerden bazıları; contalı levhalı, kaynaklı levhalı ve baskılı levhalı tiplerdir. 2.4.YAPISAL ÖZELLİKLERİNE GÖRE SINIFLAMA Isı değiştiriciler genellikle yapısal özdelliklerine göre sınıflandırılırlar. Dört ana tip ise; borulu, levhalı, kanatlı ve rejeneratör tiplerdir. 2.4.1.BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLER Borulu ısı değiştiriciler genellikle yuvarlak kesitli borulardan imal edilse de; eliptik, prizmatik ya da burulmuş tip borular da kullanılabilir. Borulu ısı değiştiriciler çoğunlukla arala - rında yüksek basınç farkı bulunan akışkanlar için tasarlanır ve sıvı-sıvı veya faz değişimi uygulamaları için kullanılır. Gövde-boru, çift boru ve spiral boru olmak üzere üçe ayrılırlar. [5] Gövde-boru ısı değiştiriciler; bir grup yuvarlak borunun, silindirik bir kabuğun içine yerleştirilmesiyle elde edilir. Ana bileşenleri; borular, gövde, ön ayna, arka ayna, şaşırtma levhası, boru destekleridir.[5] Resim -2- Gövde borulu ısı değiştirici şematik gösterimi (bir gövde geçişli ve bir boru geçişli)[8] Borulu ısı değiştiriciler; herhangi bir kapasite ya da çalışma ortamı için özel olarak tasarlanabildiklerinden, endüstriyel uygulamalarda yoğun olarak kullanılırlar. Çift borulu ısı değiştiriciler; iç içe geçmiş iki boru bulundurur. İçteki boru kanatçıklı veya düz olabilir (Şekil-9). Bir akışkan içteki boruda, diğeri ise iki boru arasında hareket eder. Çift borulu ısı değiştiriciler; toplam ısı transfer alanının 50 m2 ya da daha az olduğu küçük kapasiteli uygulamalar için kullanılırlar. Çünkü, birim ünite maliyeti fazladır. Resim -3- Çift borulu bir ısı değiştiricide farklı akış rejimleri ve ilgili sıcaklık profilleri [8] Spiral borulu ısı değiştiriciler; bir gövde içinde, bobin gibi sarılmış bir ya da birden fazla spiral boru bulundururlar. Termal genleşme problem olmasa da, temizlemek neredeyse imkansızdır. 2.4.2.LEVHALI TİP ISI DEĞİŞTİRİCİLER Levhalı tip ısı değiştiriciler, ince levhalar kullanılarak imal edilirler. Levhalar, düz ya da girintili-çıkıntılı olabilir. Bu tip ısı değiştiriciler yüksek basınca, sıcaklığa ya da yüksek basınç veya sıcaklık farklarına dayanıksızdırlar. Contalı, spiral levhalı, lamelli olarak üçe ayrılırlar. Contalı levhalı ısı değiştiriciler, ince metal levhalardan bir paket yapılarak elde edilir. Bu levhaların dört köşesinde akışkanların geçebilmesi için delikler bulunmaktadır. Uygun contalarla akışkanlar yönlendirilir ve birbirlerine karışmaları engellenir. Sıkıştırma çubukları ile sıkıştırılır. İstenildiğinde sisteme levha eklenip çıkarılarak, ısıl kapasite değiştirilebilir.[5] Resim -5- Ana gövde parçaları Resim -6- Contalı, levha tipli ısı değiştiricisi[5] Spiral levhalı ısı değiştiricilerde ise; iki uzun metal şerit levha helisel sarılarak, iki akışkan için spiral akış yolu çifti oluşturulur.Bu spiral dönüşlerden dolayı spiral plakalı ısı değiştiricilerin çapı çok fazladır. Sistemin ısı transfer katsayıları; gövde-boru tip ısı değiştiricilerinden fazla olsa da, levhalı ısı değiştiricilerinden azdır. [5] Resim -7- Spiral borulu ısı değiştiricileri[9] Lamelli ısı değiştiricileri; bir grup boruyu saran bir levha gövdeden oluşur, fakat bu borular düzleştirilmiş ince borulardır.Bu tip ısı değiştiriciler selüloz ya da kağıt endüstrisinde kullanılırlar. 2.4.3.KANATLI TİP ISI DEĞİŞTİRİCİLER Daha önce de bahsedildiği gibi; yüksek ısı değiştirici verimine ihtiyaç duyulan, daha kompakt ısı değiştiricilere ihtiyaç olduğunda kanatlı ısı değiştiriciler kullanılır. Bu tip ısı değiştiriciler kanatçıklı levha ve kanatçıklı boru olmak üzere iki ana bölüme ayrılır. Kanatçıklı levha modelinde, yüzey alanını arttırmak için levha bükülerek çıkıntılar oluşturulur. Araç radyatörleri de bu tip ısı değiştiricilere örnektir.[5] 2.4.4.RENERATÖRLER Rejeneratörler; depolama tipi ısı değiştiricilerdendir. Dönen tip re - jeneratörler, sabit matris rejeneratörler, periyodik akım rejeneratörleri ve ısı akümülatörü olarak sınıflandırılabilirler. Rejeneratörlerin avantajları; rekuperatöre göre daha kompakt olması ve ekonomik olmasıdır. Bunun sebebi ise, sıcak ve soğuk gaz akışlarının radyal conta veya vanalarla ayrılmasıdır[5]. 2.5.AKIŞ ŞEKİLLERİNE GÖRE SINIFLAMA Isı değiştiricilerinde akış şekillerinin seçimi; verim, basınç düşümü, minimum maksimum hızlar, akış güzergahları, termal kaynaklı stresler, sıcaklık seviyeleri, borulama işlemleri ve diğer tasarım kriterlerine göre yapılır. Tek geçişli ve çok geçişli olarak ikiye ayrılırlar. 2.5.1.TEK GEÇİŞLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLER Bu tip ısı değiştiriciler; zıt yönlerde akış, paralel akış, karşı akış olarak ana bölümlere ayrılır. Zıt yönlerde akış modelinde; akışkanlar birbirlerine paralel, fakat ters yönde hareket ederler. Bu tip akış modeli, termodinamik olarak diğer akış modellerine göre daha üstündür. Resim -8- Zıt geçişli akış modeli[5] Paralel akış modelinde ise; akışkanlar ısı değiştiricisine aynı taraftan girip, aynı taraftan terk ederler. Bu tip akış modeli, yüksek sıcaklık verimi gerektiren uygulamalar için kullanılmasalar da; en yüksek duvar sıcaklığı yine zıt akışlı modelinkinden düşüktür. [5] Karşı akışlı modelde, akışkanlar ısı değiştiricisinde birbirlerine dik olarak hareket eder.En yüksek sıcaklık farkları, sıcak ve soğuk akışkanın giriş yaptığı köşelerde görülür. 2.5.2.ÇOK GEÇİŞLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLER Isı değiştiricilerin boylarının çok uzun olması gerektiğinde, çok düşük akışkan hızları elde edildiğinde ya da çok düşük verim elde edildiğinde; çok geçişli ya da birbirine bağlanmış birden fazla tek geçişli ısı değiştirici kullanılır. En önemli avantajı; ısı değiştiricinin toplam verimini, yalnız bir geçişin verimine göre daha fazla arttırmasıdır.[5] Resim -9- Çok geçili akış modeli[5] 2.6.ISI TRANSFER MEKANİZMALARINA GÖRE SINIFLAMA Termal enerjiyi, ısı değiştiricinin bir tarafındaki akışkandan ara yüzeye aktarmak için kullanılan temel ısı transfer mekanizmaları; tek faz konveksiyon (zorlanmış ya da doğal), iki faz konveksiyon (zorlanmış ya da doğal konveksiyon aracılığıyla yoğuşma veya buharlaşma) ve birleşik konveksiyon ve radyasyon ısı transfer mekanizmalarıdır. 4.Şema.Isı transfer mekanizmalarına göre sınıflandırma şeması[5] 2.6.1.İKİ TARAFTA TEK FAZLI AKIŞ Pratikte rastlanan ısı değiştiricilerin büyük bir bölümünde her iki akışkan, ısı değiştiricisine girdikleri fazda terk eder. Bu ısı değiştiricilerinin iki tarafındaki ısı taşınımı zorlanmış (bir pompa veya vantilatör ile tahrik edilmiş) veya doğal olabilir. Otomobil radyatörleri, salon ısıtıcıları, buhar kazanları ekonomizerleri ve hava ısıtıcıları, kompresör iç soğutucuları, rejeneratörler, yapı soğutucuları örnek olarak verilebilir.[5] 2.6.2.BİR TARAFTA TEK FAZLI, DİĞER TARAFTA ÇİFT TARAFLI AKIŞ Bu ısı değiştiricilerinin tek taraflarında zorlanmış veya tek fazlı akış varken diğer tarafta kaynamakta veya yoğuşmakta olan iki fazlı akış vardır. Örnek olarak termik santrallerin yoğuşturucuları, soğutma sistemlerinin yoğuşturucusu veya buharlaştırıcısı ile buhar kazanları sayılabilir. [5] 2.6.3.İKİ TARAFTA ÇİFT FAZLI AKIŞ Bir taraflarında buharlaşma diğer taraflarında yoğuşma işlemi olan ısı değiştiricileridir. Hidrokarbonların distilasyonunda yüksek basınçlı buhar kullanılarak alçak basınçlı buhar elde edilmesi için kullanılır. 2.6.4. TAŞINIMLA VE IŞINIMLA BERABER ISI GEÇİŞİ Özellikle bir tarafında yüksek sıcaklıkta gaz olan ısı değiştiricilerinde taşınımla ve ışınımla ısı geçişi bir arada görülür. Yüksek sıcaklıkta dolgu maddeli rejeneratörler, fosil yakacak yakan ısıtıcılar, buhar kazanları ve bunların kızdırıcıları ile piroliz ocakları bu tip ısı değiştiricilerine örnektir. 2.7.AKIMA GÖRE SINIFLAMA Isı değiştiricilerinde akışkanın değişik şekillerde düzenlenmesi ortalama logaritmik sıcaklık farkına, etkenliğe ve ısıl gerilmelere çok etki eder. Akış şekline göre sınıflandırma tek geçişli ve çok geçişli olarak iki ana grupta toplanabilir. 2.7.1.TEK GEÇİŞLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ İki akışkanın ısı değiştirici içinde birbirine göre sadece bir kere karşılaştığı tiplerdir. Paralel, ters ve çapraz akımlı olmak üzere üç grupta incelenebilir. Resim -10- Akım yönleri 2.7.1.1.PARALEL AKIMLI ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ Bu düzenlemede ısı değiştirici içindeki ısıtıcı akışkan ile ısıtılacak akışkan, değiştiricinin aynı ucundan girip birbirlerine paralel olarak akar ve değiştiricinin diğer ucundan çıkar. Bu tür ısı değiştiricilerde küçük çaplı bir boru ile bunun dışında aynı eksenli ikinci bir boru vardır. Birinci akışkan içteki boru içinden akarken ikinci akışkan iki boru arasındaki dairesel halkadan akar. Pratikte içte küçük çaplı çok sayıda boru, dışta ise bu boruları içine alabilecek gövde adı verilen büyük çaplı bir silindirden oluşur. Resim -11 - Paralel akımlı borulu ısı değiştirici[10] Bu tip ısı değiştiricilerde, ısı değiştirici boyunca akışkan sıcaklığının değişimi tek boyutludur. Isı değiştiricinin ısı geçişi olan cidar sıcaklığı fazla değişmediğinden ısıl gerilmelerinin istenmediği yerlerde tercih edilir. 2.7.1.2.TERS AKIMLI ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ Bu tipte akışkanlar ısı değiştirici içinde birbirine göre eksenel olarak paralel fakat ters yönde akar. Ters akımlı ısı değiştiricilerinde, değiştiricideki ortalama sıcaklık farkı ve etkenlik diğer bütün akış düzenlemelerine göre daha büyüktür. Bu üstünlüğünden dolayı bu tip ısı değiştiricileri pratikte tercih edilir. Isı geçişi olan malzeme sıcaklığının ısı değiştirici boyunca fazla değişmesi, bunun sonucu ısıl gerilmelerin artması ve imalattaki konstrüksiyon güçlükleri sebebiyle bu düzenleme bazen tercih edilmeyebilir. Resim -12- Ters akımlı borulu ısı değiştirici[10] 2.7.1.3.ÇAPRAZ AKIMLI ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ Bu düzenlemede ısı değiştirici içindeki akışkanlar birbirlerine dik olarak akar. Yapılan konstrüksiyona göre kanatlar veya şaşırtma levhaları yardımıyla akışkanlar değiştirici içinde ilerlerken kendi kendileri karşılaşabilir veya karşılaşmayabilir. Akışkan değiştirici içinde, borular içinde akıyorsa ve bitişik kanal içindeki akışkan ile karışmıyorsa bu akışkana karışmayan adı verilir. Tersi durumda ise karışan akışkan adı verilir.[5] Bu ısı değiştiricilerin ısı etkenliği; paralel akımlılardan daha iyi, ters akımlılardan kötüdür. İmalat kolaylığı bakımından kompakt ısı değiştiricilerin büyük çoğunluğu çapraz akımlı olarak üretilir. Resim -13- Çapraz akımlı borulu ısı değiştirici[8] 2.7.2. ÇOK GEÇİŞLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ Isı değiştiricisi içinde değişik şekillerde seri hâlde düzenlenerek çok geçişli tipler elde edilebilir. Çok geçişli ısı değiştiricilerinin en büyük üstünlüğü ısı değiştiricisi etkenliğini artırmaktır. Çok geçişli ısı değiştiricileri kanatlı yüzeylerde, gövde-boru tiplerinde ve levhalı tiplerde değişik düzenlemelerde imal edilebilir. 2.7.2.1.ÇAPRAZ-TERS VE ÇAPRAZ-PARALEL AKIMLI ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ Çapraz ters genellikle kanatlı yüzeyli ısı değiştiricilerinde tercih edilir. İki veya daha fazla sayıda çapraz geçiş arka arkaya ters akışlı olarak seri hâlde bağlanır. Isı değiştiricisi etkenliği, her bir geçişteki akışkanların karışıp karışmadığına ve geçiş sayısına bağlıdır. Yüksek sıcaklıklardaki uygulamalarda sıcaklığın fazla olduğu geçişlerde sıcağa dayanıklı pahalı malzeme, diğer yerlerde ise ucuz malzeme kullanılarak imalat masrafları azaltılabilir. Çapraz paralel, bir önceki düzenlemeye çok benzer, sadece akışkanların birbirlerine göre genel akışı paraleldir. Geçiş sayısı artırılarak sistemin etkenliği tek geçişli paralel akışlı ısı değiştiricisi etkenliğine yaklaştırılabilir.[7] Resim -14- Çapraz akımlı çok geçişli ısı değiştiriciler 2.7.2.2.ÇOK GEÇİŞLİ GÖVDE BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ Bu düzenleme, gövde borulu ısı değiştiricilerinde en çok kullanılan tiptir. Sistemde borular bir uçlarından tespit edildiğinden ısıl gerilmeler çok azdır. Gövde tarafındaki akışkan karıştığından herhangi bir kesitteki gövde akışkanının sıcaklığı sabittir. Bu yüzden, boru içindeki akışkanın yönü değişse de ısı değiştiricisi etkenliği aynı kalır.[5] 2.7.2.3.N ADET PARALEL LEVHA GEÇİŞLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ Levha tipi ısı değiştiricilerinde, levhaların çeşitli şekilde düzenlenmesi ile çok geçişli akımlar elde edilebilir. Levha tipi ısı değiştiricilerinde conta yeri değiştirilerek bu düzenlemeler kolayca elde edilebilir. Resim -15- Levhalı kanatlı ısı değiştiriciler KISIM 2 ISI DEĞİŞTİRİCİSİNİN MODELLENMESİ Termodinamiğin ikinci yasa analizlerinin yapıldığı hesaplamalarda aşağıdaki kabuller yapılmıştır; Tüm sistem elemanları kararlı durumda çalışmaktadır. Sistem elemanlarının kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edilmiştir. Boru hattı boyunca olan basınç kayıpları ihmal edilmiştir. Biz bu çalışmamızda ıs değiştiricisi olarak içten yanmalı bir motoru EES(Engineering Equation Solver) programını kullanarak inceledik. İçten yanmalı motorumuzdan çıkan egzoz gazları 1,5-3 MPa basınç aralığında doymuş su buharı elde etmek için kullanılmaktadır. Egzoz gazları ısı değiştiricisine 300-5000C sıcaklık ve dakikada 32 kg debi ile girerken su 150 C sıcaklıkta girmektedir. Isı değiştiricisinin çevreye olan ısı kaybını %0-20 arasında değiştirdik. Egzoz gazlarımızın kütle debisi suyun kütle debisinin 15 katı olarak biliyoruz. Ve bu parametrelerimize uygun olarak ısı değiştirici çıkışında gazların sıcaklığını ve suya olan ısı geçişini hesapladık. Deneyin modellenmesi EES programında yapılmıştır.İlgili işlemlerin sonuçları programdan tablo olarak alınmış ve grafikleştirilmiştir. KISIM 3 EES PROGRAMININ YARDIMI İLE ISI DEĞİŞTİRİCİSİ MODELİNİN ANALİZİ TABLOLAR VE GRAFİKLER Tablo -1- Sıcaklığa bağlı değişim tablosu Tablo -2- Sıcaklığa bağlı değişim tablosu (devam) Tablo -3- Basınca bağlı değişim tablosu Tablo -4- Basınca bağlı değişim tablosu(devam) Tablo -5- k değerine göre değişim tablosu Tablo -6- k değerine göre değişim tablosu(devam) Grafik -1-T_egzoz T_buhar grafiği Grafik -2- Basınç-Q_su grafiği Grafik -3- Basınç-T_buhar grafiği Grafik -4- k-Q_egzoz grafiği Grafik -5- k-T_buhar grafiği Grafik -6- k-Q_kayıp grafiği BULGULAR VE SONUÇ Yaptığımız modelin deney verileri tablolarda sunulmuştur.Bu tablolarda belli parametreler değiştirilerek bu parametrelerin diğerler veriler üzerindeki etkileri bulunmuştur.Tablodaki değişimleri grafikleştirdiğimizde değişimler daha net görülebilemektir. Sıcaklığa bağlı olarak tablo değerlerinde sadece T_sat değişmektedir.Bu da bize girişteki akışkanın sıcaklığının, çıkıştaki sıcaklığı etkilediğini gösterir.Giriş sıcaklığı ile çıkış sıcaklığı doğru orantılı olarak değişmektedir.Bu değişim grafik -1- de görülmektedir. Suyun basıncı arttıkça çıkış sıcaklığı ve suyun ısı miktarı değişmektedir.Egzozun sıcaklığı, egzozun verdiği ısı ve kaybolan ısı miktarı bağımsız olduğu için etkilenmemiştir.Suyun basıncı arttıkça suyun ısı miktarı artmaktadır. Bu değişim grafik -2- de görülmektedir. Suyun basıncı arttıkça çıkış sıcaklığı da artmaktadır.Bu değişim grafik -3- de görülmektedir. Deneydeki k değeri değiştikçe egzozun ısı miktarı, çıkış sıcaklığı ve kaybolan ısı miktarı değişim göstermektedir.k değeri ile egzozun ısı miktarı doğru orantılı olarak değişmektedir. Bu değişim grafik -4- te görülmektedir. k değeri ile çıkış sıcaklığı ters orantılı olarak değişmektedir.Çünkü k değeri arttıkça kayıp ısı miktarı artmaktadır.Bu da çıkış sıcaklığını azaltmaktadır. Bu değişim grafik -5- te görülmektedir.k değeri ile kaybolan ısı miktarı ise doğru orantılıdır. Bu değişim grafik -6- da görülmektedir. KISIM 4 SONUÇLAR 18.yüzyılın başlarından itibaren tekstil endüstrisinde meydana gelen hızlı gelişmenin sonucu olarak artan güç ihtiyacı ve bunun insan veya hayvan gücüyle karşılanamaması, buhar makinelerinin ortaya çıkmasına yol açmıştır. İngiltere’de, 1697 yılında Thomas Savery ve 1712 yılında Thomas Newcomen tarafından yapılan başarılı ilk buhar makineleri, 1765-1766 yıllarında James Watt’ın bu makineleri geliştirmesi buharın o güne kadar bilinmeyen özellikleri üzerine yaptığı araştırmalar, bu alandaki çok önemli adımları oluşturmuştur. Diğer birçok araştırmacının da bu alana yönelmesiyle termodinamik bilimi ortaya çıkmıştır. Termodinamik, otomobillerden uçaklara ve uzay araçlarına, elektrik güç santrallerinden iklimlendirme sistemlerine ve bilgisayarlara kadar çok geniş uygulama sistemlerine sahiptir. Bu alanlardan biri de ısı değiştiricileridir. Isı değiştiricileri, endüstrinin en önemli ısı tekniği cihazlarıdır. Buharlaştırıcı, yoğuşturucu, ısıtıcı, soğutucu vb. değişik adlar altında kimya ve petrokimya endüstrilerinin, termik santrallerinin, soğutma, ısıtma ve iklimlendirme tesislerinin hemen her kademesinde değişik tip ve kapasitelerde görülebilir. Isı değiştiricilerinin kullanılmasının esas amacı, ısı enerjisinden azami derecede faydalanılarak yakıt tasarrufu sağlamaktır. Bir ısı değiştirici, içinden geçen iki proses akışkanı arasında ısı transferini sağlayan bir ekipmandır. Soğuk akışkan tarafından alınan ısı bu akışkanı ısıtmak için gereken yakıttan tasarrufu, sıcak akışkandan alınan ısı da soğutma suyundan tasarrufu sağlar. Proses akımları arasında ne kadar çok ısı alışverişi olursa yakıt tasarrufu sağlar. Proses akımları arasında ne kadar çok ısı alışverişi olursa yakıt tüketimi o kadar az olur ve soğutma suyu ihtiyacı azalır. Isı değiştirici tipinin seçiminde kullanılacak temel ilke, benzer proses koşullarında çalışan ısı değiştiricisine benzer olan ısı değiştirici tipinin seçilmesidir. Eğer benzer çalışma koşulları mevcut değil ise konstrüksiyon malzemeleri, basınç ve sıcaklık, performans parametreleri( sıcaklıklar, debiler, basınç düşümleri), kirlenme eğilimleri, akışkanların tipleri ve fazları, ısı değiştiricinin boyutu, bulunabilirlik ve ekonomik faktörler gibi çeşitli faktörler göz önüne alınarak ısı değiştirici seçimi yapılmalıdır. Eğer çalışma koşullarındaki değişimler ve tamamıyla yeni tip bir uygulama, yeni bir yaklaşım gerektiriyorsa yeni bir ısı değiştirici dizayn etme yöntemi kullanılmalıdır. Biz bu çalışmamızda ıs değiştiricisi olarak içten yanmalı bir motoru EES(Engineering Equation Solver) programını kullanarak inceledik. İçten yanmalı motorumuzdan çıkan egzoz gazları 1,5-3 MPa basınç aralığında doymuş su buharı elde etmek için kullanılmaktadır. Egzoz gazları ısı değiştiricisine 300-5000C sıcaklık ve dakikada 32 kg debi ile girerken su 150 C sıcaklıkta girmektedir. Isı değiştiricisinin çevreye olan ısı kaybını %0-20 arasında değiştirdik. Egzoz gazlarımızın kütle debisi suyun kütle debisinin 15 katı olarak biliyoruz. Ve bu parametrelerimize uygun olarak ısı değiştirici çıkışında gazların sıcaklığını ve suya olan ısı geçişini hesapladık. EES programında ilgili problem modelimiz ile ilgili olarak her bir veriyi kontrollü deney şeklinde tek tek değiştirerek diğer verilere olan etkisini inceledik.Basınç, giriş sıcaklığı ve kayıp ısının yüzdesine göre değişim tablolarını elde ettik.Bu tablolardaki değişimleri ikili olarak grafikleştirdik. Yapılan deneyden elde edilen veriler toparlanıp değerlendirildiğinde tekli parametre değişimleri için: Giriş sıcaklığı ile çıkış sıcaklığı doğru orantılı olarak değişmektedir. Suyun basıncı arttıkça suyun ısı miktarı artmaktadır. Suyun basıncı arttıkça çıkış sıcaklığı da artmaktadır. k değeri ile egzozun ısı miktarı doğru orantılı olarak değişmektedir. k değeri ile çıkış sıcaklığı ters orantılı olarak değişmektedir. k değeri ile kaybolan ısı miktarı ise doğru orantılıdır. KAYNAKÇA [1] “hulyacakmak_02.12.2018_2L9W.pdf”. . [2] “Isı Değiştiricileri ( Eşanjörler ) Nedir ?”, Mühendistan, 29-Nis-2018. . [3] “Snapshot”. . [4] admin, “Alfa Laval’in Tarihçesi | EŞANJÖR | ALFA LAVAL | GRUNDFOS | POMPA”. . [5] “Dergi-Eki-101-1-1.pdf”. . [6] “Borulu Kanatlı Isı Değiştiriciler”, prezi.com. [Çevrimiçi]. Erişim adresi: https://prezi.com/lxwlqtutewhl/borulu-kanatl-is-degistiriciler/. [Erişim: 08-Ara-2019]. [7] E. N. Kaçar ve L. B. Erbay, “ISI DEĞİŞTİRİCİLERİN TASARIMINA BİR BAKIŞ”, s. 15. [8] “YÜKSEK LİSANS TEZİ Mak. Müh. Murat DURMAZ. Anabilim Dalı : MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ. Programı : ISI - AKIŞKAN - PDF Free Download”. [Çevrimiçi]. Erişim adresi: https://docplayer.biz.tr/7201312-Yuksek-lisans-tezi-mak-muh-murat-durmaz-anabilim-dali-makina-muhendisligi-programi-isi-akiskan.html. [Erişim: 08-Ara-2019]. [9] “Ürün Detayı”. [Çevrimiçi]. Erişim adresi: http://www.iaosb.org.tr/firmalar/TUVSS0VaLTk2NjMx/1305. [Erişim: 08-Ara-2019]. [10] “Borulu Eşanjör | ELEKTRİK REHBERİNİZ”. . [11] tesisat, “Isı Pompası Nedir? Isı Pompası Nasıl Çalışır?”, Tesisat, 02-Şub-2016. . 7