Isı eşanjörü - Heat exchanger

Borulu ısı eşanjörü
Bir binaya iklimlendirme sağlamak için soğutucu bazlı bir soğutucunun kabuk ve borulu ısı eşanjörünün giriş plenumuna kısmi görünüm

Bir ısı eşanjörü , iki veya daha fazla akışkan arasındaki ısıyı aktarmak için kullanılan bir sistemdir . Isı eşanjörleri hem soğutma hem de ısıtma işlemlerinde kullanılmaktadır. Akışkanlar, karışmayı önlemek için katı bir duvarla ayrılabilir veya doğrudan temas halinde olabilir. Alan ısıtma , soğutma , klima , elektrik santralleri , kimya tesisleri , petrokimya tesisleri , petrol rafinerileri , doğal gaz işleme ve kanalizasyon arıtmada yaygın olarak kullanılmaktadırlar . Bir ısı eşanjörünün klasik örneği, motor soğutucusu olarak bilinen sirkülasyon sıvısının radyatör bobinlerinden aktığı ve havanın bobinlerden geçerek soğutucuyu soğutan ve gelen havayı ısıttığı bir içten yanmalı motorda bulunur . Bir başka örnek, ısı emici bir akışkan ortam, genellikle hava ya da bir sıvı soğutucu için bir elektronik ya da mekanik bir cihaz tarafından üretilen ısı transfer eden bir pasif bir ısı değiştirici.

Akış düzenlemesi

Karşı akım (A) ve paralel (B) akışlar

Akış düzenlerine göre ısı eşanjörlerinin üç ana sınıflandırması vardır. Olarak paralel akışlı ısı eşanjörü, iki akışkanın diğer tarafında birbirine paralel olarak aynı ucunda eşanjörü ve seyahat girin. Olarak karşı akışlı ısı eşanjörü sıvılar uçlarından gelen eşanjörü girin. Karşı akım tasarımı, herhangi bir birim uzunluk boyunca ortalama sıcaklık farkının daha yüksek olması nedeniyle, birim kütle başına ısı (aktarım) ortamından en fazla ısıyı aktarabilmesi bakımından en verimli olanıdır . Karşı akım alışverişine bakın . Bir olarak çapraz akışlı ısı eşanjörü, sıvılar eşanjöründen birbirlerine kabaca dik seyahat.

Verimlilik için, ısı eşanjörleri, eşanjör boyunca akışkan akışına direnci en aza indirirken, iki akışkan arasındaki duvarın yüzey alanını maksimize edecek şekilde tasarlanmıştır. Eşanjörün performansı, yüzey alanını artıran ve sıvı akışını yönlendirebilen veya türbülansa neden olabilen bir veya her iki yönde kanatçıkların veya olukların eklenmesinden de etkilenebilir.

Isı transfer yüzeyi boyunca sürüş sıcaklığı konuma göre değişir, ancak uygun bir ortalama sıcaklık tanımlanabilir. Çoğu basit sistemde bu, " log ortalama sıcaklık farkı " dır (LMTD). Bazen LMTD'nin doğrudan bilgisi mevcut değildir ve NTU yöntemi kullanılır.

Türler

Çift borulu eşanjörler, endüstrilerde kullanılan en basit eşanjörlerdir. Bir yandan, bu ısı eşanjörleri hem tasarım hem de bakım açısından ucuzdur ve bu da onları küçük endüstriler için iyi bir seçim haline getirir. Öte yandan, düşük verimlilikleri ile büyük ölçeklerde işgal edilen yüksek alan birleştiğinde, modern endüstrileri kabuk ve boru veya plaka gibi daha verimli ısı eşanjörleri kullanmaya yönlendirdi. Ancak çift borulu eşanjörler basit olduğu için tüm eşanjörler için temel kurallar aynı olduğu için öğrencilere eşanjör tasarım temellerini öğretmek için kullanılırlar.

1. Çift borulu ısı eşanjörü (a) Diğer akışkan iki boru arasındaki halka şeklindeki boşluğa aktığında, bir akışkan daha küçük borudan akar. Akış, bir çift borulu ısı eşanjöründe bir akım akışı veya paralel akış olabilir. (b) Aynı noktada sıcak ve soğuk sıvıların birleştiği, aynı yönde aktığı ve aynı uçtan çıktığı paralel akış.

(c) Zıt uçlarda sıcak ve soğuk sıvıların birleştiği ters akış, zıt yönde akar ve zıt uçlardan çıkar.

Yukarıdaki şekil, akışkan eşanjörünün paralel ve karşı akışlı akış yönlerini göstermektedir. Bu, karşılaştırılabilir koşullar altında yapılırsa, ters akışlı cihaza paralel akışlı ısı eşanjöründen daha fazla ısı aktarılır. Yüksek termal voltajdan kaynaklanan büyük sıcaklık farkı nedeniyle, iki ısı eşanjörünün sıcaklık profilleri paralel akışlı tasarımda iki önemli dezavantaj sergiler. Bu, ortaklığın belirgin bir dezavantaj olduğunu gösterir, eğer bir tasarım amaçlanıyorsa, soğuk akışkan sıcaklığını arttırmaktır. İki akışkanın tam olarak aynı sıcaklığa getirilmesinin beklendiği durumlarda, paralel akış konfigürasyonu faydalıdır. Karşı akışlı ısı eşanjörü, paralel akışlı tasarıma kıyasla daha önemli avantajlara sahiptir. Termal stresi azaltabileceği ve daha homojen bir ısı transferi oranı üretebileceği yer.

2. Kabuk borulu ısı eşanjörü

Bu tip ısı eşanjörünün ana bileşenleri boru kutusu, kabuk, ön arka uç başlıkları ve bölmeler veya kanatçıklar gibi görünmektedir.

Bölmeler, boruları desteklemek, sıvı akışını borulara yaklaşık olarak doğal bir şekilde yönlendirmek ve kabuk sıvısının türbülansını en üst düzeye çıkarmak için kullanılır. Kabuk tarafı kuvvetindeki düşüşün izin verilen akış hızına, boru desteği ihtiyacına ve akış kaynaklı titreşimlere bağlı olarak çok çeşitli bölmeler ve bölme formu, aralık ve geometri seçimi vardır. Kabuk ve borulu eşanjörlerin çeşitli varyasyonları mevcuttur; farklılıklar, akış konfigürasyonlarının düzenlenmesinde ve inşaat detaylarında yatmaktadır.

Shell-and-tube teknolojisi ile havayı soğutmak için uygulamada ( yanmalı motorlar için intercooler / şarj havası soğutucusu gibi ), hava tarafındaki ısı transfer alanını artırmak ve bir tüp ve kanat konfigürasyonu oluşturmak için tüplere kanatçıklar eklenebilir.

3. Plakalı Eşanjör Bir plakalı ısı eşanjörü, birlikte paketlenmiş bir miktar ince şekilli ısı transfer plakası içerir. Her bir plaka çiftinin conta düzeni, iki ayrı kanal sistemi sağlar. Her bir plaka çifti, sıvının içinden akabileceği bir kanal oluşturur. Çiftler kaynak ve cıvatalama yöntemleriyle birleştirilir. Aşağıda ısı eşanjöründeki bileşenler gösterilmektedir.

Tek kanallarda contaların konfigürasyonu akışı sağlar. Böylece, ana ve ikincil ortamların karşı akım akışına izin verir. Conta plakalı ısı eşanjörü, oluklu plakalardan oluşan bir ısı bölgesine sahiptir. Conta, plakalar arasında conta işlevi görür ve çerçeve ile baskı plakaları arasında bulunur. Akışkan, ısı eşanjörü boyunca karşı akım yönünde akar. Verimli bir termal performans üretilir. Plakalar farklı derinliklerde, boyutlarda ve oluklu şekillerde üretilmektedir. Plaka ve çerçeve, plaka ve kabuk ve spiral plakalı ısı eşanjörlerini içeren farklı tipte plakalar mevcuttur. Dağıtım alanı, sıvının tüm ısı transfer yüzeyine akışını garanti eder. Bu, katı yüzeylerde istenmeyen malzeme birikmesine neden olabilecek durgun alanların önlenmesine yardımcı olur. Plakalar arasındaki yüksek akış türbülansı, daha fazla ısı transferi ve basınçta azalma ile sonuçlanır.

4. Yoğuşturucular ve Kazanlar İki fazlı bir ısı transfer sistemi kullanan ısı eşanjörleri, yoğuşturucular, kazanlar ve buharlaştırıcılardır. Kondansatörler, sıcak gaz veya buharı yoğuşma noktasına alıp soğutan ve gazı sıvı hale dönüştüren aletlerdir. Sıvının gaza dönüştüğü noktaya buharlaşma, tam tersine yoğuşma denir. Yüzey kondansatörü, bir su besleme cihazı içerdiği en yaygın kondenser türüdür. Aşağıdaki Şekil 5, iki geçişli bir yüzey yoğunlaştırıcısını göstermektedir.

Türbin çıkışındaki buhar basıncı, akış hızının çok yüksek olduğu yerlerde buhar yoğunluğunun çok düşük olduğu yerlerde düşüktür. Buharın türbinden yoğuşturucuya hareketinde basıncın düşmesini önlemek için yoğuşturucu ünitesi türbinin altına yerleştirilerek türbine bağlanır. Boruların içinde soğutma suyu paralel bir şekilde akar, buhar ise üstteki geniş açıklıktan dikey olarak aşağı doğru hareket eder ve borunun içinden geçer. Ayrıca, kazanlar, ısı eşanjörlerinin ilk uygulaması olarak sınıflandırılır. Buhar jeneratörü kelimesi, yanma ürünlerinden ziyade bir sıcak sıvı akışının ısı kaynağı olduğu bir kazan ünitesini tanımlamak için düzenli olarak kullanılmıştır. Boyutlara ve konfigürasyonlara bağlı olarak kazanlar üretilmektedir. Bazı kazanlar sadece sıcak akışkan üretebilmekte, diğerleri ise buhar üretimi için üretilmektedir.

Kabuk ve borulu ısı eşanjörü

Bir kabuk ve borulu ısı eşanjörü

Kabuk ve borulu ısı eşanjörleri, ısıtılması veya soğutulması gereken sıvı içeren bir dizi borudan oluşur. İkinci bir sıvı, ısıtılan veya soğutulan boruların üzerinden geçer, böylece gerekli ısıyı sağlayabilir veya ısıyı emebilir. Bir dizi boruya boru demeti denir ve birkaç boru tipinden oluşabilir: düz, uzunlamasına kanatlı, vb. Kabuk ve borulu ısı eşanjörleri tipik olarak yüksek basınçlı uygulamalar için kullanılır (30 bar'dan yüksek basınçlar ve daha yüksek sıcaklıklar ile). 260 °C'den fazla). Bunun nedeni, kabuk ve borulu ısı eşanjörlerinin şekillerinden dolayı sağlam olmalarıdır.
Gövde ve borulu ısı eşanjörlerinde borular tasarlanırken birkaç termal tasarım özelliği göz önünde bulundurulmalıdır: Kabuk ve boru tasarımında birçok varyasyon olabilir. Tipik olarak, her bir tüpün uçları, tüp levhalardaki delikler yoluyla plenumlara (bazen su kutuları olarak adlandırılır) bağlanır. Tüpler, U-tüpler olarak adlandırılan U şeklinde düz veya bükülmüş olabilir.

  • Tüp çapı: Küçük bir boru çapı kullanmak, ısı eşanjörünü hem ekonomik hem de kompakt hale getirir. Bununla birlikte, ısı eşanjörünün daha hızlı kirlenmesi daha olasıdır ve küçük boyut, kirlenmenin mekanik olarak temizlenmesini zorlaştırır. Kirlenme ve temizleme sorunlarının üstesinden gelmek için daha büyük boru çapları kullanılabilir. Bu nedenle boru çapını belirlemek için sıvıların mevcut alanı, maliyeti ve kirlilik niteliği göz önünde bulundurulmalıdır.
  • Tüp kalınlığı: Tüplerin duvarının kalınlığı genellikle aşağıdakileri sağlamak için belirlenir:
    • Korozyon için yeterli alan var
    • Bu akış kaynaklı titreşimin direnci vardır
    • eksenel mukavemet
    • Yedek parçaların mevcudiyeti
    • Çember gücü (iç boru basıncına dayanacak şekilde)
    • Burkulma mukavemeti (kabuktaki aşırı basınca dayanmak için)
  • Boru uzunluğu: Isı eşanjörleri, daha küçük bir gövde çapına ve daha uzun bir boru uzunluğuna sahip olduklarında genellikle daha ucuzdur. Bu nedenle, tipik olarak, ısı eşanjörünü, üretim kapasitelerini aşmadan fiziksel olarak mümkün olduğu kadar uzun yapma amacı vardır. Bununla birlikte, kurulum sahasında mevcut alan ve boruların gerekli uzunluğun iki katı uzunlukta (böylece çekilip değiştirilebilmeleri için) temin edilmesi ihtiyacı da dahil olmak üzere, bunun için birçok sınırlama vardır. Ayrıca uzun, ince tüplerin çıkarılması ve değiştirilmesi zordur.
  • Boru hatvesi: boruları tasarlarken, boru hatvesinin (yani bitişik boruların merkez-merkez mesafesi) boruların dış çapının 1,25 katından az olmamasını sağlamak pratiktir. Daha büyük bir boru aralığı, daha büyük bir genel kabuk çapına yol açar, bu da daha pahalı bir ısı eşanjörüne yol açar.
  • Boru ondülasyonu: Esas olarak iç borular için kullanılan bu tip borular, akışkanların türbülansını arttırır ve daha iyi bir performans veren ısı transferinde etkisi çok önemlidir.
  • Tüp Düzeni: tüplerin kabuk içinde nasıl konumlandırıldığını ifade eder. Üçgen (30°), döndürülmüş üçgen (60°), kare (90°) ve döndürülmüş kare (45°) olmak üzere dört ana boru düzeni türü vardır. Üçgen desenler, akışkanı boru çevresinde daha türbülanslı bir şekilde akmaya zorladıkları için daha fazla ısı transferi sağlamak için kullanılır. Yüksek kirlenmenin yaşandığı ve temizliğin daha düzenli olduğu yerlerde kare desenler kullanılır.
  • Bölme Tasarımı: bölmeler , sıvıyı boru demeti boyunca yönlendirmek için gövde ve borulu ısı eşanjörlerinde kullanılır. Kabuğa dik olarak uzanırlar ve demeti tutarlar, boruların uzun bir süre boyunca sarkmasını önlerler. Ayrıca tüplerin titreşmesini de önleyebilirler. En yaygın bölme tipi, segmental bölmedir. Yarım daire biçimli segmental bölmeler, sıvıyı tüp demeti arasında yukarı ve aşağı doğru akmaya zorlayan bitişik bölmelere 180 derecelik bir açıyla yönlendirilir. Gövde ve borulu ısı eşanjörleri tasarlanırken bölme aralığı büyük termodinamik endişe kaynağıdır. Bölmeler, basınç düşüşü ve ısı transferinin dönüşümü göz önünde bulundurularak yerleştirilmelidir. Termo ekonomik optimizasyon için, bölmelerin, kabuğun iç çapının %20'sinden daha yakın aralıklı olmaması önerilir. Çok yakın aralıklı bölmelere sahip olmak, akışın yeniden yönlendirilmesi nedeniyle daha büyük bir basınç düşüşüne neden olur. Sonuç olarak, bölmelerin birbirinden çok uzak olması, bölmeler arasındaki köşelerde daha soğuk noktalar olabileceği anlamına gelir. Bölmelerin, tüplerin sarkmayacağı kadar yakın yerleştirildiğinden emin olmak da önemlidir. Diğer ana bölme tipi, iki eş merkezli bölmeden oluşan disk ve halka bölmedir. Dış, daha geniş bölme bir çörek gibi görünürken, iç bölme bir disk şeklindedir. Bu tür bölme, sıvıyı diskin her iki yanından geçmeye zorlar, ardından farklı türde bir sıvı akışı oluşturan halka bölme içinden geçer.
  • Tüpler ve kanatçıklar Tasarım: Kabuk ve tüp teknolojisi ile havayı soğutmak için uygulamada ( yanmalı motorlar için ara soğutucu / şarj havası soğutucusu gibi ), hava ve soğuk akışkan arasındaki ısı transferindeki fark, daha fazla ihtiyaç duyulacak şekilde olabilir. hava tarafında ısı transfer alanı. Bu işlev için, hava tarafında ısı transfer alanını artırmak ve bir boru ve kanat konfigürasyonu oluşturmak için borulara kanatçıklar eklenebilir.

Özellikle denizcilik ve zorlu uygulamalar için uygun olan sabit borulu sıvı soğutmalı ısı eşanjörleri, pirinç kabuklar, bakır borular, pirinç bölmeler ve dövme pirinç entegre uç göbekleri ile birleştirilebilir. (Bakınız: Isı eşanjörlerinde bakır ).

Bir plaka ve çerçeve ısı eşanjörünün kavramsal diyagramı.
Tek plakalı ısı eşanjörü
Bir yüzme havuzu sistemine doğrudan uygulanan değiştirilebilir bir plakalı ısı eşanjörü

Plakalı ısı eşanjörleri

Diğer bir ısı değiştirici türü ise plakalı ısı değiştiricidir . Bu eşanjörler, ısı transferi için çok geniş yüzey alanlarına ve küçük akışkan akış geçitlerine sahip olan çok sayıda ince, hafifçe ayrılmış plakalardan oluşur. Conta ve lehim teknolojisindeki gelişmeler , plakalı ısı eşanjörünü giderek daha pratik hale getirdi. Gelen HVAC uygulamaları, bu tür büyük ısı değiştiricileri olarak adlandırılır plaka-çerçeve ; açık çevrimlerde kullanıldığında, bu ısı eşanjörleri, normal olarak, periyodik demontaj, temizlik ve incelemeye izin veren conta tipindedir. Daldırma lehimli, vakumlu lehimli ve kaynaklı plakalı çeşitleri gibi kalıcı olarak bağlanmış plakalı ısı eşanjörlerinin birçok türü vardır ve bunlar genellikle soğutma gibi kapalı devre uygulamalar için belirtilir . Plakalı ısı eşanjörleri ayrıca kullanılan plaka tiplerinde ve bu plakaların konfigürasyonlarında farklılık gösterir. Bazı plakalar, diğerlerinin işlenmiş kanatlara ve/veya yivlere sahip olabileceği yerlerde "chevron", çukurlu veya başka desenlerle damgalanmış olabilir.

Kabuk ve borulu eşanjörlerle karşılaştırıldığında, istiflenmiş plaka düzenlemesi tipik olarak daha düşük hacme ve maliyete sahiptir. İkisi arasındaki diğer bir fark, plakalı eşanjörlerin, kabuk ve borunun orta ve yüksek basınçlarına kıyasla tipik olarak düşük ila orta basınçlı sıvılara hizmet etmesidir. Üçüncü ve önemli bir fark, plakalı eşanjörlerin, daha düşük yaklaşma sıcaklık farklılıklarına, yüksek sıcaklık değişikliklerine ve artan verimliliğe izin veren çapraz akım akışı yerine daha fazla karşı akım akışı kullanmasıdır.

Plakalı ve kabuklu ısı eşanjörü

Üçüncü tip bir ısı eşanjörü, plakalı ısı eşanjörünü gövde ve borulu ısı eşanjörü teknolojileriyle birleştiren bir plakalı ve gövdeli ısı eşanjörüdür. Isı eşanjörünün kalbi, yuvarlak plakaların preslenmesi ve kesilmesi ve bunların birbirine kaynaklanmasıyla yapılan tamamen kaynaklı dairesel bir plaka paketi içerir. Nozullar, akışı plaka paketinin içine ve dışına taşır ('Plaka tarafı' akış yolu). Tamamen kaynaklı plaka paketi, ikinci bir akış yolu ('Kabuk tarafı') oluşturan bir dış kabuğa monte edilir. Plaka ve kabuk teknolojisi, yüksek ısı transferi, yüksek basınç, yüksek çalışma sıcaklığı , kompakt boyut, düşük kirlenme ve yakın yaklaşma sıcaklığı sunar. Özellikle tamamen contasızdır, bu da yüksek basınç ve sıcaklıklarda sızıntılara karşı güvenlik sağlar.

Adyabatik tekerlek ısı eşanjörü

Dördüncü tip bir ısı eşanjörü, ısıyı tutmak için bir ara akışkan veya katı depo kullanır, bu daha sonra serbest bırakılmak üzere ısı eşanjörünün diğer tarafına taşınır. Buna iki örnek, sıcak ve soğuk akışkanlar ve akışkan ısı eşanjörleri arasında dönen ince dişlere sahip büyük bir çarktan oluşan adyabatik çarklardır.

Plaka kanatlı ısı eşanjörü

Bu tip ısı eşanjörü, ünitenin etkinliğini artırmak için kanatlar içeren "sandviç" geçitler kullanır. Tasarımlar, düz kanatçıklar, ofset kanatçıklar ve dalgalı kanatçıklar gibi çeşitli kanat konfigürasyonlarıyla birleştirilmiş çapraz akış ve karşı akış içerir.

Plakalı ve kanatlı ısı eşanjörleri genellikle yüksek ısı transfer verimliliği sağlayan alüminyum alaşımlarından yapılır. Malzeme, sistemin daha düşük bir sıcaklık farkıyla çalışmasını ve ekipmanın ağırlığını azaltmasını sağlar. Plakalı ve kanatlı ısı eşanjörleri daha çok doğal gaz, helyum ve oksijen sıvılaştırma tesisleri, hava ayırma tesisleri gibi düşük sıcaklıklı hizmetlerde ve motor ve uçak motorları gibi ulaşım endüstrilerinde kullanılmaktadır .

Plakalı ve kanatlı ısı eşanjörlerinin avantajları:

  • Özellikle gaz arıtımında yüksek ısı transfer verimliliği
  • Daha büyük ısı transfer alanı
  • Gövde ve borulu ısı eşanjöründen yaklaşık 5 kat daha hafiftir.
  • Yüksek basınca dayanabilir

Plakalı ve kanatlı ısı eşanjörlerinin dezavantajları:

  • Yollar çok dar olduğu için tıkanmaya neden olabilir
  • Yolları temizlemek zor
  • Alüminyum alaşımları Cıva Sıvı Kırılganlık Arızasına karşı hassastır

Kanatlı borulu ısı eşanjörü

Tüp tabanlı bir ısı eşanjöründe kanatların kullanımı, çalışma sıvılarından biri düşük basınçlı bir gaz olduğunda yaygındır ve otomotiv radyatörleri ve HVAC hava kondansatörleri gibi ortam havasını kullanarak çalışan ısı eşanjörleri için tipiktir . Kanatlar, ısının değiştirilebileceği yüzey alanını önemli ölçüde artırır , bu da hava gibi çok düşük termal iletkenliğe sahip bir sıvıya ısı iletme verimliliğini artırır . Kanatlar, genellikle çok ince olan kanatçıkların uzunluğu boyunca borudan ısı iletmeleri gerektiğinden, tipik olarak alüminyum veya bakırdan yapılır.

Kanatlı borulu eşanjörlerin ana yapım türleri şunlardır:

  • Eşit aralıklı metal plakalardan oluşan bir yığın, kanatçık görevi görür ve borular, kanatçıklardaki önceden açılmış deliklerden preslenir, genellikle boru çevresindeki kanatçıkların deformasyonu ile iyi bir termal temas sağlanır. Bu, HVAC hava bobinleri ve büyük soğutma kondansatörleri için tipik bir yapıdır .
  • Kanatlar, sürekli bir şerit olarak tek tek tüplere spiral olarak sarılır, tüpler daha sonra sıralarda birleştirilebilir, serpantin bir modelde bükülebilir veya büyük spiraller halinde sarılabilir.
  • Zig-zag metal şeritler, iyi termal ve mekanik mukavemet için genellikle lehimlenen veya lehimlenen düz dikdörtgen borular arasına sıkıştırılır . Bu, su soğutmalı radyatörler gibi düşük basınçlı ısı eşanjörlerinde yaygındır . Normal düz borular, yüksek basınçlara maruz kaldıklarında genişler ve deforme olurlar, ancak düz mikro kanallı borular, bu yapının yüksek basınçlar için kullanılmasına izin verir.

Bir gaza yüksek verimli termal transfer gerektiğinde, gövde borulu ısı eşanjörlerinin içindeki borular için yığılmış kanatlı veya spiral sargılı yapı kullanılabilir. Kanatlı boru teknolojisini gövde ve boru ile birleştirmek, verimlilik kaybı olmadan çok daha kompakt bir ısı eşanjörü oluşturabilir.

Elektronik soğutmada, ısı alıcılar , özellikle ısı boruları kullananlar , yığılmış kanatlı bir yapıya sahip olabilir.

Yastık plakalı eşanjör

Süt endüstrisinde, büyük doğrudan genleşmeli paslanmaz çelik dökme tanklarda sütü soğutmak için yaygın olarak bir yastık plakalı ısı eşanjörü kullanılır . Bir tankın neredeyse tüm yüzey alanı, tankın dışına kaynaklı borular arasında oluşacak boşluklar olmadan bu ısı eşanjörü ile entegre edilebilir. Yastık plakaları, istiflerde kullanılmak üzere düz plakalar olarak da yapılabilir. Plakaların nispeten düz yüzeyi, özellikle steril uygulamalarda kolay temizlik sağlar.

Yastık plakası, daha kalın bir metal levhanın yüzeyine nokta kaynaklı ince bir metal levha kullanılarak yapılmıştır. İnce plaka, düzenli bir nokta düzeninde veya serpantin bir kaynak çizgileri düzeninde kaynaklanır. Kaynaktan sonra, kapalı alan, ince metalin kaynakların etrafından dışarı çıkmasına neden olmak için yeterli kuvvetle basınçlandırılır, ısı eşanjör sıvılarının akması için bir boşluk sağlar ve metalden oluşturulmuş şişmiş bir yastığın karakteristik bir görünümünü yaratır.

Atık ısı geri kazanım üniteleri

Bir atık ısı geri kazanım ünitesi (WHRU) tipik olarak, bir çalışma ortamı olarak su ya da yağ aktarılması kurtarır bir sıcak gaz akımından ısı bir ısı değiştiricisidir. Sıcak gaz akımı, bir gaz türbininden veya bir dizel motordan çıkan egzoz gazı veya endüstri veya rafineriden gelen atık gaz olabilir.

Endüstride tipik olan yüksek hacimli ve sıcaklıkta gaz akışlarına sahip büyük sistemler , bir atık ısı geri kazanım ünitesinde buhar Rankine çevriminden (SRC) yararlanabilir , ancak bu çevrimler küçük sistemler için çok pahalıdır. Düşük sıcaklıklı sistemlerden ısının geri kazanılması, buhardan farklı çalışma sıvıları gerektirir.

Organik Rankine çevrimi (ORC) atık ısı geri kazanım ünitesi, sudan daha düşük sıcaklıklarda kaynayan soğutucu akışkanlar kullanarak düşük sıcaklık aralığında daha verimli olabilir . Tipik organik soğutucular amonyak , pentafloropropan (R-245fa ve R-245ca) ve toluendir .

Soğutucu akışkan, aşırı ısıtılmış buhar üretmek için evaporatördeki ısı kaynağı tarafından kaynatılır . Bu akışkan türbinde genleşerek termal enerjiyi kinetik enerjiye dönüştürür, bu da elektrik jeneratöründe elektriğe dönüştürülür. Bu enerji transfer işlemi, sırayla yoğunlaşan soğutucu akışkanın sıcaklığını düşürür. Döngü kapatılır ve sıvıyı evaporatöre geri göndermek için bir pompa kullanılarak tamamlanır.

Dinamik kazınmış yüzey ısı eşanjörü

Diğer bir ısı değiştirici tipi ise " (dinamik) kazınmış yüzeyli ısı değiştirici " olarak adlandırılır. Bu, esas olarak yüksek viskoziteli ürünler, kristalizasyon süreçleri, buharlaştırma ve yüksek kirlilik uygulamaları ile ısıtma veya soğutma için kullanılır . Yüzeyin sürekli kazınması nedeniyle uzun çalışma süreleri elde edilir, böylece işlem sırasında kirlenme önlenir ve sürdürülebilir bir ısı transfer hızı elde edilir.

Faz değişimli ısı eşanjörleri

Endüstriyel damıtma kuleleri için kullanılan tipik su ısıtıcısı yeniden kaynatıcı
Tipik su soğutmalı yüzey kondansatörü

Isıtmak ya da sadece tek akışkanları soğutma ek olarak faz , ısı eşanjörleri ısıtmak için kullanılabilir ve bu şekilde , sıvı buharlaştırılmak için (veya kaynatma) ya da kullanılan kondansatörler bir soğumaya buhar ve yoğunlaştırılması , bir sıvı için. Gelen Kimyasal bitkiler ve rafineri , reboilers , gelen besleme ısıtmak için kullanılan damıtma kuleleri genellikle ısı eşanjörleri edilir.

Damıtma kurulumları tipik olarak damıtılmış buharları tekrar sıvıya yoğunlaştırmak için yoğunlaştırıcılar kullanır.

Enerji santralleri kullanımı o buhar -Bunlardan türbinleri yaygın kaynatma için ısı sağlayıcıları kullanır suya içine buhar . Sudan buhar üretmek için ısı eşanjörleri veya benzeri birimlere genellikle kazanlar veya buhar jeneratörleri denir .

Basınçlı su reaktörleri olarak adlandırılan nükleer santrallerde , özel büyük ısı eşanjörleri, birincil (reaktör tesisi) sistemden ısıyı ikincil (buhar santrali) sisteme geçirerek proseste sudan buhar üretir. Bunlara buhar jeneratörleri denir . Buharla çalışan türbinleri kullanan tüm fosil yakıtlı ve nükleer enerji santrallerinde , türbinlerden çıkan egzoz buharını yeniden kullanım için kondensat (su) haline dönüştürmek için yüzey kondansatörleri bulunur .

Kimyasal ve diğer tesislerde enerji ve soğutma kapasitesini korumak için , rejeneratif ısı eşanjörleri, soğutulması gereken bir akıştan, distilat soğutma ve yeniden kaynatıcı besleme ön ısıtması gibi ısıtılması gereken başka bir akışa ısı aktarabilir.

Bu terim, yapısında faz değişikliği olan bir malzeme içeren ısı eşanjörlerini de ifade edebilir. Bu durumlar arasındaki küçük hacim farkı nedeniyle bu genellikle katıdan sıvıya bir fazdır. Bu faz değişimi, sabit bir sıcaklıkta meydana geldiği için etkili bir şekilde bir tampon görevi görür, ancak yine de ısı eşanjörünün ilave ısı kabul etmesine izin verir. Bunun araştırıldığı bir örnek, yüksek güçlü uçak elektroniğinde kullanım içindir.

Çok fazlı akış rejimlerinde çalışan ısı eşanjörleri, Ledinegg kararsızlığına tabi olabilir .

Doğrudan temaslı ısı eşanjörleri

Doğrudan temaslı ısı eşanjörleri, bir ayırma duvarının yokluğunda iki fazın sıcak ve soğuk akımları arasında ısı transferini içerir. Böylece, bu tür ısı eşanjörleri şu şekilde sınıflandırılabilir:

  • Gaz – sıvı
  • Karışmayan sıvı – sıvı
  • Katı-sıvı veya katı – gaz

Çoğu doğrudan temaslı ısı eşanjörü, ısının bir gaz ve sıvı arasında damlalar, filmler veya spreyler şeklinde aktarıldığı Gaz – Sıvı kategorisine girer.

Bu tip ısı eşanjörleri ağırlıklı olarak iklimlendirme , nemlendirme , endüstriyel sıcak su ısıtma, su soğutma ve yoğuşma tesislerinde kullanılmaktadır.

Aşamalar Sürekli faz itici güç Faz değişikliği Örnekler
Gaz – Sıvı Gaz Yerçekimi Numara Sprey kolonları, paketlenmiş kolonlar
Evet Soğutma kuleleri , düşen damlacık buharlaştırıcılar
Zoraki Numara Sprey soğutucular/söndürücüler
sıvı akışı Evet Sprey yoğunlaştırıcılar/buharlaştırma, jet yoğunlaştırıcılar
Sıvı Yerçekimi Numara Kabarcık sütunları , delikli tepsi sütunları
Evet Kabarcık kolonlu kondansatörler
Zoraki Numara gaz spargerleri
Gaz akışı Evet Doğrudan temaslı evaporatörler, daldırılmış yanma

Mikro kanallı ısı eşanjörleri

Mikrokanallı ısı eşanjörleri, üç ana elemandan oluşan çok geçişli paralel akışlı ısı eşanjörleridir: manifoldlar (giriş ve çıkış), hidrolik çapları 1 mm'den küçük çok portlu borular ve kanatçıklar. Tüm elemanlar genellikle kontrol edilebilir atmosfer lehimleme işlemi kullanılarak birlikte lehimlenmiştir. Mikro kanallı ısı eşanjörleri, kanatlı borulu ısı eşanjörlerine kıyasla yüksek ısı transfer oranı, düşük soğutucu akışkan şarjı, kompakt boyut ve daha düşük hava tarafı basınç düşüşleri ile karakterize edilir. Mikrokanallı ısı eşanjörleri, otomotiv endüstrisinde araba radyatörleri olarak ve HVAC endüstrisinde kondenser, evaporatör ve soğutma/ısıtma bobinleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadır.

Mikro ısı eşanjörleri, Mikro ölçekli ısı eşanjörleri veya mikro yapılı ısı eşanjörleri , tipik boyutları 1 mm'nin altında olan (en az bir) sıvının yanal sınırlar içinde aktığı ısı eşanjörleridir . Bu tür en tipik sınırlama, 1 mm'nin altında hidrolik çapa sahip kanallar olan mikrokanallardır . Mikrokanallı ısı eşanjörleri metal veya seramikten yapılabilir. Mikrokanallı ısı eşanjörleri, aşağıdakiler dahil birçok uygulama için kullanılabilir:

HVAC ve soğutma hava bobinleri

Isı eşanjörlerinin en geniş kullanım alanlarından biri soğutma ve iklimlendirme içindir . Bu ısı eşanjörleri sınıfına genellikle hava bobinleri veya genellikle serpantinli iç boruları nedeniyle bobinler veya soğutma durumunda kondansatörler denir ve tipik olarak kanatlı boru tipindedir. Sıvıdan havaya veya havadan sıvıya HVAC bobinleri tipik olarak değiştirilmiş çapraz akış düzenlemesine sahiptir. Araçlarda, ısı bobinlerine genellikle ısıtıcı göbekler denir .

Bu ısı eşanjörlerinin sıvı tarafında, ortak akışkanlar su, su-glikol çözeltisi, buhar veya bir soğutucudur . İçin bobinleri ısıtma , sıcak su ve buhar en yaygın ve bu ısıtılan akışkan tarafından temin edilir kazanları , örneğin. İçin soğutma bobinleri , soğutulmuş su ve soğutucu en yaygın olanlarıdır. Soğutulmuş su, potansiyel olarak çok uzakta bulunan bir soğutucudan sağlanır , ancak soğutucu yakındaki bir yoğuşma ünitesinden gelmelidir. Bir soğutucu kullanıldığı zaman, soğutma bobini olduğu buharlaştırıcı ve ısıtma bobini olan kondansatör içinde buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi. Soğutucu akışkanların bu doğrudan genleşmesini kullanan HVAC bobinlerine genellikle DX bobinleri denir . Bazı DX bobinleri "mikro kanal" tipindedir.

HVAC bataryalarının hava tarafında, ısıtma için kullanılanlar ile soğutma için kullanılanlar arasında önemli bir fark vardır. Psikrometrikler nedeniyle , soğutulan hava, aşırı kuru hava akışları dışında, genellikle nem yoğuşmasına sahiptir. Bir miktar havayı ısıtmak, hava akışının su tutma kapasitesini artırır. Bu nedenle, ısıtma serpantinlerinin hava tarafında nem yoğunlaşmasını dikkate almasına gerek yoktur, ancak soğutma serpantinleri , kendi özel gizli (nem) ve aynı zamanda duyulur (soğutma) yüklerini idare edecek şekilde uygun şekilde tasarlanmalı ve seçilmelidir . Çıkarılan suya kondensat denir .

Birçok iklim için su veya buhar HVAC bataryaları donma koşullarına maruz kalabilir. Su donma üzerine genleştiği için, bu biraz pahalı ve değiştirilmesi zor olan ince duvarlı ısı eşanjörleri tek bir donma ile kolayca hasar görebilir veya yok edilebilir. Bu nedenle, bobinlerin donmaya karşı korunması, HVAC tasarımcıları, montajcıları ve operatörleri için büyük bir endişe kaynağıdır.

Isı değişim kanatları içine yerleştirilen girintilerin eklenmesi, yoğunlaşmayı kontrol ederek su moleküllerinin soğutulmuş havada kalmasına izin verir.

Birçok konutta tipik olan doğrudan yanmalı fırınlardaki ısı eşanjörleri 'bobin' değildir. Bunun yerine, tipik olarak damgalı çelik sacdan yapılmış gazdan havaya ısı eşanjörleridir. Bu ısı eşanjörlerinin bir tarafında yanma ürünleri, diğer tarafında ise havayı ısıtmak için geçer. Bu nedenle, çatlamış bir ısı eşanjörü , yanma ürünleri yaşam alanına girebileceğinden acil müdahale gerektiren tehlikeli bir durumdur.

Helisel bobinli ısı eşanjörleri

Bir kabuk, çekirdek ve borulardan oluşan Helisel-Bobinli Eşanjör taslağı ( Scott S. Haraburda tasarımı).

Çift borulu ısı eşanjörleri tasarımı en basit olmasına rağmen, aşağıdaki durumlarda daha iyi seçim helisel bobinli ısı eşanjörü (HCHE) olacaktır:

  • HCHE'nin Spiral ısı eşanjörü (SHE) için olduğu gibi ana avantajı, özellikle sınırlı olduğunda ve yeterli düz boru döşenemediğinde, yüksek verimli alan kullanımıdır.
  • Tipik gövde borulu eşanjörlerin düşük ısı transfer katsayılarına sahip olduğu ve ekonomik olmadığı için düşük akış hızları (veya laminer akış ) koşulları altında .
  • Akışkanlardan birinde düşük basınç olduğunda, genellikle diğer proses ekipmanında biriken basınç düşüşlerinden kaynaklanır.
  • Akışkanlardan biri, küçük çaplı tüplerin tıkanması gibi işlemler sırasında mekanik problemler yaratma eğiliminde olan birden fazla fazda (katılar, sıvılar ve gazlar) bileşenlere sahip olduğunda. Bu çok fazlı akışkanlar için sarmal bobinlerin temizlenmesi, kabuk ve boru muadilinden daha zor olabilir; ancak helisel bobin ünitesi daha az sıklıkta temizlik gerektirecektir.

Bunlar nükleer endüstride, 1970'lerin başlarından beri, Charles E. Boardman ve John H. Germer tarafından icat edilen bir HCHE cihazı kullanılarak, büyük sıvı metal hızlı çoğaltıcı reaktörler için bir sodyum sisteminde ısı değişimi için bir yöntem olarak kullanılmıştır . Kullanmak gibi imalat sanayi, her türlü HCHE tasarlamak için birkaç basit yöntemi vardır Ramachandra K. Patil (vd.) Den yöntem Hindistan ve Scott S. Haraburda gelen yöntem ABD'de .

Ancak bunlar, iç ısı transfer katsayısını tahmin etme, bobinin dışındaki akışı tahmin etme ve sabit ısı akışı varsayımlarına dayanmaktadır.

Spiral ısı eşanjörleri

Spiral bir ısı eşanjörünün şematik çizimi.

Tipik HCHE'nin dikey akışındaki bir değişiklik, kabuğun başka bir sarmal boru ile değiştirilmesini içerir, bu da iki sıvının birbirine paralel akmasına izin verir ve bu, farklı tasarım hesaplamalarının kullanılmasını gerektirir. Bunlar, sarmal (sarmal) bir boru konfigürasyonuna atıfta bulunabilen Spiral Isı Değiştiricilerdir (SHE), daha genel olarak, terim, bir karşı akış düzenlemesinde iki kanalı oluşturmak üzere sarılmış bir çift düz yüzey anlamına gelir. İki kanalın her birinin bir uzun kavisli yolu vardır. Bir çift akışkan portu , spiralin dış kollarına teğetsel olarak bağlanmıştır ve eksenel portlar yaygındır, ancak isteğe bağlıdır.

SHE'nin ana avantajı, yüksek verimli alan kullanımıdır. Bu özellik, ısı eşanjörü tasarımındaki iyi bilinen ödünleşimlere göre, performansta başka iyileştirmeler elde etmek için sıklıkla kullanılır ve kısmen yeniden tahsis edilir. (Önemli bir değiş tokuş, sermaye maliyetine karşı işletme maliyetidir.) Daha küçük bir ayak izine sahip olmak ve böylece her yönden daha düşük sermaye maliyetlerine sahip olmak için kompakt bir SHE kullanılabilir veya daha az basınç düşüşü, daha az pompalama enerjisi , daha yüksek olması için büyük boyutlu bir SHE kullanılabilir. termal verimlilik ve daha düşük enerji maliyetleri.

Yapı

Sarmal kanallardaki saclar arasındaki mesafe, haddelemeden önce kaynaklanmış aralama saplamaları kullanılarak korunur. Ana spiral paket yuvarlandıktan sonra, alternatif üst ve alt kenarlar kaynaklanır ve her bir uç, gövdeye cıvatalı contalı düz veya konik bir kapakla kapatılır. Bu, iki sıvının karışmamasını sağlar. Herhangi bir sızıntı, çevre kapağından atmosfere veya aynı sıvıyı içeren bir geçittendir.

kendi kendini temizleme

Spiral ısı eşanjörleri genellikle katı içeren sıvıların ısıtılmasında kullanılır ve bu nedenle ısı eşanjörünün içini kirletme eğilimindedir. Düşük basınç düşüşü, SHE'nin kirlenmeyi daha kolay ele almasını sağlar. Ve bunun sonucunda artan kirlenmiş yüzeyler sıvı hızı belli bir bölümünde artışa sebep sağlayan bir “kendi kendini temizleyen” mekanizması kullanır sürükle (veya sıvı sürtünme dolayısıyla mermiyi ve temiz eşanjör tutmaya yardımcı kirlenmiş yüzeyde). "Isı transfer yüzeyini oluşturan iç duvarlar genellikle oldukça kalındır, bu da SHE'yi çok sağlam kılar ve zorlu ortamlarda uzun süre dayanabilir." Ayrıca kolayca temizlenebilirler ve herhangi bir pislik birikiminin basınçlı yıkama ile giderilebileceği bir fırın gibi açılırlar .

Kendi kendini temizleyen su filtreleri, kartuşları ve torbaları kapatmaya veya değiştirmeye gerek kalmadan sistemi temiz ve çalışır durumda tutmak için kullanılır.

Akış düzenlemeleri

Bir eş-akım ve bir karşı-akım akış değişim sisteminin operasyonları ve etkileri arasındaki bir karşılaştırma, sırasıyla üst ve alt diyagramlarda gösterilmektedir. Her ikisinde de kırmızının maviden daha yüksek bir değere (örneğin sıcaklık) sahip olduğu ve bu nedenle kanallarda taşınan özelliğin kırmızıdan maviye aktığı varsayılır (ve belirtilir). Etkili bir değişim gerçekleşecekse kanalların bitişik olduğuna dikkat edin (yani kanallar arasında boşluk olamaz).

Spiral bir ısı eşanjöründe üç ana akış türü vardır:

  • Karşı Akım Akışı : Akışkanlar zıt yönlerde akar. Bunlar sıvı-sıvı, yoğuşma ve gaz soğutma uygulamaları için kullanılır. Üniteler genellikle buharı yoğunlaştırırken dikey olarak monte edilir ve yüksek konsantrasyonlarda katı madde işlerken yatay olarak monte edilir.
  • Spiral Akış/Çapraz Akış: Bir akışkan spiral akışta, diğeri çapraz akıştadır. Bu tip spiral ısı eşanjörü için spiral akış geçitleri her iki tarafa kaynaklanmıştır. Bu tür akış, çapraz akıştan geçen ve basınç kaybını önleyen düşük yoğunluklu gazın taşınması için uygundur. Bir sıvının diğerinden çok daha büyük bir akış hızına sahip olması durumunda sıvı-sıvı uygulamaları için kullanılabilir.
  • Dağıtılmış Buhar/Spiral akış: Bu tasarım bir kondansatör tasarımıdır ve genellikle dikey olarak monte edilir. Hem yoğuşma suyunun hem de yoğuşmasız maddelerin aşırı soğutulmasını sağlamak için tasarlanmıştır. Soğutucu bir spiral içinde hareket eder ve üst kısımdan çıkar. Alt çıkıştan kondensat olarak ayrılan sıcak gazlar.

Uygulamalar

Spiral ısı eşanjörü, pastörizasyon, çürütücü ısıtması, ısı geri kazanımı, ön ısıtma (bakınız: reküperatör ) ve atık soğutma gibi uygulamalar için iyidir . Çamur arıtımı için, SHE'ler genellikle diğer tip ısı eşanjörlerinden daha küçüktür. Bunlar ısıyı aktarmak için kullanılır.

seçim

Dahil olan birçok değişken nedeniyle, optimum ısı eşanjörlerini seçmek zordur. Elle hesaplamalar mümkündür, ancak tipik olarak birçok yineleme gereklidir. Bu nedenle, ısı eşanjörleri genellikle bilgisayar programları aracılığıyla, genellikle mühendis olan sistem tasarımcıları veya ekipman satıcıları tarafından seçilir .

Uygun bir ısı eşanjörü seçmek için, sistem tasarımcıları (veya ekipman satıcıları) öncelikle her bir ısı eşanjörü tipi için tasarım sınırlamalarını dikkate alacaktır. Maliyet genellikle birincil kriter olsa da, diğer birkaç seçim kriteri de önemlidir:

  • Yüksek/düşük basınç limitleri
  • Termal performans
  • Sıcaklık aralıkları
  • Ürün karışımı (sıvı/sıvı, partiküller veya yüksek katılı sıvı)
  • Eşanjör boyunca basınç düşer
  • Akışkan akış kapasitesi
  • Temizlenebilirlik, bakım ve onarım
  • İnşaat için gerekli malzemeler
  • Gelecekteki genişleme yeteneği ve kolaylığı
  • Bakır , alüminyum , karbon çeliği , paslanmaz çelik , nikel alaşımları , seramik , polimer ve titanyum gibi malzeme seçimi .

Küçük çaplı serpantin teknolojileri, modern klima ve soğutma sistemlerinde daha popüler hale geliyor çünkü HVAC endüstrisinde standart olan yuvarlak bakır borulu ve alüminyum veya bakır kanatlı geleneksel boyutlu kondenser ve evaporatör serpantinlerinden daha iyi ısı transferi oranlarına sahipler. Küçük çaplı serpantinler, yeni nesil çevre dostu soğutucu akışkanların gerektirdiği daha yüksek basınçlara dayanabilir. Klima ve soğutma ürünleri için şu anda iki küçük çaplı bobin teknolojisi mevcuttur: bakır mikro oluk ve lehimli alüminyum mikro kanal .

Doğru ısı eşanjörünü (HX) seçmek, farklı eşanjör türleri ve ünitenin çalışması gereken ortam hakkında biraz bilgi sahibi olmayı gerektirir. Tipik olarak imalat endüstrisinde, nihai ürünü elde etmek için sadece bir işlem veya sistem için birkaç farklı tipte ısı eşanjörü kullanılır. Örneğin, ön ısıtma için bir su ısıtıcısı HX, 'taşıyıcı' sıvı için çift borulu bir HX ve son soğutma için bir plaka ve çerçeve HX. Isı eşanjörü tipleri ve çalışma gereksinimleri hakkında yeterli bilgi ile prosesi optimize etmek için uygun bir seçim yapılabilir.

İzleme ve bakım

Ticari ısı eşanjörlerinin çevrimiçi izlenmesi, genel ısı aktarım katsayısı izlenerek yapılır. Toplam ısı transfer katsayısı, kirlenme nedeniyle zamanla düşme eğilimindedir.

Eşanjör akış hızlarından ve sıcaklıklardan genel ısı transfer katsayısını periyodik olarak hesaplayarak, ısı eşanjörünün sahibi, eşanjörün ne zaman temizlenmesinin ekonomik olarak cazip olduğunu tahmin edebilir.

Plakalı ve borulu ısı eşanjörünün bütünlük denetimi, iletkenlik veya helyum gazı yöntemleriyle yerinde test edilebilir. Bu yöntemler, herhangi bir çapraz kontaminasyonu ve contaların durumunu önlemek için plakaların veya tüplerin bütünlüğünü doğrular.

Isı eşanjörü borularının mekanik bütünlüğünün izlenmesi, girdap akımı testi gibi tahribatsız yöntemlerle gerçekleştirilebilir .

Kirlenme

Makro kirlilikle kirlenmiş bir buhar güç istasyonundaki bir ısı eşanjörü.

Kirlenme , kirlilikler ısı değişim yüzeyinde biriktiğinde meydana gelir. Bu safsızlıkların birikmesi, ısı transferinin etkinliğini zaman içinde önemli ölçüde azaltabilir ve aşağıdakilerden kaynaklanır:

  • Düşük duvar kesme gerilimi
  • Düşük sıvı hızları
  • Yüksek sıvı hızları
  • Reaksiyon ürünü katı çökeltme
  • Yüksek duvar sıcaklıkları nedeniyle çözünmüş safsızlıkların çökelmesi

Isı eşanjörünün kirlenme oranı, partikül birikimi oranı daha az yeniden sürüklenme/bastırma oranı ile belirlenir. Bu model ilk olarak 1959'da Kern ve Seaton tarafından önerildi.

Ham Petrol Eşanjörü Kirlenmesi . Ticari ham petrol rafinasyonunda ham petrol, damıtma kolonuna girmeden önce 21 °C'den (70 °F) 343 °C'ye (649 °F) ısıtılır. Bir dizi kabuk ve borulu ısı eşanjörü, bir fırında ısıtmadan önce ham petrolü 260 °C'ye (500 °F) kadar ısıtmak için tipik olarak ham petrol ve diğer petrol akışları arasında ısı alışverişi yapar. Asfaltenin çözünmezliği nedeniyle bu eşanjörlerin ham tarafında kirlenme meydana gelir. Ham petrolde asfalten çözünürlüğünün doğası, Wiehe ve Kennedy tarafından başarılı bir şekilde modellenmiştir. Ham ön ısıtma trenlerinde çözünmeyen asfaltenlerin çökelmesi, Kern ve Seaton'ın çalışmalarını genişleten Ebert ve Panchal tarafından birinci dereceden bir reaksiyon olarak başarılı bir şekilde modellenmiştir.

Soğutma Suyu Kirlenmesi . Soğutma suyu sistemleri kirlenmeye karşı hassastır. Soğutma suyu tipik olarak yüksek bir toplam çözünmüş katı içeriğine ve askıda koloidal katılara sahiptir. Çözünmüş katıların lokalize çökelmesi, yığın sıvı sıcaklığından daha yüksek duvar sıcaklıkları nedeniyle ısı değişim yüzeyinde meydana gelir. Düşük akışkan hızları (3 ft/sn'den az), askıda katı maddelerin ısı değişim yüzeyinde çökmesine izin verir. Temizlemesi kolay olduğu için soğutma suyu tipik olarak bir kabuk ve borulu eşanjörün boru tarafındadır. Kirlenmeyi önlemek için tasarımcılar tipik olarak soğutma suyu hızının 0,9 m/s'den yüksek olmasını ve dökme sıvı sıcaklığının 60 °C'nin (140 °F) altında tutulmasını sağlar. Kirlenme kontrolünü kontrol etmeye yönelik diğer yaklaşımlar, biyositlerin ve kireç önleyici kimyasalların "kör" uygulamasını periyodik laboratuar testleri ile birleştirir.

Bakım onarım

Plakalı ve çerçeveli ısı eşanjörleri periyodik olarak sökülüp temizlenebilir. Borulu ısı eşanjörleri, asitle temizleme, kumlama , yüksek basınçlı su jeti , mermi temizleme veya matkap çubukları gibi yöntemlerle temizlenebilir .

Isı eşanjörleri için büyük ölçekli soğutma suyu sistemlerinde , ısı değişim ekipmanının kirlenmesini en aza indirmek için arıtma, kimyasalların eklenmesi ve test gibi su arıtma işlemleri kullanılır. Isı alışverişi ve diğer ekipmanların kirlenmesini ve korozyonunu en aza indirmek için enerji santralleri vb. için buhar sistemlerinde başka su arıtımı da kullanılır.

Çeşitli şirketler biyolojik kirlenmeyi önlemek için su kaynaklı salınım teknolojisini kullanmaya başlamıştır . Kimyasalların kullanımı olmadan, bu tür teknoloji, ısı eşanjörlerinde düşük basınç düşüşü sağlamaya yardımcı oldu.

Doğada

insanlar

İnsan burun pasajları, soğuk havanın solunması ve sıcak havanın solunması ile bir ısı eşanjörü görevi görür. Etkinliği, eli yüzün önüne koyup önce burundan sonra ağızdan nefes vererek gösterilebilir. Burundan solunan hava önemli ölçüde daha soğuktur. Bu etki, örneğin soğuk havada nefes alırken yüze bir eşarp takarak giysilerle güçlendirilebilir.

Dış testisleri olan türlerde (insanlar gibi), testise giden arter, pampiniform pleksus adı verilen bir damar ağı ile çevrilidir . Bu, testislere giden kanı soğuturken geri dönen kanı yeniden ısıtır.

Kuşlar, balıklar, deniz memelileri

Karşı akım değişim koruma devresi

Karşı akımlı ” ısı eşanjörleri, balıkların , balinaların ve diğer deniz memelilerinin dolaşım sisteminde doğal olarak meydana gelir . Deriye sıcak kan taşıyan atardamarlar, deriden soğuk kan taşıyan damarlarla iç içe geçerek sıcak atardamar kanının soğuk toplardamar kanıyla ısı alışverişi yapmasına neden olur. Bu, soğuk suda genel ısı kaybını azaltır. Ağızlarından büyük miktarda su aktığı için balenli balinaların dilinde de ısı eşanjörleri bulunur . Yürüyen kuşlar, vücutlarından bacakları yoluyla suya olan ısı kayıplarını sınırlamak için benzer bir sistem kullanır.

karotis rete

Karotis rete, bazı toynaklılarda ters akımlı bir ısı değişim organıdır . Beyne giden yolda karotid arterlerden yükselen kan , ısının burun pasajlarından inen daha soğuk kanın damarlarına boşaltıldığı bir damar ağı yoluyla akar. Karotid rete sağlar Thomson'ın ceylan beynine korumak için yaklaşık 3 ° C (5.4 ° F) vücudun geri kalan daha soğuk ve bu nedenle, outrunning ile ilişkili metabolik ısı üretimi tolere edebilen patlamaları yardımcıları çitalar vücut sıcaklığı aştığı sırasında ( beynin çalışabileceği maksimum sıcaklık).

Endüstride

Isı eşanjörleri, endüstride büyük ölçekli endüstriyel proseslerin hem soğutulması hem de ısıtılması için yaygın olarak kullanılmaktadır. Kullanılan ısı eşanjörünün tipi ve boyutu, akışkanın tipine, fazına, sıcaklığına, yoğunluğuna, viskozitesine, basıncına, kimyasal bileşimine ve diğer çeşitli termodinamik özelliklere bağlı olarak bir prosese uyacak şekilde uyarlanabilir.

Birçok endüstriyel proseste, enerji israfı veya tükenmekte olan bir ısı akışı vardır, bu ısıyı geri kazanmak ve proseste farklı bir akımı ısıtarak kullanıma sokmak için ısı eşanjörleri kullanılabilir. Bu uygulama, ısı eşanjörlerinden diğer akışlara sağlanan ısı, aksi takdirde daha pahalı ve çevreye daha zararlı olan harici bir kaynaktan geleceğinden, endüstride çok para tasarrufu sağlar.

Isı eşanjörleri, aşağıdakiler de dahil olmak üzere birçok endüstride kullanılmaktadır:

Atık su arıtımında, ısı eşanjörleri, kirleticileri ortadan kaldıran mikropların büyümesini teşvik etmek için anaerobik çürütücülerde optimum sıcaklıkların korunmasında hayati bir rol oynar . Bu uygulamada kullanılan yaygın ısı eşanjör tipleri, çift borulu eşanjör ile plakalı ve çerçeveli eşanjördür.

uçakta

Ticari uçaklarda ısı eşanjörleri, soğuk yakıtı ısıtmak için motorun yağ sisteminden ısı almak için kullanılır. Bu, yakıt verimliliğini artırmanın yanı sıra, bileşenlerde yakıt donmasında sıkışan su olasılığını da azaltır.

Mevcut piyasa ve tahmin

2012 yılında 42,7 milyar ABD Doları olarak tahmin edilen küresel ısı eşanjör talebi, önümüzdeki yıllarda yıllık yaklaşık %7,8 oranında güçlü bir büyüme yaşayacaktır. Piyasa değerinin 2016 yılına kadar 57,9 milyar ABD Dolarına, 2020 yılına kadar ise 78,16 milyar ABD Dolarına ulaşması beklenmektedir. Borulu ısı eşanjörleri ve plakalı eşanjörler halen en yaygın uygulanan ürün türleridir.

Basit bir ısı eşanjörü modeli

Basit bir ısı değişimi, termal olarak birbirine bağlı akışkan akışı olan iki düz boru olarak düşünülebilir. Borular eşit uzunlukta L olsun , ısı kapasitesine sahip akışkanları taşısın (birim kütle başına enerji sıcaklıktaki değişim) ve her ikisi de aynı yönde borulardan geçen akışkanların kütle akış hızı (birim zamandaki kütle) olsun. ), burada i alt simgesi boru 1 veya boru 2 için geçerlidir.

Borular için sıcaklık profilleri ve burada x boru boyunca olan mesafedir. Sıcaklık profillerinin zamanın fonksiyonu olmaması için kararlı bir durum varsayın. Ayrıca, bir borudaki küçük hacimdeki akışkandan tek ısı transferinin diğer borudaki akışkan elemanına aynı konumda olduğunu, yani o borudaki sıcaklık farklarından dolayı bir boru boyunca ısı transferi olmadığını varsayalım. Tarafından Newton'un soğutma hakları sıvı küçük bir hacminin, enerji değişim oranı ve diğer boru karşılık gelen elemanı arasında sıcaklıklarda fark ile orantılı olan:

(bu, aynı yöndeki paralel akış ve zıt sıcaklık gradyanları içindir, ancak ters akışlı ısı değişimi ters akım değişimi için, önündeki ikinci denklemde işaret zıttır ), burada birim uzunluk başına termal enerji ve γ termal enerjidir. iki boru arasındaki birim uzunluk başına bağlantı sabiti. İç enerjideki bu değişiklik, akışkan elemanın sıcaklığında bir değişikliğe neden olur. Akış tarafından taşınan akışkan elemanının zamana bağlı değişim oranı:

"termal kütle akış hızı" nerede . Isı değiştiriciyi yöneten diferansiyel denklemler şu şekilde yazılabilir:

Sistem kararlı durumda olduğundan, zamana göre sıcaklığın kısmi türevleri yoktur ve boru boyunca ısı transferi olmadığından , ısı denkleminde olduğu gibi x'de ikinci türevler yoktur . Bu iki birleştirilmiş birinci mertebeden diferansiyel denklem aşağıdakileri verecek şekilde çözülebilir:

nerede , ,

(bu paralel akış içindir, ancak karşı akış için öndeki işaret negatiftir, böylece her iki zıt yönde aynı "termal kütle akış hızı" için, sıcaklık gradyanı sabittir ve sıcaklıklar doğrusaldır. eşanjör boyunca sabit bir farkla x konumu , karşı akım tasarımı karşı akım değişiminin neden en verimli olduğunu açıklar )

ve A ve B , henüz belirlenmemiş entegrasyon sabitleridir. Let ve x = 0 sıcaklıkları ve izin ve X = L borunun ucunda sıcaklıkları. Her borudaki ortalama sıcaklıkları şu şekilde tanımlayın:

Yukarıdaki çözümleri kullanarak, bu sıcaklıklar:

        

Yukarıdaki sıcaklıklardan herhangi ikisini seçmek, integrasyon sabitlerini ortadan kaldırarak diğer dört sıcaklığı bulmamıza izin verir. Birim uzunluk başına iç enerjinin zaman değişim oranı için ifadeleri entegre ederek aktarılan toplam enerjiyi buluyoruz:

Enerjinin korunumuna göre iki enerjinin toplamı sıfırdır. Miktar , Günlük ortalama sıcaklık farkı olarak bilinir ve ısı eşanjörünün ısı enerjisinin aktarılmasındaki etkinliğinin bir ölçüsüdür.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  • Coulson, J. ve Richardson, J (1999). Kimya Mühendisliği- Akışkan Akışı. Isı Transferi ve Kütle Transferi - Hacim 1; Reed Eğitim ve Profesyonel Yayıncılık LTD
  • Doğan Eryener (2005), 'Gövde ve borulu ısı eşanjörleri için bölme aralığının termoekonomik optimizasyonu', Energy Conservation and Management, Cilt 47, Sayı 11–12, Sayfa 1478–1489.
  • GFHewitt, GLShires, TRBott (1994) Process Heat Transfer, CRC Press, Inc, Amerika Birleşik Devletleri.

Dış bağlantılar