Isı değiştiriciler; Farklı sıcaklıklara sahip iki akışkan arasında, birbiri içerisinde karışmalarına müsaade etmeden, ısı transferinin gerçekleştirildiği cihazlardır. Yaygın olarak; Isıtma sistemlerinde, klima sistemlerinde, kimyasal proseslerde, güç santrallerinde kullanılırlar.

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.

1. ISI DEĞİŞİM ŞEKLİNE GÖRE SINIFLANDIRMA

Isı değiştiriciler; ısı değişim şekline göre doğrudan temaslı ve doğrudan temas olmayan olarak ikiye ayrılır.

► Doğrudan Temas Olmayan Tip

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 ve akışkan yatak olmak üzere üçe ayrılır.

Doğrudan transfer tipi ısı değiştiricilerde; ayırıcı duvar yardımıyla sıcak akışkandan soğuk akışkana sürekli ısı transferi gerçekleşir. Akışkanlar farklı bölümlerde hareket eder ve karışmazlar(Şekil 1). Bu tip ısı değiştiricilere reküperatör de denilir.

Şekil 1: Doğrudan temas olmayan bir ısı değiştirici

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 aktarılmış olur. Isı transfer yüzeyi ya da akış alanı genellikle matris denilen hücresel yapıdadır veya delikli, geçirgen katı malzemedendir. Bu tip ısı değiştiricilere rejeneratör de denilir.

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 (Şekil 2).

Şekil 2: Akışkan yataklı ısı değiştirici

► Doğrudan Temaslı Tip

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 değişimiverilebilir.

Gaz-sıvı ısı değiştiricilerde; bir akışkan gaz (genellikle hava) iken diğer akışkan sıvıdır (genellikle su) ve enerji transferinden sonra ayrılmaya hazırdırlar. Bu ısı değiştiricilerde enerji transferinin % 90’ı kütle transferi yolu ile gerçekleşir. Örnek olarak; ıslak soğutma kulesi iklimlendirme sprey haznesi sayılabilir (Şekil 3).

Şekil 3: Doğal soğutma kulesi

Sıvı – buhar ısı değiştiricilerinde ise; buhar soğutma suyu kullanarak yoğuşturulur, ya da su, atık buhar kullanılarak direk temas ile ısıtılır. Buhar akümülatörleri örnek olarak verilebilir.

2. AKIŞKAN SAYISINA GÖRE SINIFLANDIRMA

Çoğu ısıtma-soğutma işlemi iki akışkan arasındaki ısı transferini içerir. Üç akışkan içeren ısı değiştiriciler ise kriyojenik’te ve bazı kimyasal işlemlerde kullanılırlar. On iki akışkana kadar bileşen içeren kimyasal işlemler olduğu bilinmektedir.

3. YÜZEY KOMPAKTLIĞINA GÖRE SINIFLANDIRMA

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. Yüzey alan yoğunluğu (β) ise aşağıdaki denkleme göre hesaplanır:

►Gazdan-Akışkana Isı Değiştiriciler

Gazdan-akışkana ısı değiştiricilerde; gazların ısı transfer katsayısının, 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) kullanılır. Genellikle azımsanmayacak seviyede maliyet, ağırlık ve hacim tasarrufu sağlar; fakat yüzeylerde kirlilik, tıkanma, korozyon problemleri barındırır.

► Sıvıdan-Sıvıya, Faz Değişimi Isı Değiştiricileri

Bu tip ısı değiştiricilere contalı levhalı, kaynaklı levhalı ve baskılı levhalı tipler örnek verilebilir.

4. YAPISAL ÖZELLİKLERİNE GÖRE SINIFLANDIRMA

Isı değiştiriciler genellikle yapısal özelliklerine göre sınıflandırılırlar. Dört ana tip ise; borulu, levhalı, kanatlı ve rejeneratör tiplerdir.

Borulu Isı Değiştiriciler

Borulu ısı değiştiriciler genellikle yuvarlak kesitli borulardan imal edilse de; eliptik, prizmatik ya da burulmuş tip borular da kullanılabilir. Borulu ısı değiştiriciler çoğunlukla aralarında yüksek basınç farkı bulunan akışkanlar için tasarlanır ve sıvı-sıvı veya faz değişimi uygulamaları için kullanılır. Ayrıca herhangi bir kapasite ya da çalışma ortamı için özel olarak tasarlanabildiklerinden, endüstriyel uygulamalarda yoğun olarak kullanılırlar (Şekil 4). Gövde boru, çift boru ve spiral boruolmak üzere üçe ayrılırlar.

Şekil 4: TEMA standardına göre gövde, ön ve arka ayna tipleri

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 (Şekil 5).

Şekil 5: Gövde- boru ısı değiştirici

Çift borulu ısı değiştiriciler; iç içe geçmiş iki borudan içteki boru kanatçıklı veya düz olabilir. Bir akışkan içteki boruda, diğeri ise iki boru arasında hareket eder. (Şekil 6). Birim ünite maliyeti fazla olduğundan küçük kapasiteli uygulamalarda kullanılır.

Şekil 6: Çift borulu ısı değiştirici

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.

► Levhalı Tip Isı Değiştiriciler

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, lamelliolarak 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 engellen. Sıkıştırma çubukları ile sıkıştırılır. İstenildiğinde sisteme levha eklenip çıkarılarak, ısıl kapasite değiştirilebilir (Şekil 7).

Şekil 7: Contalı levhalı ısı değiştirici

Spiral levhalı ısı değiştiricilerde ise; iki uzun metal şerit levha helisel sarılarak, iki akışkan için spiral akış yolu çifti oluşturulur (Şekil 8). 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.

Şekil 8: Spiral levhalı ısı değiştirici

Lamelli ısı değiştiricileri; bir grup boruyu saran bir levha gövdeden oluşur, fakat bu borular düzleştirilmiş ince borulardır (Şekil 9). Bu tip ısı değiştiriciler selüloz ya da kağıt endüstrisinde kullanılırlar.

Şekil 9: Lamelli tip rejeneratör

► Kanatlı tip ısı değiştiriciler

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. Kanatçıklı boru modelinde ise; boruların dış yüzeylerinde dairesel çıkıntılar bulunmaktadır (Şekil 10).

Şekil 10: Kanatçıklı borulu ısı değiştirici

► Rejeneratörler

Rejeneratörler; depolama tipi ısı değiştiricilerdendir. Dönen tip rejeneratörler (Şekil 11), sabit matris rejeneratörler, periyodik akım rejeneratörleri ve ısı akümülatörü olarak sınıflandırılabilirler.

Şekil 11: Dönen tip rejeneratör

Rejeneratörlerin avantajları; rekuperatöre göre daha kompakt olması ve ekonomik olmasıdır. Bunun sebebi ise, sıcak ve soğuk gaz akışlarının radyal conta veya vanalarla ayrılmasıdır.

5. AKIŞ ŞEKİLLERİNE GÖRE SINIFLANDIRMA

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.

► Tek geçişli ısı değiştiriciler

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 (Şekil 12). Bu tip akış modeli, termodinamik olarak diğer akış modellerine göre daha üstündür.

Şekil 12: Zıt yönlerde akış modeli

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.

Karşı akışlı modelde, akışkanlar ısı değiştiricisinde birbirlerine dik olarak hareket eder (Şekil 13). En yüksek sıcaklık farkları, sıcak ve soğuk akışkanın giriş yaptığı köşelerde görülür.

Şekil 13: Karşı akış modeli

► Çok geçişli ısı değiştiriciler

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 geçi- şin verimine göre daha fazla arttırmasıdır. Kanatçıklı (a), gövde-boru (b) (Şekil 14) ve levhalı olarak üçe ayrılır.

Şekil 14: Çok geçişli ısı değiştirici

6. ISI TRANSFER MEKANİZMALARINA GÖRE SINIFLANDIRMA

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.

Tek faz konveksiyon ile ısı transferi yapılan değiştiricilere örnek olarak otomotiv radyatörleri, yolcu kabini ısıtıcıları, ekonomizörler gösterilebilir. İki faz konveksiyona ise klimaların buharlaştırıcıları örnek verilebilir. Çok bileşenli iki faz konveksiyon, genellikle hidrokarbonların damıtılması sırasında karışık buharların yoğuşmasında görülür. Bunlara ek olarak; fosil yakıtlı enerji santrali kazanlarında radyasyon ile ısı transferi önemli bir yer tutmaktadır.

Kaynak: mmo.org