Büyütülmüş Isı Değiştiriciler

Isı değiştiriciler, gerekli görev için genellikle büyütülerek satın alınır. Bu eğitim, nedenlerini, bunun etkilerini ve büyütülmüş değiştiriciler için kondenstop boyutlandırma gibi ilgili gereksinimleri incelemektedir.

Önceki hesaplamalar (Modül 13.2), ısı değiştiricinin spesifikasyonu karşılamak için mükemmel ısıtma alanına göre boyutlandırıldığını varsaymıştır. Bu, ısı değiştiricinin tam olarak göreve uygun boyutlandırıldığı anlamına gelir.

Bu pratikte oldukça olası değildir, çünkü tasarımcı veya belirleyici genellikle kirlenme ve maksimum işletme yüklerinin belirsizliği dahil olmak üzere diğer faktörleri ekleyecektir. Üreticilerin bir spesifikasyona tam olarak uyan ısı değiştiriciler sunması da olası değildir. Küçük boyutlu ısı değiştiriciler pratik olmadığından genellikle büyütülerek satın alınırlar.

Örnek 13.2.1, Bölüm ‘C’de belirlenen çalışma koşulları, beklenmedik durumları hesaba katmak için gerekli ısıtma alanına %15 eklenerek Örnek 13.3.1’de yeniden değerlendirilmiştir.

Gerekli ısıtma alanının 1.09 m² olduğu hesaplanmıştır (Örnek 13.2.1, Bölüm ‘C’), bu nedenle Örnek 13.3.1 için belirlenen ısıtma alanı 1.09 + %15 = 1.254 m² olacaktır.

Üreticinin tedarik edebileceği minimum boyut 1.31 m² ısıtma alanına sahiptir ve bu, gerekli olandan yaklaşık %20 daha büyük bir gerçek ısıtma alanını temsil eder. Daha büyük bir ısıtma alanı, aynı ısı transfer hızı için daha az buhar basıncı gerektirir ve bu nedenle büyütülmüş bir ısı değiştiricide buhar basıncı aynı ısı yükü için daha düşük olacaktır.

Buhar basıncı daha az olduğundan, buhar sıcaklığı da daha azdır ve ısı değiştirici LMTD’si (Logaritmik Ortalama Sıcaklık Farkı) da daha az olacaktır.

Tasarım koşulu için buhar sıcaklığını belirlemek için, önce daha büyük ısıtma alanı için yeni LMTD’yi (ΔTLM) bulmak gerekir (Örnek 13.3.1’e bakınız).

Örnek 13.3.1

ΔTLM, Denklem 13.2.1’i Denklem 13.3.1 olacak şekilde yeniden düzenleyerek bulunabilir Örnek 13.2.2’den, tam yükte: İkincil giriş sıcaklığı (T1) = 10°C

İkincil çıkış sıcaklığı (T2) = 60°C

Yeni buhar tasarım sıcaklığı artık Denklem 2.5.5 kullanılarak belirlenebilir: Bu sıcaklık 1.95 bar g buhar basıncına karşılık gelir. Modül 13.2’de ısı değiştirici mükemmel boyutlandırıldığında buhar basıncı 4 bar g idi. Bu örnekte, %20 büyütülmüş bir ısı değiştiricide buhar basıncı %51 daha düşüktür.

Tam yük koşulundaki buhar basıncı artık tahmin edildiğine göre, tam yükteki buhar akışını hesaplamak mümkündür. Denklem 2.8.1 kullanılarak 314.25 kW tam ısı yükündeki buhar akış hızını bulun. 1.95 bar g’de buhar tabloları buharlaşma entalpisinin 2 164.6 kJ/kg olduğunu belirtir. Mükemmel boyutlandırılmış ısı değiştiricide buhar akışı 536.6 kg/saat idi (Örnek 13.2.1), bu nedenle kütle akış hızında hafif bir düşüş (%2.5) olduğu görülebilir. Bu, buharın daha düşük basınç nedeniyle daha büyük ısı değiştiricide biraz daha yüksek buharlaşma entalpisine sahip olmasından kaynaklanmaktadır.

Daha büyük ısı değiştirici için TDC’yi belirleyin Büyütülmüş ısı değiştirici için buhar sıcaklığı artık belirlendiğine (LMTD denklemi [Denklem 2.5.5] kullanılarak), Denklem 13.2.2 kullanılarak TDC’sini bulmak artık mümkündür. Minimum ısı yükünde: Örnek 13.2.1’de ısı değiştirici mükemmel boyutlandırıldığında buhar sıcaklığı 188.5 kW minimum ısı yükünde 115.2°C idi.

Bu örnekteki büyütülmüş ısı değiştirici yaklaşık %20 daha büyük olduğundan, minimum ısı yükünde buhar sıcaklığı da daha düşük olacaktır. Minimum ısı yükü Örnek 13.2.1’deki ile aynı kalır ve ikincil giriş sıcaklığı 30°C’ye yükseldiğinde ortaya çıkar. Denklem 13.2.3’ten: İki ısı değiştiriciyi minimum yükte karşılaştırıldığında, buhar sıcaklığı mükemmel boyutlandırılmış ısı değiştiricideki 115.2°C’den büyütülmüş ısı değiştiricideki 103.8°C’ye düşmüştür.

Buhar tablolarından, bu buhar sıcaklığı yaklaşık 0.15 bar g buhar basıncına ve hfg = 2 247 kJ/kg’a karşılık gelir. Mükemmel boyutlandırılmış değiştiricideki (115.2°C’de) buhar basıncı 0.7 bar g idi.

Denklem 2.8.1 kullanılarak, 188.5 kW minimum ısı yükündeki buhar akışını bulmak mümkündür. Mükemmel boyutlandırılmış ısı değiştiricide minimum buhar akışı 306 kg/saat idi (Örnek 3.2.1), bu nedenle büyütülmüş ısı değiştiricide minimum ısı yükünde kütle akışında marjinal bir düşüş olduğu görülebilir. Bu, buharın daha düşük basınç nedeniyle daha büyük ısı değiştiricide biraz daha yüksek buharlaşma entalpisine sahip olmasından kaynaklanmaktadır.

Buhar basıncı, kondenstop ve etkili kondens uzaklaştırma

Buhar, ikincil akışkana ısı transfer yüzeyi boyunca ısısını verdikçe, buhar alanında yoğunlaşır. Kondens, ısı değiştiricinin çıkışından ve ardından buharı buhar alanında tutarken kondensin serbestçe tahliye edilmesine izin veren bir kondenstopdan geçer.

Isı değiştirici, buhar alanını su basması ile çalışacak şekilde özel olarak tasarlanmamışsa, buhar basıncının ısı değiştiricinin kondensden düzgün şekilde boşaltılmasını sağlamak için dikkatle ele alınması gerekir. Buhar alanının herhangi bir su basması, etkili ısıtma yüzey alanını azaltır ve ısı transferi gereksinimi, ancak değiştirici yeterince (belki tesadüfen) büyütülmüşse karşılanabilir.

Kondenstopun kapasitesi, türüne, orifis boyutuna ve üzerindeki diferansiyel basıncına bağlı olacaktır. Diferansiyel basınç, kondensi kondenstop boyunca itmek için gerekli enerjiyi sağlar ve ısı değiştiricideki buhar basıncı ile kondens sistemi tarafından kendenstopun çıkışına uygulanan ters basınç arasındaki farktır.

Kondenstop, uygun boyutlandırılmış bir boru aracılığıyla havalandırmalı bir kondens alıcısına veya açık bir uca yerçekimi ile boşalıyorsa, ters basınç atmosfer basıncına çok yakın olmalıdır. Bu koşullarda, boyutlandırma çizelgesindeki diferansiyel basınç basitçe ısı değiştiricideki gösterge basıncı olarak okunabilir.

Ancak, kendenstopun ardından bir kaldırma varsa (kendenstop tahliye hattında bir yükselme) veya kendenstop tahliye hattı küçük boyutlandırılmışsa veya bu hat başka herhangi bir nedenle basınçlıysa, ters basınç bazen buhar alanındaki basınçtan daha yüksek olabilir. Bu durumda, kendenstop üzerindeki diferansiyel basınç tersine döner ve ‘negatif diferansiyel basınç’ olarak kabul edilir. Kendenstop kapasitesi artık sıfırdır.

Yukarıdaki hesaplamalarda görülebileceği gibi, herhangi bir ısı değiştiricideki buhar basıncı boyutu ve ikincil koşulları tarafından belirlenir. Kendenstopun kapasitesi diferansiyel basıncına bağlı olduğundan, buhar basıncı ve ters basıncındaki değişikliklerin her zaman kendenstopun kapasitesini etkilediği açıktır. Diferansiyel basınç azaldıkça, kendenstopun kapasitesi düşecektir. Diferansiyel basınç pozitif olduğu ve kendenstop buna göre seçildiği ve boyutlandırıldığı sürece, su basması ve ilişkili sorunlar ortaya çıkmayacaktır.

Büyütülmüş ısı değiştirici için kendenstop boyutlandırılması Dikkate alınması gereken koşullar şunlardır:

• Tam yük : Buhar alanında 1.95 bar g’de 523 kg/saat
• Minimum yük : Buhar alanında 0.15 bar g’de 302 kg/saat
• Ters basınç : Atmosfer basıncı (0 bar g) Şekil 13.3.2’deki şamandıralı kendenstop kapasite çizelgesinde, DN25 (1”) FT14-4.5 küre şamandıralı buhar kendenstopunu düşünün. 1.95 bar diferansiyel basınçta 850 kg/saat geçireceği görülebilir. Ayrıca 0.15 bar diferansiyel basınçta yaklaşık 370 kg/saat geçireceği görülebilir. Bu örnekte, Şekil 13.3.1’de gösterildiği gibi, kendenstopun büyütülmüş ısı değiştiriciye takıldığını ve havalandırmalı bir kondens alıcısına yerçekimi ile boşaldığını düşünün.

Düzgün tahliyeyi sağlamak için, kendenstop tam yük ve minimum yük koşulları arasındaki tüm yüklerle başa çıkabilmelidir.

Bu örnekte kondens ters basıncı atmosferik olduğundan, 0.15 bar g minimum buhar alanı basıncı her zaman ters basınçtan daha yüksektir. Kapasite çizelgesinden (Şekil 13.3.2) görülebilir ki kendenstop, minimum ve maksimum yüklerde yeterli kapasiteye sahiptir, bu nedenle DN25 (1”) FT14-4.5 küre şamandıralı buhar kendenstopu yeterince büyüktür.

Ancak, bu örnekte ters basınç 0.15 bar g minimum buhar basıncından daha yüksek olsaydı, sistem normal çalışma aralığının bir yerinde durma noktasına gelirdi. (Buna neden olmak için kendenstopun ardından sadece 1,5 metreden biraz fazla bir kaldırma yeterli olacaktır). Buna göre, kendenstop ters basınç miktarına bağlı olarak seçilmeli ve boyutlandırılmalıdır. Daha büyük ters basınç miktarlarıyla bir pompa-kendenstop takılması gerekebilir.

Bir ısı değiştirici için doğru kendenstopun nasıl seçileceğine dair tavsiye Modül 13.4’te verilmektedir.