Isı Yükü Isı Değiştirici ve Buhar Yükü İlişkisi

Tasarım yükleri ve buhar basıncı/akış hızı gereksinimleri dahil ısı değişim uygulamaları için hesaplamalar

Doymuş buhar, bir ısı değiştiricide proses akışkanına birincil ısı sağlamak için kullanılır. Isı değiştirici terimi, ısı transferinin bir akışkandan diğerine teşvik edildiği tüm ekipman türlerini tanımlamak için kullanılır. Kolaylık sağlamak üzere, bu geniş tanım ısı değiştirici terimine uygulanacaktır. Esas olarak kabuk borulu ısı değiştiriciler ve plakalı ısı değiştiricilere atıfta bulunulacak olsa da, durma noktası hava ısıtıcı bataryaları, daldırılmış bobinler, ceketli kaplar ve depolama tipi ısıtıcılar dahil uygulamalar için de geçerli olabilir.

Sıcaklık kontrollü uygulamalar Bir sıcaklık kontrol uygulamasında, ikincil akışkanın ısı değiştiriciye giriş sıcaklığı zamanla değişebilir. Bu, tutarlı bir ikincil akışkan çıkış sıcaklığı sürdürmek için ısı değiştiriciye sağlanan ısının da değişmesi gerektiği anlamına gelir. Bu, Şekil 13.2.1’de gösterildiği gibi, ısı değiştiricinin birincil tarafının girişindeki bir kontrol vanası kullanılarak elde edilebilir. Bir kontrol vanası, buharın akış hızını ve basıncını değiştirmek ve böylece ısı değiştiriciye ısı girişinin kontrol edilmesini sağlamak için kullanılır. Kontrol vanasının konumunu modüle ederek ikincil akışkanın çıkış sıcaklığı kontrol edilir. İkincil akışkan çıkışındaki bir sensör sıcaklığını izler ve kontrolör için bir sinyal sağlar. Kontrolör, gerçek sıcaklığı ayar sıcaklığıyla karşılaştırır ve bunun sonucunda aktüatöre kontrol vanasının konumunu ayarlaması için sinyal gönderir.

Sabit bir ısıtma alanı ve ısı transfer katsayısı için, belirli bir ısı değiştiricide buhardan ikincil akışkana ısı transfer hızı, iki akışkan arasındaki ortalama sıcaklık farkı ile belirlenir. Ortalama sıcaklıklardaki daha büyük bir fark büyük bir ısı transfer hızı yaratır ve bunun tersi de geçerlidir. Kontrol vanası kısmen kapatıldığında, buhar basıncı ve sıcaklık farkı düşer. Tersine, kontrol vanası açılarak buhar kütle akışı ve dolayısıyla ısı değiştiricideki basınç yükselirse, iki akışkan arasındaki ortalama sıcaklık farkı artar.

Buhar basıncını değiştirmek, buharlaşma entalpisinin aslında basınçla birlikte düşmesi nedeniyle, yoğunlaşan buhardaki ısı enerjisi miktarını da biraz etkileyecektir. Bu, kg başına mevcut gizli ısının buhar basıncı arttıkça azaldığı anlamına gelir. Buhar akışı doğruluğu gerekiyorsa, bu hesaba katılmalıdır. Örnek 13.2.1 Bir üretici, spesifikasyonun 4 bar g’de buhar kullanarak ikincil suyu 10°C’den 60°C’ye kadar ısıtmayı gerektirdiği bir ısı değiştirici tasarlayacaktır. Su akışı tüm yüklerde sabit 1.5 L/s olacaktır. 1 litre suyun kütlesinin 1 kg olduğu varsayılmaktadır, dolayısıyla kütle akış hızı = 1.5 L/s x 1 kg/L = 1.5 kg/s’dir.

Üretici, ısı değiştirici için 2 500 W/m² °C’lik bir ‘U’ ısı transfer katsayısı kullanır. Suyun özgül ısısını 4.19 kJ/kg °C olarak alın. Belirleyin: (A) Tasarım ısı yükü.

(B) Karşılık gelen buhar akış hızı.

(C) Gerekli minimum ısıtma alanı.

Ayrıca, müşterinin minimum ısı yükü giriş suyu sıcaklığı 30°C’ye yükseldiğinde ortaya çıkıyorsa, belirleyin:

(D) Minimum ısı yükü.

(E) Isı değiştiricideki karşılık gelen buhar basıncı.

(F) Karşılık gelen buhar akış hızı. Hesaplamalar: (A) Isı transfer akış hızı denklemini (Denklem 2.6.5) kullanarak tasarım ısı yükünü bulun: Karşılık gelen buhar akış hızını hesaplamak için, önce minimum yük koşulundaki buhar sıcaklığını belirlemek gerekir. Herhangi bir yük koşulu için buhar sıcaklığını doğru bir şekilde tahmin etmek için ΔTLM tasarım rakamlarını kullanmak mümkündür, ancak bu logaritmik hesaplamaların kullanımını gerektirir. Ancak, değiştirici

boyutu sabitlendiğinde ve tasarım sıcaklıkları bilindiğinde, bir ısı değiştirici Sıcaklık Tasarım Sabiti (TDC) olarak adlandırılabilecek bir şey kullanarak çalışma sıcaklıklarını tahmin etmek çok daha kolaydır.

TDC yöntemi logaritmik hesaplamalar gerektirmez. Lütfen dikkat: TDC, ikincil akış hızının değiştiği veya kontrolün buhar alanındaki kondens seviyesini değiştirerek sağlandığı uygulamalarda kullanılamaz. Not: Bir ısı değiştirici boyutlandırılırken, ısı değiştirici üreticilerinin ΔTDM yöntemini kullanması normaldir. Boyutlandırıldıktan sonra, ısıtma alanını ve tam yük çalışma sıcaklıklarını bilerek, TDC, yük değişikliklerinden kaynaklanan tüm çalışma sıcaklıklarını doğru bir şekilde tahmin etmek için kullanılabilir, aşağıdaki metinde görülebileceği gibi. Çalışma sıcaklıkları, ‘Durma Noktası Grafiği’ olarak adlandırılan bir şey kullanılarak grafiksel olarak da tahmin edilebilir. Bu yöntem Modüller 13.5, 13.6 ve 13.7’de tartışılmaktadır. Sıcaklık Tasarım Sabiti (TDC) İkincil sıvının sabit bir hızda aktığı herhangi bir tür buharla ısıtılan değiştirici için, TDC üretici tarafından tam yük için verilen test rakamlarından hesaplanabilir. Bu veri setleri mevcut değilse ve ısı değiştirici halihazırda hizmete alınmışsa, TDC, herhangi bir yükteki buhar basıncını (ve buhar tablolarından buhar sıcaklığını bularak) ve karşılık gelen ikincil giriş ve çıkış sıcaklıklarını gözlemleyerek hesaplanabilir.

TDC, giriş ve çıkıştaki buhar ve su sıcaklıklarının oranıdır ve Denklem 13.2.2’de gösterilmiştir. TDC denklemi, diğer üç değişken bilindiği sürece herhangi bir değişkeni bulmak için yeniden düzenlenebilir. Aşağıdaki denklemler TDC denkleminden (Denklem 13.2.2) türetilmiştir.

Herhangi bir yükte buhar sıcaklığını bulmak için Denklem 13.2.3’ü kullanın: Herhangi bir yükte ikincil akışkan giriş sıcaklığını bulmak için Denklem 13.2.4’ü kullanın: Herhangi bir yükte ikincil akışkan çıkış sıcaklığını bulmak için Denklem 13.2.5’i kullanın: Sabit ikincil akış hızına sahip herhangi bir ısı değiştirici için, giriş sıcaklığı ve çıkış sıcaklığının herhangi bir kombinasyonu için çalışma buhar sıcaklığı hesaplanabilir.

Örnek 13.2.1’de ikincil çıkış sıcaklığı 60°C’de kalır ve minimum yük giriş sıcaklığı 30°C olduğunda ortaya çıkar. Minimum yükteki buhar sıcaklığı nedir?

Giriş sıcaklığı = 30°C

Çıkış sıcaklığı = 60°C (E) Minimum yükteki karşılık gelen ısı değiştirici buhar basıncını ve entalpisini bulun

Buhar tablolarından:

115.2°C’lik bir buhar sıcaklığı 0.7 bar g buhar basıncına karşılık gelir.

0.7 bar g’deki buharlaşma özgül entalpisi (hfg) = 2 215 kJ/kg

(F) Minimum yükteki buhar akış hızını bulun:

(D)‘den minimum ısı yükü 188.5 kW’dir.

(E)‘den hfg 2 215 kJ/kg’dır. Denklem 2.8.1’i kullanarak: