Serpantin ve Ceketlerle Isıtma

Bu eğitim, serpantin ve ceketlerin düzeni, kontrolü ve tahliyesi ile ısı transferi hesaplamaları dahil olmak üzere sıvıların dolaylı ısıtmasını kapsamaktadır.

Kaplar bir dizi farklı şekilde ısıtılabilir. Bu modül dolaylı ısıtmayı ele alacaktır. Bu sistemlerde, ısı bir ısı transferi yüzeyinden transfer edilir. Seçenekler şunları içerir:

Tank bobinlerinin kullanımı, ham petrol, yenilebilir yağlar, hayvansal yağ ve pekmez kargolarının derin tanklarda ısıtılması gereken deniz uygulamalarında özellikle yaygındır. Bu sıvıların çoğu, viskoziteleri nedeniyle ortam sıcaklıklarında işlenmesi zordur. Buharla ısıtılan bobinler, bu sıvıların sıcaklığını yükseltmek, viskozitelerini düşürmek ve böylece pompalanmalarını kolaylaştırmak için kullanılır.

Tank bobinleri ayrıca galvanik kaplama ve metal işlemede yaygın olarak kullanılır. Galvanik kaplama, maddelerin yüzeylerine metalik kaplamaların biriktirilmesi için birkaç prosesten geçirilmesini içerir. Bu sürecin ilk aşamalarından biri olarak bilinen kazıma, çelik ve bakır gibi malzemelerin herhangi bir kireç tabakasını veya oksiti (örn. pas) uzaklaştırmak için asit veya kostik çözelti tanklarına daldırılarak işlenmesidir.

Buhar bobini boyutlandırması

Gerekli enerji belirlendikten sonra (önceki Modül) ve bobindeki buhar basıncı/sıcaklığı bilgisiyle, ısı transferi yüzeyi Denklem 2.5.3 kullanılarak belirlenebilir:

Hesaplanan ısı transferi alanı, bobin yüzey alanına eşdeğerdir ve uygun bir boyut ve düzenin belirlenmesini sağlar. ‘U’ değerinin belirlenmesi Isı transferi alanını hesaplamak için, toplam ısı transferi katsayısı U için bir değer seçilmelidir. Bu, her iki akışkanın termal ve transport özellikleri ve bir dizi diğer koşula bağlı olarak önemli ölçüde değişecektir. Bobinin ürün tarafında, yüzey ile toplu akışkan arasında bir sıcaklık gradyanının olduğu termal bir sınır tabakası mevcut olacaktır. Bu sıcaklık farkı nispeten büyükse, doğal konveksiyon akımları önemli olacak ve ısı transferi katsayısı yüksek olacaktır. Karıştırma gibi zorlanmış konveksiyonu teşvik edecek yardımcı sirkülasyon, daha yüksek katsayılara da yol açacaktır. Konveksiyon kısmen akışkanın toplu hareketine bağlı olduğundan, viskozite (sıcaklıkla değişen) de termal sınır tabakası üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Ek varyasyonlar bobinin buhar tarafında da meydana gelebilir, özellikle uzun boru boylarında. Bobin girişinde yüksek bir buhar hızı olabilir ve sudan nispeten bağımsız olabilir.

Ancak, bobin boyunca ilerledikçe buhar hızı daha düşük olabilir ve bobin kısmen su dolu çalışıyor olabilir. Çok uzun bobinlerde, bazen deniz tankerlerinde veya büyük toplu depolama tanklarında bulunanlarda, bobin boyunca önemli bir basınç düşüşü meydana gelir. Ortalama bobin sıcaklığını elde etmek için, giriş basıncının yaklaşık %75’i oranında ortalama bir buhar basıncı kullanılabilir. Aşırı durumlarda kullanılan ortalama basınç, giriş basıncının %40’ı kadar düşük olabilir. Bir diğer değişken bobin malzemesinin kendisidir. Bobin malzemesinin iletkenliği önemli ölçüde değişebilir. Ancak, genel ısı transferi büyük ölçüde ısıya dirençli filmler tarafından belirlenir ve bobin malzemesinin iletkenliği bunların birleşik etkisi kadar önemli değildir. Tablo 2.10.1, daldırılmış buhar bobini uygulamasının çeşitli koşulları için tipik toplam ısı transfer katsayıları sağlar. 2 bar g ile 6 bar g arasındaki buhar basınçları için ‘U’ değerleri, tablodaki verilerin interpolasyonu ile bulunmalıdır.

Tablo 2.10.1 Suya daldırılmış buhar bobinleri için ısı yayılma hızları

Tablo 2.10.1’de gösterilen rakam aralığı, kesin ‘U’ değerleri sağlamanın zorluğunu gösterir. Ölçeğin üst ucundaki geleneksel rakamlar, temiz kuru buharla beslenen, küçük bobinlere ve iyi kondens drenajına sahip kurulumlar için geçerli olacaktır. Alt uç, daha düşük kaliteli buhar, uzun bobinler ve zayıf kondens drenajı için daha uygundur.

Önerilen toplam ısı transfer katsayıları tipik koşullar ve kurulumlar için geçerli olacaktır. Bu önerilen hızlar ampirik olarak türetilmiştir ve genellikle bobin boyutlandırmasında cömert bir güvenlik marjı uygulanmasını sağlayacaktır. Su dışındaki akışkanlar durumunda, ısı transferi katsayısı viskozitenin sıcaklıkla değişme biçiminden dolayı daha geniş bir şekilde değişecektir. Ancak, Tablo 2.10.2’de gösterilen değerler, bazı sık karşılaşılan maddeler için bir kılavuz işlevi görecektir, Tablo 2.10.3 ise metre uzunluk başına boruların tipik yüzey alanlarını verir.

Tablo 2.10.2 Çeşitli sıvılara daldırılmış buhar bobinleri için ısı yayılma hızları

• Bazı maddeler (yağ ve margarin gibi) normal sıcaklıklarda katıdır ancak ergimiş halde oldukça düşük viskozitelere sahiptir.

** Ticari pekmez sık sık su içerir ve viskozitesi çok daha düşüktür.

Tablo 2.10.3 Metre uzunluk başına çelik boruların nominal yüzey alanları

Örnek 2.​10.1

Örnek 2.9.1’den devamla aşağıdakileri belirleyin:

• Kısım 1. Başlatma sırasındaki ortalama buhar kütle akış hızı. (Ortalama ısı yükü = 367 kW)
• Kısım 2. Gerekli ısı transferi alanı.
• Kısım 3. Önerilen bir serpantin yüzey alanı.
• Kısım 4. Önerilen ısı transferi alanı ile maksimum buhar kütle akış hızı.
• Kısım 5. Serpantin çapı ve düzeni dahil kurulum önerisi. Aşağıdaki ek bilgiler sağlanmıştır:
• Kontrol vanasına buhar basıncı = 2.6 bar g (3.6 bar a).
• Paslanmaz çelik buhar serpantini ısı sağlar.
• Buhar/serpantin/sıvıdan ısı transferi katsayısı, U = 650 W/m² °C Kısım 1 Başlatma sırasındaki ortalama buhar kütle akış hızını hesaplayın Kontrol vanasına buhar basıncı = 2.6 bar g (3.6 bar a) Başlatma sırasında kontrol vanasında kritik basınç düşüşü (KPD) meydana gelecektir, bu nedenle ısıtma serpantinindeki minimum buhar basıncı, mutlak akış basıncının %58’i olarak alınmalıdır. Bunun açıklaması Blok 5’te verilmiştir.

Kısım 2 Gerekli ısı transferi alanını hesaplayın

Kısım 3 Serpantin yüzey alanı önerisi Kesin ‘U’ değerleri sağlamanın zorlukları ve ısı değişim yüzeyinin gelecekteki kirlenmesine izin vermek için, hesaplanan ısı transferi alanına genellikle %10 eklenir.

Kısım 4 Önerilen ısı transferi alanı ile maksimum buhar kütle akış hızı Maksimum ısı transferi (ve dolayısıyla buhar talebi), buhar ile proses akışkanı arasındaki sıcaklık farkı maksimum olduğunda meydana gelecektir ve kirlenme için izin verilen ek boru alanını hesaba katmalıdır. (a) Serpantin’in maksimum ısıtma kapasitesini Q̇(serpantin) ele alalım

(b) 519 kW sağlamak için buhar akış hızı

Kısım 5 Serpantin çapı ve düzeni dahil kurulum önerisi (a) Serpantin çapını ve uzunluğunu belirleyin

Bu uzunlukta büyük çaplı ısıtma borusunu 3 m × 3 m’lik bir tanka sığdırmak zor olabilir.

Bir çözüm, kondens manifolduna düşmesini teşvik etmek için farklı yüksekliklerde ayarlanmış, buhar ve kondens manifoldları arasında paralel bir boru demeti çalıştırmaktır

daha düşük (kondens) manifolduna. Tahliye hattı, kondens manifoldunun altından buhar konaanstobuna (veya pompalı konaanstoba) doğru düşmelidir. Önerilen bir düzen için Şekil 2.10.1’e bakın.

Buhar beslemesinin manifoldun bir ucunda, konaanstoptaki setin ise diğer ucunda olduğuna dikkat edin. Bu, buharın akmasına ve kondensi serpantinlerden itmeye yardımcı olacaktır.

Bu uygulamada, buhar ve kondens başlıkları her biri 2.8 m uzunluğunda olacaktır. Kondens manifoldu kondens tuttuğu için, ondan gelen ısı buhar manifolduna kıyasla küçük olacaktır ve bu hesapta ihmal edilebilir. Buhar manifoldu, önceki hız hesaplaması tarafından belirlenen 100 mm çapında olmalıdır. Bu, şu ısıtma alanını sağlayacaktır: 2.8 m x 0.358 m²/m = 1.0 m² Sonuç olarak 7 m² - 1 m² = 6 m² ısı transferi alanı hala gereklidir ve bağlantı boruları tarafından sağlanmalıdır. Dayanıklılık ve işlenebilirlik arasında iyi bir uzlaşma olarak keyfi olarak 32 mm boru seçerek:

Kontrol Bağlantı tüplerinden buhar hızını doğrulamak gereklidir: Isı transferi alanının orantılılığı temelinde, buhar başlığı yoğunlaştıracaktır:

Diğer buhar serpantin düzenleri

Buhar serpantininin tasarımı ve düzeni, ısıtılan proses akışkanına bağlı olacaktır. Isıtılacak proses akışkanı aşındırıcı bir çözelti olduğunda, normalde serpantin giriş ve çıkış bağlantılarının tank dudağı üzerinden alınması önerilir, çünkü tank yanının korozyona dayanıklı astarlarının delinmesi normalde tavsiye edilmez. Bu, tank astarında korozyona uğrayan sıvıların sızma riski olan zayıf nokta olmamasını sağlayacaktır. Bu durumlarda serpantin kendisi de kurşun kaplı çelik veya bakır, veya titanyum gibi alaşımlar gibi korozyona dayanıklı malzemeden yapılabilir. Ancak, korozyon tehlikesi olmadığında, tank yapısı üzerinden yükselmelerden kaçınılmalı ve buhar giriş ve çıkış bağlantıları tank yanından alınabilir. Herhangi bir yükseltinin varlığı, serpantin uzunluğunun bir kısmının su dolmasına ve olası su darbesi, gürültü ve sızdıran boru tesisatına neden olacaktır. Buhar ısıtma serpantinleri genellikle kondensin çıkışa doğru akmasını ve serpantin altında birikmemesini sağlamak için girişten çıkışa doğru kademeli bir düşüşe sahip olmalıdır. Bir yükselti kaçınılmaz olduğunda, Şekil 2.10.2’de gösterildiği gibi yükseltinin altında bir conta düzeni ve küçük çaplı bir daldırma borusu içerecek şekilde tasarlanmalıdır.

Conta düzeni, bir su contası görevi görecek küçük miktarda kondensin birikmesine izin verir ve buhar kilitlemenin meydana gelmesini önler. Bu conta olmadan, borunun altında biriken kondensin üzerinden buhar geçebilir ve yükselticinin tepesindeki buhar konaanstopunu kapatabilir.

Kondens seviyesi daha sonra yükselir ve geçici bir su contası oluşturarak buharı yükselticinin altı ile buhar konaanstobu arasında kilitler. Buhar konaanstopu, kilitli buhar yoğunlaşana kadar kapalı kalır ve bu süre zarfında serpantin su dolmaya devam eder. Kilitli buhar yoğunlaştığında ve buhar konaanstopu açıldığında, bir su yükseltici boyunca boşaltılır. Su contası kırılır kırılmaz, buhar yükselen boruya girer ve konaanstopu kapatırken, kırılan su sütunu ısıtma serpantininin dibine düşer. Küçük çaplı daldırma borusu, yalnızca çok küçük bir buhar hacminin yükselticide kilitlenmesine izin verecektir. Buharın içinden kabarcıklanmadan su kolonunun kolayca korunmasını sağlar, çıkışa sabit ve sürekli bir kondens akışı sağlar. Conta nihayet kırıldığında, kısıtlanmamış büyük çaplı bir yükselticiye kıyasla daha küçük bir su hacmi ısıtma serpantinine geri dönecektir, ancak su conta düzeni bir su contası oluşturmak için daha az kondens hacmi gerektirdiğinden, hemen yeniden oluşacaktır. Proses, sıvıya maddelerin daldırılmasını içeriyorsa, serpantini tankın altına kurmak uygun olmayabilir - çözeltiye daldırılan nesneler tarafından hasar görebilir.

Ayrıca, belirli süreçler sırasında, ağır birikintiler tankın dibine çökebilir ve ısıtma yüzeyini hızla kaplayarak ısı transferini engelleyebilir. Bu nedenlerle, galvanik kaplama endüstrisinde sıklıkla yan asma serpantinler kullanılır. Bu tür durumlarda, Şekil 2.10.3’te gösterildiği gibi zikzak veya plaka tipi serpantinler tankın yan tarafına düzenlenir. Bu serpantinlerin de bir su contası ve küçük çaplı bir daldırma borusu ile alta doğru bir düşüşe sahip olmalıdır. Bu düzen, genellikle kurulumunun daha kolay olmasının yanı sıra, gerektiğinde periyodik temizlik için çıkarılmasının da daha kolay olması avantajına sahiptir.

Nesnelerin tanka daldırılması gerekiyorsa, zorlanmış konveksiyonu teşvik etmek ve tank boyunca sıcaklık gradyanlarının oluşmasını önlemek için herhangi bir karıştırıcı kullanmak mümkün olmayabilir. Alt veya yan serpantinler kullanılıp kullanılmadığına bakılmaksızın, ısının sıvının tamamına eşit şekilde dağıtılması için yeterli kapsama alanı ile düzenlenmeleri zorunludur.

Serpantin çapı, iyi dağılım için yeterli serpantin uzunluğu sağlamalıdır. Büyük çaplı kısa bir serpantin uzunluğu yeterli sıcaklık dağılımı sağlayamayabilir. Ancak çok uzun sürekli bir serpantin uzunluğu, uçtan uca basınç düşüşü nedeniyle bir sıcaklık gradyanı yaşayabilir ve bu da sıvının düzensiz ısınmasına neden olabilir. Sonraki iki başlık ‘Kontrol vanasının boyutlandırması’ ve ‘Kondens tahliye cihazı’ bu Modülde yer almasına rağmen, yeni okuyucu ekipman boyutlandırması ve seçimi yapmadan önce Öğrenme Merkezi’ndeki sonraki Bloklara ve Modüllere başvurmalıdır.

Kontrol vanası düzeni

Kontrol vanası seti, paralel olarak bir veya iki vana olabilir. Başlatma sırasında karşılaşılan maksimum debiyi idare edecek kadar büyük tek bir kontrol vanası, beklenen minimum debide akışı doğru bir şekilde kontrol edemeyebilir. Bu, düzensiz sıcaklık kontrolüne neden olabilir.

Alternatif olarak, paralel iki sıcaklık kontrol vanası takılabilir:

• Bir vana (çalışma vanası) daha düşük debide kontrol edecek şekilde boyutlandırılmıştır.
• İkinci bir vana (başlatma vanası) birinci vananın kapasitesi ile maksimum debi arasındaki farkı geçecek şekilde. Başlatma vanası, çalışma vanasından biraz daha düşük bir ayar noktasına sahip olacak, böylece önce kapanacak ve çalışma vanasını düşük yüklerde kontrol etmesi için bırakacaktır.

Kontrol vanasının boyutlandırması

Kontrol vanası seti (tek vana veya paralel iki vana). Serpantin ortalama ısı transferi değerlerine göre boyutlandırılmıştır. Ancak, kontrol vanasını maksimum (başlatma) yükünü sağlamak için boyutlandırmak daha iyi olabilir. Tanklardaki büyük serpantinlerle bu, buhar açıldığında serpantin boyunca bir dereceye kadar buhar basıncını korumaya yardımcı olacak ve kondensin serpantin boyunca buhar tahliye cihazına itilmesine yardımcı olacaktır. Kontrol vanası ortalama değerlere göre boyutlandırılırsa, başlatma sırasındaki serpantindeki buhar basıncı daha düşük olma eğiliminde olacak ve serpantin su dolabilir.

Tek vana kullanımı

Örnek 2.10.1’den devamla maksimum buhar yükü 850 kg/h ve serpantin bu debiyi 1.1 bar g basınçta sağlamak üzere tasarlanmıştır. Bir buhar vanası boyutlandırma çizelgesi, kontrol vanasının girişinde 2.6 bar g basınç ve vanada Kritik Basınç Düşüşü (KPD) ile 850 kg/h buhar geçirmek için yaklaşık 20’lik bir Kv gerektiğini gösterir. (Modül 6.4, vana boyutunun hesaplama ile nasıl belirleneceğini gösterecektir). Dolayısıyla, uygulama için daha büyük bir Kvs’si 25 olan bir DN40 kontrol vanası seçilmesi gerekecektir. Tek bir vana kullanılacaksa, bu vana, başlatma sırasında kondensin tahliyesine yardımcı olmak için serpantinde gerekli buhar basıncını korurken, maksimum ısı yükünün karşılandığından emin olmalıdır. Ancak, daha önce açıklanan nedenlerle, iki vana daha iyi olabilir. Çalışma yükü 52 kW ve serpantin 1.1 bar g’de çalışırken, çalışma buhar yükü:

Buhar vanası boyutlandırma çizelgesi, 3.6 bar akış basıncı ile, kritik basınç düşüşünde çalışarak 85 kg/h geçirmek için 2’lik bir Kv gerektiğini gösterir.

Bir DN15 KE tipi vana (Kvs = 4) ve bir DN25 pistonlu vana (Kvs = 18.6) birlikte çalışarak başlatma yükünü karşılayacaktır. Kontrol sıcaklığına yaklaşıldığında, daha büyük vana kapatılacak şekilde ayarlanacak ve daha küçük vananın iyi kontrol sağlamasına izin verecektir.

Kondens tahliye cihazı

Kondens tahliye cihazının seçimi ve boyutlandırılmasından kondens geri basıncı büyük ölçüde etkilenecektir. Bu örneğin amacı için, geri basıncın atmosferik basınç olduğu varsayılmaktadır. Cihaz, aşağıdaki koşulların ikisini de karşılayabilecek şekilde boyutlandırılmalıdır

koşullar:

1. Serpantinde 1.1 bar g ile 850 kg/h kondens geçirmek, yani tam yük koşulu.
2. Serpantindeki buhar basıncı kondens geri basıncına eşit olduğunda kondens yükünü geçirmek, yani durma yükü koşulu. Buhar konaanstopu yalnızca birinci koşula göre boyutlandırılırsa, durma yükünü (ürün gerekli sıcaklığına yaklaştığında ve kontrol vanası buhar basıncını azaltmak için modüle ettiğinde meydana gelen koşul) geçememe olasılığı vardır. Durma yükü önemli olabilir. Tanklar gibi akışsız tip uygulamalarla ilgili olarak, bu termal açıdan çok ciddi olmayabilir çünkü tankın içeriği neredeyse gerekli sıcaklıkta olacak ve devasa bir ısı deposuna sahip olacaktır. Isıtma sürecinin bu bölümündeki herhangi bir ısı transferi azalması, bu nedenle tank içeriği üzerinde hemen bir etkiye sahip olmayabilir. Ancak, kondens serpantin içine yedeklenecek ve su darbesi meydana gelecektir, bununla birlikte ilişkili belirtiler ve mekanik gerilmeler. Büyük dairesel tanklardaki tank serpantinleri sağlam bir yapıya sahip olma eğilimindedir ve genellikle bu tür gerilmelere dayanabilir. Ancak dikdörtgen tanklarda (genellikle daha küçüktür) sorunlar meydana gelebilir, burada serpantindeki titreşim tank yapısı üzerinde daha fazla etkiye sahip olacaktır. Burada, su darbesi tarafından harcanan enerji titreşime neden olur ve bu hem serpantin, hem tank, hem de buhar konaanstobunun ömrüne zararlı olabilir ve aynı zamanda rahatsız edici gürültü yaratır. Plaka ısı eşanjörleri gibi akış tipi uygulamalarla ilgili olarak, durma koşulunu göz ardı etmek genellikle ciddi sonuçlara yol açacaktır. Bu esas olarak ısı eşanjöründeki küçük hacimden kaynaklanır. Isı eşanjörleri için, buhar alanına kondensin yedeklenmesinden kaynaklanan ısıtma yüzey alanının istenmeyen herhangi bir azalması, ısıtma yüzeyinden akan ısı akışını etkileyebilir. Bu, kontrol sisteminin düzensiz ve kararsız olmasına neden olabilir ve kararlı veya hassas kontrol gerektiren süreçler kötü performansla karşılaşabilir. Isı eşanjörleri aşırı boyutlandırılmışsa, kondens buhar alanına yedeklendiğinde yeterli ısıtma yüzeyi kalabilir ve termal performans düşüşü her zaman meydana gelmeyebilir. Ancak, su dolma etkileriyle başa çıkmak için tasarlanmamış ısı eşanjörleri için, bu ısıtma yüzeyinin korozyonuna yol açabilir ve eşanjörün hizmet ömrünü kaçınılmaz olarak azaltır. Su dolma bazı uygulamalarda maliyetli olabilir. Su dolan bir don koruma serpantinini düşünün. 4 °C’de 3 m/s hızda akan soğuk hava, serpantinlerde kilitlenen kondensi hızla dondurabilir ve erken ve haksız arızaya neden olabilir. Herhangi bir ısı eşanjörünün ve hava ısıtıcısının hizmet ömrünü korumak için kondensin uygun tahliyesi zorunludur. Buhar konaanstobları, değişen koşullar altında uygulamalardan değişen miktarda kondensin tahliyesine izin vermek için modüle eden cihazlardır. Şamandıralı konaanstobları, buhar sıcaklığına yakın kondensi tahliye etmek ve modüle etmek için tasarlanmış buhar konaanstoblarıdır ve maksimum tesis performansı, maksimum tesis ömrü ve maksimum tesis yatırım getirisi sunar. Durma koşulları meydana geldiğinde ve bir buhar konaanstopu kullanılamadığında, otomatik bir pompalı konaanstop veya pompa ve konaanstop kombinasyonu, tesisin termal kapasitesini ve ömür boyu maliyetlerini en üst düzeye çıkararak her zaman doğru kondens tahliyesini sağlayacaktır.

En yaygın kullanılan buhar ceketi tipi, Şekil 2.10.4’te gösterildiği gibi basitçe kabı çevreleyen bir dış silindirden oluşur. Buhar dış cekette dolaşır ve kabın duvarında yoğunlaşır. Ceketli kaplar ayrıca yalıtılmış olabilir veya ceketi çevreleyen dahili bir hava boşluğu içerebilir. Bu, mümkün olduğunda az buharın dış ceket duvarında yoğunlaşmasını ve ısının içeriye doğru kaba transfer edilmesini sağlamak içindir.

Isı transferi alanı (kabın duvar yüzey alanı), Denklem 2.5.3 ve Tablo 2.10.4’te sağlanan toplam ısı transfer katsayıları kullanılarak bir buhar serpantinindeki gibi aynı şekilde hesaplanabilir.

Buhar ceketleri, çevreye radyasyon kayıpları nedeniyle genellikle batık serpantinlerden daha az termal verimli olabilse de, kabın karıştırılması için alan sağlarlar ve böylece ısı transferi teşvik edilir. Tablo 2.10.4’te listelenen U değerleri, orta düzeyde yakınlık dışı karıştırma içindir. Genellikle kabın duvarları paslanmaz çelik veya cam astarlı karbon çelikten yapılmıştır. Cam astarı ek bir korozyona dayanıklı tabaka sunacaktır. Buhar ceketi alanının boyutu kabın boyutuna bağlı olacaktır, ancak tipik olarak genişlik 50 mm ile 300 mm arasında olabilir.

Tablo 2.10.4 Buhar ceketleri için toplam ısı transfer katsayıları