Isı Eşanjörlerinin Buhar Tüketimi

Farklı tipteki ısı eşanjörleri bu eğitimde açıklanmakta ve karşılaştırılmaktadır; buhar tüketimi hesaplamaları ve başlangıç yükünün önemi gibi diğer konularla birlikte.

Isı eşanjörü terimi, teknik olarak ısı transferinin bir ortamdan diğerine teşvik edildiği tüm ekipman tipleri için geçerlidir. Sıcak suyun ısısını ortam havasına bıraktığı ev tipi bir radyatör, bir ısı eşanjörü olarak tanımlanabilir. Benzer şekilde, buharlaşma sağlamak için yanma gazlarının ısısını suya bıraktığı bir buhar kazanı, ateşlenmiş bir ısı eşanjörü olarak tanımlanabilir.

Ancak, terim genellikle kabuk ve borulu ısı eşanjörleri veya plakalı ısı eşanjörleri gibi, buhar gibi bir birincil akışkanın bir proses akışkanını ısıtmak için kullanıldığı durumlara daha spesifik olarak uygulanır. Alan ısıtması için suyu ısıtmak için kullanılan kabuk ve borulu bir ısı eşanjörü (buhar veya su kullanarak) genellikle depolamasız kalorifer olarak adlandırılır. (Şekil 2.13.1’de gösterilen depolamalı kalorifer farklı şekilde inşa edilir, genellikle içinde bir birincil ısıtma serpantini bulunan sıcak su depolama kabından oluşur).

Üreticiler genellikle ısı eşanjörleri için kW cinsinden bir termal kapasite sağlar ve bundan buhar tüketimi, hava ısıtıcı bataryalarında olduğu gibi belirlenebilir. Ancak, ısı eşanjörleri (özellikle kabuk ve borulu) genellikle hizmet etmeleri gereken sistemler için çok büyüktür.

Şekil 2.13.2’de gösterildiği gibi depolamasız bir kalorifer normalde standart bir boyut aralığından seçilecektir ve genellikle tasarım rakamından çok daha büyük bir kapasiteye sahip olabilir. Binaların sıcak su ısıtması için ısı yükü hesaplamalarına belirli güvenlik faktörleri de dahil edilmiş olabilir. Plaka ısı eşanjörleri de, üniteler lehimli veya kaynaklı ise, standart bir boyut aralığından seçilebilir. Ancak, contalı plaka ısı eşanjörlerinin boyutlandırılmasında daha fazla esneklik vardır; burada plakalar genellikle istenen ısı transferi alanına ulaşmak için eklenebilir veya çıkarılabilir. Birçok durumda, plaka ısı eşanjörleri ikincil akışkan için basıncı düşürmek için basitçe aşırı boyutlandırılmıştır. Mevcut tesiste, akış ve dönüş sıcaklıkları ve pompalama hızı biliniyorsa, gerçek yük hakkında bir gösterge elde edilebilir. Ancak, pompa üreticisinin plakasında verilen debinin muhtemelen pratikte mevcut olabilecek veya olmayabilecek bir basınç yüksekliğiyle ilgili olduğunu not etmek önemlidir.

Isı eşanjörleri için buhar tüketimi hesaplamaları

Kabuk ve borulu ısı eşanjörleri ve plaka ısı eşanjörleri, akış tipi uygulamaların tipik örnekleridir. Bu nedenle, bu uygulamalar için buhar tüketimi belirlenirken, Denklem 2.6.5 kullanılmalıdır.

Başlatma yükü nadiren meydana geliyorsa veya tam yük çıkışına ulaşmak için geçen süre çok önemli değilse göz ardı edilebilir. Isı eşanjörleri daha sıklıkla tam çalışma yüküne göre boyutlandırılır, olası güvenlik faktörleri ile.

Bu akış tipi uygulamalarda ısı kayıpları nadiren hesaba katılır, çünkü tam çalışma yükünden önemli ölçüde daha azdırlar. Kabuk ve borulu ısı eşanjörleri genellikle ısı kaybını önlemek ve personele olası yaralanmaları önlemek için yalıtılır. Plaka ısı eşanjörleri daha kompakt olma eğilimindedir ve birimin boyutuna göre ortam havasına maruz kalan yüzey alanı çok daha küçüktür.

Örnek 2.13.1

Aşağıdaki depolamasız ısıtma kaloriferinin ısı yükünü ve buhar yükünü belirleyin Bir ısıtma kaloriferi, birincil buhar alanında 2.8 bar g buharla tam yükte çalışacak şekilde tasarlanmıştır. İkincil su akış ve dönüş sıcaklıkları, pompalanan su debisi 7.2 kg/s’de sırasıyla 82 °C ve 71 °C’dir. su için cp = 4.19 kJ/kg °C

Tablo 2.13.1 Buhar tablolarından alıntı

Kısım 1 Isı yükünü belirleyin Tam yük, Denklem 2.6.5 kullanılarak hesaplanabilir:

Kısım 2 Buhar yükünü belirleyin Tam yük yoğunlaşma hızı, ısı dengesi Denklemi 2.6.6’nın sol tarafı kullanılarak belirlenebilir:

Plaka ısı eşanjörleri

Bir plaka ısı eşanjörü, bir dizi ince dalgalı metal plakadan oluşur; aralarında birincil ve ikincil akışkanların alternatif kanallardan aktığı bir dizi kanal oluşturulur. Isı transferi, plaka boyunca bitişik kanallardaki birincil buhar akışkanından ikincil prose akışkanına doğru gerçekleşir. Şekil 2.13.3, bir plaka ısı eşanjörünün şematik bir gösterimini sunar.

Dalgalı bir kabartma deseni plakaların rijitliğini artırır ve diferansiyel basınçlara karşı daha fazla destek sağlar. Bu desen ayrıca kanallarda türbülanslı akış yaratarak ısı transferi verimliliğini artırır ve bu da plaka ısı eşanjörünü geleneksel kabuk ve borulu ısı eşanjöründen daha kompakt hale getirme eğilimindedir. Türbülanslı akışın teşvik edilmesi ayrıca durgun alanların varlığını ortadan kaldırır ve böylece kirlenmeyi azaltır. Plakalar genellikle birincil tarafta kaplanacaktır, buharın damlacık yoğuşmasını teşvik etmek için.

Buhar ısı eşanjörü pazarı geçmişte kabuk ve borulu ısı eşanjörü tarafından domine edilirken, plaka ısı eşanjörleri gıda işleme endüstrisinde ve kullanılmış su ısıtmasında sıklıkla tercih edilmiştir. Ancak, son tasarım gelişmeleri, plaka ısı eşanjörlerinin artık buhar ısıtma uygulamalarına eşit derecede uygun olduğu anlamına gelmektedir. Bir plaka ısı eşanjörü, kondensin tek bir ünite içinde hem yoğunlaşmasına hem de aşırı soğutulmasına izin verebilir. Kondens atmosferik bir hazneye boşaltılırsa, kondens sıcaklığının düşürülmesiyle, hazne havalandırma deliğinden atmosfere kaybolan flaş buhar miktarı da azalır. Bu, ayrı bir aşırı soğutucu veya flaş buhar geri kazanım sistemi ihtiyacını ortadan kaldırabilir. Nominal bir ısı transferi alanı teorik olarak Denklem 2.5.3 kullanılarak hesaplanabilse de, plaka ısı eşanjörleri tescilli tasarımlardır ve normalde üreticilerle danışılarak belirlenir. Contalı plaka ısı eşanjörleri (plaka ve çerçeve ısı eşanjörleri) Contalı bir plaka ısı eşanjöründe plakalar bir çerçeve içinde birbirine kelepçelenir ve ince bir conta (genellikle sentetik bir polimer) her plakayı kenar boyunca sızdırmaz hale getirir. Plakalar arasında takılan sıkma cıvataları, plaka paketini çerçeve plakası ile basınç plakası arasında sıkıştırmak için kullanılır. Bu tasarım, ünitenin temizlik için kolayca sökülmesine izin verir ve ünitenin kapasitesinin basitçe plaka eklenmesi veya çıkarılmasıyla değiştirilmesine olanak tanır. Contaların kullanılması, plaka paketine bir derece esneklik kazandırır, termal yorgunluğa ve ani basınç değişimlerine karşı bir miktar direnç sunar. Bu, bazı contalı plaka ısı eşanjörü tiplerini, plakaların belirli bir termal döngüye maruz kalacağı anlık sıcak su beslemesi için buhar ısıtıcısı olarak ideal bir seçim haline getirir. Contalı plaka ısı eşanjörünün kullanımındaki sınırlama, contaların çalışma sıcaklığı aralığındadır ve bu ünitelerde kullanılabilecek buhar basıncına kısıtlama getirir. Lehimli plaka ısı eşanjörleri Lehimli bir plaka ısı eşanjöründe tüm plakalar bir vakum fırınında birlikte lehimlenir (normalde bakır veya nikel kullanılarak). Contalı plaka ısı eşanjörünün bir gelişimidir ve nispeten düşük maliyetle daha yüksek basınçlara ve sıcaklıklara daha fazla direnç sağlamak için geliştirilmiştir. Ancak, contalı ünitenin aksine, lehimli plaka ısı eşanjörü sökülemez. Temizlik gerekirse ya ters yıkanmalı ya da kimyasal olarak temizlenmelidir. Ayrıca bu ünitelerin standart bir boyut aralığında geldiği anlamına gelir, bu nedenle aşırı boyutlandırma yaygındır. Lehimli ısı eşanjörü contalı tipe göre daha sağlam bir tasarıma sahipken, daha rijit yapısı nedeniyle termal yorgunluğa daha yatkındır. Bu nedenle, sıcaklık ve yükteki ani veya sık değişikliklerden kaçınılmalı ve termal gerilimi önlemek için buhar tarafındaki kontrole daha fazla dikkat edilmelidir. Lehimli ısı eşanjörleri, alan ısıtmasında olduğu gibi sıcaklık değişimlerinin yavaş olduğu uygulamalar için daha uygundur (ve öncelikle kullanılır). Ayrıca termal yağ gibi kademeli olarak genleşen ikincil akışkanlarla da başarıyla kullanılabilirler. Kaynaklı plaka ısı eşanjörleri Kaynaklı bir plaka ısı eşanjöründe plaka paketi, plakalar arasındaki kaynak dikişleri ile bir arada tutulur. Lazer kaynak tekniklerinin kullanılması, plaka paketinin lehimli plaka paketinden daha esnek olmasını sağlar ve kaynaklı ünitenin basınç pulsasyonuna ve termal döngüye daha dayanıklı olmasını sağlar. Kaynaklı ünitenin yüksek sıcaklık ve basınç çalışma limitleri, bu ısı eşanjörlerinin normalde daha yüksek bir spesifikasyona sahip olduğu ve ağır hizmet tipi proses endüstrisi uygulamalarına daha uygun olduğu anlamına gelir. Genellikle yüksek basınç veya sıcaklık performansının gerekli olduğu veya yağ ve diğer hidrokarbonlar gibi viskoz akışkanların ısıtılacağı durumlarda kullanılırlar. Kabuk ve borulu ısı eşanjörleri Kabuk ve borulu ısı eşanjörü, muhtemelen endüstriyel proses uygulamalarında dolaylı ısı değişimini sağlamanın en yaygın yöntemidir. Bir kabuk ve borulu ısı eşanjörü, silindirik bir kabuk içine yerleştirilmiş bir boru demetinden oluşur. Boruların uçları, birincil ve ikincil akışkanları ayıran boru levhalarına takılmıştır. Yoğuşan buharın ısıtma ortamı olarak kullanıldığı durumlarda, ısı eşanjörü genellikle yoğuşmanın boruların içinde gerçekleştiği yatay konumdadır. Aşırı soğutma, ısı eşanjöründeki kondensden ekstra ısı geri kazanmak için bir araç olarak da kullanılabilir. Ancak, gerekli aşırı soğutma derecesi nispeten büyükse, ayrı bir kondens soğutucu kullanmak genellikle daha uygundur.

Buharla ısıtılan depolamasız kaloriferler

Buhardan suya depolamasız bir kalorifer için yaygın bir tasarım Şekil 2.13.4’te gösterilmektedir. Bu, U-boru demetinin sabit bir boru levhasına takıldığı ‘tek kabuk geçişli iki boru geçişli’ tipi kabuk ve borulu ısı eşanjörü olarak bilinir.

‘Tek kabuk geçişli’ olduğu söylenir, çünkü ikincil akışkan giriş ve çıkış bağlantıları ısı eşanjörünün farklı uçlarındadır, dolayısıyla kabuk tarafı akışkanı ünitenin uzunluğunu yalnızca bir kez geçer. İki boru geçişli olduğu söylenir, çünkü buhar giriş ve çıkış bağlantıları eşanjörün aynı ucundadır, böylece boru tarafı akışkanı ünitenin uzunluğunu iki kez geçer.

Bir geçiş ayırıcı (ayrıca ayırma plakası veya tüy plakası olarak da adlandırılır) eşanjör başlığını böler, böylece boru tarafı akışkanı başlıktan düz geçmek yerine U-boru demeti boyunca yönlendirilir. Bu nispeten basit ve ucuz bir tasarımdır, çünkü yalnızca bir boru levhası gerekir, ancak boruların temizlenmesinin daha zor olması nedeniyle nispeten temiz akışkanlarla kullanımla sınırlıdır. Not; bu tip ısı eşanjörlerinde bir boruyu değiştirmek daha zordur. Kabukta genellikle, kabuk tarafı akış akışını borular boyunca yönlendiren, ısı transferi hızını artıran ve boruları destekleyen deflektörler bulunur. Soğuk başlatma Modül 2.7’de bahsedildiği gibi, başlatma yükü nadiren meydana geliyorsa veya tam yük çıkışına ulaşmak için geçen süre kritik değilse göz ardı edilebilir. Bu nedenle, kontrol vanaları ve ısı eşanjörlerinin genellikle tam yük artı olağan güvenlik faktörlerine göre boyutlandırıldığı görülecektir. Geceleri ve hafta sonları kapanan sistemlerle, soğuk bir kış sabahı başlatma sırasında ikincil su sıcaklığı düşük olabilir ve ısıtma kaloriferlerindeki yoğunlaşma hızları tam yük koşulundan daha yüksek olacaktır. Sonuç olarak, buhar alanındaki basınç, ikincil giriş sıcaklığı tasarım rakamına yükselene kadar, ısı eşanjörünün normalde çalıştığı basıncın önemli ölçüde altında olabilir. Termal açıdan, bu bir sorun teşkil etmeyebilir - sistem basitçe ısınmak için daha uzun sürer. Ancak, tasarımcı bu durumu hesaba katmadıysa, yetersiz bir kondens tahliye sistemi kondensin buhar alanında birikmesine neden olabilir. Bu şunlara neden olabilir:

• Dahili korozyon.
• Bozulmadan kaynaklanan mekanik gerilim.
• Su darbesinden kaynaklanan gürültü. Bu tür koşullara dayanacak şekilde tasarlanmamış ısı eşanjörleri sorunlara yol açacaktır. Isıtma yüklerinin tahmini Binalar - Bir ısıtma yükünü tahmin etmenin pratik, öznel bir yöntemi binanın kendisine bakmaktır. Hesaplamalar, hava değişim sayısı ve kavite duvarları, pencereler ve çatılar yoluyla ısı transferi hızları gibi faktörleri içerecek şekilde karmaşık olabilir. Ancak, toplam bina hacmini almak ve 3 000 m³’ye kadar basitçe 30 - 40 W/m³ ve 3 000 m³’den fazlaysa 15 - 30 W/m³ izin verilmesiyle genellikle makul bir tahmin elde edilebilir. Bu, dış sıcaklık yaklaşık -1°C’lik bir tasarım koşulundayken ısıtma yükünün makul bir tahminini verecektir. Mevcut bir kurulum için buhar tüketimini belirlemenin pratik bir yolu, doğru ve güvenilir bir buhar akışölçeri kullanmaktır.

Örnek 2.13.2

Gerçek ölçülen koşullardan bir ısıtma kaloriferinin tasarım kapasitesini belirleyin Bir ısıtma kaloriferinin tasarım kapasitesi bilinmiyor, ancak dış sıcaklık 7 °C ve iç sıcaklık 19 °C olduğunda, yani 12 °C’lik bir farkla buhar yükü 227 kg/h olarak ölçülmüştür. Kalorifer ayrıca dış sıcaklık -1 °C olduğunda 19 °C iç sıcaklık sağlamak üzere tasarlanmıştır, yani 20 °C’lik bir fark. Tasarım koşulundaki buhar yükü, sıcaklık farklarının oranı ile basitçe tahmin edilebilir:

Sıcak su depolama kaloriferleri

Sıcak su depolama kaloriferleri, tüm içeriğin sıcaklığını belirli bir süre içinde soğuktan depolama sıcaklığına çıkarmak üzere tasarlanmıştır. Isınma veya toparlanma süresi boyunca yoğunlaşan buharın ortalama hızı, Denklem 2.13.1 kullanılarak hesaplanabilir

Örnek 2.13.2 Bir depolama kaloriferinin ortalama buhar yükünü hesaplayın Bir depolama kaloriferi 2 272 litre (2 272 kg) kapasiteye sahiptir ve bu suyun sıcaklığını 2 bar g buharla ½ saat içinde 10°C’den 60°C’ye çıkarmak üzere tasarlanmıştır. su için cp = 4.19 kJ/kg °C

Bu ortalama değer kontrol vanasının boyutlandırılmasında kullanılabilir. Ancak, suyun sıcaklığı en düşük değerindeyken, örneğin 10 °C, buharın yüksek yoğunlaşma hızı tamamen açık kontrol vanasının geçebileceğinden daha fazla olabilir ve serpantin buhardan mahrum kalabilir. Serpantindeki basınç önemli ölçüde düşecek ve kondens tahliye cihazının kapasitesini azaltacak net etkiye sahip olacaktır. Tahliye cihazı yanlış boyutlandırılmış veya seçilmişse, kondens serpantin içine yedeklenebilir, ısı transferi kabiliyetini ve gerekli ısınma süresine ulaşma kabiliyetini azaltabilir. Su darbesi meydana gelebilir, ciddi gürültü ve serpantine mekanik gerilmeler neden olabilir. Ancak, kondensin serpantin içine yedeklenmesine izin verilmezse, sistem yine de doğru ısınma süresini koruyabilmelidir.

Çözüm, uygun kondens tahliyesini sağlamaktır. Bu, sistem ihtiyaçlarına bağlı olarak bir buhar konaanstobu veya otomatik pompalı konaanstobu ile başarılabilir. (Modül 13.1 - Isı Eşanjörleri ve Durma koşuluna bakın).

Other shell and tube steam heaters

In other heat exchangers using steam an internal floating head may be used, which is generally more versatile than the fixed head of the U-tube exchangers. They are more suitable for use on applications with higher temperature differences between the steam and secondary fluid. As the tube bundle can be removed they can be cleaned more easily. The tube-side fluid is often directed to flow through a number of passes to increase the length of the flow path. Exchangers are normally built with between one and sixteen tube passes, and the number of passes is selected to achieve the designed tube-side velocity. The tubes are arranged into the number of passes required by dividing up the header using a number of partition plates. Two shell passes are occasionally created by fitting a longitudinal shell-side baffle down the centre of the exchanger, where the temperature difference would be unsuitable for a single pass. Divided flow and split flow arrangements are also used where the pressure drop rather than the heat transfer rate is the controlling factor in the design, to reduce the shell-side pressure drop. Steam may also be used to evaporate (or vaporise) a liquid, in a type of shell and tube heat exchanger known as a reboiler. These are used in the petroleum industry to vaporise a fraction of the bottom product from a distillation column. These tend to be horizontal, with vaporisation in the shell and condensation in the tubes (see Figure 2.13.5).

In forced circulation reboilers the secondary fluid is pumped through the exchanger, whilst in thermosyphon reboilers natural circulation is maintained by differences in density. In kettle reboilers there is no circulation of the secondary fluid, and the tubes are submerged in a pool of liquid.

Table 2.13.3 Typical heat transfer coefficients for some shell and tube heat exchangers

Although it is desirable to achieve dropwise condensation in all these applications, it is often difficult to maintain and is unpredictable. To remain practical, design calculations are generally based on the assumption of filmwise condensation.

The heat transfer area for a shell and tube heat exchanger may be estimated using Equation 2.5.3. Although these units will also normally be specified in consultation with the manufacturers, some typical overall heat transfer coefficients where steam is used as the heating medium (and which include an allowance for fouling) are provided in Table 2.13.3, as a guide.

Corrugated tube heat ex​changers

One evolution in the design of the traditional shell and tube heat exchanger, is the recent development of the corrugated tube heat exchanger. This is a single passage fixed plate heat exchanger with a welded shell, and rectilinear corrugated tubes that are suitable for low viscosity fluids. In a similar manner to the plate heat exchangers, the corrugated tubes promote turbulent operating conditions that maximise heat transfer and reduce fouling. Like the traditional shell and tube heat exchangers, these units are commonly installed horizontally. However, in the corrugated tube heat exchanger the steam should always be on the shell side.

Spiral heat e​xchangers

Spiral heat exchangers share many similar characteristics with shell and tube and plate heat exchangers and are used on many of the same applications. They consist of fabricated metal sheets that are cold worked and welded to form a pair of concentric spiral channels, which are closed by gasketed end-plates bolted to an outer case. Turbulence in the channels is generally high, with identical flow characteristics being obtained for both fluids. They are also relatively easy to clean and can be used for very heavy fouling fluids and slurries. The use of only a single pass for both fluids, combined with the compactness of the unit, means that pressure drops across the connections are usually quite low.