1. ISI DEĞİŞTİRİCİLERİN SINIFLANDIRILMASI Isı değiştiriciler ısı enerjisini bir akışkandan diğer akışkana aktaran Isı değiştiriciler çeşitli özelliklerine göre sınıflandırılabilir. Bu sınıflandırma şekilleri yüzey geometrilerinin, ısı değişiminin, faz değişiminin vs. nasıl olduğuna göre değişik şekillerde sınıflandırılabilir. Bu sınıflandırmalara bir göz atalım. 1. Isı Değişim Şekline Göre y Akışkanların Direk Temasta Olduğu Isı Değiştiriciler
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1. ISI DEĞİŞTİRİCİLERİN SINIFLANDIRILMASI
Isı değiştiriciler ısı enerjisini bir akışkandan diğer akışkana aktaran
Isı değiştiriciler çeşitli özelliklerine göre sınıflandırılabilir. Bu sınıflandırma şekilleri yüzey
geometrilerinin, ısı değişiminin, faz değişiminin vs. nasıl olduğuna göre değişik şekillerde
sınıflandırılabilir. Bu sınıflandırmalara bir göz atalım.
1. Isı Değişim Şekline Göre
Akışkanların Direk Temasta Olduğu Isı Değiştiriciler
Akışkanların Direk Temasta Olmadığı(aralarında iki akışkanı birbirinden ayıran bir
yüzeyin olduğu) ısı Değiştiricileri
2. Isı Geçiş Yüzeyinin Isı Geçiş Hacmine Oranına Göre Sınıflandırma (Kompaktlık
Oranı) (β: Yüzey Alanı Yoğunluğu)
)(.)(
3
2
mHacmiDeğIsımYüzeyiGeçişIsı
=β
( )32700 mm>β kompakt
( )32700 mm=β veya ( )32700 mm<β kompakt olmayan ısı değiştirici olarak adlandırılırlar.
3. Farklı akışkan – faz sayısına göre sınıflandırma
2 Akışkan (Faz)
3 Akışkan (Faz)
n Akışkan (Faz)
Genelde iki akışkanlı ısı değiştiriciler kullanılırlar. Üç akışkanlı ısı değiştiricilere
örnek olarak havanın ayrıştırılması, suyun buharlaştırılması ve hidrojenin saflaştırılması verilebilir.
4. Isı Geçiş Mekanizmasına Göre Sınıflandırma
İki Tarafta da Tek Fazlı Akış (Radyatör, Konvektör)
Bir Tarafta Tek Fazlı Diğer Tarafta Çift Fazlı Akış (Buharlaştırıcılar-
Yoğuşturucular)
Her İki Tarafta da Çift Fazlı Akış
Taşınım ve Işınımla Beraber Isı Geçişi
Isı değiştiricinin bir tarafında akışkan olarak yüksek sıcaklıkta gaz kullanılıyorsa radyasyon
ve taşınımla ısı transferi gerçekleşir. (yanma gazları-buhar kazanı)
5. Konstrüksiyon Özelliklerine Göre Sınıflandırma
1. Borulu Isı Değiştiriciler
Düz Borulu Isı Değiştiriciler
Spiral Borulu Isı Değiştiriciler
Gövde ve Boru tipi Isı Değiştiriciler
2. Levhalı Isı Değiştiriciler
Contalı Levhalı Isı Değiştiriciler
Gövde-Levhalı ısı değiştiriciler
Spiral Levhalı Isı Değiştiriciler
Lamelli Levhalı Isı Değiştiriciler
3. Kanatlı Yüzeyli Isı Değiştiriciler
Levhalı Kanatlı Isı Değiştiriciler
Borulu Kanatlı Isı Değiştiriciler
4. Rejeneratif Isı Değiştiriciler
Sabit Dolgu Maddeli Rejeneratörler
Döner Dolgu Maddeli Rejeneratörler
Ljungstrom tipi rejeneratif hava ısıtıcıhava
5. Konstrüksiyon Özelliklerine Göre Sınıflandırma
1. Tek Geçişli Isı Değiştiriciler (en yaygın)
Paralel Akımlı Isı Değiştiriciler
Ters Akımlı Isı Değiştiriciler
Çapraz Akımlı Isı Değiştiriciler
2. Çok Geçişli Isı Değiştiriciler
Çapraz Ters ve Çapraz Paralel Isı Değiştiriciler
Çok Geçişli Gövde Borulu Isı Değiştiriciler
n Adet Paralel Levha Geçişli Isı Değiştiriciler
2. ISI DEĞİŞTİRİCİLERİN TEMEL TASARIM YÖNTEMLERİ
Isı değiştiricilerin tasarımında en çok karşımıza çıkan problem boyutlandırma ve verimliliktir.
İncelememizde iki akışkanlı ve direk transfer işlemi içeren ısı değiştiricilerini ele alacağız. Verim
probleminde elimizde mevcut bir ısı değiştirici için belirli bir kütlesel debi, giriş-çıkış sıcaklıkları
ve izin verilen basınç kayıpları için akışkan çıkış sıcaklıkları ve transfer edilen enerji miktarı
hesaplanır. Hesaplanan bu değerler kullanılarak da sistemin uygun olup olmadığına karar verilir.
Tasarımda karşımıza çıkacak diğer bir sorun da boyutlandırmadır. Bu problemde amacımıza uygun
bir ısı değiştirici tipi seçilerek ve bu ısı değiştiricide sıcak ve soğuk akışkanların giriş çıkış
sıcaklıkları, kütlesel debiler ve ΔP belirlenerek bu koşullardaki ısı transferini sağlayacak ısı
değiştiricinin boyutları hesaplanır. Daha önceki sınıflandırmamızı da dikkate alarak ısı
değiştiricileri akış düzenlemelerine göre farklı şekilde isimlendirmiştik.
Şekil 2.1: Akış Durumlarına Göre Isı Değiştiricilerinin Sınıflandırılması
Şekil 2.1’de görüldüğü gibi ısı değiştiriciler paralel akışlı, karşıt akışlı ve çapraz akışlı
olarak isimlendirilebilirler.
Şekil 2.2’de çok geçişli akış düzenlemeleri görülmektedir.
Şekil 2.2: Karşıt Akışlı Çok Geçişli Düzen
Akış modellerine göre bu şekilde sınıflandırdığımız ısı değiştiricilerde boyutlandırma ve
verim hesaplamaları ısıl analiz kapsamında değerlendirilir. Ancak ısı değiştiricilerin tam bir
tasarımında ise bu temel ısı eşitliklerine ek olarak kurulacak sistemin yapısal ve ekonomik açıdan
da incelenmesi gereklidir.
Bizim incelememizde dikkate alacağımız akışkan-akışkan ısı transferi süreçlerinde
sistemdeki sıcaklık değişimi akış düzenine bağlıdır. Girişten çıkışa kadar olan sıcaklık değişimi,
akış modeli ya da düzenlemesine bağlıdır. Farklı akış düzenlemeleri için akışkanlarının
sıcaklıklarının ısı değiştirici girişinden itibaren değişimleri Şekil 2.3’de görülmektedir.
Şekil 2.3: Paralel Akım, Karşıt Akım, Buharlaştırıcı ve Yoğuşturucu Isı Değiştiricilerinde Akışkan
Sıcaklığı Değişimi. (a) Karşıt Akış; (b) Paralel Akış;
Şekil 2.3 (a)’da karşıt akımlı sistemdeki sıcaklık değişimi görülmektedir. Burada her iki akışkan
arasındaki sıcaklık farklılığı paralel modele göre ısı değiştirici uzunluğu boyunca daha az bir
değişim göstermektedir. Paralel akışlıda ise ısı değiştiricinin giriş noktasında sıcak akışkan en sıcak,
soğuk akışkan ise en soğuk konumdadır. Dolayısıyla ΔT girişte en yüksek değerdedir, ilerledikçe ΔT
değeri gitgide küçülür. Şekil 2.3 (c)’de ise sabit sıcaklıkta soğuk akışkanın buharlaşması, Şekil 2.3
(d)’de ise yine sabit sıcaklıkta sıcak akışkanın yoğuşması görülmektedir. Her iki sistemde de ΔT
değişimi oldukça fazladır. Sıcaklık profillerinin yapısı ayrıca akışkanların ısı kapasitelerine ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
pCm.
bağlıdır.
Isı değiştiricileri termodinamiğin birinci yasasına göre incelersek kararlı hal koşullarında kinetik ve
potansiyel enerji değişimleri ihmal edilerek ve açık sistem oldukları düşünülerek birinci yasaya
göre idmQ.
=δ yazılabilir. Denklemi integre ederek;
( )12
.iimQ −= …..(2.1)
şeklinde yazılabilir. .
m : Kütlesel Debi
i : Akışkanların Entalpi Değerleri (1. Giriş, 2. Çıkış)
Isı değiştiricileri incelememizde bu sistemlerin dış yüzeylerinin çok iyi yalıtıldığını dolayısıyla
adyabatik olarak çalıştıkları varsayılırsa enerji korunumu ilkesini sıcak ve soğuk akışkanlara
uyguladığımızda sırasıyla;
Sıcak akışkan için; ( )21
.
hhh iimQ −= …..(2.2a)
hm.
= Sıcak Akışkanın Kütlesel Debisi (1. Giriş, 2. Çıkış)
Soğuk akışkan için;
( )12
.
ccc iimQ −= …..(2.2b)
cm.
= Soğuk Akışkanın Kütlesel Debisi (1. Giriş, 2. Çıkış)
Eğer incelediğimiz ısı değiştiricide faz değişimi söz konusu değilse entalpi değişimi özgül ısılar
cinsinden ifade edilebilir. Yani sıcak akışkan için;
( )21
.
hhh
p TTcmQ −⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= …..(2.3a)
ve soğuk akışkan için;
( )12
.
ccc
p TTcmQ −⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= …..(2.3b)
yazılabilir.
Şekil 2.3’ü incelersek ısı değiştiricinin akış modeline bağlı olarak sıcak ve soğuk akışkanlar
arasındaki sıcaklık farkının ( ch TTT −=Δ ) ısı değiştiricinin içindeki konumla ve akış
düzenlemesiyle yakından ilgili olduğunu görürüz. TΔ ’deki bu değişim nedeniyle ısı değiştiricilerin
ısıl analizinde tüm sistem için uygun bir TΔ ’nin tanımlanması gerekir.
Isıl analizde kullanacağımız önemli bir denklem de
mTUAQ Δ= …..(2.4)
Bu ifade de (U) toplam ortalama ısı transfer katsayısı, (A) ısı transfer alanı, (Q) transfer edilen
enerji miktarı ve ( )mTΔ ise sıcak ve soğuk akışkan arasındaki ortalama sıcaklık farkıdır. ΔTm 1hT ,
2hT , 1cT ve 2cT ’nin fonksiyonu olarak bulunmaktadır.
2.1 Toplam Isı Transfer Katsayıları
Isı değiştiriciler genelde tek bir cins malzemeden imal edilirler. Ancak bazen korozyon gibi
kimyasal etkileşimleri bir ölçüde engellemek amacıyla malzeme yüzeyi plastik bir koruyucuyla
kaplanabilir. Pratikte ısı değiştiricilerde kullanımları süresince zamana bağlı olarak yüzeyde
birikinti meydana gelir. Birikinti oluşumu ısı transferine ilave bir direnç yaratır. Uygulamada büyük
bir sorun yaratan birikinti oluşumu akışkan tipi, akışkan hızı, yüzeylerin yapısı ve ısı değiştiricinin
kullanım süresinin fonksiyonudur. Ayrıca ısı değiştiricilerde akışkanlardan biri veya her ikisinin
olduğu yüzeylere kanatçıklar eklenebilir. Kanatçık eklenmesiyle yüzey alanında artış sağlanır,
ancak kanatçık ilavesi yüzeyde ek bir direnç de yaratır. Bu nedenle kanatçık eklenmesinin de
dikkatli yapılması gerekir. Pürüzsüz, düz ve üzerinde birikinti olmayan bir yüzey için (UA) çarpımı;
AhkAt
AhR
UA
i
t
0
1111
++== …..(2.5)
tR : Toplam Isıl Direnç
t : Kalınlık.
k : Duvar Malzemesinin Isı İletim Katsayısı.
ih , 0h : Isı Taşınım Katsayıları
Birikinti olmayan kanatçıksız bir boru tipi ısı değiştiricide toplam ısı transfer katsayısı;
( )00
000 1
2ln1
11
AhkLrr
AhR
AUAUi
ii
tii
++===
π
…..(2.6)
Eğer ısı transfer yüzeyinde birikinti meydana gelirse sıcak ve soğuk akışkan arasındaki ısı akımına
birikinti nedeniyle ek bir direnç oluşur. Bu ilave direnç boyunca da sTΔ sıcaklık düşümü meydana
gelir.
ss
s
AhR
QT 1
==Δ
…..(2.7)
Buradaki (A) birikinti olmadan önceki yüzeyin orijinal ısı transfer alanı, ( sh )’de taşınım
katsayısıdır. Birikinti oluşumu iç ve dış yüzeyin her iki tarafında da meydana gelir. Toplam ısıl
direnç;
000
0
00
11111hAA
RA
RR
AhAUAUUAR f
i
ifw
iiiit ++++==== …..(2.8)
wR : Boru Malzemesinin Isıl Direnci
ifR : İç Taraftaki Birikinti Isıl Direnci
0fR : Dış Taraftaki Birikinti Isıl Direnci
kAtRw = (düz levha ise)…..(2.9a)
( )
Lkrr
R iw π2
ln 0= (boru tipi ise)…..(2.9b)
Şekil 2.4: Kanatçıklı Yüzey
Şekildeki kanatçıklı yüzeyi ele alalım. Eklenen kanatçığın veriminin fη olduğunu kabul edersek
burada transfer edilen enerji miktarı;
( ) ThAhAQ uufff Δ+= η …..(2.10)
Burada (ΔT) ya ( )1wh TT − veya ( )cw TT −2 ’dir. ( )uA kanatçıksız alan, ( )fA kanatçıklı alan, ( )fh
4. Bilinmeyen çıkış sıcaklıkları sıcak ve soğuk akışkanların enerji denklemlerinden bulunur.
Eğer NTU−ε yöntemini bir boyutlandırma problemine uygularsak;
1. Giriş ve çıkış sıcaklıkları biliniyorsa ε değeri hesaplanır.
2. .max.min CC oranı bulunur.
3. Toplam ısı transfer katsayısı hesaplanır.
4. ε , .max.min CC ve akım düzenlemesi biliniyorsa uygun bağıntı veya grafiklerden NTU
bulunur.
5. NTU = .minCUA ’den alan hesaplanır.
2.6 Değişken Toplam Isı Transfer Katsayısı
Çoğu uygulamada toplam ısı transfer katsayısı, ısı değiştiricinin uzunluğu boyunca değişim
gösterir. Toplam ısı transfer katsayısı akışkan özelliklerinden, ısı transferinin meydana geldiği
yüzeyin geometrisinin ve Re sayısından önemli derecede etkilenir. Toplam ısı transfer katsayısının
değişimini içeren metotlar ya da yöntemler paralel akışlı, karşıt akışlı ve çok geçişli ısı değiştiriciler
için verilmiştir.
Bazı önemli durumları görelim;
Şekil 2.6: Isı Değiştiricilerde Toplam Isı Transfer Katsayısının Değiştiği Çeşitli Durumlar
Isı değiştiricilerde toplam ısı transfer katsayısının önemli ölçüde değiştiği tipik durumlar
şekillerde görülmektedir. Şekil a’da duyulur ısıtma ve soğutma yok ve sıcaklık sabit gibidir ancak
U’daki değişim çok büyüktür. Şekil b’de ise akışkanlardan biri faz değiştirirken diğeri sadece
duyulur ısınma göstermektedir. Soğuma birde kızgın buhar doymuş buhar haline soğumakta,
ardından yoğuşmakta ve ardından doymuş sıvı halinden sıkıştırılmış sıvı haline kadar soğumaktadır.
Şekil c’de ise akışkanlardan biri sadece duyulur ısı transferi ile soğurken diğer akışkan ise
sıkıştırılmış sıvı halinden kızgın buhar haline dönüşmektedir. Şekli d’de ise akışkanlardan birinin
bileşimi mevcut koşullarda yoğuşabilen ve yoğuşmayan gazlardan oluşmaktadır. Sistemde
yoğuşabilen bileşen yoğuşurken diğer bileşen ise yoğuşmadan gaz fazında kalır.
Toplam ısı transfer katsayısında değişimin görüldüğü ikinci ve üçüncü şekillerdeki gibi
sistemlerde ısı değiştirici seri olarak bağlı üç ısı değiştirici gibi düşünülür ve hesaplamalar her biri
için ayrı ayrı yapılır. Tüm sistemler için geçerli olan diğer bir yaklaşımda ısı değiştiriciyi çok küçük
elemanlardan meydana gelmiş gibi düşünmek ve her ünite için U’daki değişimi dikkate alarak o
parçada geçerli olacak toplam ısı transfer katsayısını kullanarak hesaplamaları yapmaktır. Bunun
için sonlu farklar yöntemi veya diğer sayısal yöntemler uygulanabilir.
Çift borulu paralel akışlı bir ısı değiştiriciyi düşünelim. Isı değiştiricideki yüzey elemanını
da iAΔ olarak alalım ve göz önüne aldığımız bu parçadaki akışkan sıcaklıkları da hiT ve ciT olsun.
Toplam ısı transfer katsayısını akışkan sıcaklıklarının fonksiyonu olarak tanımlayalım.
iU = ( )cihii TTU , …..(2.40)
iAΔ yüzey elemanı için enerji korunumunu uygularsak
iQΔ = ( )( )hiihhi
p TTCm −⎟⎠⎞
⎜⎝⎛− +1
. = ( )( )ciic
cip TTCm −⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
+1
.
iQδ = ( )ichii TTAU −Δ …..(2.41)
Paralel akımlı durumu inceleyelim.
( )ch
ch
TTTTd
−−
= dACC
Uch
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−
11
Sonlu farklar yaklaşımı kullanarak yazalım.
( ) ( )( )ich
ichich
TTTTTT
−
−−− +1 = ihici
i ACC
U Δ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−
11
( ) 1+− ich TT = ( ) ( )iiich AMTT Δ−− 1
iM = ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
hicii CC
U 11 …..(2.42)
Sayısal çözüm incelenirken şu sıra izlenir.
1. Hesaplama için iAΔ ’nin uygun bir değeri seçilir.
2. Başlangıç AΔ artımı için giriş koşulları dikkate alınarak iç ve dış yüzeye ait ısı transfer
katsayıları ile toplam ısı transfer katsayısı hesaplanır.
3. iQΔ = ( )ichii TTAU −Δ denklemi kullanılarak hesap yapılan adımdaki transfer edilen enerji
miktarı hesaplanır.
4. Her akışkana ait enerji korunumu denklemeleri kullanılarak bir sonraki adımdaki
kullanılmak üzere akışkan sıcaklıkları elde edilir.
Hesaplamalar sonunda tüm ısı değiştiricide transfer edilen enerji miktarı da her adımda elde edilen
enerji miktarları toplanarak elde edilir.
Q =∑≈
Δn
iiQ
1
…..(2.43)
İlgili kaynaklardan diğer akış modelleri için uygulanacak yöntemle ilgili farklı yöntemler
bulunabilir. Bazı ısı değiştiricilerde mevcut koşullarda toplam ısı transfer katsayısı ve TΔ , Q ile
doğrusal olarak değişebilir. Bu durumda değişim;
Q = lmm TAU Δ …..(2.44)
Q = ( )( )[ ]2112
2112
ln TUTUTUTUA
ΔΔΔ−Δ …..(2.45)
Bu denklemde 1U ve 2U değerleri ısı değiştiricinin 21 TT Δ−Δ sıcaklık farklılıkları okunduğu
yerlerdeki katsayılardır. 1TΔ ’de 2U ve 2TΔ ’de 1U okunur. U’nun değişimini dikkate alan diğer bir
yaklaşım U1 ile TΔ ’nin Q ile doğrusal değiştiği durumdur.
lmm TAU Δ .....(2.46)
mU1 = ⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡Δ−ΔΔ−Δ
21
2
1
1TTTT
Ulm = ⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡Δ−ΔΔ−Δ
21
1
2
1TTTT
Ulm …..(2.47)
elde edilen son denklemler ısı değiştiricinin faz değişimi olmayan bölgeler için geçerlidir.
3. YOĞUŞTURUCULAR (YOĞUŞTURUCULAR) Yoğuşturucular gaz fazında kompresörde çıkan soğutma akışkanını sıvı fazına dönüştüren (yoğuşturan) ısı değiştiricileridir. En yaygın olarak kulanılan tipleri Havalı tip yoğuşturucular ve gövde boru tipi yoğuşturuculardır.
Şekil 3.1 Gövde boru tipi yoğuşturucu
Şekil 3.2 Tamamen kapalı gövde boru tipi condenser (YTO Türkoğlu Makine Sanayi ve Tic Ltd. Şti, İzmir)
Şekil 3.3 Eşeksenli iç içe iki borulu (içteki döner boru) yoğuşturucu
Şekil 3.4 Kaynaklı levha tipi yoğuşturucu
Şekil 3.5 Havalı tip yoğuşturucu
Şekil 3.6 Küçük soğutma sistemlerinde kullanılan doğal taşınım hava soğutmalı tip yoğuşturucular Önce gövde-boru tipi yoğuşturucularda ısı geçiş hesaplarını nasıl yapacağımızı irdeleyelim. Bu tür
ısı değiştiricide ısı değiştiricinin dış tarafında genellikle yoğuşan soğutkan, iç tarafında da genellikle
soğutma suyu bulunur, ancak bunun tersi uygulamalarda mevcuttur. Soğutkan ısı değiştiriciye gaz
fazında girebilir, sonra iki fazlı yoğuşma rejimine girer ve genelde sıvı fazında çıkar. Boru içindeki
sıvı akışı için Gnielinski denklemini kullanabiliriz. Bu denklem :
)1)(Pr8/(7.121Pr)1000)(Re8/(
3/2 −+−
=f
fNu D
D (3-1)
Şeklindedir. Buradaki f boru içi sürtünme katsayısı Re Reynolds sayısı, Pr prandtl sayısıdır. f
sürtünme katsayısının çözümü için Colebrook denklemi kullanılır. Bu denklem :
0Re
51.27.3
log0.2110 =
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+=f
Df
gD
H
ε
(3-2)
şeklinde yazılabilir. Buradaki ε yüzey pürüzlülük katsayısıdır. Denklemden de görüldüğü gibi bu denklemden f sürtünme katsayısının bulunması bir kök bulma prosesidir. Buradan kök değerinin bulunabilmesi için Newton-Raphson metodu gibi bir kök bulma algoritmasına ihtiyaç vardır. Kök bulma işleminde ilk tahmin değeri olarak biraz daha hatalı olan fakat f değerini direk olarak hesaplayan Haaland denklemi gibi bir denklemden yararlanılabilir.
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
+
⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−=D
HDf Re
9.67.3
log8.11
11.1
10
ε
(3-3A)
Eğer Colebrook denklemini hiç kullanmadan f sürtünme katsayısını hassas olarak iterative çözüm kullamadan direk olarak hesaplamak istersek Serghides denklemi veya Goudar denklemini kullanabiliriz. Serghides denklemi (1984) [18]
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−=
Re12
7.3)/(log2 10
DA ε
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−=
Re51.2
7.3)/(log2 10
ADB ε
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−=
Re51.2
7.3)/(log2 10
BDC ε
ABCABA
f +−−
−=2
)(1 2
(3-3B)
Goudar- Sonnad denklemi (2008)[19]
)10ln(2
=a
7.3)/( Db ε
=
Re02.5
)10ln(=d
)ln(dbds += ))1/(( += sssq
z
gg
LA 1+=δ
( )( )⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−++
+=123/)1(
2/1 2 gzgz
LACFA δδ
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= CFAq
daf
δln1
(3-3C)
Eğer su akışı boru dışında ise
ANNu sı= Rea
d,maxPr1/3
25.0
PrPr
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
o
f
(3-4)
Red,max= vdVmax (3-5)
dss
VV−
= ∞1
1max (3-6)
Denklemleriyle tanımlanabilir. Bu denklemlerdeki Red,max Reynolds sayısıdır. N, A ve, a katsayıları
Re sayısına ve boru demeti sayısına göre alttaki şekil ve tablodan seçilebilir.
Şekil 3.7 Boru eksenine dik akış düzenlemeleri
Tablo Boru demetine dik akış katsayıları
İki fazlı (yoğuşan) fazın boru dışında olması durumunda
4/1'3
)()(
729.0⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
−
−=
DTTNhkg
hboruyogusl
fglvllD μ
ρρρ (3-7)
)(68.0'boruyogusplfgfg TTChh −+= (3-8)
Buradaki l indisi doymuş sıvı fazı v indisi doymuş gaz fazını işaret etmektedir. N aynı sıradaki boru sayısıdır. Genllikle gövde boru tipi ısı değiştiricisinde bir sıradaki boru sayısı değiştiğinden eğer hesabı elde yapıyorsak ortalama boru sayısını alabiliriz. İki fazlı (yoğuşan) fazın boru içinde olması durumunda
4/1'3
)()(
555.0⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
−
−=
DTThkg
hboruyogusl
fglvllD μ
ρρρ (3-9)
Denklemini kullanırız. Denklemimiz Chaddock ve Chato denklemi adını alır. Boru içi yoğuşma durumunda soğutkanın tek fazlı olduğu bölgeleri (gaz ve sıvı fazı) irdelemek için yukarda su için vermiş olduğumuz Gnielinski denklemini kullanabiliriz. Boru içi iki fazlı ısı transferi olarak başka alternatigf denklemler de mevcuttur. Bu denklemlerden birkaçını daha burada vermekte fayda görüyoruz. Cavallini Zecchin denklemi kaynama ısı transferinde kullanılan Dittus-Boeltler denklemine benzer. Boru iç ve dış ısı değişim katsayılarını bulduktan sonra boru için toplam ısı değişim katsayısı
illeqTP Dkh /PrRe05.0 33.08.0= (3.10)
gg
f
l
gleq xx Re)1(ReRe
5.0
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−=
ρρ
μμ
(3.11)
gig D
mμπ
4Re = ve li
l Dmμπ
4Re = (3.12)
İki fazlı (yoğuşan) fazın boru içinde olması durumunda Traviss ve arkadaşları denklemi
(3.13) İki fazlı (yoğuşan) fazın boru içinde olması durumunda Shah denklemi
(3.14) İki fazlı (yoğuşan) fazın boru içinde olması durumunda Akers, Dean ve Crosser denklemi
(3.15)
( )2
21
121
1
12
ln11h
RALk
rrAAR
AA
hU di
d
i
d
d
++++=π (3-16)
Denklemi ile hesaplanabilir. Buradaki R1 ve R2 yüzeyde biriken kirliliklerden dolayı oluşan ek ısı değişim dirençleridir. Tek ve çift fazlı boru içi akış için basınç düşümü
2)(
2VKDLfP L ρ+=Δ (3-17) denklemiyle hesaplanabilir. Buradaki ρ yoğunluk, f, boru içi
sürtünme katsayısı, L boru boyu, boru iç çapı ve KL yerel basınç kayıplarıdır. V boru içi ortalama hız değeridir. Baınç düşümü dizaynı etkileyen önemli bir faktördür çok büyük olması durumunda suyun pompalanması için gereken enerji çok artacaktır. Çok küçük olması durumunda ise toplam ısı değişim katsayısı düşük olacağından ısı değiştiricimiz gereğinden çok büyük ve dolasıyla pahalı olacaktır. Havalı sistemler genellikle kanatlı ısı değiştiricilerdir. Bu değiştiricilerde basınç düşümü kompleks bir olaydır. Burada örnek olarak çok kullanılan 2 sıra borulu ve düz sürekli levha tipi bir havalı ısı değiştiricinin performans eğrisi şekil olarak verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi ısı transfer katsayısı jH ile ifade edilmiştir. Tanımı :
minAmG = (3-18) kütlesel hız
Amin = akış doğrultusundaki minimum serbest akış akış alanı
m = kütlesel debi, Cp özgül ısı, μ vizkozite, k ısıl iletim katsayısı, DH hidrolik yarıçap olmak üzere
pGChSt = (3-19) k
C p μ=Pr (3-20) μ
pGC=Re (3-21) A
LADHmin4= (3-22)
3/23/2 PrPrp
H GChStj == (3-23)
G, kütlesel hız terimini ifade ederken
σρρ ∞∞ ==
UA
AUG
şserbestakı
önkesit (3-24) tanımından da gidebiliriz.
Isı değiştiricinin toplam basınç düşümü
( ) ( )⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−−−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+−+=Δ
0
2
min0
22
11212 ρ
ρσ
ρρ
ρρ
σρ
ic
m
iic
i
KA
AfKGP (3-25)
Burada Kc, Ke akış daralma ve genişleme katsayılarıdır. ρi ve ρο giriş ve çıkış yoğunluklarıdır. ρm ortalama yoğunluktur. Basınç düşümü parantezinde birinci terim giriş etkisini, ikinci terim akıştaki ivmelenme kayıplarını üçüncü terim kanat alanından geçerkenki sürtünme kayıplarını ve son terim çıkış kayıplarını göstermektedir. Genellikle sürtünme kayıpları toplamın %90nından fazlasını teşkil eder. Yoğuşturucunun dış ısı taşınım katsayısı hesaplandıktan sonra içerden geçen soğutkan için ısı taşınım katsayısı yukarda verilen formülle belirlenebilir. Toplam ısı geçiş katsayısı için bir once kullandığımız denklemlerin bir benzerini kullanacağız, ancak burada kanat verimi terimi de denklemimize eklenir.
( )20
21
121
1
12
ln11h
RALk
rrAAR
AA
hU di
d
i
d
d ηπ++++= (3-26)
Buradaki η0 kanat verimidir.
Üstteki şekilde ısı taşınım katsayısını deneysel veriden elde ettik. Bu tür veriler bir çok ısı değiştirici geometrisi için bulunabilir verilerdir. Ancak daha genel denklemler her zaman için işimize yarayabilir. Bu tür denklemler deneysel değerlere göre belli bir hata barındırırlar, ancak modellerimiz için genelleştirilmiş veri oluşturma imkanı sağlarlar.
Genelleştirilmiş denklemlerimizde kullanacağımız parametreler üstteki kanat profile şeklinde verilmiştir. s=kanatlar arası mesafe, tf kanat kalınlığı, dr boru dış çapı, lf boru boyu ve df toplam yarıçap olmak üzere (bu resimde boru etrafında dairesel kanat kabul edilmiş). Modern gövde-boru tipi dış tarafta yoğuşmalı yoğuşturucularda yoğun kullanılan bir boru tipi sık ve küçük kanatlı borulardır. Bu tür borular için genel ısı transferi denklemleri : Düşük kanat yükseklikliği ve sık kanatlı borular için :
075.0164.0
3/1667.0 PrRe1507.0 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
ffd t
slsNu (3-27)
Burada s=3-Nf tf/Nf , Nf 1 m boru boyundaki kanat sayısıdır. Denklem Re=1000-20000 arasında eşkenar üçgen şeklinde yerleştirilmiş borular için geçerlidir. Tüm kanat yükseklikleri için:
1134.020.0
3/1681.0 PrRe134.0 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
ffd t
slsNu (3-28)
1134.020.0
3/1319.0 PrRe134.0 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= −
ffd t
slsj (3-29)
Düşük kanat yükseklikliği ve sık kanatlı borular için ( Rabas,Eckels ve Sabatino denklemi): Üçgen profile yerleştirilmiş borular için
nhf
f
r
ff
f
md t
ddd
xst
dsj αα
7717.0473.0666.0257.0
3/1PrRe292.0 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= − (3-30)
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
sd
m fln0346.0415.0 (3-31)
379.0709.0759.02251.0
3/1234.0 PrRe805.3 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= −
t
l
t
rf
fd P
PPdx
sl
dsf (3-32)
25.0
273273
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++
=w
bh T
Tα (3-33)
25.0
)Pr()Pr(
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
w
bn T
Tα (3-34)
Denklemlerdeki Pt ve Pl borular arasındaki mesafelerdir. Alttaki şekilde bu iki parameter gösterilmektedir. αh, αn sıcaklık düzeltme katsayılarıdır. Tb kanat dibi sıcaklığı, Tw kanat duvar sıcaklığıdır.
Bu denklemin uygulama sınırları lf < 6.35 mm, 1000<Re<25000 4.76<d<33.75 mm, 246<Nf<1181 kanat/m, 15.08<Pt<111 mm, Pl <= Pt 10.32<Pl<96.11 mm , df/s<40 ve Nr>6 için geçerlidir. Dairesel veya sürekli dalga verilmiş kanatlı borular için (Elmahdy ve Biggs denklemi):
2Re1ChCj = (3-35)
065.0141.0
1 159.0 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
f
h
f
f
tD
lt
C (3-36)
ALADH
min4= Hidrolik yarıçap (3-37) 077.0049.0
2 323.0 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
ff
f
ts
lt
C (3-38)
Bu denklem Re=200-2000 DH/tf=3-33 tf/lf=0.03-0.45 df/Pl=0.87-1.27 s/tf=2-25 df/Pt=0.76-1.4 d/df =0.37-0.85 σ = 0.35 -0.62 aralığında geçerlidir. sürekli kanatlı dairesel borular için (Gray ve Webb denklemi): 4 boru sırası olan durum için:
0312.0
0
502.03/1328.0
4 PrRe14.0 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
−
−
ds
PPj
l
td (3-39)
1 ile 3 boru arasında : )4(607.00312.0
0
031.03/1092.0
4 4PrRe24.9912.0
rN
rd
N
dsN
jj
−−
−
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= (3-40)
Bu denklemde Nr, boru dizi sayısı 1 ila 3 arasındadır. 4 sıradan fazla olan ısı değiştiricileri için boru dizi sayısı önemli değildir. Bu durumda basınç düşümü iki bileşenin toplamı olarak hesaplanabilir.
ft PPP Δ+Δ=Δ (3-41) Bu denklemdeki ΔPt borulardan dolayı oluşan basınç düşümü, ΔPf kanatlardan dolayı oluşan basınç düşümüdür.
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=Δ
c
t
it A
AfGPρ2
2
(3-42)
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=Δ
c
f
it A
AfGP
ρ2
2
(3-43)
Toplam sürtünme katsayısı:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+=
f
ft
ff p
tAA
fAA
ff 11 (3-44)
318.1
0
521.0Re508.0 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= −
dPf t
f d (3-45)
ft boru üzerinde akışın basınç düşümü için çeşitli formüller mevcuttur. Biz burada düz ve üçgen boru dizilişi için grafik formunda değerleri vereceğiz.
Grafikten f ve χ bulunduktan sonra ft=f χ denkleminden hesaplanır. Bu denklemin geçerli olduğu bölge : Nr = 3-8 Re = 500-24700 Pt/d = 1.97-2.55 Pl/d = 1.70-2.58 s/d=0.08-0.64 Re=Gd/μ Bu kadar denklemle uğraşamam deyen acele sonuca gitmek isteyenlerimiz için de daha hatalı
olmakla birlikte daha basit bir denklem verebiliriz sürekli kanatlı ısı değiştiricileri ve hava için: hf = 38V0.5
denklemi verilebilir. Son bir veri olarak kanat verimine bakalım. Eğer kanat düz ve devamlı ise
mLmL
f)tanh(
=η (3-46)
fkthLmL 2
= (3-47)
L : kanat boyu, tf : kanat kalınlığı, hf ısı taşınım katsayısı, k: kanat malzemesi ısı taşınım katsayısıdır. Sabit olmayan kanat profilleri için altta verilen figürleri kullanabiliriz:
Şevron Levha tipi condenser ısı transferi denklemleri içinde ısı transferi ve basınç düşümü denklemlerine göz atalım. Şevron tipi levhalarda şevron açısı φ oldukça önemlidir. Örneğin şekilde görüldüğü gibi küçük açıyla dik akış daha büyük bir açıyla dalgalı akış oluşturabiliriz.
Şevron açısına bağlı olarak levha tipi ısı değiştiricisinde basınç düşümü :
10 8.3cos1
cos/sin09.0tan045.0cos1
fffφ
φφφφ −
+++
= (3-48)
Bu denklemdeki f1,
9625.0Re149
1 +=f Re<2000 için (3-48a)
289.01 Re75.9
=f Re>=2000 için (3-48b)
Hidrolik yarıçap = Φ=
bdh2
(3-48c)
Alan artış faktörü Φ aşağıdaki bağıntıyla tanımlanır
( )2/141161)( 22 XXX ++++=Φ ve (3-48d)
Λ=
bX π2, (3-48e) buradaki b merkezden şevronun ucuna kadarki mesafe, Λ bir şevron
dalgasının uzunluğudur. Re sayısını bulmak için hız tanımı
pbBmu
ρ= (3-49) buradaki Bp levha genişliğidir. Martin tarafından geliştirilen bu denklemdeki
hata oranının 10-80 derece arasındaki şevron açısı için -50% ile +100% aralığında değiştiği bildirilmiştir. Sürtünme faktörü bulunduktan sonra Nu sayısını hesalayabiliriz.
Bu denklemin hata oranının 10-80 derece arasındaki şevron açısı için -+/- 20% aralığında değiştiği bildirilmiştir.
Yoğuşturuculer genelde yüksek basınç altında çalışan ekipmanlardır. Bu yüzden CE basınçlı kaplar talimatı yoğuşturuculer için geçerlidir. Tüm yoğuşturuculerin yapım sonrası basınç testinden geçirilmeleri gerekir. 4. BUHARLAŞTIRICILAR (EVAPORATÖRLER)
Şekil 4.1 Sıvı ikincil soğutkanlı bir buharlaştırıcı
Şekil 4.2 Sıvı ikincil soğutkanlı gövdeden buharlaştırmalı bir buharlaştırıcı
Şekil 4.3 Sıvı ikincil soğutkanlı gövdeden buharlaştırmalı sprey tipi buharlaştırıcı Buharlaştırıcılar temel dizaynları olarak yoğuşturuculardan çok farklı değildir. Önemli iki farkı yoğuşma yerine kaynama olması ve çalışma basıncının yoğuşturuculere gore daha düşük olmasıdır. Soğutkan sıvı fazdan gaz fazına geçerken hacmi oldukça artar, bu yüzden boru içi akışlarda çıkış hızları çok artabilir. Bu problem gövde boru tipi buharlaştırıcılerde çıkış borusu sayısını giriş borusu sayısına gore daha fazla yapılarak çözülebilir. Buharlaşma gövde tarafında da olabilir. Bu durumda genelde buharlaştırıcı içi seviye kontrolu ile kontrol edilen bir sistemle sıvı soğutkanla dolu olarak tutulur ve maksimum performans sağlanır. Boru içi Buharlaşmadaki ısı transferi mekanizmasına bir göz atalım. Buharlaşmada bir problem de çeşitli akış rejimlerini bir arada barındırmasıdır. Bu yüzden buharlaştırıcı dizaynında bu fazları göz önünde bulundurmak zorundayız. İlk bölgemiz sıvı bölgesinde akış için tek fazlı iç akış formüllerini kullanabiliriz. Örneğin Nu=0.023Re0.8Pr0.4 (4.1) denklemiyle hesaplayabiliriz. Baloncuklu akıştan itibaren is şu yaklaşımı uygulayabiliriz (Dittus-Boelter denklemi): hTP=hNB+hc (2-1)
buradaki hc F4.08.0lc PrRe)
Dk0.023(=h (42)
formülüyle verilir. F katsayısı Lockharrt-Martinelli parametresi ismini verdiğimiz bir katsayıyı kullanarak hesaplanır:
1.05.09.0
9.01
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
=v
l
l
vtt
xXμμ
ρρ
(4-3)
x= doygunluk derecesi kg buhar/kg toplam l sıvı v buhar ρ yoğunluk kg/m3, μ vizkozite
eğer 01≤
ttX 8.0)1( xF −= (4-4)
eğer 01>
ttX 8.0736.0
)1(1213.035.2 xX
Ftt
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+= (4-5)
Ikinci terim hNB yi hesaplamak için once iki fazlı bölge için sıvı Reynold sayısını hesaplarız.
ll
DxGμ
)1(Re −= (4-6)
AmG = (4-7)
lTP F ReRe 25.1= (4-8)
)Re653.21(1
17.1TPe
S−+
= (4-9)
SPTh
Ckh satsat
vfgl
lpllNB
75.024.024.024.029.05.0*
49.09.079.0
00122.0 ΔΔ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
ρμσρ
(4-10)
satwsat TTT −=Δ derece C Tw = duvar sıcaklığı, Tsat =doymuş buharlaşma sıcaklığı
)()( satwsat TPTPP −=Δ (4-11) σ∗ yüzey gerilim kuvvetidir. Buharlaştırıcıların çok büyük bir kısmında buharlaşma boru içinde olduğundan bu denklem kullanılmaktadır. Boru dışı ısı değişimi için de yoğuşma bölümünde verdiğimiz denklemler bire bir kullanılır. Boru içi buharlaşma için alternative denklemlerden örnekler de verelim : Bo Pierre boru içi buharlaşma denklemi: Bu denklem xgiriş=0.1 – 0.16 için geçerlidir
( ) 2/12Re0009.0 fff KNu = eğer xçıkış<0.9 ise (tamamlanmamış buharlaşma) (4.12)
LsaTP hFhNh 11 += (4.18) hL tek fazlı ısı transferi (sıvı faz) olup Dittus-Boelter denklemindeki aynı yaklaşımı kullanarak hesaplanabilir. Hsa için ise :
533.0
581.0745.0
Pr207 ff
g
satf
fsa T
bdkq
bdk
h ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
ρρ
(4.19)
°=⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
−= 35
)(20146.0
5.0
βρρ
σβgfg
bd (4.20)
33.122.11 4048 BoXN tt= Xtt<=1 için (4.21)
33.028.0
1 1.00.2 −−−= BoXN tt 1<Xtt<=5 için (4.22)
85.0
1129.037.2 ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
ttXF (4.23)
Eğer buharlaşma boru dışında ise Rohsenow denklemini kullanabiliriz.
sf
gffgfsf
fg
xf
ghAQC
hTC
Pr)(
/33.0
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
−=
Δρρ
σμ
(4.24)
Bu denklemde Cf soğutkan sıvı fazının özgül ısısı, ΔΤx soğutkanla boru yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı, hfg , doymuş soğutkan gaz ve sıvı entalpi farkı, σ, yüzey gerilim kuvveti, Csf yüzey pürüzlülük katsayısı bu katsayı yüzeye ve soğutkan cinsine bağlıdır. Bakır yüzeyde kaynayan hidrokarbonlar
için 0.013 olarak alınabilir. (Q/A) ısı akısı, μf sıvı vizkozitesi, ρf, ρg doymuş soğutkan sıvı ve gaz yoğunlukları, Prf doymuş sıvı Parndtl sayısı, s soğutkan su için 1, diğer soğutkanlar için 1.7 olan bir katsayıdır. Bu denklem göreceli temiz yüzeyler için geçerlidir. Yüzey pürüzlülüğü çok arttığında veya yüzey çok kirlendiğinde geçerliliğini yitirir. 3 SU SOĞUTMA KULELERİ VE EVAPORATİF YOĞUŞTURUCULAR 5.1. SU SOĞUTMA KULESİ NEDİR
Soğutma kuleleri sistemlerin soğutulması için suyun buharlaşması sırasında ısı alma temel
prensibini kullanan temel soğutma sistemleridir. Su soğutma kulelerinde bir tarafta dış hava su
soğutma kulesine girer. Diğer taraftan sistemden gelen sıcak su kuleye gönderilir. Bu su dolgu
ismini verdiğimiz yapıların üzerinden akıtılarak parçalanır ve giren havayla iyi bir temas yüzeyi
sağlanır. Bu yüzey boyunca suyun bir kısmı buharlaşır ve buharlaşırken ısı çeker. Buharlaşan su
havaya karışarak havanın su içeriğini arttırır. Böylece akan yaş havanın toplam entalpisi hem giren
hava ile giren su arasındaki sıcaklık farklarından dolayı artarken geriye kalan sıvı suyun entalpisi
azalır. Burada suyun buharlaşması ile enerji çektiğimiz için teorik olarak doymuş yaş hava
sıcaklığına kadar suyun sıcaklığını düşürebilmek mümkündür. Pratik olarak yaş hava sıcaklığına 3-
5 dereceye kadar su sıcaklıkları elde edebiliriz. Kısaca soğutma kulelerini atmosfer sıcaklığının
altındaki sıcaklıklara su soğutabilen su soğutma ekipmanları olarak tanımlıyabiliriz.
Su soğutma kulelerinin yaygın kullanım alanları arasında klima sistemleri, üretim tesisleri ve enerji
santralleri vardır. Günümüzde su soğutma kulelerinin olmadığı bir üretim tesisi görmenin zor
olduğunu söyleyebilirz. Sera etkisinden dolayı çevre sıcaklıklarının daha da artması dış havayı bir
soğtma ortamı olarak kullanma sınırlarını da zorlamaya başlamıştır. Bu yüzden günümüzde kuru
soğutma kulesi dediğimiz kanatlı atmosferik hava soğutucularının yerine yaş soğutma kulelerinin
kullanım yüzdesinin artmasını bekleyebiliriz. Şekil 1 de inşai tip bir soğutma kulesinin genel
görünümü verilmiştir.
Şekil 3-1 İnşai tip bir soğutma kulesinin görünümü Soğutma kulelerinde suyun bir kısmı buharlaştığında buharlaşan suyun yerine sisteme besleme suyu eklenir. Şekil 5.2 de açık sistem bir soğutma kulesinin genel akış diagramı görülmektedir. 5.2 SU SOĞUTMA KULESİ ÇEŞİTLERİ
Su soğutma kulelerini hava ve suyun birbirlerine göre akış geometrileri göre karşı akışlı ve çapraz akışlı kuleler diye eki sınıfa ayırabiliriz. Şekil 5.3 de karşı akışlı ve çapraz akışlı kulelerin akış geometrileri görülmektedir.
Şekil 5.2 Açık Bir soğutma kulesinin sistemde kullanım şeması
Şekil 5.3 Karşı ve Çapraz Akışlı kule dizaynı
Kulelerin diğer bir sınıflandırması da inşaat tip kuleler ve paket veya fabrika üretim tipi kuleler
olarak yapılabilir. İnşaai tip kuleler genellikle santralar ve yüksek kapasitede ısı çekimi yapan
yerlerde kullanılır. Fabrika üretim tipi veya paket tipi kuleler 2-5 MW kapasitelere kadar
üretilebilirler. Bu kapasitelerin üzerine çıkıldığında genellikle bunların yerini inşai tip kuleler alır.
Şekil 4 de fabrika üretim (Paket) tipi bir soğutma kulesi görülmektedir. Diğer bir önemli
sınıflandırma da Sistem ısı değiştiricinin yeriyle ilgilidir. Isı değiştiriciler soğutma kulesinin içinde
entegre bir yapı olarak bulunabilirler. Bu durumda kapalı devre (üretim sistemine giden suyun açık
suyla karışmadığı) bir sistem söz konusudur. Açık devre ısı değiştiricilerinde (üretim sistemine
gönderilen soğutulmuş suyun bir kısmı buharlaştırılarak soğutulan açık su olduğu) önemli bir
dezavantaj mevcuttur. Suyun bir kısmı süekli buharlaştığı ve bu buharlaşan suyun yerine sürekli
olarak besleme suyu eklendiğinden suyun içerdiği mineral ve iyon madde miktarı sürekli artar. Bu
maddelerin bir kısmı sistem borularının içini kaplayabilir, sistemimizde korozyon veya birikme
olabilir. Bunun sonucunda üretim sistemindeki ısı değiştiricilerinin performansı düşecektir. Eğer
açık sistem soğutma kuleleri kullanılıyorsa kullanılan su periodik olarak tamamen değiştirilmeli ve
periodik sistem bakımları ihmal edilmeden gerçekleştirilmelidir. Kapalı tip kulelerde de periodik
kule bakımı gerekir. Ancak bu bakım kule içinde kalmakta, üretim sistemini ve fabrikayı
kapsamamaktadır. Dolayısıyla daha ucuz bir bakım işlevidir. Ancak kapalı sistem kuleler aslında bir
kule ısı değiştirici entegrasyonu olduklarında daha pahalı ekipmanlardır. Soğutma kulesi ısı
değiştiricisi bir soğutma sisteminin yoğuşturucui olarak da görev görebilir. Bu durumda boru
içinden direk olarak soğutucu akışkan geçecektir. Bu tür yoğuşturuculara evaporatif tip yoğuşturucu
adı verilir.
Şekil 5.4 Fabrika üretim (Paket) tipi bir soğutma kulesi
Şekil 5.5 ve 5.6 da açık ve kapalı tip su soğutma kulelerinin şematik görüntüleri verilmektedir.
Suyun buharlaştırılması prensibine dayanan yaş soğutma kuleleri, kuru soğutma kulesi diye de
adlandırdığımız kanatlı hava değiştiricilerle entegre olarak da kullanılabilir. Bu kullanımın en
önemli nedeni İklim değişimleriyle gitgide değer kazanan suyun büyük miktarlarda kullanımının
önlenmesidir. Eğer prosesten gelen suyun sıcaklıkları çevre sıcaklıklarının çok üzerindeyse yaş
soğutma kuleleri çok miktarda suyu buharlaştıracaktır. Buharlaşan su önemli miktarlarda olduğunda
bu ek bir kayıp ve maliyet olarak karşımıza çıkar. Kuru soğutma kuleleri ise yüksek sıcaklıklardaki
sıvıları atmosferik sıcaklıklara 5-10 C yaklaştırmak için ideal ısı değişim araçlarıdır. Ancak
atmosfer sıcaklıklarına yakın sıcaklıklar ve atmosfer altı sıcaklıklar söz konusu olduğunda yetersiz
kalmaktadırlar. Bunun bir çözümü iki kademeli soğutma prosesi olabilir. Birinci kademede kuru
soğutma kulesinde soğutulan su ikinci kademe olarak yaş kulede soğutulur. Böylece aşırı su
kayıplarının önüne geçilmiş olur. Şekil 7 de böyle bir kuru-yaş hibrit soğutma kulesi sistemi
görülmektedir. Eğer kullanılan kanatlı ısı değiştirici üzerinden hava suyu almış ve soğutulmuş
olursa üretim sisteminden gelen soğutulacak su sadece kanatlı ısı değiştiricinin içinden geçirilerek
de atmosfer sıcaklığının altına düşürülebilir. Ancak bu durumda havayı soğutmak için kullanılan su
üretim sisteminden gelen sudan bağımsız olmalıdır. Böyle bir sistem Şekil 8 de görülmektedir.
Şekil 5.5 Açık tip soğutma kulesi
Şekil 5.6 Kapalı tip soğutma kulesi
Soğutma kuleleriyle ilgili son sınıflamamız kullandıkları dolgu maddelerine göre yapılabilir.
Dolgular Kuleye gelen su akımını daha küçük akımlara bölerek havayla su zerreciklerinin temasını
maksimize eden kule elemanlarıdır. Bir sonraki bölümümüzde kule elemanlarını daha detaylı
inceleyeceğiz. Ancak burada iki temel dolgu tipini belirtmekle yetinelim sıçratmalı ve film tipi
dolgu elemanları iki temel dolgu tipini oluşturur.
5.3. SU SOĞUTMA KULESİ TEMEL EKİPMANLARI
İnşai Tip Su Soğutma Kulesi Malzeme ve Elemanları İnşai tip su soğutma kuleleri, su debisi saatte 200 m³ ü aşan tesislerde kullanılırlar. Mesela enerji
santralleri, petrokimya tesisleri, rafineriler ve demir çelik fabrikaları inşai tip su soğutma kulesi
kullanır. Bu kuleler, ana taşıyıcı kirişler ve kolonlar üzerine kurulurlar. Kulelerin diğer parçaları
sahaya getirilerek montajları yapılır.
Kulenin taşıyıcı ana konstrüksiyon malzemesinin belirlenmesinde ekonomik ömür, yatırım
maliyeti ve yapım süresi rol oynar. Yaygın olarak emprenyeli ahşap kullanıldığı gibi, betonarme
veya cam takviyeli polyester (CTP) de ana taşıyıcı konstrüksiyon malzemeleri olarak kullanılabilir.
Kulenin diğer elemanlarını oluşturan damla tutucu, su dağıtım sistemi, dolgu elemanları gibi
soğutma suyu ile direk temasta olan parçalar ise paslanmaya karşı dayanıklı PVC, PP
(Polipropilen), CTP ve paslanmaz metalden oluşur. Su soğutma kulesinin yerleştirileceği betonarme
alt yapı, aynı zamanda soğutulmuş su havuzu olarak kullanılır.
Şekil 5.7 kuru-yaş tip hibrit soğutma kulesi
Şekil 5.8 Doymuş yaş havanın kanatlı tip ısı
değiştiriciden geçtiği kapalı yaş su soğutma
kulesi
Şekil 5.9 İnşai tip kule
A- Hava Girişi
B- Dolgu
C- Havuz
D- Drift Eliminator
F- Su Dağıtım Sistemi
G- Hava Girişi
H- Korkuluk
I- Fan bacası
J- Fan ve Mekanik Ekipman
K- Motor
L- Fan Güvertesi
M- Ara Bölme
İnşai tip su soğutma kulelerini sınırsız sayıda bitişik hücreden oluşturmak mümkündür. Hücre
sayısını belirlerken, işletmenin randımanı, bakımının kolaylığı ve arıza durumlarında devre dışı
kalmasının maliyeti göz önünde tutulur. Bu tip kulelerde proje, müşterinin işletme şartları ve ihtiyaç
duyduğu soğutma kapasitesine göre, üretici şirket ile yapacağı fikir alış-verişi sonucu şekillenir.
Paket Tip Su Soğutma Kulesi Malzeme ve Elemanları Soğutma endüstrisinde genel olarak paket tip su soğutma kuleleri kullanıldığından biz eleman
detayı olarak bu tür kulelerde yoğuşacağız. Paket tipi su soğutma kulelerinin başlıca ekipmanları
şunlardır :
6. Fan grubu
7. Damla tutucular
8. Su dağıtım sistemi
9. Nozullar
10. Dolgu
11. Hava giriş panjurları
12. Taşıyıcı yapı
Bu ekipmanları biraz detaylı inceleyelim Fan Grubu
Fan grubu, kulenin çatı bölümünde fan bacası içerisinde bulunmaktadır. İşlevi, buharlaşmanın
gerçekleşmesi için dışarıdaki havanın emilerek soğutma dolguları üzerinden geçirilip fan
bacasından atmosfere atılmasını sağlamaktır. Fan grubu, elektrik motoru veya redüktör miline
doğrudan bağlanabilir (direk akuple) ve böylece enerji tasarrufu sağlanır. Bu sistemde şaft, kayış,
kasnak gibi aktarma organlarına ihtiyaç duyulmadığından bakım giderleri az olur ve problem
olasılığını azaltır.
a –Fan kanatları: Fan kanatları camelyaf takviyeli polipropilen veya camelyaf takviyeli
polyester (CTP) malzemeden üretilirler ve alüminyum alaşımdan enjeksiyon yöntemi ile üretilmiş
fan tablasına monte edilirler. Bunlar, özel oluşturulmuş yuvalar ve 304 kalite paslanmaz çelik
bağlantı elemanları kullanılarak fan grubu haline getirilirler.
Fan çapı büyük olan paket kulelerde CTP veya alüminyum kanat kullanılır. CTP fan kanatları,
çok iyi derecede sıcak daldırma galvaniz kaplanmış fan tablaları üzerine, PP kanat muylu yatakları
ve 304 kalite paslanmaz çelik bağlantı elemanları ile oluşturulur. Kanatların alüminyum olması
tercih edilirse bu konuda uzman fan üreticilerinden bunlar set olarak tedarik edilmektedir. Üç tip
kanat seçeneğinde de kullanılan kanatların açılarının ayarlanabilir olması hava akımını kontrol etme
imkânı sağlamaktadır. Kanat açıları proje değerlerine göre uygun açılarda ayarlanır. Fan
kanatlarının mutlaka statik ve dinamik balansları alınmalıdır.
Şekil 5.10 Fan grubu ve elemanları
Şekil 5.11 Yerli fan
Şekil 5.12 İthal Multi-Wings fan
Şekil 5.13 Fan motoru ve redüktör
b –Fan motoru ve redüktör grubu: Kulenin en üst kotunda fan bacası içerisinde özel olarak
dizayn edilmiş çanak içerisinde bulunmaktadır. Fan uç hızına uygun devire sahip elektrik motorları
direk olarak kullanılır. Büyük çaplı fan gruplarında ise hız sınırlamasından dolayı motor, redüktör
ile birlikte çalıştırılır. Dizayn değerlerine uygun elektrik motoru kullanılır. Redüktör seçiminde ise
yerli ve ithal seçenekleri vardır.
Elektrik motorları ve redüktörler düşey V1 konumda çalışır. Bunlar, ısıya karşı F sınıfı izole
olup toz, yağ ve neme karşı IP 55 -56 koruma sınıfında seçilmektedir.
Redüktörlerin gövde malzemesi kır dökme demirden imal edilmektedir. Düz helisel dişlileri
sementasyon çeliğinden imal edilmiş, gürültüsüz çalışacak şekilde taşlanmış olmalıdır. Milleri
imalat çeliğinden imal edilerek, taşlama işlemine tabi tutulmuştur. Rulmanları çalışma şartlarındaki
yük durumuna bağlı olarak kuvvetlendirilmiş rulmanlardır.
Damla Tutucu
Damla tutucu, kule içerisinde fan grubunun bulunduğu platform ile su dağıtım sistemi
arasında yer alır. Görevi, nozullarda zerreciklere ayrılan su taneciklerinin cebri emilen hava ile
sürüklenip fan bacasından kaçmasını engelleyerek su kaybını önlemektir. Kule oturma alanının
tamamını kaplayacak şekilde monte edilirler.
Damla tutucu çeşitleri;
a. Yüksüklü damla tutucular
b. V-Tipi damla tutucular
c. C-Tipi (sinüzoidal) damla tutucular
d. C-Tipi yüksek (sinüzoidal) damla tutucular
e. Emprenyeli ahşap özel damla tutucular
a. Yüksüklü
b. V-Tipi
c. C-Tipi
e. Emprenyeli ahşap
Şekil 5.14 Damla tutucu çeşitleri
Su Dağıtım sistemi
Su dağıtım sistemi, kule içerisinde damla tutucular ile kule dolguları arasında bulunur.
PVC’den mamul ana ve tali borulardan oluşur. Suyu kule oturma alanına üniform olarak dağıtacak
şekilde tasarlanmıştır. Fıskiyeler, temizlik ve bakım için kolay sökülüp takılabilir şekilde imal
edilebilir.
Su sıcaklığının yüksek olduğu yerlerde su dağıtım sistemi CTP, Paslanmaz Boru veya
Polipropilen malzemeden üretilir. İşletmeden kaynaklanan suyun kirli olduğu durumlarda, kolay
temizlenebildiğinden açık kanal sistemi önerilir.
Su dağıtım sistemi çeşitleri;
a. PVC boru tipi
b. CTP boru tipi
c. CTP açık kanal
Lüleler(Nozıllar)
Dağıtım sistemindeki suyun dolgu üzerine püskürtülmesi için kullanılırlar. Debi ve basınç
ayarlamalarının kolayca yapılabilmesi için nozul içine yerleştirilen ve değişebilen çapta huniler
kullanılmaktadır.
Lüle çeşitleri;
a. Elekli nozul
b. Kademeli nozul
c. Papatya nozul
Şekil 5.15 Su dağıtım sistemi Şekil 5.16 PVC boru tipi
a b c
Şekil 5.17 Lüle çeşitleri
Dolgu Su soğutma kulesi dolgusu, hava giriş panjurlarının üzerinde ve su dağıtım sisteminin
altında bulunur. İşletme suyunun kirlilik derecesine göre PP'den mamul splash grid (sıçratmalı grid)
ve splash bigudi (sıçratmalı bigudi) veya PVC'den mamul petek tip dolgu kullanılır. Dolgunun
üzerine üniform olarak su yağmurlaması yapılır. Böylece su damlacıkları sürekli sıçratılarak veya
dolgu üzerinde süzülerek kolayca buharlaşır. Dolgu, yüksek verim alınabilmesi için optimum ıslak
yüzeyin sağlanacağı şekilde tasarlanıp monte edilir.
Şekil 5.18 Dolgu
Aşağıdaki tablo işletme suyunun kalitesine göre kullanılan dolgularla ilgili bilgi vermektedir.
Tablo 1. Suyun kalitesine göre dolgu seçimi
Sirkülasyon SuyuKalitesi Aslıda Katı Madde Miktarı Dolg
u Türü Dolgu Islak
Yüzeyi
Kısa Süreli
Çalışma < 10 saat
Sürekli Çalışma 24 saat m²/m³
İşletme suyunun çoktemiz ve temiz olduğuyerlerde
100-200ppm 70-120ppm PVC Petek ˜150–240
İşletme suyunun ortakirlilikte olduğu yerlerde 500ppm 300ppm PP
Bigudi ˜90–150
İşletme suyunun kirli ve çok kirli olduğu yerlerde Limitsiz Limitsiz PP
Splash <90
Dolgu çeşitleri;
a. Splash grid dolgu
b. Splash bigudi dolgu
c. PVC petek dolgu
a –Splash grid dolgu: PP'den mamul splash gridler, üniform olarak yağmurlama yapılan
dolgu katları arasında, sürekli sıçratılarak parçalanmasını sağlayacak şekilde dizayn ve monte
edilirler. Sıçratılan su taneciklerinde buharlaşma yüzeyi oluşturulması sağlanır. Yüksek
sıcaklıklarda dahi deforme olmaz. (sürekli çalışmada yaklaşık 80°C ve kısa süreli çalışmalarda
yaklaşık 90°C sıcaklıklarda çalışabilir.) Askıdaki katı madde miktarı (ppm) çok yüksek sirkülasyon
sularının olduğu yerlerde (limitsiz kirliliklerde) rahatlıkla kullanılabilir. Zaman içinde tıkanma ve
Şekil 5.27 karşı akışlı hava kulesinde entalpi değişimi grafiği
Bu değerleri grafik formunda Şekil 2 de gösterilmiştir. Şekil 2 görsel olarakta bize Hw nun
değişiminin lineer olmadığını göstermektedir.
5.5 TERS AKIŞLI SU SUĞUTMA KULESİ KULE KÜTLE TRANSFER KATSAYISININ VE
DOLGU BASINÇ DÜŞÜMÜNÜN TAYİNİ
Soğutma endüstrisinde kullanılan soğutma kulelerinde genellikle plastik malzemeler kullanılır. Her
üreticinin plastik dolgu malzemelerinin kütle transfer karekteristikleri değişiktir. Biz burada
soğutma endüstrisinde çok kullanılan palastik levha tipi dolgu malzemesi için olan kütle transferi ve
basınç denklemi tanımlayacağız. Bu tür bir dolgunun şekli Şekil 5. de verilmektedir.
Şekil 5.28 PVC petek dolgu
Tablo 5.2 Film tipi dolguların performans sabitleri
Bu tür dolgular için Kütle transfer katsayısı
Ka=0.004449586*C*(7936.641438*L)m(7936.641438*G)n denklemiyle tanımlanabilir. Burada Ka (kg/s/m^3) dür G ve L kg/s birimlerinde verilmiştir. Denklemdeki katsayılar tablo 2 de verilmiştir. Bu dolgu türü içi basınç düşümü de DP=0.004014742*A*(7936.641438*L)b(7936.641438*G)d denklemiyle verilebilir. Bu denklemde
DP Pascal (Pa) olarak verilmiştir. G ve L kg/s dir. Bu denklem içinde denklem katsayıları Tablo 2 de
verilmiştir. Bu denklemleri Bölüm 5.2 de verilen kule karakteristiği denklemi ile birlikte
kullandığımızda bize gerekli olan dolgu miktarını, dolayısıyla kule boyutlarını verecektir.
5.6. TERS AKIŞLI SU SUĞUTMA KULESİ ISI DEĞİŞTİRİCİ BOYUTLANDIRMASI
Soğutma kulesindeki ısı değiştirici ya direk su akışına dik olarak yerleştirilen boru demetlerinden
oluşan bir eşanjör olur. Bu durumda temel soğutucu dıştan geçen su akışıdır. Şekil 3 de bir boru
demeti üzerinden akıştaki boru geometrileri verilmiştir. Bu durumda boru dışındaki ısı transferi
katsayısı
ANNu sı= Rea
d,maxPr1/3
25.0
PrPr
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
o
f
(14)
Red,max= vdVmax (15)
dss
VV−
= ∞1
1max (16)
Denklemleriyle tanımlanabilir. Bu denklemlerdeki Red,max Reynolds sayısıdır. N, A ve, a katsayıları
Re sayısına ve boru demeti sayısına göre Tablo 3 den seçilebilir.
Şekil 5.3 Boru eksenine dik akış düzenlemeleri
Tablo 5.3 Boru demetine dik akış katsayıları
Şekil 4 de boru dizinlerinden oluşan bir ısı değiştiricisinin şemetik görünüşü verilmiştir. Şekil 5 de
bu tür bir ısı değiştiricinin resmi yer almaktadır.
Şekil 5 Su püskürtmeli ısı değiştiricisi
Şekil 6 Su püskürtmeli ısı değiştiricisi görünümü (YTO Türkoğlu Makine Sanayi ve Tic Ltd. Şti, İzmir)
Boru içi ısı transferi için Gnielinski denklemini kullanabiliriz. Bu denklem :
)1)(Pr8/(7.121Pr)1000)(Re8/(
3/2 −+−
=f
fNu D
D (17)
Şeklindedir. Buradaki f boru içi sürtünme katsayısı Re Reynolds sayısı, Pr prandtl sayısıdır. f
sürtünme katsayısının çözümü için Colebrook denklemi kullanılır. Bu denklem :
0Re
51.27.3
log0.2110 =
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+=f
Df
gD
H
ε
(18)
şeklinde yazılabilir. Buradaki ε yüzey pürüzlülük katsayısıdır. Denklemden de görüldüğü gibi bu denklemden f sürtünme katsayısının bulunması bir kök bulma prosesidir. Buradan kök değerinin bulunabilmesi için Newton-Raphson metodu gibi bir kök bulma algoritmasına ihtiyaç vardır. Kök bulma işleminde ilk tahmin değeri olarak biraz daha hatalı olan fakat f değerini direk olarak hesaplayan Haaland denklemi gibi bir denklemden yararlanılabilir.
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
+
⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−=D
HDf Re
9.67.3
log8.11
11.1
10
ε
(19)
Boru içi akışı çok fazlı ise Gnielinski denklemini kullanamayız. Kulemizi evaporatif yoğuşturucu(condenser) olarak kullanıyorsak yoğuşturucu ısı değişim formüllerini kullanmamız
gerekir.
35000Re <⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
iv
vvDi
Duμ
ρ için (buradaki boru giriş şartlarında olduğunu belirtir)
4/1'3
)()(
555.0⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
−
−=
DTThkg
hboruyogusl
fglvllD μ
ρρρ (20)
)(68.0'
boruyogusplfgfg TTChh −+= (21) Buradaki l indisi doymuş sıvı fazı v indisi doymuş gaz fazını işaret etmektedir. Denklemimiz Chato[1] denklemi adını alır. Boru iç ve dış ısı değişim katsayılarını bulduktan sonra boru için toplam ısı değişim katsayısı
( )2
21
121
1
12
ln11h
RALk
rrAA
RAA
hU di
d
i
d
d
++++=π (22)
Denklemi ile hesaplanabilir. Buradaki R1 ve R2 yüzeyde biriken kirliliklerden dolayı oluşan ek ısı değişim dirençleridir. REFERANSLAR :