Isı Değiştiricileri ve Isı Değiştiricilerinin Sınıflandırılması

Isı değiştiricileri, farklı sıcaklıklardaki iki veya daha fazla akışkan arasında oluşan ısı değişimini sağlayan cihazlardır. Bu cihazlara en basit örnek olarak, iki farklı sıcaklıktaki akışkanların bir kapta karıştırılmasıdır. Ancak bu işlem bir ısı değişiminden çok karıştırma işlemi olarak adlandırılmaktadır. Isı değiştiricilerinde akışkanlar birbiriyle karıştırılmamaktadır. Genellikle akışkanlar ısı transferi olan bir yüzey ile birbirinden ayrılır. Güç üretimi, proses, üretim endüstrisi, iklimlendirme, soğutma, ısıtma, uzay uygulamalarında, elektronik cihazlarda, alternatif enerji kaynaklarının kullanılmasında, ısı depolanması vb. birçok yerde ısı değiştiricileri kullanılmaktadır.

Isı değiştiricilerinin uygulama örnekleri olarak, bir su borulu buhar kazanındaki, bir soğutma devresindeki ve bir iklimlendirme tesisatının çeşitli yerlerde kullanılabilen ısı değiştiricileri verilmektedir. Bu örneklerden anlaşılacağı üzere pratikte çeşitli yerlerde kullanılan bu ısı değiştiricileri, kullanım gayelerine göre, değişik konstrüksiyonlarda, kapasitelerde, boyutlarda ve tiplerde olabilmektedir.

Isı değiştiricilerinin içerisinde bir faz değişimi gerçekleşiyorsa yani yoğuşma veya buharlaşma gibi faz değişimleri söz konusu ise bunlara gizli ısı değiştiricileri denir. Fakat ısı değiştiricisinde faz değişimi olmuyorsa bu ısı değiştiricilerine de duyulur ısı değiştiricileri denir.

Akışkanların birbiriyle karıştırılmadığı, yani akışkanların ısı tranferi olan bir yüzey ile birbirinden ayrıldığı ısı değiştiricileri yüzeyli veya reküparatif olarak adlandırılmaktadır. Dolgu maddeli veya rejeneratif olarak adlandırılan diğer tip ısı değiştiricilerinde, ısı geçişi doğrudan olmayıp, ısı önce sıcak akışkan tarafından döner veya sabit bir dolgu maddesine verilerek depo edilmektedir. Sonra bu dolgu maddesindeki ısı soğuk akışkana verilmektedir. Genel olarak reküparatif ısı değiştricisinde incelemeler zamandan bağımsız olmaktadır. Rejeneratif ısı değiştiricilerinde ise incelemeler zamana bağlıdır.

Pratikte çok değişik tiplerde bulunabilen ısı değiştiricileri, ısı geçişi şekline, konstrüksiyon özelliklerine, akış düzenlemesine, akışkan sayısına veya akışkankaların faz değişimlerine göre, çeşitli şekillerde sınıflandırılabilmektedir. Isı değiştiricilerinin sınıflandırılması bu tez kapsamında bir sonraki bölümde incelenecektir.

Isı Değiştiricilerinin Sınıflandırılması

Isı değiştiricilerinin çeşitli özelliklerine göre sınıflandırılmaktadır. Bu özellikler dahilinde sınıflandırma ısı değişim şekline, akışkan sayısına, ısı geçiş yüzeyinin ısı geçiş hacmine oranına (kompaktlık), yapısal özelliklerine, akış şekillerine, ısı transfer mekanizmalarına göre yapılmaktadır. Şekil 1’de ısı değiştiricilerinin sınıflandırılması verilmiştir.

Şekil 1. Isı Değiştiricilerinin Sınıflandırılması

1) Isı Değişim Şekline Göre Sınıflandırma

Bu sınıflandırmada ısı değiştiricileri, akışkanlar arasında veya katı cisimler ile bir akışkan arasında doğrudan doğruya bir temasın olduğu veya olmadığı şeklinde olmak üzere iki farklı grupta incelenmektedir. Şekil 2’de ısı değişim şekline göre sınıflandırma gösterilmektedir.

Şekil 2. Isı Değişim Şekline Göre Isı Değiştiricileri

2) Akışkan Sayısına Göre Sınıflandırma

Isıtma, soğutma gibi işlemlerde pratikte çoğu zaman iki akışkanlı ısı değiştiriciler kullanılmaktadır. Buna karşılık bazı kimyasal işlemlerde, soğutma tekniğinde, havanın ayrıştırılması gibi olaylarda üç akışkanlı ısı değiştiriciler de kullanılabilmektedir. Üç veya daha fazla akışkan ile çalışan ısı değiştiricilerinin analizleri ve tasarımları oldukça karmaşıktır.

Şekil 3. Akışkan Sayısına Göre Sınıflandırma

3) Isı Geçişi Yüzeyinin Isı Geçişi Hacmine Oranına Göre Sınıflandırma (Kompaktlık)

Bu sınıflandırma için ısı değiştiricilerinde β şeklimde yüzey alanı yoğunluğu adı verilen bir büyüklük tanımlanmaktadır.

Kompakt ısı değiştiricileri ağırlıktan, hacimden kazanç sağladığı ve daha esnek bir projelendirmeye olanak sağladığı için kompakt olmaya ısı değiştiricilerine göre tercih edilmektedirler. Borulu ve levhalı tip ısı değiştiricilerine göre daha yüksek verimlilik göstermektedir. Bu durumlara karşılık, yüzeyi kirleten, korozif olan akışkanların kullanılamaması ve akış esnasında oluşan aşırı yük kayıplarını yenebilmek için ilave vantilatör veya pompa gücüne ihtiyaç duyulması, kompakt ısı değiştiricilerinin belli başlı sakıncalarındandır.

Şekil 4. Kompaktlığa Göre Isı Değiştiricileri

4) Konstrüksiyon Özelliklerine Göre Sınıflandırma

Isı değiştiricilerinde genellikle konstrüksiyon özelliklerine göre sınıflandırılmaktadır. Borulu, levhalı, kanatçıklı, rejeneratör olarak dört başlıkta incelenmektedir.

Şekil 5. Konstrüksiyon Özelliklerine Göre Isı Değiştiricileri

5) Akış Şekillerine Göre Sınıflandırma

Isı değiştiricilerinde akış şekillerinin seçimi verim, basınç düşümü, minimum ve maksimum hızlar, akış güzergâhları, termal gerilmeler, sıcaklık, borulama ve diğer tasarım kriterlerine göre yapılmaktadır. Akış şekillerine göre ikiye ayrılmaktadırlar. Bunlar; tek ve çok geçişli olarak adlandırılmaktadır.

Şekil 6. Akış Şekillerine Göre Isı Değiştiricileri

6) Isı Transfer Mekanizmalarına Göre Sınıflandırma

Şekil 7. Isı Transfer Mekanizmalarına Göre Sınıflandırma

İki tarafında tek fazlı ısı taşınımı olan ısı değiştiricilerinin ısı taşınımı zorlanmış veya doğal olabilmektedir. Otomobil radyatörleri, salon ısıtıcıları, buhar kazanları ekonomizörleri ve hava ısıtıcıları kompresör iç soğutucuları, rejeneratörler, yağ soğutucuları önemli uygulamalarıdır.

Bir tarafında tek faz diğer tarafında iki faz ısı taşınımı olan ısı değiştiricilerinde ise bir tarafında tek fazlı akış varken, diğer tarafında kaynamakta veya yoğuşmakta olan iki fazlı bir akış bulunmaktadır.

İki tarafında iki fazlı ısı taşınımı olan ısı değiştiricilerinde ise bir tarafında buharlaşma, diğer tarafında yoğuşma vardır. Bu tip ısı değiştiricileri, hidrokarbonların distilasyonunda buharın yoğuşturulmasında kullanılmaktadır.

Taşınım ve ışınımın bir arada olduğu ısı değiştiricilerinde ise yüksek sıcaklıkta çalışan sabit dolgu maddeli rejeneratörler ile buhar kazanları kızdırıcıları bu ısı değiştiricilerine örnek olarak verilebilir.