Piyasadaki çeşitli ısı eşanjörü tasarımları ile akışkanlar arasında ısı transferi için en uygun tasarımı seçmek, eşanjör stilleri arasındaki farklar hakkında biraz bilgi sahibi olmayı gerektirir.
Bu yazıda, aşağıdaki eşanjörlerin temel özelliklerini karşılaştıracağız;
- Plakalı (Plate) Isı Değiştirici
- Kabuk ve Tüp (Shell-and-Tube) Isı Değiştirici
- Yüzey Sıyırıcılı (Scraped-Surface) Isı Değiştirici
Isı değiştirici seçimindeki anahtar soru her zaman “İşlemim ne tür bir eşanjör gerektiriyor?”
Proses gereksinimleri, viskozite ve partiküller gibi işlenmiş sıvıların temel özelliklerinden gelir. Proseslerin ayrıca, sıvılar arasında aktarılması gereken ısıl çıktı gereksinimleri veya ısı miktarları ve prosesin sonunda gerçekleşmesi gereken sıcaklık değişimi vardır.
Mümkün olduğunda, en verimli ve en ucuz seçenek oldukları için plakalı ısı eşanjörü kullanmak doğru seçimdir. Bununla birlikte, akışkanlar yüksek derecede viskoz (kalın) olduğunda veya partiküller içerdiğinde, borulu eşanjörler daha etkili olabilir.
Yüzey sıyırıcılı ısı eşanjörleri en pahalı seçenektir; sıvılar inanılmaz derecede kalın olduğunda veya büyük partiküller içerdiğinde de en etkili seçimdir. Tüm ürünler için kazınmış yüzey kullanılabilir, ancak maliyet olarak çok daha yüksek ve kapasite olarak daha düşüktür.
İŞLENMİŞ SIVILARIN TEMEL ÖZELLİKLERİ
Bir ısı eşanjörü içindeki ısı transferi, her iki akışkanda da sıcaklık değişimlerine neden olarak daha sıcak akışkanın sıcaklığını düşürür ve daha soğuk akışkanın sıcaklığını yükseltir.
Akışkan özellikleri, uygulama için ısı eşanjörünün tipini kısmen belirler.
Sıvı türleri şunları içerir:
- Su
- Yağlar
- Süt
- Kozmetikler
- İlaçlar
Akışkanların termal özellikleri şunları içerir:
- Sıcaklık
- Asitlik Oranı
- Akış Debisi
- Aşındırıcılık
- Vizkozite
Plakalı ısı eşanjörleri, düşük ila orta viskoziteli sıvıları, borulu veya yüzey sıyırıcılı modellerden daha yüksek akış hızlarında işler.
Akışkanların aşındırıcılığı, ısı eşanjörü bileşenleri üzerindeki etkileri nedeniyle önemli bir husustur. Ürün aşındırıcı ise grafit bazı endüstriyel ve ilaç uygulamalarında kullanılır. Akışkanlar yüksek tuz içeriğine sahip olduğunda, ısı eşanjörü üretimi için titanyum gibi daha da aşındırıcılığa dirençli bir malzeme önerilir.
Isı eşanjörü üreticileri, genellikle, aşağıdakiler de dahil olmak üzere, doğru bir maliyet teklifi sunmadan önce, akışkanlar hakkında ek ayrıntılar isterler:
- Isı yükü
- Sıcaklık değişiklikleri
- Söz konusu sıvıların fiziksel özellikleri (örneğin süt, su veya bira gibi standart bir ürün değilse)
- İstenilen çalışma basıncı
- İzin verilen maksimum basınç düşüşü
- Mevcut buhar basıncı
FAZLARIN BELİRLENMESİ
Isı eşanjörleri, işlenen akışkanlara (sıvılar veya gazlar) göre iki temel kategoriye ayrılır.
- Tek fazlı ısı eşanjörleri yalnızca bir fazı işler: sıvı veya gaz
- Çift fazlı Isı eşanjörleri, sıvıyı bir gaza kaynatmak için kullanılabilir. Bu tür birimlere bazen kazanlar denir. Ayrıca yoğuşma ve buharlaştırma uygulamalarında da kullanılabilirler.
Gazları bir sıvıya yoğunlaşacak şekilde soğutmak üzere yapılandırılmış birimlere kondenser denir.
ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNİN TEMEL TASARIM FAKTÖRLERİ
Bazı ısı eşanjörü tasarımları, diğer tasarımlara göre daha yüksek ısı transfer oranları elde eder ve daha yüksek sıcaklıklarda çalışır.
Boyut ve şekil de önemli faktörlerdir çünkü alan sınırlamaları, konumlandırma ve cihazın kapladığı akan gereksinimlerini belirleyebilir.
Genişletilebilirlik ihtiyacı: Isı transfer kapasitesini genişletme veya daraltma ihtiyacı olasıysa, plakaları ekleyerek veya çıkararak kapasiteyi kolayca değiştirebileceğiniz için plakalı ısı eşanjörleri mükemmel bir seçimdir.
ISI DEĞİŞTİRİCİ SEÇERKEN DİKKAT EDİLMESİ GEREKENLER
Aşağıdaki tablo, bir ısı eşanjörü seçerken göz önünde bulundurulması gereken birkaç noktayı özetlemektedir.
|Karakteristikler||Plakalı||Shell-and-Tube||Yüzey Sıyırıcılı|
|Metrekare Başına Maliyet||Düşük||Düşük||Yüksek|
|Laminerlik||Düşük||Düşük||Orta / Yüksek|
|Türbülans||Yüksek||Orta||Orta|
|Yenilenme Miktarı||Yüksek||Orta||Yok|
|Bakım Maliyeti||Orta||Düşük||Yüksek|
|İşletme Basıncı||Düşük||Yüksek||Yüksek|
|Partiküllerle Kullanım||Zayıf||İyi/Mükemmel||Mükemmel|
|CIP Yeteneği||Mükemmel||Mükemmel||İyi|
|Mevcut İnşaat Malzemeleri||İyi||İyi||İyi|
|Kalış süresi||Düşük||Orta||Orta|
|Kurulum Süresi||Orta/İyi||Orta/İyi||Mükemmel|
|Prosesin Esnekliği||Adil||İyi||İyi|
PLAKALI ISI DEĞİŞTİRİCİ NE ZAMAN SEÇİLİR ?
Bu bölümde, shell-and-tube ile plakalı ısı eşanjörlerini aşağıdakilere dayalı olarak karşılaştırıyoruz:
- Enerji kullanımı
- Kapladığı Alan (Ayak İzi)
- Bakım kolaylığı
- Kapasite ayarı
- Sermaye gideri
1. ENERJİ KULLANIMI
Plakalı ısı eşanjörleri, shell-and-tube tasarımlardan beş kata kadar daha verimlidir. Çoğu durumda, mevcut gövde boru modellerini kompakt ısı eşanjörleriyle değiştirerek daha fazla ısıyı geri kazanabilirsiniz.
Plakalı bir ısı eşanjöründeki plaka serisi, plakalar arasında contalı boşluklar oluşturur. Bu boşluklar, biri sıcak diğeri soğuk olmak üzere iki akışkan arasında gidip gelir. Tasarım, çok yüksek ısı transfer verimliliği sağlar, çünkü plakalar, aynı alana sığabilecek gövde ve boru tasarımlarından çok daha büyük bir yüzey alanı oluşturur.
2. KAPLADIĞI ALAN (AYAK İZİ)
Shell-and-Tube ısı eşanjörleri, soldaki karşılaştırmada gösterildiği gibi, plakalı eşanjörlerden daha fazla taban alanı gerektirir.
3. BAKIM KOLAYLIĞI
Yüksek kaliteli plakalı ısı eşanjörleri, bakım gerektirmeden uzun yıllar verimli bir şekilde çalışabilir. Plakalara inceleme veya temizlik için kolayca erişilebilir. Temizleme aralıkları, kirlenme veya kireçlenme miktarlarına bağlıdır.
Plakalı ısı eşanjörlerinin temizlenmesi ve bakımı, sökülmesi ve denetlenmesi daha kolay olduğu için shell-and-tube eşanjöre göre çok daha kolaydır.
Plakaları temizlemek veya onarmak için kolayca çıkarabilirsiniz, oysa shell-and-tube modelleri daha fazla emek gerektirir.
Yüzeylerdeki tortu veya kireç kaplaması, ısı eşanjörünün termal verimliliğini azaltır. Plakalı eşanjörlerin daha küçük, modüler tasarımı nedeniyle, daha büyük gövde borulu ünitelere göre daha hızlı ve daha kolay temizlenirler.
4. KAPASİTE AYARI
Plakalı eşanjörler kapasite ayarlamasını nispeten kolaylaştırır. Plakalara erişmek, eklemek ve çıkarmak kolaydır. Buna karşılık, gövde ve boru üniteleri, kurulum sırasında sabit kapasiteye sahiptir.
5. SERMAYE GİDERLERİ
Kurulum maliyeti, karar verme sürecinde her zaman kritik bir faktördür. Plakalı ısı eşanjörü, en verimli ısı aktarımını ve en düşük yüzey alanını sağlayan saf karşı akım akışıyla yüksek ısı aktarım katsayıları elde edebildiği için en düşük maliyetli seçenektir. Bakım maliyeti de, özellikle kazınmış yüzeyli ısı eşanjörleriyle karşılaştırıldığında oldukça düşüktür. Ana masraf, contaların ve bazen de plakaların değiştirilmesidir.
Soğuk bir sıvının, giren sıcak sıvının sıcaklığına çok yakın bir sıcaklığa ısıtılması anlamına gelen yakın sıcaklık yaklaşımı, daha fazla rejenerasyon ve ısı geri kazanımı sağlayarak bir plakalı ısı eşanjörünü iyi bir seçenek haline getirir. Plakalı ısı eşanjörünün kompakt boyutu, dar alanlara sahip uygulamalar için de önemlidir.
Plakalı ısı eşanjörlerinin en önemli avantajlarından biri modüler olmalarıdır. Montajcılar, plakalı ısı eşanjör ünitelerini yerinde monte edebilir veya sökebilir. Bu üniteler, taban alanının yaklaşık %10’unu kaplarken, karşılaştırılabilir gövde ve boru ünitelerinin ağırlığının yaklaşık %6’sına sahiptir.
Ekipmanın sermaye giderine ek olarak, sermaye maliyetleri şunları içerebilir:
- Nakliye
- Taşıma
- Kurulum
- Ünitenin ömrü boyunca bakım
Enerji verimliliğini artırmak için mevcut gereksinimleri karşılamak için daha küçük bir ısı eşanjörü kullanmak, nakliye ve kurulumda tasarruf anlamına gelir.
SHELL-AND-TUBE ISI DEĞİŞTİRİCİ NE ZAMAN SEÇİLİR ?
Temel shell-and-tube ilkesi; sıvıyı, boruların arasında ve çevresinde ısıtma sıvısı bulunan bir paralel boru demeti boyunca hareket ettirir.
Tüplerin içinde akan sıvıya boru tarafı sıvısı denir; boruların dışında akan sıvıya kabuk tarafı sıvısı denir. Boru tarafındaki akışkan, boru levhaları ile gövde tarafındaki akışkandan ayrılır.
İki sıvının farklı basınçlarda aktığı uygulamalarda, yüksek basınçlı sıvı tipik olarak borulardan akar ve düşük basınçlı sıvı gövde içerisinde akar.
Bunun nedeni maliyettir: düşük basınçlı borular, yüksek basınçlı borulardan daha ucuzdur.
Plakalı ısı eşanjörlerindeki plakalara göre gövde ve borular arasındaki boşlukların daha büyük olması nedeniyle, shell-and-tube tasarımı, parçacıklı meyve suları gibi partikül içeren sıvılar için iyi bir seçimdir.
Shell-and-tube ısı eşanjörleri, içinde boru demetleri bulunan büyük bir basınçlı kap kabuğundan oluştuğu için, diğer bazı tasarımlardan daha yüksek basınç altında ısı transferi yapabilirler.
KİRLENME
Kabuk ve boru tasarımlarının bir başka avantajı, işlediğiniz sıvıların ekipmanı kirletme potansiyelinin daha düşük olmasıdır. Isı eşanjörlerinin tıkanması, ısı transfer yüzeylerinin üzerinden veya içinden geçen sıvılardaki tortuların birikmesinden kaynaklanmaktadır.
Kirlenme sorunu, kirlenmenin eşanjör performansı üzerindeki etkisine ve ekipmanı ne kadar kolay temizleyebileceğinize bağlıdır.
Kabuk tarafı, yüksek kirlilik yaratan bir sıvıyı çalıştırmak için doğru seçenekse, boruya bölmeler eklemek, türbülansı artırmanın ve parçacıkların kabuğun içine veya boruların dışına yapışma fırsatlarını azaltmanın etkili bir yolu olabilir.
Isı eşanjörlerinde kirlenme çeşitli nedenlerle oluşur:
- Kristalleşme: Buna, soğuduktan sonra çözünen ve kristalleşen tuzlar neden olur. Yüksek sıcaklık değişikliklerine maruz kalan yüksek tuz içeriğine sahip sıvılar için gövde ve boru tasarımlarını düşünün.
- Sedimantasyon veya kum, pas veya diğer bileşik tortuları: Sedimantasyon, korozyon ürünleri, metal oksitler, silt, alümina ve diyatomik organizmalardan (mikro algler) ve bunların dışkılarından kaynaklanır. Sedimantasyon etkisini azaltmak için bazı durumlarda hız ayarlamaları yapılabilir.
- Korozyon: Korozyon nedeniyle oluşan kirlenme, ekipmanın ısı transfer performansını etkileyebilir, bu nedenle mümkün olduğunda korozyonu önlemek için ısı eşanjörü malzemelerinin ve sıvılarının özelliklerini göz önünde bulundurun.
- Kabuklanma: Isı eşanjörü parçalarının yüzeyinde işlenmiş sıvılar, mineraller veya temizlik maddelerinden oluşan bir kabuk veya kaplamanın birikmesi.
- Ölçekleme: Kalsiyum karbonat, kalsiyum sülfat ve silikatların neden olduğu bir kabuklanma türü.
- Biyolojik Büyüme: Biyolojik kirlenme kaynakları arasında bakteriler, nematodlar ve protozoa bulunur.
YÜZEY SIYIRICILI ISI DEĞİŞTİRİCİ NE ZAMAN SEÇİLİR ?
Bazı işlemler, viskoz ve yapışkan ürünlerden kaynaklanan kirlenmeyi önleyen ısı transferi gerektirir. Bu işlemlerde, yüzey sıyırıcılı ısı eşanjörleri, çok sayıda partikül veya yüksek viskozite içeren sıvıları işleme yetenekleri nedeniyle doğru seçimdir.
Yüzey sıyırıcı tasarımlarının kullanılması, işlemcilerin toplu işlemden sürekli işlemeye geçmesine yardımcı olabilir. Farmasötik işlemede güvenlik ve saflık gereksinimlerini karşılamak için toplu işleme gerekli olabilirken, atıkları azaltma ve üretkenliği artırma potansiyeli nedeniyle gıda işlemede sürekli akış işleme genellikle tercih edilir.
Ek olarak, yüzey sıyırıcılı ısı eşanjörleri, sos gibi ürünleri pişirmek ve konsantre etmek için faz değişiklikleri (dondurma gibi ürünler için) ve buharlaştırma yapabilir.
YÜZEY SIYIRICILI ISI DEĞİŞTİRİCİ UYGULAMALARI
- Bebek maması
- Ekmek hamuru
- Çikolata ezmeleri
- Meyveli pasta dolguları
- Jelatin
- Soslar
- Humus
- Ketçap
- Meyan kökü
- Mayonez
- Mekanik Olarak Kemikleri Çıkarılmış Et
- Nuga
- Fıstık ezmesi
- Pizza sosları
- Pudingler
- Salata sosları
- Salsa ve Taco dolguları
- Sandviç sürmeleri
- Şampuanlar
- Cilt losyonları
- Şanti/Havalandırmalı Ürünler
EŞANJÖR SEÇİMİNİ YAPMAK
Üreticiler, model seçim sürecine yardımcı olmak için genellikle aşağıdaki gibi karşılaştırma tabloları sağlar.
|Isı Değiştirici||Ortalama boşluk (mm)||Parçacık boyutu (mm)||Elyaf uzunluğu (mm)||Parçacık %||Viskozite CPS|
|Plakalı HEX|
|Tipik endüstriyel plaka||2.4-3.95||Dia 0.5||1||2||2500|
|Tipik sıhhi levha||3.95||Dia 0.5||1||3||5000|
|Düşük temas noktası plakası||3.95||Dia 0.5||5||7||1000|
|Shell-and-Tube HEX|
|Monotüp||Pipes dia 14-97.6||Dia 12-95||Up to 50 mm||No limit||1000|
|Çoklu tüp||Pipes dia 12-22.6 id||Dia 5-10||Up to 18 mm||60||1200|
|Dairesel boşluk||GAP 5-49 mm||Dia 3-47||Up to 35 mm||80||12000|
|Yüzey Sıyırıcılı HEX||Up to 31 mm||No limit||No limit|