Isı Değiştirgeçleri, Eşanjör ve Boyler Hesapları

Eşanjörler, Isı değiştirgeçleri ısının bir ortamdan diğerine aktarılmasında kullanılırlar. Geniş anlamda ele alındığında uygulama alanı çok yaygındır. Ancak ısıtmada, sadece bölgesel ısıtma sistemlerindeki kızgın sudan ve buhardan sıcak su eldesin de kullanılan ısı değiştirgeçleri ele alınacaktır.

90 ºC veya daha düşük sıcaklıktaki suyun primer devrede kullanıldığı eşanjörler plaka tipli olmalıdır. Daha az yer kaplar ve daha ekonomiktir. Eşanjör kullanılan tesislerde suyun kireci mutlaka alınmalıdır. Plaka tipi eşanjörler genelde borulu tiplere tercih edilmelidir.

Kızgın sudan 90/ 70 ºC sıcak su üretiminde genelde boru demetli eşanjörler kullanılır. Bu eşanjörler üç ana bölümden oluşur. Bu bölümler;

1- Boru demetli, genellikle bakır veya çelik sorular kullanır.
2- Dış kabuk, genellikle çelik saçtan üretilir.
3- Su giriş, çıkış bölmeleri ve bazı tiplerde dış su geçişini yönlendiren perdeler.

Borulu eşanjörler düz borulu ve U borulu olmak üzere iki temel tiptedir. İyi bir ısı geçişi sağlanabilmesi için su akışlarının ters yönlü olması istenir. U borulu eşanjörler daha ucuz tip olmakla beraber, temizlenebilme imkanları kısıtlıdır ve boru değişimi zordur.

Son yıllarda ısıtma tesisatlarında plakalı eşanjör kullanımı da giderek yaygınlaşmaktadır. Plakalı tip eşanjörlerin ısı geçiş performansları kusursuzdur. Pahalı olmaları bir dezavantaj oluşturmakla birlikte fiyat farkı üretim tekniklerindeki gelişmelere bağlı olarak azalmaktadır.

Eşanjörlerin kontrolü iki veya üç yollu vanalarla yapılabilir. İki yollu motorlu vana kullanımı proje ve uygulamadaki kritik devre oluşumuna neden olacak hataları kısmen kapatabilir. Ancak iki yollu vana kullanıldığında tüm devredeki vahaların kapatma riskinde oluşacak basınç artmasına önlem, ana devre üzerinde alınmalıdır. Otomatik by – pass vanası veya emniyet ventili ile by – pass sağlanmalıdır.

Eşanjörlerin ön tarafında en az kendi uzunluğu kadar boşluk bırakılmalıdır.

Isı Geçişi:

Bir eşanjörde kızgın sudan sıcak suya geçen ısı miktarı,
Q = K . F. Δt
ifadesi ile verilir. Burada, K toplam ısı geçiş katsayısı olup, kızgın sudan sıcak suya ısı geçişinde,
K = 930 . V . 0,85 (1 + 0,014 Tw) [W/ m2 K]
olarak alınabilir. Her iki ifadedeki semboller:
F : Isı geçiş alanı (boruların toplam dış alanı) (m2)
Δt : Kızgın su ile sıcak su arasındaki ortalama aritmetik sıcaklık farkı (ºC).
V : Boru içindeki su hızı (m/ s)
Tw : Ortalama su sıcaklığı (ºC)
şeklindedir.

Örnek : 130/ 110 ºC kızgın su ile 90/ 70 ºC sıcak su üretecek ısı değiştirgeci, Q = 100 kw olarak istenmektedir. Boru içindeki su akış hızı 0,3 m/ s olduğunda göre gerekli eşanjör ısıtma yüzey miktarının bulunması.

Ortalama kızgın su sıcaklığı = (130 + 110)/ 2 = 120 ºC
Ortalama sıcak su sıcaklığı = (90 + 70)/ 2 = 80 ºC
K = 930 . 0,30. 0,85. [1 + 0,014 . (120 +80)/ 2 ] = 570 w/ m2K
Gerekli yüzey buna göre,
F = 100/ [0,570 . (120 – 80) ] = 4,40 m2 bulunur.

Boyler

Boylerler kullanma sıcak suyu üreten cihazlar olup esas itibariyle ısı değiştirgecidirler. Isıtma sıcak suyu (90/ 70 ºC) ile, kullanım amaçlı, 45 – 60 ºC sıcaklıkta su üretirler. Çamaşırhanelerde su sıcaklığı 60 ºC değerindedir. Ancak konutlarda ısı tasarrufu amaca ile standartlar su sıcaklığını düşürmektedir. Su sıcaklığı konutlarda 45 ºC alınmalıdır. Bu değer yeni ASHRAE standartlarına göre en fazla 50 ºC olabilir. Boyler hacimleri su ihtiyacına göre belirlenir.

Boylerde suyun ısınmasına bağlı olarak ortaya çıkacak genleşmelerin tehlike yaratmaması için emniyet ventilleri kullanılmalıdır. Tablo 1’ de boyler hacmine göre emniyet ventili çapları verilmiştir. Emniyet ventilinden dışarı su atılması isteniyorsa, sistemde kullanma sıcak suyu tarafında bir kapalı genleşme deposu kullanılması öğütlenir.

Tablo 1 Boyler Emniyet Ventili Boyutları

İki temel tip boyler bulunmaktadır. Bunlar çift cidarlı boylerler ve dik tip serpantinli boylerler olarak bilinir. Çift cidarlı boylerler yaklaşık üç kat fazla yer kaplarlar, 25 mSS statik basınçtan sonra kullanımları salık verilmez, ısı kaybı fazladır. İki cidar arasındaki galvaniz kalitesi güvenli değildir. Buna karşılık serpantinli boylerler basınca dayanıklıdır, ısıtma yüzeyi artırılarak suyun ısınma süresi kısaltılabilir, ısı kaybı azdır, galvaniz kalitesi iyidir ve ömrü uzundur, ısıtma devresi temizlenebilir. Ancak yüksekliği aza olan kazan dairelerinde dik tip boyler kullanılamaz. Eğer ısıtma kızgın su veya buharla yapılıyorsa mutlaka dik tik serpantin boylerler kullanılmalıdır.

Boyler içerisindeki kullanma suyunun boşaldığı veya basıncının azaldığı anda, boylerle kalorifer devresindeki basıncın neden olduğu çökme olabilir. Silindirlerin içten ve dıştan gelen basınca dayanıklılığı farklıdır. İçerden 60 mSS basınca dayanıklı bir boyler, dıştan max. 25 mSS basınçta (kalorifer devresi basıncı) çalışabilir. Yüksek yapılarda arıza anında kullanma suyu boşaltılmış boylerlerde kalorifer devresi basıncının neden olduğu çökmeler olmaktadır.

Boylerlerin taşınmaları sırasında temizleme kapağı üzerine yük gelmemelidir. Özellikle indirilirken bu kısım kesinlikle yere değmemelidir. Aksi halde flanş kapakta montajdan sonra yapılan testte boyler su kaçırmaktadır. Aşağıda Tablo 2’ de boylerlerin karşılaştırılması verilmiştir:

Tablo 2 Boyler Karşılaştırılması

Boyler serpantin yüzeyi hesaplanırken, serpantin ısı gücü,
Q = Ms . c. p (tç – tg) [kw]
olarak hesaplanır.
Burada,
Ms = Sıcak su ihtiyacı (lt/ sn)
c = Suyun özgül ısısı (4,2 kj/ kg ºC)
p = Suyun yoğunluğu (1 kg/ lt)
tg = Boyler su giriş sıcaklığı (10 ºC)
tç = Boyler su çıkış sıcaklığı (60 ºC)

serpantin yüzey miktarı ise,

F = Q / (K . Δtm)(m2)

K . Δtm değeri 90/ 70 ºC sıcak su için kireçlenme ve emniyet faktörleri de göz önüne alınarak 11 – 17 kw/m2, 0.1 bar basınçlı buhar için ise 45 kw/ m2 olarak alınabilir. Örnek olarak sıcak su gereksinimi 1,5 lt/ sn olan bir sistemde serpantin yüzeyi hesabı istensin. Isıtma 90/ 70 ºC sıcak su ile yapılıyorsa ve boyler su giriş sıcaklığı 10 ºC, su çıkış sıcaklığı 60 ºC ise,
Q= 1,5 . 4,2 . 1 (60 – 10) = 315 kw
bulunur. K . Δtm değeri için 15 kw/ m2 kabul edilirse,
A = 3,5/ 15 = 21 m2 bulunur.