Endüstriyel
cihazlarda ısı enerjisi çeşitli yöntemlerle transfer edilir; elektrikli ısıtıcılarda
kondüksiyonla; ısı değiştiriciler, kaynatma kazanları ve kondenserlerde kondüksiyon-konveksiyonla;
fırınlar ve radyant-ısılı kurutucularda radyasyonla; diğer bazı özel yöntemlerle.
ISI
DEĞİŞTİRİCİLER
Bu
kısımda kullanımı çok yaygın olan ısı değiştirici tipleri anlatılacaktır; çoğu sıvı-sıvı bazında
dizayn edilmiştir, ancak gazlar ve yoğunlaşamayan buharlar için de kullanılabilirler.
Tüpler
ve Tüp Aynaları
Tüpler
çeşitli metallerden yapılır, standart BWG numaraları ile tanımlanır; tüpün et (duvar)
kalınlığı ve çapı belirtilir. Standart tüp boyutları, ilgili tablolardan bulunur. Isı
değiştiricilerde kullanılan standart tüp boyları 8 ft (243.8 cm), 12 ft (365.8 cm), 16 ft
(487.7 cm), 20 ft (609.6 cm) tir. Tüpler üçgen (şaşırtmalı) veya kare şeklinde dizilir.
Kovan tarafı uygun olduğunda, üçgen dizim tercih edilir, çünkü belirli bir
kovan çapına bu durumda, kare dizilişe göre daha fazla ısı transfer alanı
sığar. Üçgen dizimde tüpler sıralar arasında bir fırça gezdirerek temizlenemez, oysa kare dizimde tüp dışlarını temizlemek mümkündür. Kare dizimde kovan tarafı basınç düşmesi, üçgen dizimdekinden daha düşüktür.
Tüp
aynası, tüpleri demet halinde dağılmadan birarada tutan ve aynı zamanda ısı değiştiricinin kovan-gövde ile tüp
tarafını ayıran çelik bir plakadır. Bu plakaların (et kalınlıkları) çalışma koşullarındaki basınç ve
sıcaklık değerlerine göre belirlenir.
Tüpler ayna üzerine
çaplarına göre açılmış deliklere geçirilirler. Gövde ile tüpler arasında bir
geçiş-kaçak olmaması için, bu bağlantılardan hiç bir kaçak olmaması gerekir. Bu
nedenle tüpler aynaya sokulduktan sonra özel
cihazlar (makineto) ile bu bölgeleri şişirilir veya kaynak edilir. Bazan her iki işlem birden uygulanır (Şekil-27).
Bazı eşanjörlerde ayna gövdeye kaynakla bağlanmıştır. Bu
durumlarda sıcaklık değişimi ile tüplerin boylarında meydana gelecek uzama ve
kısalmaların etkileri,
doğrudan tüplerin ayna ile birleşme noktalarına iletilir. Hesaplamaların üzerinde meydana gelen
zorlamalarda tüp ile ayna birbirinden kopabilir ve bir sızıntı veya kaçak
meydana gelebilir; bu durumda iki akışkan birbirine karışır.
Şekil-28
de tek ve çift aynalı eşanjörlerin şematik diyagramları verilmiştir. Çift
aynalı bir eşanjör örneği Şekil-28b de görülmektedir. İki ayna arasında bir
miktar aralık
vardır; bu aralığa sızan sıvı boşaltma deliklerinden eşanjör dışına alınabilir.
Şekil-27: Tüp aynasının gövdeye
bağlanması; (a) kaynaklı, (b) makinetolu bağlantılar
Şekil-28: Tüp aynalarının şematik
görünümleri; (a) tek aynalı, (b) çift aynalı eşenjörler
Ayna Deliklerinin Sıralama Şekilleri
Eşanjör
tüpleri aynaya çeşitli sıralama şekilleri ile bağlanabilir.
Tüpler
düşey ve yatay konumda paralel sıralar halinde dizilmiş ise buna düz sıra denir. Düz sıralı
dizilmiş deliklerin akışa karşı gösterdiği direnç daha az olduğundan bu tip
eşanjörlerde basınç azalması daha az olur. Buna karşılık şaşırtmacalı olarak
dizilmiş tüpler belli bir alana daha çok sayıda dizilebilir. Mesela 42 inç çapında
düz bir aynada 2 geçişli eşanjör için kullanılabilecek tüp sayısı 1176 iken,
şaşırtmacalı dizilmiş aynada yine 2 geçişli eşanjör için tüp sayısı 1350 dir.
Deliklerin üçgen dizilmiş olması basınç kaybını arttırmakta, buna karşılık ısı transfer
miktarı aynı ayna çapında daha fazla olmaktadır. Tasarım yapılırken bu iki husus göz önüne alınır
(Şekil-29).
Şekil-29: Eşanjör tüplerinin aynaya
diziliş şekilleri
Kovan
ve Bafıllar
Kovan
çapları standarttır. 23 in (58.4 cm) ve daha küçük kovanların çapları ATSM boru
standartlarına uygundur. 25 in (63.5 cm) ve daha büyük çaptakiler, en yakın değerdeki
kovanlar için verilen özelliklere göre tanımlanır.
Batıllar
arasındaki mesafeye (merkezden-merkeze) "batıl dizimi" veya
"bafıl boşluğu"
denir; bu değer kovan çapının 1/5 inden daha az veya kovan iç çapından daha
fazla olamaz.
Bafıllar (perdeler),
gövde içerisine yerleştirilirler. Bunlar, öncelikle tüplerin eğrilerek birbirlerinin üzerine oturmasını (bel
vermelerini) önler; böylece tüpler arasındaki açıklıklar tüp demeti boyunca
korunmuş olur. Açıklıkların değişmesi ise
uygun ve beklenilen ısı transferlerinin gerçekleşmesine yardımcı olur. Ayrıca, gövde tarafından geçen akışkanın gövde içerisinde
daha uzun kalmasını sağlar.
Şekil-30
da görüldüğü gibi gövde tarafına giren akım, perdeler etrafından dolaşarak geçmek
zorundadır. Böylece gövde akımı ısı değiştirici boyunca hareket ederken, aynı zamanda tüplere dik
olarak hareket eder. Temas süresinin
uzaması ısı transfer hızının artmasına neden olan etkenlerden bir tanesidir.
Ayrıca yüzeylerde düşük akım hızından dolayı oluşan laminer akımlarda, ısı iletim faktörü düşer. Gövde içine
konulmuş. bulunan perdeler gövde
içindeki akımın laminer karakterden, uygun seviyede türbülent karaktere dönmesine
de yardım ederler.
Şekil-30: Bir eşanjörde perdelerin
yerleştirilme şekilleri; (a) dikey kesilmiş, (b) yatay kesilmiş perdeler
Akım
için yeterli ve istenilen türbülensi yaratacak açıklık bırakılarak perdeler yatay veya dikey
kesilebilir. Perdeler üst ve yandan kesildiği gibi genellikle alt kısımdan
birer parça çıkarılarak, eşanjörün dip bölümünde de devamlı akış sağlanabilir.
Çarpma Plakaları: Gövde tarafına giren akışkan hızla tüplere çarptığında önemli erozyona yol
açar. Özellikle içlerinde katı tanecikler bulunan gaz ve sıvılar veya içlerinde sıvı
tanecikler bulunan gaz akımlarının tüpler üzerindeki erozyon etkisi oldukça
fazladır. Bu nedenle gövde giriş nozullarının karşısına, tüplerin üzerine gelmek üzere
çarpma plakaları konur. Akışkan gövdeye girerken tüplere değil, bu plakalara
çarpar ve gövdenin her tarafına dağılır (Şekil-31a).
Boyuna Perdeler:
Daha önce konu edildiği
gibi ısı değiştirici gövdesine boyuna olarak
yerleştirilmiş perdeler iki veya daha çok geçiş sağlar. Boyuna perdenin uzunluğu eşanjör gövdesinin uzunluğundan
daha azdır. Böylece akışın eşanjörü
boydan boya iki veya daha çok sayıda kat etmesi temin edilmiş olur. Eşanjör
içine konulmuş 3 adet boyuna perde sıvının gövde içinde 4 defa gidip-gelmesini,
yani 4 geçiş yapmasını sağlar (Şekil-31b).
Şekil-31: Isı değiştirici
gövdesinde, (a) boyuna, (b) enine perdelerin görünümleri
Gövde
ve Tüp Bağlantı Tipleri
Sabit Aynalı Isı Değiştiriciler: Bu tiplerde tüplerin bağlı olduğu ayna gövdeye kaynak edilmiştir. Bu
nedenle tüp demetinin gövdeden sökülerek çıkartılması mümkün değildir
(Şekil-32); sıcaklık değişmesinden dolayı meydana gelen uzama ve kısalmalar tüp demetlerinde zorlamalara
ve gerilmelere sebep olur; bu bakımdan
sıcaklık değişimlerinin fazla olmadığı durumlarda uygundur. Kaynaklı eşanjörlerin tek tercih nedeni, diğer türlere
göre çok daha ucuz olmasından kaynaklanmaktadır. Sıcaklık değişimlerinin fazla olduğu yerlerde kullanabilmek için gövdeye, körük şeklinde çalışan genleşme parçalan konulur.
Bu
tip eşanjörlerde tüp demeti sökülemediğinden, gövdenin içinin ve tüplerin dış yüzeylerinin temizlenmesi, tüplerin
kontrol edilip durumlarının
izlenmesi mümkün olmaz; bu nedenle kirlilik
olmayan akımlar için daha
uygundurlar.
Şekil-32: Sabit aynalı bir ısı
değiştiricinin şematik görünümü; tüp demetinin her iki ucunda birer tüp aynası
bulunur
U
Tüp Demetli Isı Değiştiriciler
U
tüp demetli ısı değiştiricilerde ayna bir tanedir (Şekil-33); ısı uzun eşanjör boruları
birbirinin içine yerleştirilecek gibi U şeklinde bükülerek tüp demetini
oluşturur; bu nedenle bir ayna vardır.
Ayna
ile kapak arasında cıvatalarla bağlı ve perdeli bir kafa bulunur. Bu kafaya kanal (channel) adı
verilir. Kanal kafanın gövdeden sökülüp çıkarılması ile ayna ve tüp demeti
serbest kalmakta ve bunları da gövdeden dışarı almak mümkün olmaktadır.
U
tüp demetlerinde tüplerin iç temizliğinin yapılması ve teknik kontrolü güç olduğu gibi herhangi
bir nedenle arızalanan tüpün değiştirilmesi de, iç sıralarda ise, mümkün değildir.
Tek bir aynaya
bağlı olduklarından sıcaklık değişikliğinin etkisi ile demetin uzaması bir sakınca meydana getirmez. Bu nedenle
tüp tarafı ile gövde tarafı arasında büyük sıcaklık farklarına müsaade
edilir.
Şekil-33: U demetli bir ısı
değiştiricinin kısımları
Yüzer Kafalı Isı Değiştiriciler: Bu eşanjörlerde bir taraftaki ayna, kanal ile gövde arasına sabit bir
şekilde civatalanmıştır. Bunun karşısındaki ayna ise, kapağı ile birlikte gövde
içinde serbest hareket edebilmektedir. Kanal kafa ve sabit ayna civatalarının
sökülmesi ile tüp demeti yüzer kafa ile birlikte gövdeden çıkartılabilir; böylece
tüplerin dış teknik kontrolleri ve temizlikleri yapılır (Şekil-34).
Şekil-34: (a) yüzer kafalı bir ısı
değiştirici, (b) yüzer kafanın kısımları
Tek-Geçişli
1-1 Isı Değiştirici
Basit
çift borulu ısı değiştiricilerde (Bölüm-2, Şekil-3), tüp sayısı az olduğundan istenilen akış
hızlarına ulaşılamaz. Kovan-tüp konstrüksiyon için bir kaç tane çift-borulu
değiştirici kullanıldığında ise, dış tüpler için gerekli metalin ağırlığı çok
fazla olur. Şekil-35 da, bir kovanın çok sayıda tüpe servis verdiği bir ısı
değiştirici görülmektedir;
burada 1 kovan-tarafı geçişi ve 1 tüp-tarafı geçişi bulunduğundan, bunlara 1-1 değiştiriciler denir.
Bir ısı
değiştiricide kovan-tarafı ve tüp-tarafı ısı transfer katsayıları aynı olmalıdır; keza kovan-tarafı sıvısının hızı ve
türbülensi, tüp-tarafı sıvınınki kadar önem
taşır. Tüp aynalarının sağlam olması için, tüpler arasındaki mesafenin en az
olması gerekir. Tüpleri, dışında kalan alan toplam tüp alanına yakın olacak
şekilde yerleştirmek de pratik bir çözüm değildir. İki akımın büyüklükleri
birbirine yakınsa, kovan taraftaki
akımın hızı, tüp taraftakinden daha düşüktür. Hızı arttırmak için kovana, buradaki sıvının kesit
alanını düşürmek amacıyla batıllar monte
edilir; bu durumda sıvı, tüplere paralel değil de, tüp banklarına paralel geçer. Böylece yaratılan türbülent karakterdeki
akım, kovan tarafın ısı transfer katsayısını yükseltir.
Şekil-35
te görülen A batılları, bir tarafı kesik dairesel metal disklerdir. Kesik kısım, kovan çapının
dörtte biri kadarlık bir ölçüdedir; bunlara %25 lik batıllar denir. Batıllar,
içlerinden tüpler geçecek şekilde delinmiştir ( sızıntı olmaması için delikler çok küçük
yapılır), ayrıca, bir veya daha fazla kılavuz çubukla (C) desteklenir; bunlar
vidalarla D ve D' aynaları arasına tutturulmuştur. Böyle bir ısı değiştiriciyi
monte ederken, önce tüp aynaları, kılavuz çubuklar, ayırıcı tüpler ve baffıllar
yerleştirilir, sonra tüpler takılır. Şekil-16 daki ısı değiştirici tipi sadece küçük kovanlar için uygundur.
Şekil-35: Tek geçişli 1-1 karşı
akımlı ısı değiştirici; A: bafıllar (perdeler), B: tüpler, C: kılavuz
çubukları, D: tüp tutucular (aynalar), E: ayırıcı tüpler
1-2
Paralel-Karşı Akımlı Isı Değiştirici
1-1
Isı değiştiricilerde bazı sınırlamalar vardır. Yüksek hızlar, kısa tüpler ve genleşme sorunlarıyla ilgili konularda yeterli
çözümlere, çok geçişli konstrüksiyonlarda
ulaşılır. Çok geçişli yapı, akışkan yolunun kesitini düşürür ve hızını yükseltir; böylece ısı-transfer katsayısı
artar. Dezavantajları, (1) ısı değiştirici biraz karmaşık yapıdadır, (2) hızların yüksek olması, çıkış ve giriş
kayıplarının tekrarlanması nedeniyle
cihaz boyunca sürtünme katsayısı yükselir. Örneğin, dört-geçişli bir ısı değiştirici tüplerindeki
ortalama hız, aynı sayıda ve büyüklükte tüp içeren ve aynı sıvı akış hızında çalışan bir tek-geçişli
değiştiricinin dört katıdır. Dört-geçişli
değiştiricinin tüp-tarafı katsayısı, tek-geçişlideki hız laminar akım verecek kadar düşük olduğunda, yaklaşık 40.8=3.03
(veya daha fazla) kat, sürtünme kaybı
42.8 = 48.5 kat daha yüksek olur. En ekonomik dizayn, akışkanı
yüksek hızlara pompalama gücünün getireceği maliyet ile, cihaz parasını dengeleyecek bir hız seçimiyle yapılır. Çok düşük
bir hız, az bir pompalama gücü ister, fakat gerekli cihaz çok büyüktür.
Çok yüksek bir hız ise, cihaz malzeme
parasını azaltırken, gerekli gücü sağlayacak pompa fiyatını artırır.
Çok
geçişli ısı değiştiricilerde tüp-tarafı geçişleri çift sayılıdır. Kovan tarafı tek-geçişli veya
çok-geçişli olabilir. En çok kullanılan tipi 1-2-paralel akımlı değiştiricilerdir; bunlarda
kovan-tarafı sıvı akışı bir-geçişli, tüp-tarafı iki veya daha çok geçişlidir
(Şekil-36). Çok-geçişli değiştiricilerde, çoğu zaman yüzer kafalar kullanılır. Tüp-tarafı
sıvısı aynı taraftan girer ve çıkar; birbirlerinden sadece bir bafılla ayrılırlar.
2
– 4 Isı Değiştiriciler
1-2
Isı değiştiricide, paralel akış olduğundan, bir akışkanın çıkış sıcaklığı,
diğer akışkanın giriş sıcaklığına fazla yakınlaşamaz; yani, 1-2 tipindeki
değiştiricilerde, geri-kazanılan
ısı düşüktür.
Daha
iyi bir ısı geri-kazanma, 2-4 tipindeki ısı değiştiricilerle sağlanır. Bunlarda
iki kovan-tarafı,
dört tüp-tarafı geçiş vardır. Bu tip bir değiştirici de, iki tüp-tarafı geçişi olan ve aynı
akış hızlarında çalışan 1-2 tip ısı değiştiriciye göre, daha yüksek hızlar ve daha
büyük toplam ısı transfer katsayısı verir. Şekil-37 de, bu tip bir ısı değiştirici görülmektedir.
KONDENSERLER
(YOĞUNLAŞTIRICILAR)
Buharları,
iç ısılarını uzaklaştırarak yoğunlaştırmada kullanılan özel ısı transfer cihazlarına kondenser denilmektedir. Bir
kondenser, işlem sırasında soğutucusunun
sıcaklığı yükseldiğinden, aynı zamanda bir ısıtıcı gibi de davranır. Fakat
yoğunlaştırıcı etkisi önemli olduğundan, kondenser adı uygun bulunmuştur. Kondenserler iki gruba ayrılır: (1)
kovan-ve-tüp kondenserler; yoğunlaşan buhar ve soğutucu, düz bir ısı transfer
yüzeyi ile ayrılır, (2) kontaklı (ilişkili)-kondenserler; soğutucu ve buhar
(ikisi de sudur), fiziksel olarak karışık haldedir, fakat kondenseri tek
bir akım olarak terk ederler.
Kovan
- ve - Tüp Kondenserler
Şekil-38
de görülen kondenser, tüm soğutucu sıvı akımı tüplerden paralel olarak geçtiğinden, tek-geçişli bir kondenser
birimidir. Bu tip bir akış, büyük kondenserlere
önemli sınırlamalar getirir. Tek-geçişli akışta yeterli ısı transfer katsayısı, tüpler boyunca hızın düşük olmasıyla
sağlanır; bu durum çok sayıda tüpe,
dolayısıyla ekonomik olmayan büyüklükte bir cihaza yol açar. Transfer hızının düşüklüğü, soğutucu akışkanın geniş bir
sıcaklık aralığına soğutulmasını gerektirir,
yani uzun tüplere gereksinim vardır, oysa uzun tüpler pratik değildir.
Yüksek hızlar,
yüksek ısı transfer katsayıları ve kısa tüpler içeren bir kondenser elde etmek için, ısı değiştiricilerde
kullanılan çok-geçişli ilkeler uygulanır.
Şekil-38 da iki-geçişli bir kondenser görülmektedir.
Kondenserlerde
sıcaklık farklılıklarıyla ortaya çıkan genleşme gerilimlerinin dikkate alınması
gerekir. Genleşmeden dolayı olabilecek tahribattan kaçınmanın en iyi yolu, yüzer
kafa kullanılmasıdır; bunda, tüp aynalarından biri (tabii tüplerin birer ucu), kovana
bağlı değildir. Buhar girişi üzerine delikli bir levha konularak, buharla taşınan sıvının damlayıp tüpleri
delmesi önlenir.
Şekil-36: Paralel-karşı akımlı ısı değiştirici
Şekil-37: 2-4 tip bir ısıtıcı
Şekil-38: İki geçişli yüzer kafalı
kondenser
Kontaklı
(Temaslı) Kondenserler
Bir kontaklı kondenser örneği Şekil-39 da verilmiştir; yüzey kondenserlerden daha küçük ve daha ucuzdur. Şekildeki dizaynda soğutucu
suyun bir kısmı, buhar girişi yanından buhar akımına püskürtülür; kalanı kondensasyonu tamamlamak ve yoğunlaşamayan gazı atmak için, bir venturi tüpü yoluyla, deşarj borusuna gönderilir. Bir kovan-ve-tüp kondenser vakum altında çalıştırıldığında, çoğu kez. kondensat
pompayla dışarı atılır Bunu önlemek için
barometrik bir bacak kullanılır; bu, 1036.3 cm (34 ft) uzunluğunda, alt kısmı
kondensat toplatıcı tanka bağlanmış dikey bir tüptür. Çalışma sırasında, bacak içindeki sıvı
seviyesi otomatik olarak
kendini ayarlar, bacak ve tank seviyeleri arasındaki fark, atmosfer ve kondenserdeki buhar bölgesi arasındaki
basınç farkına eşit olur; böylece,
sıvı yoğunlaşır yoğunlaşmaz, vakumu kesmeye gerek olmadan, bacağın içine
akar.
Doğrudan-kontaklı
bir kondenserde, venturinin alt konisinde akımın kazandığı basınç, bir barometrik bacak gereksinimini
ortadan kaldırır.
Şekil-39: Kontaklı kondenser
BÜYÜTÜLMÜŞ YÜZEYLİ CİHAZLAR
İki akışkandan birinin
ısı transfer katsayısı diğerininkinden daha düşük olduğunda, önemli
ısı-değişme sorunları doğar. Buharın yoğunlaşmasıyla, hava gibi sabit bir gazın ısıtılması tipik bir
örnektir. Hava akımının ısı transfer katsayısı büyüklük derecesi 10 iken, yoğunlaşan buharınki 1000-2000 arasındadır. Toplam-katsayı,
hemen hemen havanın katsayısına eşittir; birim ısıtma yüzey alanının kapasitesi düşük olacağından, istenilen
kapasiteye erişmek için çok sayıda
tüp gerekir. Viskoz sıvıların ısıtılması veya soğutulmasında veya akış hızı düşük bir akışkanla çalışılması halinde de
(laminar akışta ısı transfer hızı düşüktür), aynı sorunlarla karşılaşılır. Bu
gibi durumlarda cihaz maliyetini düşürmek için, "genişletilmiş
yüzeyler" adı verilen ısı değiştiriciler geliştirilmiştir. Bunlarda tüpün dış alanı kanatlar, mandallar ve
disklerle genişletilerek, akışkanla temas yüzeyi iç alanına göre daha büyük
yapılır. Isı transfer katsayısı düşük olan akışkan, genişletilmiş
yüzeyle temas etmesi için tüplerin dışından, diğer akışkan içlerinden geçirilir. Dış yüzeyin genişletilmesi
ile elde edilen kantitatif etki, aşağıdaki toplam katsayı eşitliğinde
görülmektedir (burada tüp duvarının direnci ihmal edilmiştir).
Genişletilmiş
Yüzey Tipleri
Şekil-40 da görüldüğü gibi, üç tip genişletilmiş yüzey
yapılabilir. Akışkanın akış yönü tüp
eksenine paralel olduğunda boyuna kanatlar kullanılır. Enine kanatlar, akış yönü tüplere dik olduğunda uygundur. Boynuz,
iğne, çivi veya kılçıklar ve diğer eklentiler, yüzeylerin
genişletilmesinde kullanılır; bu tip yüzeyler tüp eksenine paralel ve dik yönde akan akışkanlar için uygundur. Hepsinde de
kanatların tüpe sıkıca bağlanmış olması çok önemlidir.
Şekil-40: Genişletilmiş yüzey
tipleri; /a) boyuna kanatlar, (b) enine kanatlar, (c) yassıltılmış tüpler,
sürekli kanatlar
KAZIMA
- YÜZEYLİ ISI DEĞİŞTİRİCİLER
Viskoz
sıvılar ve sıvı-katı süspansiyonların ısıtılması veya soğutulmasında kazıma-yüzeyli ısı
değiştiriciler kullanılır. Bu tip değiştiriciler, merkez tüpü 10.2 -30.5 cm (4-12 inç)
çapında olan, ceketli çift-borulu ısı değiştiricilerdir; ceketten ısıtma buharı veya
soğutma sıvısı geçer. Merkez tüpün iç yüzeyi, dönen bir şaft üzerine
yerleştirilmiş, boydan boya uzanan bir veya daha çok bıçakla süpürülür.
Viskoz
sıvı merkez tüpten düşük hızla geçer. Sıvının, ısı transfer yüzeyine temas eden kısmı
durgundur, fakat kazıyıcı bıçaklarla sıyrıldığında hareketli hale gelir. Viskoz sıvılara
ısı transferi kararsız-hal iletimi ile sağlanır. Durgun halin bozulma periyodu kısa
ise, ısının bu fazla teması da kısa süreli olur; böyle bir işlem, bir katıya (kararsız-hal) ısı
transferi işlemine benzer.
İŞLETME
VE BAKIM
Devreye
Alma ve Devreden Çıkarma
Hava ile hidrokarbonların karışması yanıcı ve patlayıcı
bileşimlerin meydana gelmesine neden
olabileceğinden oldukça tehlikelidir. Bir eşanjöre sıvı veya gaz hidrokarbon vermeden önce içerideki havanın veya
sıvının inert bir gaz veya buharla boşaltılması gerekir. Eşanjörün gövde
ve tüp demeti sıcaklığa karşı reaksiyonları
farklı malzemelerden imal edilmişse, ısındığında iki malzemenin genişleme
veya uzama hızları farklı olur. Bu bakımdan ani bir sıcaklık değişimi
bağlantılarda büyük zorlamalara ve kopmalara yol açabilir. Sıcak bir eşanjöre
soğuk bir akışkan asla aniden verilmez; keza soğuk bir eşanjöre sıcak akışkan
yavaş yavaş verilmelidir. Devreden çıkarma ve devreye alınma sırasında sıcaklık
değişikliklerinin çok yavaş olması gerekir.
Devreye alma sırasında önce soğutma suyu açılır. Daha sonra
sıcak akışkan devresi yavaş yavaş açılarak çalışma sıcaklığına ulaşılır.
Devreden çıkarma sırasında ise önce sıcak akışkan kesilir; eşanjör zamanla
soğur. Daha sonra soğutma suyu devresi kapatılır. Eşanjör sıvı ile dolu iken
vanalar kesinlikle kapatılmamalıdır Isınan sıvıda meydana gelecek genişleme,
eşanjörün patlayıp hasarlanmasına neden olabilir. Vanalar kapatılmadan önce
eşanjör boşaltılmalıdır. Dış sıcaklık çok düşükse, eşanjörün tüplerinde kalan
su donar ve tüpleri patlatabilir. Bu bakımdan hava sıcaklığı sıfırın altında
olduğunda çalışmayan eşanjördeki suyun boşaltılması gerekir. Tüplerdeki su
gövde tarafındaki hidrokarbonun hızlı buharlaşması sonucunda da donabilir.
Gövde tarafındaki hafif hidrokarbonların basıncı aniden düşürülmez; böyle
durumlarda hızla buharlaşan hidrokarbon dışardan büyük miktarda ısı alarak
önemli sıcaklık düşmelerine ve don olayına sebep olabilir. Bazı eşanjörlerde
devreden çıkarma işleminden sonra kalan hidrokarbonların, buhar veya bir inert
gaz püskürtülerek temizlenmesi gerekir çünkü eşanjör içindeki patlayıcı karışım
bir tehlike kaynağıdır.
İşletme
Basıncı ve Sıcaklığı
Her eşanjör etiket plakasında yazılı olan basınç ve sıcaklıkta çalışmak
üzere dizayn edilmiştir İşletme basıncı bu değerin üzerine çıkarsa gövde ve
tüplerde hasar meydana gelebilir Örneğin, basınç etkisi ile bir tüpün çatlaması
veya aynadan ayrılması halinde sıvının biri diğerine bulaşır.
Tipik bir soğutma suyu çevriminde suya korozyon inhibitörü ve taş
tutmayı önleyecek asit ilave edilir Yüksek sıcaklık taş tutmayı arttırır Tüp
çeperlerinde meydana gelen kirlenmeler (fouling) akışa karşı bir direnç
oluşturur. Bazı akışkanlarda sıcaklığın düşük olması da kirlenme ve tortu
miktarını arttırır. Bu bakımdan sıcaklıkta önceden tespit edilmiş alt ve üst
limitlere uymaya dikkat edilmelidir Isının suyu hidrokarbonlardan ayırmak için
kullanıldığı proseslerde düşük sıcaklık verimi azaltır.
Eşanjördeki sıcaklığı
kontrol etmenin bir yolu, soğutma suyu debisini kontrol etmektir.
Soğutma suyu akış hızını çok düşürerek eşanjör içindeki sıcaklığın aşırı yükseltilmesi
sakıncalıdır. Çünkü yüksek sıcaklıkta tortuların artması ve kirlenmelerin,
eşanjörde tıkanmalar meydana getirme olasılığı yüksektir.
Bazı eşanjörlerde
ürünlerin bir kısmı eşanjöre girmeden baypas edilir. Bu şekilde eşanjör çıkışı ile baypas devresinin
birleştiği yerde daha yüksek sıcaklık meydana
gelir. Eşanjör, bir sistemin bir parçasıdır. Bu nedenle sistem içindeki diğer donatımlarda meydana gelen fiziksel
değişiklikler eşanjörü de etkiler. Aynı şekilde, eşanjörde yapılacak bir değişikliğin sistemin diğer
donatımlarına yapacağı etkinin
dikkate alınması gerekir. Bir değişiklik yapmadan önce ve sonra basınç ve
sıcaklıkları tespit etmek iyi bir uygulamadır. Bu şekilde hangi şartların gerçekten değiştiği daha doğru olarak bilinecek
ve işletmedeki güçlüklerin yeri kesin
olarak tespit edilecektir. Nerde ve hangi değişikliklerin yapıldığının bir kaydının tutulmasında önemli yararlar vardır.
Değişiklik iyi netice vermezse eski çalışma şartlarına dönmek gerekir.
Eşanjörlerde
Kirlenme
Eşanjör aksamı üzerinde
çeşitli cinslerde tortu tabakalarının meydana gelmesi olayına, genel
olarak kirlenme (fouling) adı verilir.
Kir tabakaları eşanjör
yüzeylerine yapıştığından buralarda kalınlığın artmasına sebep olur; ısı transferinin yavaşlaması ve akışa
karşı bir direnç doğması debiyi düşürür. Böylece kirlenme olayı genel
bir verim düşüklüğüne sebep olur Eşanjörde
kirlenme basınç ve sıcaklığın değişmesinden anlaşılabilir. Kirlenme varsa
eşanjördeki basınç düşümü artar, debi azalır. Sıcaklık kıyaslaması, ısı transferinin
verimli olup olmadığını belirten bir göstergedir.
Kirlenmenin
bir cinsi tortudur. İsminden de anlaşıldığı gibi kir, çamur ve tozun çökelmesinden meydana
gelir. Korozyon ürünleri diğer bir tortu kirlenmesi kaynağıdır. Eşanjör
malzemesi sıvıdan etkilendiği zaman korozyon meydana çıkar. Soğutma suyunda,
yosun dahil organik maddeler bulunabilir. Yosun tüp içinde bir izolasyon
tabakası gibi etki yapar. Diğer kirlenmeler olarak koklaşma, tuz tortusu ve kimyasal reaksiyonlar
sayılabilir.
Eşanjörde
kullanılan malzeme kirlenmelerin cinsini ve büyüklüğünü etkiler Örneğin, yüzey
pürüzlülüğü tortuların oluşmasına yol açabilir. Bazı malzemeler diğerlerinden
daha hızlı paslanır ve ısı transferini azaltan bir tabaka meydana getirirler; bu şekilde
kirlenme hızlanır. Akışkanın hızı da kirlenme miktarını etkiler. Hız azsa, tortu
çökmesi daha fazladır. Bu bakımdan yüksek akış hızı kirlenme miktarını azaltıcı bir etki yapar. Eşanjörlerde kirlenmeyi önlemek için tortu oluşmasını önleyici (antifoulant) ve tortuya sebep
olan kimyasal reaksiyonları önleyici inhibitörler kullanılır.
Bakım
Akışkan
içinde asılı konumda bulunan erimeyen maddelerin pıhtılaşmasını önlemek için
dispersanlar kullanılır. Tortuları gidermek için uygulanan metotlar, tortu
cinslerine bağlıdır. Tortunun şiddeti de temizleme ve giderme metotlarını belirler. Bir süre
için kirlenme problemi ihmal edilmiş ise mekanik olarak kesme ve kazıma gerekli olabilir ve temizlik için
eşanjörün bazı parçaları sökülür. Bununla
birlikte tortuların çoğu eşanjörü devreden çıkarmadan temizlenebilir. Eşanjör işletmede iken yapılan temizliğe, devrede
iken bakım denir. Bunun için tüp
tarafı veya gövde tarafından akan sıvıya bazı kimyasal maddeler katılır.
Hidrokarbon
içine su enjekte edilir. Tüplerden akan karışımdaki su, tuzu eritir. Toplayıcıda
ürün ve tuzlu su ayrılır. Genellikle kimyasal ve mekanik temizlik için eşanjörün devreden çıkarılması gerekir.
Kimyasal
temizlik için eşanjörün demontajı gerekli değildir. Tüp veya gövde tarafından temizleyici bir karışım devridaim
ettirilir. Mekanik temizlik için eşanjörün bazı parçalarını sökmek gerekir.
Yüksek
basınçlı su, tüplerin içine ve dışına püskürtülerek suyun kuvvetiyle tortular yıkanarak
uzaklaştırılır. Ağır hidrokarbon tortularının temizlenmesi için buhar jeti de geniş
çapta kullanılmaktadır. Buharın sıcaklık etkisi ile yumuşayan tortular, buhar
jetinin kuvveti ile yıkanarak uzaklaştırılır. Hidrolik yıkamanın her çeşidine eşanjörün bir
miktar demontajı gereklidir. Uç plakaları ve kapaklar, tüpleri açığa çıkarmak
için yerlerinden sökülür. Kimyasal hidrolik temizliğe fazla direnç gösteren
tortular için mekanik yöntemler kullanılır. Bunun için eşanjör tamamen sökülür ve
parçalar üzerindeki taş ve kirlenmeler, matkap gibi mekanik teçhizatlarla temizlenir.
Kaçak Testi: Bir sızıntıdan şüphelenildiği zaman evvela bir ön test
yapılır. Ön test
için eşanjörün demonte edilmesine gerek yoktur. Önce daha düşük basınçlı olan akışkandan numune
alınır. Düşük basınç gövde tarafında veya tüp tarafında olabilir. Eşanjörden
geçen akışkanlar yağ ve soğutma suyu ise, gözle kontrolle kaçağın olup olmadığı
anlaşılır. Akışkanlar birbirinden çok farklı maddeler değilse kimyasal analiz
gerekli olabilir. Kaçağın olduğu kanaatine varılırsa genellikte basınçlı su
kullanılarak hidrostatik test yapılır. Tüp tarafının testi için gövde taraf* boşaltılır. Tüp
tarafına su doldurulup basınç uygulanır Tüplerde ve tüp uçlarında bir sızıntı varsa
basınçlı su gövdeye akar Gövde dibine toplanan su dipte açıları bir vanadan veya nozuldan boşalır Sızıntı çok az ise bu tespit uzun zaman alabilir. Gövde tarafına da benzeri test uygulanabilir.
Bu durumda tüp tarafı boşaltılır ve
gövde tarafında, su doldurularak basınç uygulanır. Sızıntı varsa akan su tüp tarafı alçak noktalarında bulunan
(drain)lerden görülebilir.
Bu ön testler sonucunda bir kaçak olduğu kesinleşirse,
eşanjörün bazı parçaları sökülerek kaçağın
yeri tespit edilmeye çalışılır. Sabit aynalı eşanjörlerde uç plakaları
ve kapaklar sökülerek çıkarılır. Bu şekilde aynaların ve tüp uçlarının gözle
kontrolü mümkün olur. Gövdeye basınçlı su uygulanırsa delik veya çatlaklar, tüplere giren su, tüpün ucundan akarken
görülebilir. Arızalı tüp, ya iki ucundan tıpalanır ve körlenir, yada
aynaya bağlı olan bağlantısı kesilerek çıkarılır ve yenilenir.
Gövde kapağı sökülüp tüp
demetinin basınçlı suyla doldurulması halinde yüzer kafanın contasında
ve tüp uçlarındaki sızıntılar görülebilir. Tüplerin gövde içinde kalan bölümlerinde sızıntı varsa veya sabit
kafada herhangi bir kaçak olduğunda, gövde içindeki su gözlenerek bu durum
anlaşılmaya çalışılır. Fakat kaçağın yerini tespit etmek mümkün olmaz, çünkü tüp demeti ve sabit kafa görülemez.
Ancak bu bölgelerden bir kaçak
olduğuna dair kesin kanaat uyanırsa başka testler gerekli olur.
Kanal kafa kapağı
sökülür, tüp tarafındaki sıvı boşaltılır. Gövdeye basınçlı su uygulanır.,
çatlak veya deliklerden tüplere giren su tüp ucundan dışarı akar veya damlar.
Ayna gözle muayene edilerek sızıntı noktaları tespit edilebilir.
Normal olarak bütün
testler sırasında test basıncı olarak işletme basıncının 1,5 katı bir
basınç uygulanır; bu basınç sınırı asla geçilmemelidir. Test yapanlar test suyunun veya sıvısının sıcaklıkla genişleyip
basıncının yükselebileceğini daima göz önüne almalıdırlar; aksi halde
eşanjörde hasar meydana gelebilir.
GERİ (proje çalışmaları)
