Eşanjör Kapasite Hesabı Nasıl Yapılır? | RSR Enerji

Eşanjör Kapasite Hesabı Nasıl Yapılır?

Bir eşanjörün doğru seçilebilmesi için ilk olarak sıcak ve soğuk akışkan arasında ne kadar ısı transfer edilmesi gerektiğinin belirlenmesi gerekir. Ancak eşanjör kapasite hesabı yalnızca “kaç kW?” sorusuna cevap vermekten ibaret değildir.

Akışkanların debileri, giriş ve çıkış sıcaklıkları, fiziksel özellikleri, basınç kayıpları, kirlenme eğilimleri ve kullanılacak eşanjör tipi birlikte değerlendirilmelidir.

Eşanjör tasarımının temelinde iki önemli hesap vardır:

Isı yükü:

Q = ṁ × Cₚ × ΔT

ve gerekli ısı transfer yüzeyi:

A = Q / (U × F × ΔTₗₘ)

Bu iki denklem eşanjör boyutlandırmasının temelini oluşturur. Fakat profesyonel bir tasarımda sonuçların termal ve hidrolik olarak ayrıca doğrulanması gerekir.

Eşanjör Kapasitesi Ne Anlama Gelir?

Eşanjör kapasitesi, sıcak akışkandan soğuk akışkana birim zamanda aktarılması gereken ısı miktarıdır.

Genellikle:

• kW
• MW
• kcal/h

cinsinden ifade edilir.

Örneğin bir proseste suyun 20°C'den 60°C'ye ısıtılması için 500 kW ısı gerekiyorsa kullanılacak eşanjörün bu termal yükü karşılayabilmesi gerekir.

Ancak burada önemli bir ayrım vardır:

500 kW kapasiteye sahip olmak, eşanjörün büyüklüğünü tek başına belirlemez.

Çünkü 500 kW'lık bir su-su eşanjörü ile 500 kW'lık yağ-su eşanjörünün ihtiyaç duyacağı ısı transfer alanı aynı olmayabilir.

Bunun nedeni su, yağ, hava, buhar ve diğer proses akışkanlarının ısı transfer özelliklerinin birbirinden farklı olmasıdır.

Eşanjör Hesabı İçin Hangi Bilgiler Gereklidir?

Bir eşanjör hesaplanmadan önce prosesin mümkün olduğunca doğru tanımlanması gerekir.

Temel olarak aşağıdaki bilgiler bilinmelidir:

Sıcak akışkan için:

• Akışkan türü
• Debi
• Giriş sıcaklığı
• İstenen çıkış sıcaklığı
• Çalışma basıncı
• İzin verilen basınç kaybı

Soğuk akışkan için:

• Akışkan türü
• Debi
• Giriş sıcaklığı
• İstenen çıkış sıcaklığı
• Çalışma basıncı
• İzin verilen basınç kaybı

Detaylı mühendislik hesabında ayrıca;

• yoğunluk,
• özgül ısı,
• viskozite,
• ısıl iletkenlik,
• kirlenme faktörü,
• korozyon özellikleri

de dikkate alınır.

Bu verilerden biri eksik olduğunda bazı değerler hesaplanabilir. Ancak proses hakkında ne kadar fazla doğru bilgi bulunursa eşanjör seçimi de o kadar güvenilir olur.

1. Eşanjör Isı Yükünün Hesaplanması

Faz değişimi olmayan sıvılarda ilk olarak prosesin ihtiyaç duyduğu ısı miktarı hesaplanır.

Temel formül:

Q = ṁ × Cₚ × ΔT

Burada:

Q: Isı yükü
ṁ: Kütlesel debi
Cₚ: Akışkanın özgül ısı kapasitesi
ΔT: Akışkanın giriş ve çıkış sıcaklığı arasındaki fark

Örneğin 10.000 kg/h suyun 20°C'den 55°C'ye ısıtılması gerektiğini düşünelim.

Öncelikle debiyi kg/s birimine çevirelim:

10.000 / 3600 = 2,778 kg/s

Suyun özgül ısı kapasitesini yaklaşık:

Cₚ = 4,18 kJ/kgK

kabul edelim.

Sıcaklık farkı:

55 − 20 = 35°C

olur.

Isı yükü:

Q = 2,778 × 4,18 × 35

Q ≈ 406 kW

olarak bulunur.

Yani bu proses için eşanjörün yaklaşık 406 kW net ısı transferi sağlaması gerekir.

Debi m³/h Olarak Verilmişse Ne Yapılır?

Sahada akışkan debileri çoğu zaman kg/h yerine m³/h cinsinden verilir.

Bu durumda hacimsel debi kütlesel debiye çevrilmelidir.

Temel ilişki:

ṁ = ρ × V̇

Burada:

ρ: Akışkan yoğunluğu
V̇: Hacimsel debi

Örneğin 20 m³/h su debisi için:

20 / 3600 = 0,00556 m³/s

Suyun yoğunluğunu yaklaşık 1.000 kg/m³ kabul edersek:

ṁ = 1.000 × 0,00556

ṁ ≈ 5,56 kg/s

bulunur.

Gerçek projelerde yoğunluk ve diğer fiziksel özellikler akışkanın çalışma sıcaklığına göre alınmalıdır.

2. Buhar Kullanılan Eşanjörlerde Hesap Nasıl Yapılır?

Buhar eşanjörlerinde hesap biraz farklıdır.

Çünkü buhar yoğuşurken yalnızca sıcaklığı değişmez; aynı zamanda faz değiştirerek yüksek miktarda gizli ısı açığa çıkarır.

Bu nedenle buhar uygulamalarında temel yaklaşım:

Q = ṁ × Δh

şeklindedir.

Burada Δh, buharın giriş ve çıkış durumları arasındaki entalpi farkıdır.

Doymuş buharın yoğuştuğu basit bir durumda yaklaşık olarak:

Q = ṁbuhar × hfg

kullanılabilir.

Bu nedenle bir buhar eşanjörünün kapasitesi yalnızca buharın sıcaklığına bakılarak belirlenmemelidir.

Buhar basıncı, doyma sıcaklığı ve entalpi değerleri birlikte değerlendirilmelidir.

3. LMTD Nedir ve Neden Kullanılır?

Eşanjör boyunca sıcak ve soğuk akışkan arasındaki sıcaklık farkı sürekli değişir.

Bu nedenle eşanjör hesabında basit sıcaklık ortalaması yerine Logaritmik Ortalama Sıcaklık Farkı, yani LMTD kullanılır.

Formül:

ΔTₗₘ = (ΔT₁ − ΔT₂) / ln(ΔT₁ / ΔT₂)

LMTD değeri, eşanjör boyunca kullanılabilir ortalama sıcaklık farkını temsil eder.

Bu değer eşanjör yüzey alanını doğrudan etkiler.

Genel olarak:

LMTD azalırsa gerekli eşanjör alanı artar.

Bu nedenle sıcak ve soğuk akışkanların çıkış sıcaklıklarını birbirine çok fazla yaklaştırmak istediğimiz uygulamalarda daha büyük eşanjör yüzeyi gerekir.

Ters Akışlı Eşanjör Örneği

Sıcak akışkan:

90°C → 70°C

Soğuk akışkan:

20°C → 55°C

olsun.

Ters akış için sıcaklık farkları:

ΔT₁ = 90 − 55 = 35°C

ΔT₂ = 70 − 20 = 50°C

olur.

LMTD yaklaşık:

42,1°C

olarak hesaplanır.

Bu değer birazdan eşanjör yüzey alanının hesaplanmasında kullanılacaktır.

4. Eşanjör Isı Transfer Alanı Nasıl Hesaplanır?

Eşanjör boyutlandırmasının temel denklemi:

Q = U × A × F × ΔTₗₘ

şeklindedir.

Buradan gerekli yüzey alanı:

A = Q / (U × F × ΔTₗₘ)

olarak bulunur.

Burada:

A: Gerekli ısı transfer alanı
Q: Isı yükü
U: Toplam ısı transfer katsayısı
F: LMTD düzeltme faktörü
ΔTₗₘ: Logaritmik ortalama sıcaklık farkı

Örneğimizde:

Q = 406.400 W

U = 850 W/m²K

F = 0,90

ΔTₗₘ = 42,1°C

kabul edelim.

Hesap:

A = 406.400 / (850 × 0,90 × 42,1)

Sonuç:

A ≈ 12,6 m²

olur.

Yani ilk termal hesap yaklaşık 12,6 m² ısı transfer yüzeyine ihtiyaç olduğunu göstermektedir.

Buradaki U değeri örnek amacıyla kullanılmıştır. Gerçek projede toplam ısı transfer katsayısı akışkan özellikleri ve eşanjör geometrisine göre hesaplanmalıdır.

Toplam Isı Transfer Katsayısı U Nedir?

U değeri, eşanjörün ısıyı bir akışkandan diğerine ne kadar kolay aktarabildiğini ifade eden en önemli tasarım parametrelerinden biridir.

U değerini etkileyen başlıca faktörler:

• Sıcak taraf akış hızı
• Soğuk taraf akış hızı
• Akışkan viskozitesi
• Akış rejimi
• Boru veya plaka geometrisi
• Malzemenin ısıl iletkenliği
• Yüzeydeki kireç ve tortu
• Eşanjör tipi

Bu nedenle U değeri sabit bir sayı değildir.

Örneğin su-su uygulamalarında ısı transfer katsayısı genellikle yüksekken, yağ veya gaz içeren uygulamalarda daha düşük olabilir.

Sonuç olarak aynı kapasite için gereken eşanjör alanı değişebilir.

5. Gövde Borulu Eşanjörde Boru Sayısı Nasıl Belirlenir?

Gerekli ısı transfer alanı belirlendikten sonra bu alan gerçek bir eşanjör geometrisine dönüştürülür.

Gövde borulu bir eşanjörde yaklaşık boru dış yüzey alanı:

A = N × π × dₒ × L

ile hesaplanabilir.

Burada:

N: Boru sayısı
dₒ: Boru dış çapı
L: Aktif boru uzunluğu

Örneğimizde gerekli alan:

12,6 m²

olsun.

19 mm dış çapında ve 3 metre uzunluğunda boru kullanıldığını düşünelim.

Bir borunun yaklaşık yüzey alanı:

π × 0,019 × 3 = 0,179 m²

olur.

Teorik boru sayısı:

12,6 / 0,179 ≈ 70,4

yani yaklaşık 71 boru çıkar.

Ancak gerçek eşanjörde doğrudan 71 boru kullanılacağı anlamına gelmez.

Tube pass düzeni, tubesheet geometrisi ve boru yerleşimi dikkate alınarak örneğin 72 borulu bir tasarım tercih edilebilir.

Pass Sayısı Eşanjör Performansını Nasıl Etkiler?

Gövde borulu eşanjörlerde pass sayısı oldukça önemlidir.

Örneğin 72 borulu bir eşanjör düşünelim.

2-pass kullanılırsa bir geçişte yaklaşık:

36 boru

aktif olur.

4-pass kullanılırsa:

18 boru

aktif olur.

Aynı debi daha az borunun içerisinden geçtiği için 4-pass durumda boru içi akış hızı yükselir.

Bunun avantajı:

• türbülansın artması,
• ısı transfer katsayısının yükselmesi,
• eşanjör performansının artması

olabilir.

Ancak bunun bir bedeli vardır:

Basınç kaybı yükselir.

Bu nedenle pass sayısı yalnızca mekanik bir tercih değildir. Eşanjörün hem termal hem de hidrolik davranışını değiştirir.

Akış Hızı Neden Önemlidir?

Akış hızı eşanjör performansını doğrudan etkiler.

Akış hızının çok düşük olması:

• düşük türbülansa,
• zayıf ısı transferine,
• yüzeyde daha fazla tortu oluşmasına

neden olabilir.

Akış hızının çok yüksek olması ise:

• yüksek basınç kaybı,
• fazla pompa tüketimi,
• erozyon,
• titreşim

gibi sorunlara yol açabilir.

Bu nedenle eşanjör tasarımında amaç mümkün olan en yüksek hızı oluşturmak değil, ısı transferi ile basınç kaybı arasında optimum dengeyi bulmaktır.

Reynolds Sayısının Eşanjör Hesabındaki Önemi

Akış rejiminin değerlendirilmesinde Reynolds sayısı kullanılır.

Temel formül:

Re = ρ × v × D / μ

Burada:

ρ: Yoğunluk
v: Akış hızı
D: Karakteristik çap
μ: Dinamik viskozite

Reynolds sayısının yükselmesi genellikle akışın daha türbülanslı hale gelmesini sağlar.

Türbülans arttıkça ısı transfer yüzeyindeki termal sınır tabaka incelir ve taşınım katsayısı yükselir.

Ancak yine aynı mühendislik dengesi ortaya çıkar:

Daha yüksek hız → Daha yüksek ısı transferi

fakat:

Daha yüksek hız → Daha yüksek basınç kaybı

anlamına gelir.

Eşanjörde Basınç Kaybı Neden Kontrol Edilir?

Bir eşanjör termal olarak kapasiteyi sağlayabilir ancak proses açısından gereğinden fazla basınç kaybı oluşturabilir.

Böyle bir eşanjör pratikte doğru tasarlanmış kabul edilmez.

Basınç kaybını etkileyen başlıca faktörler:

• Akış hızı
• Boru çapı
• Boru uzunluğu
• Pass sayısı
• Akışkan yoğunluğu
• Akışkan viskozitesi
• Baffle yapısı
• Nozul çapları

dır.

Boru içerisindeki sürtünme basınç kaybının temel yaklaşımı:

ΔP = f × (L / D) × (ρ × v² / 2)

şeklindedir.

Gerçek eşanjörde buna giriş, çıkış, dönüş ve lokal kayıplar da eklenir.

Fouling Factor Nedir?

Bir eşanjör işletmeye alındığında yüzeyleri temizdir. Ancak çalışma süresi boyunca ısı transfer yüzeylerinde kirlenme oluşabilir.

Örneğin:

• kireç,
• tortu,
• yağ filmi,
• oksit,
• proses ürünü,
• biyolojik kirlenme

ısı transfer yüzeyini kaplayabilir.

Bu tabakalar ısı transferine direnç oluşturur.

Bunun sonucunda:

Udirty < Uclean

olur.

Başka bir ifadeyle, kirlenmiş eşanjör temiz eşanjöre göre daha düşük performans gösterir.

Bu nedenle eşanjörler yalnızca ilk devreye alma koşullarına göre değil, belirli bir çalışma süresinden sonraki kirlenmiş durumları da dikkate alınarak tasarlanmalıdır.

Gereğinden Büyük Eşanjör Daha mı İyidir?

Her zaman değil.

Eşanjör tasarımında sık yapılan hatalardan biri gereğinden fazla emniyet payı kullanmaktır.

Çok büyük eşanjör:

• daha pahalı olur,
• daha fazla yer kaplar,
• akış hızlarını düşürebilir,
• kontrol davranışını kötüleştirebilir,
• bazı servislerde kirlenmeyi artırabilir.

Bu nedenle amaç mümkün olan en büyük eşanjörü üretmek değil, proses için optimum eşanjörü tasarlamaktır.

Plakalı ve Gövde Borulu Eşanjör Hesabı Aynı mıdır?

Temel termodinamik hesap her iki eşanjör için aynıdır.

Öncelikle:

Q = ṁ × Cₚ × ΔT

ile ısı yükü belirlenir.

Daha sonra gerekli ısı transfer alanı hesaplanır.

Ancak gerçek tasarım geometrileri birbirinden tamamen farklıdır.

Gövde borulu eşanjörde:

• boru çapı,
• boru uzunluğu,
• boru sayısı,
• tube pass,
• tube pitch,
• baffle spacing,
• baffle cut,
• shell çapı

önemlidir.

Plakalı eşanjörde ise:

• plaka geometrisi,
• chevron açısı,
• kanal aralığı,
• kanal sayısı,
• pass düzeni,
• port çapı

belirleyicidir.

Bu nedenle aynı kapasiteyi sağlayan plakalı ve gövde borulu eşanjörler çok farklı fiziksel boyutlara sahip olabilir.

Eşanjör Hesabında En Sık Yapılan Hatalar

Eşanjör boyutlandırmasında en sık karşılaşılan hatalardan biri yalnızca:

Q = ṁ × Cₚ × ΔT

hesaplanarak cihaz seçilmesidir.

Bu formül yalnızca gerekli ısı yükünü verir. Eşanjörün gerçek büyüklüğünü belirlemez.

Diğer önemli hatalar şunlardır:

• U değerinin rastgele seçilmesi
• LMTD'nin yanlış hesaplanması
• LMTD düzeltme faktörünün kullanılmaması
• Kirlenme faktörünün ihmal edilmesi
• Basınç kaybının hesaplanmaması
• Akışkan özelliklerinin yanlış sıcaklıkta alınması
• Buhar ve diğer faz değişimlerinin yalnızca Cp × ΔT ile hesaplanması
• Gereğinden fazla emniyet payı kullanılması
• Mekanik tasarımın termal tasarımdan bağımsız değerlendirilmesi

Profesyonel eşanjör tasarımında bu parametrelerin tamamı birlikte ele alınmalıdır.

Eşanjör Tasarımı Neden Tek Seferde Yapılmaz?

Gerçek eşanjör tasarımı iteratif bir işlemdir.

İlk olarak prosesin ısı yükü belirlenir.

Ardından yaklaşık bir U değeri kullanılarak gerekli ısı transfer alanı hesaplanır.

Daha sonra:

• boru çapı,
• boru uzunluğu,
• boru sayısı,
• pass sayısı,
• gövde çapı

gibi geometrik değerler belirlenir.

Bu geometriden gerçek akış hızları hesaplanır.

Akış hızlarından Reynolds sayısı ve taşınım katsayıları bulunur.

Ardından gerçek U değeri tekrar hesaplanır.

Son olarak:

• termal kapasite,
• basınç kaybı,
• kirlenme,
• mekanik dayanım

kontrol edilir.

Şartlar sağlanmıyorsa geometri değiştirilir ve hesap tekrar yapılır.

Bu nedenle eşanjör tasarımı:

Isı yükü → LMTD → U → Alan → Geometri → Akış hızı → Basınç kaybı → Kontrol → Optimizasyon

şeklinde ilerleyen bir mühendislik sürecidir.

Örnek Eşanjör Hesabının Özeti

Örneğimizde soğuk su:

10.000 kg/h

debide:

20°C'den 55°C'ye

ısıtılacaktır.

Gerekli termal kapasite:

Q ≈ 406 kW

olarak hesaplanmıştır.

Sıcak su:

90°C'den 70°C'ye

soğuduğunda gerekli sıcak su debisi yaklaşık:

17,5 ton/h

olmaktadır.

Ters akışlı çalışma için LMTD:

ΔTₗₘ ≈ 42,1°C

olarak bulunmuştur.

Örnek tasarım değerleri:

U = 850 W/m²K

F = 0,90

kabul edildiğinde gerekli ısı transfer yüzeyi:

A ≈ 12,6 m²

olmaktadır.

19 mm dış çapında ve 3 metre aktif uzunluktaki borular için teorik boru sayısı yaklaşık:

71 boru

olarak hesaplanmaktadır.

Gerçek konstrüksiyonda pass dağılımına bağlı olarak örneğin 72 borulu bir tasarım seçilebilir.

Ancak bu sonuç nihai eşanjör tasarımı değildir. Akış hızlarının, gerçek U değerinin, basınç kayıplarının ve mekanik şartların ayrıca kontrol edilmesi gerekir.

Eşanjör Kapasite Hesabında Kullanılan Temel Formüller

Isı yükü

Q = ṁ × Cₚ × ΔT

Faz değişimi

Q = ṁ × Δh

Kütlesel debi

ṁ = ρ × V̇

LMTD

ΔTₗₘ = (ΔT₁ − ΔT₂) / ln(ΔT₁ / ΔT₂)

Isı transfer alanı

A = Q / (U × F × ΔTₗₘ)

Boru yüzey alanı

A = N × π × dₒ × L

Boru sayısı

N = A / (π × dₒ × L)

Reynolds sayısı

Re = ρ × v × D / μ

Basınç kaybı

ΔP = f × (L / D) × (ρ × v² / 2)

Eşanjör Kapasite Hesabı Hakkında Sık Sorulan Sorular

Eşanjör kapasitesi hangi birimle ifade edilir?

Eşanjör kapasitesi genellikle kW veya MW olarak ifade edilir. kcal/h ve BTU/h birimleri de kullanılabilir.

1 kW kaç kcal/h'dir?

Yaklaşık olarak:

1 kW ≈ 860 kcal/h

Dolayısıyla:

100 kW ≈ 86.000 kcal/h

olarak kabul edilebilir.

Eşanjör alanı nasıl hesaplanır?

Temel olarak:

A = Q / (U × F × ΔTₗₘ)

formülü kullanılır.

Ancak doğru alan hesabı için U, F ve LMTD değerlerinin doğru şekilde belirlenmesi gerekir.

Eşanjörde U değeri nedir?

U, sıcak akışkan ile soğuk akışkan arasındaki toplam ısı transfer kabiliyetini ifade eden toplam ısı transfer katsayısıdır.

Birim olarak çoğunlukla W/m²K kullanılır.

Eşanjörde LMTD neden önemlidir?

LMTD, eşanjör boyunca değişen sıcaklık farkını efektif bir ortalama sıcaklık farkıyla temsil eder.

LMTD küçüldükçe aynı kapasite için gereken eşanjör alanı büyür.

Büyük eşanjör her zaman daha iyi midir?

Hayır. Gereğinden büyük eşanjör daha yüksek yatırım maliyetine, düşük akış hızlarına ve bazı durumlarda daha fazla kirlenmeye neden olabilir.

Eşanjör seçimi sadece kapasiteye göre yapılabilir mi?

Hayır.

Kapasitenin yanında:

• akışkan türleri,
• debiler,
• sıcaklıklar,
• basınçlar,
• basınç kayıpları,
• kirlenme,
• korozyon,
• malzeme,
• bakım gereksinimleri

birlikte değerlendirilmelidir.

Sonuç

Eşanjör kapasite hesabının ilk adımı, prosesin ihtiyaç duyduğu termal yükün belirlenmesidir.

Bunun için çoğu sıvı-sıvı uygulamasında:

Q = ṁ × Cₚ × ΔT

bağıntısı kullanılır.

Ancak bu hesap yalnızca başlangıçtır.

Profesyonel eşanjör tasarımında daha sonra:

LMTD, toplam ısı transfer katsayısı, gerekli yüzey alanı, akış hızları, Reynolds sayısı, basınç kaybı, kirlenme faktörü ve mekanik tasarım

birlikte değerlendirilmelidir.

Doğru eşanjör; yalnızca gerekli kW değerini sağlayan değil, aynı zamanda kabul edilebilir basınç kaybıyla, uzun süreli ve güvenilir şekilde çalışabilen eşanjördür.

Projenize Özel Eşanjör Hesabı ve İmalatı

RSR Enerji olarak farklı endüstriyel proseslere özel ısı transfer ekipmanlarının tasarım ve imalatını gerçekleştiriyoruz.

Üretimini gerçekleştirdiğimiz başlıca ekipmanlar arasında:

• Gövde borulu eşanjörler
• Buhar eşanjörleri
• Kızgın su eşanjörleri
• Kızgın yağ eşanjörleri
• Yağ soğutma eşanjörleri
• Deniz suyu eşanjörleri
• Kondenserler
• Evaporatörler
• Ekonomizerler
• Reküperatörler
• Hava soğutucular
• Kompresör hava soğutucuları
• Turboşarj hava soğutucuları
• Serpantinler
• Endüstriyel radyatörler
• Projeye özel ısı transfer ekipmanları

yer almaktadır.

Projenize özel eşanjör hesabı ve boyutlandırması için sıcak ve soğuk akışkanların debisi, giriş ve çıkış sıcaklıkları, çalışma basınçları ve izin verilen basınç kayıplarının paylaşılması yeterlidir.