ISI EŞANJÖRLERİ: ISI TRANSFERİNİ EN ÜST DÜZEYE ÇIKARMAK İÇİN TEKNİK İPUÇLARI
Burada,
çeşitli uygulamalar için gövde borulu ısı eşanjörü tasarımının seçiminde
yardımcı olacak bazı pratik noktalar sunulmaktadır.
Isı
eşanjörleri, kimyasal proses endüstrilerinin (CPI) çeşitli sektörlerinde yaygın
olarak kullanılmaktadır: kimyasal; yağ ve gaz; güç üretimi; Yiyecek ve
içecekler; ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme (HVAC) ve soğutma; birkaç isim
için kağıt hamuru ve kağıt. Kullanımları, kısmen çevresel etkiye artan bir
odaklanma ve verimlilik standartlarını iyileştirme sayesinde önümüzdeki
yıllarda güçlü bir büyüme bekliyor.
Çeşitli
uygulamalar için kullanılmasına rağmen, bir ısı eşanjörünün birincil rolü, bir
sistemin sıcaklığını kontrol etmek ve atık ısıyı yönetmek için ısıyı bir
akışkan veya gazdan diğerine aktarmaktır. Artan çevresel kaygılar ve
düzenlemeler, enerji yoğun endüstrileri ısı eşanjörü performansını
iyileştirmenin ve enerji verimliliği kullanımını en üst düzeye çıkarmanın
yollarını aramaya motive ediyor.
Spesifik
uygulama ve sistemlerin ihtiyaçlarına uygun doğru ısı eşanjörünü seçmek,
optimum verimliliğe ulaşmak için kritik öneme sahiptir.
Çalışma
koşulları, inceleme ve bakım için erişim kolaylığı ve proses sıvılarıyla
uyumluluk, ısı eşanjörü seçeneklerini değerlendirirken dikkate alınması gereken
değişkenlerden sadece birkaçıdır. Diğer faktörler aşağıdakileri içerir:
•
Maksimum tasarım basıncı ve sıcaklığı
•
Isıtma veya soğutma uygulamaları
•
Bakım gereksinimleri
•
Proses sıvılarıyla malzeme uyumluluğu
•
Proses sıvıları ile conta uyumluluğu
•
Derelerin temizliği
•
Sıcaklık yaklaşımı
Düzgün
seçilmiş, kurulmuş ve bakımı yapılmış bir ısı eşanjörü, enerji tüketimini
optimize ederek ve ilgili işletme maliyetlerini azaltarak bir akışkan
sisteminin güvenilirliğini ve verimliliğini artırmaya yardımcı olabilir.
Bu
makalede, ısı eşanjörü performansını artırmak ve verimliliği artırmak için
gövde borulu (S&T) ısı eşanjörlerinde ısı transferini en üst düzeye
çıkarmak için spesifikasyon ipuçlarına bakıyoruz.
SHELL
& TUBE KABUK & BORU DEĞİŞTİRİCİLER
Kabuk
ve borulu ısı eşanjörünün esnek tasarımı, yüksek basınç ve sıcaklık özellikleri
ve yüksek düzeyde partikül malzemeyi işleme yeteneği, onu kullanılan en yaygın
ısı eşanjörü türü haline getirir. Tasarımda mekanik olarak basit ve kanıtlanmış
bir teknoloji olan gövde ve boru tasarımı, birçok proses işlemi için düşük
maliyetli bir ısı değişimi yöntemi sunar. Aşağıda, en yaygın kabuk ve boru
konfigürasyonlarının her birinin kısa bir açıklaması yer almaktadır:
Düz
borulu, sabit borulu eşanjörler. Sabit boru levhalı eşanjör en yaygın olanıdır
ve tipik olarak, ısı transfer yüzey alanının fit karesi başına en düşük sermaye
maliyetine sahiptir. Sabit boru levhalı eşanjörler, düz, delikli metal boru levhalar
arasında sızdırmaz hale getirilmiş bir dizi düz borudan oluşur (Şekil 1).
ŞEKİL 1. Sabit bir boru levhalı eşanjörde, düz boru hatları iki delikli boru levhaya bağlanır. Tasarımda kabuk tarafı contası veya dolgulu bağlantılar yoktur. Bu, sızıntı olasılığını en aza indirir ve bu eşanjörü yüksek basınçlı işlemler veya potansiyel olarak ölümcül sıvıları işleyenler için ideal hale getirir.
Gövde
tarafında dolgulu veya contalı bağlantı bulunmadığından, olası sızıntı
noktaları ortadan kaldırılarak tasarımı daha yüksek basınç veya potansiyel
olarak ölümcül hizmet için uygun hale getirir. Ancak boru demeti çıkarılamadığı
için eşanjörün kabuk tarafı (borular dışında) sadece kimyasal yollarla
temizlenebilir. Tek tek boruların iç yüzeyleri, kanal kapakları çıkarıldıktan
sonra mekanik olarak temizlenebilir. Sabit boru levhalı eşanjör, kabuk tarafı
sıvısının kirlenmediği uygulamalarla sınırlıdır; tıkanma sıvıları borulardan
geçirilmelidir.
Borulu
Eşanjör Üreticileri Derneği (TEMA) ısı eşanjörü standartları ve terminolojisine
uygun olarak, gövde borulu ısı eşanjör tipleri, ön uçtaki belirli sabit kafa
tipine, gövde tipine, ve sırasıyla arka uç kafa tipi.
Düz
borulu, sabit boru levhalı eşanjörler için ortak TEMA tanımları BEM, AEM,
NEN'dir. Yaygın uygulamalar aşağıdakileri içerir:
•
Buhar kondansatörleri
•
Sıvı-sıvı eşanjörleri
•
Yeniden kaynatıcılar
•
Gaz soğutucuları
Çıkarılabilir
demetli, dışarıdan sızdırmaz, yüzer başlıklı eşanjörler. Yüzer kafalı ısı
eşanjörleri, kabuğa göre sabitlenmiş bir boru levhası ve borulara bağlı olan
ancak kabuğa bağlı olmayan bir başka boru levhaya sahip oldukları için bu
şekilde adlandırılır, bu nedenle kabuk içinde "yüzmesine" izin
verilir. Boyutları kabuk duvarına göre belirli bir boyutta sabitlenen sabit
boru levha tasarımlarının aksine, yüzer başlıklı eşanjörler, kabuk ve borular
arasındaki farklı genleşme ve büzülmeyi telafi edebilir.
Tüp
demetinin tamamı çıkarılabildiğinden bakımı kolay ve ucuzdur. Kabuk tarafı
yüzeyi, buharla veya mekanik yollarla temizlenebilir. Kabuk ve borular arasındaki
farklı genleşmeyi barındırmaya ek olarak, yüzer boru levhası, kabuk tarafı ve
boru tarafı proses sıvılarının birbirine karışmasını önler.
Dıştan
sızdırmaz, yüzer kafalı tasarım, tam, iç yüzer kafalı eşanjörden daha az
maliyetli olmasına rağmen, atmosfere maruz kalan, kullanılabilir bir bağlantı
olması nedeniyle bazı tasarım sınırlamaları vardır: hem kabuk tarafı hem de
boru tarafı akışkanlar olmalıdır. uçucu olmayan veya toksik olmayan ve boru
tarafı düzenlemeleri bir veya iki geçişle sınırlıdır. Ayrıca, bu eşanjörde
kullanılan salmastra, tasarım basıncını ve sıcaklığını 300 psig ve 300°F ile
sınırlar.
Ortak
TEMA tanımlamaları AEW ve BEW'dir. Uygulamalar, aşağıdakileri işleyen
eşanjörleri içerir:
•
Ara ve son soğutucular
•
Yağ soğutucuları
•
Ceket suyu soğutucuları
Çıkarılabilir
demet, dıştan paketlenmiş, yüzer başlıklı eşanjörler. Bu tasarım, özellikle
korozif sıvıların, gazların veya buharların tüpler içinde dolaştığı uygulamalar
ve kabuktaki hava, gazlar veya buharlar için uygundur. Tasarımı ayrıca kolay
inceleme, temizlik ve tüp değişimine olanak tanır ve kubbe veya buhar
kayışlarına ihtiyaç duymadan geniş demet giriş alanları sağlar (Şekil 2).
ŞEKİL 2. Çıkarılabilir bir demette, dıştan paketlenmiş yüzer başlıklı eşanjörde, düz boru hatları bir sabit (veya sabit) kafaya ve bir yüzer kafaya bağlanır, bu da tüm tertibatın temizlik ve onarım için çıkarılmasına izin verir. Ayrıca, yüzer kafa, çalışma sırasında diferansiyel termal genleşmeyi barındırır
Önceki
tasarımın aksine, yalnızca gövde tarafındaki sıvılar salmastraya maruz kalır ve
boruların içinde yüksek basınçlı, uçucu veya toksik sıvıların kullanılmasına
izin verir. Bununla birlikte, kafadaki salmastra, tasarım basıncını ve
sıcaklıklarını sınırlar.
Ortak
TEMA tanımlamaları BEP ve AEP'dir. Tipik uygulamalar aşağıdakileri içerir:
•
Oksijen soğutucuları
•
Uçucu veya toksik sıvılar
•
Gaz işleme
Çıkarılabilir
demet, dahili kelepçe halkası, yüzer başlıklı eşanjörler. Bu tasarım, yüksek
kirlilik yaratan sıvıların sık sık kontrol ve temizlik gerektirdiği uygulamalar
için kullanışlıdır. Ve, eşanjör, kabuk ve borular arasında farklı termal
genleşmeye izin verdiği için, kabuk tarafı ve boru tarafı sıvıları arasındaki
büyük sıcaklık farklarını kolayca barındırır.
Bu
tasarım, çok geçişli düzenlemeler mümkün olduğundan çok yönlülük katmıştır.
Bununla birlikte, boru demeti çıkarılmadan önce kabuk kapağı, kelepçe halkası
ve yüzer başlıklı kapağın çıkarılması gerektiğinden, servis ve bakım
maliyetleri “çekerek geçirilen” tasarımlardan daha yüksektir (sırada
tartışılacaktır).
Ortak
TEMA tanımlamaları AES ve BES'dir. Tipik uygulamalar aşağıdakileri içerir:
•
Proses tesisi kondansatörleri
•
Ara ve son soğutucu tasarımları
•
Gaz soğutucuları ve ısıtıcılar
•
Genel amaçlı endüstriyel ısı eşanjörleri
Çıkarılabilir
demetli, çekmeli, yüzer başlıklı eşanjörler. Geçmeli, yüzer kafalı tasarımda,
yüzer kafalı kapak doğrudan yüzer boru tabakasına cıvatalanır. Bu, denetim ve
bakımı kolaylaştıran, gövdeyi veya yüzer başlıklı kapakları çıkarmadan demetin
kabuktan çıkarılmasına olanak tanır.
Bu,
sık temizlik gerektiren uygulamalar için idealdir. Ancak, en pahalı tasarımlar
arasındadır. Ve içinden çekme tasarımı, belirli bir kabuk çapında daha az
sayıda boruyu barındırır, bu nedenle diğer çıkarılabilir demet değiştiricilere
göre daha az yüzey alanı sunar.
Ortak
TEMA tanımlamaları AET ve BET'tir ve tipik uygulamalar aşağıdakileri içerir:
•
Kimyasal sıvıları işleyen eşanjörler
•
Hidrokarbon sıvı kondansatörleri
•
Hava veya gaz kompresörleri
•
Ara ve son soğutucular
Çıkarılabilir
paket, U borulu eşanjörler. U borulu eşanjörde, her biri bir dizi eşmerkezli
olarak daha sıkı U şeklinde bükülmüş iç içe borulardan oluşan bir demet, tek
bir boru yaprağına bağlanır (Şekil 3). Her boru, gövdeye ve birbirine göre
hareket etmekte serbesttir, bu nedenle tasarım, hizmet sırasında gövde tarafı
ve boru tarafı sıvıları arasındaki büyük fark sıcaklıklarını barındıran
durumlar için idealdir. Bu esneklik, U borulu eşanjörü, termal şoka veya
aralıklı hizmete eğilimli uygulamalar için ideal hale getirir.
ŞEKİL 3. Çıkarılabilir demet U borulu eşanjörler, çalışma sırasında gövde ve borular arasında maksimum diferansiyel genleşmeye izin veren yalnızca bir boru levhasına sahiptir.
Diğer
çıkarılabilir demet değiştiricilerde olduğu gibi, U boru demeti, gövdenin içine
ve boruların dışına erişim sağlamak için geri çekilebilir. Ancak, boru içleri
mekanik olarak temizlenebilen düz borulu eşanjörün aksine, her bir borunun
içindeki U-büküm bölgesine fiziksel olarak erişmenin bir yolu yoktur, bu
nedenle boru tarafı bakımı için kimyasal yöntemler gereklidir. Genel bir kural
olarak, tıkanma yapmayan sıvılar borulardan geçirilmeli, kirletici sıvılar ise
gövde tarafında görev için ayrılmalıdır.
Bu
ucuz eşanjör, çok tüplü geçiş düzenlemelerine izin verir. Ancak U-tüp, boru
tarafında tek geçiş yapılamadığından, gerçek karşı akım akışı mümkün değildir.
Ortak
TEMA tanımlamaları BEU ve AEU'dur ve tipik uygulamalar aşağıdakileri içerir:
•
Yağ soğutma
•
Kimyasal yoğuşma
•
Buharlı ısıtma
ÖZEL TASARIMLAR
Yüksek
buhar akışı ve yüksek basınç koşullarına sahip uygulamalar için, özel olarak
tasarlanmış bir gövde borulu eşanjör genellikle tek uygun çözümdür. Uygulamalar
sıcaklık geçişine sahip olduğunda, yani ısıtılan sıvının çıkış sıcaklığı,
soğutulan sıvınınkini aştığında özel tasarımlar da istenebilir. Aşağıdakiler
birkaç örnektir:
•
Yeniden kaynatıcılar için sıvının uygun şekilde ayrılmasını sağlayan TEMA K
tipi kabuklar
•
Kabuk tarafında bölünmüş akışa izin vererek yüksek buhar akışlarını barındıran
TEMA J tipi kabuklar
•
Sıcaklık geçişi olduğunda uygulamalar için kullanılabilen iki geçişli TEMA F
tipi kabuklar
•
Genellikle yüksek basınçlı boru kenarı uygulamaları için cevap olan TEMA D tipi
ön kafa tasarımları
Bu
özel olarak tasarlanmış ısı eşanjörleri, bir süreç sorununa çözüm olabilirken,
inşaat maliyetleri “standart” mühendislik ürünü gövde borulu ekipmanın
maliyetlerinden daha yüksek olma eğilimindedir.
Ortak
TEMA tanımlamaları arasında BKU, BJM, BFM ve DED bulunur. Özel olarak
tasarlanmış eşanjörler genellikle aşağıdaki uygulamalarda kullanılır:
•
Yeniden kaynatıcılar
•
Buharlı ısıtıcılar
•
Buhar kondansatörleri
•
Besleme suyu ısıtıcıları
ÖN
TASARLANMIŞ DEĞİŞTİRİCİLER
Sabit
boru levhalı ve U borulu kabuk ve borulu ısı eşanjörleri, günümüzde mevcut olan
en yaygın mühendislik ürünü ısı eşanjörleri türleridir. Bu tür modeller
genellikle pilot tesisler gibi daha küçük kapasiteli uygulamalar için buhar
yoğunlaştırıcılarda, sıvı-sıvı eşanjörlerinde, yeniden kaynatıcılarda ve gaz
soğutucularında bileşen olarak kullanılır.
Önceden
tasarlanmış en yaygın kabuk ve borulu ısı eşanjörleri olan standart sabit
borulu levha üniteleri, çapları 2 ila 8 inç arasında değişir. Yapı malzemeleri
arasında pirinç veya bakır, karbon çeliği ve paslanmaz çelik bulunur. Bu
eşanjör, mevcut en ucuz eşanjörlerden biri olmasına rağmen, yine de genel
olarak TEMA spesifikasyonlarına göre değil, üretici tarafından belirtilen standartlara
göre yapılmıştır. Kullanıcı isterse Amerikan Makine Mühendisleri Derneği (ASME)
kodlarına göre ön mühendisliği yapılmış eşanjörler yapılabilir.
U-borulu
ısı eşanjörleri, buharla ısıtma uygulamalarında veya suyun aksine kimyasal
akışkanları işleyen ısıtma ve soğutma uygulamalarında yaygın olarak kullanılır.
U-boru genellikle mevcut en düşük fiyatlı ısı eşanjörü olsa da, iç içe geçmiş
U-büküm tasarımı bireysel boru değiştirmeyi zorlaştırdığından, servis ve bakım
maliyetleri diğer eşanjörlerden daha yüksek olma eğilimindedir.
Özel
tasarımlı ısı eşanjörleri, önceden tasarlanmış eşanjörlerden daha pahalı olsa
da, genellikle önceden tasarlanmış eşanjörlerden daha yüksek tasarım
standartlarında yapılır. Birçok üretici, TEMA endüstri sınıflandırmalarına göre
tasarım ve imalat için TEMA standartlarını takip eder:
•
TEMA B en yaygın TEMA tanımıdır ve kimyasal proses hizmetinde kullanılan
eşanjörler için tasarım spesifikasyonları sağlar.
•
TEMA C yönergeleri, ticari ve genel proses uygulamalarında kullanılan üniteler
için spesifikasyonlar sağlar.
•
TEMA R yönergeleri, petrol rafinasyonu ve ilgili proses operasyonlarında
kullanılan eşanjörler için spesifikasyonlar sağlar.
Bu
sınıfların her biri, aşağıdaki sınırlamalarla gövde borulu ısı eşanjörlerine
uygulanabilir:
•
Kabuk çapı 100 inç'i geçmez.
•
Basınç 3.000 psi'yi geçmez
•
Kabuk çapı (inç) çarpı basınç (psi) çarpımı 100.000'i geçmez
Amerikan
Petrol Enstitüsü (API) tarafından belirlenen standartlar da ısı eşanjörü
endüstrisinde genel olarak kabul edilmektedir.
TEMA
veya API üretim yönergelerini karşılayan özel olarak tasarlanmış bir eşanjör
satın almanın bariz avantajları olsa da, bu özellikler eşanjörün maliyetini
artırır ve daha uzun bir üretim döngüsüne sahip olabilir.
© Ceytaş 2020 / Caner
Şeker
