Plakalı Eşanjör Nasıl Seçilir? Kapasite, LMTD ve Yüzey Hesabı Rehberi

Plakalı eşanjör seçimi dört büyük adımda yapılır: kapasite Q = ṁ × cp × ΔT ile ısı yükü kilovat olarak bulunur, logaritmik ortalama sıcaklık farkı hesaplanır, gerekli ısı transfer yüzeyi A = Q / (U × LMTD) ile ölçeklenir ve kirlilik faktörü ile emniyet payı eklenir. Doğru seçim tek bir kataloğdan değil, dört sıcaklığın ve iki debinin tutarlı çözümünden çıkar.

• Kapasite hesabı Q = ṁ × cp × ΔT: kütlesel debi, özgül ısı ve sıcaklık farkı
• Logaritmik ortalama sıcaklık farkı LMTD nedir, adım adım nasıl hesaplanır
• Isı transfer yüzeyi A = Q / (U × LMTD) ve toplam ısı transfer katsayısı U bandı
• Yaklaşım sıcaklığı ve kirlilik faktörünün yüzey büyüklüğüne etkisi
• Plaka sayısı, tek ve çift geçiş, basınç kaybı sınırı, tasarım basınç ve sıcaklığı
• Birincil ve ikincil debi dengesi, dört sıcaklığın tutarlılığı
• Kazan-boyler ve ısı pompası devresi için iki tam sayısal örnek

01Plakalı eşanjör nasıl seçilir, hangi büyüklükler belirleyicidir?

Plakalı eşanjör seçimi, birincil ve ikincil devrenin dört sıcaklığı ile iki debisinin bir araya getirilerek gerekli ısı transfer yüzeyinin hesaplanmasıdır. Seçim üç denklem üzerinde yürür: ısı yükü Q = ṁ × cp × ΔT, logaritmik ortalama sıcaklık farkı ve yüzey alanı A = Q / (U × LMTD). Bu üç denklem çözülmeden hiçbir model numarası anlamlı değildir. Katalogdan seçim, ancak bu üç değer sabitlendikten sonra başlar. Isıtma tarafındaki ürün seçenekleri /urunler/isitma-sistemleri/kazan-sistemleri ve /urunler/isitma-sistemleri/boyler sayfalarında değerlendirilebilir.

Plakalı eşanjör, aralarında ince kanallar oluşturacak biçimde sıkıştırılmış paslanmaz plakalardan oluşan, iki akışkan arasında karışmadan ısı aktaran kompakt bir ısı değiştiricidir. Plakaların oluklu yüzeyi türbülansı artırır, bu da metal kabuklu tiplere göre çok daha yüksek bir ısı transfer katsayısı verir. Seçimde belirleyici büyüklükler ısı yükü, iki tarafın debileri, dört giriş-çıkış sıcaklığı, izin verilen basınç kaybı ile tasarım basınç ve sıcaklığıdır. Bu yazı seçimin hesap yöntemine odaklanır; plaka sayısının kataloğda nasıl doğrulandığı ve basınç kaybının nasıl sınırlandığı, bu hesabın çıktılarını kullanan ayrı iki konudur ve burada yalnızca karar kriteri olarak değinilir.

02Kapasite hesabı: Q = ṁ × cp × ΔT nasıl uygulanır?

Kapasite hesabı, eşanjörün aktarması gereken ısı gücünü kilovat olarak veren ilk adımdır. Temel denklem Q = ṁ × cp × ΔT şeklindedir; burada Q kilovat cinsinden ısı yükü, ṁ kilogram bölü saniye cinsinden kütlesel debi, cp kilojul bölü kilogram Kelvin cinsinden özgül ısı ve ΔT ise Kelvin cinsinden sıcaklık farkıdır. Su için cp yaklaşık 4,186 kJ/kgK'dir ve 4 ila 90 °C aralığında bu değer pratik hesap için sabit kabul edilir. Isı yükü, birincil ve ikincil tarafta ayrı ayrı hesaplandığında birbirine eşit çıkmalıdır; çünkü bir taraftan çıkan enerji diğer tarafa geçer.

Sahada debi genellikle metreküp bölü saat cinsinden verilir, bu yüzden formülün pratik hâli kullanışlıdır. Su için Q = V × ΔT / 0,86 yazılır; burada V metreküp bölü saat cinsinden hacimsel debi, ΔT Kelvin farkı, 0,86 ise 4,186'dan ve saniye-saat dönüşümünden türetilmiş sabittir. Aynı denklem ters çevrilerek debi bulunur: V = Q × 0,86 / ΔT. Bu iki biçim aynı fiziği ifade eder; kütlesel debi ölçüldüğünde birincisi, hacimsel debi verildiğinde ikincisi kullanılır. Sirkülasyon tarafı debisinin pompaya nasıl döndüğü /blog/sirkulasyon-pompasi-nasil-secilir yazısında ayrıntılıdır.

Özgül ısının sabit kabul edilmesi çoğu ısıtma uygulamasında geçerlidir, ancak akışkan su-glikol karışımıysa değişir. Yüzde 30 etilen glikol karışımının özgül ısısı yaklaşık 3,7 kJ/kgK'ye, propilen glikolde daha da aşağıya iner; yoğunluk artar, viskozite yükselir. Bu üç değişiklik aynı ısı yükü için gereken debiyi artırır ve ısı transfer katsayısını düşürür. Isı pompası devrelerinde glikol yaygın olduğu için katsayıların akışkana göre düzeltilmesi zorunludur; su değerleriyle seçilen bir eşanjör glikollü devrede yüzde 10 ila 20 küçük kalır.

03Logaritmik ortalama sıcaklık farkı LMTD nedir?

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı, iki akışkan arasındaki sıcaklık farkının eşanjör boyunca değişmesini tek bir etkin değere indirgeyen ortalamadır. Sıcaklık farkı giriş ve çıkışta aynı olmadığı için basit aritmetik ortalama hata verir; ısı transferi farkın büyük olduğu bölgede daha hızlı gerçekleşir. Bu nedenle logaritmik ortalama kullanılır ve yüzey hesabının sürücü kuvvetini oluşturur. LMTD ne kadar büyükse, aynı ısı yükü için o kadar az yüzey gerekir.

Ters akışlı bir eşanjörde LMTD şu adımlarla bulunur. Önce iki uçtaki sıcaklık farkları hesaplanır: bir uçta sıcak giriş eksi soğuk çıkış, diğer uçta sıcak çıkış eksi soğuk giriş. Sonra bu iki farkın büyüğüne ΔT1, küçüğüne ΔT2 denir. LMTD = (ΔT1 − ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2) formülüyle hesaplanır. Plakalı eşanjörler pratikte tam ters akışa çok yakın çalıştığı için düzeltme faktörü genelde 0,95 ila 1,0 arasındadır ve tek geçişli tasarımda çoğu zaman ihmal edilebilir.

Bir örnek üzerinde gösterelim. Birincil taraf 80 °C girip 60 °C çıkıyor, ikincil taraf 50 °C girip 70 °C'ye ısınıyor olsun. Bir uçta 80 − 70 = 10 K, diğer uçta 60 − 50 = 10 K çıkar. Her iki uç eşit olduğunda formül belirsizleşir; bu özel durumda LMTD doğrudan 10 K'dir. Uçlar eşit değilse, örneğin farklar 20 K ve 8 K olsaydı, LMTD = (20 − 8) / ln(20 / 8) = 12 / 0,916 = 13,1 K bulunurdu. Aritmetik ortalama 14 K verirdi; logaritmik ortalama her zaman daha küçük ve daha doğrudur.

04Isı transfer yüzeyi A = Q / (U × LMTD) nasıl bulunur?

Isı transfer yüzeyi, eşanjörün toplam plaka temas alanıdır ve A = Q / (U × LMTD) denklemiyle hesaplanır. Burada A metrekare cinsinden yüzey, Q watt cinsinden ısı yükü, U watt bölü metrekare Kelvin cinsinden toplam ısı transfer katsayısı ve LMTD Kelvin cinsinden logaritmik ortalama sıcaklık farkıdır. Denklem, seçimin kalbidir: ısı yükü büyüdükçe veya sürücü sıcaklık farkı küçüldükçe daha fazla yüzey gerekir. Yüzey büyüdükçe plaka sayısı artar.

Birim tutarlılığı burada kritiktir. Isı yükü kilovat verildiyse ya bin ile çarpılıp watta çevrilir ya da U katsayısı kilovat bölü metrekare Kelvin biriminde tutulur; ikisini karıştırmak bin katlık hataya yol açar. Pratikte U için 2 ila 6 kW/m²K bandı su-su uygulamasında kullanılır. Yüzey bulunduktan sonra tek bir plakanın etkin alanına bölünerek plaka sayısına geçilir, ancak plaka sayısının kesin doğrulanması bu yüzey hesabının ayrı bir çıktısıdır ve seçim programında yapılır.

Denklemin pratik dersi, yaklaşım sıcaklığının yüzey üzerindeki keskin etkisidir. Yaklaşım sıcaklığı daraldıkça LMTD küçülür ve yüzey doğrusal değil, giderek hızlanan biçimde büyür. Bir eşanjörü 5 K yaklaşımdan 2 K yaklaşıma sıkıştırmak yüzeyi iki katından fazla artırabilir. Bu yüzden seçim, hem enerji hedefini hem de ekonomik plaka sayısını dengeleyen bir yaklaşım sıcaklığında yapılır. Bu denge Tanpera plakalı eşanjörlerde proje bazlı seçim programıyla doğrulanır.

05Toplam ısı transfer katsayısı U tipik olarak ne kadardır?

Toplam ısı transfer katsayısı, iki akışkan arasındaki tüm ısıl dirençlerin birleşik tersidir ve watt bölü metrekare Kelvin biriminde ifade edilir. U ne kadar yüksekse aynı ısı yükü daha az yüzeyle aktarılır. Değeri üç ana dirençten oluşur: sıcak taraf film direnci, plaka metalinin iletim direnci ve soğuk taraf film direnci. Plakalı eşanjörde oluklu yüzey türbülansı zorladığı için film dirençleri düşüktür ve U, metal kabuklu tiplerin üç ila beş katına çıkar.

Su-su uygulamasında temiz U tipik olarak 4 ila 6 kW/m²K bandındadır. Bir tarafta glikol karışımı varsa viskozite arttığı için U 2,5 ila 4 kW/m²K'ye iner. Buhar-su yoğuşmalı uygulamada yoğuşma film katsayısı çok yüksek olduğundan toplam U 3 ila 5 kW/m²K civarında kalır ve genelde su tarafı belirleyicidir. Bu bantlar seçim öncesi ön boyutlandırma içindir; nihai U, seçilen plaka geometrisi ve akışkan debisine göre üreticinin seçim programından çıkar.

06Yaklaşım sıcaklığı nedir, seçimi nasıl etkiler?

Yaklaşım sıcaklığı, eşanjörün bir ucunda iki akışkan arasında kalan en küçük sıcaklık farkıdır. Isıtma uygulamasında bu genellikle birincil çıkış ile ikincil giriş, veya birincil giriş ile ikincil çıkış arasındaki farktır. Yaklaşım sıcaklığı ne kadar dar seçilirse ısıl performans o kadar iyi olur, ancak gereken yüzey ve dolayısıyla plaka sayısı hızla artar. Bu, eşanjör seçiminin en kritik ekonomik kararıdır.

Pratikte ısıtma devrelerinde yaklaşım sıcaklığı 3 ila 5 K arasında seçilir. 2 K altına inmek yüzeyi orantısız büyütür; 8 K üstüne çıkmak ise birincil kaynağın düşük sıcaklıkla çalışmasını engeller, örneğin yoğuşmalı kazanın veya ısı pompasının verim avantajını yok eder. Isı pompası devrelerinde dar yaklaşım özellikle değerlidir çünkü kompresörün çektiği güç, yoğuşma sıcaklığındaki her fazladan derece ile artar. Kaynak tarafı seçenekleri /urunler/isi-pompalari/hava-kaynakli ve /urunler/isi-pompalari/su-kaynakli sayfalarında değerlendirilir.

Yaklaşım sıcaklığının fiziksel anlamı, hedeflenen ikincil çıkış sıcaklığına ne kadar yaklaşılabileceğidir. Boyler ısıtan bir eşanjörde suyu 60 °C'ye çıkarmak isteniyorsa ve yaklaşım 5 K seçildiyse, birincil giriş en az 65 °C olmalıdır. Birincil kaynak yalnızca 63 °C üretebiliyorsa bu hedefe ulaşılamaz; ya yaklaşım daraltılır ve yüzey büyütülür ya da hedef sıcaklık düşürülür. Bu bağ, dört sıcaklığın birbirinden bağımsız seçilemeyeceğinin en açık kanıtıdır.

07Kirlilik faktörü nedir, yüzeyi ne kadar büyütür?

Kirlilik faktörü, eşanjör yüzeyinde zamanla biriken kireç, tortu ve biyofilmin oluşturduğu ısıl direnci hesaba katan bir emniyet payıdır. Metrekare Kelvin bölü watt biriminde ifade edilir ve toplam ısı direncine eklenir; sonuçta temiz U değeri düşer, gereken yüzey artar. Kirlilik faktörü göz ardı edilirse eşanjör ilk gün hedefi tutar ama birkaç ay içinde kapasitesini kaybeder ve şikâyet üretir.

Kirlilik payı iki yolla uygulanır. Basit yöntemde temiz yüzey belirli bir yüzdeyle büyütülür; su-su ısıtmada tipik pay yüzde 10 ila 20, kireç yükü yüksek sularda yüzde 25 ila 40'tır. Doğru yöntemde ise kirlilik direnci Rf doğrudan toplam dirence eklenir: 1/Ukirli = 1/Utemiz + Rf. Isıtma suyu için Rf yaklaşık 0,00005 ila 0,0001 m²K/W, sert şebeke suyu için 0,0001 ila 0,0002 m²K/W bandındadır. Su sertliği yüksekse eşanjör öncesi yumuşatma, kirlilik payını küçültmenin en etkili yoludur; kireç kaynağı /urunler/aritma-sistemleri/filtrasyon-sistemleri tarafında da azaltılabilir.

Kirlilik payının bir başka boyutu bakım erişimidir. Contalı plakalı eşanjör açılıp mekanik temizlenebildiği için orta düzey kirlilik payı yeterlidir. Lehimli tip açılamaz, yalnızca kimyasal sirkülasyonla temizlenir; bu yüzden lehimli seçimde kirlilik payı biraz daha cömert tutulur ve su kalitesi baştan güvence altına alınır. Seçimde eşanjör tipi ile su kalitesi ve kirlilik payı birlikte kararlaştırılır.

08Plaka sayısı ve geçiş düzeni seçimi nasıl belirlenir?

Plaka sayısı, hesaplanan toplam yüzeyin tek bir plakanın etkin alanına bölünmesiyle bulunan ve yukarı yuvarlanan tam sayıdır. Bir plakanın etkin alanı 0,05 ila 0,5 m² arasında değişir; küçük plakalı model çok sayıda plaka, büyük plakalı model az sayıda plaka ile aynı yüzeyi verir. Seçim yalnızca yüzeye değil, izin verilen basınç kaybına ve akış hızına da bağlıdır; bu yüzden plaka sayısı ve plaka boyutu birlikte optimize edilir. Plaka sayısının nihai olarak nasıl doğrulandığı ve etiketten nasıl okunduğu, bu yazının çıkardığı yüzeyi kullanan ayrı bir konudur.

Geçiş düzeni, akışkanın plaka paketini kaç kez katettiğini belirtir. Tek geçişte akışkan paketi bir kez geçer; tüm bağlantılar aynı taraftadır, montaj ve bakım kolaydır, plakalı eşanjörlerin büyük çoğunluğu tek geçişlidir. Çift geçişte akışkan paketi iki kez katettiği için akış yolu uzar, akış hızı ve türbülans artar, bu da U'yu yükseltir ama basınç kaybını da büyütür. Çift geçiş, tek geçişte yeterli hız sağlanamayan düşük debili veya çok dar yaklaşımlı uygulamalarda kullanılır.

Geçiş kararı basınç kaybıyla iç içedir. Çift geçiş türbülansı ve dolayısıyla ısı transfer katsayısını artırır, ancak basınç kaybı akış yolu uzunluğuyla ve hızın karesiyle büyür. Bu yüzden çift geçiş seçilirken pompanın karşılayabileceği basınç kaybı sınırı baştan kontrol edilir. Basınç kaybının ayrıntılı hesabı ve pompa seçimini nasıl etkilediği başlı başına ayrı bir konudur; bu yazıda karar kriteri olarak yalnızca izin verilen sınıra değiniyoruz.

09Basınç kaybı sınırı seçimi neden belirler?

Basınç kaybı, akışkanın eşanjörden geçerken kaybettiği basınçtır ve pompanın karşılaması gereken ek yüktür. Basınç kaybı ne kadar yüksekse ısı transfer katsayısı o kadar iyi olur, çünkü hız ve türbülans artar; ancak pompa gücü ve işletme maliyeti de artar. Seçim, ısıl performans ile pompa enerjisi arasındaki bu dengeyi kurar. İzin verilen basınç kaybı seçimin bir kısıtıdır, hedefi değil.

Isıtma devrelerinde eşanjör basınç kaybı tipik olarak 20 ila 50 kPa aralığında tutulur. Bu sınır, mevcut sirkülasyon pompasının basma yüksekliğinden ve devrenin toplam direncinden gelir. Basınç kaybı çok düşük seçilirse plaka kanallarında hız düşer, U azalır ve yüzey büyür; çok yüksek seçilirse pompa büyür ve işletme maliyeti artar. Doğru seçim, tasarım debisinde 20 ila 50 kPa penceresine oturan ve aynı zamanda yeterli türbülansı sağlayan plaka geometrisidir. Pompa tarafı /urunler/pompa-sistemleri/sirkulasyon-pompalari sayfasında ve /blog/pompa-calisma-noktasi-nedir yazısında ele alınır.

10Tasarım basıncı ve tasarım sıcaklığı nasıl belirlenir?

Tasarım basıncı ve tasarım sıcaklığı, eşanjörün emniyetle çalışabileceği üst sınırları tanımlayan ve conta ile plaka malzemesini belirleyen değerlerdir. Tasarım basıncı, sistemin işletme basıncının üzerine emniyet ventili açma basıncı ve pompa basma yüksekliği eklenerek bulunur; ısıtma devrelerinde tipik değerler 10, 16 ve 25 bar sınıflarıdır. Tasarım sıcaklığı ise en yüksek olası işletme sıcaklığının üzerinde seçilir ve conta malzemesinin sıcaklık sınırını belirler.

Conta malzemesi seçimi tasarım sıcaklığına doğrudan bağlıdır. Nitril conta yaklaşık 110 °C'ye kadar, etilen-propilen conta 150 °C'ye kadar, özel florlu contalar daha yükseğe kadar dayanır. Isıtma suyu devreleri genellikle etilen-propilen contayla çözülür; boyler ve buhar uygulamalarında sıcaklık marjı geniş bırakılır. Lehimli plakalı eşanjörde conta yoktur, bakır veya nikel lehimin sıcaklık ve basınç sınırı belirleyicidir; bu tip daha yüksek basınç ve sıcaklığa dayanır ama açılıp temizlenemez.

Tasarım değerlerinin akışkan cinsiyle de ilişkisi vardır. Havuz suyu, deniz suyu veya kimyasal içeren akışkanlarda plaka malzemesi standart paslanmazdan titanyuma çıkabilir; klorür konsantrasyonu paslanmaz çeliği delici korozyona uğratır. Bu durumlarda tasarım basıncı ve sıcaklığı kadar malzeme sınıfı da seçim kriteridir. Akışkanın kimyasal içeriği bilinmeden seçilen bir eşanjör, basınç ve sıcaklık doğru olsa bile korozyonla erken devre dışı kalabilir.

11Birincil ve ikincil debi dengesi nasıl kurulur?

Birincil ve ikincil debi dengesi, eşanjörün iki tarafından geçen su miktarlarının dört sıcaklıkla tutarlı biçimde seçilmesidir. Enerji korunumu gereği bir taraftan çıkan ısı diğer tarafa geçtiği için Q her iki tarafta eşittir: ṁ1 × cp × ΔT1 = ṁ2 × cp × ΔT2. Bu denklem, bir tarafın debisi ve sıcaklık farkı verildiğinde diğer tarafın seçimini kısıtlar. Dört sıcaklık ve iki debi keyfî seçilemez; beşi bilindiğinde altıncısı denklemden çıkar.

Pratik sonuç şudur: bir tarafın sıcaklık farkı büyükse debisi küçük, farkı küçükse debisi büyük olur. Birincil tarafı yüksek sıcaklık farkıyla çalıştırmak birincil debiyi ve dolayısıyla birincil pompayı küçültür; bu genelde ekonomik karardır. İkincil taraf ise çoğu zaman kullanım noktasının gerektirdiği sabit rejime bağlıdır ve serbestçe değiştirilemez. Bu yüzden denge kurulurken önce sabit olan taraf yazılır, sonra serbest taraf enerji denkleminden çözülür.

Debi dengesinde en sık atlanan nokta, iki tarafın farklarının farklı olabileceğidir. Birincil taraf 20 K farkla, ikincil taraf 10 K farkla çalışabilir; bu durumda ikincil debi birincil debinin iki katı olur ve eşanjörün yaklaşım sıcaklığı iki uçta farklı çıkar. Bu asimetri LMTD'yi ve dolayısıyla yüzeyi doğrudan etkiler. Denge tablosu yazılmadan seçime başlanırsa, kataloğa girilen sıcaklıklar birbiriyle çelişir ve seçim programı hata verir veya gerçekçi olmayan bir yüzey döndürür.

12Örnek 1: Kazan-boyler eşanjörü tam hesabı

Bu örnek, bir kazandan alınan sıcak suyla boyler ısıtan bir plakalı eşanjörün adım adım seçimidir. Boylerin ihtiyacı 150 kW ısı yüküdür. Birincil taraf kazandan 80 °C girip 60 °C dönecek, ikincil taraf boyler suyunu 50 °C'den 70 °C'ye çıkaracaktır. Su-su uygulaması olduğu için temiz U 4,5 kW/m²K, kirlilik payı yüzde 15 alınacaktır. Boyler tarafı ürün seçenekleri /urunler/isitma-sistemleri/boyler sayfasında listelenir.

Önce debiler bulunur. Birincil taraf: V1 = Q × 0,86 / ΔT1 = 150 × 0,86 / 20 = 6,45 m³/h. İkincil taraf farkı da 20 K olduğundan V2 = 150 × 0,86 / 20 = 6,45 m³/h çıkar; iki taraf simetriktir. Sonra LMTD hesaplanır. Bir uçta 80 − 70 = 10 K, diğer uçta 60 − 50 = 10 K; iki uç eşit olduğundan LMTD = 10 K'dir. Yaklaşım sıcaklığı her iki uçta 10 K'dir, bu geniş bir yaklaşımdır ve yüzeyi küçük tutar.

• Isı yükü: Q = 150 kW = 150.000 W
• Birincil debi: V1 = 150 × 0,86 / 20 = 6,45 m³/h
• İkincil debi: V2 = 150 × 0,86 / 20 = 6,45 m³/h
• LMTD: uçlar 10 K ve 10 K, LMTD = 10 K
• Temiz yüzey: A = 150.000 / (4500 × 10) = 3,33 m²
• Kirlilik payı yüzde 15: A = 3,33 × 1,15 = 3,83 m²

Sonucun yorumu şudur. Gerekli yüzey yaklaşık 3,83 m²'dir. Bir plakanın etkin alanı 0,10 m² olan bir modelde bu, yaklaşık 40 ısı transfer plakası anlamına gelir; plaka sayısının kesin doğrulaması seçim programının ayrı bir çıktısıdır. Yaklaşım 10 K olduğu için yüzey rahat çıkmıştır. Eğer boyler suyunu 75 °C'ye çıkarmak istenseydi, ikincil çıkış birincil girişe yaklaşır, bir uçtaki fark 5 K'ye iner, LMTD küçülür ve yüzey belirgin biçimde büyürdü. Bu örnek, geniş yaklaşımın nasıl küçük ve ekonomik bir eşanjör verdiğini gösterir.

13Örnek 2: Isı pompası devresi ayırıcı eşanjörü

Bu örnek, bir su kaynaklı ısı pompasını bina ısıtma devresinden ayıran bir plakalı eşanjörün seçimidir. Isı pompası devresinde glikol karışımı olduğu için ayırıcı eşanjör zorunludur. Isı yükü 60 kW'dir. Birincil taraf ısı pompasından 45 °C girip 40 °C dönecek, ikincil taraf bina suyunu 35 °C'den 42 °C'ye çıkaracaktır. Düşük sıcaklık rejimi ve dar yaklaşım, ısı pompası verimini korumak için gereklidir. Kaynak tarafı /urunler/isi-pompalari/su-kaynakli sayfasında incelenir.

Birincil taraf yüzde 30 propilen glikol içerdiği için cp yaklaşık 3,8 kJ/kgK'ye iner ve U düşer; temiz U 3,0 kW/m²K alınır, kirlilik payı yüzde 10'dur. Debiler hesaplanır. Birincil fark 5 K, glikol için pratik sabit su için 0,86 yerine yaklaşık 0,95 kullanılır: V1 = 60 × 0,95 / 5 = 11,4 m³/h. İkincil taraf sudur, fark 7 K: V2 = 60 × 0,86 / 7 = 7,37 m³/h. İki tarafın farkları ve akışkanları farklı olduğu için debiler asimetriktir.

• Isı yükü: Q = 60 kW = 60.000 W
• Birincil debi, glikol: V1 = 60 × 0,95 / 5 = 11,4 m³/h
• İkincil debi, su: V2 = 60 × 0,86 / 7 = 7,37 m³/h
• Uç farkları: 45 − 42 = 3 K ve 40 − 35 = 5 K
• LMTD: (5 − 3) / ln(5 / 3) = 2 / 0,511 = 3,92 K
• Temiz yüzey: A = 60.000 / (3000 × 3,92) = 5,10 m²
• Kirlilik payı yüzde 10: A = 5,10 × 1,10 = 5,61 m²

Sonucun yorumu, dar yaklaşımın bedelini net gösterir. Yaklaşım sıcaklığı bir uçta yalnızca 3 K'dir; LMTD 3,92 K'ye düşmüştür. Aynı 60 kW yükü, birinci örnekteki gibi 10 K LMTD ile aktarsaydık yüzey yaklaşık 2 m² olurdu; oysa burada 5,61 m² çıktı, neredeyse üç katı. Bu büyüme, glikolün düşük U'su ve dar yaklaşımın küçük LMTD'sinin birleşik etkisidir. Isı pompası devrelerinde bu bedel bilinçli ödenir çünkü dar yaklaşım, yoğuşma sıcaklığını düşürerek kompresörün mevsimsel verimini yükseltir; eşanjörde büyüyen yüzey, kompresörde kazanılan enerjiyle fazlasıyla telafi edilir. Hava kaynaklı alternatif /urunler/isi-pompalari/hava-kaynakli sayfasında değerlendirilebilir.

14Contalı mı lehimli mi plakalı eşanjör seçilmeli?

Contalı ve lehimli plakalı eşanjör arasındaki seçim, bakım erişimi, basınç sınırı ve kapasite değişkenliğine göre yapılır. Contalı tip, plakalar arasına yerleştirilen elastomer contalarla sıkıştırılır; açılabilir, temizlenebilir ve plaka eklenerek kapasitesi artırılabilir. Lehimli tip, plakaların bakır veya nikelle fırında lehimlenmesiyle tek parça hâline gelir; açılamaz, ama daha yüksek basınca dayanır ve daha kompakttır.

Seçimi belirleyen ilk soru kapasitenin ilerde değişip değişmeyeceğidir. Boyler ısıtan, kazan devresini ayıran veya bölge ısıtmasına bağlanan orta ve büyük kapasiteli uygulamalarda contalı tip tercih edilir çünkü hem temizlenir hem büyütülür. Isı pompası ayırıcısı, kombi eşanjörü gibi kompakt ve sabit kapasiteli uygulamalarda lehimli tip yaygındır. Su kalitesi kötüyse ve mekanik temizlik gerekiyorsa contalı tip neredeyse zorunludur; lehimli tip yalnızca kimyasal sirkülasyonla temizlenebilir.

Karar pratikte su kalitesi ve proje ömrüne bağlanır. Şebeke suyu sert ve eşanjör yüksek sıcaklıkta çalışıyorsa kireç birikimi kaçınılmazdır; contalı tip periyodik açılıp temizlenebildiği için uzun ömürlü çözümdür. Kapalı, şartlandırılmış devrede kirlenme az olduğu için lehimli tipin kapalılığı sorun olmaz ve kompaktlığı avantaja döner. Bu yüzden tip seçimi, su kalitesi ve bakım stratejisiyle birlikte kararlaştırılmalıdır.

15Marka ve model seçiminde nelere dikkat edilir?

Marka ve model seçiminde belirleyici olan, üreticinin dört sıcaklık ve iki debiyle çalışan bir seçim programı sunması ve seçilen U ile kirli U değerlerini şeffaf vermesidir. Katalogdan tek bir kapasite değeri okumak yeterli değildir; aynı model, farklı sıcaklık rejiminde ve farklı basınç kaybı sınırında bambaşka bir yüzey ve plaka sayısı verir. Doğru üretici, seçimi projeye göre programından çıkarır ve kirli U ile temiz U'yu ayrı raporlar.

Portföyde plakalı eşanjör tarafında Tanpera bulunur; Tanpera contalı ve Tanpera lehimli tiplerde ısıtma, boyler ve ısı pompası ayırıcı uygulamaları için proje bazlı seçim yapılır. Bir Tanpera ısı değiştirici seçilirken model numarası, ancak ısı yükü, dört sıcaklık, iki debi ve basınç kaybı sınırı netleştikten sonra seçim programından çıkar; bu veriler olmadan yazılan bir seri numarası anlamsızdır. Tanpera eşanjör seçimi bu yüzden hazır bir listeden değil, her projenin kendi verisinden yürütülür. Marka portföyünün tamamı /markalar sayfasında listelenir, proje bazlı seçim desteği için /iletisim üzerinden mühendislik ekibine ulaşılabilir.

16Plakalı eşanjör hangi uygulamalarda kullanılır?

Plakalı eşanjör, iki su devresini birbirinden ayırırken ısı aktarmak gereken her yerde kullanılır. En yaygın uygulamalar kazan devresini kullanım suyu boylerinden ayırmak, bölge ısıtma hattını bina devresine bağlamak, ısı pompası glikol devresini bina suyundan ayırmak ve havuz suyunu ısıtma devresinden yalıtmaktır. Ortak amaç, iki akışkanın karışmasını önlerken ısıyı yüksek verimle geçirmektir.

Uygulama tipi seçim parametrelerini doğrudan değiştirir. Kullanım suyu tarafında kireç yükü yüksektir, kirlilik payı büyük tutulur ve contalı tip tercih edilir. Bölge ısıtma bağlantısında birincil taraf yüksek sıcaklık ve basınçta olabilir, tasarım basıncı ve conta sıcaklık sınırı belirleyicidir. Isı pompası ayırıcısında dar yaklaşım ve glikol düzeltmesi öne çıkar. Havuz suyunda klorür korozyonu nedeniyle titanyum plaka gerekebilir; havuz suyu ısıtma tarafı /urunler/aritma-sistemleri/filtrasyon-sistemleri ile birlikte kurgulanır ve hamam uygulamaları /urunler/yerden-isitma/hamam-sistemleri tarafında değerlendirilir.

• Kazan-boyler ayrımı: kireç payı yüksek, contalı tip, mekanik temizlik
• Bölge ısıtma bağlantısı: yüksek tasarım basıncı, geniş sıcaklık farkı
• Isı pompası ayırıcı: dar yaklaşım, glikol düzeltmesi, lehimli veya contalı
• Havuz suyu ısıtma: titanyum plaka, klorür korozyonu, yüksek kirlilik payı
• Serbest soğutma ekonomizeri: soğutma tarafında düşük LMTD, büyük yüzey

Her uygulamanın kendi kritik parametresi vardır ve seçim o parametre etrafında döner. Kullanım suyunda kireç, ısı pompasında yaklaşım, havuzda malzeme, bölge ısıtmada basınç belirleyicidir. Bu yüzden "genel amaçlı bir eşanjör" seçimi yoktur; her uygulama, dört sıcaklık ve iki debinin yanında kendi kritik kısıtıyla birlikte çözülür.

17Sık yapılan 5 hata

Plakalı eşanjör seçiminde tekrar eden hatalar, ürün kalitesinden bağımsız olarak yetersiz kapasite ve erken kirlenme üretir. Aşağıdaki beş hata, devreye alma raporlarında en sık görülenlerdir ve hepsi hesap aşamasında sıfır maliyetle önlenir.

• Isı yükünü tek taraftan kontrol etmek: birincil ve ikincil Q eşit çıkmalıdır; bir tarafın sıcaklık farkı yanlış girildiğinde denklem tutmaz ve gerçek kapasite hedefin altında kalır. Her iki taraf ayrı hesaplanıp karşılaştırılmalıdır.
• LMTD yerine aritmetik ortalama kullanmak: aritmetik ortalama her zaman logaritmik ortalamadan büyüktür, dolayısıyla yüzey olması gerekenden küçük çıkar ve eşanjör hedefi tutmaz. Uçlardaki farklar eşit değilse mutlaka logaritmik ortalama alınır.
• Kirlilik faktörünü ihmal etmek: temiz U ile hesaplanan eşanjör ilk gün çalışır, birkaç ay sonra kapasite düşer. Su kalitesine göre yüzde 10 ila 25 pay eklenmeden seçim tamamlanmaz.
• Glikolü suymuş gibi hesaplamak: glikol karışımının özgül ısısı düşük, viskozitesi yüksektir; su katsayılarıyla seçilen bir ısı pompası ayırıcısı yüzde 10 ila 20 küçük kalır. Akışkan cinsi katsayılara yansıtılmalıdır.
• Basınç kaybını pompadan bağımsız yazmak: hesapta doğru çıkan eşanjör, mevcut pompanın basma marjını aşarsa devre debisini düşürür ve kapasite hedefin altında kalır. İzin verilen basınç kaybı pompa marjına göre belirlenir.

18Devreye alma kontrol listesi

Devreye alma, eşanjörün ısındığını görmek değil tasarım sıcaklıklarını ve debilerini ölçerek doğrulamaktır. Aşağıdaki liste bir eşanjörü teslim edilebilir hâle getirir; her devrede ayrı ayrı doldurulur ve imzalanır.

• Birincil ve ikincil bağlantıların ters akış yönünde olduğu doğrulandı
• Devre yıkandı, montaj artığı ve kaynak curufu tahliye edildi, pislik tutucu takıldı
• Birincil giriş ve çıkış sıcaklıkları ölçüldü, tasarım farkına yakın çıktı
• İkincil giriş ve çıkış sıcaklıkları ölçüldü, hedef çıkış sıcaklığı sağlandı
• Yaklaşım sıcaklığı iki uçta hesaplanan değere yakın ölçüldü
• Birincil ve ikincil debiler debimetre veya dengeleme vanasından okundu
• Eşanjör basınç kaybı manometre ile giriş-çıkış farkından ölçüldü
• Contalı tipte sıkma boyu üretici etiketindeki aralıkta doğrulandı
• Devre havası alındı, üst noktadan purjörle boşaltma yapıldı
• Emniyet ventili ve genleşme donanımı test edildi, tasarım basıncı aşılmadı
• Su sertliği ölçüldü, gerekirse yumuşatma devreye alındı
• İlk hafta pislik tutucu iki kez temizlendi ve basınç kaybı yeniden okundu

19Sık Sorulan Sorular

Plakalı eşanjör kapasitesi nasıl hesaplanır?

Kapasite Q = ṁ × cp × ΔT denklemiyle kilovat olarak hesaplanır; su için pratik biçim Q = V × ΔT / 0,86'dır. Kütlesel debi kilogram bölü saniye, özgül ısı su için 4,186 kilojul bölü kilogram Kelvin, sıcaklık farkı giriş eksi çıkıştır. Isı yükü birincil ve ikincil tarafta ayrı hesaplanır ve enerji korunumu gereği birbirine eşit çıkmalıdır.

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı neden kullanılır?

Sıcaklık farkı eşanjör boyunca değiştiği için tek bir etkin değer gerekir. Aritmetik ortalama ısı transferini olduğundan büyük gösterir ve yüzeyi küçük hesaplatır. Logaritmik ortalama, farkın büyük olduğu bölgede transferin hızlandığını doğru yansıtır. LMTD = (ΔT1 − ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2) formülü kullanılır; iki uç farkı eşitse LMTD doğrudan o değere eşittir.

Isı transfer yüzeyi nasıl bulunur?

Yüzey A = Q / (U × LMTD) denklemiyle bulunur. Isı yükü watt, toplam ısı transfer katsayısı watt bölü metrekare Kelvin, LMTD Kelvin biriminde girilir; birimler karıştırılırsa bin katlık hata olur. Bulunan yüzey kirlilik faktörüyle büyütülür, sonra tek plaka alanına bölünerek plaka sayısına geçilir. Yüzey, yaklaşım sıcaklığı daraldıkça hızla büyür.

Toplam ısı transfer katsayısı U ne kadar alınır?

Su-su ısıtmada temiz U tipik olarak 4 ila 6 kilovat bölü metrekare Kelvin, su-glikol uygulamasında 2,5 ila 4, buhar-su yoğuşmalı uygulamada 3 ila 5 bandındadır. Bu değerler ön boyutlandırma içindir; nihai U, seçilen plaka geometrisi ve debiye göre üretici seçim programından çıkar. U yükseldikçe yüzey küçülür, ancak küçük yüzey kirliliğe daha duyarlıdır.

Yaklaşım sıcaklığı kaç derece seçilmelidir?

Isıtma devrelerinde yaklaşım sıcaklığı genelde 3 ila 5 Kelvin arasında seçilir. 2 Kelvin altına inmek yüzeyi orantısız büyütür; 8 Kelvin üstüne çıkmak kaynağın düşük sıcaklıkla çalışmasını engeller ve yoğuşmalı kazan veya ısı pompası verimini düşürür. Isı pompası devrelerinde dar yaklaşım tercih edilir çünkü yoğuşma sıcaklığını düşürerek kompresör verimini yükseltir.

Kirlilik faktörü ne için gereklidir?

Kirlilik faktörü, yüzeyde biriken kireç ve tortunun ısıl direncini hesaba katan emniyet payıdır. İhmal edilirse eşanjör ilk gün çalışır ama birkaç ay sonra kapasitesini kaybeder. Su-su ısıtmada tipik pay yüzde 10 ila 20, sert sularda yüzde 25 ila 40'tır. Aşırı büyük pay ters teper: düşük akış hızı türbülansı azaltır ve kirlenmeyi hızlandırır. Kireç, yüzey büyüterek değil yumuşatmayla çözülür.

Birincil ve ikincil debi neden eşit olmayabilir?

Enerji korunumu Q'yu iki tarafta eşitler ama debileri değil. Bir tarafın sıcaklık farkı büyükse debisi küçük, farkı küçükse debisi büyük olur. Örneğin birincil taraf 20 Kelvin farkla, ikincil taraf 10 Kelvin farkla çalışıyorsa ikincil debi birincil debinin iki katıdır. Bu asimetri yaklaşım sıcaklığını ve LMTD'yi etkiler; denge tablosu yazılmadan seçime başlanmaz.

Contalı mı lehimli mi plakalı eşanjör tercih edilir?

Bakım erişimi ve kapasite değişkenliği belirleyicidir. Contalı tip açılıp mekanik temizlenir ve plaka eklenerek büyütülür; boyler, bölge ısıtma ve sert sulu uygulamalarda tercih edilir. Lehimli tip açılamaz ama daha kompakt ve yüksek basınca dayanıklıdır; ısı pompası ayırıcısı ve kombi gibi kapalı, sabit kapasiteli devrelerde yaygındır. Su kalitesi kötüyse contalı tip neredeyse zorunludur.

Glikollü ısı pompası devresinde eşanjör nasıl değişir?

Glikol karışımının özgül ısısı sudan düşük, viskozitesi yüksektir; bu, aynı ısı yükü için debiyi artırır ve ısı transfer katsayısını düşürür. Yüzde 30 propilen glikolde özgül ısı yaklaşık 3,8 kilojul bölü kilogram Kelvin'e iner, U yaklaşık 3 kilovat bölü metrekare Kelvin'e düşer. Su değerleriyle seçilen bir ayırıcı eşanjör yüzde 10 ila 20 küçük kalır; akışkan cinsi mutlaka katsayılara yansıtılır.

Plakalı eşanjör seçimi için hangi verileri hazırlamalıyım?

Isı yükünü kilovat olarak, birincil ve ikincil tarafın dört giriş-çıkış sıcaklığını, iki tarafın debisini, akışkan cinsini, izin verilen basınç kaybını ve su sertliğini hazırlamak gerekir. Bu veriler netleşmeden yazılan bir model numarası anlamsızdır. Eksik veri, seçim programının gerçekçi olmayan bir yüzey döndürmesine yol açar. Sık sorulan diğer teknik konular /sss sayfasında toplanmıştır.

Plakalı eşanjör seçimi, tek bir kataloğdan değil dört sıcaklığın, iki debinin ve basınç kaybı sınırının tutarlı çözümünden çıkar. Isı yükü, LMTD, yüzey ve kirlilik payı hesaplandıktan sonra Tanpera plakalı eşanjörlerde proje bazlı model seçimi ve tedarik desteği için /iletisim sayfasından Vekron Mekanik mühendislik ekibine ulaşabilir, ısıtma tarafındaki diğer teknik yazılara /blog/konu/isitma-sistemleri sayfasından erişebilirsiniz. İlgili boyler ve otel-hastane uygulamaları /blog/otel-ve-hastane-icin-hidrofor-secimi ve /blog/fan-coil-nedir yazılarında ele alınır.