borulu eşanjör

Borulu eşanjör

Borulu eşanjör nedir?

Borulu ısı değiştiricisi veya eşanjörü, ısı değiştiricilerinin bir çeşididir. Daha doğru bir tanımlama ile ısı eşanjörü tasarlarken kullanılan sınıflamalardan biridir. Adını dizaynında kullanılan  borulardan  almıştır. Silindirik bir gövde ile gövdenin içine yerleştirilmiş küçük çaplı borulardan meydana gelir. Çalışma basıncına ve akışkan özelliklerine göre boruların et kalınlıkları tespit edilir. Borulu eşanjörler kendi grubu içinde çok çeşitli tipleri mevcuttur. Borulu ısı değiştiricisi , petrol rafinerileri ve diğer büyük kimyasal prosesler içeren tesislerde en yaygın kullanılan eşanjörlerdir.

Borulu ısı değiştiricilerinde dairesel kesitli borular kullanılır. Dairesel kesitli borular yüksek basınçlara dayanıklı oldukları için, boru tipi eşanjör yüksek basınçlarda kullanılır. Borulu ısı eşanjörlerinde ısı transfer yüzeyi, borulardan meydana gelir. Farklı sıcaklıklardaki iki akışkan ısı değiştirici boyunca akar, birisi içteki borular boyunca, diğeri dış taraftaki büyük boru boyunca akar. Isı, bir akışkandan diğerine transfer olur. Akışkanın biri boruların içinden akarken, diğer akışkan gövde tarafından borulara paralel veya çapraz olarak akar. Bundan dolayı ısı transferi boru yüzeylerinde gerçekleşir. Akışkanlar arasında ısı transferinde kullanılan bu metod, birçok uygulamada, atık ısının tekrar kullanılmasını sağlar. Bu, enerjinin geri kazanımı için çok iyi bir yöntemdir.

Borulu Eşanjör Çeşitleri

Tasarım şekline göre;

• U borulu eşanjörler
• Düz borulu eşanjörler

Kullanım Yerine Göre;

• İplik boyama makinesi eşanjörleri
• Kumaş boyama makinesi eşanjörleri
• Yağ soğutucu eşanjörler
• Turbo şarj soğutucu eşanjörler
• Kompresör hava soğutucu eşanjörler
• Gemi sektöründe kullanılan eşanjör çeşitleri
• Petro kimya ve rafineri sektöründe kullanılan eşanjör çeşitleri

Borulu Eşanjörleri Meydana Getiren Parçalar 

• Düz veya U şeklinde kıvrılmış ısı transferinin gerçekleşmesini sağlayan borular,
• Borulu eşanjörlerin dış gövdesi, kıvrılmış sacdan veya borudan imal edilir,
• Boruların tespit edildiği ayna,
• Gövde içinde boruların dışındaki akışı yönlendiren ve borulara destek olan yön değiştirme perdeleri,
• Borulu eşanjörlerin gövde tarafı akışkanının giriş ve çıkışını sağlayan gövde nozulları,
• Boru tarafı akışkanının giriş ve çıkışını sağlayan kafa ve kafa nozulları,
• Ayna ve kafaların bağlanmasını sağlayan flanşlar,
• Herhangi bir kaide üzerine eşanjörün montajını sağlayabilecek taşıyıcı ayaklar,
• Eşanşör dış yüzeylerinden, ısı kaybını önleyen izolasyon sistemi.

Avantajları

• Borulu eşanjörler yüksek basınçlarda çalışabilecek şekilde tasarımı ve imalatı yapılır.
• Yüksek ve düşük sıcaklıklarda çalışabilecek şekilde tasarımı ve borulu eşanjör imalatı yapılır.
• Termik şoklara dayanıklıdırlar.
• Boyut sınırlaması yoktur.
• Borulu eşanjörler bütün uygulamalarda kullanılabilirler.
• Basınç kayıpları asgari düzeydedir ve proses amacına uygun olarak asgari düzeyde tutulabilir.
• Borulu eşanjör  bakım, onarım ve temizlik için kolaylıkla sökülür ve tekrar montajı yapılabilir.
• Bakım ve onarımları kolaydır.
• Boru çapı, boru sayısı, boru uzunluğu, boru adımı ve boru düzenlemesi değiştirilebilir. Bu nedenle borulu ısı değiştiricilerin dizaynları oldukça esnektir.

Kullanım Alanları: 

Borulu eşanjörler termik santrallerde, petrol rafinerileri, kimya endüstrisinde gövde borulu ısı değiştiricilerinin çok fazla uygulama alanı mevcuttur. Tekstil, gemi ve gıda gibi başlıca ana sektörlerde kullanılır. Gemilerin yağ, yakıt, su buhar devrelerinde ısıtma, soğutma/yoğuşturma amacı için sıklıkla kullanılırlar. Isıtıcı olarak su buharı, soğutucu olarak tatlı su veya deniz suyu kullanılır. Deniz suyu kullanılan sistemlerde katodik koruma uygulanır.

Ayrıca buhar, kızgın yağ kazanı ve kızgın su kazanı bulunan firmalarda kullanma suyu ve/veya sıcak su düşük basınçlı buhar talebi vb.  ihtiyaçların karşılanmasında kullanılır. Enerji geri kazanım uygulamalarında, tekstil sektöründe atık su geri kazanım sistemlerinde temizleme etkenlerinin göz önünde bulundurulması halinde U ve düz borulu eşanjörler proses kolaylığı sağlar.

Düz ve “U” borulu ısı değiştirircilerin üretiminde dikkat edilmesi gereken konu ise, akışkanlar ve akışkanların belirgin özellikleri ile bu akışkanların eşanjör içindeki hal değişimleridir. Eşanjör üretiminde projeye uygun olarak eşanjör firmaları tarafından tamamı karbon-çelik, tamamı paslanmaz çelik, bakır ve özel alaşımlı, bafon boru veya pirinç boru demetli, karbon çelik gövdeli ve paslanmaz gövdeli olarak borulu eşanjör imalatı yapılmaktadır. Dış kabuk genellikle bakır sacdan üretilir. Üretilen eşanjör fiyatları kalitesine, kullanılan malzemeye göre her firma tarafından değişir.

Boru tipi eşanjör kızgın sudan veya buhardan faydalanarak ısıtma için gereken 90/70 ºC suyun elde edilmesinde kullanılır. Borulu eşanjörler;

• Gövde borulu değiştirici,
• Çift borulu değiştirici,
• Spiral borulu değiştirici olmak üzere üç sınıfta incelenir.

Gövde Borulu Isı Değiştiriciler

Proses endüstrisinde en yaygın olarak kullanılan ısı değiştirici çeşididir.  Yaklaşık olarak kullanılan bütün  ısı değiştiricilerinin % 60’ı gövde borulu ısı değiştiricileridir. Gövde borulu ısı değiştiricileri, boru ekseni gövdenin eksenine paralel , büyük silindirik gövde içine yerleşmiş  birbirine paralel yuvarlak borulardan oluşur.

Tek Gövde Tek boru Geçişli Eşanjör

Gövde Borulu Eşanjör Çalışma Prensibi

Akışkanlardan birisi boruların içinden, diğer akışkan ise gövde tarafında borulara paralel veya çapraz olarak akar. Gövde borulu ısı değiştiricileri oluşturan ana  elemanları; borular (veya boru demeti), gövde, iki baştaki kafalar, boruların bağlandığı ön  ve arka ayna ile gövde içindeki akışı yönlendiren ve borulara destek olabilen şaşırtma levhaları ve destek çubuklarıdır. Isıl işlev, basınç düşümü, basınç seviyesi, kirlenme, imalat yöntemi ve maliyeti, korozyon ve temizleme sorunlarına bağlı olarak çeşitli gövde tarafı ve boru tarafı akış düzenlemeleri kullanılır.

Özellikleri

Maksimum basınç:

Gövde tarafında 350 bar (mutlak), boru tarafında 1400 bar (mutlak).

Sıcaklık Aralığı:

(-200 0C) ile (600 0C) arasında değişir. Özel malzemeler kullanılarak bu sıcaklık aralığı genişletmek mümkündür.

Tek bir ünite için tipik yüzey alanı 10 – 1000 m² arasında değişir.

Maksimum etkinlik:

e =0,9 (çok geçişli ünitelerde etkinlik daha küçüktür). Etkinlik; akışkandaki sıcaklık yükselmesinin teorik olarak mümkün olan maksimum sıcaklık yükselmesine oranı olarak bilinir.

Minimum D T=5 K

Mümkün olduğunda karbon çeliğinden yapılır.

Avantajları

• Gövde borulu ısı değiştirici tasarımı yapılırken, bu ısı değiştiricileri bütün uygulamalar için kullanılabilir;  örnek olarak petrol rafinerileri, termik santraller, kimya endüstrisi vs.
• Gövde borulu ısı değiştiricileri son derece esnek ve sağlam dizayna sahiptir.
• Temizleme için demonte, sökülebilecek şekilde dizayn edilir.
• Bakımı ve tamiri kolaydır.
• Piyasada kolay bulunabilen, gövde borulu ısı değiştiricileri tedarik eden firma sayısı fazladır.
• Çoklu üniteleri yapılabilir.
• Birçok metal ile gövde borulu ısı değiştiricileri imalatı yapılabildiği için akışkan sınırlaması çok azdır.

Dezavantajları

• Yüksek plan alanı gerektirir. Ayrıca demeti sökmek için ekstra alana ihtiyaç vardır.
• 16 bar basınç ve 200 0C sıcaklığın altındaki şartlarda plakalı ısı eşanjör fiyatları daha ucuz olabilir.

Çift Borulu Isı Değiştiricileri

Çift borulu ısı değiştiricileri en basit ısı değiştirici çeşididir. Bir borunun daha büyük çaplı bir boru içerisine eş merkezli olarak yerleştirilmesi sonucu elde edilir.

Çalışma Prensipleri

Akışkanlardan biri içteki borudan akarken, diğeri dışarıdaki borudan akar. Düz borulu ısı değiştiricileri, istenen basınç düşümü ve sıcaklık farkı ihtiyacı karşılamak amacıyla çeşitli seri ve paralel konfigürasyonlar şeklinde düzenlenebilir. İçteki boru tek veya çok borulu olabilir. Eğer halkadaki ısı taşınım kat sayısı düşükse eksenel kanatçıklara sahip iç boru (veya borular) kullanılabilir.

Özellikleri

• Maksimum basınç: Gövde tarafında 350 bar (mutlak), boru tarafında 1400 bar (mutlak)
• Sıcaklık Aralığı: (-200 0C) ile (600 0C) arasında değişebilir. Özel malzemeler kullanılarak bu sıcaklık aralığı genişletilebilir.
• Tek bir ünite için tipik yüzey alanı 0.25–200 m2 arasında değişir.
• Maksimum etkinlik: e =0,9
• Minimum D T=5K
• Çift borulu ısı değiştiricileri genel olarak çoklu üniteler kullanılır.
• Mümkün olduğunda karbon çeliğinden imal edilir.
• Esas kullanım alanı, küçük ısı transfer alanlarının (50 m²’ye kadar) gerektiği  proses akışkanlarının duyulur ısıtılması ve soğutulması için kullanılır.

Avantajları

• Isıl kapasiteyi ve ısı geçiş yüzey alanını artırmak için seri halde monte edilebilir.
• Karşıt akış kolay bir şekilde elde edilebilir.
• Çift borulu ısı değiştiricileri yüksek basınçlara dayanır.
• Standart modüler konstrüksiyona sahiptir.
• Çift borulu ısı değiştiricilerin bakımı ve tamiri kolaydır.
• Temizlenmesi kolay olduğu için, özellikle kirletici akışkanlar için uygundur.
• Çift borulu ısı değiştiricileri piyasada kolay bulunur.
• Birçok metal ile imalatı yapılabildiği için akışkan sınırlaması çok azdır.

Dezavantajları

• Çift borulu ısı değiştiricileri özellikle küçük kapasiteler için uygundur.
• Yüksek ısıl kapasiteler (1 MW’ dan daha fazla) için, borulu eşanjör fiyatları pahalıdır.

Spiral Borulu Isı Değiştiricileri

Bir depo içine yerleştirilen spiral şeklinde sarılmış bir veya daha fazla borulardan meydana gelir. Isı transfer kat sayısı, spiral bir boruda düz bir borudan daha yüksek olduğu için spiral sarım kullanılır. Bu ısı değiştiricileri genel olarak havuz ve depolardaki akışkanların sıcaklık kontrolünde kullanılmaktadır. Helisel bir şekilde yapılabilen serpantinin adımı, sarım çapı ve alanı uygun bir şekilde seçilebilir. Küçük serpantinlerin depo içinde desteğe gereksinimi olmamasına karşın, büyük serpantinlerin desteklenmesi gerekir.

Spirel Borulu Eşanjör

Spiral borulu ısı değiştiricilerde spiral boru dış yüzeyi ve depo içi kolaylıkla temizlenir. Fakat boru iç yüzeyi kolay bir şekilde temizlenmez. Bu tip ısı değiştiricilerin depo tarafındaki debi ve akışkan hızları küçük olması sebebiyle, ısıl kapasite debileri küçüktür.

Özellikleri

• Temizleme işlemi hemen hemen olanaksız olduğu için, temiz akışkanlar için uygundur.
• Soğutma sistemlerinde kullanılan kondanserler ve eş-eksenli evaporatörler olarak dizayn edilirler.

Avantajları

• Spiral borulu ısı ğeğiştiricileri basit ve ucuz bir şekilde elde edilebilir.
• Isıl genleşmenin meydana getirdiği gerilme sorunları yoktur.
• Spiral borunun dış yüzeyi ve depo kolay bir şekilde mekanik olarak temizlenebilir.
• Dezavantajları:
• Spiral borunun iç yüzeyi mekanik olarak kolay temizlenemez.

Borulu Eşanjör Bakımı ve Revizyonu

Borulu eşanjörler, uzun ömürlü ve problemi olmayan cihazlardır. Ancak dış etkenlerden kaynaklanan bazı deformasyonlara ve kirliliğe maruz kalırlar. Borulu eşanjörler kullanıldığı sistemlere göre temizlik ve bakıma ihtiyaçları vardır.

Eğer doğru bir yöntemle, doğru kimyasallar ile yapılmayan bir temizlik, borulara zarar verir. Bu da eşanjörde daha büyük revizyonlar yapılmasını gerektirir. Bundan dolayı temizlik ve eşanjör bakımı uzman ekipler tarafından yapılmalıdır. Eşanjör temizliği yapılırken, zaman içinde korozyona uğrayıp deforme olan iç borular, değiştirilmelidir.

Hijyenik Borulu Eşanjörler

Bazı kimya ve gıda uygulamalarında ısıl işlemler yüksek sıcaklıklarda veya basınçlarda yapılır. Bu sıcaklık ve basınçlarda plakalı eşanjör kullanımı conta sıcaklık ve basınç dayanımı sınırı kullanılamamaktadır. Bu tip uygulamalar sökülebilir, tam hijyenik borulu sağlanmaktadır. Bu borulu eşanjörler için sıcaklık sınırı 350°C lere kadar çıkabilmektedir. Bu tip eşanjörlerdeki kaynaklar, pürüzsüz bir akış yüzeyi sağlamak için hassas yapılması önemlidir.

Borulu eşanjör firmaları bu tip kaynakları, sertifikalı kaynakçılar tarafından uygulatırlar.  3 aşamada yapılan  kalite kontrol, uzman mühendisler tarafından incelenir. Gıda işleme proseslerine uygun olarak yapılan tasarım da kapasite, yer, işlenecek olan gıdanın cinsi önemlidir.

Yüksek basınçlı uygulamalarda, kapasite hesapları, malzeme et kalınlıkları, kaynak teknolojileri gibi konular hayati önem taşır. Bu nedenle üretilen her eşanjör, test yapılmalıdır. Borulu eşanjör, eşanjör fiyatları, eşanjör imalatı verilen proses bilgilerine ve akışkan özelliklerine göre eşanjör seçimi yapılır.

Eşanjör hesaplamaları yapılırken, her firma, kendi ARGE bölümlerinin geliştirdiği bir program kullanır. Eşanjörler bu program sonucunda boyutlandırılır. Farklı markalarda, aynı ısıl değerlerde ve kapasitedeki eşanjörlerde, ısı transfer m²’leri arasındaki fark % 3-5 arasında olmalıdır. Eğer bu fark çok yüksek ise bunun neden kaynaklandığı iyice araştırılmalıdır.