Doğru Plakalı Eşanjör Seçimi Nasıl Yapılır? Kritik Faktörler ve Hesaplamalar 

Endüstriyel proseslerden HVAC sistemlerine kadar birçok alanda verimli ısı transferi kritik öneme sahiptir. Plakalı eşanjörler (PHE’ler), kompakt yapıları ve yüksek verimlilikleri ile popüler bir çözüm sunar. Ancak, sisteminizin optimum performansta çalışması, enerji tasarrufu sağlaması ve uzun ömürlü olması için doğru plakalı eşanjör seçimi hayati önem taşır. Yanlış bir seçim, yetersiz ısı transferine, beklenenden yüksek enerji tüketimine, sık arızalara ve hatta sistem duruşlarına yol açabilir. Bu makalede, uygulamanız için en uygun plakalı eşanjörü seçerken göz önünde bulundurmanız gereken kritik faktörleri, temel hesaplama adımlarını ve dikkat edilmesi gereken noktaları detaylı bir şekilde ele alacağız. Bu rehber, plakalı eşanjör seçimi sürecinde size yol gösterecektir.

İlk Adım: İhtiyaçların ve Proses Verilerinin Eksiksiz Tanımlanması

Herhangi bir eşanjör seçim sürecinin temeli, uygulamanın gereksinimlerini net bir şekilde anlamaktır. Eksik veya yanlış bilgi, hatalı bir tasarıma ve dolayısıyla verimsiz bir eşanjöre yol açar. Plakalı eşanjör seçimi yapmadan önce aşağıdaki temel proses verilerini eksiksiz olarak belirlemelisiniz:

• Akışkan Tipleri: Isı alışverişi yapacak her iki akışkanın cinsi (örneğin, su, glikol çözeltisi, termal yağ, süt, kimyasal çözelti, buhar vb.). Akışkanların korozifliği veya özel gereksinimleri (örn. hijyenik standartlar) malzeme seçimini doğrudan etkiler.

• Giriş ve Çıkış Sıcaklıkları: Her iki akışkan için mevcut giriş sıcaklıkları ve hedeflenen çıkış sıcaklıkları (°C veya K). Bu, gerekli ısı transfer miktarını ve termal performansı belirler.

• Akış Debileri: Her iki akışkanın kütlesel ( kg/s , kg/h ) veya hacimsel (m³/h, L/min) debisi. Bu, eşanjörün boyutunu ve plaka sayısını etkileyen ana faktörlerden biridir.

• İzin Verilen Maksimum Basınç Kaybı: Her iki akışkan devresi için sistemin tolere edebileceği maksimum basınç düşüşü (kPa, bar, psi). Bu, pompa seçimi ve enerji tüketimi açısından önemlidir. Daha yüksek verim genellikle daha yüksek basınç kaybı anlamına gelir, bu yüzden bir denge kurulmalıdır.

• Maksimum Çalışma Basıncı ve Sıcaklığı: Sistemin normal çalışma koşullarının yanı sıra, olası pik veya anormal durumlardaki maksimum basınç ve sıcaklık değerleri. Bu, eşanjörün mekanik dayanımı ve malzeme seçimi için kritiktir.

• Akışkanların Fiziksel Özellikleri: İlgili sıcaklık aralıklarında akışkanların yoğunluğu ( kg/m ³), özgül ısısı (kJ/kg·K), termal iletkenliği (W/m·K) ve viskozitesi (cP, Pa·s). Bu değerler, ısı transferi ve basınç kaybı hesaplamaları için gereklidir.

• Kirlenme Faktörleri (Fouling Factors): Akışkanların zamanla plaka yüzeylerinde oluşturabileceği birikintilerin (kireç, tortu, biyofilm vb.) ısı transferine direncini ifade eden katsayılar. Bu, eşanjörün başlangıçta biraz daha büyük tasarlanmasını gerektirebilir (güvenlik payı).

Uygulamaya Uygun Eşanjör Tipinin Belirlenmesi

Proses verileri netleştikten sonra, hangi tip plakalı eşanjörün uygulamanız için en uygun olduğuna karar vermelisiniz. Başlıca tipler şunlardır:

• Contalı Plakalı Eşanjörler (GPHE): En yaygın tip. Esneklik (kapasite artırımı/azaltımı) ve kolay bakım/temizlik avantajı sunar. Ancak conta malzemesine bağlı basınç ve sıcaklık limitleri vardır. Bakım gerektiren ve orta düzey basınç/sıcaklık uygulamaları için idealdir. (Detaylı bilgi için “Plakalı Eşanjör Çeşitleri” makalemize göz atabilirsiniz.)

• Lehimli Plakalı Eşanjörler (BPHE): Contasız, kompakt ve daha yüksek basınç/sıcaklık dayanımına sahip modellerdir. Bakımı (temizliği) zordur ve kapasitesi değiştirilemez. HVAC, soğutma ve standart endüstriyel uygulamalarda sıkça kullanılır.

• Kaynaklı Plakalı Eşanjörler (WPHE): En zorlu koşullar (çok yüksek basınç/sıcaklık, agresif akışkanlar) için tasarlanmıştır. Contasızdır ve yüksek sızdırmazlık sağlar. Genellikle petrol/gaz ve kimya endüstrilerinde tercih edilir.

Seçiminiz; basınç/sıcaklık limitleri, bakım gereksinimleri, akışkan uyumluluğu, bütçe ve alan kısıtlamaları gibi faktörlere bağlı olacaktır.

Termal Tasarım ve Boyutlandırma: İşin Mühendislik Kısmı 

Bu aşama, eşanjör boyutlandırma olarak da bilinir ve genellikle özel yazılımlar kullanılarak üreticiler veya uzman mühendisler tarafından yapılır. Ancak temel prensipleri anlamak önemlidir:

1. Isı Yükünün Hesaplanması (Q): İlk olarak, transfer edilmesi gereken toplam ısı miktarı (Watt veya kW) hesaplanır. Bu, genellikle bir akışkanın kaybettiği veya kazandığı ısıdan bulunur: Q = m * cp * ΔT (Burada m = kütlesel debi, cp = özgül ısı, ΔT = sıcaklık farkı).

2. Logaritmik Ortalama Sıcaklık Farkı (LMTD): Eşanjör boyunca sıcaklık farkının sabit olmaması nedeniyle, ısı transferi hesaplarında ortalama bir sıcaklık farkı kullanılır. Ters akışlı eşanjörler için LMTD formülü kullanılır. Eğer sıcaklıklar birbirine çok yakınsa veya faz değişimi varsa NTU (Number of Transfer Units – Transfer Birimi Sayısı) metodu daha doğru sonuçlar verebilir.

3. Toplam Isı Transfer Katsayısı (U): Eşanjörün genel ısı transfer performansını gösteren bir katsayıdır. Plaka malzemesi ve kalınlığı, plaka deseni, akışkanların özellikleri, akış hızı (türbülans) ve kirlenme faktörleri gibi birçok değişkene bağlıdır. Üreticiler, farklı plaka tipleri ve akış koşulları için U değerlerini deneyim veya yazılımlarıyla tahmin ederler.

4. Gerekli Isı Transfer Alanı (A): Yukarıdaki değerler kullanılarak gerekli toplam plaka alanı hesaplanır: A = Q / (U * LMTD_düzeltilmiş). LMTD, akış düzenine göre düzeltme faktörü ile çarpılabilir.

5. Plaka Sayısı ve Boyutunun Belirlenmesi: Hesaplanan alana ve seçilen plaka modelinin tekil alanına göre plaka sayısı belirlenir. Akış hızları ve izin verilen basınç kayıpları da dikkate alınarak en uygun plaka boyutu ve sayısı seçilir. Bazen daha küçük plakalardan çok sayıda kullanmak yerine, daha büyük plakalardan az sayıda kullanmak daha ekonomik veya verimli olabilir.

6. Akış Düzenlemesi: Akışkanların plaka paketi içinde nasıl dolaşacağı belirlenir (tek geçişli, çok geçişli). Bu, termal performansı ve basınç kaybını etkiler.

Malzeme Seçimi: Uzun Ömür ve Güvenilirlik İçin Kritik

Yanlış malzeme seçimi, korozyona, sızıntılara ve eşanjör ömrünün kısalmasına neden olur. Eşanjör malzeme seçimi yapılırken dikkat edilmesi gerekenler:

• Plaka Malzemesi:

  • Paslanmaz Çelik (AISI 304, 316L): En yaygın kullanılan malzemelerdir. Su, glikol, gıda ürünleri gibi birçok akışkan için uygundur. 316L, klorür içeren ortamlarda 304’e göre daha iyi korozyon direnci sunar.

  • Titanyum: Tuzlu su, deniz suyu ve diğer yüksek klorürlü veya agresif ortamlar için mükemmeldir. Pahalıdır.

  • Hastelloy, Incoloy, Nikel Alaşımları: Çok agresif kimyasallar (örn. asitler), yüksek sıcaklıklar ve özel endüstriyel uygulamalar için kullanılır. Maliyetleri yüksektir.

• Conta Malzemesi (Contalı modeller için):

  • NBR (Nitril Kauçuk): Yağlar, katı/sıvı yağlar ve su bazlı akışkanlar için yaygındır. Genellikle ~110-130°C’ye kadar dayanıklıdır.

  • EPDM (Etilen Propilen Dien Monomer): Su, buhar, glikoller, alkaliler ve seyreltik asitler için uygundur. Genellikle ~150-160°C’ye kadar dayanıklıdır. Yağlara karşı direnci düşüktür.

  • FKM/Viton (Fluoroelastomer): Yüksek sıcaklıklar (~180-200°C), agresif kimyasallar, mineral yağlar ve solventler için kullanılır. Pahalıdır.

  • Diğer özel malzemeler (Silikon, HNBR vb.) spesifik uygulamalar için mevcuttur.

• Lehim Malzemesi (Lehimli modeller için): Genellikle Bakır veya Nikel kullanılır. Bakır standarttır ancak amonyak gibi bazı akışkanlarla uyumsuzdur. Nikel lehim, amonyaklı sistemlerde ve daha yüksek dayanım gerektiren durumlarda kullanılır.

• Gövde (Çerçeve) Malzemesi: Genellikle maliyeti düşürmek için epoksi boyalı karbon çelik kullanılır. Ancak hijyenik uygulamalar (gıda, ilaç) veya korozif ortamlar için paslanmaz çelik gövdeler tercih edilir.

Basınç Kaybı Kontrolü: Pompa Enerjisi ve Sistem Dengesi

Plakalı eşanjörlerdeki oluklu yapı ve dar akış kanalları, yüksek türbülans ve dolayısıyla iyi bir ısı transferi sağlar, ancak aynı zamanda borulu eşanjörlere göre daha yüksek basınç kaybına neden olur. Hesaplanan basınç kaybının, prosesin başında belirlenen izin verilen maksimum değerlerin altında olduğundan emin olunmalıdır. Aşırı basınç kaybı, daha büyük ve daha fazla enerji tüketen pompalar gerektirir. Üretici yazılımları, belirli bir tasarımın basınç kaybını doğru bir şekilde hesaplayabilir. Gerekirse, basınç kaybını azaltmak için plaka sayısı, plaka tipi veya akış düzenlemesi değiştirilebilir (ancak bu genellikle ısı transfer alanını artırır).

Diğer Önemli Hususlar: Bağlantılar ve Üretici Desteği

• Bağlantı Tipleri ve Boyutları: Eşanjörün mevcut boru sisteminize uyum sağlaması gerekir. Bağlantılar dişli, flanşlı, kaynak ağızlı veya hijyenik (clamp) tipte olabilir. Bağlantı çapları, akış debisine ve izin verilen akış hızlarına göre seçilmelidir. Çok küçük çaplar aşırı hıza ve basınç kaybına, çok büyük çaplar ise düşük hıza ve potansiyel kirlenmeye yol açabilir.

• Üretici Seçimi ve Teknik Destek: Güvenilir ve deneyimli bir üretici seçmek, kaliteli bir ürün almanın yanı sıra tasarım aşamasında, kurulumda ve sonrasında teknik destek, garanti ve yedek parça (özellikle contalar) temini açısından önemlidir. Üreticinin sağladığı tasarım yazılımları ve mühendislik desteği, plakalı eşanjör seçimi sürecini kolaylaştırır ve optimize eder.

Sonuç 

Doğru plakalı eşanjör seçimi, dikkatli bir analiz ve mühendislik yaklaşımı gerektiren çok adımlı bir süreçtir. Proses verilerinin eksiksiz tanımlanması, doğru eşanjör tipinin ve malzemelerinin seçilmesi, termal ve hidrolik hesaplamaların dikkatlice yapılması, sisteminizin verimli, güvenilir ve uzun ömürlü çalışmasını sağlayacaktır. Karmaşık uygulamalar veya emin olamadığınız durumlar için mutlaka bir ısı transferi uzmanından veya güvenilir bir eşanjör üreticisinden destek almanız önerilir.