Etkili Isı İletkenliği – Isı Boruları

31 Ara 2018

Yazan: Hakan Haldun Yayla, Makine Mühendisi
Ekin Endüstriyel  Isıtma-Soğutma Tic. Ltd. Şti.
Borulu Eşanjör Bölüm Yöneticisi 
hakan.yayla@ekinendustriyel.com

Isı boruları,  süper iletkenler olarak düşünülebilir. Bu borular, ısıyı verimli bir şekilde iletmek için hem termal iletkenlik hem de faz değişimi prensibinin birleştirilmesiyle bulunmuştur. Çelik borular 52 W/(m.K), paslanmaz çelik borular 15 W/(m.K), alüminyum borular 238 W/(m.K), bakır borular 318 W/(m.K) iken, süper iletken ısı boruları 4500 W/(m.K) ila 220.000 W/(m.K) iletkenlik değerlerine çıkabilirler. Bu özel boruyu oluşturan parçalar; basınç altında bir sıvı (ve gaz), bu sıvıyı içerisinde tutan bir metal boru, borunun iç yüzeyini çevreleyen sıvı-gaz akışı kolaylaştıran gözenekli bir malzemeden oluşmaktadır. Isı boruları iki fazlıdır ve ısı kaynağından ısı emicisine ısı iletirler. Isı borusunun üç bölümü vardır; evaporatör, adyabatik ve kondenser. Evaporatör bölümü bir ısı kaynağına maruz kaldığında, içindeki sıvı buharlaşır ve bu bölümdeki basınç artar. Artırılmış basınç, buharın ısı borusunun kondenser bölümüne doğru hızlı bir şekilde akmasına neden olur. Kondenser bölümündeki buhar, prosesteki ısı emicisine ısı kaybeder ve buharlaşmanın gizli ısısının kondensere aktarılmasıyla tekrar sıvıya dönüşür. Sıvı daha sonra fitil kılcal hareketi ve dik konumda çalışması durumunda (endüstriyel tesislerde) yerçekimi hareketiyle buharlaştırıcıya geri pompalanır. Borular genel olarak dik konumda çalıştırılmaktadırlar. Isı borusunun orta bölümü, adyabatik kısımdır, yalıtım ile sıcaklık farkı bu kısımda en aza indirgendiğinden, ihmal edilebilecek kadar az ısı kaybı söz konusudur (Şekil 1).

Şekil-1

 

Isı aktarımının miktarı, ısı borusunu oluşturan malzemelere ve sıvıya bağlıdır. Bu malzemeleri seçerken oksidasyon gibi kimyasal reaksiyonlarını ve galvanik korozyonu göz önüne alarak malzeme seçimi yapmak gerekir. Bu borular maksimum 40 Bar basınç, -270°C ila 2000°C çalışma sıcaklığı arasında dizayn edilebilirler. Etkin ısı transferi için genellikle; çalışma sıvısı için su, bunun yanında çalışma sıcaklık ve şartlarına göre sodyum, aseton, metan vb. gibi sıvılar kullanılmaktadır (Tablo 1). Kullanılan metal boru malzemeleri prosese uygun alüminyum, paslanmaz ve bakır borular olabilmektedir. Boru içerisindeki gözenekli malzeme, şekillerine ve malzemelerine göre değişmektedir.

Gözenekli malzeme, borunun çalışma eksenine, sıvı ve gaz fazındaki basınç farkına, iletkenlik durumuna ve termal dayanımına göre tayin edilmektedir. Bu malzemelerin yapıları genellikle, eksenal kanallı, elek telli, ince fiber yapılı ve sinterleme şeklinde olur (Şekil 2). Örneğin; eksenal kanallı iyi iletkenliğe, yerçekimine karşı düşük akışa ve düşük termal dirence sahiptir. Sinterleme malzeme yerçekimine karşı mükemmel akışa, yüksek termal dirence ama düşük iletkenliğe sahiptir.

Şekil-2

 

Termal olarak sistemin çalışma koşulları, proses taleplerine bağlı olarak faz değişimini kolaylaştırmak üzere de ayarlanabilir. Tablo 2, üç farklı ısı borusu tipi için (çalışma sıvısı, gözenekli yapı ve boru malzemelerine göre) çalışma sıcaklığı ve ısı transferi için deneysel verileri göstermektedir.

Daha gerçekçi bir yaklaşım ile bir bakır-su ısı borusunu ve bir bakır boruyu 95 °C’lik bir su banyosuna batırılmış şekilde göstermektedir. Her iki boru başlangıçta 20°C sıcaklıktadır. Bakır boru 200 saniye sonra sadece 30 °C’ye ulaşırken, ısı borusu sıcaklığı yaklaşık 25 saniyede su sıcaklığına ulaşır (Şekil 3).   

Şekil-3

 

Isı boruları yüksek maliyetli oldukları için genellikle proses kullanım yerlerine göre dar mesafede yüksek verim, ağırlıkça hafiflik istenmesi durumunda tercih edilir. (Şekil 4) Isı boruları; bilgisayarlarda soğutma amaçlı (anakartlar vb.), uzay araçları, plastik enjeksiyon kalıplama cihazları, tıbbi cihazlar, aydınlatma sistemleri, endüstriyel bacalarda geri kazanım sistemleri, buhar jeneratörleri, hava ısıtmaları, gıda prosesleri gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır.

Şekil-4