Isı İstasyonlarında Eşanjör Seçiminin Önemi
Yazan: Cenk Şen, DAF Enerji Ar-Ge Müdürü
Plakalı eşanjörler kullanım sıcak suyunun hazırlanmasını doğrudan sağlayan temel ekipman olması nedeniyle ısı istasyonları içerisinde seçimi en fazla öneme sahip bileşendir. Doğru seçilmiş bir eşanjörle kazan suyu sıcaklıkları düşürülebilir. Kazan sıcaklıklarının düşürülmesi kazan verimini doğrudan arttırdığı gibi kazanla, ısı tüketiminin yapıldığı mahale kadar olan tesisatta da ısı kayıplarının düşürülmesini sağlar. Eşanjörleri daha iyi anlayabilmek için bazı parametrelerin yakından incelenmesinde fayda olacaktır.
- Isı kapasitesi, eşanjör üzerinden transfer edilmesi gereken ısı enerjisi miktarı
- Primer ve sekonder devre giriş, çıkışındaki sıcaklıklar
- Primer ve sekonder devre debileri
- Primer ve sekonder devre basınç kayıpları
Eğer her hangi bir tarafın debi ve sıcaklık farklarını biliyorsak ısı kapasitesini aşağıdaki formülü kullanarak rahatlıkla hesaplayabiliriz.
Q = m x c x ΔT
Q: Isı kapasitesi
m: Kütlesel debi
c: Özgül ısınma ısısı
ΔT: Eşanjörün bir tarafındaki giriş ve çıkış sıcaklıkları arasındaki fark (T2 - T1)
Plakalı ve karşı akışlı bir eşanjörün içerisindeki akış aşağıdaki şekildeki gibi olur,
Bu koşullardaki sıcaklık dağılımı ise aşağıda gösterilmiştir.
Burada sıcak olan akışkan enerjisini bırakarak soğurken onun karşı yönünde akan soğuk akışkan bu enerjiyi alarak ısınır. Eğer sıcaklıkları tanımlayacak olursak,
T1: Sıcak akışkanın giriş sıcaklığı (Kazan Giriş)
T2: Sıcak akışkanın çıkış sıcaklığı (Kazan Dönüş)
T3: Soğuk akışkanın giriş sıcaklığı (Soğuk Su Giriş)
T4: Soğuk akışkanın çıkış sıcaklığı (Kullanım sıcak suyu çıkış) olacaktır.
Bu değerler kullanılarak, LMTD (ortalama logaritmik sıcaklık farkı) hesaplanabilir.
Isı istasyonları için örnek bir hesaplama yapmak gerekirse,
Kazan giriş sıcaklığı (T1) = 80 °C
Kazan Dönüş Sıcaklığı (T2) = 23,57 °C
Soğuk su giriş sıcaklığı (T3) = 10 °C
Sıcak su çıkış sıcaklığı (T4) = 50 °C olduğunu düşünelim.
Sonraki adımda bu değer kullanılarak termal uzunluk hesaplanır. Termal uzunluk bir eşanjörün yapabileceği işin ısı transferi bakımından zorluk derecesi olarak nitelenebilir. Primer ve sekonder taraflar için ayrı ayrı aşağıdaki formüle göre hesaplanır ve birimsiz bir büyüklüktür.
Ø: Termal uzunluk
δt: Eşanjörün primer veya sekonder tarafı için sıcaklık farkı
LMTD: Ortalama logaritmik sıcaklık farkı
Yukarıda daha önce hesapladığımızı LMTD değerine göre örnek hesaplamaları yaparsak,
Primer taraf için,
Sekonder taraf için,
Kullanım sıcak suyu giriş - çıkış ( T3 - T4) sıcaklıkları ve kazan giriş sıcaklığı (T1) sabit tutularak yapılan eşanjör seçimlerinde, yani yalnızca eşanjör boyu, plaka sayısı vs. gibi eşanjörün yapısal paramtrelerin değiştirilmesi halinde termal uzunluklarda değişimler gözlenir. Burada en büyük termal uzunluğa sahip olan eşanjör tercih edilmelidir.
İhtiyaç Duyulan Kullanım Sıcak Suyu Neye Göre Belirlenir?
Kullanım sıcak suyu ihtiyacının karşılanması belli temel prensiplere dayanmaktadır. Bu sistemleri tasarlayan bir mühendis, sıcak suyun kullanım noktasında ihtiyaç olan sıcaklıkta ve gecikme olmadan sağlamalıdır. Sıcak su hijyeni %100 olarak sağlanmalıdır ve tesisat ve ekipmanlar emniyetli olmalıdır. Ayrıca günümüzün vazgeçilmezi olarak işletme maliyetleri düşük, enerji verimliliği yüksek ve çevre dostu olmalıdır. Isı istasyonu ve eşanjör seçimlerinde ilk olarak daire içerisinde ihtiyacımız olan kullanım sıcak suyu miktarı (KSS) esas alınmalıdır. Konutta kullanılacak suyun sıcaklığıyla ilgili süren pek çok tartışma vardır. Lejyonella bakterisinin çoğalma sıcaklıkları ile KSS tüketim sıcaklıklarının birbiriyle uyumluluk gösterir. Lejyonella bakterisine karşı mücadele için yüksek sıcaklıklara ulaşılması gereklidir. Ancak bunun da ciltte yanıklara neden olması olasıdır. WHO (Dünya Sağlık Örgütü) son tüketim noktalarında kullanım sıcak suyu için 50°C sıcaklığını önermektedir. Pek çok projede ihtiyacımızı karşılayacak KSS ihtiyaçları için aşağıdaki tablolarda kapasite ve debi değerleri 50°C’ye göre verilmiştir. KSS kapasiteleri bu tablolara göre belirlenebilir.
İhtiyacımız olan kullanım sıcak suyu kapasitesi belirlendikten sonra sıra ısı istasyonu içinde kullanılacak eşanjör seçimine gelir. Seçim yapılırken yaygın olarak yapılan yanlışlardan bir tanesi KSS kapasitesini eşanjör seçimi için yeterli görmektir. Bir başka deyişle eşanjör seçimlerinde primer (kazan gidiş - dönüş) sıcaklıkları ve primer debi (kazandan gelen su miktarı) miktarını göz ardı etmek doğru değildir. Örneğin yaptığımız çalışma sonucunda 50 kW’lık bir KSS ihtiyacımızın olduğunu saptamış olalım. 80 °C kazan giriş sıcaklığında 50 kW’lık ihtiyacımıza cevap verebilecek boyutlardaki bir eşanjörün, özellikle yaz aylarında kazan giriş sıcaklığı 65 °C’ye düştüğünde de, aynı 50 kW’lık kapasite için yeterli olması gerekir. Ayrıca KSS hazırladığı sırada gerek borularda oluşan ısı kayıplarının azaltılması, gerekse yoğuşmalı kazanlarda yoğuşma enerjisinden maksimum faydanın sağlanması için dönüş suyu sıcaklıkları 25 °C’nin üzerine çıkmamalıdır. Bu koşulları iki farklı eşanjör için kısaca hesaplayacak olursak, aşağıdaki örneklerin her ikisinde de 18 l/dk debide, 10 °C kullanım suyunu 50 °C’ye ısıtacak 50 kW kapasite değeriyle adlandırılan ısı istasyonları kullanılmıştır. Ancak bu örneklerin birinde düşük dönüş suyu sıcaklıkları sağlayabilen bir eşanjör kullanılırken, diğerinde küçük bir eşanjör kullanılmıştır.
QPrimer: Merkezi ısıtma hattının verdiği enerji (kcal)
QSekonder: Kullanım suyunun aldığı enerji (kcal)
VSS: Kullanım sıcak suyu hazırlamak için gerekli enerji besleme debisi (m3/h)
VKSS: Kullanım sıcak su debisi (m3/h)
c: Özgül ısınma ısısı
ΔTPrimer: Enerji besleme sıcaklık farkı [K]
ΔTSekonder: Kullanım sıcak suyu sıcaklık farkı [K]
Görüldüğü üzere dönüş suyu sıcaklığındaki 10 °C’lik değişiklik, debi miktarının 5,9 l/min azalmasını sağlamıştır. Bir başka deyişle uygun olmayan bir eşanjörün kullanılması, kullanım sıcak suyu hazırlanmak için kazandan çekilmesi gereken debi miktarını yüzde 40 artırmıştır.
Doğru seçilmemiş, küçük bir eşanjör nedeniyle;
- Boru çapları büyür,
- Daha büyük bir pompa ihtiyacı ortaya çıkar,
- İşletme maliyetleri artar.
