Soğutma Eşanjörü: Tanımı, Çalışma Prensibi, Çeşitleri ve Endüstriyel Uygulamaları

Soğutma Eşanjörü: Tanımı, Çalışma Prensibi, Çeşitleri ve Endüstriyel Uygulamaları

Soğutma Eşanjörü: Tanımı, Çalışma Prensibi, Çeşitleri ve Endüstriyel Uygulamaları

Soğutma eşanjörleri, iki farklı sıcaklıktaki akışkan arasında ısı transferini sağlayan endüstriyel cihazlardır​

dunyaisi.com

. Bu cihazlar, akışkanların doğrudan karışmadan ısı enerjisi alışverişi yapmasına imkan tanır. Soğutma sistemlerinin verimli çalışmasını sağlayan en önemli bileşenlerden biri olarak, enerji verimliliğini artırmada kritik bir role sahiptirler​

edso.tr

dunyaisi.com

. Doğru tasarlanmış bir ısı eşanjörü (ısı değiştirici), proseslerde enerji tüketimini azaltır ve işletme maliyetlerini düşürür. Ayrıca endüstriyel uygulamalarda istenilen sıcaklık kontrolünü sağlamak ve ekipman ömrünü uzatmak açısından da büyük önem taşır.

Soğutma eşanjörleri günümüzde pek çok sektörde yaygın biçimde kullanılmaktadır. HVAC (ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme) sistemlerinden otomotiv motor soğutma sistemlerine, gıda proseslerinden enerji santrallerine kadar geniş bir kullanım alanı vardır. Örneğin, bir klima sisteminde evaporatör ve kondansatör olarak görev yaparak ortamın soğutulmasını sağlarken, bir otomobil radyatöründe motorun ürettiği ısıyı atmosfere aktararak motorun uygun sıcaklıkta kalmasına yardımcı olur. Kısacası, soğutma eşanjörü teknolojisi, endüstride verimli ısı yönetimi için vazgeçilmez bir unsurdur.

Aşağıda, soğutma eşanjörlerinin çalışma prensiplerini, tiplerini, farklı endüstrilerdeki uygulamalarını ve tasarım ile bakım konularını detaylarıyla ele alacağız. Ayrıca enerji verimliliğini artırma yöntemlerine ve sektördeki yenilikçi trendlere değinerek, soğutma eşanjörlerinin gelecekteki potansiyeline dair bir perspektif sunacağız.

Soğutma Eşanjörlerinin Çalışma Prensibi

Soğutma eşanjörlerinin çalışma prensibi, temel ısı transferi mekanizmalarına dayanır. İki akışkan arasında ısı geçişi sağlanırken akışkanlar fiziksel olarak karışmaz; ısı, genellikle metal gibi yüksek ısıl iletkenliğe sahip bir ayırıcı yüzey üzerinden aktarılır​

edso.tr

. Bu süreçte ısı, sıcak akışkandan soğuk akışkana doğru akar ve böylece sıcak olan akışkan soğurken, soğuk olan akışkan ısınır. Soğutma eşanjörlerinin etkin çalışması için ısı transfer mekanizmalarının ve akış özelliklerinin iyi anlaşılması gerekir. Ayrıca, ısı transferini maksimize etmek ve enerji verimliliğini artırmak için çeşitli tasarım stratejileri uygulanır. Bu bölümde ısı transferinin nasıl gerçekleştiğine, akışkan tiplerinin rolüne ve verimlilik artırma yöntemlerine odaklanacağız.

Isı Transfer Mekanizmaları

Isı eşanjörlerinde ısı transferi üç temel mekanizma ile gerçekleşir: iletim (konduksiyon), taşınım (konveksiyon) ve daha nadiren ışıma (radyasyon). Bir soğutma eşanjöründe bu mekanizmaların rolleri şöyle özetlenebilir:

• İletim (Konduksiyon): Isının katı bir duvar veya yüzey boyunca moleküler enerji iletimiyle taşınmasıdır. Eşanjörde, sıcak ve soğuk akışkanı ayıran metal duvar (örneğin tüp duvarı veya plakalar) boyunca ısı iletim yoluyla geçer. Yüksek ısıl iletkenliğe sahip malzemeden yapılmış bu duvar, ısının etkin iletimini sağlar. Isı, sıcak taraftan duvarın içine iletilir ve diğer yüzeyden soğuk tarafa aktarılır​
  vaia.com
  .
• Taşınım (Konveksiyon): Isının akışkan hareketiyle taşınmasıdır. Eşanjör içindeki her iki akışkan da kendi tarafında konveksiyon yoluyla ısı alır veya verir. Sıcak akışkan, ısısını duvar yüzeyine konveksiyonla iletir; soğuk akışkan ise duvar yüzeyinden ısıyı konveksiyonla alır. Çoğu soğutma eşanjöründe akışkanlar pompaj veya fan desteği ile hareket ettirildiğinden, zorlanmış taşınım (forced convection) gerçekleşir. Bu sayede ısı transfer katsayısı yükselir ve ısı geçişi hızlanır. Doğal taşınım, yoğunluk farklarıyla kendi kendine olan akış anlamına gelir ve bazı durumlarda (örneğin termosifonlu sistemlerde) katkı sağlasa da çoğu endüstriyel eşanjörde etkisi sınırlıdır​
  vaia.com
  .
• Işıma (Radyasyon): Isının elektromanyetik dalgalarla taşınımıdır. Soğutma eşanjörlerinde tipik olarak iletim ve taşınım baskın olduğu için radyasyonun etkisi oldukça düşüktür ve çoğu tasarımda ihmal edilir​
  vaia.com
  . Ancak çok yüksek sıcaklıklı uygulamalarda (örneğin bazı fırın veya kazan sistemlerinde) radyasyonla ısı transferi de bir miktar rol oynayabilir.

Özetle, bir soğutma eşanjöründe sıcak akışkandan soğuk akışkana ısı transferi, esas olarak duvar üzerinden iletim ve akışkan yüzeylerindeki taşınım yoluyla gerçekleşir. Bu mekanizmaların verimli işlemesi için akışkanların akış rejimi, hızları ve eşanjör yüzeyinin özellikleri kritik önemdedir. Örneğin, türbülanslı akış rejimi genellikle ısı transferini artırırken, laminer akışta ısı iletimi daha sınırlıdır.

Akışkan Türleri

Soğutma eşanjörlerinde kullanılan akışkanlar, sistemin amacına göre değişebilir ve her bir akışkan türü ısı transferi davranışını etkiler. Genel olarak akışkanlar sıvı, gaz veya iki fazlı akışkan (örneğin kısmen sıvı-kısmen buhar) şeklinde olabilir. Akışkan türlerinin ısı transferine etkileri ve tipik kullanım alanları şu şekilde özetlenebilir:

• Sıvı Akışkanlar: Su, yağ, glikol çözeltileri veya proses sıvıları gibi sıvılar soğutma eşanjörlerinde yaygınca kullanılır. Sıvıların ısıl kapasiteleri genelde yüksektir ve konveksiyonla ısı taşıma kabiliyetleri iyidir. Örneğin, su tabanlı soğutma sistemlerinde (kule suyu, chiller sirkülasyon hattı vb.) suyun hem yüksek özgül ısı kapasitesi hem de kolay temin edilebilirliği avantaj sağlar. Yağ bazlı akışkanlar ise yüksek sıcaklıklarda veya suyun kullanılmasının sakıncalı olduğu durumlarda (örn. hidrolik yağ soğutma, trafo yağı soğutma) tercih edilir. Sıvı akışkanlar, genellikle gazlara kıyasla daha yüksek ısı transfer katsayılarına ulaşır, bu da aynı koşullarda daha verimli ısı geçişi demektir.
• Gaz Akışkanlar: Hava, buhar veya duman gazları gibi gazlar da eşanjörlerde akışkan olarak görev yapabilir. Örneğin hava, hava-soğutmalı eşanjörlerde (radyatörler, kuru soğutucular) soğutma ortamıdır; buhar ise kondensörlerde soğutulup yoğuşturulan akışkan olabilir. Gazların yoğunluk ve ısıl kapasiteleri düşüktür, bu nedenle aynı ısıyı taşımak için daha büyük hacimsel akış veya daha geniş ısı transfer yüzeyi gerekebilir. Özellikle hava ile soğutma yapan eşanjörlerde (örneğin otomotiv radyatörleri veya endüstriyel hava soğutucular) kanatçıklar (finler)kullanılarak yüzey alanı artırılır ve hava tarafındaki ısı transferi iyileştirilir. Ayrıca, gaz akışkanların ısı transfer katsayısı düşük olduğundan, onları etkin kullanmak için akışın türbülanslı olması önemlidir.
• İki Fazlı Akışkanlar: Bazı soğutma sistemlerinde akışkanlar faz değiştirerek ısı alır veya verir. Örneğin, buzdolabı ve klima gibi çevrimlerde soğutucu akışkanlar evaporatörde sıvıdan buhara geçerken çevreden ısı emer, kondansörde ise buhardan sıvıya dönerken ısıyı dış ortama atar. Benzer şekilde, enerji santrallerinde buhar kondansatörlerinde buhar -> sıvı dönüşümüyle ısı atılır. Faz değiştiren akışkanlar ısı transferinde latent (gizli) ısıyı kullandıkları için çok etkin bir ısı taşıma sağlarlar; nispeten küçük sıcaklık farklarıyla büyük miktarda ısı transferi mümkün olur. Ancak bu sistemlerin tasarımı daha karmaşık olup, doğru basınç ve sıcaklık koşullarının sağlanmasını ve genellikle daha özel eşanjör tasarımlarını gerektirir.
• Aşındırıcı ve Kirli Akışkanlar: Bazı endüstriyel proseslerde akışkanlar kimyasal olarak korozif (örneğin asitler, deniz suyu) veya içinde partikül barındıran kirli akışkanlar olabilir. Bu durumlarda eşanjörde kullanılan malzeme ve tasarım büyük önem kazanır. Örneğin deniz suyu ile soğutma yapılan eşanjörlerde, korozyona dayanıklı titanyumveya özel alaşımlı malzemeler tercih edilir​
  ucgenenerji.com.tr
  . Partiküllü akışkanlar için ise kanalların geniş tutulduğu geniş aralıklı plakalı eşanjörler ya da tıkanmaya karşı daha toleranslı spiral eşanjörler kullanılabilir. Akışkan özellikleri (viskozite, termal iletkenlik, özgül ısı gibi) ısı transferini doğrudan etkilediğinden, tasarım aşamasında bu özellikler dikkate alınarak uygun tip ve boyutlandırma yapılmalıdır.

Verimlilik Artırma Yöntemleri

Soğutma eşanjörlerinde ısı transfer verimliliğini artırmak, hem daha kompakt bir tasarım elde etmek hem de enerji tasarrufu sağlamak açısından kritik bir hedeftir. Eşanjör performansını maksimize etmek için çeşitli mühendislik yöntemleri ve tasarım iyileştirmeleri uygulanır. Teknik profesyonellerin sıkça başvurduğu verimlilik artırma yöntemlerinden bazıları şunlardır:

• Zıt Akış Düzenlemesi: Akışkanların eşanjör içinde birbirine ters yönde akması (karşı akış, İng. counter-flow) genellikle en yüksek ısı transfer verimliliğini sağlar. Zıt akışta, sıcaklık farkı eşanjör boyunca daha dengeli korunur ve böylece daha yüksek ortalama sürücü sıcaklık farkı (LMTD) elde edilir. Bu durum, aynı şartlarda paralel akışa göre daha fazla ısı transferine imkan tanır. Eşanjör tasarımında mümkünse karşı akış düzeni tercih etmek verimli sonuçlar verir.
• Yüzey Alanını Artırma (Kanatçık/Finner): Özellikle gaz-soğutmalı taraflarda, ısı transfer yüzeyine ince metal kanatçıkların eklenmesi ısı geçişini büyük ölçüde artırır. Kanatlı boru veya finli yüzey tasarımlarıyla, akışkanın temas ettiği alan büyütülerek daha fazla ısının aynı zamanda transferi sağlanır. Örneğin otomotiv radyatörlerinde ve HVAC evaparatör/kondansör serpantinlerinde bakır borular üzerinde alüminyum kanatlar kullanılarak hava ile temas yüzeyi genişletilir. Bu sayede, hava tarafının düşük ısı transfer katsayısı dengelenir ve toplam ısı geçirgenlik katsayısı yükselir.
• Türbülans Oluşturma: Akışkanın eşanjör içindeki akış rejimini kontrol etmek de verimliliğe etki eder. Genellikle türbülanslı akış, laminer akışa göre daha yüksek ısı transfer katsayısı sağlar. Eşanjör tasarımcıları, akışkan geçiş yollarına perde (baffle) yerleştirmek, boru veya kanal yüzeylerine girinti/çıkıntı (yiv, spiral, vs.) eklemek veya statik karıştırıcılar kullanmak gibi yöntemlerle akışta türbülans yaratırlar. Örneğin kabuk ve borulu eşanjörlerde kabuk içindeki akışı boru demeti etrafında saptıran baffle plakaları kullanılır; bu hem akış yolunu uzatarak ısı transfer süresini artırır hem de akışa karışıklık katarak ısı transferini iyileştirir. Benzer şekilde, boru içindeki akışta swirl (girdap) oluşturacak ek parçalar da kullanılabilir.
• Çok Geçişli ve Modüler Tasarımlar: Bazı durumlarda istenen ısıtma/soğutma hedeflerine tek bir geçişte ulaşılamaz. Bu durumda akışkanlar eşanjör içinde birden fazla kez yönlendirilir (çok geçişli dizayn) veya birden fazla eşanjör ardışık bağlanarak kademeli ısı transferi sağlanır. Çok geçişli eşanjörlerde akışkan bir plakalı eşanjörde zikzaklar çizerek veya bir kabuk-borulu eşanjörde tüpler içinde birkaç kez gidip gelerek daha uzun bir yol kat eder. Bu, ısı aktarımı için daha fazla fırsat demektir. Modüler olarak birkaç eşanjörün seri/paralel kullanımı da toplam kapasiteyi artırmada ve kontrol edilebilirlikte esneklik sağlar.
• Isı Transferini İyileştiren Malzemeler ve Kaplamalar: Eşanjör yüzeylerini özel malzemelerle kaplamak ya da yüksek iletkenlikli malzemeler kullanmak da verimliliğe katkı sağlar. Örneğin bakır, ısı transferi açısından çok avantajlı bir malzemedir; bu nedenle bazı kritik uygulamalarda (küçük boyutlu elektronik soğutucular, özel ısı değiştiriciler) yüksek ısıl iletkenliğe sahip malzemeler tercih edilir. Ayrıca, gelişmiş nano-kaplamalar ile yüzeylerdeki ıslanmaya bağlı ısı transferi geliştirilebilir veya kireç tutmayı önleyerek ısı iletim direncinin zamanla artması engellenebilir.
• Optimum Akış Hızı ve Basınç Düşümü Dengesi: Eşanjör verimliliğini artırırken pompaj/fan gücü gibi hidrolik kayıpları da göz önünde bulundurmak gerekir. Çok yüksek akış hızları türbülansı artırıp ısı transferini iyileştirirken, aynı zamanda basınç düşümünü de yükseltir ve enerji tüketimini artırır. Bu nedenle, tasarımda optimum bir akış hızı seçilir. Mühendislik hesapları ile belirlenen bu nokta, ısı transferi ile akış sürtünmesi arasındaki dengeyi sağlar. Örneğin, boru çapı, plaka kanalı genişliği gibi parametreler seçilirken hem ısı transfer katsayısı hem de pompa gücü ihtiyacı birlikte değerlendirilir.

Yukarıdaki yöntemlerin uygun kombinasyonu, soğutma eşanjörünün performansını önemli ölçüde artırabilir. Bir tasarım mühendisi, belirli bir uygulama için eşanjörü boyutlandırırken bu faktörlerin tamamını dikkate alır. Sonuçta amaç, minimum malzeme ve enerji ile maksimum ısı transferini gerçekleştirebilen, verimli ve ekonomik bir eşanjör tasarlamaktır.

Soğutma Eşanjörlerinin Çeşitleri

Uygulama alanlarına ve tasarım gereksinimlerine bağlı olarak çeşitli tipte soğutma eşanjörleri geliştirilmiştir. Her bir eşanjör tipi, kendine özgü bir yapıya ve avantajlara sahip olup belirli kullanım senaryolarında öne çıkar. Teknik profesyonellerin en sık karşılaştığı soğutma eşanjörü çeşitleri arasında plakalı, borulu, spiral ve kabuk-borulueşanjörler bulunur. Bu bölümde, her bir eşanjör tipinin yapısal özelliklerini, çalışma prensiplerini, avantajlarını ve dezavantajlarını ele alacak; ayrıca birbirleriyle karşılaştırmasını yapacağız.

Plakalı Eşanjörler

Plakalı eşanjörler, bir dizi ince metal plakanın üst üste dizilmesiyle oluşturulan ve akışkanları bu plakalar arasındaki kanallarda dolaştıran kompakt ısı değiştiricilerdir. Her bir plaka, yüzeyinde özel şekillendirilmiş kanallar veya girintiler barındırır; bu sayede plakalar bir araya geldiğinde aralarında akışkanın geçeceği ince boşluklar oluşur. Sıcak ve soğuk akışkanlar ardışık plaka aralıklarına yönlendirilerek birbirine karışmadan ısı alışverişi yaparlar​

edso.tr

.

Plakalı eşanjörlerin başlıca özellikleri ve avantajları şunlardır:

• Yüksek Isı Transfer Verimliliği: Plakaların yüzeyi genellikle dalgalı veya gofrajlı bir yapıya sahiptir ve bu da akışkan geçişi sırasında türbülans yaratarak ısı transfer katsayısını yükseltir. Ayrıca plaka kalınlığı düşük olduğundan ısı, iki akışkan arasında çok kısa mesafede iletilir. Sonuç olarak plakalı eşanjörler, birim hacimde çok yüksek ısı transfer performansı sunar. Tipik olarak aynı kapasite için plakalı eşanjörler, kabuk-borulu eşanjörlere göre daha küçük boyutlu olabilir.
• Kompakt Tasarım ve Esneklik: Plakalı eşanjörler kompakt bir yapıya sahiptir ve sınırlı alanlarda dahi yüksek kapasite sağlayabilir. Modüler yapıları sayesinde plakaların sayısı artırılıp azaltılarak kapasite değişimi mümkündür. Örneğin, ileride ihtiyaç artarsa ilave plakalar ekleyerek ısı transfer alanını büyütmek mümkündür. Bu esneklik, sistem tasarımında avantaj sağlar.
• Kolay Bakım ve Temizlik: Contalı plakalı tiplerde, eşanjör gövdesi açılarak plakalar kolayca çıkarılabilir ve temizlenebilir. Bu da bakım süreçlerini hızlandırır. Gıda ve ilaç endüstrisi gibi hijyenik ortamlarda temizlik kolaylığı önemli bir avantajdır. Plakalar gerektiğinde tek tek değiştirilebilir, bu sayede bakım maliyeti de düşüktür.
• Sızdırmazlık ve Malzeme Çeşitliliği: Plakalı eşanjörlerde akışkanları ayıran plakalar arasında genellikle elastomer contalar bulunur. Doğru seçilmiş conta malzemesi ile akışkanların karışması önlenir ve sızdırmazlık sağlanır. Ayrıca plakalar paslanmaz çelik, titanium, nikel alaşımları gibi çeşitli malzemelerden üretilebilir; bu sayede aşındırıcı veya yüksek sıcaklıktaki akışkanlara uygun malzeme seçimi yapılabilir.

Plakalı eşanjörler özellikle HVAC sistemleri, gıda ve içecek sektörü gibi alanlarda yaygın kullanılır​

dunyaisi.com

. Örneğin, süt pastörizasyonunda çiğ sütü hızla ısıtmak ve ardından soğutmak için plakalı eşanjörler kullanılır; hem verimli ısı transferi sağlarlar hem de kolay temizlendikleri için hijyen koşullarına uygundurlar. Benzer şekilde, binalarda ısı geri kazanım ünitelerinde veya merkezi soğutma sistemlerinde farklı devreler arasında ısı transferi için de plakalı tipler tercih edilir.

Plakalı eşanjörlerin dezavantajları arasında, contalı modellerde conta malzemesinin sıcaklık ve kimyasallara dayanım sınırları sayılabilir. Çok yüksek sıcaklıklarda contalar ömrünü yitirebildiğinden, bu durumlar için kaynaklı veya lehimli plakalı eşanjörler geliştirilmiştir. Ayrıca, viskoz veya içinde partikül bulunan akışkanlarda dar kanal aralıkları tıkanma yapabilir; bu gibi durumlarda geniş aralıklı özel plaka tasarımları veya farklı tip eşanjörler (örneğin spiral) daha uygun olabilir.

Borulu Eşanjörler

Borulu eşanjörler, adından da anlaşılacağı üzere ısı transfer yüzeyi olarak boruların kullanıldığı eşanjör tiplerini ifade eder. Basit bir borulu eşanjör tasarımı, çift borulu eşanjör olarak bilinir: burada bir boru diğerinin içinde yer alır ve bir akışkan iç borudan, diğeri aradaki halkasal boşluktan geçerek ısı alışverişi yapar​

dunyaisi.com

. Borulu eşanjör kavramı geniş bir yelpazeyi kapsar; endüstride farklı şekillerde boru kullanılan birçok ısı değiştirici bu kategoriye girer. Bazı örnekler: serpantin borulu ısı değiştiriciler, finli boru demetleri, U-borulu eşanjörler ve benzeri.

Borulu eşanjörlerin temel özellikleri şunlardır:

• Yapı ve Dayanıklılık: Borulu tasarımlar basınca karşı oldukça dayanıklıdır, çünkü silindirik boru geometrisi yüksek iç basınçlara mukavemet gösterebilir. Bu nedenle çok yüksek basınç altında çalışan sistemlerde borulu eşanjörler tercih edilir. Örneğin, hidrolik yağ soğutucuları veya yüksek basınçlı kazan suyu ısıtıcıları genellikle boru tipi eşanjörlerdir. Ayrıca malzeme kalınlığı ve boru çapı kolaylıkla proses ihtiyacına göre ayarlanabilir.
• Esnek Tasarım: Borular, farklı şekillerde düzenlenerek değişik tasarımlar elde edilebilir. Çift borulu eşanjörler küçük kapasiteler için basit ve ucuz bir çözüm sunar; birkaç borunun paralel bağlandığı demet yapılar orta ölçekli uygulamalarda kullanılır; boruların üzerine kanatçıklar eklenerek hava soğutmalı radyatör tipleri oluşturulur vs. Bu esneklik sayesinde borulu eşanjörler küçük laboratuvar uygulamalarından büyük endüstriyel tesislere kadar geniş bir yelpazede kullanılabilir​
  dunyaisi.com
  .
• Bakım Kolaylığı: Borulu eşanjörlerin bazı tiplerinde (örneğin U-borulu ya da çift borulu) tasarım nispeten basittir ve tıkanıklık durumunda borular mekanik olarak fırçalanarak temizlenebilir. Çift borulu eşanjörde dış boru ve iç boru ayrılıp temizlenebilir. Ayrıca arıza durumunda tek bir borunun değişimi, özellikle kabuk-borulu tiplerle kıyaslandığında daha kolay olabilir (kabuk-borulu eşanjörler de aslında çoklu borulu bir tasarımdır, fakat ayrı bir kategoride incelenecektir).
• Yüksek Sıcaklık ve Faz Değişimi: Borulu eşanjörler, buharlaştırıcı veya yoğuşturucu gibi faz değişiminin gerçekleştiği uygulamalarda da kullanılabilir. Örneğin, birçok evaporatör tasarımı, içinde soğutucu akışkanın buharlaştığı boru demetlerinden oluşur. Boruların içinde sıvı buharlaşırken etrafındaki ikinci akışkan ısı verir veya alır. Bu süreçte boru duvarı hem basıncı tutar hem de ısı transferini sağlar.

Borulu eşanjörler genellikle büyük endüstriyel tesislerde ve yüksek kapasite gereken yerlerde tercih edilir​

edso.tr

. Küçük sistemlerde ise yer ve maliyet avantajı nedeniyle plaka tipleri öne çıkabilirken, borulu tipler sağlamlık gerektiren ağır hizmet uygulamalarında üstündür. Örneğin, kimya tesislerinde içinden kimyasal reaksiyon akışkanlarının geçtiği borulu reaktör soğutucuları veya atık ısı kazanımında kullanılan boru demetli ekonomizerler bu kategoridedir.

Borulu eşanjörlerin bir alt grubu olan kanatlı borulu eşanjörler, özellikle hava soğutmalı uygulamalarda karşımıza çıkar. Bu tasarımlarda boruların dış yüzeyine dairesel veya spiral şekilde metal kanatlar (finler) eklenerek hava ile temas yüzeyi büyütülür. Radyatörler, after-cooler (son soğutucu) ve intercooler (ara soğutucu) gibi otomotiv ve makine uygulamalarında bu tip finli borulu eşanjörler kullanılır. Örneğin bir otomobil radyatörü, içinde su-glikol karışımı dolaşan ince borular ve bu boruları saran çok sayıda ince kanattan oluşur; hareket halindeki veya fanla üflenen hava sayesinde motor sıcak suyu soğutulur​

tr.wikipedia.org

.

Borulu eşanjörlerin dezavantajları arasında, plakalı eşanjörlere kıyasla daha büyük hacim kaplamaları ve imalat aşamasında daha fazla metal kullanımı sayılabilir. Ayrıca karmaşık akış düzenleri elde etmek için boru sayısı arttıkça tasarım ve imalat zorlaşır. Yine de, doğru uygulamada borulu eşanjörler uzun ömürleri ve güvenilirlikleri ile tercih edilen çözümlerdir.

Spiral Eşanjörler

Spiral eşanjörler, iki metal sacın spiral şeklinde sarılmasıyla oluşturulan, kompakt ve tıkanmaya karşı dirençli ısı değiştiricilerdir. Bu tasarımda iki uzun düz metal plaka, ortadaki bir merkezi çekirdek etrafında sarılır ve plakalar arasında spiral şeklinde iki akış kanalı meydana gelir. Bir akışkan spiral kanalın birinden merkeze doğru ilerlerken, diğer akışkan karşı kanaldan merkezden dışa doğru hareket eder. Plakalar genellikle uç noktalarından birbirine kaynaklanarak kanalların sızdırmazlığı sağlanır ve tüm yapı silindirik bir gövde içine alınır.

Spiral eşanjörlerin öne çıkan özellikleri şunlardır:

• Yüksek Isı Transferi ve Türbülans: Spiral kanallar boyunca akışkanlar sürekli yön değiştirerek ilerler. Bu geometrik yapı, akışa doğal bir türbülans kazandırır ve sınır tabakasının gelişmesini engeller. Böylece ısı transfer katsayıları yükselir. Spiral eşanjörler, benzer yüzey alanına sahip diğer tiplerle karşılaştırıldığında oldukça verimli olabilir. Kanallardaki akış uzun bir yol kat ettiği için iki akışkan arasındaki ısı alışverişi maksimum düzeyde gerçekleşir.
• Tıkanmaya Karşı Dayanım: Spiral eşanjörlerin bir avantajı da kendi kendini temizleme özelliği olarak anılır. Kanallar tek geçişli ve genişçe olduğundan, akışkan içinde partikül veya tortu olsa bile eşanjör içinde keskin dönüşler veya ölü bölgeler olmadığından birikme eğilimi azalır. Akışkanın spiral yoldaki merkezkaç etkisiyle, tortular merkeze doğru sürüklenerek bir noktada toplanabilir ve buradan temizlenebilir. Bu tasarım, yüksek viskoziteli veya katı parçacık içeren akışkanların olduğu uygulamalarda (örneğin çamurlu akışkanlar, atık su ısı geri kazanımı) tıkanma riskini düşürür​
  dunyaisi.com
  .
• Kompakt ve Sağlam Yapı: Spiral eşanjörler silindirik ve kompakt bir gövdeye sahiptir. Plakaların kaynaklı yapısı sayesinde contaya ihtiyaç olmadan sızdırmazlık elde edilir. Bu, onları yüksek basınç ve sıcaklıklara karşı da dayanıklı kılar. Spiral yapı titreşim ve termal genleşme konusunda da avantaj sağlayabilir; çünkü spiral kanallar termal gerilmeleri daha homojen dağıtabilir.
• Çoklu Akışkan ve Faz Değişimi: Spiral eşanjörler tipik olarak iki akışkan için tasarlanır, ancak bazı özel uygulamalarda birden fazla spiral kanal ile çok akışkanlı tasarımlar mümkündür. Ayrıca, spiral eşanjörlerde de faz değişimi (yoğuşma veya buharlaşma) gerçekleştirilebilir. Örneğin, yoğun viskoziteli bir sıvının bir tarafta akarken, diğer tarafta bir gazın yoğuşması söz konusu olabilir.

Spiral eşanjörler özellikle viskoz sıvılar, çamurlu akışkanlar veya lif/pul içeren akışkanlar için idealdir​

dunyaisi.com

. Kimya ve petrokimya endüstrisinde, örneğin atık asitlerin ısı geri kazanımında veya selüloz-kağıt endüstrisinde siyah likör gibi akışkanların ısıtılıp soğutulmasında kullanımı yaygındır. Yüksek tıkanma riski taşıyan proseslerde spiral tasarım, işletme güvenilirliğini artırır ve bakım aralıklarını uzatır.

Spiral eşanjörlerin dezavantajları arasında, imalatının özel teçhizat gerektirmesi ve diğer tipler kadar yaygın olmaması sayılabilir. Dolayısıyla ilk yatırım maliyeti nispeten yüksek olabilir ve büyük ısı transfer alanları gerektiğinde fiziksel boyutları artabilir. Ayrıca, nadir de olsa ciddi bir tıkanma olduğunda temizlenmesi plakalı kadar kolay değildir; genellikle kimyasal temizleme veya ters yıkama ile temizlik sağlanır, mekanik erişim sınırlıdır.

Kabuk ve Borulu Eşanjörler

Kabuk ve borulu eşanjörler (shell & tube), endüstride en yaygın kullanılan ısı değiştirici tiplerinden biridir ve adeta dayanıklılığın ve gücün simgesi haline gelmiştir​

dunyaisi.com

. Bu tasarımda, boru demeti adı verilen çok sayıda paralel boru bir demet halinde dizilir ve etrafı silindirik bir gövde (kabuk) ile çevrelenir. Bir akışkan boruların içinden geçerken, diğer akışkan kabuk içerisinde boru demetinin etrafında dolaşır. Boruların her iki ucu, tüp levhaları (tube sheet) denen delikli plakalarla sabitlenir ve genelde borular bu plakaya kaynatılarak sızdırmazlık sağlanır. Kabuk tarafında akışın boru demeti boyunca yönlendirilmesi için baffle (perde) plakaları kullanılır.

Kabuk ve borulu eşanjörlerin başlıca özellikleri şunlardır:

• Yüksek Basınç ve Sıcaklık Dayanımı: Bu tasarım, çok yüksek basınç ve sıcaklıklarda güvenilir şekilde çalışabilir. Borular ayrı ayrı küçük çaplı olduklarından yüksek basınca dayanır, kabuk ise basınçlı kap standartlarına göre tasarlanır. Örneğin buhar kazanlarında veya enerji santrallerinin buhar kondanserlerinde kabuk-borulu tasarım kullanılır; burada binlerce borudan oluşan demet, yüksek basınçlı buharı suyla yoğuşturarak ısı transferini gerçekleştirir. Yüksek sıcaklık farklarına maruz kalsa bile, uygun malzeme seçimiyle termal genleşme sorunları çözülebilir (örn. U-tüp konfigurasyonu ile).
• Geniş Kapasite ve Ölçeklenebilirlik: Kabuk ve borulu eşanjörler çok küçük boyutlardan devasa boyutlara kadar üretilebilir. Birkaç metre uzunluk ve çapta, içinde yüzlerce boru içeren dev ısı değiştiricileri rafinerilerde veya petrokimya tesislerinde görmek mümkündür. Bu tasarım kolay ölçeklenebilir olduğu için, istenen ısı transfer alanı boru boyu, çapı ve sayısı artırılarak elde edilebilir. Bu sayede megawattlar mertebesinde ısı transferi yapabilen cihazlar üretmek mümkündür.
• Çeşitli Konfigürasyonlar: Kabuk-borulu eşanjörlerde çok geçişli düzenler uygulanabilir. Örneğin, boru içi akışkan boru demeti içinde birden fazla geçiş yapabilir (U dönüşlerle geri döner) veya kabuk tarafı akış bir baffle düzeniyle tek ya da çok geçişli olabilir. TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) standartlarında tanımlanan farklı konfigürasyonlar (E, F, G, H, X tipi kabuklar vs. gibi) mevcuttur. Bu standartlaşma, tasarım ve imalatta kolaylık sağlar ve bakım/onarım süreçlerini de standartlaştırır.
• Bakım ve Temizleme İmkanları: Kabuk ve borulu eşanjörlerin bir avantajı da temizlenebilirliktir. Birçok kabuk-borulu tasarımda başlık kapakları açılarak boru demetine erişilebilir, bu sayede boru içleri fırçalanabilir veya kimyasal olarak temizlenebilir. Gerektiğinde tek tek borular tıkanma veya sızıntı durumunda tapa (plug) ile körlenerek sistem devre dışı kalmadan çalışmaya devam edebilir (birkaç borunun iptal edilmesi tolere edilebilir). Bu özellik, kesintisiz işletmenin önemli olduğu kimyasal proses veya enerji tesislerinde büyük avantaj sağlar.

Kabuk ve borulu eşanjörler, enerji santralleri, petrokimya tesisleri, rafineriler ve kimya endüstrisi gibi alanlarda en çok tercih edilen ısı değiştiricilerdir​

dunyaisi.com

. Örneğin bir doğalgaz işleme tesisinde, süreç gazlarını istenen sıcaklığa getirmek için bir dizi kabuk-borulu ısı değiştirici kullanılır; bu cihazlar hem gaz-akışkan hem de sıvı-akışkan kombinasyonlarında esnek çözümler sunar. Yine bir termik santralde kazan besi suyu ısıtıcıları, ekonomizerler, kondanserler hep kabuk-borulu prensipte tasarlanır, çünkü bu koşullarda güvenilirlik ve uzun ömür kritiktir.

Kabuk ve borulu eşanjörlerin dezavantajları arasında, aynı ısı yükü için plakalı eşanjöre nazaran daha büyük ve ağır olmaları sayılabilir. Ayrıca imalatlarının karmaşıklığı (yüzlerce borunun kaynaklanması, sızdırmazlık testleri vs.) nedeniyle maliyetli olabilir. Isı transfer verimliliği plakalılara göre daha düşük olabileceği için, istenen performansa ulaşmak için daha büyük bir ısı transfer alanı (daha uzun/çok boru) gerekebilir. Buna karşın, proseste yüksek güvenilirlik ihtiyacı varsa veya akışkanlar plaka tipine uygun değilse (örneğin çok yüksek basınç, çok yüksek sıcaklık, partiküllü akışkan vs.), kabuk ve borulu eşanjörler en güvenli ve tercih edilebilir seçenek olmaya devam eder.

Endüstride Kullanım Alanları

Soğutma eşanjörleri, modern endüstride enerji yönetiminin ve sıcaklık kontrolünün kritik bir parçasıdır. Farklı sektörlerde, farklı tipte eşanjörler çeşitli amaçlarla kullanılmaktadır. Bu bölümde HVAC, otomotiv, gıda, enerji ve kimya gibi başlıca sektörlerde soğutma eşanjörü uygulamalarını inceleyeceğiz. Her bir sektörde kullanılan eşanjör tipleri ve görevlerini örneklerle açıklayacağız.

HVAC (Isıtma, Havalandırma ve İklimlendirme) Uygulamaları

HVAC sektörü, binaların iklimlendirilmesi ve havalandırılması için yaygın olarak soğutma eşanjörlerinden yararlanır. Hem ısıtma hem soğutma işlemlerinde ısı eşanjörleri kritik rol oynar:

• Chiller ve Klima Sistemleri: Büyük binaların soğutulmasında kullanılan soğutma grupları (chiller'lar) ve bireysel klima cihazları, evaporatör ve kondansör adı verilen iki ana ısı eşanjörü içerir. Evaporatör eşanjörde soğutucu akışkan buharlaşarak bina içindeki suyu veya havayı soğutur. Kondansör eşanjörde ise kompresörden gelen sıcak gaz halindeki soğutucu akışkan yoğuşturularak dış ortama ısı atılır​
  edso.tr
  ​
  edso.tr
  . Bu iki eşanjör birlikte çalışarak buzdolabı çevrimine benzer bir döngüyle ortamdan ısı çekip dışarı atar. Ayrıca VRF/VRV klima sistemleri ve ısı pompalarında da benzer şekilde eşanjörler bulunmaktadır (kışın ısıtma modunda kondansör ve evaporatör rolleri yer değiştirir).
• Isı Geri Kazanım Üniteleri: Ticari ve endüstriyel binalarda havalandırma yapılırken, içeriden atılan sıcak/soğuk havanın enerjisini geri kazanmak amacıyla ısı geri kazanım eşanjörleri kullanılır. Örneğin kışın iç mekandan dışarı atılan sıcak hava ile, dışarıdan alınan soğuk taze hava plakalı bir eşanjörde karşılaştırılır ve dışarı atılan havanın ısısının bir kısmı taze havaya aktarılır. Böylece içeri giren hava ön ısıtma geçirir, enerji tasarrufu sağlanır. Aynı prensip yazın da çalışarak, atılan serin havanın soğuk enerjisini gelen sıcak havaya aktarır (ısı geri kazanımlı havalandırma cihazları).
• Merkezi Isıtma-Soğutma Sistemleri: Bölgesel veya merkezi sistemlerde, örneğin ısıtma kazanı ile dağıtılan sıcak suyu kullanım sıcak suyuna aktaran plakalı eşanjörler veya uzak bölge soğutma sistemlerinde soğuk suyu binaların devresine aktaran eşanjörler kullanılır. Bu sayede primer devre ile sekonder devre akışkanları karışmadan ısı transferi yapılır. Özellikle şehir ısıtma (district heating) veya soğutma (district cooling) şebekelerinde, her bina bağlantısında bir istasyon eşanjörü bulunur.
• Soğuk Hava Depoları ve Özel HVAC Uygulamaları: Büyük soğuk hava depolarında, gıda muhafaza tesislerinde evaporatör eşanjörleri ortam havasını soğutmak için kullanılır. Bunlar genelde fanlı ve kanatlı borulu serpantinlerdir. Havayı dolaştıran fanlar sayesinde depo içi sıcaklık homojen tutulur. Aynı zamanda nem kontrolü için de bu eşanjörlerin yüzey sıcaklıkları dikkatlice ayarlanır (yoğuşma ve buzlanma kontrolü amacıyla).

HVAC uygulamalarında genellikle plakalı eşanjörler (su-su veya su-glikol arası ısı aktarımı için) ve kanatlı borulu serpantinler (hava-sıvı ısı alışverişi için) kullanılır. Bu sektörde enerji verimliliği önemli olduğu için ısı geri kazanımı ve yüksek verimli soğutma çevrimleri konularında eşanjör teknolojisi sürekli geliştirilmektedir. Örneğin, yüksek verimli klima ünitelerinde mikrokanal (microchannel) eşanjör adı verilen, alüminyum malzemeden çok küçük kanallı ısı değiştiriciler kullanılmaya başlanmıştır; bunlar geleneksel bakır-borulu-alüminyum kanatlı serpantinlere göre daha hafif ve verimli olabilmektedir.

Otomotiv Sektörü (Taşıtlar ve Motorlar)

Otomotiv sektörü, taşıtların güç aktarma organları ve iklimlendirme sistemleri için çeşitli soğutma eşanjörlerine ihtiyaç duyar. Araçlarda kullanılan temel ısı eşanjörü örnekleri şunlardır:

• Motor Radyatörü: İçten yanmalı motorların soğutulmasında kullanılan radyatörler, tipik bir hava-soğutmalı borulu eşanjör örneğidir. Motordaki sıcak soğutma sıvısı (su + antifriz karışımı) radyatörün borularından geçerken, araç hareketiyle ya da fan yardımıyla radyatör kanatçıklarından hava geçirilir. Bu sayede motor ısısı havaya aktarılır ve soğutma sıvısı tekrar motora döndürülür​
  tr.wikipedia.org
  . Radyatörler genellikle bakır veya alüminyum borular ve yine alüminyum kanatlardan imal edilir. Hafiflik ve ısı iletkenliği dengehesiyle günümüzde çoğunlukla alüminyum tercih edilmektedir.
• Intercooler / Aftercooler: Turboşarjlı veya kompresörlü motorlarda, sıkıştırılmış havanın sıcaklığı yükselir. Bu sıcak basınçlı havayı motora göndermeden önce soğutmak verimlilik ve performans açısından faydalıdır. Intercooler adı verilen hava-hava veya hava-su tipi eşanjörler burada devreye girer. Hava-hava intercooler, turbo kompresörden çıkan sıcak havayı ortam havasıyla soğutan kanatlı bir eşanjördür (genelde aracın önünde radyatöre benzer bir ek radyatör gibi durur). Hava-su intercooler ise bir su devresi aracılığıyla bu ısıyı taşır, ki bu durumda suyu soğutmak için yine bir radyatör gerekir. Sonuç olarak, intercooler motorun daha yoğun (soğuk) hava almasını sağlayarak güç artışı ve vuruntu kontrolü sağlar.
• Yağ Soğutucular: Motor yağı, şanzıman yağı veya hidrolik yağların sıcaklığını kontrol altında tutmak için yağ soğutma eşanjörleri kullanılır. Bunlar tipik olarak su-soğutmalı küçük kabuk-borulu veya plakalı eşanjörler olabilir. Örneğin, yüksek performanslı bir otomobilde motor yağı, motordan ayrı bir küçük radyatör (hava soğutmalı yağ soğutucusu) ile soğutulabilir. Otomatik şanzımanlarda ise genellikle şanzıman yağı, radyatör içinde yer alan küçük bir su-yağ eşanjörü ile motor soğutma suyuyla soğutulur. Bu sayede yağın viskozitesi ve özellikleri optimum aralıkta tutulur, aşırı ısınma engellenir.
• Kabin Isıtıcısı (Kalorifer Radyatörü): Araç kabinlerini ısıtmak için, motordan gelen sıcak soğutma suyu küçük bir kanatlı borulu eşanjörden (kalorifer peteği) geçirilir ve bir üfleyici fan ile kabin havası bu petek üzerinden geçirilerek ısıtılır. Bu da bir çeşit ısı eşanjörüdür ve motorun atık ısısını yararlı hale getirir.
• Klima Evaporatörü ve Kondansörü: Araç klimaları, ev tipi klimalar gibi, soğutucu akışkan içeren kapalı bir döngüdür. Evaporatör, araç içinde konumlanan ve hava akımını soğutan ısı eşanjörüdür; soğutucu akışkan burada buharlaşarak kabin havasından ısı çeker. Kondansör ise genelde aracın önünde radyatör yanında bulunan, soğutucu akışkanı yoğuşturan hava soğutmalı eşanjördür. Bu iki bileşen, araç içi iklimlendirme için vazgeçilmezdir.

Otomotivde kullanılan eşanjörler kompakt, hafif ve titreşim-darbeye dayanıklı olmalıdır. Bu nedenle genelde lehimli (brazed) alüminyum teknolojisi ile üretilirler. İnce alüminyum plakalar ve mikro kanallardan oluşan son nesil radyatör/intercooler tasarımları, yüksek verimi düşük ağırlıkla birleştirmektedir. Örneğin, yarış arabalarında ve elektrikli araçlarda bile batarya termal yönetimi için minyatür eşanjörler bulunur (bataryayı soğutmak veya ısıtmak için su-soğutmalı plakalar).

Ayrıca, ağır vasıta ve iş makinelerinde çoklu soğutma paketleri vardır: Motor su radyatörü, intercooler, hidrolik yağ soğutucu, yakıt soğutucu gibi birden fazla eşanjör birbirine paralel şekilde aracın önüne yerleştirilir. Bunların tasarımında da hava akışının paylaşımı ve verimli soğutma sağlanması önemli bir mühendislik konusudur.

Gıda Endüstrisi Uygulamaları

Gıda ve içecek endüstrisinde, sıcaklık kontrolü ve ısı değişimi proses kalitesi için kritik öneme sahiptir. Ürünlerin ısıtılması, soğutulması, pastörizasyonu veya dondurulması gibi işlemlerde soğutma eşanjörleri yoğun olarak kullanılır. Bu sektörde kullanılan eşanjörlerin hijyenik tasarım kriterlerine uygun olması, temizliğinin kolay yapılabilmesi ve gıda ile temas eden yüzeylerin güvenli malzemeden olması gereklidir.

• Pastörizasyon ve Sterilizasyon: Süt, meyve suyu, bira gibi sıvı gıda ürünlerinin mikroorganizmalardan arındırılması için belirli sıcaklığa kadar ısıtılıp sonra soğutulması işlemi yapılır. Örneğin, süt pastörizasyonunda süt önce ~72°C'ye plakalı bir eşanjörde ısıtılır ve kısa bir süre tutulur, ardından hızla 4°C civarına yine eşanjörle soğutulur. Bu uygulamada plakalı eşanjörler sıklıkla kullanılır çünkü hem çok verimli ısı transferi yaparlar hem de temizlenmeleri kolaydır. Hatta çoğu pastörizasyon tesisinde, gelen soğuk süt ile pastörize sıcak süt arasında rekuperatif ısı geri kazanımı da yine aynı plakalı eşanjör içinde gerçekleştirilir (sıcak süt, soğuk sütün ön ısıtmasını sağlar). Bu, enerji tasarrufu sağlar.
• CIP (Yerinde Temizlik) Özellikli Eşanjörler: Gıda tesislerinde ekipmanlar düzenli olarak temizlenip dezenfekte edilmelidir. Plakalı eşanjörler contaları ve paslanmaz yüzeyleri sayesinde CIP temizliğine uygundur; sistemden geçen temizlik kimyasalları ile plaka yüzeylerindeki artıklar ve biyofilm tabakaları temizlenir. Borulu eşanjörlerin de CIP tasarımlı versiyonları vardır (örneğin U-borulu yerine düz geçişli borular kullanılarak temizleyici sıvıların akışı kolaylaştırılır).
• Dondurma ve Soğutma Prosesleri: Gıdaların hızlı dondurulması veya soğutulması kalite açısından önemlidir (örneğin şok dondurma). Amonyak veya karbondioksit gibi soğutucu akışkanlar kullanan endüstriyel soğutma sistemlerinde, evaporatörler genelde borulu (geniş yüzeyli) ya da çift borulu eşanjör olabilir. Örneğin dondurma makinelerinde, ürünün etrafını saran bir yüze ince buharlaştırıcı eşanjör bulunur ve bu sayede ürün hızla soğutulur.
• Isı Geri Kazanım ve Enerji Verimliliği: Gıda fabrikalarında, sıcak proses akışkanlarının ısısını geri kazanmak için eşanjörler kullanılır. Örneğin peynir altı suyu veya sıcak temizlik sularının ısısı, başka bir akışkanı ısıtmak için plakalı eşanjörde kullanılabilir. Bu, enerji maliyetlerini azaltır ve sürdürülebilir üretime katkı yapar.
• Özel Hijyenik Eşanjörler: Bazı ürünler parçacık veya viskozite içerir (örneğin meyve püreleri, soslar). Bu durumlarda borulu eşanjörler (örneğin multi-tube tasarımlar) hijyenik borularla tercih edilebilir, çünkü plakalı eşanjörler katı parça içeren akışkanlarda tıkanabilir. Bu borulu eşanjörler, gıda normlarına uygun parlatılmış iç yüzeylere sahiptir ve genelde demonte edilip temizlenebilir yapıdadır. Spiral eşanjörler de bazı gıda uygulamalarında (örneğin nişasta şurubu, melas soğutma) kullanılmaktadır; bunlar kendi kendini temizleme özelliği sayesinde fayda sağlar.

Gıda endüstrisinde kullanılan eşanjörlerin malzemesi çoğunlukla paslanmaz çeliktir (AISI 316 gibi kalite), çünkü hem korozyon direnci yüksektir hem de gıdaya uygunluk sertifikaları vardır. Ayrıca conta malzemeleri de FDA onaylı gıda uyumlu malzemelerden seçilir. Bu sektörde hijyenik dizayn standartları (EHEDG, 3A gibi) devreye girer ve eşanjör üreticileri bu standartlara uygun modeller sunarlar.

Enerji Santralleri ve Güç Üretimi

Enerji üretim tesisleri (termik santraller, nükleer santraller, yenilenebilir enerji tesisleri) büyük ölçekte ısı alışverişinin gerçekleştiği yerlerdir ve çok çeşitli ısı eşanjörleri barındırırlar. Bu sektör, eşanjörlerin en kritik olduğu ve ölçek olarak en büyük uygulamaların bulunduğu alandır.

• Kondenserler (Yoğuşturucular): Termik (fosil yakıtlı) ve nükleer santrallerde türbinlerden çıkan düşük basınçlı buharın yoğuşturulması için devasa kabuk ve borulu kondenserler kullanılır. Örneğin bir buhar türbini kondensörü, binlerce ince borudan oluşan bir demete soğutma suyunun geçirilmesi ve kabuk tarafına buharın verilmesi prensibiyle çalışır. Buhar, boruların dış yüzeyinde yoğuşarak ısısını suya bırakır ve vakum altında yoğunlaşır. Bu kondensat tekrar besi suyu olarak kullanılır. Kondenserler genellikle titanyum veya bakır-nikel alaşımlı borulara sahip dev eşanjörlerdir çünkü soğutma suyu olarak deniz suyu veya nehir suyu kullanılabilir ve korozyon dayanımı gerekir.
• Besi Suyu Isıtıcıları ve Ekonomizerler: Güç santrallerinde verimi artırmak için, besleme suyunu türbine girmeden önce ısıtmak yaygın bir uygulamadır. Besi suyu ısıtıcıları, buhar çevrimindeki ara buharı kullanarak besi suyunu ısıtan kabuk-borulu eşanjörlerdir. Benzer şekilde kazan economizeri, kazan çıkış gazlarının atık ısısını kullanarak besi suyunu ön ısıtan bir ısı değiştiricidir. Bu cihazlar, atık ısı geri kazanımı sağlayarak santral verimini yükseltir. Genelde çelik veya alaşımlı çelik malzemeden borulu yapıda üretilirler ve yüksek basınçlarda çalışırlar.
• Reküperatörler ve Isı Değiştiriciler: Doğalgaz çevrim santrallerinde, gaz türbini egzozundaki ısıyı geri kazanmak için ısı geri kazanım buhar jeneratörleri (HRSG) kullanılır ki bunların içinde çok sayıda ısı eşanjörü yüzeyi bulunur (ekonomizer, buharlaştırıcı, süper ısıtıcı yüzeyleri). Her ne kadar bunlar doğrudan "eşanjör" olarak anılmasa da, işlevsel olarak bir akışkandan diğerine ısı geçiren yüzeylerdir. Ayrıca, içten yanmalı motorlu jeneratör sistemlerinde egzoz gazı ile su arasında ısı geçiren eşanjörler (recuperator) bulunabilir.
• Hava Soğutmalı Kondanserler ve Kuru Soğutma: Su kıtlığı olan bölgelerde enerji santralleri, soğutma suyu kullanmak yerine dev hava-soğutmalı kondanserler ile atık ısıyı atmosfere verir. Bunlar birden fazla fanlı radyatör modülünden oluşan ve türbin buharını doğrudan hava ile yoğuşturan büyük eşanjörlerdir. Yüzey alanı çok büyük olduğundan genelde finli borulu yapıdadır ve birçok ünitenin paralel çalışmasıyla görev yaparlar. Su kullanımını azalttığı için sürdürülebilirlik açısından önemlidir, ancak verim açısından suya kıyasla daha düşüktür.
• Yenilenebilir Enerji Sistemleri: Güneş enerjisiyle elektrik üretiminde (yoğunlaştırılmış güneş enerjisi santralleri) ısı eşanjörleri kritik öneme sahiptir. Güneşten ısınan termal yağ ya da erimiş tuz, bir ısı değiştirici vasıtasıyla suyu buhara çevirir ve türbini döndürür. Jeotermal santrallerde, yeraltından gelen sıcak jeotermal akışkan, ikincil bir çalışma akışkanına (örn. organik Rankine çevrimi akışkanı) ısı vermek üzere eşanjörlerde kullanılır. Tüm bu sistemlerde kabuk-borulu veya plakalı eşanjörler prosese göre kullanılmaktadır. Jeotermal akışkanlar korozif olabileceğinden, titanyum veya özel alaşım borulu eşanjörler gerekir.

Enerji sektöründe genellikle borulu ve hava-soğutmalı eşanjörler tercih edilir, zira ölçek büyüktür ve dayanıklılık çok önemlidir​

dunyaisi.com

. Gıda veya HVAC'deki gibi küçük plakalı tipler burada nadirdir (istisna olarak bazı yardımcı sistemlerde küçük plakalılar olabilir). Kimyasal temizleme, online tüp temizleme (topçuk gönderme gibi) yöntemleri, büyük eşanjörlerin bakımında kullanılır. Ayrıca işletme sırasında sızıntı veya arıza olmaması için eşanjör tasarımları emniyet katsayılarıyla yapılır ve düzenli denetimler gerçekleştirilir.

Kimya ve Petrokimya Sanayii

Kimya sanayinde neredeyse her proses adımında ısı değişimi mevcuttur. Kimyasal reaksiyonlar genelde egzotermik veya endotermiktir, dolayısıyla reaktörlerin soğutulması veya ısıtılması gerekir. Ayrıca ayırma işlemlerinde (damıtma, kurutma, kristallendirme vs.) ısıtma-soğutma döngüleri bulunur. Bu nedenle kimya tesisleri çok sayıda ve çeşitli eşanjörlerle doludur.

• Reaktör Soğutucuları ve Isıtıcıları: Kimyasal reaktörlerin iç sıcaklığını kontrol altında tutmak için ceketi veya serpantini aracılığıyla ısı eşanjörleri kullanılır. Örneğin, polimerizasyon reaktörlerinde, reaksiyon ısısını gidermek için reaktör ceketinde dolaşan su/yağ karışımı bir plakalı eşanjör vasıtasıyla sürekli soğutulabilir. Veya endotermik bir reaksiyonu sürdürebilmek için reaktör içindeki bir serpantin boru demeti aracılığıyla sıcak yağ buharı geçirilerek ısı sağlanabilir.
• Proses Akışkan Soğutma/Isıtma: Petrokimya tesislerinde farklı sıcaklıklarda akışkan akımları vardır. Ürün akışını istenen sıcaklığa getirmek için genellikle kabuk-borulu eşanjörler kullanılır. Örneğin, bir rafineride ham petrolü ısıtmak için atık gazların ısısını kullanan eşanjörler (örnek: hava ön ısıtıcılar, proses ısıtıcıları) ve ürünü soğutmak için soğutma suyu kullanan eşanjörler (trim coolers) yaygındır. Spiral eşanjörler, özellikle yüksek viskozite veya kirletici içeren akışkanlarda kullanılır çünkü tıkanmaya karşı avantajlıdır​
  dunyaisi.com
  . Örneğin, katran, asfalt gibi akışkanların soğutulmasında spiral eşanjör tercih edilebilir.
• Aşındırıcı Akışkanlar ve Asidik Ortamlar: Kimya sanayinde sıkça karşılaşılan asit, kostik, klor gibi maddeler, normal eşanjör malzemelerine zarar verebilir. Bu nedenle özel malzemeli eşanjörler kullanılır. Tantal, Hastelloy, Inconel gibi alaşımlar ya da grafit eşanjörler (grafit bloklu eşanjörler) bu amaçla geliştirilmiştir. Örneğin, sülfürik asit soğutucuları genellikle grafit blok eşanjörlerden yapılır, çünkü grafit aside dayanıklıdır ve ısı transferi yeterince iyidir.
• Kriyojenik Uygulamalar: Kimya ve özellikle petrokimyada (doğalgaz sıvılaştırma, hava ayrıştırma gibi) kriyojenik sıcaklıklarda çalışan eşanjörler vardır. Bu alanda plate-fin (plakalı kanatlı) eşanjörler veya brazed aluminium heat exchanger denen çok kanallı blok eşanjörler kullanılır. Bunlar çok düşük sıcaklıklarda (örneğin -150°C) dahi yüksek verimle çalışan, alüminyumdan imal eşanjörlerdir. Doğalgazın LNG'ye dönüştürülmesinde, havanın oksijen/azot olarak ayrılmasında bu tipler kritik önemdedir.
• Distilasyon ve Yoğuşturucular: Damıtma kolonlarının tepesinde kondansör eşanjörler bulunur, bunlar çıkan buharı yoğuşturur. Ayrıca altta ısıtıcı reboiler eşanjörler vardır, bunlar kolondaki sıvıyı kısmen buharlaştırarak damıtmayı sürdürür. Reboiler olarak genelde kabuk-borulu (örn. kettle reboiler) kullanılırken, kondansör olarak hem kabuk-borulu hem de hava soğutmalı tipler kullanılabilir.

Kimya ve petrokimyada proses güvenilirliği çok önemli olduğundan, kullanılan ısı eşanjörlerinin seçimi dikkatle yapılır. Borulu eşanjörler bu sektörde ağırlıklı olarak tercih edilir (yüksek sıcaklık ve aşındırıcı akışkanlara uygun malzemelerle)​

dunyaisi.com

. Ancak belirli niş uygulamalarda plakalı ve spiral gibi tipler de kullanılır, özellikle alan kısıtlıysa veya hızlı ısı transferi gerekiyorsa.

Örneğin, bazı kimyasal tesislerde modüler plakalı eşanjör üniteleri kullanılıp, proses dinamiklerine uygun olarak devreye alınıp çıkarılabilir. Buna karşılık, rafineri gibi sürekli proseslerde devasa sabit eşanjörler kullanılır ve bunların performansı doğrudan üretimi etkiler.

Yukarıdaki sektörlerin yanı sıra, ilaç endüstrisi, HVAC dışında bina sistemleri, veri merkezleri (sunucu soğutma), denizcilik (gemi makine daireleri) ve daha birçok alanda soğutma eşanjörleri kritik roller üstlenir. Her sektör kendi özel gereksinimlerine göre farklı tip ve malzeme kombinasyonları ile eşanjör kullanımına sahiptir.

Soğutma Eşanjörü Tasarımı ve Üretim Süreci

Bir soğutma eşanjörünün başarılı olması, doğru mühendislik tasarımının ve uygun üretim tekniklerinin uygulanmasına bağlıdır. Tasarım aşamasında, eşanjörün kullanılacağı prosesin gereksinimleri detaylı olarak analiz edilir ve bu gereksinimleri karşılayacak malzeme seçimi, boyutlandırma ve yapılandırma belirlenir. Üretim süreci ise seçilen tasarımın gerçeğe dönüştürülmesini, yani uygun malzemelerin doğru tekniklerle bir araya getirilmesini içerir. Bu bölümde soğutma eşanjörlerinde kullanılan malzemeler, üretim teknikleri ve mühendislik tasarım süreçleri üzerinde duracağız.

Kullanılan Malzemeler

Soğutma eşanjörlerinin imalatında seçilen malzemeler, cihazın performansı ve ömrü açısından kritik öneme sahiptir. Malzeme seçiminde dikkate alınan başlıca kriterler: ısı iletkenliği, korozyon direnci, mekanik mukavemet (basınç-sıcaklık dayanımı) ve ekonomikliktir. Aşağıda eşanjörlerin farklı bileşenlerinde yaygın olarak kullanılan malzemeler ve özellikleri listelenmiştir:

• Karbon Çeliği: Karbon çeliği (örn. ASTM A516 Gr70 veya A106 gr B gibi kalite) özellikle kabuk ve borulu eşanjörlerin gövde ve geniş çaptaki borularında sık kullanılan bir malzemedir. Avantajı: Maliyeti düşüktür ve mekanik mukavemeti iyidir. Basınçlı kap uygulamalarında kaynak edilebilirliği ve sağlamlığı nedeniyle tercih edilir. Dezavantajı: Korozyona karşı dayanımı düşüktür; bu yüzden su veya nemli ortamlarda paslanma yapar. Bunu önlemek için kaplama (boya, epoksi) veya inhibitörlü su kullanımı gerekebilir. Yüksek sıcaklıklarda da oksidasyon riski vardır. Bu nedenle karbon çeliği genellikle 300°C altındaki, korozyif olmayan servisler için ekonomik çözümdür.
• Paslanmaz Çelik: Paslanmaz çelik alaşımları (AISI 304, 316, 321, 316L vb.) korozyon dayanımı yüksek oldukları için geniş bir kullanım alanına sahiptir. Avantajı: Kimyasal ve gıda endüstrisinde, deniz suyu temaslı uygulamalarda ve yüksek sıcaklıklarda (özellikle 321 gibi stabilize kalite, 500°C civarına dek) korozyona karşı direnç gösterir. Aynı zamanda mekanik olarak da oldukça dayanıklıdır. Plakalı eşanjör plakaları genelde 316 paslanmazdan yapılır. Dezavantajı: Karbon çeliğine göre daha pahalıdır ve ısı iletkenliği daha düşüktür (çelik ~45 W/mK, paslanmaz çelik ~15 W/mK). Isı iletkenliğin düşüklüğü kalın duvarlı tasarımlarda performansı etkileyebilir, ancak eşanjörlerde duvarlar genelde ince olduğundan bu etki sınırlıdır.
• Bakır: Bakır ve bakır alaşımları (pirinç = bakır-çinko, bronz = bakır-kalay vb.) mükemmel ısıl iletkenlikleriyle bilinir (yaklaşık 350-400 W/mK). Avantajı: Yüksek ısı transferi gerektiren uygulamalarda (örneğin eski tip araba radyatörleri, bazı klima evaporatör ve kondansör boruları) bakır tercih edilir. Ayrıca bakır, doğal olarak bakterisit özellik gösterdiği için su tarafında biyolojik birikmeyi azaltabilir. Dezavantajı: Saf bakır mekanik mukavemet olarak yumuşaktır ve yüksek basınçlara dayanmaz, bu yüzden genelde küçük boru çaplarında veya kanat malzemesi olarak kullanılır. Ayrıca maliyeti yüksektir. Korozyon dayanımı orta seviyededir; klorür içeren ortamlarda çukurlaşma yapabilir.
• Alüminyum: Alüminyum hafif ve yüksek ısıl iletkenliğe sahip bir metaldir (~205 W/mK). Avantajı: Taşınabilirlik ve ağırlığın önemli olduğu uygulamalarda (otomotiv radyatörleri, HVAC mikrokanal eşanjörler) alüminyum öne çıkar. Ayrıca alüminyum kendini pasifleştirdiğinden atmosferik korozyona karşı dirençlidir. Kanatçık malzemesi olarak da çokça kullanılır, çünkü ince kesitlerde kolay şekillendirilebilir ve ucuzdur. Dezavantajı: Mukavemeti düşük olduğundan genelde kalınlığı arttırmak veya alaşımlamak gerekir. Çok yüksek sıcaklıklara dayanıklı değildir (alüminyum erime ~660°C, pratik servis sıcaklığı <250°C önerilir). Ayrıca deniz suyu gibi ortamlarda alüminyum uygun değildir, zira aşınabilir.
• Nikel Alaşımları (Monel, Inconel, Hastelloy): Bu özel alaşımlar, ekstrem şartlar için geliştirilmiştir. Avantajı: Monel (bakır-nikel alaşımı) deniz suyu uygulamalarında mükemmel korozyon direncine sahiptir. Inconel ve Hastelloy gibi alaşımlar ise asidik ortamlarda veya çok yüksek sıcaklıklarda mukavemet ve korozyon direncini korur. Örneğin, klor gazı soğutma gibi bir uygulamada veya 600°C üzeri ısıtıcı yüzeylerde bu malzemeler kullanılabilir. Dezavantajı: Son derece pahalı malzemelerdir ve işlenmeleri zordur. Bu nedenle sadece gerekli kısımlarda (örneğin borular bu alaşımdan, gövde çelikten gibi kombinasyonlarla) kullanılırlar.
• Titanyum: Titanyum, eşanjör yapımında popüler bir malzemedir özellikle kimyasal ve deniz suyu ortamlarında. Avantajı: Korozyon direnci mükemmeldir; klorürlü sularda, deniz suyunda, oksitleyici asitlerde uzun ömür sağlar. Ayrıca titanyumun yoğunluğu çeliğe göre daha düşüktür, bu da hafiflik avantajı demektir. Orta sıcaklıklara (~300°C) kadar kullanılabilir. Deniz suyu soğutmalı eşanjörlerde titanyum borular yaygın olarak tercih edilir​
  ucgenenerji.com.tr
  . Dezavantajı: Ham madde maliyeti yüksek ve imalatı zordur; özel kaynak yöntemleri ve tecrübe gerektirir. Isı iletkenliği de orta düzeydedir (~20 W/mK). Yine de sunduğu eşsiz korozyon dayanımı nedeniyle, uzun vadeli işletme maliyetleri düşünüldüğünde sıkça seçilir.
• Diğer Malzemeler: Bazı niş uygulamalarda grafit, cam, plastik (PTFE) gibi malzemeler de eşanjör yapımında kullanılır. Grafit eşanjörler, hidroflorik asit gibi çok agresif kimyasallarda kullanılır çünkü grafit bu kimyasallara dayanıklıdır; ancak mekanik olarak zayıftır, bu yüzden blok formunda delikli yapılar şeklinde tasarlanır. Cam ve seramik eşanjörler de kimyasal inertlik gerektiren küçük uygulamalarda (labor