Plakalı ısı değiştiricilerde ısı transferine ve plaka ömrüne etki eden parametrelerin analizi
Analysis of parameters affecting heat transfer and plate life in plate heat exchangers
Yazar: BURHAN DEMİRCİ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA AKTAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Isı eşanjörü =   ; Isı geçişi katsayısı = Heat transfer coefficient

Özet:
Eşanjör ya da ısı değiştirici, farklı sıcaklıklardaki en az iki akışkanı, birbirine karıştırmadan aralarında ısı aktarımını sağlayan cihazlardır. Plakalı ısı eşanjörleri ilk ticari uygulamalarından bu yana çok sayıda konut ve endüstriyel uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Ekipmanların istenilen performansta ve sistemin güvenilir çalışma sıcaklığında tutulabilmesi, sermaye yatırımı için enerji tasarrufu ve sistem ekonomisinin iyileştirilmesi, termal-hidrolik performansının arttırılması çok önemlidir. Bu sebeple daha verimli yenilikçi tasarımlar yapma ihtiyacı doğmuştur. Bu çalışmada, literatürdeki tek fazlı akışkanlar kapsamında plakalı ısı değiştiricilerde gerekli olan ısı aktarımı için ısı transferine ve plaka ömrüne etki eden parametreler Klima, Isıtma ve Soğutma Enstitüsü (AHRI) standardı dikkate alınarak detaylıca incelenmiştir. Böylece ısı aktarımında verimliliğin daha da arttırılması amaçlanarak sürdürülebilirlik hedeflenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre şevron açısı (β), ısı transferi ve basınç kaybında etkili parametredir. Şevron açısının artması yaklaşık olarak ısı transfer katsayısını 2,5 ile 2,8 kat, basınç kaybını ise 5 kat arttırır. Plakalarda oluşturulan akış kanallarında, besleme debisinin artması şevron açısına bağlı olarak ısı transfer katsayısını 3 ile 7 katı arasında, basınç kaybının ise 4 ile 20 kat arasında artmasına neden olur. Sabit besleme suyu debisinde ve sabit şevron açısında kanal derinliğinin artması veya plaka adımının azalması, ısı transfer katsayısını %30'a, basınç kaybını ise 3 kata kadar arttırır. Ortamdaki klor ve sülfür varlığı plaka korozyonunu hızlandıran ana unsurlardır. Bu nedenle aşınma ve kirlilik ısı transferini olumsuz etkileyen en önemli nedenlerin başında gelir. Akışkanın fiziksel ve kimyasal özelliği ise hem ısı transferini hem de plaka ömrünü etkileyen ortak parametredir. Isı transfer katsayısı ve izin verilen basınç kaybının yüksek olması daha düşük ısı transfer alanlarının oluşmasını sağlar. Bu durum tasarımı yapılan sistemin daha az plaka kullanılarak ve daha düşük ilk yatırım maliyeti ile çözülebilmesi anlamına gelir. Korozyon dayanımı yüksek malzemeler ise plaka ömrünü ve ilk yatırım maliyetini artırır. Plakalı ısı değiştiricilerde plaka malzemesinin cinsi ve kalınlığı, sahip olduğu geometrik yapı, plaka dizilimi ve akış yönlendirmesi, kirlenme ısı transferini etkilerken; imalat, tasarım ve uygulama hataları plaka ömrünü etkilen önemli faktörler olarak belirlenmiştir.

Abstract:
Heat exchangers are devices that provide heat transfer between at least two fluids at different temperatures without mixing them together. Plate heat exchangers have been widely used in many industrial applications since their first commercial applications. It is very important to keep the equipment at the desired performance and the reliable operating temperature of the system, to save energy for capital investment and to improve the system economy, and to increase the thermal-hydraulic performance. For this reason, the need to make more efficient designs has arisen. In this study, the parameters affecting the heat transfer and plate life for the heat transfer required in plate heat exchangers within the scope of single-phase fluids in the literature were examined in detail by considering the Air Conditioning Heating and Refrigeration Institution (AHRI) standard. Hence, sustainability is targeted by aiming to further increase efficiency in heat transfer. According to the results obtained, the chevron angle (β) is the effective parameter in heat transfer and pressure loss. Increasing the chevron angle increases the heat transfer coefficient approximately 2.5 to 2.8 times and the pressure loss 5 times. In the flow channels formed in the plates, the increase in the supply flow causes the heat transfer coefficient to increase between the 3 to 7 times and the pressure loss between the 4 to 20 times, depending on the chevron angle. Increasing the channel depth or decreasing the plate step at constant feed water flow and constant chevron angle increases the heat transfer coefficient up to 30% and the pressure loss up to 3 times. The presence of chlorine and sulfur in the environment are the main factors that accelerate plate corrosion. For this reason, wear and contamination are among the most important reasons that negatively affect heat transfer. The physical and chemical property of the fluid is a common parameter affecting both heat transfer and plate life. The high heat transfer coefficient and pressure loss provides the formation of lower heat transfer areas. This means that the designed system can be solved by using fewer plates and with a lower initial investment cost. Materials with high corrosion resistance increase plate life and initial investment cost. Plate heat exchangers plate type and thickness of the material, that has a geometric structure, the plate arrangement and flow routing, fouling affects heat transfer; manufacturing, design and implementation errors have been identified as important factors that affected the life of the plate.