Isı transferi teorisi, fiziksel sistemlerde enerjinin dengeye ulaşana kadar nasıl aktığını açıklar. Doğal fizik yasaları, sıcaklık farkı olduğu sürece, enerjinin daha sıcak olan cisimden veya akışkandan daha soğuk olan ortama aktarılacağını belirtir. Bu süreç, sistemdeki enerji akışının dengelenmesine kadar devam eder.

Bir ısı eşanjörü de bu prensibi temel alarak çalışır. Özellikle plakalı tip ısı eşanjörlerinde, sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki yüzey, ısının kolayca iletilmesini sağlar. Bu sayede, düşük enerji seviyesine sahip sıvılar veya gazlar bile etkili bir şekilde ısıtılabilir veya soğutulabilir. Isı transferinin temel kuralları şu şekildedir:

• Isı her zaman sıcak ortamdan soğuk ortama aktarılır.
• Isı transferi için iki ortam arasında mutlaka bir sıcaklık farkı olmalıdır.
• Sıcak ortamın kaybettiği ısı miktarı, soğuk ortamın kazandığı ısı miktarına eşittir (çevreye olan kayıplar hariç).

Isı Eşanjörleri ve Çeşitleri
Isı eşanjörleri, bir ortamdan diğerine sürekli olarak ısı transferi yapan cihazlardır. Temelde iki ana türü bulunur:

1. Doğrudan Isı Eşanjörleri: İki akışkan birbiriyle doğrudan temas halindedir, ancak birbirine karışmazlar. Örneğin, soğutma kulelerinde su, hava ile doğrudan temas ederek soğutulur.
2. Dolaylı Isı Eşanjörleri: İki akışkan, aralarında bir duvar veya yüzey bulunan sistemlerde ısı transferi yapar. Bu tür eşanjörlerde akışkanlar birbirine karışmaz.

Isı Transfer Yöntemleri
Isı transferi üç temel yöntemle gerçekleşir:

1. Radyasyon: Enerji, elektromanyetik dalgalar aracılığıyla iletilir. Örneğin, güneşin dünyayı ısıtması.
2. İletim (Kondüksiyon): Enerji, katılar veya hareketsiz akışkanlar içinde atomların veya moleküllerin hareketiyle aktarılır.
3. Taşınım (Konveksiyon): Enerji, akışkanın bir kısmının diğer kısmıyla karışması sonucu iletilir.
   • Doğal Taşınım: Akışkanın hareketi, yoğunluk farkına bağlıdır ve sıcaklık farklılıkları dengelenir.
   • Zorlanmış Taşınım: Akışkanın hareketi, dış etkenler (örneğin bir pompa) tarafından sağlanır.

Bu temel prensipler, ısı eşanjörlerinin tasarımı ve işleyişi için kritik öneme sahiptir. Isı transferi, endüstriyel süreçlerden günlük yaşama kadar pek çok alanda hayati bir rol oynar.

Isı Eşanjörü Türleri ve Özellikleri
Bu broşürde yalnızca dolaylı ısı eşanjörleri ele alınmaktadır. Dolaylı ısı eşanjörlerinde, akışkanlar birbirine karışmaz ve ısı transferi, ısı transfer yüzeyleri aracılığıyla gerçekleşir. Bu tür eşanjörlerde radyasyon yoluyla oluşan sıcaklık kayıpları genellikle ihmal edilebilir düzeydedir.

Dolaylı ısı eşanjörleri, başlıca plakalı, borulu (shell-and-tube), spiral gibi çeşitli türlerde mevcuttur. Çoğu durumda, plakalı ısı eşanjörleri en verimli seçenek olarak öne çıkar. Bu eşanjörler, mevcut ekipman sınırları dahilinde geniş basınç ve sıcaklık aralıklarında en iyi termal çözümleri sunar. Plakalı ısı eşanjörlerinin en dikkat çekici avantajları şunlardır:

1. Az Yer Kaplama: Geleneksel borulu ısı eşanjörlerine kıyasla çok daha az alan gerektirir.
2. İnce Isı Transfer Yüzeyi: Isı transfer yüzeyleri ince malzemelerden üretilir, bu da ısının daha kolay iletilmesini sağlar ve optimum ısı transferi sağlanır.
3. Yüksek Türbülans: Akışkan içindeki yüksek türbülans, taşınımı artırarak ortamlar arasında etkili bir ısı transferi sağlar. Bu durum, birim alan başına daha yüksek ısı transfer katsayısı anlamına gelir ve hem daha küçük yüzey alanı ihtiyacı doğurur hem de sistemin daha verimli çalışmasını sağlar.

• Yüksek türbülans aynı zamanda kendi kendini temizleme etkisi yaratır. Bu sayede, geleneksel borulu eşanjörlere kıyasla, yüzeylerde kirlenme (fouling) oranı önemli ölçüde azalır. Bu da plakalı eşanjörlerin temizleme aralıklarının daha uzun olmasını sağlar.

1. Esneklik: Plakalı ısı eşanjörleri, bir dizi ısı transfer plakasından oluşan bir çerçeve yapısına sahiptir. Kapasite artırımı için kolayca genişletilebilir. Ayrıca, temizlik amacıyla açılması oldukça pratiktir. (Bu özellik yalnızca contalı eşanjörler için geçerlidir; lehimli veya kaynaklı modellerde uygulanamaz.)
2. Değişken Termal Uzunluk: Alfa Laval tarafından üretilen plakalı ısı eşanjörlerinin çoğu, iki farklı presleme desenine sahiptir.

• Dar desenli plakalarda, basınç düşüşü daha yüksektir ve eşanjör daha etkilidir. Bu tür eşanjörler, uzun termal kanala sahiptir.
• Geniş desenli plakalarda ise basınç düşüşü daha azdır ve ısı transfer katsayısı biraz daha düşüktür. Bu tür eşanjörler, kısa termal kanala sahiptir.
• Farklı desenlere sahip iki plaka yan yana yerleştirildiğinde, uzun ve kısa kanallar ile basınç düşüşü ve verimlilik arasında bir denge sağlanır.

Plakalı ısı eşanjörleri, bu avantajları sayesinde endüstriyel uygulamalarda sıklıkla tercih edilen bir çözüm haline gelmiştir. Özellikle alan tasarrufu, yüksek verimlilik ve esnek yapısı, bu eşanjörleri birçok termal problem için ideal kılar.

Termal Problemlerin Çözümü ve Temel Parametreler
Bir termal problemin çözümü için, bir dizi temel parametrenin bilinmesi gerekir. Bu parametreler, sistemin tasarımı ve işleyişi için kritik öneme sahiptir. En önemli altı parametre şu şekildedir:

1. Transfer Edilecek Isı Miktarı (Isı Yükü): Sistemde taşınması gereken ısı miktarı.
2. Giriş ve Çıkış Sıcaklıkları (Birincil ve İkincil Taraflar): Her iki taraftaki akışkanların giriş ve çıkış sıcaklıkları.
3. İzin Verilen Maksimum Basınç Düşüşü (Birincil ve İkincil Taraflar): Her iki tarafta uygulanabilecek maksimum basınç düşüşü.
4. Maksimum Çalışma Sıcaklığı: Sistemin dayanabileceği en yüksek sıcaklık değeri.
5. Maksimum Çalışma Basıncı: Sistemin dayanabileceği en yüksek basınç değeri.
6. Akış Hızı (Birincil ve İkincil Taraflar): Her iki taraftaki akışkanların akış hızı.

Eğer bir taraftaki akış hızı, özgül ısı ve sıcaklık farkı biliniyorsa, ısı yükü hesaplanabilir. Bu hesaplama, sayfa 6'da daha detaylı açıklanmaktadır.

Sıcaklık Programı
Sıcaklık programı, ısı eşanjöründeki her iki akışkanın giriş ve çıkış sıcaklıklarını ifade eder.

• T1: Sıcak taraf giriş sıcaklığı
• T2: Sıcak taraf çıkış sıcaklığı
• T3: Soğuk taraf giriş sıcaklığı
• T4: Soğuk taraf çıkış sıcaklığı

Aşağıdaki diyagramda sıcaklık programı gösterilmektedir.

Isı Yükü
Atmosfere olan ısı kayıpları ihmal edildiğinde, plakalı bir ısı eşanjörünün bir tarafından kaybedilen ısı (ısı yükü), diğer tarafından kazanılan ısıya eşittir. Isı yükü (P), kW veya kbtu/h cinsinden ifade edilir.

Logaritmik Ortalama Sıcaklık Farkı (LMTD)
Logaritmik ortalama sıcaklık farkı (LMTD), ısı eşanjöründeki etkin itici güçtür. Sol taraftaki diyagramda gösterildiği gibi, LMTD şu formülle hesaplanır:
Burada:

Logaritmik Ortalama Sıcaklık Farkı (LMTD)

LMTD formülü aşağıdaki gibi hesaplanır:

Burada:

• \(\Delta T_1 = T_1 - T_4\) (Sıcak taraf girişi ile soğuk taraf çıkışı arasındaki sıcaklık farkı)
• \(\Delta T_2 = T_2 - T_3\) (Sıcak taraf çıkışı ile soğuk taraf girişi arasındaki sıcaklık farkı)

Termal Uzunluk
Termal uzunluk (Θ), bir taraftaki sıcaklık farkının (δt) LMTD'ye oranıdır.

Termal uzunluk, bir görevin termal açıdan ne kadar zor olduğunu tanımlar.

Yoğunluk
Yoğunluk (ρ), birim hacimdeki kütleyi ifade eder ve kg/m³ veya lb/ft³ cinsinden ölçülür. Yoğunluk, akışkanların termal ve hidrolik özelliklerini belirlemede önemli bir parametredir.

Bu parametreler, ısı eşanjörlerinin tasarımı ve performans analizi için temel oluşturur. Doğru hesaplamalar ve analizler, sistemin verimli ve güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlar.